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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine / eines Elektromotors für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges, wie eines Pkws, Lkws, Busses oder anderen Nutzfahrzeuges, welche Maschine einen Stator und einen drehend durch den Stator antreibbaren Rotor aufweist, wobei mehrere (jeweils zur Ausbildung eines Pols vorbereiteten) Spulen des Stators und/oder Rotors fest verschaltet / verkabelt sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine, die so ausgelegt ist, dass sie nach / in einem solchen Verfahren betreibbar ist.
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Stand der Technik ist bereits hinlänglich bekannt. Bspw. sind verschiedene Methoden zum mechanischen oder elektrischen Umschalten der Wicklung des Stators bei elektrische Maschinen mit Dahlander-Wicklungen bekannt, die typischerweise in einem Dreiphasendrehstrommotor eingesetzt sind. Ferner ist Stand der Technik zur Ansteuerung bzw. Regelung von mehrphasigen Drehstrommaschinen bekannt. Bspw. ist die Regelung von mehrphasigen Maschinen mittels feldorientierter Regelung bzw. Vektorregelung bekannt.
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Diese aus dem Stand der Technik bekannten elektrischen Maschinen haben jedoch zumeist den Nachteil, dass sie aufgrund der im Betrieb umzusetzenden mechanischen Schaltvorgänge relativ aufwändig aufgebaut sind und dadurch relativ viele Bauteile notwendig sind, um die notwendigen Schaltkreise zu ermöglichen.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu beheben und insbesondere einen möglichst einfach strukturierten Betrieb sowie Aufbau einer elektrischen Maschine umzusetzen.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Spulen unabhängig voneinander bestromt werden, d.h., dass eine elektrische, unabhängig voneinander umgesetzte Bestromung der einzelnen Spulen erfolgt.
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Durch die unabhängige, d.h. möglichst flexible Ansteuerung der einzelnen Spulen wird eine elektrische Maschine in Form einer Drehstrommaschine umgesetzt, die besonders flexibel betreibbar ist. Durch diesen zusätzlichen Freiheitsgrad im System können möglichst vielfältige Drehzahlbereiche abgedeckt und der Wirkungsgrad der einzelnen Betriebspunkte optimiert werden, die insbesondere für den Einsatz im Kraftfahrzeugbereich notwendig sind.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
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Sind mehrere / zumindest zwei der Spulen des Stators zu zumindest einer Spulengruppe oder zu mehreren Spulengruppen zusammengefügt, welche Spulengruppe/-n unabhängig voneinander und / oder von den einzelnen Spulen bestrombar sind, ist die elektrische Maschine besonders praktikabel ansteuerbar. Die einzelnen Spulen und / oder die Spulen der Spulengruppen sind jeweils einem bestimmten Statorzahn zugeordnet oder erstrecken sich über mehrere Statorzähne hinweg. Auch sind in einer weiteren Ausführung mehrere Spulen derselben Spulengruppe, verschiedener Spulengruppen oder einzelne Spulen mit Spulen einer Spulengruppe an einem Statorzahn angebracht.
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Die Anzahl der voneinander unabhängigen Spulengruppen beträgt vorzugsweise 3, besonders bevorzugt mehr als 3, etwa 5. Da jeder Spule / Spulengruppe eine Phase eines Drehstromes zuordenbar ist, ist die elektrische Maschine bevorzugt auch dreiphasig, besonders bevorzugt mehr als dreiphasig, etwa fünfphasig, betreibbar. Besonders bevorzugt erfolgt somit eine elektrische, unabhängig voneinander umgesetzte Bestromung von mindestens fünf Spulen oder Spulengruppen. Durch die unabhängige, d.h. möglichst flexible Ansteuerung der einzelnen Spulen / Spulengruppen, kann der elektrische Winkel zwischen den einzelnen Spulengruppen unterschiedlich eingeprägt und somit die Polzahl des Statordrehfeldes variiert werden. Somit wird eine elektrische Maschine umgesetzt, die besonders flexibel betreibbar ist. Durch diesen zusätzlichen Freiheitsgrad im System können möglichst vielfältige Drehzahlbereiche abgedeckt und der Wirkungsgrad der einzelnen Betriebspunkte optimiert werden, die insbesondere für den Einsatz im Kraftfahrzeugbereich notwendig sind.
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Erfolgt eine unabhängige Bestromung der einzelnen Spulen und / oder Spulengruppen rein softwaretechnisch, d.h. findet die elektronische Ansteuerung der einzelnen Spulen und / oder Spulengruppen rein softwaretechnisch statt, wird die elektrische Maschine vom Aufbau besonders einfach gehalten. Eine Umschaltung zwischen den Spulen und / oder Spulengruppen kann prinzipiell auch, zusätzlich oder alternativ zu der softwaretechnischen Ansteuerung / Umschaltung mechanisch und / oder auf andere elektronische Wege erfolgen.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn eine mit den Spulen und / oder Spulengruppen gekoppelte Steuerungseinheit vorhanden ist, die softwaretechnisch zumindest einen fünf- und/oder sechsphasigen Drehstrom zur Bestromung / Ansteuerung der einzelnen Spulen und / oder Spulengruppen erzeugt. Dadurch wird die Variabilität der elektrischen Maschine weiter verbessert.
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Weiter bevorzugt ist die elektrische Maschine / Drehstrommaschinen als (nicht ausschließlich) permanentmagneterregte und / oder elektrisch erregte Synchronmaschinen, Synchronreluktanzmaschine oder Asynchronmaschine ausgebildet.
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Besonders von Vorteil ist es, wenn die elektrische Maschine als Synchronmaschine ausgebildet ist.
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In diesem Zusammenhang ist es besonders zweckmäßig, wenn die Spulen und / oder Spulengruppen aktiv (durch die Steuerungseinheit) umgeschaltet werden. Dadurch ist ein besonders leistungsfähiger Elektromotor umgesetzt.
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Des Weiteren ist es auch vorteilhaft, wenn die elektrische Maschine als Asynchronmaschine ausgebildet ist.
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In diesem Zusammenhang ist es wiederum zweckmäßig, wenn die Spulen und / oder Spulengruppen so angesteuert werden, dass eine Anregung von Oberwellen in einem erzeugten Statordrehfeld stattfindet. Dadurch ist die Asynchronmaschine besonders effektiv einsetzbar.
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Besonders zweckmäßig ist es, wenn die die Spulen und / oder Spulengruppen so (mittels der Steuerungseinheit (softwaretechnisch)) angesteuert sind, dass ein Phasenversatz zwischen benachbarten Statorzähnen / Spulen und / oder Spulengruppen verändert wird, sodass eine definierte Anzahl an Polpaaren festgelegt wird.
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Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die Spulen und / oder Spulengruppen so (mittels der Steuerungseinheit) angesteuert sind, dass mit zunehmender Drehzahl die Anzahl an ausgebildeten Polpaaren abnimmt.
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Weißt die elektrische Maschine mehr als drei Spulen und / oder Spulengruppen, bevorzugt mehr als vier Spulen und / oder Spulengruppen, besonders bevorzugt fünf oder sechs Spulen und / oder Spulengruppen auf, ist die elektrische Maschine weitestgehend besonders einfach für die spezielle Ansteuerung aufgebaut.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine, die so ausgelegt ist, dass sie nach einem Verfahren nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungen betreibbar ist. Dadurch ist das Verfahren hinsichtlich seines Funktions- oder Betriebsprinzips besonders effizient ausgeführt.
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Zudem betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, mit einer elektrischen Maschine. Der Antriebsstrang ist bevorzugt als hybrider Antriebsstrang oder als E-Achse ausgebildet.
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In anderen Worten ausgedrückt, dient die erfindungsgemäße Ausbildung dazu, elektronisch die magnetischen Pole einer elektrischen Maschine umzuschalten, indem eine dynamische Phasensteuerung, insbesondere für Hybrid- oder elektrische Antriebsachsen, verwendet wird. Um die Phasen der elektrischen Maschine zu erhöhen, während die Anzahl der benötigten Leistungsschalter reduziert werden soll, ist es somit vorgeschlagen, eine mehrphasige Statorwicklung für die elektrische Maschine zu verwenden, dafür jedoch die Wicklungen des Stators fest zu verschalten und dadurch nicht über mechanische oder elektronische Schalter umschaltbar auszuführen. Vorzugsweise ist die elektrische Maschine als eine fünfphasige oder sechsphasige Maschine ausgebildet. Das Umschalten zwischen den Polzahlen des Statordrehfelds wird elektronisch, bevorzugt softwarebasiert, umgesetzt, wobei bevorzugt ein Phasenversatz zwischen benachbarten Statorzähnen / Spulen und / oder Spulengruppen verändert wird, um dadurch eine Anzahl von Polpaaren zu definieren. Beispielsweise hat bei einer fünfphasigen elektrischen Maschine mit fünf, einzeln mit Spulen bewickelten Statorzähnen mit einem mechanischen Offset von 72° ein elektrisches Offset von 72° die Ausbildung eines Polpaares zur Folge, wohingegen ein elektrisches Offset von 144° die Ausbildung zweier Polpaare zur Folge hat. In dem letzten Fall ist die Frequenz der elektrischen Maschine bei gleicher Drehzahl höher als im ersten Fall. D.h., bei höherer Polpaarzahl aber gleicher Drehzahl ist die Frequenz höher. Insbesondere wird die Anzahl an im Statordrehfeld ausgeprägten Polpaaren umso niedriger angesteuert, je höher die Geschwindigkeit der elektrischen Maschine wird.
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Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Figuren kurz schematisch beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht einer elektrischen Maschine nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, die derart angesteuert ist, dass sich insgesamt vier magnetische Pole am Rotor bei einer niedrigen Geschwindigkeit ausbilden,
- 2 eine schematische Darstellung der elektrischen Maschine nach 1, die derart angesteuert ist, dass sich zwei Pole ausbilden (optimierter Betrieb für höhere Drehzahlen),
- 3 eine schematische Darstellung eines Stators der sechs Phasen aufweist, wie er in den 1 und 2 eingesetzt ist, sowie
- 4 eine schematische Darstellung eines fünf Phasen aufweisenden Stators.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine 1 ist prinzipiell im Aufbau in den 1 und 2 zu erkennen. Die elektrische Maschine 1 kann prinzipiell als Synchronmaschine oder als Asynchronmaschine ausgebildet sein. Die elektrische Maschine 1 weist stets einen Stator 3 sowie einen relativ dazu verdrehbaren Rotor 4 auf. An dem Stator 3 sind in diesem Ausführungsbeispiel gleichmäßig entlang des Umfangs verteilt sechs Statorzähne 2 angeordnet, die durch eine entsprechende Wicklungsausführung ein Drehfeld ausbilden. Im Betriebszustand sind Spulen um die Statorzähne 2 jeweils, in Abhängigkeit ihrer Bestromung zum Ausbilden eines Drehfelds vorgesehen. Jeder Statorzahn 2 ist von eine Gruppe an Spulen / Spulengruppe umwickelt. Alternativ hierzu ist es jedoch auch möglich je Statorzahn 2 nur eine Spule vorzusehen. Auch können je Statorzahn 2 prinzipiell auch mehrere Spulengruppen angebracht sein. Jede der um die Statorzähne 2 gewickelten Spulengruppen wird dabei unabhängig von den übrigen Spulengruppen bestromt, sodass sich eine beliebige Anzahl an Polen / Polpaaren einstellen lässt. Üblicherweise werden die Spulen in sogenannten „verteilten Wicklungen“ in mehreren Schichten um mehrere Statorzähne 2 gewickelt, das heißt ganz allgemein müssen Spule und Statorzahn 2 nicht an derselben Stelle liegen und es muss auch nicht genau nur eine Spule um jeden Statorzahn 2 gewickelt sein. Prinzipiell ist jedem Statorzahn 2 jedoch zumindest eine Spulengruppe zugeordnet, sodass ein Statorzahn 2 von einer Spulengruppe angesteuert wird.
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Die Umschaltung der Polzahl im Rotor 4 ist hinreichend im Stand der Technik bekannt und nicht Umfang dieser Anmeldung. Abhängig von der Technik werden für die in dem in 1 dargestellten Betriebszustand vier Pole ausgebildet. Der Windungsaufbau ist in 1 0°-120°-240°-360°-480°-600°.
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Erfindungsgemäß ist die elektrische Maschine 1 nun prinzipiell so mittels einer hier der Übersichtlichkeit halber nicht weiter dargestellten Steuerungseinheit im Betrieb softwaretechnisch angesteuert, dass die Spulen / Spulengruppen um die Statorzähne 2 unabhängig voneinander (durch die Steuerungseinheit) bestrombar sind. Dies ermöglicht insbesondere, dass die elektrische Maschine 1 so angesteuert wird, dass sie mit zunehmender Drehzahl die Anzahl ihrer ausgebildeten Pole / Polpaare reduziert. In 2, in der der Rotor 4 schneller dreht als in 1, sind daher lediglich zwei Pole am Rotor 4 ausgebildet, wobei das Wicklungs-Layout 0°-60°-120°-180°-240°-300° betrifft. Insbesondere sind die Spulengruppen um die Statorzähne 2 derart bestromt, dass sich lediglich zwei Pole im Rotor ausbilden. In diesem Zusammenhang ist die jeweilige Spulengruppe um die Statorzähne 2 mit einem sechsphasigen Drehstrom durch die Steuerungseinheit / eine auf der Steuerungseinheit hinterlegten Steuerungssoftware angesteuert.
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Auch dreiphasiger, vierphasiger, fünfphasiger, siebenphasiger oder mehr als siebenphasiger, wie neunphasiger Drehstrom kann prinzipiell bei entsprechender Statorgeometrie und -wicklung durch die Leistungselektronik bzw. die Software bereitgestellt werden. Dabei sind stets die einzelnen Spulengruppen um die Statorzähne 2 unabhängig voneinander, d.h. unabhängig von der Phasenlage der anderen Spulengruppen oder der Stromrichtung des Drehstromes bestrombar. Hierbei sei darauf hingewiesen, dass die Phasenlage nicht komplett unabhängig ist. Zur Ausprägung eines Drehfelds im Stator 3 sind gewisse Symmetrien einzuhalten, also bei 5-phasigen Maschinen sind bspw. nur 72° und 144° Offset möglich, sodass stets ein Drehfeld erzeugt wird und die Maschine 1 lauffähig bleibt.
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In Verbindung mit den 3 und 4 ist in der jeweils einfachsten Anordnung exemplarisch erkennbar, wie die Spulengruppen an die Statorzähne 2 am Stator 3 angebracht und fest verschaltet, d.h. ohne Einsatz von Schaltern weiter verbunden, sind, wobei Ausbildungen mit sechs Phasen (3) oder fünf Phasen (4) am Stator 3 bevorzugt sind. Auch in 3 hierbei wird wieder bevorzugt mittels eines fünf- oder sechsphasigen Drehstroms die jeweilige Spulengruppe um die Statorzähne 2 angesteuert.
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Prinzipiell kann der Stator 3, statt als Außenstator, wie in den dargestellten Ausführungen, auch als Innenstator oder als kombinierter Innen-Und-Außenstator ausgebildet sein.
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Bevorzugt sind hierbei lediglich zwölf Kontakte in Form einer B12-Brücke umgesetzt. Bevorzugt sind dabei auch lediglich sechs Phasen an der elektrischen Maschine 1 sowie eine sternförmige Ausprägung / Verschweißung / Verkrimpung (somit sieben Verbindungen insgesamt) umgesetzt.
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Gemäß dem fünfphasigen / -poligen Ausführungsbeispiel nach 4 ist es sogar möglich, nur zehn Kontakte anzubringen, bevorzugt in Form einer B10-Brücke. Dabei sind letztendlich lediglich fünf Anbindungen an der elektrischen Maschine 1 sowie eine zusätzliche Verschweißung / Verkrimpung (somit sechs Verbindungen insgesamt) umgesetzt.
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Prinzipiell gilt für die Ansteuerung die Formel
wobei n die Anzahl der möglich Zustände / Betriebszustände ist.
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In anderen Worten ausgedrückt, wird bevorzugt der Rotor 4 der E-Maschine 1 wie bei polumschaltbaren Maschinen 1 auf den Betrieb bei mehreren Polpaarzahlen optimiert (die Anzahl der möglichen Polpaarzahlen sind abhängig von der Phasenzahl - bei 5- oder 6-phasigen Systemen sind zwei verschiedene Polpaarzahlen möglich, bei 7- und 9-phasigen Systemen drei, usw.). Während bei ASM-Rotoren die Pol-Umschaltung direkt über die Änderung des Statordrehfelds geschieht, ist für die Pol-Umschaltung bei Synchronmaschinen-Rotoren ggf. eine zusätzliche Vorrichtung vorzusehen. Hierzu sind verschiedene Techniken bekannt, die jedoch nicht Umfang dieser Anmeldung sind. Im Gegensatz zu polumschaltbaren 3-phasigen Systemen, wird der Stator 3 fest verschaltet (d.h. die Wicklung ist nicht umschaltbar), wobei das Wickelschema auf die jeweils möglichen Polpaarzahlen optimiert ausgelegt wird. Die eigentliche Polumschaltung geschieht durch die Änderung des Phasenversatzes zwischen den im Stator 3 nebeneinander liegenden Statorzähnen 2. Einfaches Beispiel zur Erklärung der Funktionalität: 5-Phasen E-Maschine 1 mit fünf Statorzähnen (Spulen) 2 mit jeweils 72° mechanischem Offset: Bei 72° elektrischem Offset zwischen den Zähnen 2: 1 Polpaar wird erzeugt; bei 144° elektrischem Offset zwischen den Zähnen 2: 2 Polpaare werden erzeugt. Beide Ansteuerungen sind rein softwaretechnisch umgesetzt, eine Umschaltung der Wicklung wird nicht benötigt. Da sich die Windungszahl des Stators 3 nicht ändert (im Gegensatz zu einer wicklungsumgeschalteten 3-Phasen Maschine), ist der Effekt des höheren Drehmoments bzw. der höheren Drehzahl zwar geringer ausgeprägt als bei der 3-Phasigen polumschaltbaren E-Maschine, die rein softwaretechnisch polumschaltbare Maschine 1 hat dafür jedoch (u. a. durch die Mehrphasigkeit) zusätzliche Vorteile gegenüber der 3-phasigen mechanisch umgeschalteten: Geringere Anzahl benötigter Leistungsschalter; Drehmomenterhöhung durch Ausnutzung der ungeraden Harmonischen bis (Phasenzahl - 2); geringere Strom- und Drehmomentwelligkeit, dadurch wird eine kleinere Zwischenkreiskondensator-Kapazität benötigt und eine geringere Geräuschemission ist umgesetzt; zudem höhere Wirkungsgrade durch geringere Anteile hoher Harmonischer.
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Das Prinzip der elektrischen Polumschaltung im Stator 3 kann theoretisch auch verwendet werden, um zwischen zwei unmittelbar nebeneinanderliegenden Statorzähnen 2 auf elektrische Winkel von >180° zu schalten. Auf dieser Basis kann auch eine Polumschaltung bei 3-phasigen Maschinen durchgeführt werden. Dies führt jedoch zu verschiedenen Einschränkungen. Die Wichtigsten sind hierbei: Die elektrische Maschine sollte eine Synchronmaschine mit aktiver Polumschaltung im Rotor sein. Asynchronmaschinen sind theoretisch denkbar, würden aufgrund des elektrischen Winkels von >180° jedoch eine um den Faktor 2 geringere Polpaarzahl im Rotor ausbilden, sodass sie nur mittels bewusster Anregung von Oberwellen im Statordrehfeld mit dieser Konstellation betrieben werden könnten. Durch den großen elektrischen Winkel zwischen den Statorzähnen 2 würden klassische Maschinen verstärkt zu akustischen Anregungen tendieren. Daher müsste die E-Maschine verstärkt technische Maßnahmen aufweisen, um diesem Problem entgegenzuwirken.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrische Maschine
- 2
- Statorzahn
- 3
- Stator
- 4
- Rotor
