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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Antriebssystem für ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie beispielsweise aus der
DE 10 2011 056 431 A1 bekannt.
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Ferner geht aus der US 2013 / 0 154 397 A1 der Aufbau eines bürstenlosen Elektromotors hervor. Bezüglich des weitergehenden Standes der Technik sei an dieser Stelle auf die
DE 10 2008 040 830 A1 verwiesen.
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EINFÜHRUNG
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Verbrennungsmotoren können einen elektrischen Starter aufweisen, der mit dem Motor gekoppelt ist, um eine Kurbelwelle zu einem Startereignis zu drehen. Der elektrische Starter kann ein Elektromotor sein, der Kontaktbürsten aufweist, um Strom zwischen Drähten auf einem beweglichen Teil eines Rotorabschnitts zu leiten. Die physikalischen Kontakte können im Laufe der Zeit zum Motorabbau führen. Zusätzlich liefert ein gebürsteter Motor im Wesentlichen ein Null-Drehmoment nahe der oberen Grenze seines verfügbaren Drehzahlbereichs.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Antriebssystem für ein Fahrzeug anzugeben, mit dem sich der Verbrennungsmotor des Fahrzeugs starten lässt, ohne dass dabei die Energieversorgung anderer elektrischer Verbraucher des Fahrzeugs beeinträchtigt wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Diese Aufgabe wird mit einem Antriebssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Ein Antriebssystem beinhaltet einen Verbrennungsmotor und eine elektrische Maschine mit Starter, der selektiv mit dem Verbrennungsmotor gekoppelt ist und durch eine Niederspannungsquelle (z. B. etwa 12 V) angetrieben wird. Der Starter einer elektrischen Maschine beinhaltet einen Stator mit einer Vielzahl von Zähnen, die radial zu einem zentralen Punkt um einen Umfang herum angeordnet sind, der Schlitze definiert, die zwischen jedem der Zähne angeordnet sind, und eine leitende Wicklung, die um jeden der Zähne des Stators gewickelt ist, um einen elektrischen Strom zu empfangen. Der Starter der elektrischen Maschine beinhaltet auch einen Rotor, der relativ drehbar zum Stator ist. Der Rotor definiert eine Anzahl von Öffnungen, die zur Aufnahme von Dauermagneten nahe einem äußeren Abschnitt des Rotors konfiguriert sind, und eine Anzahl an Speichen, die zwischen Massereduktionsausschnitten näher zur Mitte des Rotors relativ zu den Dauermagneten angeordnet sind. Jeder der Dauermagnete definiert einen Magnetpol und jede der Speichen ist umlaufend mit einem der Magnetpole ausgerichtet.
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Eine elektrische Maschine mit einem eingebetteten Dauermagneten beinhaltet einen Stator mit einer Vielzahl von Zähnen, die radial umlaufend zu einem zentralen Punkt herum angeordnet und begrenzt sind, der Schlitze definiert, die zwischen jedem der Zähne angeordnet sind, und eine leitende Wicklung, die um mindestens einen der Zähne des Stators gewickelt ist, um einen elektrischen Strom zu empfangen. Die elektrische Maschine beinhaltet auch einen Rotor, der relativ zum Stator drehbar ist. Der Rotor ist aus einem Blechpaket gebildet. Der Rotor definiert auch eine Anzahl von Öffnungen zur Aufnahme von Dauermagneten nahe einem äußeren Abschnitt und mindestens einen Luftspalt, der zwischen jedem von zwei benachbarten Dauermagneten angeordnet ist. Ein Verhältnis eines Außendurchmessers des Stators zu einer Länge des Blechpakets liegt zwischen etwa 1,5 und 3,5.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische Darstellung eines Hybrid-Fahrzeug-Antriebssystems.
- 2 ist eine Querschnittsansicht einer elektrischen Maschine.
- 3 ist eine vergrößerte Schnittansicht der elektrischen Maschine aus 2.
- 4 ist eine Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform einer elektrischen Maschine.
- 5 ist eine grafische Darstellung des Ausgangs der elektrischen Maschine.
- 6 ist eine grafische Darstellung eines Kurbeleingangs, der am Motor von der elektrischen Maschine empfangen wird.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Unter Bezugnahme auf 1 ist ein Fahrzeug 10 vorgesehen. Das Fahrzeug 10 ist beispielsweise ein Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV), das einen Antriebsstrang mit sowohl einer Benzinantriebsquelle als auch einer elektrischen Antriebsquelle aufweist. Eine oder beide der Antriebsquellen können selektiv aktiviert werden, um einen Antrieb basierend auf den Fahrzeugbetriebsbedingungen bereitzustellen. Der Verbrennungsmotor 12 arbeitet als Benzinantriebsquelle und überträgt Drehmoment auf eine Welle 14. Der Motor 12 kann eine Vielzahl von Zylindern zum Erzeugen von Energie aus der Verbrennung eines Kraftstoffs aufweisen, um eine Drehung der Welle 14 zu bewirken. Ein oder mehrere Entkopplungsmechanismen können entlang der Welle 14 beinhaltet sein, um den Ausgang des Motors 12 von den verbleibenden Teilen des Antriebsstrangs zu entkoppeln. Eine Kupplung 16 ist vorgesehen, um die Auswahl einer teilweisen oder vollständigen Drehmomententkopplung des Motors 12 zu ermöglichen. In einem Beispiel ist die Kupplung 16 eine Reibungskupplung mit einer Vielzahl von Reibungsplatten, die zumindest teilweise eingerückt sind, wenn die Kupplung geschlossen ist, um Drehmoment zu übertragen, und ausgerückt, wenn die Kupplung geöffnet ist, um den Drehmomentfluss zwischen den stromabwärtigen Abschnitten des Antriebsstranges und dem Motor 12 zu isolieren.
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Ein Drehmomentwandler 18 kann ebenso beinhaltet sein, um eine Flüssigkeitskupplung zwischen dem Ausgangsabschnitt des Motors 12 und den stromabwärtigen Abschnitten des Antriebsstrangs vorzusehen. Der Drehmomentwandler 18 arbeitet, um die Drehmomentübertragung, die vom Motor zum Antriebsstrang geleitet wird, sanft zu steigern. Außerdem ermöglicht der Drehmomentwandler eine Entkopplung, sodass weiterhin mit einer niedrigen Drehzahl arbeiten kann, ohne einen Vortrieb des Fahrzeugs (z. B. wie stationäre Leerlaufbedingungen) zu verursachen.
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Eine erste elektrische Maschine 20 arbeitet als elektrische Antriebsquelle und wird von einer Hochspannungs-Traktionsbatterie 22 angetrieben. Im Allgemeinen ist eine Hochspannungsbatterie eine, die eine Betriebsspannung von mehr als etwa 36 Volt, aber weniger als 60 Volt aufweist. In einem Beispiel ist die Traktionsbatterie 22 eine Lithium-Ionen-Hochspannungsbatterie mit einer Nennspannung von 48 Volt. Hochspannungsgleichstrom wird durch einen Wechselrichter 24 vor Abgabe an die elektrische Maschine 20 konditioniert. Der Wechselrichter 24 beinhaltet eine Anzahl von Schaltern und eine Steuerschaltung, die den Gleichstrom in einen dreiphasigen Wechselstrom umwandelt, um die elektrische Maschine anzutreiben.
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Die erste elektrische Maschine 20 weist abhängig von der Richtung des Leistungsflusses mehrere Betriebsarten auf. In einem Motormodus ermöglicht die von der Hochspannungsbatterie 22 gelieferte Leistung, dass der Motor das Drehmoment auf die Welle 26 überträgt. Das Abtriebsmoment kann dann durch ein Übersetzungsverhältnis 28 übertragen werden, um das Übersetzungsverhältnis vor der Abgabe an einen Endantriebsmechanismus 30 zu ändern. In einem Beispiel ist der Endantriebsmechanismus 30 ein Differential, das konfiguriert ist, um Drehmoment auf eine oder mehrere Seitenwellen 32, die mit Rädern 34 gekoppelt sind, zu verteilen. Die erste elektrische Maschine 20 kann entweder stromaufwärts des Getriebes 28 stromabwärts des Getriebes 28 angeordnet sein oder in einem Gehäuse des Getriebes 28 integriert sein.
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Die erste elektrische Maschine 20 ist auch so konfiguriert, dass sie in einem Erzeugungsmodus betrieben wird, um eine Drehbewegung in Leistung umzuwandeln, um bei der Hochspannungsbatterie 22 gespeichert zu werden. Wenn sich das Fahrzeug bewegt, ob vom Motor angetrieben oder aus eigener Trägheit ausrollt, dreht die Drehung der Welle 26 einen Anker oder Rotor (nicht dargestellt) der ersten elektrischen Maschine 20. Die Bewegung bewirkt, dass ein elektromagnetisches Feld einen Wechselstrom erzeugt, der durch den Wechselrichter 24 zum Umwandeln in Gleichstrom geführt wird. Der Gleichstrom kann dann der Hochspannungsbatterie 22 zugeführt werden, um die an der Batterie gespeicherten Ladung wieder aufzufüllen. Ein unidirektionaler oder bidirektionaler DC-DC-Wandler 42 wird verwendet, um eine Niederspannungs (z. B. 12 Volt)-Batterie 44 aufzuladen und die Niederspannungslasten 46, wie beispielsweise herkömmliche 12-Volt-Lasten, bereitzustellen. Bei Verwendung eines bidirektionalen DC-DC-Wandlers 42 ist es möglich, die Hochspannungsbatterie 22 durch einen Spannungssprung über die Niederspannungsbatterie zu starten.
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Die verschiedenen hierin erörterten Antriebssystemkomponenten können einen oder mehrere zugehörige Steuerungen aufweisen, um den Betrieb zu steuern und zu überwachen. Die Steuerung 36, obwohl als einzelne Steuerung dargestellt, kann als eine Steuerung oder als ein System von zusammenwirkenden Steuerungen zur kollektiven Verwaltung des Antriebssystems umgesetzt werden. Mehrere Steuermodule können über einen seriellen Bus (z. B. ein CAN (Controller Area Network)) oder über separate Leiter verbunden sein. Die Steuerung 36 beinhaltet einen oder mehrere digitale Computer, die jeweils einen Mikroprozessor oder eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), einen Festwertspeicher (ROM), einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM), einen elektrisch programmierbaren Nur-Lese-Speicher (EPROM), einen Hochgeschwindigkeitstaktgeber, eine Analog-Digital- (A/D) und eine Digital-Analog-Schaltung (D/A) sowie Ein/Ausgabeschaltungen und Geräte (I/O) sowie eine entsprechende Signalaufbereitung und Pufferschaltung aufweisen. Die Steuerung 36 kann auch eine Anzahl von Algorithmen oder computerausführbaren Anweisungen speichern, die erforderlich sind, um Befehle zum Ausführen von Aktionen gemäß der vorliegenden Offenbarung zu erteilen.
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Die Steuerung 36 so programmiert, dass sie den Betrieb der verschiedenen Antriebssystemkomponenten überwacht und koordiniert. Die Steuerung 36 steht mit dem Motor 12 in Verbindung und empfängt Signale, die mindestens die Motordrehzahl, die Temperatur sowie andere Motorbetriebsbedingungen anzeigen. Die Steuerung 36 steht auch mit der ersten elektrischen Maschine 20 in Verbindung und empfängt Signale, welche die Motordrehzahl, das Drehmoment und die Stromaufnahme anzeigen. Die Steuerung kann auch mit der Batterie 22 in Verbindung stehen und Signale empfangen, die mindestens den Ladezustand der Batterie (SOC), die Temperatur und die Stromaufnahme anzeigen. Der Steuerung empfängt ferner Signale zur Anzeige der Schaltungsspannung über den Hochspannungsbus. Die Steuerung 36 kann ferner mit einem oder mehreren Sensoren an einem Fahrereingabepedal 38 zum Empfangen der Pedalstellung über Signale, die den Beschleunigungsbedarf des Fahrers widerspiegeln kann. Das Fahrereingabepedal 38 kann ein Gaspedal und/oder ein Bremspedal beinhalten. In alternativen Ausführungsformen, wie beispielsweise einem selbstfahrenden autonomen Fahrzeug, kann der Beschleunigungsbedarf durch einen Computer entweder an Bord oder außerhalb des Fahrzeugs ohne Fahrerinteraktion bestimmt werden.
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Wie vorstehend erwähnt, können entweder eine oder beide der Maschine 12 und die erste elektrische Maschine 20 zumindest basierend auf den Antriebsanforderungen des Fahrzeugs zu einem bestimmten Zeitpunkt betrieben werden. Während hohen Drehmomentanforderungsbedingungen kann die Steuerung 36 bewirken, dass sowohl der Motor 12 als auch die erste elektrische Maschine 20 so aktiviert werden, dass jeweils ein Ausgangsdrehmoment bereitgestellt wird, das in Kombination das Fahrzeug 10 antreibt.
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Bei bestimmten mäßigen Drehmomentanforderungen arbeitet der Motor effizient und kann als alleinige Antriebsquelle verwendet werden. So kann zum Beispiel während der Autobahnfahrt mit einer allgemein konstanten Geschwindigkeit die erste elektrische Maschine 20 deaktiviert werden, sodass nur der Motor 12 ein Abtriebsdrehmoment bereitstellt.
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Unter anderen exemplarischen Betriebsbedingungen kann der Motor 12 deaktiviert werden, sodass nur die elektrische Maschine 20 ein Abtriebsmoments bereitstellt. Die Kupplung 16 kann geöffnet werden, um die Welle 14 von den stromabwärtigen Abschnitten des Antriebsstrangs zu entkoppeln. Insbesondere während Leerlaufbedingungen des Fahrzeugs, wobei ein Fahrer das Fahrzeug unter seinem eigenen Widerstand abbremst, kann der Motor deaktiviert und im Generatorbetrieb betrieben werden, um Energie zurückzugewinnen. Zusätzlich kann eine Motordeaktivierung während eines vorübergehenden Fahrzeugstillstandes, wie beispielsweise bei einer Ampel, wünschenswert sein. Anstatt den Motor im Leerlauf zu betreiben, kann der Kraftstoffverbrauch durch Deaktivierung des Motors reduziert werden, während das Fahrzeug steht. In beiden Beispielen kann es vorteilhaft sein, den Motor als Reaktion auf eine nachfolgende Erhöhung des Antriebsbedarfs schnell neu zu starten. Ein schneller Motorstart kann Rauigkeit und/oder Latenzzeit bei der Stromversorgung vermeiden, die von einem Fahrer wahrgenommen wird.
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Das Fahrzeug 10 beinhaltet eine zweite elektrische Maschine 40, die selektiv mit dem Motor 12 gekoppelt ist. Die zweite elektrische Maschine 40 arbeitet als Startermotor und wenn sie mit dem Motor in Eingriff steht, was zu einem Verbrennungszyklus führt, dreht sie einen Kurbelabschnitt des Motors, um einen Kaltstart oder einen Neustart zu erleichtern. Die zweite elektrische Maschine 40 kann mit einem Schwungradabschnitt des Motors über eine mechanische Getriebeverbindung verbunden sein, um ein Drehmoment an die Kurbelwelle zum Starten des Motors zu übermitteln. In einem anderen Beispiel kann die zweite elektrische Maschine 40 mit einer Kurbelriemenscheibe über eine mechanische Zahnriemenverbindung verbunden sein, um ein Drehmoment an die Kurbelwelle des Motors zu übermitteln. Gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist die Steuerung 36 so programmiert, dass sie einen Befehl zum Starten des Motors 12 unter Verwendung der zweiten elektrischen Maschine 40 als Reaktion auf einen Beschleunigungsbedarf nach einem Zeitraum des reduzierten Beschleunigungsbedarfs ausgibt.
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Die zweite elektrische Maschine 40 ist selektiv mit dem Motor über ein gleitendes Ritzel in Verbindung mit einem elektrischen Maschinengehäuse in Eingriff bringbar. Ein erster Magnet kann angeordnet sein, um das Ritzelzahnrad von einer ersten ausgerückten Position zu einer zweiten Position zu betätigen, die in mechanischer Verbindung mit der Motorkurbelwelle steht, um das Drehmoment zu übertragen. Wie vorstehend erörtert, können verschiedene Konfigurationen von Zwischenkomponenten, wie beispielsweise ein Getriebeuntersetzungsmechanismus 48, vorgesehen sein, um Übersetzungsverhältnisanpassungen und/oder geometrische Anpassungen aufgrund von Antriebsstrangpaketbeschränkungen vorzusehen. Der erste Magnet kann ein Signal zum Einrücken des Ritzels empfangen, sobald die elektrische Maschine eine geeignete Drehzahl für eine gleichmäßige Drehmomentübertragung aufweist, um den Motor zu starten.
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Wenn der Motor neu gestartet wird, kann er im Wesentlichen von einer Null-Drehzahl oder von einer Drehzahl, die wesentlich geringer ist als die Drehzahl der nachgeschalteten Antriebsstrangkomponenten, wie beispielsweise der ersten elektrischen Maschine 20, neu gestartet werden. Die Steuerung 36 kann eine Verzögerung nach dem anfänglichen Wiederanlauf des Motors 12 implementieren, um zu ermöglichen, dass die Motordrehzahl bis zum Schließen der Kupplung 16 innerhalb eines vorbestimmten Bereichs der Systemgeschwindigkeit ansteigt. Die Verringerung der Differenz zwischen der Motordrehzahl und der Drehzahl der nachgeschalteten Komponenten verbessert die Laufruhe des Eingriffs der Kupplung 16 und verringert NVH, was von einem Fahrgast in Verbindung mit dem Motorneustartereignis wahrgenommen wird. Diese Verzögerung kann jedoch zu einer wahrnehmbaren Verzögerung bei der Bereitstellung des zusätzlichen Vortriebdrehmoments führen, das vom Motor benötigt wird.
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Einige Antriebsstrangsysteme können eine Bürstenkontaktart eines Startermotors beinhalten, der mit dem Motor gekoppelt ist, um die Startfunktion bereitzustellen. Der Startermotor wird üblicherweise von einer Niederspannungsbatterie angetrieben, die über einen Niederspannungsbus angeschlossen ist. Er kann beispielsweise durch eine Niederspannungsbatterie 42 oder durch eine zusätzliche Niederspannungsquelle betrieben werden. Herkömmliche Niederspannungsbatterien weisen typischerweise eine Nennspannung von etwa 12 Volt und im Allgemeinen weniger als 18 Volt auf. Niederspannungslasten 46, wie beispielsweise Fahrzeugzubehör, werden auch häufig über denselben Niederspannungsbus mit Strom versorgt.
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Es kann unerwünscht sein, einen Startermotor mit Bürstenkontakt dauerhaft mit der Stromquelle zu verbinden. Daher beinhalten Bürstenkontakt-Startermotorsysteme üblicherweise ein zweiter Magnet, um zum Bereitstellen von Leistung eine mechanische Verbindung zu einem elektrischen Anschluss zu betätigen. Wenn der Motor gestartet werden soll, müssen der erste Magnet und der zweite Magnet beide betätigt werden. In vielen Fällen muss die Betätigung nacheinander durchgeführt werden. Zum Beispiel kann der zweite Magnet betätigt werden, um Leistung bereitzustellen, um dem Startermotor zu ermöglichen, eine Drehzahl aufzubauen. Dann kann der erste Magnet betätigt werden, um den Startermotorausgang mechanisch mit dem Motor in Eingriff zu bringen, um das Startereignis zu erleichtern. Eine derartige sequentielle Betätigung von mehreren Magneten zum Betreiben des Startermotors, kann zu einer unerwünschten Zeitverzögerung für einen Motorneustart beitragen.
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Wenn der Motor gestartet wird, wird ein vorübergehender Spannungsabfall durch die Strombelastung des Startermotors verursacht. Ein Fahrgast kann bestimmte Symptome wahrnehmen, wie beispielsweise Lampenbeleuchtung, die aufgrund des Spannungsabfalls an Leistung verliert oder eine vorübergehend verschlechterte Funktion anderer elektrisch betriebener Zubehörteile. Um derartige unerwünschte Symptome zu vermeiden, können Kompensationsmittel verwendet werden, die jedoch Nachteile aufweisen. So kann zum Beispiel ein zusätzlicher DC-DC-Aufwärtsregler vorgesehen sein, um die Spannung vorübergehend zu verstärken, um potentielle Symptome zu maskieren, die sich auf einen durch den Startermotor verursachten Spannungsabfall beziehen. Alternativ kann eine zweite Stromquelle vorgesehen sein, um die Batterie zu ergänzen und einen Spannungsabfall zu kompensieren. Jedes der vorstehenden Beispiele eines Spannungsabfall-Kompensationsmittels kann die Kosten, das Gewicht und die Komplexität des Antriebssystems erhöhen.
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Der Bürstenkontaktmotor kann auch in der Zeit begrenzt sein, die zum Starten des Motors erforderlich ist. Im Zusammenhang mit der Konstruktion des Bürstenkontaktmotors erhöhen die an dem Rotor befestigten Wicklungen sowohl die Größe als auch die Masse des Rotors. Die zusätzliche Rotationsträgheit des Rotors kann zu einer höheren Zeitdauer führen, um eine gewünschte Drehzahl aus dem Ruhezustand zu erreichen. Dies ergänzt die Dauer des Motorneustarts und kann anschließend die Ansprechempfindlichkeit des Antriebssystems begrenzen.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist die zweite elektrische Maschine 40 ein bürstenloser Dauermagnet-Gleichstrommotor, der mit dem Motor 12 gekoppelt ist, um ein Startdrehmoment für den Neustart des Motors 12 bereitzustellen. Die zweite elektrische Maschine 40 wird von der Hochspannungs-Traktionsbatterie 22 über den Hochspannungsbus gespeist. Der Hochspannungsbetrieb der zweiten elektrischen Maschine 40 ermöglicht einen schnellen Motorneustart, der eine schnelle Beschleunigung nach einer Motorabschaltung während des Ausrollens ermöglicht.
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Das Betreiben der zweiten elektrischen Maschine 40 über dem Hochspannungsbus erübrigt die Verwendung eines Aufwärtsreglers, um die Spannung in der Schaltung aufgrund der Leistungsaufnahme zu stabilisieren. Die zweite elektrische Maschine wird von der gleichen Stromquelle wie der Traktionsmotor oder die erste elektrische Maschine 20 angetrieben. Die Verwendung einer einzelnen Hochspannungsquelle erübrigt auch den Bedarf einer zusätzlichen Stromquelle, um Spannungsabfälle durch den Starterbetrieb zu verringern. Ferner kann durch das Ansteuern der zweiten elektrischen Maschine über den separaten Hochspannungsbus eine elektrische Trennung zwischen der Motorstartfunktion und anderen Fahrzeugzubehörfunktionen erreicht werden.
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In einigen Beispielen kann die zweite elektrische Maschine 40 direkt durch die Niederspannungs-Energieversorgung 44 versorgt werden. So kann beispielsweise ein herkömmliches Antriebssystem mit einem Verbrennungsmotor und ohne Hochspannungsquelle noch von Aspekten der vorliegenden Offenbarung profitieren. Insbesondere können Motorstart-Stopp-Merkmale einen verbesserten Betrieb unter Verwendung der verbesserten Starter-Elektromaschine, wie hierin beschrieben, aufweisen. Die Konstruktion der bürstenlosen elektrischen Maschine 40, wenn sie als Starter implementiert ist, ist so, dass sich ein zusätzliches Leistungsverstärkungsmittel auch dann erübrigen kann, wenn sie über einen Niederspannungsbus angetrieben wird. Bei 12-Volt-Bordnetz-Systemen trägt zum Beispiel ein gebürsteter Starter-Motor zur Spannungsabsenkung im Zusammenhang mit Stromaufnahme während des Motorstarts bei. Wie vorstehend erörtert, kann ein Leistungsverstärkungsmittel, wie beispielsweise ein Energiespeicherkondensator oder ein Gleichspannungs-Spannungsaufwärtsregler, implementiert werden, um die Auswirkungen des Spannungsabfalls zu mildern. Jedoch erfordert die bürstenlose Motorkonstruktion der vorliegenden Offenbarung eine geringere anfängliche Stromaufnahme, um den Betrieb des Rotors zu beginnen, der jedes Spannungssignal während des Startens verringert, wodurch die Notwendigkeit einer ergänzenden Leistungsverstärkung verringert wird.
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Die bürstenlose elektrische Maschine kann eine beliebige Anzahl an bekannten Motortypen, wie beispielsweise eine Oberflächen-Dauermagnet-Maschine, eine Maschine mit eingebettetem Dauermagnet, eine Drag-Cup-Induktionsmaschine oder geschaltete Reluktanzmaschine, sein. Bürstenlose Motoren bieten einen zusätzlichen Nutzen einer erhöhten Leistungsdauer durch den Wegfall von physikalischem Verschleiß durch den Kontakt der Bürsten am Kommutator. Ferner kann eine elektronisch kommutierte elektrische Maschine in der Lage sein, eine präzisere Steuerung der Motordrehzahl im Vergleich zu einem gebürsteten Motor aufzuweisen. In einigen Beispielen kann die zweite elektrische Maschine unter Verwendung einer Feldschwächungssteuerungsstrategie betrieben werden, um die Steuerung der Leistungsabgabe weiter zu verbessern. Gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung wird die Ausgangsdrehzahl der zweiten elektrischen Maschine mit der Drehzahl des Motors synchronisiert, um Rauschen, Vibrationen und Härte (NVH) zu reduzieren, die während eines Neustartereignisses auftreten können.
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Die bürstenlose elektrische Maschine 40 kann auch mindestens eine integrierte Schaltung beinhalten, welche mit einer Steuerlogik programmiert ist, um eine elektronische Kommutierung durchzuführen, im Gegensatz zu physikalischen Kontakten, die von einem Bürstenmotor verwendet werden. Die elektronische Kommutierung kann durch eine Vielzahl von Halbleiterschaltern (z.B. MOSFET, IGBT-Transistoren), die in einem Gehäuse der elektrischen Maschine beinhaltet sind, erreicht werden. Die Schalter sind unabhängig und selektiv an die Hochspannungsquelle angeschlossen. Mehrere Stufen einer Kommutierungssequenz werden durch Aktivieren der Schalter in einer Sequenz erreicht, um ein rotierendes elektrisches Feld innerhalb der elektrischen Maschine zu erzeugen. Basierend auf der Auswahl bestimmter Schalter und der Betätigungsrate können die Drehzahl und das Ausgangsdrehmoment des Motors präzise gesteuert werden. Auf diese Weise ist ein separater Wechselrichter nicht erforderlich, um Gleichstrom von der Hochspannungsbatterie 22 oder der Niederspannungsbatterie 44 zum Antreiben der elektrischen Maschine 40 in einen dreiphasigen Wechselstrom umzuwandeln. Die elektrische Maschine 40 kann auch interne Sensoren (z.B. Hall-Effekt-Sensoren) beinhalten, um die Position und die Drehzahl des Motors zu erfassen. Diese Positionsrückmeldung kann verwendet werden, um die Steuerlogik einzugeben, um die Betätigung der Halbleiterschalter zu beeinflussen. Die Steuerlogik kann auch einen Schutz gegen unerwünschte Motorzustände wie beispielsweise Überstrom, Kurzschluss und thermische Überhitzung beinhalten. Die integrierte Schaltung kann so programmiert werden, dass sie eine Steuerungsaktion als Reaktion auf die Erfassung eines oder mehrerer Fehlerzustände des Motors ausführt.
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Die integrierte Schaltung, wie vorstehend erörtert, kann die Notwendigkeit eines dedizierten Magnetventils überflüssig machen, um die elektrische Verbindung zwischen der zweiten elektrischen Maschine und der Stromquelle zu aktivieren oder zu trennen. Die internen Festkörperschalter können zur elektrischen Isolierung der elektrischen Maschine von der Stromquelle ohne mechanische Betätigung eines Magnetventils verwendet werden. Gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist die Starter-Elektromaschine mit einem einzelnen Magnetantrieb versehen, um die zweite elektrische Maschine selektiv mit dem Motor zu koppeln, und die zweite elektrische Maschine ist über die Halbleiterschalter mit der Hochspannungsbatterie oder der Niederspannungsbatterie verbunden. Es ist kein Magnetventil vorgesehen, um eine elektrische Verbindung zur Stromquelle herzustellen.
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Durch die Verwendung einer bürstenlosen elektrischen Maschine kann die Trägheit des Rotors deutlich reduziert werden. Die Wicklungen befinden sich auf dem Stator, wodurch die Masse des Rotors reduziert wird. So kann beispielsweise ein Mittelabschnitt des Rotors konfiguriert so sein, dass er zum Bereitstellen einer Masseverringerung hohl ist. Ferner können Dauermagnete des Rotors relativ zu einer Außenfläche des Rotors eingesetzt werden, um die Magnete näher an der Rotationsachse des Rotors zu positionieren. In einem Beispiel kann die bürstenlose elektrische Maschine einen Trägheitswert von etwa 48 kg-mm2 aufweisen. Vergleichsweise sind gebürstete Motorrotoren im Allgemeinen schwerer und weisen gegenüber einer bürstenlosen Konfiguration einen größeren Durchmesser auf. Bei einer ähnlichen Motorstarteranwendung unter Verwendung eines gebürsteten Motors kann die Rotorträgheit bis zu fünfmal größer sein. In einem Beispiel beträgt die Rotorträgheit eines Bürstenmotor Motorstarters etwa 241 kg-mm2. Die Kombination der reduzierten Trägheit der elektrischen Maschine und der hohen Leistungsabgabe über einen hohen Drehzahlbereich (z. B. 5.000-16.000 U/min) ermöglicht ein schnelleres Aufwickeln der elektrischen Maschine und somit einen schnelleren Motorneustart.
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Unter kollektiver Bezugnahme auf sowohl 2 und 3, beinhaltet ein Querschnitt einer bürstenlosen elektrischen Dauermagnet-Maschine 200 einen Rotor 202 und einen Stator 204. Der Stator ist im Allgemeinen zylindrisch geformt und definiert einen hohlen zentralen Abschnitt, um den Rotor 202 aufzunehmen. Gemäß zumindest einem Beispiel ist der Außendurchmesser 205 des Stators 204 auf nicht mehr als 80 Millimeter begrenzt. Der Rotor 202 ist so konfiguriert, dass er sich relativ zum Stator 204 um die Drehachse 206 dreht. Der Rotor 202 kann in Schichten oder Blechen ausgebildet sein, die in einer axialen Richtung entlang der Rotationsachse 206 gestapelt sind, wobei das Blechpaket eine aktive Länge der elektrischen Maschine 200 definiert. Gemäß einem Beispiel ist die Länge des Blechpakets auf nicht mehr als 40 Millimeter begrenzt. Die Gesamtgröße der elektrischen Maschine 200 kann in Bezug auf Motorpaketbeschränkungen begrenzt sein, sodass ein Verhältnis des Außendurchmessers des Stators 204 zur Länge des Blechpakets zwischen etwa 1,5 und 3,5 liegt.
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Der Rotor 202 weist mehrere Öffnungen 208 auf, die nahe einem Umfangsabschnitt des Rotors angeordnet sind. Jede der Öffnungen 208 ist konfiguriert, um einen Dauermagneten 210 zu halten. Die Öffnungen sind so bemessen, dass sie die Herstellbarkeit verbessern, beispielsweise mit einer Öffnungsweite von mindestens etwa 2 Millimetern. Die Vielzahl von Dauermagneten 210 kann aus einer Art von Legierung auf Eisenbasis, wie beispielsweise Neodym, gebildet sein und zusammenwirken, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das nach dem Bestromen des Stators mit diesem interagiert, um eine Bewegung des Rotors 202 zu bewirken. In einem Beispiel ist jeder der Dauermagnete 210 in rechteckiger Form ausgebildet, um die Einfachheit zu verbessern und die Herstellungskosten zu senken. Jedoch können andere Magnetformen gemäß der vorliegenden Offenbarung geeignet sein.
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Die Dauermagnete 210 sind angeordnet, um eine Anzahl von Magnetpolen um den Rotor 202 herum zu erzeugen. Jeder der Dauermagnete 210 ist innerhalb einer der Öffnungen 208 des Rotors 202 befestigt und fungiert als ein Magnetpol der rotierenden elektrischen Maschine. Der magnetische Fluss wird in einer Richtung normal zum Magnetkörper erzeugt. Jeder Dauermagnet 210 ist so ausgerichtet, dass er eine entgegengesetzte Richtung der Polarität in Bezug auf benachbarte Magnete aufweist, um einen magnetischen Fluss in entgegengesetzten Richtungen zu erzeugen. Im Beispiel von 1 gibt es 8 Dauermagnete 210 und daher 8 Pole, die durch die Magnetanordnung erzeugt werden. Bei alternativen Beispielen kann die Anzahl der Pole kleiner oder größer sein, beispielsweise zwischen 4 und 14 Pole. Bei bestimmten bevorzugten Beispielen liegt die Anzahl der Pole zwischen 6 und 8, sodass die elektrische Maschine Drehmoment-, Strom-, Lärm- und Verpackungsanforderungen erfüllt.
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Die Öffnungen 208 des Rotors sind so geformt, dass sie Luftspalte 212 auf jeder Seite jedes Dauermagneten 210 beinhalten. Die Luftspalte 212 zwischen jeder Polgröße sind so bemessen, dass sie Streuflüsse zwischen den Magnetpoten des Rotors verringern. Eine Brücke 214A trennt jeden der zwei benachbarten Luftspalte 212. Ein Brückenabschnitt 214B hält den äußeren Abschnitt der Rotorbleche als ein Einzelstück. Es kann wünschenswert sein, die Brückenabschnitte 214A und 214B so dünn wie möglich zu gestalten, um die Größe der durch die Luftspalte 212 erzeugten Flussbarriere zu maximieren. Gleichzeitig müssen die Brückenabschnitte 214A und 214B dick genug sein, um eine ausreichende Festigkeit aufzuweisen, um die strukturelle Integrität des Rotors 202 aufrechtzuerhalten, wenn die Dauermagneten 210 während des Betriebs magnetischen und Zentrifugalkräften ausgesetzt sind. Im Beispiel aus 2 und 3 liegt die Dicke der Brücken 214A zwischen etwa 0,5 Millimeter und 1,5 Millimeter. Die Dicke der Brückenabschnitte 214B liegt zwischen etwa 0,5 Millimeter und 1 Millimeter.
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Der Rotor 202 definiert auch einen Wellenverbindungsabschnitt 216 nahe der Drehachse 206. Die Wellenanschlussabschnitt 216 greift in eine Ausgangswelle des Motors (nicht dargestellt) ein, um ein Drehmoment zwischen dem Motor 200 und einer Kurbelwelle des Motors, beispielsweise während eines Motorstartereignisses, zu übertragen. Die Wellenanschlussabschnitt 216 ist im Allgemeinen umlaufend dargestellt, es können jedoch auch alternative Formen verwendet werden, wie beispielsweise asymmetrische Öffnungen und/oder Schlüsselfunktionen, um das Drehmoment zwischen dem Rotor 202 und einer Ausgangswelle zu übertragen.
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Der Rotor 204 beinhaltet ferner eine Anzahl von Massenreduktionsausschnitten 218 in Bereichen mit niedriger Flussdichte in der Nähe des Zentrums des Rotors 202, um die Gesamtmasse zu reduzieren und das rotarische Trägheitsmoment zu verringern. Zwischen jedem der Massenreduktionsausschnitte 218 verbindet eine Speiche 220 den Wellenanschlussabschnitt 216 mit dem äußeren Abschnitt des Rotors 202, der die Dauermagnete 210 beinhaltet. Jede der Speichen 220 ist mit einer direkten Achse 222 („D-Achse“) des Rotors ausgerichtet. Das heißt, die Speichen 220 sind entlang der Magnetpole des Rotors 202 angeord net.
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Der Rotor wird in Drehung versetzt, wenn der Stator 204 bestromt wird. Der Stator beinhaltet eine Vielzahl von Zähnen 224, die radial um einen Umfang des Stators 204 angeordnet sind. Jeder der Zähne 224 ist beabstandet, um einen sich axial erstreckenden Schlitz 226 zwischen zwei benachbarten Zähnen 224 zu definieren. Die Zähne 224 und die Schlitze 226 werden gemeinsam bezeichnet, wenn es unnötig ist, bestimmte einzelne Zähne oder Schlitze voneinander zu unterscheiden. Die Schlitze 226 sind im Allgemeinen trapezförmig und bilden Raum, um die Spulen leitend um jeden der Zähne 224 zu wickeln. Im vorliegenden Beispiel sind 12 Zähne vorgesehen, die 12 Schlitze zum Aufnehmen von Statorwicklungen definieren. In anderen Beispielen kann die Anzahl der Zähne und Schlitze kleiner oder größer sein, beispielsweise zwischen 6 und 18 Zähne und Schlitze.
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Eine Anzahl von Wicklungen 228 ist vorgesehen, um jeden der Zähne 212 zu umwickeln und sind konfiguriert, um ein rotierendes Magnetfeld innerhalb des Stators 204 zu erzeugen. Die Wicklungen 228 werden gemeinsam bezeichnet, wenn es unnötig ist, bestimmte einzelne Wicklungen voneinander zu unterscheiden. Die Wicklungen 228 sind als ein einzelner Block dargestellt, wobei jedoch jeder Block eine Gruppe von Schleifen oder Windungen von einzelnen leitenden Drahtlitzen darstellt. Die Drahtwiderstände können ein grundförmiger zylindrischer Kupferdraht sein, der Zwischenräume zwischen jedem Draht aufweist, welche den Füllungsgrad der Wicklungen für den Bereich jedes Schlitzes 226 begrenzt. Alternativ können die Drahtlitzen zusammengedrückt oder alternativ geformte Querschnitte aufweisen, um Zwischenräume zu reduzieren und den Füllungsgrad der Wicklungen für die Schlitze 226 zu verbessern. Im Beispiel von 2 sind die Wicklungen 228 in einer fraktionierten konzentrierten Anordnung angeordnet. Das heißt, die Wicklungen sind nicht überlappend oder konzentriert, sodass jeder der Zähne 224 einzeln von einer Spule umwickelt wird. Im Beispiel von 2 werden Doppelschichtwicklungen verwendet, sodass alle Zähne 224 von einer Spule gewickelt werden. Dies verursacht mehrere Wicklungspfade innerhalb jedes Schlitzes 226. Zur Veranschaulichung umwickelt die Wicklung 228A den Zahn 224A, sodass ein Abschnitt der Wicklung 228A auf der gegenüberliegenden Seite des Zahns 224A liegt. Die gestrichelten Linien 230A zeigen einen Routing-Pfad der Wicklung 228A über einen Endabschnitt des Zahns 224A. Ähnlich umwickelt die Wicklung 228B den Zahn 224B, sodass ein Abschnitt der Wicklung 228B auf der gegenüberliegenden Seite des Zahns 224B liegt. Die gestrichelten Linien 230B zeigen einen Routing-Pfad der Wicklung 228B über den Zahn 224B. Die in 2 dargestellte Doppelschichtwicklung ist so angeordnet, dass beide Wicklungen 228A und 228B gleichzeitig den Schlitz 226A belegen, während die benachbarten Zähne 224A und 224B umwickelt werden. Die Konfiguration der Wicklungen 228 in Bezug auf die Zähne 224 ist um einen Umfang des Stators 204 einheitlich.
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Während Wicklungen als Umwicklung jedes der Zähne des Stators dargestellt werden, sollte erkannt werden, dass für diese Anwendung alternative Wicklungsmuster geeignet sein können, wie beispielsweise verteilte Wicklungen und Fehlertoleranzwicklungen. Wenn beispielsweise jeder Schlitz nur die gleiche Phasenwicklung aufweist, kann ein Fehlertoleranz-Wicklungsmuster erzeugt werden. Eine verteilte Wicklung kann erzeugt werden, wenn die Statornut pro Pol pro Phase größer als oder gleich 1 ist. So können beispielsweise 4 Pole und 12 Schlitze auf einer 3-phasigen, elektrischen Maschine eine verteilte Wicklung aufweisen, da die Statornut pro Pol pro Phase gleich 12/4/3=1 ist. Im Rahmen des Beispiels von 2 beinhaltet die elektrische Maschine 8 Pole und 12 Schlitze für eine 3-phasige Maschine, wobei eine konzentrierte Gewinnung verwendet wird.
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Die elektrische Maschine 200 wird angetrieben, wenn eine Anzahl von Wicklungen 228 nacheinander angetrieben wird, um ein rotierendes elektromagnetisches Feld zu erzeugen. Wie vorstehend erörtert, kann der Motor 200 eine Schaltung beinhalten, um zum Betreiben des Motors 200 HochspannungsGleichstrom in einen Dreiphasenwechselstrom umzuwandeln. Jede der drei Phasen wird zu einem sequenzierten Zeitpunkt aktiviert, um zu bewirken, dass eine elektromagnetische Kraft den Rotor 202 antreibt, um sich relativ zum Stator 204 zu drehen. Die Motorschaltung kann auch Hall-Sensoren zum Erfassen der Winkelposition und Drehzahl des Rotors 202 beinhalten. Pulsweitenmodulation (PWM) wird verwendet, um jeden einer Vielzahl von Schaltern zu öffnen und zu schließen, um einen Wechselstrom auf jeder der drei Schaltungen zu simulieren. Die drei Schaltungen sind mit gestaffelten Phasen versetzt angeordnet, sodass das elektromagnetische Feld den Rotor beaufschlagt, sich in einer gewünschten Richtung und Geschwindigkeit zu drehen. Die am Rotor 202 angebrachten Dauermagnete 210 wirken mit den strominduzierten Magnetfeldern zusammen, die durch einen elektrischen Eingang zum Stator 204 verursacht werden.
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Ein Luftspalt 232 erstreckt sich umlaufend um einen äußeren Abschnitt des Rotors 202 und isoliert den Rotor 202 mechanisch vom Stator 204. Der Luftspalt 232 beeinflusst den Leistungsfaktor des Motors 200. Der Leistungsfaktor kann als ein Verhältnis von Wirkleistung zu Scheinleistung definiert werden und gibt den Prozentsatz der Nutzenergie aus der Gesamtenergie an. Da die Leistung durch den Motor übertragen wird, ist es keine Wirkleistung, welche nach übertragen auf die Last ausgeführt wird, sondern vielmehr eine Kombination aus echter Leistung und Scheinleistung (auch als Blindleistung bezeichnet). Der Leistungsfaktor beschreibt die Menge an Wirkleistung, die durch den Motor übertragen wird, bezogen auf die gesamte Scheinleistung, die durch den Motor fließt. Ein Gesamtleistungsfaktor kleiner als 1 kann darauf hindeuten, dass die Stromversorgung mehr Kapazität bereitstellen kann als tatsächlich erforderlich ist und bestimmte Leistungsverluste kennzeichnen. Der Leistungsfaktor kann auch basierend auf der Leistungsaufnahme und der Last der elektrischen Maschine variieren. Der Luftspalt 232 beeinflusst die Reluktanz zwischen dem Stator und dem Rotor, die den erforderlichen Magnetisierungsstrom zur Erzeugung des Flusses zwischen dem Stator und dem Rotor für eine gegebene Versorgungsspannung beeinflusst. Der Luftspalt 232 wird auf den kleinstmöglichen Spalt reduziert, während Komponente-Maßtoleranzen und Auslenkung des Rotors 202 berücksichtigt werden, um einen mechanischen Kontakt zwischen dem Rotor 202 und dem Stator 204 während des Betriebs zu vermeiden. In mindestens einem Beispiel liegt der Luftspalt zwischen etwa 0,2 Millimeter und 0,7 Millimeter, um den Leistungsfaktor zu maximieren.
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Unter Bezugnahme auf 4 ist eine alternative Konfiguration des Rotors 302 für eine elektrische Maschine dargestellt. Eine ähnliche Nummerierungskonvention wird für Komponenten verwendet, die einer ähnlichen Komponente der vorstehend beschriebenen Beispiele entsprechen. Der Rotor 302 beinhaltet eine zusätzliche exemplarische Konfiguration von Luftspalten und Brücken relativ zu den vorstehend erläuterten Beispielen. Ein einzelner Luftspalt 312 ist zwischen zwei benachbarten Dauermagneten 310 angeordnet. Auf jeder Seite jedes Luftspaltes 312 erstreckt sich ein Paar von Brücken 314A radial nach außen hin zu einem äußeren Abschnitt des Rotors 302. Die Öffnungen 308 halten jeweils einen Dauermagneten 310 und sind so geformt, um sich einer äußeren Umfangsform eines jeweiligen Magneten anzupassen. Somit kann jede der Brücken 314 entlang einer Kante eines Dauermagneten 310 angeordnet sein und einen Spalt definieren, der divergiert, wenn sich die Brücken radial nach außen erstrecken. Ein Brückenabschnitt 314B hält den äußeren Abschnitt der Rotorbleche als ein Einzelstück. Der Luftspalt 312 arbeitet, um den Streufluss zwischen den Dauermagneten 310 ähnlich zu den vorhergehenden Beispielen zu verringern. Da es ein Paar von Brücken 314A zwischen jedem Pol gibt, der durch den Brückenabschnitt 314B zur Aufnahme von Dienstlasten verbunden ist, die sich auf Magnet- und Zentrifugalkräfte beziehen, kann die Materialdicke jedes einzelnen Brückenabschnitts 314A und 314B in Bezug auf zuvor erläuterte Beispiele mit einer einzelnen Brücke dünner sein. Im Beispiel aus 4 liegt die Dicke der Brückenabschnitte 314A und 314B zwischen etwa 0,5 Millimeter und 1,0 Millimeter.
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Unter Bezugnahme auf 5 ist eine grafische Darstellung 500 abgebildet, die eine Leistungsausgabe eines Paares von elektrischen Maschinen gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung darstellt. Die Handlung entspricht der Leistung der elektrischen Maschine, gemessen an einer Antriebswelle der elektrischen Maschine stromaufwärts zum Motor und Getriebe. Die horizontale Achse 502 stellt die Drehzahl in Umdrehungen pro Minute (RPM) dar. Die linksseitige vertikale Achse 504 stellt das Ausgangsdrehmoment der elektrischen Maschinen in Newton-Metern (N-m) dar. Die rechtsseitige vertikale Achse 506 stellt die Ausgangsleistung der elektrischen Maschinen in Watt dar. Jedes Drehmoment und jede Leistung sind sowohl für einen gebürsteten Motor als auch für einen neuartigen bürstenlosen Motor gemäß bestimmten vorstehend aufgeführten Parametern aufgetragen. Die Kurve 508 stellt ein Ausgangsdrehmomentprofil für einen gebürsteten Motor dar. Die Kurve 510 stellt das Ausgangsdrehmomentprofil für eine bürstenlose elektrische Maschine dar. Es ist im Vergleich zu sehen, dass Aspekte der vorliegenden Offenbarung einen breiteren Bereich von relativ konstantem Ausgangsdrehmoment bereitstellen. So ist beispielsweise die bürstenlose Motorkonfiguration zwischen etwa 0 und 7000 U/min in der Lage, ein relativ konstantes Drehmoment bei etwa 6,7 N-m auszugeben. Im Gegensatz dazu ist das gebürstete Motordrehmomentprofil im Allgemeinen
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in diesem Bereich mit einer negativen Steigung linear und gibt in den höheren RPM-Bereichen deutlich weniger Drehmoment aus. Weiterhin ist zu sehen, dass das Ausgangsdrehmoment des durch die Kurve 508 dargestellten gebürsteten Motors bei etwa 12.500 U/min auf null abfällt, während das Ausgangsdrehmoment der bürstenlosen Konfiguration, dargestellt durch die Kurve 510, eine höhere Drehmomentabgabe für höhere RPM-Bereiche bereitstellt. Die gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung vorgesehene elektrische Maschine stellt beispielsweise etwa 2,5 N-m bis zu 16.000 U/min bereit.
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Gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung wird die Leistungsabgabe ebenfalls deutlich verbessert. Die Kurve 512 stellt ein Ausgangsleistungsprofil für einen gebürsteten Motor und die Kurve 514 stellt ein Ausgangsleistungsprofil für eine bürstenlose elektrische Maschine gemäß der vorliegenden Offenbarung dar. Durch einen Vergleich zwischen den Kurven 512 und 514 ist ersichtlich, dass die bürstenlose elektrische Maschinenkonfiguration in der Lage ist, höhere Leistungspegel, beispielsweise etwa 4.500 Watt, auszugeben. Zusätzlich verringert sich die Leistungsabgabe des gebürsteten Elektromotors bei etwa 12.500 U/min auf null, während eine relativ konstante Leistung von der bürstenlosen elektrischen Maschine mit deutlich höheren Drehzahlen ausgegeben werden kann. Die bürstenlose elektrische Maschine ist beispielsweise in der Lage, rund 4.200 Watt Leistung in der Höhe von 16.000 U/min bereitzustellen.
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Unter Bezugnahme auf 6 ist eine grafische Darstellung 600 abgebildet, die Leistung eines Paares von elektrischen Maschinen gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung darstellt. Die grafischen Darstellungen entsprechen der Leistung der elektrischen Maschine, gemessen an einer Motorwelle stromabwärts der Getriebeuntersetzungsmechanismen, die zwischen der Motorwelle und der elektrischen Starter-Maschinenwelle angeordnet sind. Im vorliegenden Beispiel wird die Ausgangsdrehzahl des Startermotors verringert, um das Drehmoment zu verstärken, das angelegt wird, um den Motor zu starten. In einigen Beispielen beträgt das Reduktionsverhältnis etwa 40:1 bis 50:1. Die horizontale Achse 602 stellt die Drehzahl der Motorwelle in RPM dar. Die linksseitige vertikale Achse 604 stellt die Drehmomenteingabe in den Motor durch die elektrische Maschine in N-m dar. Die rechtsseitige vertikale Achse 506 stellt die an den Motor angelegte Leistung in Watt dar. Jede Drehmoment- und Leistungseingabe zum Motor ist sowohl für einen gebürsteten Motor als auch für einen neuartigen bürstenlosen Motor gemäß bestimmten vorstehend aufgeführten Parametern aufgetragen. Kurve 608 stellt eine Drehmomentprofileingabe dar, die dem Motor durch einen herkömmlichen gebürsteten Startermotor zugeführt wird. Kurve 610 stellt die Drehmomentprofileingabe zum Motor von einer bürstenlosen elektrischen Maschine dar. Es ist im Vergleich zu sehen, dass Aspekte der vorliegenden Offenbarung einen breiteren Bereich von relativ konstantem Ausgangsdrehmoment bereitstellen. Wie vorstehend erörtert, ist zu sehen, dass die neuartige bürstenlose Konstruktion gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung einen breiteren Drehzahlbereich von relativ konstantem Drehmoment an den Motor anwendet. So kann beispielsweise die bürstenlose Motorkonfiguration zwischen der Motordrehzahl von etwa 0 und 100 U/min ein relativ konstantes Drehmoment von etwa 280 Nm am Motor verursachen.
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Gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung wird die an den Motor angelegte Leistung ebenfalls deutlich verbessert. Kurve 612 stellt ein Kurbelleistungsprofil dar, das durch einen gebürsteten Motor an den Motor angelegt wird, und die Kurve 614 stellt ein Kurbelleistungsprofil dar, das durch eine bürstenlose elektrische Maschine gemäß der vorliegenden Offenbarung an den Motor angelegt wird. Durch einen Vergleich zwischen den Kurven 612 und 614 ist ersichtlich, dass die bürstenlose elektrische Maschinenkonfiguration höhere Kurbelleistungspegel an den Motor anlegt, beispielsweise etwa 2.800 Watt. Zusätzlich fällt die von der gebürsteten elektrischen Maschine angelegte Leistung bei etwa 400 U/min des Motors auf null ab, während noch eine relativ konstante Leistung am Motor der bürstenlosen elektrischen Maschine bei wesentlich höheren Drehzahlen vorhanden ist. Die bürstenlose elektrische Maschine ist beispielsweise in der Lage, etwa 2.500 Watt an den Motor anzulegen, wenn die Drehzahl der Motorwelle in der Höhe von 450 U/min liegt.
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Die Stromaufnahme der bürstenlosen Konfiguration ist auch gegenüber den gebürsteten Starter-Motorkonfigurationen deutlich verbessert. In dem exemplarischen Diagramm 600 von 6 wird eine bürstenlose elektrische Maschine durch eine Niederspannungs-Energiequelle mit etwa 7,5 Volt angetrieben. Obwohl eine „nominale“ Niederspannung etwa 12 Volt entsprechen kann, können unter schweren Bedingungen, wie beispielsweise kalte Temperaturen, niedrigere Spannungsbedingungen auftreten. Auch bei der exemplarischen Anwendung mit niedriger Spannung ist der Strom, der durch die bürstenlose elektrische Maschinenkonfiguration gezogen wird, deutlich niedriger als die Anordnungen des gebürsteten Startermotors. Besonders bei anfänglichen Umdrehungen des Motors von weniger als etwa 100 U/min beträgt die anfängliche Stromaufnahme der gebürsteten Konfiguration etwa 1.000 Ampere und fällt ab, wenn die Motorleistung mit erhöhter Drehzahl abschaltet. Vergleichsweise beträgt die anfängliche Stromaufnahme der bürstenlosen Konfiguration gemäß der vorliegenden Offenbarung etwa 100 Ampere, wobei ein maximaler Durchsatz von etwa 500 Ampere bei gleichzeitiger Anwendung von mehr Leistung auch bei höheren Motordrehzahlen steigt. Die verbesserte Stromaufnahmeleistung verringert jegliche Spannungseinbrüche über den Fahrzeugleistungsbus während des Anlassens, wodurch die Notwendigkeit einer zusätzlichen Leistungsverstärkung beim Anlassen, wie vorstehend erörtert, wegfällt.
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Wie vorstehend erörtert, gelten Aspekte der vorliegenden Offenbarung für ein herkömmliches Antriebssystem, das nur einen Verbrennungsmotor als Antriebsquelle und eine Niederspannungsversorgung aufweist. Genauer gesagt sind einige Beispiele konfiguriert, wobei jeder der Traktionsmotoren 20, Hochspannungsbatterien 22, Wechselrichter 24 und DC-DC-Wandler 42 gelöscht werden und die Konfiguration bleibt immer noch im Umfang der Erfindung. Eine derartige Konfiguration kann einen ansprechenden Motorneustart (z. B. im Zusammenhang mit dem Motorstart-Stopp-Betrieb) bereitstellen, während er von einer Niederspannungs-Stromquelle gespeist wird.
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Die hierin offenbarten Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können von einer Verarbeitungsvorrichtung, einer Steuerung oder einem Computer, der jede vorhandene programmierbare elektronische Steuereinheit oder eine dedizierte elektronische Steuereinheit beinhalten kann, bereitgestellt und/oder implementiert werden. Desgleichen können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen als Daten oder ausführbare Anweisungen durch eine Steuerung oder einen Computer in vielfältiger Weise gespeichert werden, darunter ohne Einschränkung die dauerhafte Speicherung auf nicht beschreibbaren Speichermedien, wie einem ROM, und als änderbare Information auf beschreibbaren Speichermedien wie Disketten, Magnetbändern, CDs, RAM sowie anderen magnetischen und optischen Medien. Die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können auch in einem softwareausführbaren Objekt implementiert werden. Alternativ können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen ganz oder teilweise mit geeigneten Hardwarekomponenten, wie beispielsweise anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs), feldprogrammierbaren Gate Arrays (FPGAs), Zustandsmaschinen, Steuerungen oder anderen Hardwarekomponenten oder Vorrichtungen oder einer Kombination von Hardware, Software und Firmwarekomponenten verkörpert werden.
