DE102018133722A1

DE102018133722A1 - Permanentmagnetische elektrische maschine mit beweglichen flussverkettungselementen

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Publication number: DE102018133722A1
Application number: DE102018133722.1A
Authority: DE
Inventors: Shawn H. Swales; Khwaja M. Rahman; Goro Tamai; Craig S. Ross
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-01-02
Filing date: 2018-12-31
Publication date: 2019-07-04
Also published as: US10541578B2; US11121595B2; CN109995161A; US20190207446A1; US20200106316A1; CN109995161B

Abstract

Eine permanentmagnetische elektrische Maschine (PM-Maschine) für ein Fahrzeug oder ein anderes System beinhaltet eine Rotoranordnung, feste Permanentmagnete, einen Stator, ein Stellglied und ein oder mehrere repositionierbare/bewegliche Flussverkettungselemente. Das Flussverkettungselement wird neu positioniert, um den Fluss bei bestimmten Betriebspunkten der PM-Maschine zu steuern. Die Rotoranordnung weist einen Rotor auf, der koaxial eine Rotorwelle umgibt und mit dieser gekoppelt ist. Die Permanentmagnete sind am oder im Rotor befestigt, und das bewegliche Flussverkettungselement ist zwischen der Rotorwelle und einem jeweiligen der Permanentmagnete angeordnet. Innere und äußere Enden des jeweiligen Permanentmagnets können jeweils in Richtung der Rotorwelle und dem Stator ausgerichtet werden. Das Stellglied positioniert das bewegliche Flussverkettungselement selektiv an einem oder mehreren Betriebspunkten der PM-Maschine, um die Reluktanz in einem durch die Stator- und Rotoranordnung gebildeten Magnetkreis zu variieren.

Description

EINLEITUNG
Elektrische Maschinen in Form von Fahrmotoren und elektrischen Generatoren werden zum Erzeugen von Drehmoment in den unterschiedlichsten elektromechanischen Systemen eingesetzt. Elektrische Maschinen beinhalten einen Rotor, der konzentrisch zu einem Stator positioniert ist, wobei der Stator den Rotor umschließt. Eine Rotorwelle dreht sich, wenn die elektrische Maschine durch einen Hochspannungserzeuger, wie beispielsweise einen Wechselrichter und einen Multizellen-Batteriepack, mit Energie versorgt wird. Das von der Rotorwelle übertragene Drehmoment kann verwendet werden, um Arbeiten im elektromechanischen System auszuführen, wie beispielsweise d Erzeugen von Elektrizität, zum Anlassen und Starten eines Motors oder zum Antreiben eines Fahrzeugs.
In einer permanentmagneterregten elektrischen Maschine oder „PM-Maschine“, werden Permanentmagnete oberflächenmontiert oder in die Struktur des Rotors eingebettet. Die Permanentmagnete sind in einer geraden Anzahl von magnetisch wechselnden Nord-/Südpolen um den Umfang des Rotors angeordnet. Der Stator definiert mehrere Statornuten, wobei jede der Statornuten einzeln mit leitenden Drähten oder Stableitern gewickelt ist, um Statorwicklungen zu bilden.
Die Statorwicklungen werden dann nacheinander durch eine mehrphasige Eingangsspannung mit Energie versorgt, um ein rotierendes elektromagnetisches Feld zu erzeugen. Dieses rotierende elektromagnetische Feld interagiert mit den starken Magnetfeldern der festen Permanentmagnete des Rotors. Die Kräfte der Magnetfeldinteraktion drehen letztlich die Rotorwelle und damit den verbundenen Rotor. Die externe Steuerung der Eingangsspannung, die an die Statorwicklungen abgegeben wird, steuert letztlich die Höhe des von der PM-Maschine erzeugten Motordrehmoments und die Drehzahl, mit der sich die Rotorwelle dreht. PM-Maschinen neigen dazu, unter Hochgeschwindigkeits-/Niederlastbetriebsbedingungen relativ hohe Energieverluste in Prozent der Gesamtnutzleistung zu erfahren, wobei diese Verlustwirkung hauptsächlich auf die großen festen Magnetfelder der Permanentmagnete zurückzuführen ist.
KURZDARSTELLUNG
Eine permanentmagnetische elektrische Maschine („PM-Maschine“) wird hierin offenbart, wobei das permanentmagnetische Feld eines Satzes von Permanentmagneten an einer Rotoranordnung, die mit einem rotierenden Magnetfeld eines umgebenden Stators verbunden ist, aktiv oder passiv in Echtzeit gesteuert wird, um selektiv einen betriebspunktbasierten Flussverkettungseffekt zu erzielen. Wie hierin verwendet, bezieht sich „Flussverkettung“ auf die gezielte Richtung des Magnetflusses durch einen Magnetkreis, der aus der Struktur der PM-Maschine, insbesondere der Permanentmagnete und des Rotormaterials, gebildet wird, aufgrund selektiver Variation der magnetischen Reluktanz.
Wie hierin und in der Technik verwendet, bezieht sich „Reluktanz“ auf die Behinderung des Magnetflusses durch einen Magnetkreis, ähnlich dem Widerstand in einem Stromkreis. So wie der elektrische Strom dazu neigt, dem Weg des geringsten Widerstands in einem Stromkreis zu folgen, folgt der Magnetfluss dem Weg der geringsten Reluktanz. Mathematisch kann das Reluktanzniveau (S) als Funktion der Magnetantriebskraft (F) und des Magnetflusses (ϕ) dargestellt werden: $S = \frac{F}{ϕ}$
Der vorliegende Ansatz variiert automatisch die Reluktanz in einem Magnetkreis der PM-Maschine über die Positionssteuerung eines oder mehrerer Flussverkettungselemente an bestimmten Betriebspunkten der PM-Maschine.
Insbesondere wird die Reluktanz innerhalb eines bestimmten Bereichs des Rotors variiert, der einem inneren/radialen innersten Ende der vorstehend beschriebenen Permanentmagnete am nächsten liegt. Um die Flussverkettung zu aktivieren, befinden sich beweglichen Flussverkettungselemente im Rotor und werden an bestimmten Betriebspunkten der PM-Maschine positionseingestellt. So kann beispielsweise die Flussverkettung selektiv oberhalb einer Schwellendrehzahl und unterhalb eines Schwellendrehmoments des Rotors aktiviert werden, wodurch feldbezogene Verluste reduziert werden, während die Flussverkettung ansonsten inaktiv bleibt, wenn der Fluss für die Drehmomenterzeugung benötigt wird.
In Bezug auf die Leistung eines Verbrennungsmotors ist eine PM-Maschine ein relativ effizienter Drehmomentgenerator unter niedrigen Drehzahlen/Hochdrehmomentbedingungen, wie beispielsweise wenn das Motordrehmoment auf die Antriebsräder eines Kraftfahrzeugs gerichtet ist, um aus dem Stillstand zu beschleunigen. Der Wirkungsgrad einer PM-Maschine nimmt jedoch mit zunehmender Drehzahl und abnehmendem Motordrehmoment ab. Das heißt, Hochgeschwindigkeits-/Niedrigdrehmoment-Betriebspunkte können zu feldbezogenen Verlusten führen, die, wenn die Magnetreluktanz, wie hierin aktiviert, gezielt variiert werden kann, von großem Nutzen für die Leistung eines Fahrzeugs oder eines anderen Systems sein würden, das die PM-Maschine verwendet. Der offenbarte Ansatz soll daher eine mögliche Lösung für das vorstehend beschriebene Feldverlustphänomen im Zusammenhang mit PM-Maschinen bereitstellen, ohne die strukturelle Integrität und die Verpackungsanforderungen der PM-Maschine zu beeinträchtigen.
In einer exemplarischen Ausführungsform beinhaltet eine PM-Maschine eine Rotoranordnung und einen Stator. Die Rotoranordnung beinhaltet eine Rotorwelle, einen Rotor, der koaxial die Rotorwelle umgibt und mit ihr gekoppelt ist, eine Vielzahl von festen Permanentmagneten und ein bewegliches Flussverkettungselement, das im Rotor angeordnet ist. Der Stator ist angrenzend an den Rotor angeordnet, um einen Magnetkreis zu bilden. Die PM-Maschine ist konfiguriert, um das bewegliche Flussverkettungselement der PM-Maschine selektiv zu positionieren, um die Reluktanz im Magnetkreis an einem oder mehreren Betriebspunkten der PM-Maschine zu variieren.
Jeder der jeweiligen Permanentmagnete kann am Rotor befestigt werden und weist ein inneres Ende und ein äußeres Ende auf. Das innere und äußere Ende der jeweiligen Permanentmagnete sind zur Rotorwelle bzw. zum Stator ausgerichtet.
Das bewegliche Flussverkettungselement in einigen Ausführungsformen ist um eine Drehachse drehbar, die gleich oder parallel zu einer Drehachse des Rotors verläuft. In einer derartigen Ausführungsform kann das bewegliche Flussverkettungselement eine Vielzahl von beweglichen Flussverkettungselementen beinhalten, die aus verbundenen Hälften von ersten und zweiten Materialien mit unterschiedlichen relativen magnetischen Permeabilitätswerten hergestellt sind. Das erste Material kann ein nicht-magnetisches oder paramagnetisches Material sein und das zweite Material kann ein ferromagnetisches Material sein.
Der Rotor kann bogenförmige Schlitze definieren, und das bewegliche Flussverkettungselement beinhaltet axial verlaufende Finger, die innerhalb der bogenförmigen Schlitze des Rotors um eine Drehachse drehbar sind, die der Drehachse des Rotors entspricht.
Alternativ kann der Rotor radiale Schlitze definieren, und das bewegliche Flussverkettungselement kann sich innerhalb der radialen Schlitze in Richtung der Permanentmagnete verschieben, um eine Lufttasche zwischen einem der festen Permanentmagnete und dem Flussverkettungselement zu schließen. Das bewegliche Flussverkettungselement kann sich auch innerhalb der radialen Schlitze von den jeweiligen Permanentmagneten entfernen, um dadurch die Lufttasche zwischen den jeweiligen Permanentmagneten und dem Flussverkettungselement zu öffnen.
In einigen Ausführungsformen kann eine drehbare Nockenplatte verwendet werden. Die Nockenplatte definiert bogenförmige Durchgangsschlitze, wobei das bewegliche Flussverkettungselement eine Vielzahl von beweglichen Flussverkettungselementen beinhaltet. Die Nockenplatte ist durch ein Stellglied drehbar, um die Flussverkettungselemente in Bezug auf eine Drehachse des Rotors in einem jeweiligen der radialen Schlitze des Rotors zu verschieben. Die Drehung der Nockenplatte übersetzt die Flussverkettungselemente durch einen Kontakt zwischen einem der entsprechenden bogenförmigen Durchgangsschlitze und einem der entsprechenden beweglichen Flussverkettungselemente.
Der Rotor ist in abwechselnde erste und zweite Rotorsegmente segmentiert, wobei das bewegliche Flussverkettungselement abwechselnd erste und zweite Flussverkettungssegmente unterschiedlicher Geometrien oder Formen aufweist, und wobei die Verschiebung des beweglichen Flussverkettungselements in einer axialen Richtung das erste und zweite Flussverkettungssegment mit dem ersten und zweiten Rotorsegment ausrichtet und die Verschiebung des beweglichen Flussverkettungselements in einer anderen axialen Richtung das erste und zweite Flussverkettungssegment mit dem zweiten und ersten Rotorsegment ausrichtet.
Ein Stellglied und eine Steuerung können miteinander verbunden werden, wobei das Stellglied konfiguriert ist, um das bewegliche Flussverkettungselement als Reaktion auf ein Steuersignal der Steuerung zu bewegen.
Das Stellglied kann optional als passives Stellglied ausgeführt sein, das konfiguriert ist, um das bewegliche Flussverkettungselement in einer ersten Drehrichtung unterhalb einer Schwellenbeschleunigungskraft des Rotors vorzuspannen und eine Bewegung des beweglichen Flussverkettungselements in einer zweiten Drehrichtung oberhalb der Schwellenbeschleunigungskraft zu ermöglichen.
In einigen Ausführungsformen ist das Stellglied konfiguriert, um Kräfte aufgrund der zentripetalen Beschleunigung, magnetische Kräfte auf die Flussverkettungselemente und eine Federkraft, die vom passiven Stellglied auf die Flussverkettungselemente ausgeübt wird, auszugleichen, um dadurch die Flussverkettung passiv zu positionieren, um dadurch die Flussverkettungselemente passiv zu positionieren, sodass die Flussverkettung bei hohen und niedrigen Drehmomenten aktiv ist und an anderer Stelle inaktiv.
Die Flussverkettungselemente unterliegen Kräften, die durch das umgebende oder durchströmende Flussfeld hervorgerufen werden. Die Kräfte lösen sich auf in Netzkräfte und/oder Drehmomente, die dazu neigen, die Flussverkettungselemente zu verschieben. Die Größenordnung dieser Kräfte ist abhängig von den in den Statorwicklungen angelegten Strömen. So kann beispielsweise die Tendenz, dass das Flussverkettungselement in die „vollständig verkettete“ Position verschoben wird, am stärksten sein, wenn kein Statorstrom vorhanden ist. Mit zunehmendem Statorstrom können die Kräfte oder Drehmomente, die dazu neigen, das Flussverkettungselement in die „vollständig verkettete“ Position zu bewegen, reduziert werden.
Insbesondere der Gleichachs-(d-Achsen)-Strom und der Quadratur-(q-Achsen)-Strom können unterschiedliche Auswirkungen auf die Kräfte haben, die auf die Flussverkettungselemente wirken. Um diese Erkenntnis zu nutzen, kann eine passive Betätigung eingesetzt werden. Durch einen angemessenen Ausgleich der Kräfte aufgrund der zentripetalen Beschleunigung, der magnetischen Kräfte auf die Flussverkettungselemente und der aufgebrachten Federkräfte kann das Stellglied in der Lage sein, die Flussverkettungselemente passiv so zu positionieren, dass das Flussverkettungssystem bei hohen Geschwindigkeiten und niedrigem Drehmoment aktiv und an anderer Stelle inaktiv ist. Diese Anordnung kann auch verwendet werden, um die erforderliche Leistungsfähigkeit eines aktiven Stellglieds zu reduzieren, falls die Betätigung nicht vollständig passiv erfolgen kann.
Das bewegliche Flussverkettungselement kann eine Vielzahl von beweglichen Flussverkettungselementen beinhalten, von denen jedes an einem der jeweiligen der drehbaren Drehmomentübertragungselemente befestigt oder integral mit diesem ausgebildet ist.
Ein Zahnradsatz mit einem Ritzelzahnrad, das drehbar ist, kann mit einem Sonnenrad in Eingriff gebracht werden, wobei jedes der Ritzelzahnräder mit einem der jeweiligen Drehmomentübertragungselemente verbunden oder integral mit diesem ausgebildet ist. Ein Stellglied in dieser Ausführungsform ist zum Drehen des Sonnenrades konfiguriert.
Hierin ist auch ein Fahrzeug offenbart, das Antriebsräder, ein Getriebe mit einem Eingangs- und einem Ausgangselement aufweist, wobei das Ausgangselement mit den Antriebsrädern verbunden ist, sowie eine mit dem Eingangselement gekoppelte PM-Maschine. Die PM-Maschine kann konfiguriert werden, um dem Eingangselement ein Motordrehmoment zuzuführen, und beinhaltet eine Rotoranordnung mit einer Rotorwelle, einem Rotor, der koaxial umlaufend und mit der Rotorwelle gekoppelt ist, einer Vielzahl von festen Permanentmagneten, von denen jeder am Rotor befestigt ist und ein entsprechendes inneres Ende und ein äußeres Ende aufweist, sowie ein bewegliches Flussverkettungselement, das in dem Rotor positioniert ist. Die PM-Maschine beinhaltet ferner einen Stator, der die Rotoranordnung umschließt, um damit einen Magnetkreis zu bilden. Das innere und äußere Ende des jeweiligen Permanentmagnets sind jeweils zur Rotorwelle und dem Stator ausgerichtet. Ein Stellglied kann konfiguriert werden, um das beweglich Flussverkettungselement der PM-Maschine selektiv zu positionieren, um dadurch die Reluktanz im Magnetkreis an einem oder mehreren Drehzahl- und Drehmoment-Betriebspunkten der PM-Maschine zu verändern.
Die vorstehend genannten sowie andere Funktionen und Vorteile der vorliegenden Offenbarung sind aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der Ausführungsformen und bestmöglichen Weisen zur Umsetzung der Offenbarung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen leicht erkennbar.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung eines exemplarischen Fahrzeugs mit einer permanentmagnetischen elektrischen Maschine („PM-Maschine“) selektiv repositionierbaren Flussverkettungselementen, wie hierin dargelegt.
2 ist ein exemplarisches Motordrehzahl-Drehmoment-Fluss-Diagramm, wobei das Motordrehmoment und der -fluss auf den vertikalen Achsen und die Motordrehzahl auf der horizontalen Achse dargestellt sind.
Die 3A und 3B sind schematische Draufsichtdarstellungen eines Teils eines Rotors, der mit der PM-Maschine von 1 gemäß einer exemplarischen Konfiguration verwendbar ist, in der drehbare Flussverkettungselemente verwendet werden, um den magnetischen Widerstand in einem bestimmten Bereich des Rotors zu variieren.
4 ist eine schematische Draufsicht der Rotoranordnung und eines Zahnradsatzes, der zum Neupositionieren der in den 3A und 3B dargestellten magnetischen Flussverkettungselemente verwendbar ist.
Die 5A und 5B sind schematische Draufsichtdarstellungen eines Abschnitts eines Rotors, der einen exemplarischen Pol und eine weitere mögliche Ausführungsform der vorstehend erwähnten Flussverkettungselemente darstellt, wobei die Flussverkettungselemente als axiale Finger eines koaxialen drehbaren Elements ausgeführt sind, das gleichzeitig den Fluss der Pole des Rotors steuert.
6 ist eine schematische Draufsicht eines Abschnitts des Rotors, die eine weitere mögliche Ausführungsform der vorstehend erwähnten Flussverkettungselemente darstellt.
7 ist eine schematische Seitenansicht des Rotors und eines koaxialen drehbaren Elements, das mit den in den 5A und 5B dargestellten Ausführungsformen verwendbar ist.
8 ist eine schematische Endansichtsdarstellung des Rotors und des koaxialen drehbaren Elements gemäß 7.
9A und 9B sind teilschematische Draufsichtdarstellungen des Rotors gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform, bei welcher die Flussverkettungselemente in radialer Richtung beweglich sind.
Die 10A, 10B und 10C sind schematische Draufsichtdarstellungen einer drehbaren Nockenplatte, die mit der Ausführungsform der 9A und 9B verwendbar ist.
Die 11A und 11B sind teilweise schematische Seitenansichtsdarstellungen eines segmentierten Rotors mit einer Drehachse und Flussverkettungssegmenten gemäß einer Ausführungsform, bei welcher die Flussverkettungssegmente parallel zur Drehachse verschiebbar sind.
Die 12A, 12B, 12C und 12D sind teilweise schematische Draufsichtdarstellungen eines repräsentativen Pols des Rotors gemäß der Ausführungsform aus den 11A und 11B.

Für die vorliegende Offenbarung können verschiedene Modifikationen und alternative Formen zur Anwendung kommen und einige exemplarische Ausführungsformen werden hierin anhand der Zeichnungen in Form von Detailbeispielen dargestellt. Es versteht sich allerdings, dass die neuartigen Aspekte dieser Offenbarung nicht auf die in den hinzugefügten Zeichnungen dargestellten besonderen Formen beschränkt sind. Vielmehr umfasst diese Offenbarung alle Modifikationen, Entsprechungen, Kombinationen, Teilkombinationen Permutationen, Gruppierungen und Alternativen, die dem Erfindungsgedanken und dem Umfang der Offenbarung entsprechen, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Bezugnehmend auf die Zeichnungen, worin gleiche Bezugszeichen auf gleiche Komponenten verweisen, ist ein exemplarisches Fahrzeug 10 mit einem elektrischen Antriebsstrang 12 in 1 dargestellt. Der elektrische Antriebsstrang 12 beinhaltet ein Hochspannungs-Batteriepack (B_HV ) 14 mit einer Vielzahl von Batteriezellen 14C. Das Batteriepack 14 ist elektrisch mit einer permanentmagnetischen elektrischen Maschine (ME) 16 verbunden, hierin auch als PM-Maschine 16 bezeichnet, die mit variablen Reluktanz-/Flussverkettungsfähigkeiten konstruiert sind, wie nachstehend unter Bezugnahme auf die 3A-12D dargelegt. In bestimmten Ausführungsformen kann die PM-Maschine 16 als ein elektrischer Fahrmotor an Bord des Kraftfahrzeugs 10 verwendet werden, um ein Motordrehmoment (Pfeil T_m ) auf einem Niveau zu erzeugen, das zum Antreiben des Fahrzeugs 10 als ein elektrischer Generator und/oder zum Ausführen anderer nützlicher Arbeit ausreicht.
Die Anwendungen der PM-Maschine 16 sind nicht auf mobile oder Fahrzeuganwendungen im Allgemeinen oder auf Kraftfahrzeugantriebsanwendungen insbesondere beschränkt. Ein durchschnittlicher Fachmann wird erkennen, dass die damit verbundenen Vorteile der offenbarten PM-Maschine 16, wenn diese wie nachstehend beschrieben konstruiert wird, auf stationäre und mobile Anwendungen erweitert werden können, die auf der Verwendung eines Motordrehmoments (Pfeil T_m ) unter Betriebsbedingungen der PM-Maschine 16 mit hoher Drehzahl/niedrigem Drehmoment beruhen.
Als grundlegende Basis für die vorliegende Offenbarung und unter kurzer Bezugnahme auf das exemplarische Bedienungsschema 13 von 2 wird hierin anerkannt, dass PM-Maschinen wie die PM-Maschine 16 von 1 typischerweise relativ hohe feldbezogene Verluste in Prozent der Nutzleistung beim Betrieb mit hohen Motordrehzahlen (N_r ) und niedrigen Lasten oder Motordrehmomenten (T_m ) erfahren, wobei die Motordrehzahl (N_r ) auf der horizontalen Achse und in Umdrehungen pro Minute (U/min) und das Motordrehmoment (T_m ) auf der linken vertikalen Achse und in Newtonmeter (N-m) angegeben ist. Konturlinien (Pfeil F) sind nummeriert, um den relativen Systemverlust durch die Anwendung der vorliegenden Verkettungsoffenbarung in den jeweiligen Regionen darzustellen. Eine repräsentative Überschussflussbetriebszone ist im Allgemeinen bei Z in 2 angegeben, wobei die Werte in 2 eine mögliche Konfiguration veranschaulichen.
Die Zone (Z) veranschaulicht die Flussniveaus von relativ großen festen Magnetfeldern, die von Permanentmagneten des Typs abgeleitet sind, der in einer typischen PM-Maschine verwendet wird, z. B. große rechteckige Stabmagnete, die in gegenüberliegenden V-förmigen Schlitzen eingebettet sind, um Nord-Süd-Pole um einen Umfang einer Rotoranordnung einer derartigen PM-Maschine herum zu bilden. Somit existiert zwischen Rotor und Stator einer typischen PM-Maschine ein Magnetkreis, über kleine Lufttaschen zwischen Rotor und Stator und über kleine Lufttaschen zwischen den Permanentmagneten des Rotors und dem umgebenden Kernmaterial. Ein Magnetfluss kann im Überschuss erzeugt werden, wenn, wie in der Zone (Z) von 2, der erzeugte Magnetfluss aufgrund von Spannungsbegrenzungen des Gleichstrombusses nicht wünschenswert ist. Der vorliegende Ansatz variiert somit gezielt die Flusswege oder selektiven „Verkettungen“ des Magnetflusses im Magnetkreis durch Variation der Reluktanz an bestimmten Betriebspunkten der PM-Maschine 16.
Die PM-Maschine 16 von 1 ist mit variablen Flussverkettungsfähigkeiten konfiguriert, die dazu bestimmt sind, die Betriebswirksamkeit der PM-Maschine 16 zu verbessern, insbesondere durch Variation der magnetischen Reluktanz an einem inneren Ende 17 eines Satzes von Permanentmagneten 60 der PM-Maschine 16, wie in 3A dargestellt, wenn der magnetische Fluss nicht anderweitig zum Erzeugen des Motordrehmoments (Pfeil T_m ) benötigt wird. Dieses Ziel wird durch Bewegen, d. h. selektives Verändern einer axialen, radialen und/oder winkligen Position von speziell konfigurierten Flussverkettungselementen der PM-Maschine 16 von 1 erreicht, die wiederum die magnetischen Flusswege an den inneren Enden 17 in Echtzeit modifiziert. Verschiedene Ausführungsformen zum Erreichen einer derartigen variablen Flussverkettung sind in den 3A-12D dargestellt und werden im Folgenden ausführlich beschrieben.
Ferner mit Bezug auf das exemplarische Fahrzeug 10, dargestellt in 1, kann das Batteriepack 14 optional über eine externe Ladestation 11, zum Beispiel mittels einer dargestellten Gleichspannungs-(DC)-Schnellladestation, geladen werden, wobei die Ladung möglicherweise direkt an das Batteriepack 14 unter Verwendung einer angelegten Gleichspannung (VDC) über eine Ladekopplungsvorrichtung 20 zu einem Gleichspannungsbus 22 über einen Spannungsregler 24 mit einem oder mehreren internen Halbleiter- und/oder mechanischen Schaltern S1 oder über ein verfügbares Wechselspannungsladesystem (nicht dargestellt) angelegt wird.
Der elektrische Antriebsstrang 12 beinhaltet auch ein Wechselrichtermodul (PIM) 18, das elektrisch mit dem Batteriepack 14 über den Gleichspannungsbus 22 verbunden ist. Interne Halbleiterschalter (nicht dargestellt) des PIM 18 werden automatisch über eine Pulsbreitenmodulation oder andere gewünschte Schalttechniken gesteuert, um eine Wechselstrom-(AC)-Ausgangsspannung zu erzeugen, die zum Erregen der PM-Maschine 16 geeignet ist. Ein Wechselspannungsbus 40 wird verwendet, um den PIM 18 elektrisch mit den einzelnen Phasenwicklungen der PM-Maschine 16 zu verbinden. Ein DC/DC-Spannungswandler/Hilfsleistungsmodul (APM) 19 kann verwendet werden, um einen Spannungspegel des Gleichspannungsbusses 22 auf einen niedrigeren Hilfspegel, z. B. 12-15 VDC, zu reduzieren, der wiederum in einem Hilfsbatteriepaket (B_AUX ) 44 zur Verwendung bei der Energieversorgung elektrischer Niederspannungssystemen an Bord des Fahrzeugs 10 gespeichert werden kann.
Eine Rotorwelle 65 der PM-Maschine 16 kann selektiv mit einer Last, z. B. einem Eingangselement 28 eines Getriebes (T) 30, über die Betätigung einer Eingangskupplung 32 verbunden werden. Die Rotorwelle 65 dreht sich und liefert dadurch ein Eingangsdrehmoment (Pfeil T_I ) an das Eingangselement 28, wenn die PM-Maschine 16 als elektrischer Fahrmotor betrieben wird, und/oder die PM-Maschine 16 bei Bedarf als Generator betrieben werden kann. Zum Beispiel kann das Motordrehmoment (Pfeil T_m ) von der erregten PM-Maschine 16 für das Eingangselement 28 und/oder für eine andere Last in Form eines Ausgangselements 33 des Getriebes 30 und eines Satzes von Antriebsrädern 34, die mit dem Ausgangselement 33 verbunden sind, abhängig von der Konfiguration des elektrischen Antriebsstrangs 12, bereitgestellt werden. Das Abgangsdrehmoment (Pfeil To) von dem Getriebe 30 kann über eine oder mehrere Antriebsachsen 36 an die Antriebsräder 34 übertragen werden.
Eine Steuerung 50 kann verwendet werden, um den laufenden Betrieb der PM-Maschine 16 als Reaktion auf einen Satz von Eingangssignalen (Pfeil CC_I) zu steuern, und zwar durch die Übertragung von Steuersignalen (Pfeil CCo) zur PM-Maschine 16. So kann beispielsweise die Steuerung 50 die Drehzahl und das Drehmoment der PM-Maschine 16 überwachen und den hierin beschriebenen Flussverkettungsbetrieb bei bestimmten Drehzahlbetriebspunkten oder bei Bedarf aktiv steuern, um die Leistung der PM-Maschine 16 zu optimieren. Die Steuerung 50 kann als eine oder mehrere elektronische Steuereinheiten ausgeführt sein, die den erforderlichen Speicher (M) und einen Prozessor (P) sowie andere zugehörige Hardware und Software, z. B. eine Uhr oder einen Zeitgeber, Eingabe-/Ausgabeschaltungen usw., aufweisen. Der Speicher (M) kann ausreichende Kapazitäten an Nur-Lese-Speicher beinhalten, beispielsweise eines magnetischen oder optischen Speichers. Anweisungen, die ein Steuerverfahren verkörpern, können in den Speicher (M) als computerlesbare Anweisungen 100 programmiert werden und während des Betriebs des Fahrzeugs 10 durch den/die Prozessor(en) (P) ausgeführt werden, um dadurch die Betriebsleistung zu optimieren.
Die 3A und 3B zeigen eine mögliche Ausführungsform der PM-Maschine 16 von 1, wobei ein PM-Maschinensegment 16S einen Pol 15 aufweist. Wie in der Technik bekannt ist, wird eine gerade Anzahl der Pole 15 in einer PM-Maschine wie der in 1 dargestellten PM-Maschine 16 verwendet, z. B. vier oder acht dieser Pole 15 in verschiedenen Ausführungsformen. Die PM-Maschine 16 weist eine Rotoranordnung 61 auf, d. h. einen im Allgemeinen zylindrischen Rotor 64, der verzahnt oder anderweitig an einer Rotorwelle 65 befestigt oder integral mit dieser ausgebildet ist. Ein Abschnitt der Rotorwelle 65 ist zur Vereinfachung in den 3A und 3B benachbart zum Rotor 64 und in den 4 und 8 vollständig dargestellt. Die Rotoranordnung 61 in der abgebildeten Ausführungsform ist radial nach innen von einem Stator 62 angeordnet, wobei der Stator 62 Statornuten 62S definiert, die mit Statorwicklungen 62W, d. h. Stableitern oder Drähten, gefüllt sind. Der Stator 62 ist von einer Rotoranordnung 61 durch eine kleine Lufttasche 63 getrennt, wie sie in der Technik bekannt ist. Es können jedoch auch andere Ausführungsformen vorgesehen werden, wie beispielsweise eine Axialspaltkonfiguration, bei welcher der Stator 62 benachbart zur Rotoranordnung 61 so positioniert ist, dass sich die Lufttasche 63 zwischen der Rotoranordnung 61 und Stator 62 in axialer Richtung erstreckt. Zur veranschaulichenden Konsistenz wird im Folgenden eine radiale Spaltanordnung beschrieben, ohne die Offenbarung auf derartige Ausführungsformen zu beschränken.
Der Pol 15 ist aus festen Permanentmagneten 60 gebildet, z. B. Flachstangenmagneten in V-Form, die sich von einem inneren Ende 17 der Permanentmagnete 60 radial nach außen zu einem Stator 62 öffnen. Ein zusätzlicher Satz von Permanentmagneten 60A kann in einigen Ausführungsformen zwischen den festen Permanentmagneten 60 und dem Stator 62 positioniert werden. Ein entsprechendes Außenbandende 21 eines jeden der Permanentmagnete 60 befindet sich in räumlicher Nähe zum Stator 62 als das Innenende 17, d. h. das Innenende 17 liegt in dem Sinne „innen“, wobei das Innenende 17 näher an der Rotorwelle 65 liegt als das Außenende 21.
Wie vorstehend erwähnt, kann die Rotoranordnung 61 im Wesentlichen zylindrisch geformt sein, d. h. im Allgemeinen kreisförmig im Querschnitt und bildet so einen rechten Zylinder in Bezug auf eine Drehachse der Rotoranordnung 61, mit möglichen Variationen aufgrund von Fertigungstoleranzen, Oberflächeneigenschaften und verbundenen Komponenten. Der Stator 62 umschließt die Rotoranordnung 61 axial und umschließt sie somit vollständig und ist von der Rotoranordnung 61 durch die vorstehend erwähnte Lufttasche 63 getrennt. Ebenso wird eine kleine Lufttasche 163 durch den Rotor 64 angrenzend an das innere Ende 17 der Permanentmagnete 60 definiert, wobei die Lufttasche 163 durch die Permanentmagnete 60 und eine dünne Brücke 38 aus dem den Rotor 64 bildenden magnetisch permeablen Material, z. B. Baustahl, gebunden ist. Das heißt, die Brücke 38 ist ein dünner Abschnitt des Rotors 64 und damit ein integraler Bestandteil des Rotors 64.
Der Rotor 64 in den verschiedenen hierin offenbarten Ausführungsformen beinhaltet eine Vielzahl von beweglichen Flussverkettungselementen 68. In der nicht-einschränkenden Ausführungsform aus den 3A und 3B sind die Flussverkettungselemente 68 im Allgemeinen kreisförmig und um eine Drehachse 42 drehbar, die parallel zur Drehachse 66 der Rotorwelle 65 verläuft (siehe 4). Die Drehung der Flussverkettungselemente 68, die aktiv durch den Betrieb der Steuerung 50 oder passiv durch den Betrieb von Beschleunigungskräften in der PM-Maschine 16 von 1 erfolgen kann, ändert die Flusswege BB zwischen den Flussverkettungselementen 68, den Permanentmagneten 60 und dem Rotor 64, insbesondere an den innenliegenden Enden 17 der Permanentmagnete 60.
In der dargestellten exemplarischen Ausführungsform aus den 3A und 3B sind die Flussverkettungselemente 68 im Wesentlichen kreisförmig und bestehen aus den Paarungshälften 68A und 68B. Die Paarungshälften 68A und 68B können jeweils aus ersten und zweiten Materialien M1 und M2 mit unterschiedlichen magnetischen Permeabilitätseigenschaften hergestellt sein. Das heißt, bei einem Vakuum mit einer relativen Permeabilität (µ_R) von 1 kann die relative Permeabilität des ersten Materials M1 ein diamagnetisches (µ_R < 1) oder nicht-magnetisches/paramagnetisches (µ_R ≅ 1) Material, wie beispielsweise Aluminium, Kupfer und/oder Kunststoff sein. Das zweite Material M2 kann ein ferromagnetisches Material sein, d. h. µ_R >>1 wie beispielsweise Baustahl oder Eisen. Die Flussverkettungselemente 68 können optional beispielsweise aus Extrusionen der ersten und zweiten Materialien M1 und M2 hergestellt werden und können möglicherweise eine Verriegelungsfunktion 69 beinhalten, um die strukturelle Integrität über die unterschiedlichen Paarungshälften 68A und 68B aufrechtzuerhalten.
3A verdeutlicht eine mögliche Ausrichtung des Flussverkettungselements 68 bei aktiver Flussverkettung. Die Ausrichtungen würden für die nicht veranschaulichten Pole 15 um den Umfang des Rotors 64 herum ändern. Das heißt, das Flussverkettungselement 68 wird derart gedreht, dass das zweite Material M2, d. h. die ferromagnetische Seite des Flussverkettungselements 68, zum innenliegenden Ende 17 der Permanentmagnete 60 für den jeweils dargestellten Pol 15 ausgerichtet ist. Der magnetische Fluss kann durch das zweite Material M2 vom inneren Ende 17 aus durchlaufen. Mit anderen Worten wird dem inneren Ende 17 des Permanentmagneten 60 durch das zweite Material M2 eine verhältnismäßig große Fläche aus magnetisch permeablem Material zugeführt, sodass in den Flusswegen BB durch das Flussverkettungselement 68 eine verhältnismäßig starke Flussverkettung zu erkennen ist.
Im Gegensatz dazu verdeutlicht 3B das Positionieren des Flussverkettungselements 68 bei inaktivem Flussverkettung. Das Flussverkettungselement 68 wird in Bezug auf die in 3A dargestellte Position so gedreht, dass das relativ undurchlässige erste Material M1 nun zu den innenliegenden Enden 17 der Permanentmagnete 60 ausgerichtet ist. Die Ausrichtung, wie in 3B dargestellt, stellt somit eine hohe Reluktanz der Flusswege BB gegenüber den in 3A dargestellten Bahnen dar, da der Magnetfluss durch die dünne Brücke 38 und nicht durch das relativ undurchlässige erste Material M1 verläuft. Mit anderen Worten findet der Magnetfluss analog zum elektrischen Strom den Weg mit dem geringsten Widerstand in einem gegebenen Magnetkreis, wobei dieser Weg in 3B über die dünne Brücke 38 verläuft. Diese dünne Brücke 38 wird jedoch schnell durch ein kleines Magnetfeld gesättigt und weist somit eine hohe Reluktanz zum Magnetkreis auf. Folglich ist in der dargestellten Ausrichtung die Flussverkettung meist inaktiv. Die dünne Brücke 38 ist für die mechanische Integrität des Rotors 64 erforderlich.
4 verdeutlicht eine mögliche Ausführungsform zum Positionieren der Flussverkettungselemente 68 aus den 3A und 3B. Ein entsprechender Pol 15 der Permanentmagnete 60 kann angrenzend an eine Umfangswand 70 des Rotors 64 positioniert werden, wobei auch die Rotorwelle 65 und ihre Drehachse 66 dargestellt sind. Zur Veranschaulichung sind die vier Pole 15 der Permanentmagnete 60 dargestellt. Wie in der Technik bekannt und an anderer Stelle vorstehend erwähnt, sind die Magnetpole einer PM-Maschine, wie beispielsweise von der PM-Maschine 16 von 1, gleichmäßig um den Umfang des Rotors 64 verteilt, d. h. es gibt eine gleiche Anzahl von abwechselnden Nord- und Süd-Magnetpolen. Da sich die Rotoranordnung 61 um die Drehachse 66 über einen Festpunkt am Stator 62 dreht, erfährt ein derartiger Punkt daher abwechselnd Nord- und Südpole, um die erforderlichen Drehkräfte zu erzeugen.
Die PM-Maschine 16 beinhaltet ein Stellglied 46, wie in 4 schematisch dargestellt, wie beispielsweise in Abhängigkeit von der Ausführungsform ein aktives oder passives Dreh- oder Linearstellglied. Das Stellglied 46 überträgt letztlich eine Betätigungskraft (Pfeil F_A ), sei es als lineare Kraft, die in eine Drehbewegung umgesetzt wird, oder als Drehkraft/Drehmoment, auf die Flussverkettungselemente 68 aus den 3A und 3B, um zu bewirken, dass sich die Flussverkettungselemente 68 in eine bestimmte Richtung drehen. Das Stellglied 46 kann die Betätigungskraft (Pfeil F_A ) aktiv oder passiv in den verschiedenen nachfolgend dargestellten Ausführungsformen aufbringen und ist konfiguriert, um die Flussverkettungselemente 68 selektiv an einem oder mehreren Betriebspunkten der PM-Maschine 16 um einen Winkelabstand zu drehen, der zum Ändern der vorgenannten Ausrichtungen der jeweiligen ersten und zweiten Materialien M1 und M2 der 3A und 3B ausreichend ist.
Als exemplarische Anwendung im Fahrzeug 10 von 1 kann beispielsweise die magnetische Fluss durch eine Drehung der Flussverkettungselemente 68 bei hoher Drehzahl und niedrigem Drehmoment der PM-Maschine 16 reduziert werden, z. B. beim Betrieb in der Hochflusszone Z von 2. Im Hinblick auf das Betätigen kann die optionale Steuerung 50 von 1 die Drehzahl und das Drehmoment der PM-Maschine 16 bestimmen, beispielsweise durch Berechnen, Messen oder Nachschlagen, und dann das Stellglied 46 von 4 anweisen, die Flussverkettungselemente 68 zu drehen, wenn ein Schwellenwert des Betriebspunkts erfasst wird, z. B. wenn die Drehzahlen der Rotorwelle 65 höher als ein Schwellenwert der Drehzahl sind und das Motordrehmoment der Rotorwelle 65 kleiner als ein Schwellenwert ist.
Alternativ kann das Stellglied 46 als teil- oder vollpassives Stellglied konfiguriert werden, d. h. es stellt eine passive Betätigung mit reduzierten Kommunikationsebenen mit der Steuerung 50 bereit. In einer derartigen Ausführungsform kann das Stellglied 46 die Flussverkettungselemente 68 in einer ersten vorgegebenen Drehrichtung unterhalb einer Schwellenbeschleunigungskraft der Rotoranordnung 61 passiv vorspannen und die Drehung der Flussverkettungselemente 68 in einer zweiten vorgegebenen Drehrichtung ermöglichen, wenn die Beschleunigungskräfte der Rotoranordnung 61 die Vorspannkraft überschreiten.
Neben den auf die Flussverkettungselemente 68 wirkenden Beschleunigungs-/Fliehkräfte unterliegen die Flussverkettungselemente 68 auch Kräften, die durch das Flussfeld um sie herum oder durch sie hindurch verursacht werden. Diese Kräfte lösen sich zu Netzkräften und/oder Drehmomenten auf, die dazu neigen, die Flussverkettungselemente 68 zu verschieben, und weisen eine Größe auf, die eine Funktion der in den Statorwicklungen 62W aus den 3A und 3B angelegten Ströme ist. So kann beispielsweise die Tendenz, dass das Flussverkettungselement 68 in die „vollständig verkettete“ Position verschoben wird, am stärksten sein, wenn kein Statorstrom vorhanden ist. Mit zunehmendem Statorstrom können die Kräfte oder Drehmomente, die dazu neigen, das Flussverkettungselement 68 in die „vollständig verkettete“ Position zu bewegen, reduziert werden.
Insbesondere können Gleichachs-(d-Achsen)-Strom und Quadratur-(q-Achsen)-Strom, so wie diese Begriffe in der Technik bekannt sind, unterschiedliche Auswirkungen auf die Kräfte haben, die auf die Flussverkettungselemente 68 wirken. Um diese Erkenntnis zu nutzen, kann eine passive Betätigung eingesetzt werden. Durch einen angemessenen Ausgleich der Kräfte aufgrund der zentripetalen Beschleunigung, der magnetischen Kräfte auf die Flussverkettungselemente und einer auf die Flussverkettungselemente 68 ausgeübten Federkraft kann das Stellglied 46 in der Lage sein, die Flussverkettungselemente 68 passiv so zu positionieren, dass das Flussverkettungssystem bei hohen Drehzahlen und geringem Drehmoment aktiv und an anderer Stelle inaktiv ist. Diese Anordnung kann auch verwendet werden, um die erforderliche Leistungsfähigkeit eines aktiven Stellglieds zu reduzieren, falls die Betätigung nicht vollständig passiv erfolgen kann.
In der exemplarischen Ausführungsform von 4 können eine Vielzahl von Drehmomentübertragungselementen 72, wie beispielsweise bogenförmige Teile, Platten oder andere geeignete Strukturen, in kreisförmigen Öffnungen 74 angeordnet sein, die im Material des Rotor 64 definiert sind. Die Drehmomentübertragungselemente 72 können sicher mit einem der jeweiligen Drehmomentübertragungselemente 72 und/oder Flussverkettungselemente 68 verbunden oder integral mit diesen ausgebildet sein, sodass die Drehung der Drehmomentübertragungselemente 72 innerhalb der kreisförmigen Öffnungen 74 ausreichend ist, um die damit verbundenen Flussverkettungselemente 68 zu drehen.
Ein Planetenradsatz 80, der axial angrenzend an den Rotor 64 angeordnet ist, kann verwendet werden, um die Drehmomentübertragungselemente 72 als Reaktion auf die Betätigungskraft (Pfeil F_A ) zu drehen, die dem Zahnradsatz 80 durch das Stellglied 46 zugeführt wird. Der Zahnradsatz 80 kann ein Sonnenrad 81 und mehrere Ritzelräder 82 beinhalten, die gleichmäßig um das Sonnenrad 81 angeordnet sind, d. h. ein imaginärer Kreis 88 durchläuft die jeweiligen Mittelpunkte der verschiedenen Ritzelräder 82. Das Sonnenrad 81 kann in einigen Ausführungsformen durch das Stellglied 46 drehbar angetrieben werden. Eine Drehung des Sonnenrades 81 in Pfeilrichtung CC würde somit die Ritzelräder 82 in die entgegengesetzte Richtung des Pfeils DD drehen. In weiteren Ausführungsformen kann das Stellglied 46 eine Schraubenfederanordnung (nicht dargestellt) sein, die das Sonnenrad 81 in einer Drehrichtung drehbar vorspannt, bis die Rückzugs-/Federkraft durch Beschleunigungskräfte des Rotors 64 überwunden wird.
Die 5A und 5B verdeutlichen alternative Flussverkettungselemente 168, die innerhalb der bogenförmigen Schlitze 48 des Rotors 64 gedreht werden, wobei die Drehung in dieser speziellen Ausführungsform um die Drehachse 66 von 4 erfolgt. Zwischen den Flussverkettungselementen 168 und dem inneren Ende 17 der benachbarten Permanentmagnete 60 befindet sich eine Luftkammer 163. In einigen Konfigurationen kann ein Luftraum 26 radial nach innen der bogenförmigen Schlitze 48 vorhanden sein. Die Flussverkettungselemente 168 können optional als axiale Finger des koaxialen drehbaren Elements 52 konfiguriert werden (siehe 7 und 8). Somit führt die Drehung des koaxialen drehbaren Elements 52, z. B. von einem Ende des Rotors 64, zur Drehung der Flussverkettungselemente 168 in den bogenförmigen Schlitzen 48 in Pfeilrichtung DD. Starke Flusswege BB führen zu der Konfiguration von 5A durch das Bewegen der Flussverkettungselemente 168 an der angezeigten Stelle, d. h. der Magnetfluss geht von den Permanentmagneten 60, durch den Rotor 64 um die Lufttasche 163, durch das Flussverkettungselement 168 und zurück zu den Permanentmagneten 60.
Die Drehung der Flussverkettungselemente 168 in die Richtung, die durch die Pfeile CC in 5B angegeben ist, führt zu einer inaktiven Flussverkettung. Das heißt, die Größe der Luftkammer 163 nimmt gegenüber 5A effektiv zu, wenn sich die Flussverkettungselemente 168 von den inneren Enden 17 der Permanentmagnete 60 entfernen, d. h. die Drehung öffnet die bogenförmigen Schlitze 48 angrenzend an die inneren Enden 17. Der Flussweg BB in 5B erstreckt sich somit von den Permanentmagneten 60 über die relativ dünnen Brücken 54 des Rotors 64 zu den Flussverkettungselementen 168 und zurück zu den Permanentmagneten 60 sowie um den optionalen Lufthohlraum 26 zwischen den Bogenschlitzen 48 und der Rotorwelle 65 (nicht dargestellt). Somit ergibt sich ein hoher Reluktanzpfad, wenn die Flussverkettung inaktiv ist.
6 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform zu der in den 5A und 5B dargestellten, wobei die bogenförmigen Schlitze 48 mit einem der Pole 15 koextensiv sind, im Gegensatz zu einem separaten bogenförmigen Schlitz 48 für jeden Permanentmagneten 60, wie in den 5A und 5B dargestellt. Die Drehung der Flussverkettungselemente 268 kann in der gleichen Weise wie die vorstehend beschriebenen Flussverkettungselemente 168 durchgeführt werden, d. h. über das koaxiale drehbare Element 52 der 7 und 8. Allerdings wird eine Lufttasche 163A zwischen den inneren Enden 17 der Permanentmagnete 60 durch die Brücke 54 in separate Lufttaschen 163A und 163B unterteilt. Die Drehung in Pfeilrichtung DD bewegt die Flussverkettungselemente 268 in die angegebene Position direkt angrenzend an die Lufttaschen 163B. Infolgedessen existieren die Flusswege BB von den Permanentmagneten 60, über den Rotor 64 und die Flussverkettungselemente 268 bis zu den Permanentmagneten 60 über den Rotor 64 (nicht dargestellt). Die Drehung der Flussverkettungselemente 268 in Pfeilrichtung CC verschiebt die Flussverkettungselemente 268 letztlich von den innenliegenden Enden 17 weg, sodass Flusswege (nicht in 6 dargestellt) über die relativ dünnen Brücken 54 verlaufen.
Unter kurzer Bezugnahme auf die 7 und 8 kann das Betätigen der in den 5A, 5B und 6 dargestellten Ausführungsformen mit dem koaxialen drehbaren Element 52 erreicht werden. Das koaxiale drehbare Element 52 ist radial innerhalb des Rotors 64 angeordnet. Somit ist eine Drehachse des koaxialen drehbaren Elements 52 die gleiche wie die Drehachse 66 der Rotorwelle 65 in dieser Ausführungsform. Das in 7 dargestellte Stellglied 46 kann die Betätigungskraft (F_A ) an das koaxiale drehbare Element 52 von einem Ende des Rotors 64 abgeben, um eine aktive Flussverkettung zu erreichen, z. B. die in den 5A und 6 dargestellten Positionen, mit einer Rückzugskraft, die das koaxiale drehbare Element 52 in eine inaktive Flussverkettung von 5B vorgespannt.
Unter erneuter kurzer Bezugnahme auf die 5A und 5B weist die abgebildete Ausführungsform den Vorteil der Einfachheit des Designs auf, wobei das koaxiale drehbare Element 52 das Überbrücken an den innenliegenden Enden 17 der Permanentmagnete 60 steuert. Die Lamellen des Rotors 64 sind jedoch typischerweise symmetrisch um einen Umfang des Rotors 64 herum angeordnet. Somit kann ein gewisses Maß an Rechts-Links-Asymmetrie in den Laminierungen für die Implementierung der Betätigungsausführungsform der 7 und 8 erforderlich sein. Die Implementierung dieser Asymmetrie kann in Bezug auf die magnetische Geometrie weniger optimal sein, während die Einbeziehung der geometrischen Asymmetrie jedoch das mechanische Betätigen durch die Verwendung der Konfiguration der 7 und 8 erleichtern kann. Die Flussverkettung in einem symmetrischen Rotor 64, d. h. einem, in dem die benachbarten Pole 15 identisch konfiguriert sind und keine entgegengesetzten Polausrichtungen aufweisen, kann auf beiden Seiten eines typischen „V-förmigen“ Pols 15 auf verschiedene Weise erreicht werden, beispielsweise durch die Verwendung von zwei gegenläufigen/verschachtelten Elementen (nicht dargestellt).
Die vorstehend erklärten Ausführungsformen variieren die Reluktanz durch Drehen der Flussverkettungselemente 68, 168 oder 268. Alternativ kann die selektive Flussverkettungswirkung unter Verwendung der in den 9A und 9B dargestellten Struktur unter Verwendung alternativer Flussverkettungselemente 368 erreicht werden. Die Flussverkettungselemente 368 sind so konfiguriert, dass sie sich in einem radialen Schlitz 75 radial weg von der Drehachse 66 des Rotors 64 verschieben, wie durch den Pfeil J in 9A angezeigt, sodass die Flussverkettung inaktiv ist, oder weg von der Drehachse (Pfeil K von 9B), um die Flussverkettung zu ermöglichen. Wenn die Flussverkettung, wie in 9A dargestellt, inaktiv ist, wird eine Lufttasche 263 geöffnet, die zwischen einem äußeren Ende 368E des Flussverkettungselements 368 und dem umgebenden Rotor 64 definiert ist, wobei eine relativ schmale Brücke 54 des Rotors 64 als Flussweg BB verbleibt. Im Gegensatz dazu wird bei einer aktiven Flussverkettung, wie in 9B dargestellt, die Lufttasche 263 durch Einfügen des Flussverkettungselements 368 geschlossen. Infolgedessen ist magnetisch permeables Material unmittelbar angrenzend an das jeweilige innenliegende Ende 17 der Permanentmagnete 60 zum Tragen des Magnetflusses vorhanden, wobei dieses Material durch die Struktur der Flussverkettungselemente 368 und den Rotor 64 bereitgestellt wird.
Die 10A-C verdeutlichen zusammenfassend einen möglichen Ansatz zum Betätigen der Flussverkettungselemente 368 der 9A und 9B. Wie in 10A dargestellt, definiert eine Nockenplatte 58 mit einer mittleren Durchgangsbohrung 73 eine Vielzahl von gebogenen Durchgangsschlitzen 56 und 57. Die Rotorwelle 65 wird innerhalb der Durchgangsbohrung 73 aufgenommen, wobei die Nockenplatte 58 mit einer identischen Nockenplatte verbunden ist (nicht dargestellt), sodass eine Nockenplatte 58 an gegenüberliegenden Enden des Rotors 64 angeordnet ist, z. B. mittels Stangen aneinander befestigt. Obwohl aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen, kann die Nockenplatte 58 zur Aufrechterhaltung der Rundlaufgenauigkeit auf einem Lager zur Rotorwelle 65 angeordnet werden. Die Nockenplatte 58 ist durch das Stellglied 46 der 4 und 7 drehbar, um die Flussverkettungselemente 368 in Bezug auf die Drehachse 66 innerhalb eines jeweiligen radialen Schlitzes 75 des Rotors 64 durch Kontaktieren zwischen jeweils einem gebogenen Durchgangsschlitz 56 oder 57 und einem jeweiligen der beweglichen Flussverkettungselemente 368 zu verschieben.
10B wird erreicht, indem die Nockenplatte 58 von 10A in einer ersten Drehrichtung gedreht wird, sodass das Flussverkettung nicht aktiv ist, wobei die Plattenposition von 10A der Ausführungsform von 9A entspricht, z. B. niedrigdrehend, oder möglicherweise schnell und drehmomentstark. Das heißt, die Drehung der Nockenplatte 58 verschiebt aufgrund des gleitenden Eingriffs der Flussverkettungselemente 368 in einen der Schlitze 56 oder 57 die Flussverkettungselemente 268 weg von der Drehachse 66, um die Lufttaschen 263 zu öffnen. Um die Flussverkettung zu aktivieren, z.B. unter Hochgeschwindigkeits-/Niedrigdrehmomentbedingungen, die der Zone Z von 2 entsprechen, wird die Nockenplatte 58 von 10A in die entgegengesetzte Richtung gedreht, wobei die Schlitze 56 und 57 die Flussverkettungselemente 368 von der Drehachse 66 wegführen und die Lufttaschen 263 schließen. Eine derartige Position entspricht 9B.
Die 11A und 11B verdeutlichen jeweils eine Rotoranordnung 164 mit den Rotorsegmenten 64A und 64B sowie einem axial segmentierten Flussverkettungselement 468. Die Rotorsegmente 64A und 64B können aus separaten Lamellen hergestellt werden, z. B. 25 bis 50 einzelne Lamellen, die in einigen Ausführungsformen jeweils eine Dicke von etwa 10-20 mm aufweisen. Das axial segmentierte Verkettungselement 468 ist entlang der Drehachse 66 in Pfeilrichtung Q verschiebbar, um eine aktive Flussverkettung zu ermöglichen (11A), oder in Pfeilrichtung R, wenn eine Flussverkettung nicht gewünscht ist (11B). Eine Betätigungskraft (F_A ) kann auf ein distales Ende des axial segmentierten Verkettungselements 468 aufgebracht werden, um das axial segmentierte Verkettungselement 468 um einen ausreichenden Abstand zu verschieben, um einen ersten Satz (I) von identisch konfigurierten Flusskettensegmenten 369 mit den Rotorsegmenten 64A und einen zweiten Satz (II) von identisch konfigurierten Flusskettensegmenten 370 mit den Rotorsegmenten 64B auszurichten. Wenn keine Flussverkettung gewünscht wird, kann die Betätigungskraft (Pfeil F_A ) abgebrochen werden, und eine Rückstellkraft (Pfeil F_R ) drängt somit das axial segmentierte Verkettungselement 468 so, dass der erste Satz (I) von identisch konfigurierten Flussverkettungssegmenten 369 mit den Rotorsegmenten 64B und der zweite Satz (II) von identisch konfigurierten Flussverkettungssegmenten 370 mit den Rotorsegmenten 64A ausgerichtet sind.
Um die Ausführungsform der 11A und 11B zu ermöglichen, ist der Rotor 64 mit unterschiedlich konfigurierten, abwechselnd angrenzenden Segmenten 64A und 64B versehen. Die 12A und 12B verdeutlichen eine mögliche exemplarische Konfiguration der Rotorsegmente 64A und 64B in einer aktiv verschobenen Position entsprechend der 11A, wobei die Flussverkettungssegmente 369 in der Ebene und die Flussverkettungssegmente 370 außerhalb der Ebene dargestellt sind. Die ersten und zweiten Sätze (I und II) der identisch konfigurierten Flussverkettungssegmente 369 und 370 können axiale kreuzförmige oder T-förmige Elemente sein, wie dargestellt. Andere Ausführungsformen können unterschiedlich geformte Flussverkettungssegmente 369 und 370 verwenden, z.B. L-förmig, wobei die besondere Form so gewählt ist, dass die Flussverkettung in einer axialen Richtung aktiviert und in der anderen axialen Richtung deaktiviert oder nicht aktiviert ist. In der abgebildeten Beispielkonfiguration können sich die Arme 84, 184 der Flussverkettungssegmente 369 und 370 in den aktiven Flussverkettungspositionen der 12A und 12B bis zu einer Position unmittelbar angrenzend an die Brücken 54 erstrecken, d. h. eine Lufttasche 463 (siehe 12C) zwischen den Armen 84 und 184 und den Brücken 54 wird in der aktiven Verkettungsposition der 12A und 12B wirksam geschlossen.
Wenn keine aktive Flussverkettung mehr erforderlich ist, wird die Position von 11B über die Rückzugskraft (Pfeil F_R von 11B) ermittelt, die das axial segmentierte Verkettungselement 468 in Pfeilrichtung R in der Perspektive von 11B drängt. Das heißt, die ersten und zweiten Sätze (I und II) der identisch konfigurierten Flussverkettungssegmente 369 und 370 sind mit den Rotorsegmenten 64B bzw. 64A so ausgerichtet, dass der Magnetfluss reduziert wird. Die 12C und 12D verdeutlichen jeweils die Rotorsegmente 64A und 64B. Die Lufttasche 463 zwischen den Brücken 54 und den angrenzenden ersten und zweiten Sätzen (I und II) der in den 12A und 12B als geschlossen bezeichneten identisch konfigurierten Flussverkettungssegmente 369 und 370 wird somit in den 12C und 12D geöffnet. Dadurch wird die Flussverkettung inaktiv, da der Fluss nun um die vergrößerte Lufttasche 463 herum geführt werden muss.
Die offenbarten beweglichen Flussverkettungselemente 68 in den verschiedenen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der 3A-12D können daher verwendet werden, um die Reluktanz im Bereich der Rotoranordnung 61 zu variieren, der den inneren Enden 17 der Permanentmagnete 60 am nächsten liegt. Auf diese Weise ermöglicht die vorliegende Offenbarung eine aktive Steuerung des Feldes der PM-Maschine 16 von 1 mit einer damit verbundenen Reduzierung der Verluste, insbesondere bei Hochgeschwindigkeits-/Niedrigdrehmoment-Betriebspunkten.
Während die ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren die vorliegenden Lehren unterstützen und beschreiben, wird der Umfang der vorliegenden Lehren jedoch einzig und allein durch die Ansprüche definiert. Während einige der besten Ausführungsformen und anderen Arten zur Ausführung der vorliegenden Lehren ausführlich beschrieben wurden, sind verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur Umsetzung der vorliegenden Lehren, die in den hinzugefügten Ansprüchen definiert sind, möglich.

Claims

Permanentmagnet-Elektromaschine (PM-Maschine), umfassend: eine Rotoranordnung mit einer Rotorwelle, einem Rotor, der koaxial die Rotorwelle umgibt und mit ihr gekoppelt ist, eine Vielzahl von festen Permanentmagneten und ein bewegliches Flussverkettungselement, das im Rotor angeordnet ist; und einen Stator, der angrenzend an den Rotor positioniert ist, um einen Magnetkreis zu bilden; worin die PM-Maschine konfiguriert ist, um das bewegliche Flussverkettungselement der PM-Maschine selektiv zu positionieren, um ein Reluktanz im Magnetkreis an einem oder mehreren Betriebspunkten der PM-Maschine zu variieren.
PM-Maschine nach Anspruch 1, worin jeder der jeweiligen Permanentmagnete am Rotor befestigt ist und ein inneres Ende und ein äußeres Ende aufweist, und worin die inneren und äußeren Enden der jeweiligen Permanentmagnete auf die Rotorwelle bzw. den Stator ausgerichtet sind.
PM-Maschine nach Anspruch 2, worin das bewegliche Flussverkettungselement um eine Drehachse drehbar ist, die gleich oder parallel zu einer Drehachse des Rotors ist.
PM-Maschine nach Anspruch 3, worin das bewegliche Flussverkettungselement eine Vielzahl von beweglichen Flussverkettungselementen beinhaltet, die aus verbundenen Hälften von ersten und zweiten Materialien mit unterschiedlichen relativen magnetischen Permeabilitätswerten konstruiert sind, wobei das erste Material ein nicht-magnetisches oder ein paramagnetisches Material und das zweite Material ein ferromagnetisches Material ist.
PM-Maschine nach Anspruch 1, worin der Rotor bogenförmige Schlitze definiert und das bewegliche Flussverkettungselement axial verlaufende Finger beinhaltet, die innerhalb der bogenförmigen Schlitze des Rotors um eine Drehachse drehbar sind, die der Drehachse des Rotors entspricht.
PM-Maschine nach Anspruch 1, worin der Rotor radiale Schlitze definiert und das bewegliche Flussverkettungselement so konfiguriert ist, dass es sich innerhalb der radialen Schlitze in Richtung der Permanentmagnete verschiebt, um eine Lufttasche zwischen einem der jeweiligen festen Permanentmagnete und dem Flussverkettungselement zu schließen, und innerhalb der radialen Schlitze weg von den jeweiligen Permanentmagneten verschiebt, um dadurch die Lufttasche zwischen den jeweiligen Permanentmagneten und dem Flussverkettungselement zu öffnen.
PM-Maschine nach Anspruch 6, ferner umfassend: eine drehbare Nockenplatte, die eine Vielzahl von bogenförmigen Durchgangsschlitzen definiert, wobei das bewegliche Flussverkettungselement eine Vielzahl von beweglichen Flussverkettungselementen beinhaltet, und die Nockenplatte durch ein Stellglied drehbar ist, um dadurch die Flussverkettungselemente in Bezug auf eine Drehachse des Rotors innerhalb eines jeweiligen der radialen Schlitze des Rotors zu verschieben, und worin die Drehung der Nockenplatte die Flussverkettungselemente durch Kontaktieren zwischen einem jeweiligen der bogenförmigen Durchgangsschlitze und einem jeweiligen der beweglichen Flussverkettungselemente verschiebt.
PM-Maschine nach Anspruch 1, worin der Rotor in abwechselnde erste und zweite Rotorsegmente segmentiert ist, wobei das bewegliche Flussverkettungselement abwechselnd erste und zweite Flussverkettungssegmente unterschiedlicher Geometrien oder Formen aufweist, und wobei die Verschiebung des beweglichen Flussverkettungselements in einer axialen Richtung das erste und zweite Flussverkettungssegment mit dem ersten und zweiten Rotorsegment ausrichtet und die Verschiebung des beweglichen Flussverkettungselements in einer anderen axialen Richtung das erste und zweite Flussverkettungssegment mit dem zweiten und ersten Rotorsegment ausrichtet.
PM-Maschine nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein Stellglied und eine Steuerung in Verbindung mit dem Stellglied, wobei das Stellglied konfiguriert ist, um das bewegliche Flussverkettungselement als Reaktion auf ein Steuersignal von der Steuerung zu bewegen.
PM-Maschine nach Anspruch 9, worin das Stellglied ein passives Stellglied ist, das konfiguriert ist, um Kräfte aufgrund einer zentripetalen Beschleunigung des Rotors, magnetische Kräfte, die auf die Flussverkettungselemente wirken, und eine Federkraft, die vom passiven Stellglied auf die Flussverkettungselemente ausgeübt wird, auszugleichen, um dadurch die Flussverkettungselemente passiv zu positionieren, sodass die Flussverkettung bei hohen und niedrigen Drehmomenten aktiv ist und an anderer Stelle inaktiv ist.