DE102019208161A1

DE102019208161A1 - Elektrische Maschine, insbesondere eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102019208161A1
Application number: DE102019208161.4A
Authority: DE
Inventors: David Wörzler
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2019-06-05
Filing date: 2019-06-05
Publication date: 2020-12-10

Abstract

Elektrische Maschine (1), insbesondere eine elektrische Maschine (1) für ein Kraftfahrzeug, welche elektrische Maschine (1) einen Stator (2) und einen wenigstens eine Magneteinrichtung (4) aufweisenden Rotor (3) umfasst, wobei die elektrische Maschine (1) eine Temperiereinrichtung (5) aufweist, die dazu ausgebildet ist, wenigstens einen Betriebsparameter der wenigstens einen Magneteinrichtung (4) mittels einer gezielten Temperierung wenigstens eines Teils der wenigstens einen Magneteinrichtung (4) einzustellen und/oder zu verändern.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug, welche elektrische Maschine einen Stator und einen wenigstens eine Magneteinrichtung, insbesondere einen Permanentmagneten, aufweisenden Rotor umfasst.
Elektrische Maschinen, insbesondere für die Verwendung in Kraftfahrzeugen, sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. Derartige elektrische Maschinen weisen üblicherweise einen Rotor auf, der wenigstens eine Magneteinrichtung trägt, insbesondere mehrere, beispielsweise drei oder sechs Magneteinrichtungen. Dabei sind zum Beispiel fremderregte Synchronmaschinen bekannt, bei denen ein Erregerfeld über einen Erregerstrom eingestellt werden kann, um das Magnetfeld („Feld“) der Magneteinrichtung entsprechend zu beeinflussen. Der Aufbau eines Rotors für eine solche fremderregte Synchronmaschine ist jedoch vergleichsweise aufwendig und kann im Betrieb zu Verlusten führen. Beispielsweise wird bei einer permanenterregten Synchronmaschine das Magnetfeld über einen zusätzlichen (negativen) Strom am Stator abgeschwächt bzw. kompensiert, wodurch unerwünschte Verluste erzeugt werden können.
Während des Betriebs bekannter elektrischer Maschinen wird zumeist versucht, die Temperaturen in Rotor und Stator auf einem möglichst geringen Niveau zu halten, um negative temperaturbedingte Einflüsse auf Betriebsparameter der elektrischen Maschine zu reduzieren. Beispielsweise ist es dabei bekannt, dass in Abhängigkeit der Temperatur, insbesondere bei steigender Temperatur, eine Schwächung des durch die Magneteinrichtungen des Rotors erzeugten Magnetfelds auftritt. Um somit den Rotor stets für das Bereitstellen eines maximalen Drehmoments benutzen zu können, wird der Rotor maximal möglich gekühlt, um ein maximales magnetisches Feld zu erhalten. Dies hat zur Folge, dass der Rotor durch die bewirkte Kühlleistung stets ein vergleichsweise hohes magnetisches Feld bereitstellen kann und dies über den Betrieb der elektrischen Maschine hinweg auch nicht verändert werden kann. Beispielsweise in einem Feldschwächbereich oder in Bereichen hoher Drehzahl und niedriger Last, insbesondere im Leerlauf, bei denen aufgrund von auftretenden Verlusten ein gegenüber einem maximal erreichbaren Magnetfeld geringeres Magnetfeld vorteilhaft wäre, kann eine Veränderung des Magnetfelds, das durch die Magneteinrichtung bereitgestellt wird, dennoch nicht erreicht werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine demgegenüber verbesserte elektrische Maschine anzugeben, bei der insbesondere eine gezielte Beeinflussung der Betriebsparameter der Magneteinrichtung möglich ist, insbesondere ohne eine Fremderregung der elektrischen Maschine, wie beispielsweise ein variables Rotorfeld.
Die Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine Temperiereinrichtung vorgesehen ist bzw. der elektrischen Maschine eine Temperiereinrichtung zugeordnet ist, die elektrische Maschine beispielsweise eine Temperiereinrichtung aufweist, die dazu ausgebildet ist, wenigstens einen Betriebsparameter der wenigstens einen Magneteinrichtung mittels einer gezielten Temperierung wenigstens eines Teils der wenigstens einen Magneteinrichtung einzustellen und/oder zu verändern. Mit anderen Worten wird eine gezielte Temperierung eines Teils der wenigstens einen Magneteinrichtung der elektrischen Maschine vorgenommen, um die Magneteinrichtung somit auf eine definierte Zieltemperatur zu erwärmen bzw. abzukühlen oder eine definierte Zieltemperatur zu halten. Aufgrund der Auswirkung der Temperatur auf die Magneteinrichtung wird dadurch gezielt ein Betriebsparameter der wenigstens einen Magneteinrichtung eingestellt und/oder verändert.
Demzufolge wird mittels der Temperaturregelung, die durch die Temperiereinrichtung erreicht wird, ein weiterer Freiheitsgrad beim Betrieb der elektrischen Maschine ausgenutzt, insbesondere bei einem Betrieb einer permanenterregten Synchronmaschine. Dabei kann durch die Veränderung oder Einstellung der Temperatur der wenigstens einen Magneteinrichtung durch die Auswirkung der Temperatur auf die Magneteinrichtung oder durch eine Temperaturveränderung der entsprechende Betriebsparameter der Magneteinrichtung verändert werden. Zum Beispiel ist es möglich, ein von der Magneteinrichtung bewirktes magnetisches Feld durch die Veränderung der Temperatur der Magneteinrichtung zu verändern bzw. gezielt ein definiertes magnetisches Feld bzw. eine definierte Stärke eines magnetischen Felds einzustellen. Somit kann, falls das Feld, das durch die Magneteinrichtung erzeugt wird, abgeschwächt werden soll, entsprechend eine Temperatur der Magneteinrichtung erhöht werden. Soll die Abschwächung des Magnetfelds aufgehoben oder reduziert werden, kann die Magneteinrichtung definiert gekühlt werden, um die Feldschwächung zu reduzieren.
Dadurch ist es insbesondere möglich, dass in bestimmten Betriebszuständen, in denen nicht ein maximal mögliches Magnetfeld, sondern ein demgegenüber abgeschwächtes Magnetfeld von der Magneteinrichtung bereitgestellt werden soll, beispielsweise in Betriebszuständen der elektrischen Maschine, in denen ein vergleichsweise geringes Drehmoment gefordert wird, durch eine entsprechende Temperierung mittels der Temperiereinrichtung das Feld der Magneteinrichtung abgeschwächt wird und somit Verluste vermieden werden. Ein solcher Betriebszustand kann unter anderem im Leerlauf, in einem Feldschwächbereich oder in einem Betriebszustand mit hohen Drehzahlen und niedriger Last vorliegen.
In einer Ausgestaltung der elektrischen Maschine kann vorgesehen sein, dass die Temperiereinrichtung dazu ausgebildet ist, die wenigstens eine Magneteinrichtung in wenigstens einem Betriebszustand abweichend von einer Temperierung des Stators zu temperieren, insbesondere in einem Leerlaufzustand der elektrischen Maschine oder einem Feldschwächbereich der elektrischen Maschine oder einem Teillastbereich der elektrischen Maschine. Der Stator der elektrischen Maschine wird üblicherweise mit einer maximal zur Verfügung stehenden Kühlleistung gekühlt, um den Stator auf eine möglichst geringe Betriebstemperatur zu bringen bzw. auf dieser zu halten, beispielsweise um die Spulen im Stator zu kühlen und somit Verluste zu vermeiden.
Abweichend von einer maximalen Kühlleistung kann die Temperiereinrichtung die wenigstens eine Magneteinrichtung gemäß dieser Ausgestaltung sonach gezielt temperieren, d.h. insbesondere eine Temperatur abweichend von einer durch eine maximale Kühlleistung erzielbaren Temperatur einzustellen. Dadurch können in definierten Betriebszuständen der elektrischen Maschine vorteilhafterweise Verluste reduziert werden, beispielsweise in einem Leerlauf der elektrischen Maschine, da dort kein Drehmoment angefordert wird, der Rotor der elektrischen Maschine jedoch trotzdem mit einer gewissen Drehzahl bewegt wird.
Ebenso ist es möglich, in einem Feldschwächbereich der elektrischen Maschine eine definierte Temperierung mittels der Temperiereinrichtung vorzunehmen, die von der Temperierung des Stators abweicht. Als Feldschwächbereich wird dabei derjenige Betriebspunkt der elektrischen Maschine bezeichnet, in dem das Drehmoment gegenüber der Drehzahl, bezogen auf eine Drehmomentkennlinie, die über der Drehzahl aufgetragen wird, abfällt. Ebenso kann eine definierte Temperierung mittels der Temperiereinrichtung in einem Teillastbereich der elektrischen Maschine vorgenommen werden, also in einem Bereich zwischen Volllast und Leerlauf, in dem somit von der elektrischen Maschine ein Drehmoment bereitgestellt wird, welches zwischen einem maximal möglichen Drehmoment und einem Zustand in dem kein Drehmoment erzeugt wird, beispielsweise im Leerlauf, liegt. Unter dem Begriff Teillastbereich fallen ferner insbesondere solche Betriebszustände, in denen der Rotor eine hohe Umlaufgeschwindigkeit, das heißt eine hohe Drehzahl, aufweist, jedoch nur ein vergleichsweise geringes Drehmoment gefordert wird.
Dabei ist es insbesondere möglich, in Abhängigkeit der Drehmomentanforderung eine Temperierung der wenigstens einen Magneteinrichtung vorzunehmen, um den Betriebsparameter der elektrischen Maschine entsprechend einzustellen. Im Speziellen ist es daher möglich, bei einer hohen Drehmomentanforderung die wenigstens eine Magneteinrichtung vergleichsweise stärker zu kühlen, um das von der Magneteinrichtung erzeugte Magnetfeld zu verstärken bzw. weniger stark temperaturbedingt abzuschwächen. Dabei kann insbesondere bei einem maximal angeforderten Drehmoment eine maximal verfügbare Kühlleistung angelegt werden, um das maximal erreichbare magnetische Feld erzeugen zu können. Mit anderen Worten wird zur Bereitstellung hoher Drehmomente stärker gekühlt und zur Bereitstellung niedriger Drehmomente weniger stark gekühlt oder geheizt. Dadurch kann die Temperatur der Magneteinrichtung entsprechend angepasst werden, sodass zur Bereitstellung vergleichsweise großer Drehmomente kühlere bzw. kalte Magneteinrichtungen und zur Bereitstellung vergleichsweise kleinerer Drehmomente wärmere bzw. heiße Magneteinrichtungen verwendet werden können. Im Besonderen kann die Regelung der Temperatur durch die Temperiereinrichtung in Abhängigkeit des geforderten Drehmoments kontinuierlich, wie beschrieben, erfolgen.
Die Temperiereinrichtung kann beispielsweise dazu ausgebildet sein, wenigstens einen Teil des Stators und die wenigstens eine Magneteinrichtung des Rotors gemeinsam oder getrennt zu temperieren, insbesondere mittels eines gemeinsamen Temperierkreislaufs oder mittels getrennter Temperierkreisläufe. Somit ist es möglich, einen gemeinsamen Temperierkreislauf vorzusehen, durch den ein entsprechendes Kühlmittel bzw. Temperiermittel gefördert werden kann, um sowohl den Stator, als auch die wenigstens eine Magneteinrichtung des Rotors zu temperieren. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass das durch den Rotor bzw. die wenigstens eine Magneteinrichtung strömende Temperiermittel einen anderen Durchfluss aufweist, als das den Stator durchströmende Temperiermittel. Insbesondere können Rotor und Stator thermisch gegeneinander isoliert werden, indem insbesondere ein thermisches Isolationselement vorgesehen sein kann, das den Stator thermisch von dem Rotor isoliert. Dadurch wird vorteilhafterweise eine Verbesserung der Temperierung des Stators und des Rotors erreicht, da durch die Isolation des Stators und des Rotors Auswirkungen bzw. Wechselwirkungen der getrennten Temperierung des Rotors und des Stators vermindert bzw. vermieden werden können.
Ebenso ist es möglich, getrennte Temperierkreisläufe vorzusehen, sodass dem Stator und dem Rotor ein eigener Temperierkreislauf zugeordnet werden kann. In diesem Fall ist es besonders vorteilhafterweise möglich, dass Stator und Rotor getrennt voneinander, also getrennt temperiert werden können, sodass letztlich keine Wechselwirkung zwischen der Temperierung des Stators und des Rotors und umgekehrt stattfindet.
Selbstverständlich können die getrennten Temperierkreisläufe gemäß einer weiteren Ausgestaltung auch zumindest zeitweise bzw. betriebsbedingt trennbar miteinander verbunden werden, beispielsweise um ein sich auf einer ersten Temperatur befindendes erstes Temperiermittel aus dem ersten Temperierkreislauf, der dem Rotor zugeordnet ist, in den zweiten Temperierkreislauf, der dem Stator zugeordnet ist, zu fördern. Das erste Temperiermittel in dem ersten Temperierkreislauf des Rotors kann daher als erstes Temperiermittel bezeichnet werden, das sich auf einer ersten von der Temperatur des zweiten Temperiermittels verschiedener Temperatur befinden kann. Insbesondere kann das erste Temperiermittel, in dem dem Rotor zugeordneten Temperierkreislauf eine niedrigere Temperatur aufweisen als das zweite Temperiermittel in dem zweiten Temperierkreislauf, der dem Stator zugeordnet ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der elektrischen Maschine kann vorgesehen sein, dass die Temperiereinrichtung dazu ausgebildet ist, ein von der wenigstens einen Magneteinrichtung bereitstellbares oder bereitgestelltes magnetisches Feld durch Einstellen einer definierten Temperatur einzustellen, insbesondere zu reduzieren, wobei die definierte Temperatur durch ein Kühlen der Magneteinrichtung oder Heizen der Magneteinrichtung, insbesondere ein unzureichendes Kühlen, einstellbar ist. Mit anderen Worten kann die Temperiereinrichtung die Magneteinrichtung gezielt temperieren, d.h. gezielt heizen oder kühlen. Insbesondere kann dabei die durch den Betrieb der elektrischen Maschine, insbesondere in der Magneteinrichtung, entstehende Wärme ausgenutzt werden, um die Magneteinrichtung zu heizen.
Der Begriff „unzureichendes Kühlen“ bezeichnet dabei das Bereitstellen einer Kühlleistung seitens der Temperiereinrichtung, die nur teilweise die im Betrieb der elektrischen Maschine seitens der Magneteinrichtung entstehende Wärme abführt. Somit kann die Temperiereinrichtung unterhalb einer maximal bereitstellbaren Kühlleistung betrieben werden, um somit die wenigstens eine Magneteinrichtung zwar zu kühlen, jedoch unterhalb einer maximalen Kühlleistung. Dadurch wird die im Betrieb der elektrischen Maschine entstehende Wärme seitens der Magneteinrichtung durch die Temperiereinrichtung nur teilweise abgeführt, sodass sich die Magneteinrichtung gegenüber einem Grundzustand erwärmt bzw. aufheizt.
In Abhängigkeit der bereitgestellten Kühlleistung kann dabei ein gezieltes Erwärmen oder Aufheizen der Magneteinrichtung bewirkt werden. Selbstverständlich kann die Magneteinrichtung auch gezielt geheizt werden, beispielsweise durch ein entsprechendes Heizelement oder ein Zuführen eines gegenüber der aktuellen Temperatur der Magneteinrichtung heißeren oder wärmeren Temperiermittels. Dadurch ist es möglich, beispielsweise den Stator mit einer maximal verfügbaren Kühlleistung zu kühlen, wohingegen der Rotor, insbesondere die wenigstens eine Magneteinrichtung, gezielt temperiert wird, d.h., dass eine definierte Zieltemperatur eingestellt wird, wobei die definierte Zieltemperatur im Allgemeinen von einer Mindesttemperatur abweichen kann, auf die die wenigstens eine Magneteinrichtung bei maximaler Kühlleistung abgekühlt werden kann.
Ferner kann bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine vorgesehen sein, dass die Temperiereinrichtung wenigstens einen Temperierkanal aufweist, durch den ein Temperiermittel, insbesondere ein Gas oder eine Flüssigkeit, zu der wenigstens einen Magneteinrichtung leitbar ist. Demzufolge ist es möglich, das Temperiermittel, beispielsweise Öl, Wasser oder Luft zu der wenigstens einen Magneteinrichtung zu führen, nämlich durch den wenigstens einen Temperierkanal, durch den das Temperiermittel gefördert bzw. geleitet werden kann.
Als Temperiermittel werden insbesondere Mittel mit einer möglichst geringen Wärmekapazität verwendet, die eine besonders dynamische Temperierung ermöglichen. Bei den Temperierkanälen bzw. dem wenigstens einen Temperierkanal handelt es sich bevorzugt um einen geschlossenen Kanal, durch den das Temperiermittel geleitet werden kann, um zu der Magneteinrichtung zu gelangen. Das Temperiermittel kann daher in dem Temperierkanal direkt oder indirekt Kontakt zu der Magneteinrichtung bekommen, um entsprechend Wärmeenergie zwischen Magneteinrichtung und Temperiermittel auszutauschen, d.h. dass das Temperiermittel auf einer gegenüber der aktuellen Temperatur der Magneteinrichtung hören Temperatur oder niedrigeren Temperatur temperiert sein kann, um entsprechend Wärme abzugeben oder aufzunehmen. Entsprechend kann die Magneteinrichtung über das Temperiermittel geheizt oder gekühlt werden.
Der wenigstens eine Temperierkanal kann ferner zumindest abschnittsweise an und/oder in der wenigstens einen Magneteinrichtung angeordnet sein. Mit anderen Worten kann der Temperierkanal oder die mehreren Temperierkanäle demnach derart verlaufen, dass das Temperiermittel zumindest abschnittsweise an der wenigstens einen Magneteinrichtung entlang strömen kann oder zumindest abschnittsweise durch die wenigstens eine Magneteinrichtung strömen kann. Selbstverständlich sind ebenfalls Temperierkanäle möglich, die sowohl Abschnitte aufweisen, in denen das Temperiermittel an der Magneteinrichtung entlang strömen kann und durch die Magneteinrichtung hindurchströmen kann. Ferner ist eine Kombination aus an der Magneteinrichtung entlang geführten Temperierkanälen und durch die Magneteinrichtung hindurch geführte Temperierkanäle möglich. Durch den wenigstens einen, beispielsweise unmittelbar, an oder in der wenigstens einen Magneteinrichtung verlaufenden oder angeordneten Temperierkanal ist es möglich, den Wärmeaustausch zwischen Temperiermittel und Magneteinrichtung besonders vorteilhaft, insbesondere direkt, auszuführen. Insbesondere ist eine besonders dynamische Temperierung der wenigstens einen Magneteinrichtung möglich, da es nicht erforderlich ist, Material zwischen dem Temperierkanal und der Magneteinrichtung zu temperieren, bevor eine Einwirkung auf die Magneteinrichtung bzw. das Temperiermittel erfolgt.
Der Temperierkanal kann dabei beispielsweise durch eine Hohlwelle in dem Rotor zu der wenigstens einen Magneteinrichtung geführt werden. Unter anderem ist es somit möglich, das Temperiermittel zumindest abschnittsweise in Axialrichtung zu führen und anschließend in radialer Richtung zu der wenigstens einen Magneteinrichtung zu leiten. Entsprechend kann der wenigstens eine Temperierkanal in dem Rotor das Temperiermittel zu der wenigstens einen Magneteinrichtung verteilen bzw. durch diese hindurch oder entlang einer Seite oder einer Fläche der Magneteinrichtung führen, um einen Wärmeaustausch zwischen Temperiermittel und Magneteinrichtung zu ermöglichen.
Daneben ist es alternativ oder zusätzlich möglich, dass die Temperiereinrichtung zur Temperierung der wenigstens einen Magneteinrichtung ein den Rotor zumindest abschnittsweise umgebendes Temperiervolumen aufweist, insbesondere ein Flüssigkeitsbad oder ein den Rotor umgebendes Gasvolumen. Entsprechend kann der Rotor in einem bzw. umgeben von einem Temperiermittel betrieben werden, d.h., dass das Temperiervolumen zumindest abschnittsweise mit dem Temperiermittel gefüllt ist. Der Rotor „schwimmt“ sonach in dem Temperiermittel, wobei das Temperiervolumen auch als Bad bezeichnet werden kann. Insbesondere ist es möglich, eine Flüssigkeit als Temperiermittel zu verwenden, die den Rotor zumindest abschnittsweise umgibt oder den Rotor mittels Umluft zu temperieren.
Des Weiteren kann gemäß einer Ausgestaltung der elektrischen Maschine wenigstens eine passive und/oder eine aktive Regeleinrichtung vorgesehen sein, welche Regeleinrichtung dazu ausgebildet ist, eine trennbare, insbesondere steuerbare, Verbindung zwischen einem ersten die wenigstens eine Magneteinrichtung aufweisenden Temperierkreislauf und einem zweiten Temperierkreislauf herzustellen. Wie zuvor beschrieben, ist es möglich, dass der Rotor bzw. die Magneteinrichtung innerhalb eines getrennten Temperierkreislaufs geschaltet sein können, der gegenüber einem weiteren Temperierkreislauf separat ausgeführt ist.
Dabei kann mittels der passiven und/oder der aktiven Regeleinrichtung zeitweise eine Verbindung zwischen dem ersten Temperierkreislauf und im zweiten Temperierkreislauf hergestellt werden. Beispielsweise ist es möglich, dass der erste Temperierkreislauf den Rotor bzw. die wenigstens eine Magneteinrichtung aufweist und der zweite Temperierkreislauf beispielsweise dem Stator zugeordnet ist. Dadurch ist es möglich, durch ein zeitweises Herstellen der Verbindung ein zur Kühlung des Stators verwendetes Temperiermittel aus dem zweiten Temperierkreislauf in den ersten Temperierkreislauf einzubringen, um somit eine gezielte Temperierung des ersten Temperierkreislaufs auszuführen.
Als passive Regeleinrichtung kann beispielsweise ein hydraulisches Regelventil oder ein Kennfeldthermostat, insbesondere mit einem beheizten Wachselement, verwendet werden. Wie zuvor beschrieben, ist es dadurch möglich, durch die entsprechende Steuerung des Regelventils bzw. des Kennfeldthermostaten, eine Verbindung temporär zwischen den beiden Temperierkreisläufen herzustellen und somit einen Austausch des Temperiermittels aus dem ersten in den zweiten Temperierkreislauf und umgekehrt durchzuführen. Dementsprechend kann die Regeleinrichtung dazu benutzt werden, eine definierte Temperatur, insbesondere in dem ersten Temperierkreislauf, einzustellen. Falls die Temperatur eingestellt ist, kann mittels der Regeleinrichtung die Verbindung zwischen den beiden Temperierkreisläufen wieder getrennt werden, sodass diese wiederum separat vorliegen.
Als aktive Regeleinrichtung kann insbesondere eine Fördereinrichtung, beispielsweise eine Temperiermittelpumpe, vorgesehen und dazu ausgebildet sein, insbesondere regelbar, Temperiermittel von dem ersten Temperierkreislauf in den zweiten Temperierkreislauf zu fördern und/oder umgekehrt. Die Fördereinrichtung ermöglicht somit, gezielt Temperiermittel zwischen den beiden Temperierkreisläufen auszutauschen bzw. Temperiermittel aus einem Temperierkreislauf in den anderen zu fördern. Dadurch kann, in Abhängigkeit der Menge des geförderten Temperiermittels eine Veränderung der Temperatur in den beiden Temperierkreisläufen erreicht werden. Insbesondere kann zum Aufheizen des ersten Temperierkreislaufs bzw. des Temperiermittels in dem ersten Temperierkreislauf, Temperiermittel aus dem zweiten Temperierkreislauf, der dem Stator zugeordnet ist, und üblicherweise durch den Stator aufgeheizt wird, gefördert werden, um so die Temperatur im ersten Temperierkreislauf zu erhöhen. Beispielsweise ist es somit möglich, den Betriebsparameter der wenigstens einen Magneteinrichtung gezielt durch ein Erhöhen der Temperatur im Temperierkreislauf zu erreichen. Selbstverständlich ist es ebenso möglich, in den Temperierkreislauf, der der Magneteinrichtung zugeordnet ist, Temperiermittel auf anderen Temperaturniveaus zuzuführen, beispielsweise Temperiermittel, das kühler oder kälter oder wärmer oder heißer ist als das Temperiermittel in dem Temperierkreislauf, der der Magneteinrichtung zugeordnet ist.
Insbesondere ist es dabei möglich, Wärme vom Stator zum Rotor zu fördern oder Wärme vom Rotor zum Stator zu fördern, je nachdem ob die Magneteinrichtung gekühlt oder geheizt werden soll. Ferner kann in einem der Temperierkreisläufe eine Wärmesenke vorgesehen sein, beispielsweise ein Kühler oder ein Niedertemperaturkreislauf oder eine Klimaanlage, insbesondere eine Klimaanlage eines Innenraums eines Kraftfahrzeugs. Entsprechend kann auch eine Wärmequelle vorgesehen sein, beispielsweise ein Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, ein Getriebeölkühler, ein Abgasstrang, der Statorkreislauf oder dergleichen. Dadurch ist es möglich, insbesondere in Kombination der Wärmesenke und der Wärmequelle, je nachdem welches Temperiermittel welcher Temperatur benötigt wird, eine entsprechende Förderung von Temperiermittel in den jeweiligen Temperierkreislauf vorzusehen.
Daneben ist es ebenso möglich, dass die Temperiereinrichtung ein aktives Temperierelement umfasst, insbesondere eine Wärmepumpe oder ein elektrisches Temperierelement, insbesondere ein Peltier-Element. Mittels der Wärmepumpe ist es dabei vorteilhafterweise möglich, ein sich auf einer ersten Temperatur befindendes Temperiermittel aus einem der Temperierkreisläufe zusätzlich abzukühlen oder aufzuheizen, sodass eine Temperierung der Magneteinrichtung über die Temperaturen der zur Verfügung stehenden Temperiermittel hinaus möglich ist. Ebenso ist es möglich mittels des elektrischen Temperierelements eine gezielte Aufheizung des Temperiermittels oder der Magneteinrichtung direkt vorzunehmen. Somit ist die Temperierung der Magneteinrichtung nicht auf die aktuell zur Verfügung stehenden Temperaturen der Temperiermittel in den einzelnen Temperierkreisläufen beschränkt, sondern es ist vorteilhafterweise möglich, die Temperiereinrichtung in einem breiteren Spektrum zu verwenden, d.h. die Magneteinrichtungen in einem weiteren Temperaturspektrum zu temperieren und somit auch die Betriebsparameter in einem breiteren Wertebereich einstellen zu können.
Die wenigstens eine Magneteinrichtung kann beispielsweise einen Permanentmagneten aufweisen, insbesondere einen Permanentmagneten, der wenigstens ein ferrimagnetisches Material umfasst. Der Permanentmagnet ist sonach zumindest abschnittsweise aus einem Ferrit oder einem ferritischen Material ausgebildet bzw. umfassend wenigstens ein Ferrit. Ferrite weisen in diesem Anwendungsfall den Vorteil auf, dass diese eine besonders ausgeprägte Abhängigkeit von der Temperatur besitzen, insbesondere eine Abhängigkeit des durch sie erzeugbaren magnetischen Felds in Abhängigkeit der Temperatur. Des Weiteren besitzen derartige Materialien eine besonders hohe Widerstandsfähigkeit gegen Entmagnetisierung bei hohen Temperaturen.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine kann ferner dahingehend weitergebildet werden, dass der Temperiereinrichtung wenigstens eine eine anstehende Leistungsanforderung der elektrischen Maschine beschreibende Leistungsinformation zuführbar ist, wobei die Temperiereinrichtung dazu ausgebildet ist, die wenigstens eine Magneteinrichtung in Abhängigkeit der Leistungsinformation, insbesondere basierend auf Streckendaten, einzustellen. Dadurch wird vorteilhafterweise eine vorausschauende Regelung der Magneteinrichtung möglich, indem in Abhängigkeit der Leistung, die in naher Zukunft von der elektrischen Maschine angefordert werden wird oder mittels der elektrischen Maschine bereitzustellen ist, eine Regelung der Betriebsparameter der elektrischen Maschine durchgeführt wird. Beispielsweise kann in Abhängigkeit davon, welche Leistung demnächst abgerufen werden wird, eine entsprechende Einstellung der Betriebsparameter vorgesehen sein. Beispielsweise können basierend auf Streckendaten, Kartendaten, GPS-Signalen und dergleichen, eine Leistungsanforderung erstellt bzw. erzeugt werden, die angibt, welche Leistung mittels der elektrischen Maschine in jeweiligen Punkten entlang einer zu befahrenden Strecke bereitzustellen ist. Dadurch kann die elektrische Maschine besonders effizient geregelt werden, da die wenigstens eine Magneteinrichtung entsprechend temperiert werden kann, wie zuvor beschrieben.
Daneben betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine erfindungsgemäße elektrische Maschine, wie zuvor beschrieben. Selbstverständlich kann ein derartiger Antriebsstrang auch in einem Kraftfahrzeug vorgesehen sein. Die Erfindung betrifft daher auch ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Antriebsstrang. Sämtliche Vorteile, Einzelheiten und Merkmale, die in Bezug auf die erfindungsgemäße elektrische Maschine beschrieben wurden, sind daher auch vollständig auf den erfindungsgemäßen Antriebsstrang bzw. das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug übertragbar.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Fig. erläutert. Die Fig. sind schematische Darstellungen und zeigen:

1 eine elektrische Maschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 eine elektrische Maschine gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in einem ersten Betriebszustand; und
3 die elektrische Maschine von 2 in einem zweiten Betriebszustand.

1 zeigt eine elektrische Maschine 1, insbesondere eine elektrische Maschine in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs (nicht dargestellt). Die elektrische Maschine 1 weist einen Stator 2 und einen Rotor 3 auf. Der Rotor 3 weist wiederum mehrere Magneteinrichtungen 4, insbesondere Permanentmagnete, beispielsweise Ferritmagnete auf.
Der elektrischen Maschine 1 ist ferner eine Temperiereinrichtung 5 zugeordnet bzw. weist die elektrische Maschine 1 eine Temperiereinrichtung 5 auf. Mittels der Temperiereinrichtung 5 ist es möglich, Betriebsparameter der Magneteinrichtungen 4 einzustellen bzw. zu verändern, indem mittels der Temperiereinrichtung 5 eine gezielte Temperierung der Magneteinrichtungen 4 vorgenommen wird. Mit anderen Worten ist es möglich, die Temperatur der Magneteinrichtungen 4 mittels der Temperiereinrichtung 5 einzustellen bzw. zu verändern. Da sich Betriebsparameter der Magneteinrichtungen 4, insbesondere das mittels der Magneteinrichtung 4 erzeugte magnetische Feld, in Abhängigkeit der Temperatur verändern, kann sonach der oder die Betriebsparameter der elektrischen Maschine 1 mittels der Temperiereinrichtung 5 verändert werden.
Insbesondere in verschiedenen Betriebszuständen der elektrischen Maschine 1 kann mittels der Temperiereinrichtung 5 eine abweichende Temperierung des Rotors 3, insbesondere der Magneteinrichtungen 4, gegenüber dem Stator 2 erreicht werden. Um diesen Effekt zu unterstützen, weist die elektrische Maschine 1 Isolationselemente 6 auf, die zwischen Rotor 3 und Stator 2 angeordnet sind und den Stator 2 thermisch von dem Rotor 3 isolieren. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Temperiereinrichtung 5 zwei Temperierkreisläufe 7, 8 auf, wobei der Rotor 3 einem ersten Temperierkreislauf 7 und der Stator 2 einem zweiten Temperierkreislauf 8 zugeordnet und zumindest abschnittsweise von diesem durchströmt ist. Die Temperiereinrichtung 5 weist ferner eine Wärmesenke 9 und eine Wärmequelle 10 auf, die für die Temperierung der Magneteinrichtungen 4 die entsprechenden Aufgaben übernehmen können.
Es ist insbesondere möglich, die Magneteinrichtungen 4 entsprechend zu kühlen, indem Temperiermittel von der Wärmesenke 9 in den Rotor 3 gefördert wird. Die Temperiereinrichtung 5 weist dazu Temperierkanäle 11 auf, durch die Temperiermittel, beispielsweise eine Flüssigkeit oder ein Gas, insbesondere Öl, Wasser oder Luft, zu den Magneteinrichtungen 4 geführt werden kann. Insbesondere können Temperierkanäle 11 vorgesehen sein, die zumindest abschnittsweise entlang oder in den Magneteinrichtungen 4 verlaufen. Lediglich beispielhaft ist angedeutet, dass die Magneteinrichtungen 4 von jeweils einem Temperierkanal 12 durchströmt werden bzw. wenigstens ein Temperierkanal 12 durch die Magneteinrichtungen 4 hindurch verläuft und jeweils zweiTemperierkanäle 13 seitlich an den Magneteinrichtungen 4 entlang verlaufen.
Der Temperierkanal 11, der sich in diesem Ausführungsbeispiel letztlich in die Temperierkanäle 12, 13 verzweigt, wird durch eine Hohlwelle in den Rotor 3 eingeführt. Entsprechend können von dem Kanal 11 die Kanäle 12, 13 abzweigen und somit das Temperiermittel in dem Rotor 3 verteilen bzw. gezielt zu den Magneteinrichtungen 4 führen. Ebenso ist es möglich, den Rotor 3 gezielt über ein Temperiervolumen 14 zu temperieren, beispielsweise den Rotor 3 in einer Flüssigkeit oder einem Gas zu lagern bzw. von einer Flüssigkeit oder einem Gas umströmen zu lassen, sodass der Rotor 3 entsprechend temperiert werden kann.
Die Temperiereinrichtung 5 in diesem Ausführungsbeispiel weist ferner eine Wärmepumpe 15 auf, mittels der es möglich ist, eine Temperierung der Magneteinrichtungen 4 über die in der Wärmequelle 10 herrschende Temperatur hinaus zu ermöglichen. Mit anderen Worten ist es möglich, die Wärmepumpe 15 auszunutzen, um die Magneteinrichtungen 4 auf eine definierte Temperatur zu heizen, die über der in dem zweiten Temperierkreislauf 8 vorherrschenden Temperatur liegt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist es somit möglich, den Stator 2 mit einer maximal möglichen Kühlleistung zu kühlen und somit die Abwärme in der Wärmequelle 10 bereitzustellen, und diese Abwärme entsprechend für die Temperierung des Rotors 3, insbesondere der Magneteinrichtungen 4, zu verwenden.
In Abhängigkeit des aktuellen Betriebszustands oder eines zukünftigen Betriebszustands der elektrischen Maschine 1 kann ebenso Wärme aus dem ersten Temperierkreislauf 7 über die Wärmesenke 9 abgeführt werden, wobei die Wärmesenke beispielsweise als Klimaanlage eines Innenraums des Kraftfahrzeugs ausgebildet oder mit einer solchen verbindbar oder verbunden ist. Ersichtlich ist es somit möglich, dass die Magneteinrichtungen 4 gezielt geheizt oder gekühlt werden können, wobei auch die während des Betriebs der elektrischen Maschine 1 erzeugte Wärme ausgenutzt werden kann, um entsprechende durch eine Reduzierung der Kühlleistung in dem ersten Kühlkreislauf 7 eine definierte Temperierung der Magneteinrichtungen 4 zu bewirken.
Der erste Kühlkreislauf 7 weist ferner ein aktives Temperierelement 16 auf, beispielsweise ein elektrisches Element, wie zum Beispiel ein Peltier-Element, mittels welchen elektrischen Elements es möglich ist, das Temperiermittel im ersten Kühlkreislauf 7 gezielt zu heizen oder zu kühlen.
Mit anderen Worten ist es damit möglich, die Temperatur der Magneteinrichtungen 4 gezielt einzustellen um somit das von den Magneteinrichtungen 4 erzeugte magnetische Feld einzustellen bzw. abzuschwächen, um in definierten Betriebszuständen der elektrischen Maschine 1 Verluste reduzieren zu können, beispielsweise im Leerlauf oder in einem Teillastbereich.
Die 2 und 3 zeigen eine elektrische Maschine 1 gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels in zwei verschiedenen Betriebszuständen. Der grundsätzliche Aufbau der elektrischen Maschine 1, die in den 2 und 3 dargestellt ist, gleicht dem Aufbau der elektrischen Maschine 1 von 1. Es werden deshalb die gleichen Bezugszeichen für gleiche Bauteile verwendet.
Die elektrische Maschine 1 im Ausführungsbeispiel nach 2 und 3 weist als aktive Regeleinrichtung eine Fördereinrichtung 17 auf, die dazu ausgebildet ist, Temperiermittel von dem ersten Temperierkreislauf 7 in den zweiten Temperierkreislauf 8 und umgekehrt zu fördern. In 2 ist ein erster Betriebszustand der elektrischen Maschine 1 dargestellt, in dem die Förderrichtung des Temperiermittels mittels eines Pfeils 18 dargestellt ist. Mit anderen Worten wird mittels der Fördereinrichtung 17 Temperiermittel von der Wärmequelle 10 zu dem Rotor 3, insbesondere durch den Temperierkanal 11 und die Temperierkanäle 12, 13, durch die Magneteinrichtungen 4 gefördert. Anschließend wird das Temperiermittel durch die Wärmesenke 9 zurück in die Wärmequelle 10 geführt. Der Stator 2 kann dabei mit der maximalen Kühlleistung betrieben werden, sodass die Abwärme des Stators 2 dazu verwendet wird, die Wärmequelle 10 aufzuheizen. Selbstsverständlich können weitere Aggregate zur Aufheizung der Wärmequelle 10 bzw. als Wärmequelle 10 verwendet werden, beispielsweise ein Verbrennungsmotor, ein Abgasstrang eine Kühleinrichtung für ein Getriebe und dergleichen.
Somit ist es möglich, in einem vorliegenden Betriebszustand die Magneteinrichtungen 4 aufzuheizen und somit das mittels der Magneteinrichtungen 4 erzeugte oder erzeugbare magnetische Feld abzuschwächen. In einem umgekehrten Zustand der Fördereinrichtung 17 (dargestellt in 3 durch einen Pfeil 19) wird das Temperiermittel von der Wärmequelle 10 zur Wärmesenke 9 gefördert um anschließend von der Wärmesenke 9 durch den Rotor 3, das heißt insbesondere durch die Temperierkanäle 11, 12, 13 durch die Magneteinrichtungen 4 gefördert zu werden. Anschließend wird das Temperiermittel zurück in die Wärmequelle 10 gespeist. In diesem Betriebszustand ist es folglich möglich, den Rotor 3, insbesondere die Magneteinrichtungen 4, mit dem Temperiermittel aus der Wärmesenke 9 zu kühlen und somit eine Erhöhung des magnetischen Feldes, das durch die Magneteinrichtung 4 erzeugt wird, zu erreichen. Mit anderen Worten wird die Abschwächung des magnetischen Feldes der Magneteinrichtungen 4, das durch die erhöhte Temperatur der Magneteinrichtungen 4 bewirkt wird, reduziert.
Beispielsweise können der Temperiereinrichtung 5 dazu Informationen zugeführt werden, insbesondere eine eine anstehende Leistungsanforderung beschreibende Leistungsinformation. Die Leistungsinformation gibt dabei an, welche Leistung von der elektrischen Maschine 1 angefordert wird bzw. welche Leistung bzw. welches Drehmoment mittels der elektrischen Maschine 1 bereitgestellt werden muss. Beispielsweise kann die Leistungsinformation Streckendaten beinhalten bzw. auf Streckendaten basieren, die eine Strecke betreffen, die von einem Kraftfahrzeug, in dem die elektrische Maschine verbaut ist, zurückgelegt werden muss bzw. soll. Demnach ist es möglich, in Abhängigkeit der demnächst angeforderten Leistung eine gezielte Temperierung der Magneteinrichtungen 4 vorzunehmen und somit eine gezielte Abschwächung des magnetischen Feldes vorzunehmen, um Verluste während bestimmter Betriebszustände zu vermeiden, beispielsweise im Leerlauf oder in einem Teillastbereich.
Die einzelnen Vorteile, Einzelheiten und Merkmale, die in Bezug auf die einzelnen Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, sind selbstverständlich übertragbar, untereinander austauschbar und beliebig kombinierbar.
Bezugszeichenliste

1: elektrische Maschine
2: Stator
3: Rotor
4: Magneteinrichtung
5: Temperiereinrichtung
6: Isolationselement
7, 8: Temperierkreislauf
9: Wärmesenke
10: Wärmequelle
11 - 13: Temperierkanal
14: Temperiervolumen
15: Wärmepumpe
16: Temperierelement
17: Fördereinrichtung
18, 19: Pfeil

Claims

Elektrische Maschine (1), insbesondere eine elektrische Maschine (1) für ein Kraftfahrzeug, welche elektrische Maschine (1) einen Stator (2) und einen wenigstens eine Magneteinrichtung (4) aufweisenden Rotor (3) umfasst, gekennzeichnet durch eine Temperiereinrichtung (5), die dazu ausgebildet ist, wenigstens einen Betriebsparameter der wenigstens einen Magneteinrichtung (4) mittels einer gezielten Temperierung wenigstens eines Teils der wenigstens einen Magneteinrichtung (4) einzustellen und/oder zu verändern.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiereinrichtung (5) dazu ausgebildet ist, die wenigstens eine Magneteinrichtung (4) in wenigstens einem Betriebszustand, insbesondere in einem Leerlaufzustand der elektrischen Maschine (1) oder einem Feldschwächbereich der elektrischen Maschine (1) oder einem Teillastbereich der elektrischen Maschine (1), abweichend von einer Temperierung des Stators (2) zu temperieren.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiereinrichtung (5) dazu ausgebildet ist, wenigstens einen Teil des Stators (2) und die wenigstens eine Magneteinrichtung (4) des Rotors (3) gemeinsam oder getrennt zu temperieren, insbesondere mittels eines gemeinsamen Temperierkreislaufs (7, 8) oder mittels getrennter Temperierkreisläufe (7, 8).
Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiereinrichtung (5) dazu ausgebildet ist, ein von der wenigstens einen Magneteinrichtung (4) bereitstellbares oder bereitgestelltes magnetisches Feld durch Einstellen einer definierten Temperatur einzustellen, insbesondere zu reduzieren, wobei die definierte Temperatur durch ein Kühlen der Magneteinrichtung (4) oder Heizen, insbesondere ein unzureichendes Kühlen, einstellbar ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiereinrichtung (5) wenigstens einen Temperierkanal (11, 12, 13) aufweist, durch den ein Temperiermittel, insbesondere ein Gas oder eine Flüssigkeit, zu der wenigstens einen Magneteinrichtung (4) leitbar ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Temperierkanal (11, 12, 13) zumindest abschnittsweise an und/oder in der wenigstens einen Magneteinrichtung (4) angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Temperierkanal (11, 12, 13) durch eine Hohlwelle in dem Rotor (3) zu der wenigstens einen Magneteinrichtung (4) geführt ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiereinrichtung (5) zur Temperierung der wenigstens einen Magneteinrichtung (4) ein den Rotor (3) zumindest abschnittsweise umgebendes Temperiervolumen (14) aufweist, insbesondere ein Flüssigkeitsbad oder ein den Rotor (3) umgebendes Gasvolumen.
Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens eine passive und/oder ein aktive Regeleinrichtung, die dazu ausgebildet ist, eine trennbare, insbesondere steuerbare, Verbindung zwischen einem ersten die wenigstens eine Magneteinrichtung (4) aufweisenden ersten Temperierkreislauf (7) und einem zweiten Temperierkreislauf (8) herzustellen.
Elektrische Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die passive Regeleinrichtung als hydraulisches Regelventil oder als Kennfeldthermostat ausgebildet ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass als aktive Regeleinrichtung eine Fördereinrichtung (17), insbesondere eine Temperiermittelpumpe, vorgesehen und dazu ausgebildet ist, insbesondere regelbar, Temperiermittel von dem ersten Temperierkreislauf (7) in den zweiten Temperierkreislauf (8) zu fördern und/oder umgekehrt.
Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiereinrichtung (5) ein aktives Temperierelement (16) umfasst, insbesondere eine Wärmepumpe (15) oder ein elektrisches Temperierelement, insbesondere ein Peltier-Element.
Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Magneteinrichtung (4) wenigstens einen Permanentmagneten aufweist, insbesondere umfassend ein ferrimagnetisches Material.
Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperiereinrichtung (5) wenigstens eine eine anstehende Leistungsanforderung der elektrischen Maschine (1) beschreibende Leistungsinformation zuführbar ist, wobei die Temperiereinrichtung (5) dazu ausgebildet ist, die wenigstens eine Magneteinrichtung (4) in Abhängigkeit der Leistungsinformation, insbesondere basierend auf Streckendaten, einzustellen.
Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine elektrische Maschine (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche.