DE102020107617A1

DE102020107617A1 - Erregung einer zykloidalen elektrischen maschine

Info

Publication number: DE102020107617A1
Application number: DE102020107617.7A
Authority: DE
Inventors: Alireza Fatemi; Derek F. Lahr
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2019-04-25
Filing date: 2020-03-19
Publication date: 2020-10-29
Also published as: US10763772B1

Abstract

Ein elektrisches System umfasst einen Wechselrichter, der an Wechsel- und Gleichspannungsbusse angeschlossen ist, eine zykloidale elektrische Maschine, die über den Wechselspannungsbus mit dem PIM verbunden ist, und eine Steuerung. Der Rotor der Maschine ist in Bezug auf den Stator exzentrisch, der Luftspalt zwischen Stator und Rotor ist in einem momentanen Drehzentrum des Rotors kleiner als anderswo am Umfang des Rotors, und der Rotor bewegt sich mit zwei Freiheitsgraden (2DOF), d.h. mit rotierender und kreisender Bewegung. Die Steuerung empfängt einen Drehmomentbefehl, das Rotorpositionssignal und die Stromsignale und identifiziert als Reaktion darauf einen optimalen Statorpol oder ein optimales Statorpolpaar, das sich in der Nähe des momentanen Drehzentrums befindet, und erregt den optimalen Statorpol oder das optimale Statorpolpaar über das PIM, bevor ein anderer Statorpol oder ein anderes Statorpolpaar erregt wird.

Description

EINLEITUNG
Rotierende elektrische Maschinen in Form von Motoren oder elektrischen Generatoren bestehen aus einem rotierenden Teil („Rotor“) und einem stationären Teil („Stator“). Der Rotor kann radial innerhalb oder außerhalb des Stators angeordnet werden. Radiale Nuten werden zwischen gleich beabstandeten Statorzähnen definiert, die radial aus dem Umfang eines zylindrischen Statorkerns herausragen. Die Statornuten sind mit Kupferwicklungen gefüllt, die bei Erregung einen Satz von Stator-Elektromagneten und entsprechenden Statorpolen bilden. Eine mehrphasige Eingangsspannung wird nacheinander an die einzelnen Phasenleiter der verschiedenen Statorwicklungen angelegt, um ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen.
Reluktanzmaschinen sind eine besondere Art von rotierenden elektrischen Maschinen, die in Hochleistungs-/Hochdrehmomentanwendungen eingesetzt werden. In einer Maschine mit variabler Reluktanz werden beispielsweise Magnetpole in einem eisenhaltigen Rotorkern induziert, wenn die oben erwähnten Stator-Elektromagneten erregt werden. Kräfte, die durch den magnetischen Widerstand des eisenhaltigen Rotorkerns erzeugt werden, bewirken, dass die Magnetpole des Rotors eine Ausrichtung auf den nächstgelegenen Statorpol suchen. Das heißt, wenn der magnetische Fluss durch den Rotorkern fließt und dem Weg der geringsten Reluktanz folgt, wird der nächstgelegene Rotorpol versuchen, sich mit dem nächstgelegenen Statorpol auszurichten. Wenn sich das Statorfeld jedoch weiter dreht, dreht sich auch der Rotor, wobei die Statorpole die Rotorpole so führen, dass die gewünschte Maschinendrehung erzeugt wird.
BESCHREIBUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Verbesserungen in der Gesamtsteuerung von elektrischen Rotationsmaschinen auf Reluktanzbasis und anderen Radialflussmaschinen mit einem zylindrischen Stator und einem exzentrisch angeordneten Rotor, d.h. einer zykloidalen elektrischen Maschine. Wie unten beschrieben, ermöglicht die Rotorexzentrizität eine Orbitalbewegung des Rotors gegenüber dem Stator, z.B. radial innerhalb eines umgebenden Statorkerns in einer nicht begrenzenden Ausführungsform. Da sich die Abtriebswelle des Rotors um die eigene Drehachse dreht, ermöglicht ein Exzenterrotor den Bau einer elektrischen Maschine mit zwei Freiheitsgraden (2DOF) der Bewegung, d.h. Dreh-/Wälzbewegung und Umlaufbewegung. Die Rotorexzentrizität ermöglicht auch eine Verkleinerung des Rotors im Vergleich zu einer typischen konzentrischen Stator-Rotor-Konfiguration.
Der vorliegende Ansatz versucht, die Leistung und den Drehmoment-Erzeugungswirkungsgrad einer solchen zykloidalen elektrischen Maschine zu optimieren. Die auf elektrische Maschinen mit konzentrischer Rotor-Stator-Anordnung anwendbare Steuerungstheorie lässt sich nicht ohne weiteres auf die Steuerung von Maschinen mit exzentrischem Rotor ausdehnen. Ein zykloidaler Reluktanzmotor zum Beispiel als einzigartiger Betrieb, der in der Lage ist, die radialen elektromagnetischen Kräfte innerhalb eines Luftspalts zu nutzen, der den Rotor vom Stator in Umfangsrichtung trennt. Solche Radialkräfte, die bei konzentrischen Maschinen verwendet werden, die ausschließlich auf Tangentialkräften beruhen, werden im Folgenden ausführlich beschrieben.
Um die vorliegende Zykloidenmaschine effizient zu steuern, wird eine Steuerung so programmiert, dass sie in Echtzeit erkennt, welche von mehreren Statorwicklungen oder -polen erregt werden soll, wobei die Steuerung dies auf der Grundlage der aktuellen Winkelposition und Drehzahl des Rotors sowie der aktuellen Last-/Drehmomentanforderung und der aktuellen Motor- oder Regenerationsbetriebsart der Maschine tut. Die Steuerung ist somit so konfiguriert, dass sie ein maximales Drehmoment pro Einheitsampere (MTPA) der elektrischen Maschine gewährleistet und damit die Bandbreite der vorteilhaften Anwendungen für Zykloidenmaschinen der angegebenen Typen erhöht.
Ferner sind die hier beschriebenen rotierenden elektrischen Maschinen in Bezug auf die Rotorexzentrizität „zykloidal“ in dem Sinne, dass der Rotor gezwungen ist, sich mit der oben kurz erwähnten 2DOF zu bewegen: (1) Dreh- oder Rollbewegung um die Drehachse des Rotors und (2) Umlaufbewegung um die Statorachse. Für eine typische elektrische Rotationsmaschine kann das im Stator-Rotor-Luftspalt vorhandene elektromagnetische Drehmoment mit Hilfe der folgenden Gleichung [1] abgeleitet werden, wobei t und r jeweils radiale und tangentiale Drehmomentkomponenten in einem zylinderförmigen Koordinatensystem bezeichnen: $T_{e} = F_{t} {RL}_{ef} .$
In Gleichung [1] ist T_e das elektromagnetische Drehmoment in Newtonmetern, R der mittlere Radius des Luftspalts in Metern, L_ef, wenn die effektive Stapellänge der aktiven Materialien der elektrischen Maschine ebenfalls in Metern, und F_t die im Luftspalt vorhandenen Tangentialkräfte in Newton. Die Tangentialkräfte, F_t, sind definiert als: $F_{t} = \frac{P}{2} \int_{0}^{2 π} f_{t} (0_{r}) {Rd 0}_{r}$
wobei P die Anzahl der Pole der elektrischen Maschine ist, f_t stellt die tangentiale Komponente der Luftspaltkraftdichte pro Längeneinheit dar, und dϕ_r ist das Integral (d) des elektrischen Winkels (∅_r), die jedes Polpaar im Bogenmaß abdecken.
Nach den in den Gleichungen [1] und [2] ausgedrückten Beziehungen tragen die radialen Luftspaltkräfte, die um ein Vielfaches größer sind als die Tangentialkräfte, nicht zum Ausgangsdrehmoment der elektrischen Maschine bei. Die nachfolgend im Detail beschriebenen Ausführungen mit den luftspaltvermindernden Strukturelementen sollen daher ansonsten ungenutzte radiale Luftspaltkräfte in das Ausgangsdrehmoment einbeziehen, um bestimmte Leistungsvorteile zu realisieren, u.a. die Erzeugung eines höheren Motorausgangsdrehmoments bei niedrigeren Motordrehzahlen mit einem verkleinerten Rotor.
Ein elektrisches System gemäß einer Beispielausführung umfasst Gleichstrom- (DC) und Wechselspannungsbusse (AC), ein an den Gleich- und Wechselspannungsbus angeschlossenes Wechselrichtermodul (PIM), eine mehrphasige zykloidale elektrische Maschine, die über den Wechselspannungsbus an das PIM angeschlossen ist, und eine Steuerung. Die elektrische Maschine hat einen Stator und einen Rotor mit entsprechenden Stator- und Rotorachsen. Die Rotorachse ist in Bezug auf die Statorachse exzentrisch, zwischen Stator und Rotor ist ein Luftspalt definiert, der in einem momentanen Drehzentrum der Maschine kleiner ist als an anderen Stellen am Umfang des Rotors, und der Rotor bewegt sich mit zwei Freiheitsgraden (2DOF). Die 2DOF umfasst eine Drehbewegung um die Rotorachse und eine Umlaufbewegung um die Statorachse. Ein Positionssensor misst eine Winkelposition des Rotors und gibt ein Rotorpositionssignal aus, das die Winkelposition anzeigt. An den Wechselspannungsbus angeschlossene Stromsensoren sind so konfiguriert, dass sie die Phasenströme zur elektrischen Maschine messen und Stromsignale ausgeben, die die Phasenströme anzeigen.
Die Steuerung empfängt einen Satz von Eingangssignalen, einschließlich eines Drehmomentbefehls, des Rotorpositionssignals und der Stromsignale. Als Reaktion auf die Eingangssignale wird die Steuerung so konfiguriert, dass sie einen optimalen Statorpol oder ein optimales Statorpolpaar in der Nähe des Rotationszentrums der elektrischen Maschine identifiziert und den optimalen Statorpol oder das optimale Statorpolpaar über das PIM erregt, bevor ein anderer Statorpol oder ein anderes Statorpolpaar erregt wird, um ein maximales Drehmoment pro Ampereeinheit zu erzeugen.
Die Steuerung bestimmt auf der Grundlage der Stromsignale auch, wann eine Betriebsart des Elektromotors ein Teillast-/Teilastzustand ist, wobei die Steuerung den optimalen Statorpol oder das optimale Statorpolpaar erregt.
Die Steuerung kann auf der Grundlage der Stromsignale auch feststellen, wann eine Strombetriebsart ein Zustand mit Spitzenmoment/Spitzenlast ist, und nacheinander den optimalen Statorpol oder das optimale Statorpolpaar und jeden zweiten Statorpol oder jedes zweite Statorpolpaar, die sich in einer bestimmten symmetrischen Hälfte der elektrischen Maschine befinden, erregen.
Die zykloidale elektrische Maschine kann eine Reluktanzmaschine mit mindestens drei Phasen und möglicherweise acht oder mehr Phasen sein, wobei zwölf Phasen eine mögliche Verkörperung sind.
Ein nachgeschalteter Kopplungsmechanismus kann an den Rotor und eine angetriebene Last gekoppelt und so konfiguriert werden, dass er die 2DOF in 1DOF übersetzt, wobei 1DOF die Drehbewegung ohne die Umlaufbewegung ist. Die angetriebene Last kann eine Antriebsachse eines Fahrzeugs sein.
Die Steuerung kann so konfiguriert werden, dass er als Reaktion auf einen zunehmenden Drehmomentbefehl die Erregungsdauer jeder Statorphase auf über $\frac{2 π}{PH}$
wobei PH eine Gesamtzahl der Statorphasen in der elektrischen Maschine ist.
Die Steuerung kann auch so konfiguriert werden, dass sie als Reaktion auf einen steigenden Drehmomentbefehl kurz vor dem Spitzenmomentbetrieb einer zwölfphasigen elektrischen Maschine, wie durch die Eingangssignale angezeigt, abwechselnd zwei der Statorphasen und vier der Statorphasen erregt.
Hier wird auch ein Verfahren zur Steuerung der oben erwähnten zykloidalen elektrischen Maschine vorgestellt. Eine Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Messen einer Winkelposition des Rotors unter Verwendung eines Positionssensors, die Ausgabe eines Rotorpositionssignals, das die Winkelposition anzeigt, das Messen von Phasenströmen an die elektrische Maschine über eine Vielzahl von Stromsensoren und die Ausgabe von Stromsignalen, die die Phasenströme anzeigen. Das Verfahren umfasst ferner den Empfang eines Satzes von Eingangssignalen über eine Steuerung, einschließlich eines Drehmomentbefehls, des Rotorpositionssignals und der Stromsignale, und das Identifizieren eines optimalen Statorpols oder Polpaares, das sich in der Nähe des momentanen Drehzentrums der elektrischen Maschine befindet, über die Steuerung auf der Grundlage der Eingangssignale. Die Steuerung aktiviert dann den optimalen Statorpol oder das optimale Statorpolpaar über ein Leistungsumrichtermodul, das mit der Steuerung kommuniziert, bevor ein anderer Statorpol oder ein anderes Statorpolpaar aktiviert wird.
Das Verfahren kann die Bestimmung, wann eine aktuelle Betriebsart ein Zustand mit teilweisem Drehmoment ist, auf der Grundlage der Stromsignale umfassen, und dann das Erregen nur des optimalen Statorpols oder Polpaares während des Beginns des Zustands mit teilweisem Drehmoment.
Das Verfahren kann ferner die Bestimmung des Spitzenmomentes in der aktuellen Betriebsart und die anschließende Erregung des optimalen Statorpols oder Polpaares und jedes anderen Statorpols oder Polpaares, das sich in einer bestimmten symmetrischen Hälfte der elektrischen Maschine befindet, umfassen.
Als Reaktion auf einen zunehmenden Drehmomentbefehl kann das Verfahren die Erhöhung der Erregungsdauer jeder Statorspule auf über $\frac{2 π}{PH}$
über die Steuerung, wobei PH die Anzahl der elektrischen Phasen der elektrischen Maschine ist. Als Reaktion auf einen Befehl für ein zunehmendes Drehmoment kann das Verfahren für eine Zwölfphasen-Maschine während steigender Drehmoment-/Lastbedingungen die abwechselnde Speisung von zwei Statorphasen mit der Speisung von vier Statorphasen umfassen.
Die obige Zusammenfassung soll nicht jede mögliche Ausführungsform oder jeden Aspekt der vorliegenden Offenbarung darstellen. Vielmehr soll die vorstehende Zusammenfassung einige der hier offenbarten neuartigen Aspekte und Merkmale veranschaulichen. Die oben genannten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der repräsentativen Ausführungsformen und Modalitäten für die Durchführung der vorliegenden Offenbarung leicht ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Figuren und den beigefügten Ansprüchen genommen werden.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung eines elektrischen Beispielsystems für ein Fahrzeug mit einer zykloidalen rotierenden elektrischen Maschine und eine Steuerung, die so konfiguriert ist, dass die Erregung der Statorwicklungen der elektrischen Maschine mit der vorliegenden Methodik optimiert wird.
2 ist eine schematische Darstellung einer zykloidalen elektrischen Maschine, die als Teil des in 1 gezeigten elektrischen Beispielsystems verwendet werden kann.
3 und 4 sind schematische Darstellungen der jeweiligen rotierenden und umlaufenden Bewegung, die zwei Freiheitsgrade der Bewegung der rotierenden elektrischen Maschine von 2 bieten.
5 und 6 sind schematische Darstellungen einer beispielhaften 8-phasigen zykloidalen elektrischen Maschine mit kontrollierter Statorwicklungserregung, die während eines Motorbetriebs unter Spitzen- bzw. Teilmomentbedingungen auftritt.
7 und 8 sind schematische Darstellungen der elektrischen Maschine aus 5 und 6, die die Erregung der Statorwicklung während eines Regenerationsbetriebs unter Spitzen- bzw. Teilmomentbedingungen darstellen.
9 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften zwölfphasigen zykloidalen elektrischen Maschine, die die Erregung ausgewählter Statorwicklungen zu Beginn einer Teilmoment-Betriebsart zeigt.
10 ist ein Diagramm des elektrischen Winkels (x-Achse) in Grad verschiedener erregter Polpaare gegen das Ausgangsdrehmoment in Newtonmetern für sechs elektrische Phasen der in 9 gezeigten zykloidalen elektrischen Maschine unter Teillastbedingungen zu Beginn eines beispielhaften Motorbetriebs.
11 ist ein Diagramm des elektrischen Winkels (x-Achse) in Grad verschiedener erregter Polpaare gegen das Ausgangsdrehmoment während einer Übergangsphase aus den in 10 dargestellten Teillastbedingungen, wobei der steigende Drehmomentbedarf relativ zu 10 dargestellt ist.
12 ist ein Diagramm des elektrischen Winkels (x-Achse) in Grad verschiedener erregter Polpaare gegen das Ausgangsdrehmoment, das einem Spitzenlast-/Vollerregungszustand entspricht.
13A und 13B sind schematische Darstellungen einer beispielhaften zwölfphasigen Ausführungsform einer rotierenden elektrischen Maschine, die verschiedene Beispielbogenwinkel darstellen.

Die vorliegende Offenbarung ist empfänglich für Änderungen und alternative Formen, wobei repräsentative Ausführungsformen beispielhaft in den Figuren gezeigt und nachfolgend detailliert beschrieben werden.
Die erfinderischen Aspekte dieser Offenbarung sind nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr soll die vorliegende Offenbarung Änderungen, Äquivalente, Kombinationen und Alternativen abdecken, die in den Anwendungsbereich der Offenbarung fallen, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die Figuren, wobei sich die Bezugsziffern auf die gleichen oder ähnliche Komponenten in den verschiedenen Figuren beziehen, ist ein elektrisches System 15 in 1 schematisch dargestellt. Das elektrische System 15 kann in verschiedenen Systemen verwendet werden, u.a. als Teil des Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs 10 mit einer Karosserie 11 und Straßenrädern 12 in Rollkontakt mit einer Straßenoberfläche 14. Das elektrische System 15 kann in anderen Fahrzeugtypen wie Flugzeugen, Wasserfahrzeugen und Schienenfahrzeugen oder in anderen mobilen, nicht fahrzeuggebundenen Anwendungen wie Robotern und mobilen Plattformen eingesetzt werden. Stationäre Anwendungen können ebenfalls von der Verwendung des elektrischen Systems 15 profitieren, und daher ist das Kraftfahrzeug 10 von 1 nur eine mögliche vorteilhafte Anwendung der vorliegenden Lehre.
Das elektrische System 15 umfasst eine rotierende elektrische Maschine (M_E) 20, z.B. eine Zykloiden-Reluktanzmaschine. Die elektrische Maschine 20 hat ein drehbares Abtriebsglied 25, das mit einem Rotor 30 (siehe 2) gekoppelt ist, um das Abtriebsmoment (Pfeil To) an eine gekoppelte Last (Ld) 26, z.B. die Laufräder 12 oder eine Antriebsachse (nicht dargestellt), zu liefern. Der Rotor 30 ist ausreichend ausgewuchtet, um ein niedriges Geräusch- und Vibrationsniveau sowie eine geringe Härte während des Betriebs der elektrischen Maschine 20 zu gewährleisten und sicherzustellen, dass der Rotor 30 nicht über seine zwei eingeschränkten Freiheitsgrade (2DOF) hinaus taumelt oder schwingt.
Wie man es von denjenigen versteht, die sich mit den üblichen Fertigkeiten in dem Fachgebiet auskennen, zeichnen sich Reluktanzmaschinen, z.B. synchrone, geschaltete oder variable Reluktanzmaschinen, durch das Fehlen von Permanentmagneten auf dem Rotor 30 aus und induzieren stattdessen nicht-permanente Magnetpole auf dem Rotor 30. Das Ausgangsdrehmoment (Pfeil To) wird letztlich durch Kräfte auf den Rotor 30 aufgrund der magnetischen Reluktanz erzeugt. Die elektrische Maschine 20 kann mit der oben beschriebenen 2DOF, d.h. mit der in und dargestellten Dreh- und Umlaufbewegung betrieben werden. Die angegebenen Verbesserungen des Betriebs der zykloidenförmigen elektrischen Maschine 20 sollen ein maximales Drehmoment pro Ampere (MTPA), das von der elektrischen Maschine 20 erzeugt wird, insbesondere durch eine optimale Erregung der einzelnen Wicklungen, die die Pole des Stators 32 von 2 bilden, sowohl während des Motorbetriebs als auch während des Rückspeisebetriebs gewährleisten.
In der illustrierten Beispielverkörperung von 1 umfasst das elektrische System 15 eine Batterie (B_HV) 22 und ein Wechselrichtermodul (PIM) 24. Die Batterie 22 kann optional eine relativ hohe Spannungskapazität haben, z.B. 60 Volt oder mehr, je nach Ausführung, und daher wird „Hochspannung“ durch den Index „HV“ angezeigt. Die elektrische Maschine 20 kann z.B. als mehrphasiger Elektromotor ausgeführt und somit elektrisch an einen Wechselstrombus 123 angeschlossen werden, wobei die elektrische Maschine 20 durch eine Wechselspannung (VAC) aus dem PIM 24 gespeist wird. Der PIM 24 wiederum ist über positive (+) und negative (-) Schienen eines Gleichspannungsbusses 23 mit der Batterie 22 verbunden, wobei die Gleichspannung (VDC) vom Gleichspannungsbus 23 an den PIM 24 und umgekehrt geliefert wird, je nachdem, ob die elektrische Maschine 20 in ihrer Eigenschaft als Motor oder als Generator funktioniert.
Der Betrieb des elektrischen Systems 15 kann in Echtzeit durch eine Steuerung (C) 50 über Steuersignale (Pfeil CCo) geregelt werden, die drahtlos und/oder über Niederspannungsübertragungsleiter an die verschiedenen gesteuerten Komponenten im elektrischen System 15 übertragen werden können. Die Steuerung 50 kann einen Prozessor (P) und einen fühlbaren, nichtflüchtigen Speicher (M) enthalten, einschließlich eines Festwertspeichers in Form eines optischen, magnetischen oder Flash-Speichers. Die Steuerung 50 kann auch ausreichende Mengen an Speicher mit wahlfreiem Zugriff und elektrisch löschbarem, programmierbarem Festwertspeicher sowie einen Hochgeschwindigkeitstaktgeber, eine Analog-Digital- und Digital-Analog-Schaltung und Ein-/Ausgabeschaltungen und -geräte sowie eine geeignete Signalkonditionierung und Pufferschaltung enthalten.
In Bezug auf den Betrieb des Reglers 50 in einem Erregerkreis der elektrischen Maschine 20 erhält die Steuerung 50 von der elektrischen Anlage 15 Eingangssignale (Pfeil CC_I), die den aktuellen dynamischen und elektrischen Zustand der elektrischen Maschine 20 anzeigen. Insbesondere empfängt die Steuerung 50 als Eingangssignale (Pfeil CC_I) gemessene Stromsignale (Pfeile I_A, I_B und I_C) von den entsprechenden Stromsensoren S_A, S_B und S_C, wobei die Stromsensoren S_A, S_B und S_C Phasenströme für repräsentative A-, B- und C-Phasen einer vereinfachten dreiphasigen Ausführungsform der elektrischen Maschine 20 messen und melden.
Die Steuerung 50 erhält auch eine gemessene Winkelposition (Pfeil θ_R) des Rotors 30 von einem Positionssensor S_P, z.B. einem Drehgeber, der in Bezug auf den Rotor 30 positioniert ist. Die Steuerung 50 ist mit der Kommutator/Stromregelung (REG) Logik 55 programmiert, die Die Steuerung 50 als Teil des vorliegenden Verfahrens 100 ausführt. Die Funktionsweise der Steuerung 50 in Bezug auf die Erregungssteuerung der elektrischen Maschine 20 wird im Folgenden mit Bezug auf 5-13B dargestellt, wobei die Exzentrizität des Rotors 30 mit Bezug auf 2-4 beschrieben wird.
ROTOR-EXZENTRIZITÄT: In 2 ist der Rotor (RTR) 30 schematisch als exzentrisch und radial zum Stator (STR) 32 angeordnet, wobei letzterer, wie gezeigt, an einem stationären Element 42 geerdet werden kann. Die elektrische Maschine 20 kann ein Gehäuse (nicht abgebildet) enthalten, in dem der Rotor 30, der Stator 32 und andere Komponenten angeordnet und strukturell abgestützt sind. Der Stator 32 kann vom Rotor 30 durch den oben erwähnten Luftspalt (G1, G2) getrennt werden, wobei der Stator 32 in ständigem Kontakt mit dem Rotor 30 oder in unmittelbarer Nähe des Rotors 30 an einem momentanen Drehpunkt (C_OR) (siehe 3), d.h. dem nächstgelegenen Punkt zwischen dem Stator 32 und dem Rotor 30, steht, ohne gegen den Rotor 30 zu gleiten. Durch die exzentrische Positionierung des Rotors 30 relativ zum Stator 32 erhält der Rotor 30 die oben erwähnte 2DOF, d.h. die Dreh- und Umlaufbewegung.
Der Rotor 30 ist in der abgebildeten zylindrischen Beispielvariante von 2 vom Stator 32 umgeben oder umschrieben, wobei eine Abtriebswelle 44 des Rotors 30 frei um eine Rotorachse 144 rotieren kann, während der Rotor 30 um eine Mittelachse 32A des Stators 32 kreist, wobei die Mittelachse 32A hier auch als Statorachse 32A bezeichnet wird. Der Rotor 30 und der Stator 32 sind durch den Luftspalt (G1, G2) getrennt, wobei G1 und G2 auf die unterschiedliche relative Größe des Luftspalts an verschiedenen Umfangsstellen hinweisen. Das heißt, je nach der Umlaufposition des Rotors 30 innerhalb des Stators 32 zu einem bestimmten Zeitpunkt kann sich der Rotor 30 einer inneren Umfangsfläche 132 des Stators 32, d.h. einem minimalen Luftspalt G1, nähern und seinen nächsten Punkt im Rotationszentrum (COR) erreichen.
An einer solchen Position befindet sich der Rotor 30 am weitesten von einer diametral gegenüberliegenden Fläche 232 des Stators 32 entfernt, was wiederum dazu führt, dass der Luftspalt G2 zum abgebildeten Zeitpunkt größer ist als der Luftspalt G1. Während der Rotor 30 jedoch weiterhin radial im Stator 32 kreist, ändert sich die relative Größe der Luftspalte G1 und G2 kontinuierlich, d.h. der Luftspalt G2 wird kleiner als der Luftspalt G1, wenn der Rotor 30 um 180 Grad von der in 2 dargestellten relativen Position wegkreist. Da die Größe des Luftspaltes das Ausgangsdrehmoment der elektrischen Maschine 20 beeinflusst, ist die Steuerung 50 von 1 so programmiert, dass er die Wicklungen des Stators 32 auf eine bestimmte Weise erregt, um mit den spezifischen Eingangssignalen (Pfeil CC_I) die MTPA der elektrischen Maschine 20 zu erreichen.
Die elektrische Maschine 20 kann mit einem Rotoreinschränkungsmechanismus (RCM) 40 verbunden sein oder diesen integriert enthalten. Das RCM 40 ist so konfiguriert, dass die Bewegung des Rotors 30 so eingeschränkt wird, dass der Rotor 30 in der Lage ist, ein nützliches anwendungsspezifisches Drehmoment auf eine gekoppelte Last zu erzeugen. In bestimmten Ausführungsformen können Teile des RCM 40 einstückig mit der Struktur des Rotors 30 ausgebildet sein, während in anderen Ausführungsformen das RCM 40 als ein externer Satz von Komponenten ausgeführt sein kann, z.B. Teile eines Zykloidenradsatzes 52, der eine Abtriebswelle 58 antreibt, die sich in einer Richtung entgegengesetzt zur Richtung der Abtriebswelle 44 dreht.
Die allgemeine Funktionsweise der elektrischen Maschine 20 kann in Bezug auf den in 2 als Einsatz dargestellten Zykloidenradsatz 52 verstanden werden. Der Zykloidenradsatz 52 hat ein geerdetes/stationäres Außenradelement 54, in dem die Zykloidenscheibe 56 angeordnet ist. Die Zykloidenscheibe 56 definiert in gleichen Abständen Löcher 59. Stifte 53, z.B. zylindrische Pfosten wie abgebildet, können sich axial von einem Getriebeelement 57 aus erstrecken. Die besondere 2DOF-Bewegung, die durch den Zykloidenradsatz 52 ermöglicht wird, wird von einem gewöhnlichen Fachmann in der Kunst geschätzt, z.B. als Geschwindigkeitsreduzierungsmechanismus .
Das in 1 schematisch dargestellte elektrische System 15 kann bestimmte strukturelle Funktionsaspekte des Beispiel-Zykloidenradsatzes 52 in seinen Aufbau aufnehmen, ohne den Zykloidenradsatz 52 selbst körperlich zu integrieren. So kann z.B. die Funktion des stationären äußeren Getriebeelements 54 und der Zykloidenscheibe 56 in die Struktur des RCM 40 integriert werden, wobei ein Eingangselement 43 des Rotors 30 möglicherweise mit der der Zykloidenscheibe 56 entsprechenden Struktur des RCM 40 verschraubt wird. Eine solche Struktur ermöglicht es, den Rotor 30 so zu zwingen, dass er sich um die Rotorachse 144 dreht und gleichzeitig um die Statorachse 32A kreisen kann. Zumindest ein Teil des RCM 40 kann in bestimmten Ausführungsformen mit dem Rotor 30 integriert werden. Beispielsweise kann ein Profil des Rotors 30 so konstruiert werden, dass es dem Profil der abgebildeten Zykloidenscheibe 56 des Beispiel-Zykloidenradsatzes 52 nahe kommt oder diesem entspricht, wobei der Stator 32 ähnlich konstruiert ist, um das Gegenprofil des Außenrads 54 zu bilden.
Die rotierende elektrische Maschine 20 kann einen optionalen Kupplungsmechanismus (CPL) 60 enthalten, der so konfiguriert ist, dass er die Drehung des Rotors 30 von der Rotorachse 144 auf die angetriebene Last 26 überträgt (siehe 1). Der CPL 60 kann stromabwärts des Rotors 30 positioniert werden, d.h. mit dem Abtriebsglied 44 gekoppelt und so konfiguriert werden, dass die 2DOF-Bewegung des Rotors 30 in eine 1DOF-Bewegung übersetzt wird. Wie hier verwendet, beschreibt der Begriff „lDOF-Bewegung“ die Rotation des Abtriebsglieds 25 und der angeschlossenen angetriebenen Last 26 ohne begleitende Orbitalbewegung. Wenn die angetriebene Last 26 die oben erwähnte Antriebsachse oder die Antriebsräder 12 des in 1 dargestellten repräsentativen Kraftfahrzeugs 10 einschließt, treibt die 1DOF-Bewegung des Rotors 30 schließlich die Antriebsräder 12 an.
Für die Umsetzung der CPL 60 sind verschiedene Ausführungsformen denkbar, darunter auch, aber nicht nur, ein Oldham-Kopplungsmechanismus. Wie zu schätzen ist, verwenden Oldham-Kupplungen eine kompakte Anordnung von Scheiben, d.h. eine eingangsgekoppelte Scheibe, eine ausgangsgekoppelte Scheibe und eine rotierende mittlere Scheibe, die mit den eingangs- und ausgangsgekoppelten Scheiben durch eine passende Nut- und Federverbindung verbunden ist. Alternativ kann die im Zykloidenradsatz 52 von 2 gezeigte Pfosten-Loch-Konfiguration verwendet werden, oder es kann ein aus mehreren Stirnrädern aufgebauter Getriebezug an den gleichen Enden eingesetzt werden, wobei dies nur einige wenige Möglichkeiten zur Umsetzung des CPL 60 sind. Bestimmte Anwendungen sind denkbar, bei denen die Orbitalbewegung des Abtriebsgliedes 25 vorteilhaft genutzt wird, z.B. beim Mischen von Zement, beim Mischen eines Lebensmittelproduktes oder bei einer anderen Operation, bei der eine gleichzeitige Rotations- und Orbitalbewegung vorteilhaft ist. Andere mögliche Anwendungen können eine solche 2DOF-Bewegung nützlich finden, z.B. in Antriebssystemen bestimmter unbemannter Rover oder anderer Spezialfahrzeuge oder in Schleifmaschinen oder Waschmaschinen.
Unter kurzer Bezugnahme auf 3 und 4 wird die oben erwähnte 2DOF-Bewegung schematisch durch eine Bewegungssequenz dargestellt, die zum Zeitpunkt t = 0 beginnt und bis zu einem zukünftigen Zeitpunkt t = t+1 andauert. 3 zeigt ein Beispiel für eine zykloidale Bewegung, so dass der Rotor 30 eine radiale Drehbewegung innerhalb des umgebenden Stators 32 ausführt. Eine solche Bewegung wird durch die sich ändernde Position des momentanen Drehzentrums (COR) zwischen t = 0 und t = t+1 angezeigt. 4 zeigt eine Orbitalbewegung, so dass der Rotor 30 effektiv um die innere Umfangsfläche 132 des Stators 32 gleitet. Reine Drehbewegung, reine Umlaufbewegung oder Kombinationen von Dreh- und Umlaufbewegung können, wie oben erwähnt, in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden.
BETRIEBSSTEUERUNG: Die 5-8 zeigen den Betrieb der rotierenden elektrischen Maschine 20 zu einem Zeitpunkt, in dem die rotierende elektrische Maschine 20 unter Spitzenlast (5 und 7) und Teillast (6 und 8) arbeitet, wobei die 5 und 6 eine Betriebsart mit Motor/positivem Drehmoment und die 7 und 8 eine Betriebsart mit generatorischem/negativem Drehmoment beschreiben. Die rotierende elektrische Maschine 20, die linke und rechte Hälften LH und RH in Bezug auf den augenblicklichen Drehpunkt (COR) hat, umfasst den oben erwähnten Rotor 30 und Stator 32, wobei der Rotor 30 in Bezug auf den Stator 32 exzentrisch ist. Der Stator 32 hat einen zylindrischen Statorkern 32C mit einer Innenumfangswand 132. Eine gleiche Anzahl von Statorzähnen 32T, die sich in jeder symmetrischen Hälfte LH und RH befinden, ragen von der inneren Umfangswand 132 radial in Richtung Rotor 30. Die Statornuten 32S, die zwischen benachbarten Statorzähnen 32T durch eine lamellierte Eisenstruktur des Stators 32 definiert sind, werden mit Kupferdraht- oder Stangensegmentleitern gewickelt, um die Statorelektromagneten 32M zu bilden, die dann nach der vorliegenden Methode nacheinander durch die Steuerung 50 erregt werden, um Stator-Magnetpole zu erzeugen.
Aufgrund der Exzentrizität des Rotors 30 bewirkt eine Orbitalbewegung des Rotors 30 radial im Stator 32 einen größeren Luftspalt an einer Stelle, die dem momentanen Drehzentrum (COR) der rotierenden elektrischen Maschine 20 diametral gegenüberliegt, d.h. dem Punkt, an dem der Stator-Rotor-Luftspalt minimiert ist, im Verhältnis zur Größe des Luftspalts in der Nähe des momentanen Drehzentrums. Die Steuerung 50 ist somit so konfiguriert, dass sie die Eingangssignale (Pfeil CC_I) von 1 empfängt, einschließlich eines Drehmomentbefehls, der ein gewünschtes Ausgangsdrehmoment (To) angibt, das Rotorpositionssignal (Pfeil θ_R), und die Stromsignale I_A, I_B und I_C in der nicht einschränkenden Dreiphasenverkörperung. Als Reaktion auf die Eingangssignale identifiziert die Steuerung 50 einen optimalen Statorpol oder ein optimales Statorpolpaar, das sich in der Nähe des momentanen Drehzentrums (COR) der rotierenden elektrischen Maschine 20 befindet, und erregt mindestens den optimalen Statorpol oder das optimale Statorpolpaar über das PIM 24, bevor er einen anderen Statorpol oder ein anderes Statorpolpaar des Stators 32 erregt.
Bei Spitzenlast- und Teillastmotorbetrieb, abgekürzt MTR-PK und MTR-PL in 5 bzw. 6, werden die Statorwicklungen oder Spulen, die die Elektromagnete 32M in der linken Hälfte (LH)/symmetrischen Ebene bilden, so erregt, dass das Ausgangsdrehmoment (Pfeil T) und die Drehzahl (ω) sind in die gleiche Richtung. Ebenso werden während eines Regenerationsmodus die Statorspulen, die die in der rechten Hälfte (RH) oder in der symmetrischen Ebene befindlichen Elektromagnete 32M bilden, so erregt, dass Drehmoment (Pfeil T) und Drehzahl (ω) sind in entgegengesetzter Richtung, wobei in 7 die Spitzenregeneration (REGEN-PK) dargestellt ist und alle Stator-Elektromagneten 32M auf der rechten Hälfte (RH) erregt sind, und die Teillast-Regeneration (REGEN-PT) in 8 mit einem solchen Stator-Elektromagneten 32M erregt ist. Die Steuerung 50 variiert also bei der Steuerung der elektrischen Maschine 20 zwischen Voll- und Teillastbetrieb und bestimmt in Echtzeit, welche der verschiedenen Statorwicklungen oder Polpaare einzuschalten sind, sowie wann sie einzuschalten und wann sie zu entmagnetisieren oder umzuwandeln sind.
Die Statorwicklung für eine bestimmte elektrische Phase kann in einigen Ausführungen mehr als einen Statorschlitz 32S umfassen. Die Anzahl solcher Statorschlitze 32S bleibt ein Vielfaches der Anzahl der elektrischen Phasen. Auch durch die Verwendung einer vorgegebenen Wicklungsrichtung der Statorwicklungen in Bezug auf die Statorzähne 32T oder die Art und Weise, wie die Wicklungen elektrisch erregt werden, wechseln die einzelnen Pole des Stators 32 auf dem Umfang des Stators 32 zwischen Nord (N) und Süd (S) ab.
Unter der Annahme, dass die Mitte des Stators 32 der Scheitelpunkt ist, wird für eine gegebene Position des Rotors 30 jeder der Statorpole 32P in einem Winkel angeordnet, der sich auf die 13A und 13B bezieht θ in Bezug auf den momentanen Drehmittelpunkt (COR), wobei die abgebildeten Anordnungen einen Referenzstatorpol 32P oben in 13A und 13B für zwei verschiedene momentane Drehmittelpunkte (COR) zeigen, für die θ ist gleich 90° bzw. 180°. Ein Strahl des Winkels θ erstreckt sich in Richtung des momentanen Rotationszentrums (COR). Der andere Strahl erstreckt sich in Richtung des Mittelpunkts des Referenzstator-Magnetpols 32P.
Dementsprechend wird das von einem Statorpol 32P erzeugte Drehmoment, wobei 0° < θ < 180°, und das von den Statorpolen erzeugte Drehmoment, wobei -180° < θ < 0°, haben entgegengesetzte Polaritäten. Darüber hinaus steigt das von den jeweiligen Statorpolen 32P erzeugte Drehmoment wie folgt |θ| nimmt ab, bis das Drehmoment bei einem bestimmten Winkel, der anhand von Maschinenparametern, z.B. der Statorpolzahl 32P und der Luftspaltfunktion, bestimmt werden konnte, einen Spitzenwert erreicht.
9-12 zeigen den Betrieb einer zwölfphasigen rotierenden elektrischen Maschine 120 unter progressiv ansteigenden Lasten oder Drehmomentanforderungen, wobei die zwölf Phasen zur Verdeutlichung mit Ph-1, Ph2, ..., Ph-12 bezeichnet sind. In Bezug auf den momentanen Drehpunkt (COR) der in gezeigten rotierenden elektrischen Maschine 120 kann man einen Beispielfall betrachten, in dem die 7. und 8. Phase (Ph-7 und Ph-8) von θ = 0°, d.h. der augenblickliche Drehpunkt (COR) liegt auf der gegenüberliegenden Seite der durch die entsprechenden Statorspulen gebildeten Magnetflussschleife, d.h. beim maximalen Luftspalt, auf θ = 180°, d.h. das augenblickliche Drehzentrum (COR) liegt genau in der Mitte der magnetischen Flussschleife, d.h. der Luftspalt ist am geringsten. In einem solchen Fall wird der Teil der Drehmomentkurve 80, der den Phasen „7 + 8“ entspricht, auf dem Abtriebsglied 25 erzeugt. Die glattere Drehmomentkurve 82 wird erzeugt, sobald die Steuerung 50 mit den Kommutierungsphasen beginnt.
TEILLASTBEDINGUNGEN: Wie zu schätzen ist, zeigt 10 die Anregung unter Teillastbedingungen („P-L“) für eine halbe Umdrehung. Um sich über die vollen 360° einer einzigen Umdrehung zu erstrecken, würde 10 so erweitert, dass die Drehmomentkurve 80 für die Phasenkombinationen 8 + 9, 9 + 10, ...12 + 1 weitergeht, bis die Phasenkombination 1 + 2 wie gezeigt wiederholt wird. Der Winkel (θ) stellt wiederum den Winkel jedes Statorpols in Bezug auf den momentanen Drehpunkt (COR) der rotierenden elektrischen Maschine 20 dar. Der Begriff des Stromblechwinkels, wie er hier verwendet wird, ist somit der besondere Winkel oder die Überstreichungsrichtung, die die gesamte Spannweite der erregten Statorspulen zu einem bestimmten Zeitpunkt abdeckt. So entspricht bei einer hypothetischen elektrischen Rotationsmaschine mit unendlich vielen Phasen ein Blattwinkel von 0° dem Leerlaufbetrieb und ein Blattwinkel von 180° dem Spitzenlastbetrieb.
In Bezug auf den Teillastzustand, wie er in 10 dargestellt ist, gilt für eine gegebene Exzentrizität (e) ein Mindestluftspalt von g₀ und eine Anzahl von Statorschlitzen 32S vonNs: $T \sim \frac{c o s \frac{π}{N_{S}} sin (θ + \frac{π}{N_{S}})}{{(2 g_{0} - 2 e (cos (θ + \frac{π}{N_{S}}) cos (\frac{π}{N_{S}}) - 1))}^{2}}$
Der Winkel, bei dem das Drehmoment seinen Höhepunkt erreicht, d.h. θ_max, kann von der Steuerung 50 berechnet werden, indem die Ableitung des Drehmoments in Bezug auf den Winkel θ genommen wird. 10 stellt somit die Drehmomentbeiträge jeder Statorspule über eine mechanische Spannweite von 180° dar, wobei die glattere Drehmomentkurve 82 letztlich erzeugt wird, wenn die Steuerung 50 die volle Anzahl der verfügbaren Phasen durchschaltet.
Der Beginn des Kommutierungswinkels der Phasen wird von der Steuerung 50 auf der Grundlage der oben genannten Formulierung und auf der Grundlage von Kalibrierdaten für die jeweils zu steuernde elektrische Maschine 120 bestimmt. Für den Teillastbetrieb, der von der Steuerung 50 erkannt werden kann, wenn die gemessenen Ströme unter einem kalibrierten Maximum liegen, wird jede Spule für eine Zeitspanne von 2π/PH erregt oder eingeschaltet, wobei PH die Anzahl der Phasen ist. Die Phase allein kann eingeschaltet werden, oder dies kann in Verbindung mit einer benachbarten Phase geschehen. Wenn die Anregung in Verbindung mit einer benachbarten Phase erfolgt, ist jede Phase für 4π/PH, kommutierend 2π/PH mit der Phase, die in 9 unmittelbar rechts sitzt und weitere 2π/PH kommutiert mit der unmittelbar links sitzenden Phase.
Die offenbarte Regelungsstrategie ermöglicht die Erzeugung des Basisniveaus oder des durchschnittlichen Ausgangsdrehmoments (T_avg), wie über eine Drehmomentspur 80 in 10 als jeweiliger Winkel dargestellt. θ jeder Statorspule zum augenblicklichen Drehpunkt (COR) ändert sich von 0° in Richtung und über 180° hinaus, mit progressiv wechselnden Kombinationen von unmittelbar benachbarten Phasen, d.h. Phase 1 + 2, 2 + 3, ..., 7 + 8, usw. , da die Steuerung 50 die Statorphasen sequentiell erregt. Die sich aus den Drehmomentbeiträgen solcher Phasenpaare ergebenden Kurven werden durch die Drehmomentkurve 80 mit ihrem durchschnittlichen Ausgangsdrehmoment (T_avg) dargestellt. Da die Steuerung 50 mit der Kenntnis der aktuellen Rotorposition relativ zum momentanen Drehzentrum im Hinblick auf die Echtzeitmessungen des Positionssensors S_P aus 1 bewaffnet ist, wird die anfänglich erregte Phase zu Beginn der Rotation als die Phase oder Phasen bestimmt, die in nächster Nähe zum oben genannten Drehzentrum liegen.
TRANSITION: 11 zeigt eine Drehmomentkurve 180, die die Regelung der elektrischen Maschine 120 für den MTPA-Betrieb unter steigenden, aber noch Teillastbedingungen beschreibt, d.h. eine Übergangsstufe („TRANS“) zwischen den Teillastbedingungen von 10 und den Spitzenlastbedingungen von 12. Wenn der Drehmomentbefehl an die rotierende elektrische Maschine 120 zunimmt und einen Drehmomentbeitrag über dem Grundniveau des Drehmoments (T_b) erfordert, das die rotierende elektrische Maschine 120 von 9 erzeugen kann, wird die Erregungsdauer jeder Statorspule allmählich erhöht, um $\frac{2 π}{PH}$
oder $\frac{4 π}{PH}$
je nachdem, ob eine einzelne Phase oder zwei benachbarte Phasen unter Spannung stehen, wie oben erwähnt. Die intermittierende Erregung von vier Polpaaren in dieser Verkörperung liefert eine vorübergehende Drehmomentverstärkung, wie die Spuren 181 zeigen. Hier ist das Grunddrehmoment (T_b) das durchschnittliche Drehmoment, wenn der Erregungswinkel des Stators 32 maximal ist. Die zeitliche Überlappung zwischen den Phasen nimmt mit dem Drehmomentbefehl zu, was letztlich dazu führt, dass alle Phasen in einer bestimmten symmetrischen Hälfte (LH oder RH) der elektrischen Maschine 120 des Beispiels aus 12 gleichzeitig gezündet werden, um das Spitzendrehmoment zu erreichen. Eine glattere Drehmomentkurve 182 wird schließlich erzeugt, wenn die Steuerung 50 die gesamte Palette der verfügbaren Phasen durchschaltet.
So kann die Steuerung 50 bei einem steigenden Drehmomentbefehl kurz vor der Spitzenlast so konfiguriert werden, dass er abwechselnd zwei Statorphasen und ein Vielfaches davon, z.B. vier Statorphasen, erregt, wenn der Winkel des Stromblechs von 0° auf 180° ansteigt, um einen transienten Drehmomentbeitrag zu liefern (Spur 181). In 11, zum Beispiel, bei einem Winkel von θ = 0° und der Einleitung der Erregung des Pol- oder Phasenpaares 1 + 2, das dem momentanen Drehzentrum am nächsten liegt, während der Rotor 30 nach links rollt und sich der Blattwinkel ändert, erregt die Steuerung 50 die Phasen 1 - 4 für die hier beschriebene Zeitspanne, um den Drehmomentbeitrag (Spur 181) als Drehmomentanhebung zu liefern, dann erregt er das Polpaar 2 + 3, gefolgt von den Phasen 2 - 5 usw. So wechselt die Steuerung 50 für eine zwölfphasige Ausführung beispielsweise zwischen der Versorgung von zwei und vier Phasen.
SPITZENLASTBEDINGUNGEN: 12 zeigt einen solchen Spitzenlastbetrieb („PK-L“) für dasselbe nicht begrenzende Beispiel einer zwölfphasigen elektrischen Maschine 120, wobei die Leistung als Spur 280 dargestellt wird. Dies wird erreicht, indem alle Statorspulen, die sich in der Halbebene befinden, in Walzrichtung (gleiche Geschwindigkeits- und Drehmomentrichtung) für einen Motorbetrieb erregt werden. Für m Phasen fällt daher der Spitzenlast-/Spitzendrehmomentbetrieb mit der Erregung von $\frac{m}{2}$
Phasen in 12, wobei im Teillastbetrieb (10) nur zwei Phasen zu einem bestimmten Zeitpunkt eingeschaltet werden und zwischen zwei und weniger als $\frac{m}{2}$
Phasen, z.B, $\frac{m}{3}$
Phasen, die unter dem Beispiel der Übergangsphase der 11.
Für eine optimale magnetische Leistung in den rotierenden elektrischen Maschinen 20 und 120 von 5-9 sollten die Statorwicklungen auf zwei aufeinanderfolgenden Statornuten 32S so gewickelt werden, dass sie bei Erregung entgegengesetzte magnetische Polaritäten bilden, d.h. abwechselnd Nord- (N) und Südpole (S) um den Umfang des Stators 32. Die Anzahl der gleichzeitig ausgeführten Spulen und deren Ein-/Ausschaltwinkel können auf der Grundlage der Rotorposition, des Drehmomentbefehls und des Betriebsmodus optimiert werden, um die Verluste zu minimieren und eine dynamische Steuerung wie oben beschrieben zu erreichen. Wie oben erwähnt, erzeugen die an die Halbebene angrenzenden Pole, bei denen der Luftspalt minimal ist, das größere Drehmoment.
Ein Verfahren zur Steuerung einer zykloidalen elektrischen Maschine mit der oben beschriebenen 2DOF-Bewegung wird für einen Fachmann im Hinblick auf die Offenbarung offensichtlich sein. Ein solches Verfahren kann für die Steuerung der hier beispielhaft beschriebenen Acht- und Zwölfphasenmaschinen 20 und 120 oder für Maschinen mit anderen Mengen von Statornutenschlitzen 32S, Wicklungen, Polen und Phasen verwendet werden. Ein solches Verfahren kann mit der Messung der Winkelposition des Rotors 30 unter Verwendung des Positionssensors _SP aus 1 beginnen und dann ein Rotorpositionssignal ausgeben, das die Winkelposition anzeigt.
Zusätzlich werden die Phasenströme zu den rotierenden elektrischen Maschinen 20 oder 120 über eine Vielzahl von Stromsensoren S_A, S_B, S_C gemessen, wobei diese Stromsignale die Phasenströme (I_A, I_B, I_C) anzeigen.
Als Teil des Verfahrens empfängt die Steuerung 50 die Eingangssignale (CC_I) von 1, einschließlich eines Drehmomentbefehls, des Rotorpositionssignals und der Stromsignale, und verwendet diese Informationen dann zur Identifizieren eines optimalen Statorpols oder Polpaares, das sich in der Nähe des momentanen Drehzentrums (COR) der rotierenden elektrischen Maschine 20 oder 120 befindet. Danach befiehlt die Steuerung 50 die Erregung des optimalen Statorpols oder Polpaares über das PIM 24 von 1, das mit der Steuerung 50 in Verbindung steht, eventuell vor der Erregung eines anderen Statorpols oder Polpaares des Stators. Unter Teillastbedingungen darf nur der optimale Statorpol oder das optimale Statorpolpaar erregt werden, insbesondere zu Beginn des Teillast- oder Lastzustandes. Der optimale Statorpol oder das optimale Statorpolpaar und jeder zweite Statorpol oder jedes zweite Statorpolpaar, die sich in einer bestimmten symmetrischen Hälfte der rotierenden elektrischen Maschine 20 oder 120 befinden, können während der Spitzenlast sequentiell erregt werden. Als Reaktion auf einen zunehmenden Drehmomentbefehl kann das Verfahren die Erhöhung der Erregungsdauer jeder der Statorspulen, die die Elektromagnete 32M bilden, auf über $\frac{2 π}{PH}$
oder $\frac{4 π}{PH}$
wie oben erwähnt, wobei die Steuerung 50 möglicherweise die Erregung von zwei Statorphasen mit der Erregung von vier Statorphasen in der hier beschriebenen zwölfphasigen Ausführung abwechselt.
Während einige der bevorzugten Ausführungsformen und andere Ausführungsformen ausführlich beschrieben wurden, gibt es verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen für die Ausübung der in den beigefügten Ansprüchen definierten gegenwärtigen Lehren. Diejenigen, die sich in dem Fachgebiet auskennen, werden erkennen, dass Änderungen an den offenbarten Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Darüber hinaus umfassen die vorliegenden Konzepte ausdrücklich Kombinationen und Unterkombinationen der beschriebenen Elemente und Merkmale. Die detaillierte Beschreibung und die Figuren sind unterstützend und beschreibend für die vorliegenden Lehren, wobei der Umfang der vorliegenden Lehren allein durch die Ansprüche definiert wird.

Claims

Ein elektrisches System, umfassend: einen Gleichstrom-DC-Spannungsbus; einen Wechselspannungs-AC-Bus; ein Wechselrichter-Modul, PIM, das an den Gleichspannungsbus und an den Wechselspannungsbus angeschlossen ist; eine mehrphasige zykloidale rotierende elektrische Maschine, die über den Wechselspannungsbus mit dem PIM verbunden ist und einen Stator und einen Rotor mit jeweiligen Stator- und Rotorachsen aufweist, wobei die Rotorachse in Bezug auf die Statorachse exzentrisch ist, ein Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor definiert ist, der an einem momentanen Drehzentrum des Rotors kleiner ist als anderswo um einen Umfang des Rotors, und der Rotor sich mit zwei Freiheitsgraden, 2DOF, bewegt, wobei die 2DOF eine Drehbewegung um die Rotorachse und eine Umlaufbewegung um die Statorachse einschließen; einen Positionssensor, der so konfiguriert ist, dass er eine Winkelposition des Rotors misst und ein Rotorpositionssignal ausgibt, das die Winkelposition anzeigt; eine Vielzahl von Stromsensoren, die an den Wechselspannungsbus angeschlossen und so konfiguriert sind, dass sie Phasenströme an die rotierende elektrische Maschine messen und einen Satz von Stromsignalen ausgeben, die die Phasenströme anzeigen; und eine Steuerung, die so konfiguriert ist, dass sie einen Satz von Eingangssignalen, einschließlich eines Drehmomentbefehls, des Rotorpositionssignals und des Satzes von Stromsignalen, empfängt und auf den Empfang der Eingangssignale reagiert: einen optimalen Statorpol oder ein optimales Statorpolpaar in der Nähe des momentanen Drehzentrums der rotierenden elektrischen Maschine zu identifizieren; und den optimalen Statorpol oder das optimale Statorpolpaar über das PIM erregen, bevor ein anderer Statorpol oder ein anderes Statorpolpaar erregt wird, um ein maximales Drehmoment pro Stromeinheit zu erzeugen.
Das elektrische System nach Anspruch 1, wobei die Steuerung so konfiguriert ist, dass sie auf der Grundlage der Stromsignale bestimmt, wann eine Betriebsart der rotierenden elektrischen Maschine ein Zustand mit teilweisem Drehmoment ist, und nur den optimalen Statorpol oder das optimale Statorpolpaar erregt.
Das elektrische System nach Anspruch 1, wobei die Steuerung so konfiguriert ist, dass sie auf der Grundlage der Stromsignale bestimmt, wann eine aktuelle Betriebsart ein Zustand mit hohem Drehmoment ist, und dass sie nacheinander den optimalen Statorpol oder das optimale Statorpolpaar und jeden anderen Statorpol oder jedes andere Statorpolpaar, die sich in einer gegebenen symmetrischen Hälfte der rotierenden elektrischen Maschine befinden, so erregt, dass die Steuerung die Hälfte der m Phasen unter dem Zustand mit hohem Drehmoment erregt, wenn die rotierende elektrische Maschine m Phasen hat
Das elektrische System nach Anspruch 1, wobei die rotierende elektrische Maschine eine zykloidale Reluktanzmaschine mit mindestens acht Phasen ist.
Das elektrische System nach Anspruch 4, wobei die zykloidale Reluktanzmaschine mindestens zwölf Phasen hat.
Das elektrische System nach Anspruch 1, das ferner einen stromabwärts gelegenen Kupplungsmechanismus umfasst, der mit dem Rotor und einer angetriebenen Last gekoppelt und so konfiguriert ist, dass er die 2DOF in 1DOF übersetzt, wobei die 1DOF die Drehbewegung ohne die Umlaufbewegung ist.
Das elektrische System nach Anspruch 6, wobei die angetriebene Last eine Antriebsachse eines Fahrzeugs ist.
Das elektrische System nach Anspruch 1, wobei die Steuerung so konfiguriert ist, dass sie als Reaktion auf einen Befehl für ein zunehmendes Drehmoment eine Erregungsperiode jeder der Statorphasen so weit erhöht, dass sie die Gesamtanzahl der Statorphasen in der rotierenden elektrischen Maschine überschreitet, wobei PH eine Gesamtzahl der Statorphasen in der rotierenden elektrischen Maschine ist.
Das elektrische System nach Anspruch 8, wobei die Steuerung so konfiguriert ist, dass sie auf einen zunehmenden Drehmomentbefehl, wie er durch die Eingangssignale angezeigt wird, die einen Übergang zwischen einem Teillastbetriebszustand und einem Spitzenlastbetriebszustand anzeigen, reagiert, um abwechselnd mindestens zwei der Statorphasen zu erregen und ein Vielfaches der mindestens zwei Statorphasen zu erregen.
Ein Verfahren zum Steuern einer zykloidalen elektrischen Maschine mit einem Stator und einem Rotor mit entsprechenden Stator- und Rotorachsen, wobei die Rotorachse in Bezug auf die Statorachse exzentrisch ist, ein Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor definiert ist, der an einem momentanen Drehzentrum des Rotors kleiner ist als anderswo um einen Umfang des Rotors, und der Rotor sich mit zwei Freiheitsgraden, 2DOF, bewegt, wobei die 2DOF eine Drehbewegung um die Rotorachse und eine Umlaufbewegung um die Statorachse einschließt, wobei das Verfahren umfasst: Messen einer Winkelposition des Rotors mit einem Positionssensor und die Ausgabe eines Rotorpositionssignals, das die Winkelposition anzeigt; Messen von Phasenströmen an die elektrische Maschine über eine Vielzahl von Stromsensoren und Ausgabe von Stromsignalen, die die Phasenströme anzeigen; Empfangen eines Satzes von Eingangssignalen über eine Steuerung, einschließlich eines Drehmomentbefehls, des Rotorpositionssignals und der Stromsignale; Identifizieren eines optimalen Statorpols oder Polpaares, das aus Statorspulen gebildet wird, die sich in der Nähe des momentanen Drehzentrums der elektrischen Maschine befinden, über die Steuerung auf der Grundlage der Eingangssignale; und Erregen des optimalen Statorpols oder Polpaares über ein Leistungsumrichtermodul in Kommunikation mit der Steuerung, bevor ein anderer Statorpol oder ein anderes Statorpaar des Stators erregt wird.