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Die vorliegende Erfindung betrifft eine reluktanzdominierte elektrische Maschine und ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen elektrischen Maschine. Dass die elektrische Maschine reluktanzdominiert ist, bedeutet vorliegend, dass in ihrem Betrieb Reluktanzeffekte überwiegen, also beispielsweise ein Großteil eines im Betrieb erzeugten Drehmoments durch die Reluktanzkraft - und damit also nicht durch die Lorentzkraft - erzeugt wird.
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Elektrische Maschinen sind zwar grundsätzlich bereits seit langer Zeit bekannt, werden aber nach wie vor in vielerlei technischen Gebieten und Anwendungen eingesetzt. Nicht zuletzt im Bereich der Fahrzeugtechnik finden elektrische Maschinen und elektrische Antriebe heutzutage zunehmende Verbreitung. Daher besteht auch weiterhin ein großes Interesse an Verbesserungen und Weiterentwicklungen.
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Dies gilt auch für Reluktanzmaschinen, also reluktanzbasierte oder reluktanzdominierte elektrische Maschinen. Als einen Ansatz dazu beschreibt die
US 4,868,477 B ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines Drehmoments eines variablen Reluktanzmotors. Dabei sind Mittel vorgesehen zum Erkennen einer Winkelstellung eines Rotors des Motors relativ zu dessen Stator, zum Bereitstellen eines Drehmomentsteuersignals, das ein gewünschtes Drehmoment des Motors repräsentiert, und zum Generieren einer Vielzahl von Drehmomentwellenformen für jede mit dem Motor assoziierte Phase. Diese Drehmomentwellenformen korrespondieren dabei zu dem von dem tatsächlichen Motor aus einem elektrischen Strom vorgegebener konstanter Größe erzeugten Drehmoment. Anhand der Drehmomentwellenformen wird eine Tabelle von Werten bereitgestellt, welche die Größe des Stroms bei jeder sensierten Winkelstellung repräsentieren und zu dem tatsächlichen von dem Motor in Reaktion auf diesen Strom erzeugten Drehmoment korrespondieren. Ein Strom mit der durch die sensierte Winkelstellung und das Drehmomentsteuersignal definierten Größe wird dann an den Motor bereitgestellt, damit dieser ein Drehmoment erzeugt, das dem gewünschten Drehmoment bei jeder sensierten Winkelstellung entspricht und eine flache, welligkeitsfreie Antwortcharakteristik hat.
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Ein Anwendungsbeispiel für einen Elektromotor im Fahrzeugbereich ist aus der
DE 10 2007 038 902 A1 bekannt. Dort ist ein elektrisches Lenkhilfesystem mit lenkgetriebegehäusegekoppeltem Elektromotor beschrieben. Der Elektromotor ist dort innerhalb eines Lenkgetriebegehäuses oder am Lenkgetriebegehäuse befestigt und mit einer im Lenkgetriebegehäuse positionierten Zahnstange über einen Drehmomentwandler direkt gekoppelt. Der Elektromotor kann dabei eine Vielzahl von Ausnehmungen aufweisen, die ringförmig um eine Rotorwelle verteilt angeordnet sein können. In diesen Ausnehmungen können Permanentmagnete angeordnet sein und zwischen zwei Ausnehmungen kann eine jeweilige Flussbrücke vorgesehen sein. Durch die Permanentmagnete werden Pole des Rotors gebildet, während durch die Flussbrücken eine Abgabeleistung des Elektromotors gesteigert werden soll.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte reluktanzdominierte elektrische Maschine zu schaffen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen, in der Beschreibung und in der Zeichnung angegeben.
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Eine erfindungsgemäße reluktanzdominierte elektrische Maschine weist einen Stator mit einer Statorwicklung und einen Rotor auf, der von dem Stator durch einen Luftspalt beabstandet ist. Der Rotor und der Stator sind dabei konzentrisch oder koaxial bezüglich einer zentralen Drehachse der elektrischen Maschine bzw. des Rotors angeordnet. Entlang dieser zentralen Drehachse kann beispielsweise eine durch die elektrische Maschine anzutreibende Welle angeordnet sein oder werden. Diese Welle kann Teil der elektrischen Maschine oder ein separates Bauteil sein. Erfindungsgemäß weist der Rotor in seinem Aktivmaterial mehrere Taschen auf, in denen wenigstens eine um einen Abschnitt des Aktivmaterials des Rotors gewickelte Erregerhilfsspule angeordnet ist. Diese Erregerhilfsspule dient, ist also eingerichtet oder ausgebildet zum Erzeugen eines magnetischen Erregerhilfsfeldes, das ein - im Betrieb der elektrischen Maschine bzw. bei Bestromung der Statorwicklung - durch die Statorwicklung in dem von der Erregerhilfsspule umgebenen Abschnitt erzeugtes Magnetfeld überlagert. Das Aktivmaterial des Rotors kann beispielsweise zumindest großteils Eisen oder ein Eisenmaterial sein und kann zur Führung eines Magnetfelds, also entsprechender Feldlinien oder eines magnetischen Flusses, dienen. Die in diesem Aktivmaterial angeordneten Taschen stellen Ausnehmungen dar, die auch als Magnet- oder Spulentaschen bezeichnet werden können. Die Taschen bilden also in dem Aktivmaterial des Rotors Kavitäten, die bei einer Fertigung der elektrischen Maschine zumindest teilweise durch die wenigstens eine Erregerhilfsspule ausgefüllt werden. Verbleibende, also nicht von der wenigstens einen Erregerhilfsspule eingenommene Bereiche oder Teile dieser Taschen können dann Kavitäten in dem fertigen Rotor der elektrischen Maschine bilden.
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Da Magnetfelder oder magnetische Flüsse in dem Aktivmaterial des Rotors bis an den Luftspalt geführt werden können, kann durch das Erregerhilfsfeld nicht nur das sich im Betrieb der elektrischen Maschine in dem Rotor ausbildende Magnetfeld, sondern auch ein sich ergebendes magnetisches Feld bzw. ein sich ergebender magnetischer Fluss oder eine magnetische Durchflutung in dem Luftspalt beeinflusst werden. Durch die hier vorgesehene Erregerhilfsspule wird also ein zusätzlicher Freiheitsgrad zum Beeinflussen von Eigenschaften oder eines Betriebs der elektrischen Maschine geschaffen, die ansonsten beispielsweise einer herkömmlichen Reluktanzmaschine entsprechen kann. Damit wird vorteilhaft ein besonders flexibles, insgesamt verbessertes Betriebsverhalten der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine im Vergleich zu herkömmlichen Reluktanzmaschinen ermöglicht.
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Herkömmliche elektrische Reluktanzmaschinen besitzen typischerweise keine Rotorfelderregung. Sie erreichen eine Umwandlung zwischen elektrischer und mechanischer Leistung mithilfe von Reluktanzeffekten. Dabei werden unterschiedliche magnetische Widerstände im Rotor sowie das Bestreben von elektromagnetischen Feldern bzw. Anordnungen nach einem energieminimalen Zustand ausgenutzt, um eine Rotation und ein Drehmoment des Rotors zu bewirken. Dieser Effekt ist jedoch im Vergleich zu elektrisch oder permanent erregten Synchronmaschinen schwächer, sodass herkömmliche Reluktanzmaschinen üblicherweise bei gleichem Bauvolumen ein geringeres Drehmoment bzw. eine geringere Leistungsdichte aufweisen. Zudem können herkömmliche Reluktanzmaschinen eine relativ große Drehmomentwelligkeit aufweisen.
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Diese Nachteile können durch die vorliegende Erfindung zumindest teilweise ausgeglichen werden. Damit können vorliegend erfindungsgemäße reluktanzdominierte elektrische Maschinen künftig auch in Bereichen oder Anwendungen eingesetzt werden, die relativ hohe Anforderungen stellen, beispielsweise bezüglich einer Leistungsfähigkeit, eines Gesamt- oder Leistungsgewichts, eines Bauraumbedarfs, einer Drehmomentwelligkeit und/oder dergleichen mehr. Eine erfindungsgemäße reluktanzdominierte elektrische Maschine kann somit im Fahrzeugbereich beispielsweise als Traktionsmotor oder als Hilfsantrieb eingesetzt werden. Auch ein Einsatz der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine beispielsweise in Produktionsmaschinen oder Anlagen zur Erzeugung regenerativer Energie ist möglich.
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Ebenso können durch die vorliegende Erfindung beispielsweise bisher vorgesehene Kombinationen einer Hauptmaschine und einer Hilfsmaschine in einer einzigen elektrischen Maschine kombiniert bzw. durch eine einzige erfindungsgemäße elektrische Maschine ersetzt werden. Dies ist der Fall, da durch die Erregerhilfsspule bzw. den durch diese bereitgestellten zusätzlichen Freiheitsgrad eine sonst durch eine separate Hilfsmaschine realisierte Unterstützung oder Beeinflussung eines Betriebs realisiert werden kann. Trotz der erfindungsgemäß vorgesehenen Erregerhilfsspule kann die erfindungsgemäße elektrische Maschine gegebenenfalls einen einfacheren und robusteren Aufbau aufweisen als herkömmliche lorentzkraftdominierte Synchronmaschinen, wodurch letztlich Kosten und Aufwand eingespart und/oder eine Betriebszuverlässigkeit erhöht werden können.
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Die Erregerhilfsspule kann beispielsweise über Schleifkontakte oder dergleichen gespeist, also elektrisch versorgt werden. Im Vergleich zu den Rotorspulen herkömmlicher elektrisch erregter Synchronmaschinen kann die Erregerhilfsspule jedoch beispielsweise kleiner oder leichter ausgelegt werden und/oder es kann beispielsweise auf ein Kühlsystem verzichtet oder ein solches weniger aufwendig ausgelegt werden. Dies wird weiter unten noch näher erläutert.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Erregerhilfsspule - oder wenigstens eine von gegebenenfalls mehreren entsprechenden Erregerhilfsspulen der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine - um einen tangential zu einer zentralen Wellenaufnahme der elektrischen Maschine orientierten Abschnitt des Aktivmaterials des Rotors gewickelt, also angeordnet. An diesen tangential orientierten Abschnitt des Aktivmaterials können sich beispielsweise - in einer senkrecht zu der zentralen Wellenaufnahme bzw. der darin verlaufenden zentralen Drehachse des Rotors stehenden Querschnittsebene betrachtet - schräg stehende oder radial verlaufende weitere Abschnitte des Aktivmaterials anschließen. Die hier vorgeschlagene Anordnung der Erregerhilfsspule an dem tangential orientierten Abschnitt ermöglicht vorteilhaft auf besonders einfache Weise eine besonders symmetrische Ausbildung des durch die Erregerhilfsspule erzeugten magnetischen Erregerhilfsfeldes, also eine entsprechend symmetrische Beeinflussung des Statorfelds bzw. des effektiven Felds in dem Luftspalt.
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Die Taschen, in denen die Erregerhilfsspule angeordnet ist, können dann radial innenseitig und radial außenseitig unmittelbar an den tangential orientierten Abschnitt anschließend angeordnet sein. Dabei kann bevorzugt eine von der zentralen Drehachse bzw. der zentralen Wellenaufnahme in der Querschnittsebene radial nach außen verlaufende Radiallinie mittig durch die Erregerhilfsspule sowie bevorzugt mittig durch den tangential orientierten Abschnitt verlaufen. Dadurch kann ein besonders laufruhiger Betrieb der elektrischen Maschine erreicht werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Erregerhilfsspule dazu eingerichtet, einen Hauptfluss des Erregerhilfsfeldes, also einen Hauptanteil eines im Betrieb durch die Erregerhilfsspule erzeugten magnetischen Flusses, in dem von der Erregerhilfsspule umgebenen Abschnitt des Aktivmaterials des Rotors in derjenigen Orientierung oder Ausrichtung zu erzeugen, die auch ein durch die Statorwicklung im Betrieb der elektrischen Maschine erzeugtes Statorfeld in diesem Abschnitt des Aktivmaterials des Rotors aufweist. Dies kann zumindest in der genannten senkrecht zur zentralen Drehachse des Rotors stehenden Querschnittsebene gelten. Dass die Erregerhilfsspule zur Erzeugung des Hauptflusses in der genannten Orientierung eingerichtet ist, kann hier beispielsweise bedeuten, dass die Erregerhilfsspule entsprechend ausgerichtet oder angeordnet und mit entsprechender Polarität elektrisch angeschlossen oder kontaktiert ist. Damit ergibt sich im Betrieb der elektrischen Maschine also eine positive Überlagerung oder Superposition des Statorfeldes in dem Rotor und des Erregerhilfsfeldes und somit eine Verstärkung des effektiven, also überlagerten Feldes in dem von der Erregerhilfsspule umgebenen Abschnitt des Aktivmaterials - und als Resultat auch in dem Luftspalt. Dementsprechend kann das in dieser Orientierung erzeugte Erregerhilfsfeld dann auch als Verstärkerfeld bzw. die Erregerhilfsspule als Verstärkerspule bezeichnet werden. Damit kann durch Aktivierung oder Bestromung der Erregerhilfsspule also ein verstärktes Magnetfeld bzw. ein größerer magnetischer Fluss erzeugt und somit beispielsweise ein höheres Drehmoment erzeugt oder gewandelt werden. Die Erregerhilfsspule kann somit zur - zumindest zeitweisen oder situationsabhängigen - Unterstützung oder Leistungssteigerung (Boost) der elektrischen Maschine eingesetzt werden. Damit können zumindest kurzfristig oder vorübergehend durch entsprechend zeitlich begrenzte Aktivierung oder Bestromung der Erregerhilfsspule entsprechende Leistungs- oder Drehmomentspitzen erzeugt bzw. entsprechende Spitzen in einer Leistungsanforderung, also einem angeforderten Leistungsbedarf, bedient werden. Somit kann auf vergleichsweise einfache, kostengünstige und gewichtssparende Weise eine entsprechend verbesserte Dynamik im Betrieb der elektrischen Maschine erreicht sowie gegebenenfalls ein besonders breites Anwendungsspektrum durch die erfindungsgemäße elektrische Maschine bedient oder abgedeckt werden
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die elektrische Maschine dazu eingerichtet, die Erregerhilfsspule in zwei unterschiedlichen Richtungen, also mit zwei entgegengesetzten Polaritäten, zu bestromen, also anzusteuern. Dazu können beispielsweise entsprechende elektrische Einrichtungen, Schaltelemente, Anschlüsse, Leitungen und/oder dergleichen mehr als Teil der elektrischen Maschine vorgesehen sein, um ein gesteuertes bzw. bedarfsgerechtes, insbesondere automatisches, Umschalten zwischen den beiden Bestromungsrichtungen oder Polaritäten zu ermöglichen. Dies kann insbesondere im Betrieb der elektrischen Maschine automatisch gesteuert erfolgen, beispielsweise durch ein entsprechend eingerichtetes Steuergerät oder eine Schaltung der elektrischen Maschine. Das Umschalten zwischen den beiden Bestromungsrichtungen oder Polaritäten kann dabei bevorzugt graduell erfolgen oder durchgeführt werden. Mit anderen Worten kann also ein die Erregerhilfsspule in einer Richtung durchfließender Strom anstelle einer abrupten oder sprunghaften Abschaltung zunächst graduell, also mit einer kleineren Veränderungsrate, reduziert und dann in der entgegengesetzten Richtung graduell aufgebaut oder erhöht werden. Dadurch kann eine Belastung der elektrischen Maschine reduziert werden.
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Durch die Möglichkeit, zwischen den verschiedenen Bestromungsrichtungen oder Polaritäten umzuschalten, kann in der einen Bestromungsrichtung wie beschrieben ein unterstützendes, also insgesamt höheres Drehmoment erzeugt werden. Zusätzlich kann aber in der anderen Bestromungsrichtung, also mit der entsprechend entgegengesetzten Polarität, ein Feldschwächebetrieb der elektrischen Maschine besonders effektiv ermöglicht werden. Dazu kann das durch die Statorwicklung in dem Rotor bzw. in dem Luftspalt erzeugte Magnetfeld durch das mittels der Erregerhilfsspule in entgegengesetzter Orientierung erzeugte Erregerhilfsfeld geschwächt oder verdrängt werden. Dadurch kann effektiv durch entsprechende Bestromung oder Aktivierung der Erregerhilfsspule beispielsweise ein Bremsmoment erzeugt oder eingeleitet werden. Diese beiden Betriebsarten werden dabei vorteilhaft durch oder unter Verwendung desselben Bauteils, nämlich der einen Erregerhilfsspule und damit besonders effizient ermöglicht.
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Durch die Umschaltung der Bestromungsrichtung oder Polarität der Erregerhilfsspule kann letztlich eine weiter verbesserte Dynamik und somit ein verbessertes oder flexibleres Betriebsverhalten der elektrischen Maschine realisiert werden. Zudem kann eine besonders genaue oder besonders fein abgestimmte bzw. besonders fein abgestufte Steuerung oder Einstellung des von der elektrischen Maschine erzeugten Drehmoments erreicht werden. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn ein zum Bestromen der Erregerhilfsspule verwendeter Erregerhilfsspulenstrom kleiner als ein zum Bestromen der Statorwicklung verwendeter Strom ist, da kleinere Ströme oftmals einfacher oder genauer und mit weniger Belastung und/oder weniger Aufwand eingestellt oder geschaltet werden können.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die elektrische Maschine mehrere Erregerhilfsspulen auf, die räumlich verteilt in dem Rotor, insbesondere in verschiedenen Taschen des Rotors, angeordnet sind. Diese mehreren Erregerhilfsspulen können wie die beschriebene wenigstens eine Erregerhilfsspule agieren bzw. eingerichtet sein. Durch die Anordnung oder Verwendung mehrerer Erregerhilfsspulen können dem Statorfeld bzw. dem durch die Statorwicklung in dem Rotor erzeugten Feld entsprechend mehrere, von unterschiedlichen der Erregerhilfsspulen erzeugte Erregerhilfsfelder aufgeprägt oder überlagert werden. Ebenso können sich einige oder alle der von den mehreren Erregerhilfsspulen erzeugten Erregerhilfsfelder einander überlagern. Damit kann eine besonders feine oder flexible Anpassung oder Einstellung eines resultierenden effektiven Feldes und damit beispielsweise des gewandelten Drehmoments realisiert werden. Zudem kann durch die Verwendung mehrerer Erregerhilfsspulen eine größere Kontaktfläche zwischen den Erregerhilfsspulen und dem Aktivmaterial des Rotors erreicht werden, beispielsweise im Vergleich zur Verwendung einer einzigen Erregerhilfsspule, deren Länge der Gesamtlänge der mehreren Erregerhilfsspulen entspricht. Damit kann sich eine verbesserte thermische Anbindung, also letztlich eine einfachere oder effektivere Entwärmung der Erregerhilfsspulen bzw. eine gleichmäßigere Erwärmung des Rotormaterials im Betrieb der elektrischen Maschine ergeben. Somit kann eine punktuelle Überhitzung des Rotormaterials oder der Erregerhilfsspulen vermieden werden. Damit kann - insbesondere ohne zusätzlichen Kühlaufwand - eine längere Aktivierungs- oder Betriebsdauer der Erregerhilfsspulen und/oder ein insgesamt größerer durch die Erregerhilfsspulen erzeugter magnetischer Fluss ermöglicht werden. Bevorzugt können einige oder alle der mehreren Erregerhilfsspulen wie beschrieben mit zwei unterschiedlichen Bestromungsrichtungen oder Polaritäten bestromt bzw. betrieben werden, insbesondere unabhängig voneinander. Damit kann eine weiter verbesserte Flexibilität oder Feinsteuerung bzw. Feineinstellung des resultierenden effektiven magnetischen Felds bzw. magnetischen Flusses und damit letztlich eine verbesserte Steuerung des Betriebs oder eines Verhaltens der elektrischen Maschine erreicht werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die elektrische Maschine ein Steuergerät zum automatischen Steuern einer Bestromung der Erregerhilfsspule auf. Das Steuergerät ist dabei dazu eingerichtet, eine ununterbrochene, also zeitlich durchgehende, Bestromung der Erregerhilfsspule auf eine vorgegebene Dauer zu begrenzen und/oder die Bestromung der Erregerhilfsspule nur in wenigstens einer vorgegebenen transienten, also vorübergehenden oder kurzfristigen, Betriebssituation zu aktivieren. Auch in einer solchen vorgegebenen transienten Betriebssituation kann dabei aber eine ununterbrochene Bestromung der Erregerhilfsspule auf eine vorgegebene Dauer oder Maximaldauer begrenzt sein. Nachdem die Erregerhilfsspule für die jeweilige vorgegebene Dauer betrieben wurde, kann die Bestromung dann jeweils durch das Steuergerät automatisch unterbrochen, also abgeschaltet werden. Zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Bestromungs- oder Betriebszeiten der Erregerhilfsspule kann also jeweils eine Bestromungs- oder Betriebspause liegen, in der die Erregerhilfsspule nicht bestromt oder betrieben wird. Dadurch kann vorteilhaft ohne zusätzliche oder aufwändige Kühlmaßnahmen eine Überhitzung der Erregerhilfsspule, des Rotors oder der elektrischen Maschine vermieden, aber dennoch das durch die Erregerhilfsspule gebotene Unterstützungspotenzial genutzt werden. Mittels des Steuergeräts kann die Bestromung der Erregerhilfsspule beispielsweise bei Lastspitzen im Betrieb der elektrischen Maschine automatisch aktiviert, also das Erregerhilfsfeld zu dem Statorfeld hinzugeschaltet werden. Nach der jeweiligen Lastspitze kann das Erregerhilfsfeld dann automatisch abgeschaltet oder reduziert werden. Eine solche Lastspitze kann beispielsweise eine an die elektrische Maschine gerichtete Anforderung nach einer Maximalleistung sein. Wenn es sich bei der elektrischen Maschine um eine Traktionsmaschine eines Kraftfahrzeugs handelt, kann dies beispielsweise bei einer Beschleunigung aus dem Stand oder für ein Überholmanöver oder zum Bewältigen einer Steigung, also bei einer Bergauffahrt, vorkommen. Ebenso kann ein Brems- oder Rekuperationsbetrieb die oder eine der vorgegebenen transienten Betriebssituationen sein. In solchen Situationen kann dann durch Bestromung der Erregerhilfsspule beispielsweise ein zusätzliches Bremsmoment zur Verkürzung eines Bremswegs des Kraftfahrzeugs und/oder ein zusätzlicher Widerstand zur Verbesserung einer Rekuperationseffizienz bereitgestellt werden.
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In vorteilhafter Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist das Steuergerät dazu eingerichtet, die vorgegebene Dauer für die ununterbrochene Bestromung der Erregerhilfsspule in Abhängigkeit von einer Temperatur und/oder in Abhängigkeit von einer an die elektrische Maschine gerichteten Leistungsanforderung automatisch anzupassen, also einzustellen. Dies kann bevorzugt automatisch dynamisch während des Betriebs der elektrischen Maschine erfolgen. Die Temperatur kann beispielsweise eine Temperatur der elektrischen Maschine oder einer bestimmten Komponente der elektrischen Maschine, eine Kühlmitteltemperatur eines zum Kühlen der elektrischen Maschine verwendeten Kühlmittels, eine Umgebungstemperatur und/oder dergleichen sein. Diese Temperatur oder Temperaturen können mittels eines entsprechenden Temperatursensors erfasst werden. Das Steuergerät kann dann dazu eingerichtet sein, automatisch entsprechende gemessene Temperaturen oder Messsignale zu erfassen oder abzurufen.
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Die Dauer kann hier also als Funktion oder in Form einer Berechnungsvorschrift oder einer Zuordnungstabelle oder einem Kennfeld oder dergleichen vorgegeben sein, wodurch für eine jeweilige Temperatur oder Leistungsanforderung eine jeweilige korrespondierende Dauer vorgegeben ist oder automatisch bestimmt werden kann.
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Bevorzugt kann das Steuergerät dazu eingerichtet sein, die Dauer mit steigender Temperatur kontinuierlich oder abgestuft zu verkürzen und entsprechend mit sinkender Temperatur zu verlängern. Analog kann das Steuergerät dazu eingerichtet sein, die Dauer automatisch mit zunehmender Höhe oder Größe oder Intensität der Leistungsanforderung zu reduzieren sowie für schwächere oder weniger intensive Leistungsanforderungen zu verlängern. Dadurch können vorteilhaft automatisch entsprechend unterschiedliche thermische Wirkungen oder Wärmeeinträge berücksichtigt werden. Es kann auf diese Weise also in verschiedenen Situationen ein thermischer Spielraum besonders effektiv ausgenutzt und somit eine maximale Leistungsausbeute der elektrischen Maschine ohne Einschränkung der Betriebssicherheit erreicht werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die elektrische Maschine ein Steuergerät zum automatischen Steuern einer Bestromung der Erregerhilfsspule auf, wobei das Steuergerät dazu eingerichtet ist, die Bestromung der Erregerhilfsspule zur Drehzahlsteuerung der elektrischen Maschine automatisch anzupassen. Mit anderen Worten kann das Steuergerät also dazu eingerichtet sein, die Drehzahl der elektrischen Maschine durch Variation oder Veränderung eines die Erregerhilfsspule durchfließenden Erregerhilfsspulenstroms zu steuern oder zu regeln. Dies kann eine Veränderung der Größe des Erregerhilfsspulenstroms ebenso wie ein Ein- und Ausschalten des Erregerhilfsspulenstroms, also der Bestromung der Erregerhilfsspule, bedeuten oder umfassen. Durch die hier vorgeschlagene Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann durch entsprechende Verwendung oder Ansteuerung der Erregerhilfsspule eine verbesserte, beispielsweise genauere oder feiner abgestimmte Drehzahlsteuerung der elektrischen Maschine und/oder beispielsweise eine besonders schnelle Reaktion auf eine angeforderte Drehzahlveränderung erreicht werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die elektrische Maschine ein Steuergerät zum automatischen Steuern einer Bestromung der Erregerhilfsspule auf, wobei das Steuergerät dazu eingerichtet ist, die Bestromung der Erregerhilfsspule zeitlich zu variieren, also zeitlich variierend zu steuern, um eine Drehmomentwelligkeit im Betrieb der elektrischen Maschine zu reduzieren, also zumindest teilweise auszugleichen. Mit anderen Worten kann durch das Steuergerät automatisch ein zeitlicher Verlauf der Bestromung der Erregerhilfsspule, also eines die Erregerhilfsspule im Betrieb durchfließenden Erregerhilfsspulenstroms, gesteuert werden, um der Drehmomentwelligkeit der elektrischen Maschine entgegenzuwirken. Dazu kann die Bestromung beispielsweise in einem sich wiederholenden Muster oder Verlauf gegenphasig zur Drehmomentwelligkeit gesteuert werden. Eine Drehmomentwelligkeit, also das Auftreten von Drehmomentrippeln ist ein typisches, aber unerwünschtes Merkmal herkömmlicher Reluktanzmaschinen. Durch die vorliegende Erfindung kann also ein verbesserter Betrieb einer reluktanzdominierten elektrischen Maschine, beispielsweise eine größere Laufruhe bzw. ein gleichmäßigere Fahrbetrieb, erreicht werden.
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Die genannten Steuergeräte können separate Einrichtungen oder in einem einzigen Steuergerät kombiniert sein.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, das wenigstens eine erfindungsgemäße reluktanzdominierte elektrische Maschine aufweist. Diese elektrische Maschine kann dabei insbesondere als Traktionsmotor oder Traktionsmaschine des Kraftfahrzeugs fungieren. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug kann insbesondere das im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine genannte Kraftfahrzeug sein und dementsprechend einige oder alle der im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine genannten Merkmale und/oder Eigenschaften aufweisen.
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Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine schematische Ansicht eines Kraftfahrzeugs mit einem Elektromotor; und
- 2 eine ausschnittweise schematische Querschnittansicht des Elektromotors.
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In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die Fahrzeugtechnik stellt einen Anwendungsbereich dar, in dem elektrische Maschinen zunehmend eingesetzt werden. 1 zeigt dazu eine schematische Ansicht eines Kraftfahrzeugs 10 mit einer reluktanzdominierten elektrischen Maschine 12. Das Kraftfahrzeug 10 kann insbesondere ein elektrisches Kraftfahrzeug 10, beispielsweise ein Elektroauto oder ein Hybridfahrzeug, sein, wobei die elektrische Maschine 12 dann eine Traktionsmaschine oder ein elektrischer Hilfsantrieb des Kraftfahrzeugs 10 sein kann. Dazu weist das Kraftfahrzeug 10 vorliegend eine Traktionsbatterie 14 zum Speisen oder Versorgen der elektrische Maschine 12 mit elektrischer Energie auf. Durch die elektrische Maschine 12 können dann Achsen 16 und darüber letztlich Räder 18 des Kraftfahrzeugs 10 angetrieben werden.
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Die elektrische Maschine 12 weist vorliegend ein Steuergerät 20 auf, das zum Steuern eines Betriebs der elektrischen Maschine 12 eingerichtet ist. Durch das Steuergerät 20 kann beispielsweise automatisch eine Bestromung der elektrischen Maschine 12 gesteuert oder geregelt werden.
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2 zeigt eine schematische ausschnittweise Querschnittsansicht der elektrischen Maschine 12. Die elektrische Maschine 12 umfasst hier einen - beispielhaft außenliegenden - Stator 22 und einen Rotor 24, der entsprechend hier beispielhaft als Innenläufer ausgebildet ist. In anderen Ausgestaltungen kann der Rotor 24 ebenso als Außenläufer ausgestaltet sein. Der Stator 22 und der Rotor 24 sind durch einen Luftspalt 26 voneinander beabstandet, dabei aber konzentrisch oder koaxial bezüglich einer hier ebenfalls schematisch angedeuteten zentralen Drehachse D angeordnet. Ein Pfeil um die Drehachse D zeigt hier beispielhaft eine Drehrichtung des Rotors 24 im Betrieb an.
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Der Stator 22 umfasst vorliegend ein ringförmiges Statorjoch 28, von dem in radialer Richtung eine Vielzahl von Statorzähnen 30 ausgehen. An einem jeweiligen von dem Statorjoch 28 abgewandten Ende der Statorzähne 30 befindet sich ein jeweiliger verbreiterter Statorzahnkopf 32 in einer schematisch und beispielhaft zu verstehenden Form. Die Statorzähne 30 sind hier durch Statorwicklungen 34 umgeben oder umwickelt. Durch eine Bestromung der Statorwicklungen 34 kann im Betrieb der elektrischen Maschine 12 ein magnetisches Statorfeld erzeugt werden. Der Übersichtlichkeit halber sind hier nur beispielhaft einige der Statorzähne 30, der Statorzahnköpfe 32 und der Statorwicklungen 34 explizit gekennzeichnet.
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Der Rotor 24 umfasst ein Aktivmaterial, dass hier zu mehreren teilweise voneinander beabstandeten Eisenabschnitten 36 geformt ist. Zwischen diesen Eisenabschnitten 36 befinden sich vorliegend Taschen oder Ausnehmungen in dem Aktivmaterial des Rotors, durch die also die Eisenabschnitte 36 zumindest bereichsweise voneinander beabstandet sind. Die Eisenabschnitte 36 können dabei je nach ihrer Form und/oder Anordnung in radialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sein.
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Vorliegend ist in zweien dieser Taschen oder Ausnehmungen eine Erregerhilfsspule 38 angeordnet, die einen in der hier dargestellten Querschnittsebene in tangentialer Richtung erstreckten der Eisenabschnitte 36 umgibt. Nicht durch die Erregerhilfsspule 38 eingenommene Bereiche der genannten Taschen oder Ausnehmungen können dann - beispielsweise luftgefüllte - Rotorkavitäten 40 bilden.
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Die hier gezeigte Ausgestaltung der elektrischen Maschine 12 ist rein beispielhaft zu verstehen. Insbesondere sind von der hier gezeigten Darstellung abweichende Formen, Anordnungen und/oder Anzahlen von Erregerhilfsspulen 38 und/oder Taschen bzw. Rotorkavitäten 40 möglich. Durch entsprechende Variationen können je nach Bedarf oder Einsatzzweck beispielsweise Betriebsparameter oder ein Betriebsverhalten der elektrischen Maschine 12 eingestellt oder angepasst werden.
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Die wenigstens eine Erregerhilfsspule 38 ist hier also in den Rotor 24 integriert. Damit kann die elektrische Maschine 12 weiterhin hinsichtlich seiner Funktionsweise reluktanzdominiert sein. Da durch die Erregerhilfsspule 38 jedoch im Betrieb ein unterstützende Erregerhilfsfeld ausgebildet und somit ein entsprechender magnetischer Fluss erzeugt werden kann, kann die elektrische Maschine 12 in diesem Sinne auch als hybride Reluktanzmaschine oder - insbesondere bei einem dauerhaften Betrieb oder einer dauerhaften Bestromung der Erregerhilfsspule 38 - als reluktanzbasierte oder reluktanzdominierte Hybridmaschine bezeichnet werden.
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Die Erregerhilfsspule 38 ist hier derart angeordnet, dass sie in zumindest einem Betriebsmodus in den Eisenabschnitten 36, insbesondere in dem von der Erregerhilfsspule 38 umgebenen Eisenabschnitt 36, ein magnetisches Feld oder einen magnetischen Fluss erzeugt, das bzw. der zumindest den von der Erregerhilfsspule 38 umgebenen Eisenabschnitt 36 mit identischer Orientierung zu einem durch die Statorwicklungen 34 in diesem Eisenabschnitt 36 erzeugten Magnetfeld oder magnetischen Fluss durchflutet. Diese Orientierung ist hier beispielhaft und schematisch durch einen Pfeil in diesem Eisenabschnitt 36 angedeutet. Bei einer Bestromung sowohl der Statorwicklungen 34 als auch der Erregerhilfsspule 38 kommt es dann also zu einer Superposition bzw. Verstärkung der magnetischen Felder oder Flüsse innerhalb dieses Eisenabschnitts 36 und folglich auch in dem Luftspalt 26.
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Das durch die Erregerhilfsspule 38 erzeugte Feld kann dabei in den anderen Eisenabschnitten 36, die hier also nicht durch die Erregerhilfsspule 38 umgeben sind, eine andere Orientierung aufweisen. Die dortigen Feldkomponenten oder Feldanteile stellen jedoch lediglich kleinere Streu- oder Nebenflüsse dar, sind also schwächer als der in dem von der Erregerhilfsspule 38 umgebenen Eisenabschnitt 36 erzeugte Hauptfluss des Erregerhilfsfeldes.
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Im Betrieb, also bei Bestromung der Statorwicklungen 34 und der Erregerhilfsspule 38 kann sich damit in den hier gezeigten Eisenabschnitten 36 ein effektives Feld oder ein effektiver magnetischer Fluss mit der gleichen, also einer einheitlichen Orientierung einstellen. Dies kann für die Erregerhilfsspule 38 zumindest für radial unterhalb oder innerhalb und radial oberhalb oder außerhalb der Erregerhilfsspule 38 zwischen der Drehachse D und dem Stator 22 angeordnete tangential erstreckte oder allgemein in gleicher Orientierung wie der von der Erregerhilfsspule 38 umgebene Eisenabschnitt 36 angeordnete der Eisenabschnitte 36 oder Bereich der Eisenabschnitte 36 gelten. Ein entsprechender magnetischer Kreis kann dann über den Luftspalt 26 und das Statorjoch 28 geschlossen werden.
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Bei entgegengesetzter Bestromung der Erregerhilfsspule 38 kann die elektrische Maschine 12 in einem Feldschwächebereich betrieben werden, wobei das Statorfeld zumindest teilweise durch das Erregerhilfsfeld verdrängt werden kann.
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Die Bestromung der wenigstens einen Erregerhilfsspule 38 sowie gegebenenfalls der Statorwicklungen 34 kann durch das Steuergerät 20 automatisch gesteuert oder geregelt werden.
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Mit der hier vorgeschlagenen Ausgestaltung der elektrischen Maschine 12 kann vorteilhaft eine kurzzeitige oder dauerhafte Erhöhung eines durch die elektrische Maschine 12 bereitgestellten Drehmoments durch Bestromung der Erregerhilfsspule 38 erreicht werden. Ebenso kann eine kurzzeitige oder dauerhafte Reduzierung des von der elektrischen Maschine 12 bereitgestellten Drehmoments durch entsprechende Umkehr der Stromrichtung in der Erregerhilfsspule 38 realisiert werden. Zudem ist vorteilhaft die Möglichkeit zur magnetischen Feldverdrängung mithilfe des durch die Erregerhilfsspule 38 erzeugten magnetischen Flusses gegeben. Weiter ist vorteilhaft die Möglichkeit zur aktiven Reduzierung eines Drehmomentrippels, also einer Drehmomentwelligkeit, durch entsprechende Regelung des durch die Erregerhilfsspule 38 fließenden Stroms gegeben.
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Insgesamt zeigen die beschriebenen Beispiele, wie ein verbesserter reluktanzbasierter elektromechanischer Energiewandler mit zusätzlicher variabler Rotorfeldverstärkung realisiert werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kraftfahrzeug
- 12
- elektrische Maschine
- 14
- Traktionsbatterie
- 16
- Achsen
- 18
- Räder
- 20
- Steuergerät
- 22
- Stator
- 24
- Rotor
- 26
- Luftspalt
- 28
- Statorjoch
- 30
- Statorzähne
- 32
- Statorzahnköpfe
- 34
- Statorwicklungen
- 36
- Eisenabschnitte
- 38
- Erregerhilfsspule
- 40
- Rotorkavitäten
- D
- Drehachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4868477 [0003]
- DE 102007038902 A1 [0004]
