DE102020123345A1 - Elektrische Maschine, Steuereinheit und Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine - Google Patents

Elektrische Maschine, Steuereinheit und Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine Download PDF

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Abstract

Es wird eine Steuereinheit für eine elektrische Maschine beschrieben. Die elektrische Maschine weist einen Luftspalt zwischen zumindest einem Rotor und zumindest einem Stator der elektrischen Maschine mit einer veränderbaren Luftspalt-Breite auf, die zwischen einer ersten Luftspalt-Breite und einer zweiten Luftspalt-Breite veränderbar ist, wobei die erste Luftspalt-Breite kleiner als die zweite Luftspalt-Breite ist. Die Steuereinheit ist eingerichtet, zu bestimmen, dass sich die elektrische Maschine in einem Schlepp-Betriebszustand befindet, bei dem die elektrische Maschine mitgeschleppt wird, und zu bewirken, dass der Luftspalt der elektrischen Maschine in dem Schlepp-Betriebszustand die zweite Luftspalt-Breite aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, z.B. zur Nutzung in einem Hybridantrieb eines Fahrzeugs. Insbesondere betrifft die Erfindung den Betrieb einer elektrischen Maschine, während die elektrische Maschine z.B. durch den Verbrennungsmotor des Hybridantriebs und/oder durch die kinetische Energie des Fahrzeugs mitgeschleppt wird.
  • Ein Fahrzeug mit Hybridantrieb umfasst einen Verbrennungsmotor und zumindest eine elektrische Maschine, die jeweils einzeln und/oder gemeinsam verwendet werden können, um ein angefordertes Antriebsmoment zu erbringen. Darüber hinaus kann die elektrische Maschine dazu genutzt werden, das Fahrzeug zu verzögern und dabei elektrische Energie zu rekuperieren.
  • Als elektrische Maschine kann eine permanenterregte Synchronmaschine (PSM) verwendet werden, die einen relativ hohen Wirkungsgrad und/oder eine relativ hohe Leistungsdichte aufweist, die jedoch andererseits relativ hohe Schlepp- bzw. Ummagnetisierungsverluste bewirkt, wenn die elektrische Maschine ohne Stromaufnahme bzw. ohne Stromabgabe leerlaufend mitdreht. Letzteres führt zu einer reduzierten Energieeffizienz des Hybridantriebs.
  • Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, die Energieeffizienz eines Antriebs, z.B. eines Hybridantriebs, für ein Fahrzeug, insbesondere bei einem Schleppbetrieb der elektrischen Maschine des Antriebs, zu erhöhen.
  • Die Aufgabe wird jeweils durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass zusätzliche Merkmale eines von einem unabhängigen Patentanspruch abhängigen Patentanspruchs ohne die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs oder nur in Kombination mit einer Teilmenge der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs eine eigene und von der Kombination sämtlicher Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs unabhängige Erfindung bilden können, die zum Gegenstand eines unabhängigen Anspruchs, einer Teilungsanmeldung oder einer Nachanmeldung gemacht werden kann. Dies gilt in gleicher Weise für in der Beschreibung beschriebene technische Lehren, die eine von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche unabhängige Erfindung bilden können.
  • Gemäß einem Aspekt wird eine Steuereinheit für eine elektrische Maschine beschrieben. Die elektrische Maschine kann Teil eines Hybridantriebs (für ein (Kraft-) Fahrzeug) sein. Der Hybridantrieb umfasst einen Verbrennungsmotor (etwa einen Diesel- oder Ottomotor) und eine elektrische Maschine. Die elektrische Maschine kann zumindest einen permanenterregten Rotor umfassen. Insbesondere kann die elektrische Maschine eine permanenterregte Synchronmaschine sein.
  • Allgemein kann die elektrische Maschine Teil eines Antriebs eines (Kraft-) Fahrzeugs sein. Der Antrieb kann neben der elektrischen Maschine eine weitere Antriebsmaschine (z.B. einen Verbrennungsmotor und/oder eine weitere elektrische Maschine, etwa einen SSM (stromerregter Synchronmotor) oder eine ASM (Asynchronmotor)) umfassen. Die Antriebsmaschine und die elektrische Maschine können auf unterschiedliche Achsen (eines Fahrzeugs) einwirken. Beispielsweise kann die Antriebmaschine auf eine erste Achse (z.B. die Hinterachse) und die elektrische Maschine kann auf eine zweite Achse (z.B. die Vorderachse) einwirken. Die Antriebsmaschine kann eingerichtet sein, ein größeres Antriebsmoment zu bewirken als die elektrische Maschine.
  • Die in diesem Dokument beschriebenen Aspekt sind somit auf einen Hybridantrieb und/oder auf einen rein elektrischen Antrieb (für ein BEV, battery elektric vehicle) anwendbar. Insbesondere sind alle Aspekte die spezifisch für den Verbrennungsmotor eines Hybridantriebs beschrieben werden, allgemein für die Antriebsmaschine eines Antriebs anwendbar.
  • Die elektrische Maschine weist einen Luftspalt zwischen dem zumindest einen Rotor und zumindest einem Stator der elektrischen Maschine auf. Der Luftspalt weist dabei eine veränderbare Luftspalt-Breite auf, die zwischen einer ersten Luftspalt-Breite und einer zweiten Luftspalt-Breite veränderbar ist, wobei die erste Luftspalt-Breite kleiner als die zweite Luftspalt-Breite ist. Beispielsweise kann die erste Luftspalt-Breite 2mm oder weniger sein. Die zweite Luftspalt-Breite kann 6mm oder mehr sein. Durch die Veränderung der Luftspalt-Breite kann typischerweise die gegenseitige Beeinflussung des Stators und des Rotors aufeinander verändert werden.
  • In einem bevorzugten Beispiel ist die elektrische Maschine eine Axialflussmaschine. Insbesondere können der Rotor und der Stator entlang der Welle der elektrischen Maschine nebeneinander angeordnet sein. Ferner kann die elektrische Maschine ausgebildet sein, den Rotor und den Stator relativ zueinander axial entlang der Welle der elektrischen Maschine zu verschieben, um in effizienter Weise die Luftspalt-Breite des Luftspalts zwischen dem Rotor und dem Stator zu verändern.
  • Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, zu bestimmen, dass sich die elektrische Maschine in einem Schlepp-Betriebszustand befindet, bei dem die elektrische Maschine, insbesondere durch die Antriebsmaschine (etwa durch den Verbrennungsmotor) oder ggf. durch ein oder mehrere Räder des Fahrzeugs, mitgeschleppt wird (ohne dabei Strom aufzunehmen oder abzugeben). Die Steuereinheit kann ferner eingerichtet sein, zu bewirken, dass der Luftspalt der elektrischen Maschine in dem Schlepp-Betriebszustand die zweite Luftspalt-Breite aufweist.
  • Die Steuereinheit kann somit eingerichtet sein, die Luftspalt-Breite zu erhöhen, wenn sich die elektrische Maschine in einem Schlepp-Betriebszustand befindet. So können die Schleppverluste des Antriebs, insbesondere des Hybridantriebs, reduziert und somit die Energieeffizienz des Antriebs erhöht werden.
  • Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, zu bestimmen, dass sich die elektrische Maschine in einem aktiven Betriebszustand befindet, bei dem die elektrische Maschine als Motor oder als Generator betrieben wird. Dabei kann der elektrischen Maschine Strom zugeführt werden, um die elektrische Maschine als Motor zu betrieben. Andererseits kann die elektrische Maschine ausgebildet sein, Strom abzugeben, wenn die elektrische Maschine als Generator betrieben wird.
  • Des Weiteren kann die Steuereinheit eingerichtet sein, zu bewirken, dass der Luftspalt der elektrischen Maschine in dem aktiven Betriebszustand die erste Luftspalt-Breite aufweist. Für den Motor- und/oder Generator-Betrieb der elektrischen Maschine kann somit ein relativ schmaler Luftspalt verwendet werden. So kann die Effizienz des Hybridantriebs weiter erhöht werden.
  • Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, eine Verstelleinheit, insbesondere eine hydraulische und/oder eine elektromagnetische Verstelleinheit, der elektrischen Maschine anzusteuern, um die Luftspalt-Breite des Luftspalts zwischen dem Rotor und dem Stator zu verändern. Durch die Bereitstellung einer (ansteuerbaren) Verstelleinheit kann die Luftspalt-Breite in zuverlässiger Weise angepasst werden.
  • Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, Strominformation in Bezug auf den Strom zu ermitteln, der von der elektrischen Maschine, insbesondere von dem Stator, aufgenommen oder abgegeben wird. Alternativ oder ergänzend kann die Steuereinheit eingerichtet sein, Drehzahlinformation in Bezug auf die Drehzahl des Rotors zu ermitteln. Es kann dann in präziser und zuverlässiger Weise auf Basis der Strominformation und/oder auf Basis der Drehzahlinformation bestimmt werden, ob sich die elektrische Maschine in dem Schlepp-Betriebszustand befindet oder nicht, bzw. ob sich die elektrische Maschine in dem aktiven Betriebszustand befindet oder nicht.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine elektrische Maschine für einen Antrieb, insbesondere für einen Hybridantrieb, beschrieben, der neben der elektrischen Maschine eine weitere Antriebsmaschine, insbesondere einen Verbrennungsmotor, umfasst. Die elektrische Maschine weist einen Luftspalt zwischen zumindest einem Rotor und zumindest einem Stator der elektrischen Maschine mit einer veränderbaren Luftspalt-Breite auf, die zwischen der ersten Luftspalt-Breite und der zweiten Luftspalt-Breite veränderbar ist, wobei die erste Luftspalt-Breite kleiner als die zweite Luftspalt-Breite ist.
  • Die elektrische Maschine kann eingerichtet sein, zu bewirken, dass der Luftspalt der elektrischen Maschine die zweite Luftspalt-Breite aufweist, wenn sich die elektrische Maschine in dem Schlepp-Betriebszustand befindet, bei dem die elektrische Maschine, insbesondere durch die Antriebsmaschine und/oder aufgrund der kinetischen Energie des Fahrzeugs, in dem der Antrieb verbaut ist, mitgeschleppt wird (ohne dabei Strom aufzunehmen oder abzugeben). Alternativ oder ergänzend kann die elektrische Maschine eingerichtet sein, zu bewirken, dass der Luftspalt der elektrischen Maschine die erste Luftspalt-Breite aufweist, wenn sich die elektrische Maschine in einem aktiven Betriebszustand befindet, bei dem die elektrische Maschine als Motor oder als Generator betrieben wird (und damit Strom aufnimmt oder abgibt).
  • Die Änderung der Luftspalt-Breite kann, wie oben beschrieben, aktiv durch eine Einstelleinheit bewirkt werden. Alternativ oder ergänzend kann die elektrische Maschine einen passiven Verstellmechanismus (etwa eine Schneckenrampe) umfassen, der eingerichtet ist, die Luftspalt-Breite des Luftspalts zwischen dem Rotor und dem Stator zu verändern. Die (ggf. automatische und/oder passive) Veränderung der Luftspalt-Breite kann dabei in Abhängigkeit von der Drehzahldifferenz zwischen dem Rotor und dem Stator erfolgen, und/oder in Abhängigkeit davon erfolgen, ob eine Stromaufnahme bzw. eine Stromabgabe der elektrischen Maschine erfolgt oder nicht. So kann eine besonders effiziente Anpassung der Luftspalt-Breite bewirkt werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Antrieb, insbesondere ein Hybridantrieb, beschrieben, der die in diesem Dokument beschriebene Steuereinheit und/oder die in diesem Dokument beschriebene elektrische Maschine umfasst. Der Antrieb kann neben der in diesem Dokument beschriebenen elektrischen Maschine eine Antriebsmaschine, insbesondere einen Verbrennungsmotor oder eine weitere elektrische Maschine, umfassen. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, die Schleppverluste der elektrischen Maschine zu reduzieren, insbesondere in einer Betriebssituation, bei der die elektrische Maschine durch die Antriebsmaschine mitgeschleppt wird (ohne dabei Strom aufzunehmen bzw. abzugeben).
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein (Straßen-) Kraftfahrzeug (insbesondere ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen oder ein Bus oder ein Motorrad) beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Steuereinheit und/oder den in diesem Dokument beschriebenen Antrieb, insbesondere Hybridantrieb, und/oder die in diesem Dokument beschriebene elektrische Maschine umfasst.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein (Computer-implementiertes) Verfahren zum Betrieb eines Antriebs eines Fahrzeugs beschrieben. Der Antrieb umfasst eine Antriebsmaschine, etwa einen Verbrennungsmotor oder eine elektrische Antriebsmaschine, und eine elektrische Maschine (insbesondere eine permanenterregte Synchronmaschine). Die elektrische Maschine weist einen Luftspalt zwischen zumindest einem Rotor und zumindest einem Stator der elektrischen Maschine mit einer veränderbaren Luftspalt-Breite auf, die zwischen einer ersten (ggf. minimalen) Luftspalt-Breite und einer zweiten (ggf. maximalen) Luftspalt-Breite veränderbar ist, wobei die erste Luftspalt-Breite kleiner als die zweite Luftspalt-Breite ist.
  • Das Verfahren umfasst das Bewirken, dass der Luftspalt der elektrischen Maschine die zweite Luftspalt-Breite aufweist, wenn sich die elektrische Maschine in einem Schlepp-Betriebszustand befindet, bei dem die elektrische Maschine, insbesondere durch die Antriebsmaschine, mitgeschleppt wird (ohne, dass dabei der elektrischen Maschine Strom zugeführt wird, und/oder ohne, dass dabei die elektrische Maschine Strom abgibt). Des Weiteren umfasst das Verfahren das Bewirken, dass der Luftspalt der elektrischen Maschine die erste Luftspalt-Breite aufweist, wenn sich die elektrische Maschine in einem aktiven Betriebszustand befindet, bei dem die elektrische Maschine als Motor oder als Generator betrieben wird.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor (z.B. auf einem Steuergerät eines Fahrzeugs) ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
  • Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können j egliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
  • Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
    • 1 einen beispielhaften Parallel-Hybridantrieb mit Trennkupplung;
    • 2a und 2b eine beispielhafte elektrische Maschine mit unterschiedlich eingestellter Luftspalt-Breite; und
    • 3 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Betrieb der elektrischen Maschine eines Hybridantriebs.
  • Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit einem möglichst energieeffizienten Betrieb der elektrischen Maschine eines Antriebs 100, insbesondere eines Hybridantriebs. In diesem Zusammenhang zeigt 1 ein Blockdiagramm eines beispielhaften Antriebs 100, insbesondere eines Hybridantriebs, für ein Fahrzeug. Ein Hybridantrieb 100 umfasst einen Verbrennungsmotor 101 und eine elektrische Maschine 102, die einzeln oder zusammen genutzt werden können, um ein Antriebsmoment für das Fahrzeug zu generieren. Der Verbrennungsmotor 101 und die elektrische Maschine 102 können derart angeordnet sein, dass sich die durch den jeweiligen Antriebsmotor generierten Momente zu einem Gesamt-Antriebsmoment addieren, das z.B. über ein Getriebe 104, eine Abtriebswelle 108 des Getriebes 104 und ggf. ein Achsgetriebe 103 auf ein oder mehrere Räder 109 des Fahrzeugs übertragen wird. Die elektrische Energie für den Betrieb der elektrischen Maschine 102 kann in einem elektrischen Energiespeicher 110 gespeichert werden. Ferner kann der Hybridantrieb 100 eine Trennkupplung 114 umfassen, die eingerichtet ist, den Verbrennungsmotor 101 von dem Antriebsstrang abzukoppeln (z.B. um den Verbrennungsmotor 101 zu stoppen). In dem in 1 dargestellten Beispiel ist die elektrische Maschine 102 zwischen Trennkupplung 114 und Getriebe 104 angeordnet. In einem alternativen Beispiel kann die elektrische Maschine 102 zwischen dem Getriebe 104 und der Abtriebswelle 108 angeordnet sein.
  • Wie bereits weiter oben dargelegt, sind die in diesem Dokument beschriebenen Aspekte allgemein auf einen Antrieb 100 anwendbar, der neben der elektrischen Maschine 102 eine Antriebsmaschine 101 umfasst. Die Antriebsmaschine 101 kann dabei einen Verbrennungsmotor und/oder eine weitere elektrische Maschine (etwa einen SSM oder eine ASM) umfassen. Die in Zusammenhang mit einem Verbrennungsmotor beschriebenen Aspekte gelten somit allgemein für eine Antriebsmaschine 101. Ferner gelten die in Zusammenhang mit einem Hybridantrieb beschriebenen Aspekte allgemein für einen Antrieb 100.
  • Das Fahrzeug bzw. der (Hybrid-) Antrieb 100 umfasst weiter eine Steuereinheit 111 (z.B. ein Motor-Steuergerät), die eingerichtet ist, ein angefordertes Gesamt-Antriebsmoment zu bestimmen. Das angeforderte Gesamt-Antriebsmoment kann z.B. über ein Fahrpedal und/oder über eine Einstellung des Getriebes 104 von einem Fahrer des Fahrzeugs vorgegeben werden. Beispielsweise kann ein Fahrer das Fahrpedal betätigen, um ein erhöhtes Gesamt-Antriebsmoment anzufordern. Die Steuereinheit 111 kann eingerichtet sein, das angeforderte Gesamt-Antriebsmoment in ein erstes Moment (für den Verbrennungsmotor 101) und in ein zweites Moment (für die elektrische Maschine 102) aufzuteilen. Mit anderen Worten, die Steuereinheit 111 kann eingerichtet sein, den Verbrennungsmotor 101 und/oder die elektrische Maschine 102 in Abhängigkeit von einem angeforderten Gesamt-Antriebsmoment (d.h. in Abhängigkeit von einem Fahrerwunsch) zu betreiben.
  • Der Hybridantrieb 100 kann unterschiedliche Betriebszustände aufweisen, z.B. einen rein elektrischen Betriebszustand, in dem nur die elektrische Maschine 102 betrieben wird, um das Fahrzeug anzutreiben. Ein weiterer Betriebszustand ist ein Rekuperations-Betriebszustand, bei dem die elektrische Maschine 102 als Generator betrieben wird, um das Fahrzeug zu verzögern und um dabei elektrische Energie zu rekuperieren. Ferner können der Verbrennungsmotor 101 und die elektrische Maschine 102 gemeinsam genutzt werden, um das Fahrzeug anzutreiben. Des Weiteren kann in einem rein verbrennungsmotorischen Betriebszustand allein der Verbrennungsmotor 101 genutzt werden, um das Fahrzeug anzutreiben. In diesem Fall wird die elektrische Maschine 102 über die Welle 112 mitgeschleppt, was, insbesondere bei einer permanenterregten elektrischen Maschine 102, zu Schleppverlusten und somit zu einer reduzierten Energieeffizienz des Hybridantriebs 100 führt.
  • Die elektrische Maschine 102 kann einen veränderbaren bzw. einstellbaren Luftspalt zwischen einem Rotor und einem Stator der elektrischen Maschine 102 aufweisen. Dies ist beispielhaft in den 2a und 2b dargestellt. Insbesondere zeigen die 2a und 2b eine beispielhafte Axialflussmaschine mit zwei Statoren 201, 202 und einem zwischen den beiden Statoren 201, 202 angeordneten Rotor 205. Es sei darauf hingewiesen, dass andere Konfigurationen von elektrischen Maschinen 102, insbesondere andere Konfigurationen von Axialflussmaschinen, möglich sind.
  • Zwischen dem Rotor 205 und einem Stator 201, 202 der elektrischen Maschine 102 ist jeweils ein Luftspalt 211, 212 angeordnet. Der Luftspalt 211, 212 weist eine bestimmte Luftspalt-Breite auf, wobei die Luftspalt-Breite dem Abstand zwischen dem Rotor 205 und dem Stator 201, 202 (entlang der Welle 112 bzw. entlang der Achse der elektrischen Maschine 102) entspricht. Durch die Vergrößerung der Luftspalt-Breite können typischerweise die Ummagnetisierungsverluste reduziert werden, die von dem Rotor 205 auf die ein oder mehreren Statoren 201, 202 bewirkt werden. Andererseits führt eine Vergrößerung der Luftspalt-Breite typischerweise auch zu einer Reduzierung des Drehmoments, das durch den Stator 201, 202 auf den Rotor 205 bewirkt werden kann.
  • Der Hybridantrieb 100 kann derart ausgebildet sein, dass die Luftspalt-Breite zumindest eines Luftspalts 211, 212 der elektrischen Maschine 102 bei einem Betriebszustand vergrößert wird, bei dem die elektrische Maschine 102 durch den Verbrennungsmotor 101 mitgeschleppt wird (ohne, dass die elektrische Maschine 102 selbst ein Antriebsmoment erzeugt bzw. ohne, dass die elektrische Maschine 102 zur Erzeugung von elektrischer Energie verwendet wird). Mit anderen Worten, die Steuereinheit 111 kann eingerichtet sein, zu bewirken, dass die Luftspalt-Breite zumindest eines Luftspalts 211, 212 der elektrischen Maschine 102 vergrößert wird, wenn sich die elektrische Maschine 102 in einem Schlepp-Betriebszustand befindet, bei dem die elektrische Maschine 102 von dem Verbrennungsmotor 101 mitgeschleppt wird. Durch die selektive bzw. durch die situationsabhängige Vergrößerung der Luftspalt-Breite können die durch die elektrische Maschine 102 bewirkten Schleppverluste reduziert und somit die Energieeffizienz des Hybridantriebs 100 erhöht werden.
  • Die elektrische Maschine 102 kann z.B. mit einer relativ kleinen Luftspalt-Breite betrieben werden (wie in 2a dargestellt), wenn die elektrische Maschine 102 für den Antrieb bzw. für die Verzögerung des Fahrzeugs und/oder zur Erzeugung von elektrischer Energie genutzt wird. Andererseits kann die elektrische Maschine 102 mit einer relativ großen Luftspalt-Breite betrieben werden (wie in 2b dargestellt), wenn die elektrische Maschine 102 ohne Stromaufnahme bzw. ohne Stromabgabe durch den Verbrennungsmotor 101 mitgeschleppt wird.
  • Es wird somit eine Luftspaltvergrößerung der ein oder mehreren Luftspalte 211, 212 einer elektrischen Maschine 102, insbesondere einer Axialflussmaschine, zur Verringerung der Schleppverluste bzw. der Ummagnetisierungsverluste angewendet. Bei einer Axialflussmaschine wird ein scheibenförmig ausgebildeter Luftspalt 211, 212 zwischen einem Stator 201, 202 und dem koaxial angeordneten Rotor 205 gebildet. Durch eine axiale Verschiebung des Rotors 205 relativ zu dem Stator 201, 202 und/oder des Stators 201, 202 relativ zu dem Rotor 205 kann die Luftspalt-Breite des Luftspalts 211, 212 verändert werden. Dies kann durch eine aktive oder passive Verstellung mithilfe einer Verstelleinheit 210 erfolgen. Im motorischen und im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine 102 kann ein Luftspalt 211, 212 mit einer möglichst (minimal) kleinen Luftspalt-Breite ausgebildet werden, z.B. um den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine 102 zu optimieren. Bei einer geschleppten bzw. inaktiven elektrischen Maschine 102 kann die Luftspalt-Breite vergrößert werden, um damit die Eisen- bzw. Ummagnetisierungsverluste zu reduzieren, insbesondere zu minimieren.
  • Bei einer elektrischen Maschine 102, die ausschließlich als Traktionsmaschine genutzt wird, kann eine Vergrößerung des Luftspaltes auch in einem anderen (nicht motorischen) Betriebszustand verwendet werden. Insbesondere kann bei einer rein motorisch betriebenen elektrischen Maschine 102 der Luftspalt 211, 212 in diesem Betriebszustand klein sein (wie z.B. in 2a dargestellt). In allen anderen (nicht motorischen) Betriebszuständen kann der Luftspalt 211, 212 vergrößert werden (wie z.B. in 2b dargestellt), insbesondere um Verluste zu reduzieren.
  • Wie bereits oben dargelegt, sind der Rotor 205 und der Stator 201, 202 bei einer Axialflussmaschine 102 koaxial angeordnet. Eine aktive oder passive Verstelleinheit 210 der Axialflussmaschine 102 kann ausgebildet sein, eine Verstellung des Luftspalts in folgender Art zu ermöglichen: a) minimal mögliche Luftspalt-Breite im motorischen oder generatorischen Betrieb; b) maximal mögliche Luftspalt bei inaktiver Maschine 102 oder im generatorischen Betrieb.
  • Eine aktive Verstellung der Luftspalt-Breite kann z.B. durch eine hydraulische oder elektromagnetische Verstellung bewirkt werden. Eine passive Verstellung der Luftspalt-Breite kann z.B. durch eine Schneckenrampe erfolgen, wobei die Verstellung in Abhängigkeit von der Drehzahldifferenz zwischen dem Rotor 205 und dem Stator 201, 202 erfolgen kann.
  • 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften (ggf. Computerimplementierten) Verfahrens 300 zum Betrieb eines (Hybrid-) Antriebs 100 (z.B. für ein Fahrzeug). Der Antrieb 100 umfasst eine Antriebsmaschine 101, insbesondere einen Verbrennungsmotor, und eine elektrische Maschine 102, wobei die elektrische Maschine 102 einen Luftspalt 211, 212 zwischen zumindest einem Rotor 205 und zumindest einem Stator 201, 202 der elektrischen Maschine 102 mit einer veränderbaren Luftspalt-Breite aufweist, die zwischen einer ersten Luftspalt-Breite und einer zweiten Luftspalt-Breite veränderbar ist. Dabei ist die erste Luftspalt-Breite kleiner als die zweite Luftspalt-Breite.
  • Das Verfahren 300 umfasst das Bewirken 301, dass der Luftspalt 211, 212 der elektrischen Maschine 102 die zweite (relativ große) Luftspalt-Breite aufweist, wenn sich die elektrische Maschine 102 in einem Schlepp-Betriebszustand befindet, bei dem die elektrische Maschine 102, insbesondere durch die Antriebsmaschine 101, mitgeschleppt wird. So können die Schleppverluste der elektrischen Maschine 102 reduziert werden.
  • Des Weiteren umfasst das Verfahren 300 das Bewirken 302, dass der Luftspalt 211, 212 der elektrischen Maschine 102 die erste Luftspalt-Breite aufweist, wenn sich die elektrische Maschine 102 in einem aktiven Betriebszustand befindet, bei dem die elektrische Maschine 102 als Motor oder als Generator betrieben wird. So kann ein effizienter Betrieb der elektrischen Maschine 102 als Motor oder als Generator bewirkt werden.
  • Durch die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen kann die Energieeffizienz eines Antriebs 100 (z.B. eines Hybridantriebs), insbesondere bei einem Schleppbetrieb der elektrischen Maschine 102 des Antriebs 100, erhöht werden.
  • Die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen können insbesondere auch bei einem rein elektrischen Antrieb 100 verwendet werden, um die Energieeffizienz des Antriebs zu erhöhen. Eine PSM (permanenterregte Maschine) kann aufgrund des relativ hohen Wirkungsgrades und der relativ hohen Leistungsdichte bei batterieelektrischen Fahrzeugen als Hauptantriebsmaschine oder unterstützend (z.B. für die zweite Antriebsachse bei einem Allradfahrzeug) eingesetzt werden. Das in diesem Dokument beschriebene Verfahren 300 kann zur Effizienzsteigerung als Alternative zu einem Entkoppelungselement für die elektrische Maschine 102 eingesetzt werden, wobei das Entkopplungselement durch Öffnen und Schließen das zu übertragende Drehmoment typischerweise mit einem zeitlichen Versatz auf- oder abbaut.
  • Beispielsweise kann ein BEV mit zwei angetriebenen Achsen betrachtet werden. Als Hauptachsantrieb kann eine Antriebsmaschine 101, etwa ein SSM oder ASM, verwendet werden. An der zweiten Achse kann zur Realisierung der Allradfunktionalität eine elektrische Maschine 102, insbesondere eine PSM, verwendet werden, die nur temporär zum Einsatz kommt und im Nulllastbereich Verluste verursachen würde. Eine Entkoppelungseinheit der elektrischen Maschine 102 zu den angetriebenen Rädern kann typischerweise nicht eingesetzt werden, da das Ankoppeln der elektrischen Maschine 102 für den Allradbetrieb über ein Entkoppelungselement typischerweise einen zu langen Zeitraum benötigt (so dass die erforderliche Allradresponse-Zeit nicht gegeben ist). Die in diesem Dokument beschriebene Anpassung der Luftspalt-Breite der elektrischen Maschine 102 kann relativ schnell bewirkt werden, so dass die Bereitstellung eines energieeffizienten Allradantriebs ermöglicht wird.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.

Claims (10)

  1. Steuereinheit (111) für eine elektrische Maschine (102); wobei die elektrische Maschine (102) einen Luftspalt (211, 212) zwischen zumindest einem Rotor (205) und zumindest einem Stator (201, 202) der elektrischen Maschine (102) mit einer veränderbaren Luftspalt-Breite aufweist, die zwischen einer ersten Luftspalt-Breite und einer zweiten Luftspalt-Breite veränderbar ist; wobei die erste Luftspalt-Breite kleiner als die zweite Luftspalt-Breite ist; wobei die Steuereinheit (111) eingerichtet ist, - zu bestimmen, dass sich die elektrische Maschine (102) in einem Schlepp-Betriebszustand befindet, bei dem die elektrische Maschine (102) mitgeschleppt wird; und - zu bewirken, dass der Luftspalt (211, 212) der elektrischen Maschine (102) in dem Schlepp-Betriebszustand die zweite Luftspalt-Breite aufweist.
  2. Steuereinheit (111) gemäß Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (111) eingerichtet ist, - zu bestimmen, dass sich die elektrische Maschine (102) in einem aktiven Betriebszustand befindet, bei dem die elektrische Maschine (102) als Motor oder als Generator betrieben wird; und - zu bewirken, dass der Luftspalt (211, 212) der elektrischen Maschine (102) in dem aktiven Betriebszustand die erste Luftspalt-Breite aufweist.
  3. Steuereinheit (111) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (111) eingerichtet ist, eine Verstelleinheit (210), insbesondere eine hydraulische und/oder eine elektromagnetische Verstelleinheit (210), der elektrischen Maschine (102) anzusteuern, um die Luftspalt-Breite des Luftspalts (211, 212) zwischen dem Rotor (205) und dem Stator (201, 202) zu verändern.
  4. Steuereinheit (111) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (111) eingerichtet ist, - Strominformation in Bezug auf einen Strom zu ermitteln, der von der elektrischen Maschine (102), insbesondere von dem Stator (201, 202), aufgenommen oder abgegeben wird; und/oder - Drehzahlinformation in Bezug auf eine Drehzahl des Rotors (205) zu ermitteln, und - auf Basis der Strominformation und/oder auf Basis der Drehzahlinformation zu bestimmen, ob sich die elektrische Maschine (102) in dem Schlepp-Betriebszustand befindet oder nicht.
  5. Elektrische Maschine (102); wobei - die elektrische Maschine (102) einen Luftspalt (211, 212) zwischen zumindest einem Rotor (205) und zumindest einem Stator (201, 202) der elektrischen Maschine (102) mit einer veränderbaren Luftspalt-Breite aufweist, die zwischen einer ersten Luftspalt-Breite und einer zweiten Luftspalt-Breite veränderbar ist; - die erste Luftspalt-Breite kleiner als die zweite Luftspalt-Breite ist; und - die elektrische Maschine (102) eingerichtet ist, zu bewirken, dass der Luftspalt (211, 212) der elektrischen Maschine (102) die zweite Luftspalt-Breite aufweist, wenn sich die elektrische Maschine (102) in einem Schlepp-Betriebszustand befindet, bei dem die elektrische Maschine (102) mitgeschleppt wird.
  6. Elektrische Maschine (102) gemäß Anspruch 5, wobei die elektrische Maschine (102) eingerichtet ist, zu bewirken, dass der Luftspalt (211, 212) der elektrischen Maschine (102) die erste Luftspalt-Breite aufweist, wenn sich die elektrische Maschine (102) in einem aktiven Betriebszustand befindet, bei dem die elektrische Maschine (102) als Motor oder als Generator betrieben wird.
  7. Elektrische Maschine (102) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 6, wobei - die elektrische Maschine (102) eine Axialflussmaschine umfasst; und/oder - der Rotor (205) und der Stator (201, 202) entlang einer Welle (112) der elektrischen Maschine (102) nebeneinander angeordnet sind; und/oder - die elektrische Maschine (102) ausgebildet ist, den Rotor (205) und den Stator (201, 202) relativ zueinander axial entlang der Welle (112) der elektrischen Maschine (102) zu verschieben, um die Luftspalt-Breite des Luftspalts (211, 212) zwischen dem Rotor (205) und dem Stator (201, 202) zu verändern.
  8. Elektrische Maschine (102) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die elektrische Maschine (102) einen passiven Verstellmechanismus umfasst, der eingerichtet ist, die Luftspalt-Breite des Luftspalts (211, 212) zwischen dem Rotor (205) und dem Stator (201, 202) zu verändern, insbesondere - in Abhängigkeit von einer Drehzahldifferenz zwischen dem Rotor (205) und dem Stator (201, 202); und/oder - in Abhängigkeit davon, ob eine Stromaufnahme bzw. eine Stromabgabe der elektrischen Maschine (102) erfolgt oder nicht.
  9. Elektrische Maschine (102) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei - die elektrische Maschine (102) einen permanenterregten Rotor (205) umfasst; und/oder - die elektrische Maschine (102) eine permanenterregte Synchronmaschine ist.
  10. Verfahren (300) zum Betrieb einer elektrischen Maschine (102); wobei die elektrische Maschine (102) einen Luftspalt (211, 212) zwischen zumindest einem Rotor (205) und zumindest einem Stator (201, 202) der elektrischen Maschine (102) mit einer veränderbaren Luftspalt-Breite aufweist, die zwischen einer ersten Luftspalt-Breite und einer zweiten Luftspalt-Breite veränderbar ist; wobei die erste Luftspalt-Breite kleiner als die zweite Luftspalt-Breite ist; wobei das Verfahren (300) umfasst, - Bewirken (301), dass der Luftspalt (211, 212) der elektrischen Maschine (102) die zweite Luftspalt-Breite aufweist, wenn sich die elektrische Maschine (102) in einem Schlepp-Betriebszustand befindet, bei dem die elektrische Maschine (102) mitgeschleppt wird; und - Bewirken (302), dass der Luftspalt (211, 212) der elektrischen Maschine (102) die erste Luftspalt-Breite aufweist, wenn sich die elektrische Maschine (102) in einem aktiven Betriebszustand befindet, bei dem die elektrische Maschine (102) als Motor oder als Generator betrieben wird.
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