DE102021124534A1 - Electrical machine, method for controlling an electrical machine, computer program product and control unit - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (1) umfassend einen Stator (2) und einen Rotor (3), wobei über ein vom Stator (2) erzeugtes magnetisches Feld ein Motor-Drehmoment und/oder eine Motor-Kraft in den Rotor (3) einleitbar ist, sowie eine mit dem Rotor (3) und/oder Stator (2) gekoppelte Verstelleinrichtung (4), wobei die Verstelleinrichtung (4) eingerichtet ist, mechanisch eine magnetische Feldschwächung zwischen dem Rotor (3) und dem Stator (2) zu bewirken, indem ein erstes Motor-Drehmoment und/oder eine erste Motor-Kraft an dem Rotor (3) und/oder Stator (2) die Verstelleinrichtung (4) mechanisch durch Ausbildung eines ersten Kräfteungleichgewichts in der Verstelleinrichtung (4) in einen ersten Betriebszustand versetzt, bei welchem ein erstes Magnetfeld zwischen dem Rotor (3) und dem Stator (2) ausgebildet ist, und ein zweites Motor-Drehmoment und/oder eine zweite Motor-Kraft an dem Rotor (3) und/oder Stator (2) die Verstelleinrichtung (4) mechanisch durch Ausbildung eines zweiten Kräfteungleichgewichts zwischen in der Verstelleinrichtung (4) in einen zweiten Betriebszustand versetzt, bei welchem ein von dem ersten Magnetfeld verschiedenes zweites Magnetfeld zwischen dem Rotor (3) und dem Stator (2) ausgebildet ist, wobei die elektrische Maschine (1) ferner eine Steuereinheit (5) zur Steuerung der Bestromung des Stators (2) aufweist.The invention relates to an electrical machine (1) comprising a stator (2) and a rotor (3), a motor torque and/or a motor force being transmitted to the rotor (3) via a magnetic field generated by the stator (2). can be introduced, and an adjustment device (4) coupled to the rotor (3) and/or stator (2), the adjustment device (4) being set up to mechanically weaken the magnetic field between the rotor (3) and the stator (2). cause a first motor torque and/or a first motor force on the rotor (3) and/or stator (2) to mechanically put the adjusting device (4) into a first operating state by forming a first imbalance of forces in the adjusting device (4). offset, in which a first magnetic field is formed between the rotor (3) and the stator (2), and a second motor torque and/or a second motor force on the rotor (3) and/or stator (2). Adjusting device (4) mechanically by forming a second force imbalance between in the adjustment device (4) in a second operating state in which a different from the first magnetic field, a second magnetic field is formed between the rotor (3) and the stator (2), wherein the electric machine (1) also has a control unit (5) for controlling the energization of the stator (2).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine umfassend einen Stator und einen Rotor, wobei über ein vom Stator erzeugtes magnetisches Feld ein Motor-Drehmoment und/oder eine Motor-Kraft in den Rotor einleitbar ist, sowie eine mit dem Rotor und/oder Stator gekoppelte Verstelleinrichtung, wobei die Verstelleinrichtung eingerichtet ist, mechanisch eine magnetische Feldschwächung zwischen dem Rotor und dem Stator zu bewirken, indem ein erstes Motor-Drehmoment und/oder eine erste Motor-Kraft an dem Rotor und/oder Stator die Verstelleinrichtung mechanisch durch Ausbildung eines ersten Kräfteungleichgewichts in der Verstelleinrichtung in einen ersten Betriebszustand versetzt, bei welchem ein erstes Magnetfeld zwischen dem Rotor und dem Stator ausgebildet ist, und ein zweites Motor-Drehmoment und/oder eine zweite Motor-Kraft an dem Rotor und/oder Stator die Verstelleinrichtung mechanisch durch Ausbildung eines zweiten Kräfteungleichgewichts zwischen in der Verstelleinrichtung in einen zweiten Betriebszustand versetzt, bei welchem ein von dem ersten Magnetfeld verschiedenes zweites Magnetfeld zwischen dem Rotor und dem Stator ausgebildet ist, wobei die elektrische Maschine ferner eine Steuereinheit zur Steuerung der Bestromung des Stators aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Maschine, ein Computerprogrammprodukt und eine Steuereinheit.The present invention relates to an electrical machine comprising a stator and a rotor, a motor torque and/or a motor force being able to be introduced into the rotor via a magnetic field generated by the stator, and an adjustment device coupled to the rotor and/or stator , wherein the adjusting device is set up to mechanically bring about a magnetic field weakening between the rotor and the stator in that a first motor torque and/or a first motor force on the rotor and/or stator mechanically impairs the adjusting device by forming a first force imbalance in the adjusting device is put into a first operating state, in which a first magnetic field is formed between the rotor and the stator, and a second motor torque and/or a second motor force is applied to the rotor and/or stator, the adjusting device mechanically by forming a second Power imbalance between in the adjustment i n puts a second operating state in which a second magnetic field that is different from the first magnetic field is formed between the rotor and the stator, the electric machine also having a control unit for controlling the energization of the stator. The invention also relates to a method for controlling an electrical machine, a computer program product and a control unit.
Elektrische Maschinen unterliegen bei ihrem Betrieb Verlusten durch Ummagnetisierungen und Wirbelströme, die als Eisenverluste zusammengefasst werden und den Maschinenwirkungsgrad herabsetzen. In mobilen Anwendungen, insbesondere bei der Verwendung von elektrischen Maschinen innerhalb eines Antriebsstrang eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, bedeutet ein niedriger Wirkungsgrad der elektrischen Maschine eine geringere Reichweite des Fahrzeugs bzw. erhöhten Bedarf an Batteriekapazität. Es ist daher vor allem in mobilen Anwendungen mit einem hybriden oder rein elektrischen Antrieb ein ständiges Ziel, die beschriebenen Eisenverluste zu minimieren. During operation, electrical machines are subject to losses due to reversal of magnetization and eddy currents, which are summarized as iron losses and reduce the machine's efficiency. In mobile applications, particularly when using electric machines within a drive train of a hybrid or all-electric motor vehicle, a low degree of efficiency of the electric machine means a shorter range for the vehicle or an increased need for battery capacity. It is therefore a constant goal, especially in mobile applications with a hybrid or purely electric drive, to minimize the iron losses described.
Beispielhaft für eine derartige elektrische Maschine, wie sie innerhalb eines Antriebsstrang eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs verwendet werden kann, ist die sogenannte permanenterregte Synchronmaschine. Aufgrund ihrer im Vergleich zu anderen Maschinentypen hohen Leistungsdichte wird sie bevorzugt gerade im Bereich der Elektromobilität verwendet, wo der zur Verfügung stehende Bauraum häufige eine limitierende Größe darstellt. Das Erregerfeld der Maschine wird in der Regel von Permanentmagneten erzeugt, die im Rotor der Maschine angeordnet sind. Auf eine Schleifringkontaktierung, die bei elektrisch erregten Synchronmaschinen notwendig ist, um eine am Rotor angeordnete Erregerspule mit Strom zu versorgen, kann bei der permanenterregten Synchronmaschine verzichtet werden.The so-called permanently excited synchronous machine is an example of such an electrical machine, which can be used within a drive train of a hybrid or fully electrically driven motor vehicle. Due to its high power density compared to other machine types, it is preferably used in the field of electromobility, where the available space is often a limiting factor. The excitation field of the machine is usually generated by permanent magnets that are arranged in the rotor of the machine. A slip ring contact, which is necessary for electrically excited synchronous machines in order to supply current to an excitation coil arranged on the rotor, can be dispensed with in the case of the permanently excited synchronous machine.
Ein Nachteil der Permanenterregung besteht jedoch darin, dass das Erregerfeld nicht ohne Weiteres modifiziert werden kann. Grundsätzlich kann eine Synchronmaschine über ihre Nenndrehzahl hinaus betrieben werden, indem der sogenannte Feldschwächbereich angesteuert wird. In diesem Bereich wird die Maschine mit der maximalen Nennleistung betrieben, wobei mit zunehmender Drehzahl das von der Maschine abgegebene Drehmoment reduziert wird. Elektrisch erregte Synchronmaschinen können sehr einfach im Feldschwächbereich betrieben werden, indem der Erregerstrom reduziert wird. Zwar sind auch bei permanenterregten Maschinen Möglichkeiten bekannt, über eine geeignete Bestromung des Ständers der Maschine eine Luftspaltfeldkomponente zu erzeugen, die dem von den Permanentmagneten erzeugten Erregerfeld entgegenwirkt und dieses somit schwächt. Jedoch bewirkt eine derartige Ansteuerung der Maschine erhöhte Verluste, sodass die Maschine in diesem Bereich nur mit einem reduzierten Wirkungsgrad betrieben werden kann.However, a disadvantage of permanent excitation is that the excitation field cannot be easily modified. In principle, a synchronous machine can be operated beyond its nominal speed by controlling the so-called field weakening range. In this range, the machine is operated with the maximum rated power, with the torque delivered by the machine being reduced as the speed increases. Electrically excited synchronous machines can be operated very easily in the field weakening range by reducing the excitation current. It is true that possibilities are also known in permanently excited machines of generating an air gap field component via a suitable energization of the stator of the machine, which counteracts the excitation field generated by the permanent magnets and thus weakens it. However, driving the machine in this way causes increased losses, so that the machine can only be operated with reduced efficiency in this area.
Um permanenterregte dynamoelektrische Maschinen im Feldschwächbereich betreiben zu können, ohne hierbei den Wirkungsgrad der Maschine nennenswert zu verschlechtern, sind aus dem Stand der Technik Verfahren zur mechanischen FeldSchwächung bekannt. So zeigt die
Aus der
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Es besteht ein anhaltendes Bedürfnis daran, dass die Verstellung des Luftspalts möglichst gezielt zu einem bestimmten Zeitpunkt gesteuert werden und erfolgen kann, so dass die Verstellung des Luftspalts zu einem optimalen Betriebszeitpunkt erfolgt und der Steuerung u.a. auch bekannt ist, in welchem Zustand sich die Maschine befindet (Feldgestärkt / Feldgeschwächt). Dies wird jedoch z.B. durch Reibung, Hysterese, als auch Fertigungs-Streuungen erschwert. Dies gilt besonders, wenn für die Verstellung kein separater Aktor verwendet werden soll, sondern die Verstellung rein durch interne Kräfte / Momente im Motor ausgelöst wird.There is a continuing need for the adjustment of the air gap to be controlled and carried out as specifically as possible at a specific point in time, so that the air gap is adjusted at an optimal operating time and the controller also knows, among other things, the state of the machine (Field strengthened / field weakened). However, this is made more difficult e.g. by friction, hysteresis, as well as manufacturing scatter. This applies in particular if no separate actuator is to be used for the adjustment, but the adjustment is triggered purely by internal forces/torques in the motor.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine elektrische Maschine bereitzustellen, die im Hinblick auf die Steuerung einer mechanischen Verstelleinrichtung zur Verstellung des Magnetfelds zwischen Stator und Rotor verbessert ist. Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Maschine zu realisieren.It is the object of the present invention to provide an electrical machine which is improved with regard to the control of a mechanical adjustment device for adjusting the magnetic field between the stator and the rotor. It is also the object of the invention to implement an improved method for controlling an electrical machine.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Maschine umfassend einen Stator und einen Rotor, wobei über ein vom Stator erzeugtes magnetisches Feld ein Motor-Drehmoment und/oder eine Motor-Kraft in den Rotor einleitbar ist, sowie eine mit dem Rotor und/oder Stator gekoppelte Verstelleinrichtung, wobei die Verstelleinrichtung eingerichtet ist, mechanisch eine magnetische Feldschwächung zwischen dem Rotor und dem Stator zu bewirken, indem ein erstes Motor-Drehmoment und/oder eine erste Motor-Kraft an dem Rotor und/oder Stator die Verstelleinrichtung mechanisch durch Ausbildung eines ersten Kräfteungleichgewichts in der Verstelleinrichtung in einen ersten Betriebszustand versetzt, bei welchem ein erstes Magnetfeld zwischen dem Rotor und dem Stator ausgebildet ist, und ein zweites Motor-Drehmoment und/oder eine zweite Motor-Kraft an dem Rotor und/oder Stator die Verstelleinrichtung mechanisch durch Ausbildung eines zweiten Kräfteungleichgewichts zwischen in der Verstelleinrichtung in einen zweiten Betriebszustand versetzt, bei welchem ein von dem ersten Magnetfeld verschiedenes zweites Magnetfeld zwischen dem Rotor und dem Stator ausgebildet ist, wobei die elektrische Maschine ferner eine Steuereinheit zur Steuerung der Bestromung des Stators aufweist, wobei die Steuereinheit durch Bestromung des Stators in einem Betriebspunkt der elektrischen Maschine das erste Motor-Drehmoment und/oder das zweite Motor-Drehmoment als einen überlagernden Drehmoment-Impuls vom Stator auf den Rotor und/oder die erste Motor-Kraft und/oder die zweite Motor-Kraft als einen überlagernden Kraft-Impuls auf den Stator aufgibt.This object is achieved by an electrical machine comprising a stator and a rotor, a motor torque and/or a motor force being able to be introduced into the rotor via a magnetic field generated by the stator, and a motor torque coupled to the rotor and/or stator Adjusting device, wherein the adjusting device is set up to mechanically bring about a magnetic field weakening between the rotor and the stator by applying a first motor torque and/or a first motor force to the rotor and/or stator, mechanically affecting the adjusting device by forming a first imbalance of forces in the adjustment device into a first operating state, in which a first magnetic field is formed between the rotor and the stator, and a second motor torque and/or a second motor force on the rotor and/or stator mechanically changes the adjustment device by forming a second power imbalance between in the adjusting device in e put into a second operating state, in which a second magnetic field that differs from the first magnetic field is formed between the rotor and the stator, the electric machine also having a control unit for controlling the energization of the stator, the control unit being activated by energizing the stator at an operating point of the electrical machine the first motor torque and/or the second motor torque as a superimposed torque pulse from the stator to the rotor and/or the first motor force and/or the second motor force as a superimposed force pulse on the stator gives up.
Die Verstellung soll also u.a. über das Nutzmoment der elektrischen Maschine und einer ersten Übersetzungs-Mechanik der Verstelleinrichtung, welche das wirkende Drehmoment in eine Verstellbewegung übersetzt, erfolgen.The adjustment should therefore take place, among other things, via the useful torque of the electrical machine and a first transmission mechanism of the adjustment device, which translates the acting torque into an adjustment movement.
Hierfür wird z.B. ein Kräftegleichgewicht zwischen Nutzmoment der elektrischen Maschine und z.B. einer Feder mit einer zweiten Übersetzungsmechanik ausgenutzt, so dass sich abhängig vom Nutzmoment unterschiedliche FederSpannung und Feder-Weg ergeben. Dieser Weg wird für die Verstellung genutzt.For this purpose, e.g. a balance of forces between the useful torque of the electrical machine and e.g. a spring with a second transmission mechanism is used, so that different spring tension and spring travel result depending on the useful torque. This way is used for the adjustment.
Besonders bevorzugt ist es, dass aufgrund einer Hysterese oder einer konstruktiven Integration spezieller Rastpositionen in der Verstellmechanik der Verstelleinrichtung für die mechanische Feldschwächung, bei nicht allzu großem Kräfte-Ungleichgewicht zwischen Nutzmoment und Feder, die Verstellmechanik der Verstelleinrichtung selbsthemmend in einer vordefinierten Position verharrt.It is particularly preferred that due to a hysteresis or a constructive integration of special latching positions in the adjusting mechanism of the adjusting device for the mechanical field weakening, if the imbalance of forces between the useful torque and the spring is not too great, the adjusting mechanism of the adjusting device remains self-locking in a predefined position.
Mittels eines beispielsweisen kurzen Drehmoment-Impuls (kurzzeitige Abweichung des Drehmomentes der elektrischen Maschine vom Soll-Drehmoment, daher auch als überlagernder Impuls bezeichnet) wird die Hysterese oder die Rastier-Kraft überwunden und die Feldschwächung gezielt verstellt.The hysteresis or the detent force is overcome and the field weakening is specifically adjusted by means of a short torque pulse, for example (brief deviation of the torque of the electrical machine from the target torque, therefore also referred to as a superimposed pulse).
Da die Verstelleinrichtung eine Mechanik umfasst, ist die Verstelleinrichtung in der Regel von Reibungskräften beaufschlagt, die eine entsprechende Hysterese der Umschaltung bei verschiedenen Momenten provoziert. Durch die Beaufschlagung der Verstelleinrichtung mit einem Drehmoment-Impuls kann beispielsweise die Reibungshysterese im besten Fall eliminiert werden und letztendlich die Exaktheit der momentenabhängigen Verstell-Funktion wesentlich verbessert werden.Since the adjustment device includes a mechanism, the adjustment device is generally acted upon by frictional forces that provoke a corresponding hysteresis of the switchover at different moments. By applying a torque pulse to the adjustment device, for example, the friction hysteresis can be eliminated in the best case and ultimately the accuracy of the torque-dependent adjustment function can be significantly improved.
Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Maschine umfassend einen Stator und einen Rotor, wobei über ein vom Stator erzeugtes magnetisches Feld ein Motor-Drehmoment und/oder eine Motor-Kraft in den Rotor einleitbar ist, sowie eine mit dem Rotor und/oder Stator gekoppelte Verstelleinrichtung, wobei die Verstelleinrichtung eingerichtet ist, mechanisch eine magnetische Feldschwächung zwischen dem Rotor und dem Stator zu bewirken, wobei die elektrische Maschine ferner eine Steuereinheit zur Steuerung der Bestromung des Stators aufweist, umfassend die folgenden Schritte:
- Erzeugung eines ersten als Drehmoment-Impuls ausgebildeten Motor-Drehmoments und/oder einer ersten als Kraft-Impuls ausgebildeten Motor-Kraft an dem Rotor und/oder Stator durch die Steuereinheit, so dass in der Verstelleinrichtung ein erstes mechanisches Kräfteungleichgewicht ausgebildet wird, welches die Verstelleinrichtung in einen ersten Betriebszustand versetzt, bei welchem ein erstes Magnetfeld zwischen dem Rotor und dem Stator ausgebildet ist,
- Generation of a first motor torque in the form of a torque pulse and/or a first motor force in the form of a force pulse on the rotor and/or stator by the control unit, so that a first mechanical imbalance of forces is formed in the adjustment device, which the adjustment device placed in a first operating state in which a first magnetic field is formed between the rotor and the stator,
Erzeugung eines zweiten als Drehmoment-Impuls ausgebildeten Motor-Drehmoments und/oder einer als Kraft-Impuls ausgebildeten zweiten Motor-Kraft an dem Rotor und/oder Stator durch die Steuereinheit, so dass in der Verstelleinrichtung ein zweites mechanisches Kräfteungleichgewicht ausgebildet wird, welches die Verstelleinrichtung in einen zweiten Betriebszustand versetzt, bei welchem ein von dem ersten Magnetfeld verschiedenes zweites Magnetfeld zwischen dem Rotor und dem Stator ausgebildet ist.Generation of a second motor torque designed as a torque pulse and/or a second motor force designed as a force pulse on the rotor and/or stator by the control unit, so that a second mechanical imbalance of forces is created in the adjusting device, which the adjusting device placed in a second operating state, in which a different from the first magnetic field second magnetic field between the rotor and the stator is formed.
Hierdurch kann eine mechanische Feldschwächung durch Umschalten bzw. Bewegen von mechanischen Bauteilen im magnetischen Kreis ohne einen dedizierten Aktor erfolgen.As a result, a mechanical field weakening can take place by switching or moving mechanical components in the magnetic circuit without a dedicated actuator.
Es versteht sich, dass der Begriff Motor-Drehmoment und Motor-Kraft nicht auf einen motorischen Betrieb der elektrischen Maschine beschränkt ist, sondern auch einen generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine erfasst.It goes without saying that the terms motor torque and motor force are not limited to motor operation of the electrical machine, but also cover generator operation of the electrical machine.
Zunächst werden die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Nennung im Anspruchssatz erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.First, the individual elements of the claimed subject matter of the invention are explained in the order in which they are mentioned in the set of claims, and particularly preferred configurations of the subject matter of the invention are described below.
Elektrische Maschinen dienen zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie und/oder umgekehrt, und umfassen in der Regel einen als Stator, Ständer oder Anker bezeichneten ortsfesten Teil sowie einen als Rotor oder Läufer bezeichneten und gegenüber dem ortsfesten Teil beweglich angeordneten Teil.Electrical machines are used to convert electrical energy into mechanical energy and/or vice versa, and generally include a stationary part referred to as a stator, stand or armature and a part referred to as a rotor or runner and arranged movably relative to the stationary part.
Die elektrische Maschine kann insbesondere als Rotationsmaschine ausgebildet sein. Die Rotationsmaschine kann als Radialflussmaschine oder Axialflussmaschine konfiguriert sein. Dabei zeichnet sich eine Radialflussmaschine dadurch aus, dass die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator ausgebildeten Luftspalt, sich in radialer Richtung erstrecken, während im Falle einer Axialflussmaschine sich die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator gebildeten Luftspalt in axialer Richtung erstrecken. Es ist im Zusammenhang mit dieser Erfindung besonders bevorzugt, dass die elektrische Maschine als Axialflussmaschine konfiguriert ist.The electrical machine can be designed in particular as a rotary machine. The rotary machine can be configured as a radial flux machine or an axial flux machine. A radial flux machine is characterized in that the magnetic field lines extend in the radial direction in the air gap formed between rotor and stator, while in the case of an axial flux machine the magnetic field lines extend in the axial direction in the air gap formed between rotor and stator. In connection with this invention, it is particularly preferred that the electrical machine is configured as an axial flow machine.
Es kann, je nach Anwendungsgebiet, vorteilhaft sein, eine Axialflussmaschine in I-Anordnung oder H-Anordnung auszubilden. Bei einer I-Anordnung ist der Rotor axial neben einem Stator oder zwischen zwei Statoren angeordnet. Bei einer H-Anordnung sind zwei Rotoren auf gegenüberliegenden axialen Seiten eines Stators angeordnet.Depending on the area of application, it can be advantageous to design an axial flux machine in an I-arrangement or an H-arrangement. In an I arrangement, the rotor is arranged axially next to a stator or between two stators. In an H-arrangement, two rotors are arranged on opposite axial sides of a stator.
Grundsätzlich ist es auch möglich, dass eine Mehrzahl von Rotor-Stator-Konfigurationen als I-Typ und/oder H-Typ axial nebeneinander angeordnet sind. Auch wäre es in diesem Zusammenhang möglich, sowohl eine oder mehrere Rotor-Stator-Konfigurationen des I-Typs sowie eine oder mehrere Rotor-Stator-Konfigurationen des H-Typs in axialer Richtung nebeneinander anzuordnen. Insbesondere ist es auch zu bevorzugen, dass die Rotor-Stator-Konfiguration des H-Typs und/oder des I-Typs jeweils im Wesentlichen identisch ausgebildet sind, so dass diese modulartig zu einer Gesamtkonfiguration zusammengefügt werden können. Derartige Rotor-Stator-Konfigurationen können insbesondere koaxial zueinander angeordnet sein sowie mit einer gemeinsamen Rotorwelle oder mit mehrere Rotorwellen verbunden sein.In principle, it is also possible for a plurality of rotor-stator configurations to be arranged axially next to one another as an I-type and/or H-type. It would also be possible in this context to arrange both one or more I-type rotor-stator configurations and one or more H-type rotor-stator configurations next to one another in the axial direction. In particular, it is also preferable that the rotor-stator configuration of the H-type and/or the I-type are each configured essentially identically, so that they can be assembled in a modular manner to form an overall configuration. Such rotor-stator configurations can in particular be arranged coaxially to one another and can be connected to a common rotor shaft or to a plurality of rotor shafts.
Bevorzugt kann die elektrische Maschine ein Motorgehäuse aufweisen. Das Motorgehäuse kann die elektrische Maschine umhausen. Ein Motorgehäuse kann darüber hinaus auch die Steuereinrichtung, insbesondere die Steuer- und Leistungselektronik aufnehmen. Das Motorgehäuse kann darüber hinaus auch Bestandteil eines Kühlsystems für die elektrische Maschine und derart ausgebildet sein, dass Kühlfluid über das Motorgehäuse der elektrischen Maschine zugeführt werden und/oder die Wärme über die Gehäuseflächen nach außen abgeführt werden kann. Darüber hinaus schützt das Motorgehäuse die elektrische Maschine sowie die ggf. vorhandene Elektronik vor äußeren Einflüssen.The electrical machine can preferably have a motor housing. The motor housing can enclose the electric machine. A motor housing can also accommodate the control device, in particular the control and power electronics. The motor housing can also be part of a cooling system for the electric machine and can be designed in such a way that cooling fluid can be supplied to the electric machine via the motor housing and/or the heat can be dissipated to the outside via the housing surfaces. In addition, the motor housing protects the electrical machine and any electronics that may be present from external influences.
Ein Motorgehäuse kann insbesondere aus einem metallischen Material gebildet sein. Vorteilhafter Weise kann das Motorgehäuse aus einem metallischen Gussmaterial, wie zum Beispiel Grauguss oder Stahlguss geformt sein. Grundsätzlich ist es auch denkbar, das Motorgehäuse ganz oder teilweise aus einem Kunststoff auszubilden.A motor housing can be formed in particular from a metallic material. Advantageously, the motor housing can be formed from a cast metal material, such as gray cast iron or cast steel. Basically it is also conceivable to form the motor housing entirely or partially from a plastic.
Der Rotor kann einen Rotorkörper umfassen. Unter einem Rotorkörper wird im Sinne der Erfindung der Rotor ohne Rotorwelle verstanden.The rotor may include a rotor body. In the context of the invention, a rotor body is understood to mean the rotor without a rotor shaft.
Die elektrische Maschine weist ferner eine Steuereinrichtung auf. Eine Steuereinrichtung, wie sie in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, dient insbesondere der elektronischen Steuerung und/oder Reglung eines oder mehrerer technischer Systeme der elektrischen Maschine.The electrical machine also has a control device. A control device, as used in the present invention, is used in particular for the electronic control and/or regulation of one or more technical systems of the electrical machine.
Eine Steuereinrichtung weist insbesondere einen kabelgebundenen oder kabellosen Signaleingang zum Empfang von insbesondere elektrischen Signalen, wie beispielsweise Sensorsignalen, auf. Ferner besitzt eine Steuereinrichtung ebenfalls bevorzugt einen kabelgebundenen oder kabellosen Signalausgang zur Übermittlung von insbesondere elektrischen Signalen, beispielsweise an elektrische Aktuatoren oder elektrische Verbraucher des elektrisch betreibbaren Achsantriebsstrangs oder des Kraftfahrzeugs.A control device has, in particular, a wired or wireless signal input for receiving electrical signals, in particular, such as sensor signals. Furthermore, a control device likewise preferably has a wired or wireless signal output for the transmission of, in particular, electrical signals, for example to electrical actuators or electrical consumers of the electrically operable axle drive train or of the motor vehicle.
Innerhalb der Steuereinrichtung können Steuerungsoperationen und/oder Reglungsoperationen durchgeführt werden. Ganz besonders bevorzugt ist es, dass die Steuereinrichtung eine Hardware umfasst, die ausgebildet ist, eine Software auszuführen. Bevorzugt umfasst die Steuereinrichtung wenigstens einen elektronischen Prozessor zur Ausführung von in einer Software definierten Programmabläufen.Control operations and/or regulation operations can be carried out within the control device. It is very particularly preferred that the control device includes hardware that is designed to run software. The control device preferably comprises at least one electronic processor for executing program sequences defined in software.
Die Steuereinrichtung kann ferner einen oder mehrere elektronische Speicher aufweisen, in denen die in den an die Steuereinrichtung übermittelten Signalen enthaltenen Daten gespeichert und wieder ausgelesen werden können. Ferner kann die Steuereinrichtung einen oder mehrere elektronische Speicher aufweisen, in denen Daten veränderbar und/oder unveränderbar gespeichert werden können.The control device can also have one or more electronic memories in which the data contained in the signals transmitted to the control device can be stored and read out again. Furthermore, the control device can have one or more electronic memories in which data can be stored in a changeable and/or unchangeable manner.
Eine Steuereinrichtung kann eine Mehrzahl von Steuergeräten umfassen, welche insbesondere räumlich getrennt voneinander im Kraftfahrzeug angeordnet sind. Steuergeräte werden auch als Electronic Control Unit (ECU) oder Electronic Control Module (ECM) bezeichnet und besitzen bevorzugt elektronische Mikrocontroller zur Durchführung von Rechenoperationen zur Verarbeitung von Daten, besonders bevorzugt mittels einer Software. Die Steuergeräte können bevorzugt miteinander vernetzt sein, so dass ein kabelgebundener und/oder kabelloser Datenaustausch zwischen Steuergeräten ermöglicht ist. Insbesondere ist es auch möglich, die Steuergeräte über im Kraftfahrzeug vorhandene Bus-Systeme, wie beispielsweise CAN-Bus oder LIN-Bus, miteinander zu vernetzen.A control device can include a plurality of control devices, which are arranged in particular spatially separated from one another in the motor vehicle. Control units are also referred to as electronic control units (ECU) or electronic control modules (ECM) and preferably have electronic microcontrollers for carrying out computing operations for processing data, particularly preferably using software. The control devices can preferably be networked with one another, so that a wired and/or wireless data exchange between control devices is made possible. In particular, it is also possible to network the control units with one another via bus systems present in the motor vehicle, such as a CAN bus or LIN bus.
Ganz besonders bevorzugt besitzt die Steuereinrichtung wenigstens einen Prozessor und wenigstens einen Speicher, der insbesondere einen Computerprogrammcode enthält, wobei der Speicher und der Computerprogrammcode konfiguriert sind, mit dem Prozessor, die Steuereinrichtung zur Ausführung des Computerprogrammcodes zu veranlassen.The control device very particularly preferably has at least one processor and at least one memory, which in particular contains a computer program code, the memory and the computer program code being configured with the processor to cause the control device to execute the computer program code.
Die Steuereinheit kann besonders bevorzugt ein Leistungselektronikmodul zur Bestromung des Stators oder Rotors umfassen. Ein Leistungselektronikmodul ist bevorzugt ein Verbund verschiedener Komponenten, welche einen Strom an die elektrische Maschine steuern oder regeln, bevorzugt inklusive hierzu benötigter peripherer Bauteile wie Kühlelemente oder Netzteile. Insbesondere enthält das Leistungselektronikmodul Leistungselektronik bzw. ein oder mehrere Leistungselektronikbauteile, welche zur Steuerung oder Regelung eines Stroms eingerichtet sind. Dabei handelt es sich besonders bevorzugt um einen oder mehrere Leistungsschalter, z.B. Leistungstransistoren. Besonders bevorzugt weist die Leistungselektronik mehr als zwei, besonders bevorzugt drei voneinander getrennte Phasen bzw. Strompfade mit mindestens je einem eigenen Leistungselektronikbauteil auf. Die Leistungselektronik ist bevorzugt ausgelegt, pro Phase eine Leistung mit einer Spitzenleistung, bevorzugt Dauerleistung, von mindestens 10 W, bevorzugt mindestens 100 W besonders bevorzugt mindestens 1000 W zu steuern oder regeln.The control unit can particularly preferably include a power electronics module for energizing the stator or rotor. A power electronics module is preferably a combination of different components that control or regulate a current to the electrical machine, preferably including peripheral components required for this purpose, such as cooling elements or power supply units. In particular, the power electronics module contains power electronics or one or more power electronics components that are set up to control or regulate a current. This is particularly preferably one or more power switches, e.g. power transistors. The power electronics particularly preferably have more than two, particularly preferably three, phases or current paths which are separate from one another and each have at least one separate power electronics component. The power electronics are preferably designed to control or regulate a power per phase with a peak power, preferably continuous power, of at least 10 W, preferably at least 100 W, particularly preferably at least 1000 W.
Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst ferner eine Verstelleinrichtung. Eine Verstelleinrichtung bewirkt Abhängigkeit der auf sie einwirkenden Betätigungskräfte ein Verstellen von Bauteilen im magnetischen Kreis. Dieses Verstellen der Bauteile kann insbesondere eine Änderung des magnetischen Flusses in der elektrischen Maschine bewirken. Als Verstelleinrichtung werden insbesondere auch mechanische Mechanismen verstanden, durch die eine Verstellung des Rotors oder des Rotorkörpers gegenüber dem Stator oder dem Statorkörper ermöglicht wird. Bei Axialflussmaschinen kann dabei unter Zuhilfenahme der Verstelleinrichtung eine axiale Verstellung des Rotors oder des Rotorkörpers gegenüber dem Stator und/oder umgekehrt erfolgen. Hierdurch wird eine entsprechende Feldschwächung oder Feldstärkung der elektrischen Axialflussmaschine erreicht. Die Verstelleinrichtung besitzt bevorzugt keinen fremdkraftbewirkten Aktor, wie beispielsweise einen elektrischen oder hydraulischen Aktor, zur Aktuierung der Verstelleinrichtung. Eine Verstelleinrichtung kann beispielsweise als Kurvengetriebe ausgestaltet sein. Grundsätzlich sind auch andere mechanische Mechanismen allein oder in Kombination denkbar, beispielsweise ausgewählt aus der Gruppe der Hebel, Konturen, Getriebe, Federn, etc. Insbesondere kann eine oder mehrere Federn zum Einstellen der Kräftegleichgewichte und somit zum Einstellen der Umschaltpunkte vorhanden sein.An electric machine according to the invention also includes an adjusting device. An adjusting device causes components in the magnetic circuit to be adjusted as a function of the actuating forces acting on it. This adjustment of the components can in particular cause a change in the magnetic flux in the electrical machine. In particular, mechanical mechanisms are also understood as adjustment devices, by means of which an adjustment of the rotor or the rotor body relative to the stator or the stator body is made possible. In the case of axial flow machines, the rotor or the rotor body can be adjusted axially relative to the stator and/or vice versa with the aid of the adjusting device. This achieves a corresponding field weakening or field strengthening of the electrical axial flow machine. The adjusting device preferably does not have an externally powered actuator, such as an electric or hydraulic actuator, for actuating the adjusting device. An adjusting device can be designed as a cam mechanism, for example. Basically, other mechanical mechanisms are also alone or conceivable in combination, for example selected from the group of levers, contours, gears, springs, etc. In particular, one or more springs can be present for setting the force balance and thus for setting the switching points.
Die elektrische Maschine ist insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrang eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs vorgesehen. Insbesondere ist die elektrische Maschine so dimensioniert, dass Fahrzeuggeschwindigkeiten größer als 50 km/h, vorzugsweise größer als 80 km/h und insbesondere größer als 100 km/h erreicht werden können. Besonders bevorzugt weist der Elektromotor eine Leistung größer als 30 kW, vorzugsweise größer als 50 kW und insbesondere größer als 70 kW auf. Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die elektrische Maschine Drehzahlen größer als 5.000 U/min, besonders bevorzugt größer als 10.000 U/min, ganz besonders bevorzugt größer als 12.500 U/min bereitstellt.The electric machine is intended in particular for use within a drive train of a hybrid or all-electric motor vehicle. In particular, the electrical machine is dimensioned in such a way that vehicle speeds of more than 50 km/h, preferably more than 80 km/h and in particular more than 100 km/h can be achieved. The electric motor particularly preferably has an output of more than 30 kW, preferably more than 50 kW and in particular more than 70 kW. Furthermore, it is preferred that the electrical machine provides speeds greater than 5,000 rpm, particularly preferably greater than 10,000 rpm, very particularly preferably greater than 12,500 rpm.
Die elektrische Maschine kann auch in einem elektrisch betreibbaren Achsantriebsstrang verbaut sein. Ein elektrischer Achsantriebsstrang eines Kraftfahrzeugs umfasst eine elektrische Maschine und ein Getriebe, wobei die elektrische Maschine und das Getriebe eine bauliche Einheit bilden. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine und das Getriebe in einem gemeinsamen Antriebsstranggehäuse angeordnet sind. Alternativ wäre es natürlich auch möglich, dass die elektrische Maschine ein Motorgehäuse und das Getriebe ein Getriebegehäuse besitzt, wobei die bauliche Einheit dann über eine Fixierung des Getriebes gegenüber der elektrischen Maschine bewirkbar ist. Diese bauliche Einheit wird gelegentlich auch als E-Achse bezeichnet.The electrical machine can also be installed in an electrically operable final drive train. An electric final drive train of a motor vehicle includes an electric machine and a transmission, the electric machine and the transmission forming a structural unit. Provision can in particular be made for the electric machine and the transmission to be arranged in a common drive train housing. Alternatively, it would of course also be possible for the electric machine to have a motor housing and the gearbox to have a gearbox housing, in which case the structural unit can then be effected by fixing the gearbox in relation to the electric machine. This structural unit is sometimes also referred to as the E-axis.
Die elektrische Maschine kann besonders bevorzugt für eine Verwendung in einem Hybridmodul vorgesehen sein. In einem Hybridmodul können Bau- und Funktionselemente eines hybridisierten Antriebsstrangs räumlich und/oder baulich zusammengefasst und vorkonfiguriert sein, so dass ein Hybridmodul in einer besonders einfachen Weise in einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs integrierbar ist. Insbesondere können ein Elektromotor und ein Kupplungssystem, insbesondere mit einer Trennkupplung zum Einkuppeln des Elektromotors in und/oder Auskuppeln des Elektromotors aus dem Antriebsstrang, in einem Hybridmodul vorhanden sein.The electrical machine can particularly preferably be provided for use in a hybrid module. In a hybrid module, structural and functional elements of a hybridized drive train can be spatially and/or structurally combined and preconfigured, so that a hybrid module can be integrated in a particularly simple manner into a drive train of a motor vehicle. In particular, an electric motor and a clutch system, in particular with a separating clutch for coupling the electric motor into and/or decoupling the electric motor from the drive train, can be present in a hybrid module.
Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass wobei der Drehmoment-Impuls und/oder der Kraft-Impuls eine Impulsdauer von <0,5 sec, bevorzugt <0,1 sec, besonders bevorzugt 1-100ms besitzt. Es kann hierdurch erreicht werden, dass der zur Aktuierung der Verstelleinrichtung verwendete Drehmoment- und/oder Kraft-Impuls vom Benutzer der elektrischen Maschine, beispielsweise einem Fahrer in einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug, unbemerkt bleibt und sich diese Aktuierung auch nicht negativ auf das Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs auswirkt.According to a further preferred development of the invention, it can also be provided that the torque pulse and/or the force pulse has a pulse duration of <0.5 sec, preferably <0.1 sec, particularly preferably 1-100 ms. This can ensure that the torque and/or force pulse used to actuate the adjusting device remains unnoticed by the user of the electrical machine, for example a driver in an electrically powered motor vehicle, and that this actuation does not have a negative effect on the driving behavior of the motor vehicle affects.
Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Verstelleinrichtung ausgebildet ist, den Luftspalt zwischen dem Stator und Rotor zu variieren, wodurch eine sehr effiziente und sichere Feldschwächung erzielt werden kann.Furthermore, according to a likewise advantageous embodiment of the invention, provision can be made for the adjustment device to be designed to vary the air gap between the stator and rotor, as a result of which very efficient and reliable field weakening can be achieved.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine eine Axialflussmaschine ist.According to a further particularly preferred embodiment of the invention, it can be provided that the electrical machine is an axial flow machine.
Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass auf einer axialen Seite des Stators in einem axialen Abstand d, einen ersten Luftspalt L bildend, ein erster Rotorkörper angeordnet ist, und mittels der Verstelleinrichtung der axiale Abstand d zwischen dem Rotorkörper und dem Stator über einen Verstellweg variierbar ist.Furthermore, the invention can also be further developed such that a first rotor body is arranged on one axial side of the stator at an axial distance d, forming a first air gap L, and the axial distance d between the rotor body and the stator is increased by means of the adjusting device an adjustment path is variable.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass in der Steuereinheit eine Steuerungskennlinie gespeichert ist, welche eine Funktion des Verstellwegs der Verstelleinrichtung zu einem von der Steuereinheit zu erzeugenden Drehmoment-Impuls darstellt, wobei die Steuerungskennline eine Treppenfunktion ist.In a likewise preferred embodiment variant of the invention, it can also be provided that a control characteristic is stored in the control unit, which represents a function of the adjustment path of the adjustment device in relation to a torque pulse to be generated by the control unit, the control characteristic being a step function.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch ein Computerprogrammprodukt, das auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, oder Computer-Datensignal, verkörpert durch eine elektromagnetische Welle, mit einem Computerprogrammcode, der geeignet ist zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2. Es ist hierdurch insbesondere ermöglicht, ein Update an einer bereits existierenden elektrischen Maschine durchzuführen.The object of the invention is also achieved by a computer program product that is stored on a machine-readable carrier, or computer data signal, embodied by an electromagnetic wave, with a computer program code that is suitable for carrying out the method according to
Schließlich kann die Aufgabe der Erfindung auch gelöst sein durch eine Steuereinheit zur Steuerung einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs nach Anspruch 1 umfassend einen Prozessor und einen Speicher, der einen Computerprogrammcode enthält, wobei der Speicher und der Computerprogrammcode konfiguriert sind, mit dem Prozessor, die Steuereinheit zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 2 zu veranlassen. Hierdurch kann insbesondere eine Nachrüstung einer bereits bestehenden elektrischen Maschine erfolgen.Finally, the object of the invention can also be achieved by a control unit for controlling an electric machine of a motor vehicle according to
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below with reference to figures without restricting the general inventive idea.
Es zeigt:
-
1 eine in einem ersten Betriebszustand befindliche Axialflussmaschine mit einer Verstelleinrichtung zur Feldschwächung in einer schematischen Axialschnittansicht, -
2 eine in einem zweiten Betriebszustand befindliche Axialflussmaschine mit einer Verstelleinrichtung zur Feldschwächung in einer schematischen Axialschnittansicht, -
3 Laufbahn einer Verstelleinrichtung mit Rastier-Bereich und zugeordnetem Weg-Momenten-Diagramm, -
4 Kraft-Weg-Diagramm der Verstelleinrichtung, -
5 Kraft-Weg-Diagramm der Verstelleinrichtung, und -
6 ein Kraftfahrzeug mit einem hybriden und einem vollelektrisch betriebenen Antriebsstrang in einer Blockschalt-Darstellung.
-
1 an axial flux machine in a first operating state with an adjustment device for field weakening in a schematic axial sectional view, -
2 an axial flux machine in a second operating state with an adjustment device for field weakening in a schematic axial sectional view, -
3 Raceway of an adjusting device with detent area and associated path-torque diagram, -
4 force-displacement diagram of the adjusting device, -
5 Force-displacement diagram of the adjustment device, and -
6 a motor vehicle with a hybrid and an all-electric powertrain in a block diagram representation.
Die
Über ein an dem Rotor 3 anlegbares zweites Motor-Drehmoment und/oder eine zweite Motor-Kraft kann die Verstelleinrichtung 4 mechanisch durch Ausbildung eines zweiten Kräfteungleichgewichts in der Verstelleinrichtung 4 in einen zweiten Betriebszustand versetzt werden, bei welchem ein von dem ersten Magnetfeld verschiedenes zweites Magnetfeld zwischen dem Rotor 3 und dem Stator 2 ausgebildet ist. Dieser Betriebszustand ist in der
Die gezeigte Verstelleinrichtung 4 ist grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt, so dass hier auf die Funktionsweise nur knapp eingegangen wird. Die gezeigte mechanische Verstelleinrichtung 4 ist als Kurvengetriebe ausgebildet, bei dem ein Wälzkörper 7 axial zwischen zwei V-förmigen Laufbahnen 6 aufgenommen ist und eine der V-förmigen Laufbahnen 6 mit dem Rotorkörper 31 und die andere V-förmige Laufbahn 6 drehfest mit der Rotorwelle 30 verbunden ist. Für einen Abgleich der Verstell-Kennlinie des magnetischen Flusses in Abhängigkeit der Steuergröße sind Gegenkräfte (z.B. mittels Federn) in die Verstelleinrichtung 4 integriert bzw. genutzt, welche gegen die Betätigungskräfte und gegen die magnetischen Kräfte zwischen Stator 2 und Rotor 3 wirken. Betätigungskräfte, magnetische Kräfte und Gegenkräfte bilden ein Kräftegleichgewicht, welches bei einer Veränderung des Gleichgewichtes (z.B. Änderung der Drehzahl, Änderung des Nutzmomentes) eine mechanische Verstellung der Bauteile im magnetischen Fluss bewirken. Grundsätzlich sind jedoch auch beliebig anders ausgebildete mechanische Verstelleinrichtungen 4 denkbar.The
Abhängig vom relativen Verdreh-Winkel der beiden V-förmigen Laufbahnen 6 zueinander, bewirken die V-förmigen Laufbahnen 6 eine Kraft-Drehmoment-Übersetzung zwischen der axialen auf die V-förmigen Laufbahnen 6 wirkende Kraft und des übertragenen Drehmoments, welches an den V-förmigen Laufbahnen 6 anliegt. Die V-förmigen Laufbahnen 6 sind so ausgelegt, dass sich bei unterschiedlicher Kraft bzw. bei unterschiedlichen Drehmomentverhältnissen, unterschiedliche relative Verdreh-Winkel zwischen den V-förmigen Laufbahnen 6 einstellen. Die Axial-Kraft zwischen Rotor 3 und Stator 2 aufgrund der MagnetKräfte, die Gegenfedern, welche gegen die Magnetkräfte wirken, und die axiale Kraft des Kurvengetriebes stehen im Gleichgewicht.Depending on the relative torsion angle of the two V-shaped
Eine Veränderung des Motormoments und somit des übertragenen Drehmomentes zwischen den V-förmigen Laufbahnen 6 bewirkt eine Veränderung der axialen Kraft aufgrund der Übersetzung des Kurvengetriebes. Diese Änderung wiederum bewirkt, dass sich die V-förmigen Laufbahnen 6 gegeneinander Verdrehen, bis sich ein neues Gleichgewicht einstellt. Das Verdrehen der V-förmigen Laufbahnen 6 bewirkt ein Verstellen des axialen Abstandes zwischen den Rotorscheiben 3 und dem Stator 2. Dies ist auch gut aus der Zusammenschau von
Nicht dargestellt sind optionale mechanische Endanschläge, welche die Bewegungen begrenzen (z.B. gegen Ende der V-förmingen Laufbahnen).Optional mechanical end stops that limit the movements (e.g. towards the end of the V-shaped tracks) are not shown.
Die elektrische Maschine 1 weist ferner eine Steuereinheit 5 zur Steuerung der Bestromung des Stators 2 auf. Die Steuereinheit 5 gibt durch Bestromung des Stators 2 in einem Betriebspunkt der elektrischen Maschine 1 das erste Motor-Drehmoment und/oder das zweite Motor-Drehmoment als einen überlagernden Drehmoment-Impuls vom Stator 2 auf den Rotor 3 und/oder die erste Motor-Kraft und/oder die zweite Motor-Kraft als einen überlagernden Kraft-Impuls auf den Stator 2 auf. Die Steuereinheit 5 zur Steuerung der elektrischen Maschine 1 umfasst einen Prozessor 51 und einen Speicher 52, der einen Computerprogrammcode enthält, wobei der Speicher 52 und der Computerprogrammcode konfiguriert sind, mit dem Prozessor 51, die Steuereinheit 5 zur Durchführung eines Steuerungsverfahrens zu veranlassen.The
Zur Steuerung der elektrischen Maschine 1, bzw. der Verstelleinrichtung 4 kann das folgende Steuerungsverfahren angewendet werden, das nachstehend näher erläutert wird.The following control method, which is explained in more detail below, can be used to control the
Zunächst erfolgt die Erzeugung eines ersten als Drehmoment-Impuls ausgebildeten Motor-Drehmoments und/oder einer ersten als Kraft-Impuls ausgebildeten Motor-Kraft an dem Rotor 3 und/oder Stator 2 durch die Steuereinheit 5, so dass in der Verstelleinrichtung 4 ein erstes mechanisches Kräfteungleichgewicht ausgebildet wird, welches die Verstelleinrichtung 4 in einen ersten Betriebszustand versetzt, bei welchem ein erstes Magnetfeld zwischen dem Rotor 3 und dem Stator 2 ausgebildet ist.First, a first motor torque, designed as a torque pulse, and/or a first motor force, designed as a force pulse, is generated on the
Nachfolgend erfolgt dann die Erzeugung eines zweiten als Drehmoment-Impuls ausgebildeten Motor-Drehmoments und/oder einer als Kraft-Impuls ausgebildeten zweiten Motor-Kraft an dem Rotor 3 und/oder Stator 2 durch die Steuereinheit 5, so dass in der Verstelleinrichtung 4 ein zweites mechanisches Kräfteungleichgewicht ausgebildet wird, welches die Verstelleinrichtung 4 in einen zweiten Betriebszustand versetzt, bei welchem ein von dem ersten Magnetfeld verschiedenes zweites Magnetfeld zwischen dem Rotor 3 und dem Stator 2 ausgebildet ist.Subsequently, a second motor torque designed as a torque pulse and/or a second motor force designed as a force pulse is generated on the
Der Drehmoment-Impuls und/oder der Kraft-Impuls besitzt eine Impulsdauer von <0,5 sec, bevorzugt <0,1 sec, besonders bevorzugt 1-1 00ms.The torque pulse and/or the force pulse has a pulse duration of <0.5 sec, preferably <0.1 sec, particularly preferably 1-100 ms.
In den
Aufbauend auf den oben beispielhaft beschriebenen Aufbau und Funktion der Verstelleinrichtung 4, können nun die rampenförmigen Laufbahnen 6 entweder mittels Reibung um eine erhöhte Hysterese und/oder mittels Anpassung der rampenförmigen Kontur der Laufbahnen angepasst werden, z.B. mittels geeigneter Veränderung der Steigung der Laufbahnen 6, wie es beispielhaft in der oberen Abbildung der
Eine Verstellung der Verstelleinrichtung 4 würde somit weiterhin in Abhängigkeit des Drehmomentes erfolgen, jedoch würde eine Verstellung erst ab einem Kräfte-Ungleichgewicht beginnen, bei dem diese Kraftdifferenz die Reibungs-Kraft und/oder die Rastier-Kraft zwischen den Laufbahnen 6 und dem Wälzkörper 7 überwindet.An adjustment of the adjusting
In der oberen Abbildung der
Zwei beispielhafte Kraft-Weg-Diagramme sind in den
Die
Ein erstes Kräftegleichgewicht der Verstelleinrichtung 4 ist in dem Kraft-Weg-Diagramm der
Wird nun dem Kräfte-Ungleichgewicht FNutz eine künstliche Kraft FImpuls überlagert, so erreichen wird die Verstelleinrichtung 4 aus dem in dem Punkt Pkt2 gezeigten Betriebszustand in den in Punkt Pkt 3 abgebildeten Betriebszustand überführt, ab dem die Hysterese und/oder Rastierkraft überwunden wird. Nach überwinden der Hysterese- und/oder Rastierkraft beginnt die Verstelleinrichtung 4 die mechanische Feldschwächung zu bewirken und die Verstelleinrichtung wird aus dem Betriebszustand des Punktes Pkt3 in den Betriebszustand des Punktes Pkt 4 überführt, der in dem Kraft-Weg-Diagramm oberhalb der Punkte Pkt1-3 liegt.If an artificial force F impulse is now superimposed on the imbalance of forces F use , the
Wenn die impulsartige Kraft FImpuls wieder zurückgenommen wird, wirkt wieder nur die Kraft FNutz auf die Verstelleinrichtung 4 und die Verstelleinrichtung 4 wird aus dem in dem Punkt Pkt4 gezeigten Betriebszustand in den Betriebszustand des Punktes Pkt5 überführt, welcher dann stabil bleibt, solange die Kraft FNutz kleiner als die Hysterese- und/oder Rastierkraft bleibt und keine weitere Kraft FImpuls überlagert wird.If the impulse-like force F impulse is withdrawn again, only the force F use acts on the
Die Kraft FImpuls kann z.B. mittels einer kurzen Erhöhung des Abtriebsmomentes der elektrischen Maschine 1 erwirkt werden. Dieser Drehmoment- und/oder Kraft-Impuls wird so kurz ausgelegt, dass er für eine Verstellung der Verstelleinrichtung 4 ausreichend ist, aber beispielsweise für die Fahrzeuginsassen eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, nicht spur bar ist. Optional wird der Drehmoment- und/oder Kraft-Impuls FImpuls durch einen entgegengesetzten Impuls umrahmt, so dass das mittlere Moment nicht verändert wird. Aufgrund der Trägheiten, beispielsweise des Fahrzeuges und der Elastizitäten seines Antriebsstranges, wirkt sich dies kaum oder nicht merkbar auf die Fahrzeugbeschleunigung aus.The force F pulse can be achieved, for example, by briefly increasing the output torque of the
Mit anderen Worten zeigt die
Ohne eine Impuls-Verstellung der Verstelleinrichtung 4 folgt die „normale“ Verstellung nicht der durchgezogenen Linie, sondern verstellt schematisch dargestellt erst bei Erreichen einer der gestrichelten Linien. Diese Verstellung ist entsprechend ungenau.Without an impulse adjustment of the adjusting
Ausgehend von dem im Punkt Pkt 1 gezeigten Betriebszustand der Verstelleinrichtung 4, wird unter Einwirkung der Kraft FNutz zuerst der Punkt Pkt 2 erreicht und nachfolgend gleich darauf der Betriebszustand, der in dem Punkt Pkt 3 repräsentiert ist. Der Punt Pkt 3 liegt bereits auf einer höheren Position der Y-Achse als die Punkte Pkt 1 und Pkt 2. Es erfolgt somit bereits eine automatische Verstellung der Verstelleinrichtung 4, jedoch wird ohne eine unterstützende Kraft nicht der gewünschte Betriebszustand des Punktes Pkt 5 erreicht. Der Punkt Pkt 5 entspricht dem Verstellweg der Verstelleinrichtung 4 ohne Hysterese und Rastierkräfte.Starting from the operating state of the adjusting
Erst mit dem unterstützenden Kraftimpuls Flmpuls verstellt sich die Verstelleinrichtung 4, so dass der in dem Punkt Pkt 4 gezeigte Betriebszustand der Verstelleinrichtung 4 erreicht wird und nach Wegnahme von des Impulses FImpuls schließlich zu in dem Punkt Pkt 5 gezeigten Betriebszustand überführt wird. Dieses oben erläuterte Verhalten der Verstelleinrichtung 4 ist hilfreich z.B. für den Fall einer Fehlfunktion zum Erzeugen des Impulses FImpuls, so dass die Verstelleinrichtung im Notbetrieb selbständig bei großen Veränderungen des Betriebspunktes nachstellt.The adjusting
Bezüglich der Erläuterungen zu den
Die in den
Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.The invention is not limited to the embodiments shown in the figures. The foregoing description is therefore not to be considered as limiting but as illustrative. The following patent claims are to be understood in such a way that a mentioned feature is present in at least one embodiment of the invention. This does not exclude the presence of other features. If the patent claims and the above description define 'first' and 'second' feature, this designation serves to distinguish between two similar features without establishing a ranking.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- elektrische Maschineelectric machine
- 22
- Statorstator
- 33
- Rotorrotor
- 44
- Verstelleinrichtungadjusting device
- 55
- Steuereinheitcontrol unit
- 66
- Laufbahncareer
- 77
- Wälzkörperrolling elements
- 88th
- Rastier-Bereich detent area
- 1010
- Antriebsstrangpowertrain
- 1111
- Kraftfahrzeug motor vehicle
- 3131
- Rotorkörper rotor body
- 5151
- Prozessorprocessor
- 5252
- SpeicherStorage
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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-
2021
- 2021-09-22 DE DE102021124534.6A patent/DE102021124534A1/en not_active Withdrawn
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2022
- 2022-03-07 WO PCT/DE2022/100179 patent/WO2022188925A1/en active Application Filing
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