DE102021126607A1 - Electric automotive traction motor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Kraftfahrzeug-Traktionsmotor (10) mit einem Motorstator (20), der von mehreren Statorspulen (22) gebildet wird, einer elektronischen Kommutierungssteuerung (30) zur selektiven dynamischen Bestromung der Statorspulen (22), einem fremderregten Motorrotor (40) mit mindestens vier Polwicklungen (41,42,43,44), und einer Übertrageranordnung (50) zur Übertragung einer statischen Erregerspannung (UE) von einer Erregersteuerung (60) auf die Polwicklungen (41,42,43,44).Die Erregersteuerung (60) und die Übertrageranordnung (50) sind derart ausgebildet, dass die Polarität von mindestens zwei Polwicklungen (43,44) der mindestens vier Polwicklungen (41,42, 43,44) umschaltbar ist.The invention relates to an electric motor vehicle traction motor (10) with a motor stator (20) which is formed by a plurality of stator coils (22), an electronic commutation control (30) for the selective dynamic energization of the stator coils (22), a separately excited motor rotor ( The Exciter control (60) and the transmitter arrangement (50) are designed in such a way that the polarity of at least two pole windings (43,44) of the at least four pole windings (41,42, 43,44) can be switched.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Kraftfahrzeug-Traktionsmotor, der als fremderregter Synchronmotor ausgebildet ist.The invention relates to an electric motor vehicle traction motor which is designed as an externally excited synchronous motor.
Als elektrische Kraftfahrzeug-Traktionsmotoren eignen sich wegen ihres hohen Wirkungsgrades, ihrer Kompaktheit und ihrer guten Kühlbarkeit insbesondere elektrische Synchronmaschinen. Hierbei wird der Motorstator von mehreren Statorspulen gebildet, die durch eine elektronische Kommutierungssteuerung selektiv dynamisch bestromt werden. Der Motorrotor kann permanenterregt ausgebildet sein, also mit Permanentmagneten zur Erzeugung eines statischen Magnetfeldes ausgestattet sein, oder kann alternativ fremderregt ausgebildet sein.Electrical synchronous machines are particularly suitable as electric motor vehicle traction motors because of their high efficiency, their compactness and their good cooling properties. Here, the motor stator is formed by several stator coils, which are selectively and dynamically energized by an electronic commutation control. The motor rotor can be designed to be permanently excited, ie it can be equipped with permanent magnets to generate a static magnetic field, or alternatively it can be designed to be externally excited.
Ein typischer Kraftfahrzeug-Traktionsmotor ist aus
Aufgabe der Erfindung ist es vor diesem Hintergrund, einen Kraftfahrzeug-Traktionsmotor mit verbessertem Drehmoment-Drehzahl-Verhalten zu schaffen.Against this background, the object of the invention is to create a motor vehicle traction motor with improved torque/speed behavior.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem elektrischen Kraftfahrzeug-Traktionsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1.This object is achieved according to the invention with an electric motor vehicle traction motor having the features of claim 1.
Der erfindungsgemäße elektrische Kraftfahrzeug-Traktionsmotor weist einen Motorstator auf, der von mehreren Statorspulen gebildet ist. Die Statorspulen werden durch eine elektronische Kommutierungssteuerung selektiv und dynamisch bestromt, um auf diese Weise ein rotierendes Magnetfeld zu generieren, dem der Motorrotor synchron folgt. Der Motorrotor ist fremderregt und weist mindestens vier Polwicklungen auf, die also mindestens zwei physische Polpaare bilden.The electric motor vehicle traction motor according to the invention has a motor stator which is formed by a plurality of stator coils. The stator coils are selectively and dynamically energized by an electronic commutation control in order to generate a rotating magnetic field that the motor rotor follows synchronously. The motor rotor is separately excited and has at least four pole windings, which form at least two physical pole pairs.
Es ist eine Übertrageranordnung zur Übertragung der Erregerenergie bzw. der Erregerspannung vorgesehen, mit der die Motorrotor-Polwicklungen elektromagnetisch erregt werden. Die Übertrageranordnung überträgt die elektrische Erregerenergie vom ortsfesten Motorteil auf den rotierenden Motorrotor.A transformer arrangement is provided for transmitting the excitation energy or the excitation voltage, with which the motor rotor pole windings are excited electromagnetically. The transformer arrangement transmits the electrical excitation energy from the stationary motor part to the rotating motor rotor.
Ferner ist eine Erregersteuerung vorgesehen, die die elektrische Erregung der Motorrotor-Polwicklungen steuert, und insbesondere die Polarität der elektrischen Erregung der Motor-Polwicklungen steuert bzw. schaltet. Die Erregersteuerung ist in der Regel statorseitig angeordnet, jedoch kann die Erregersteuerung grundsätzlich auch teilweise in dem Motorrotor vorgesehen sein, und kann beispielsweise drahtlos von der Startorseite aus kontrolliert und gesteuert werden.Furthermore, an exciter control is provided, which controls the electrical excitation of the motor rotor pole windings, and in particular controls or switches the polarity of the electrical excitation of the motor pole windings. The excitation control is usually arranged on the stator side, but the excitation control can in principle also be provided partially in the motor rotor and can be monitored and controlled wirelessly from the starter side, for example.
Die Erregersteuerung und die Übertrageranordnung sind derart ausgebildet, dass die elektromagnetische Polarität von zwei Polwicklungen einer Gruppe von mindestens vier rotatorisch nacheinander angeordneten Polwicklungen konstant ist, und dass die elektromagnetische Polarität von zwei Polwicklungen der Gruppe von mindestens vier Polwicklungen umschaltbar ist. Mit anderen Worten: Die elektromagnetische Polarität eines Polwicklungs-Paares einer Gruppe von zwei zueinander benachbarten Polwicklungs-Paaren ist konstant und die des anderen Polwicklungs-Paares dieser Gruppe ist umschaltbar.The excitation controller and the transmitter arrangement are designed such that the electromagnetic polarity of two pole windings of a group of at least four pole windings arranged rotationally one after the other is constant, and that the electromagnetic polarity of two pole windings of the group of at least four pole windings can be switched. In other words: The electromagnetic polarity of a pole winding pair of a group of two mutually adjacent pole winding pairs is constant and that of the other pole winding pair of this group is switchable.
Auf diese Weise kann beispielsweise bei einem vierpoligen Motorrotor zwischen insgesamt zwei von außen wahrgenommenen alternierenden Rotor-Magnetpolen in der Verschaltung bzw. Polfolge N-N-S-S und vier von außen wahrgenommenen alternierenden Magnetpolen in der Verschaltung bzw. Polfolge N-S-N-S, und bei einem sechspoligen Motorrotor zwischen insgesamt zwei von außen wahrgenommenen Rotor-Magnetpolen in der Verschaltung bzw. Polfolge N-N-N-S-S-S und sechs von außen wahrgenommenen Magnetpolen in der Verschaltung bzw. Polfolge N-S-N-S-N-S umgeschaltet werden. Die Umschaltung auf die Hälfte bzw. sogar auf nur noch 1/3 der von außen wahrgenommenen Rotor-Magnetpole kann beispielsweise bei hohen Drehzahlen erfolgen, so dass auf diese Weise die statorseitigen Ummagnetisierungs-Verluste erheblich reduziert werden. Hierdurch kann der Traktionsmotor bei hohen Drehzahlen gegebenenfalls verlustärmer und effizienter betrieben werden, so dass ein Schaltgetriebe unter Umständen sogar ganz entfallen kann.In this way, for example, in the case of a four-pole motor rotor, between a total of two externally perceived alternating rotor magnetic poles in the circuit or pole sequence N-N-S-S and four externally perceived alternating magnetic poles in the circuit or pole sequence N-S-N-S, and in the case of a six-pole motor rotor between a total of two of rotor magnetic poles perceived from the outside in the interconnection or pole sequence N-N-N-S-S-S and six magnetic poles perceived from the outside in the interconnection or pole sequence N-S-N-S-N-S. Switching to half or even to only 1/3 of the rotor magnetic poles perceived from the outside can take place, for example, at high speeds, so that in this way the stator-side hysteresis losses are significantly reduced. As a result, the traction motor can be operated with lower losses and more efficiently at high speeds, so that a manual transmission can sometimes even be omitted entirely.
Vorzugsweise sind exakt zwei von einer Gruppe von vier oder von sechs zusammenhängenden, also zueinander benachbarten Polwicklungen umschaltbar, so dass die Anzahl der von außen wahrnehmbaren Rotor-Magnetpole halbiert oder gedrittelt wird.Exactly two of a group of four or six contiguous pole windings, ie pole windings that are adjacent to one another, can preferably be switched over, so that the number of rotor magnetic poles that can be seen from the outside is halved or divided into three.
Vorzugsweise ist die Erregersteuerung stationär angeordnet, also ortsfest angeordnet, und überträgt die Übertrageranordnung zwei voneinander unabhängige Erregerspannungen auf den Motorrotor, wobei die eine erste Erregerspannung polaritätskonstant und die zweite Erregerspannung nicht polaritätskonstant ist.The exciter control is preferably arranged in a stationary manner, ie arranged in a stationary manner, and the transformer arrangement transmits two mutually independent excitation voltages to the motor rotor, with the first excitation voltage having constant polarity and the second excitation voltage not having constant polarity.
Vorzugsweise ist die Übertrageranordnung von mechanischen Schleifer-Paarungen gebildet, wobei jede Schleifer-Paarung vorzugsweise aus einem rotorseitigen Schleifring und einem statorseitigen Schleifkontakt besteht, beispielsweise einem Bürstenschleifer oder einem Kohleschleifer. Eine derartige mechanische Übertrageranordnung ist einfach und preiswert herstellbar.The transmitter arrangement is preferably formed by pairings of mechanical wipers, each pair of wipers preferably consisting of a slip ring on the rotor side and a sliding contact on the stator side, for example a brush wiper or a carbon wiper. Such a mechanical transmitter arrangement can be produced easily and inexpensively.
Alternativ ist die Übertrageranordnung berührungslos ausgebildet, und wird von mindestens einem induktiven Koppler gebildet, der die für die elektrische Erregung der Polwicklungen erforderliche elektrische Energie berührungslos auf den Motorrotor überträgt. In diesem Fall ist die Erregersteuerung, die die Polarität der umschaltbaren Polwicklung(en) einstellt, vorzugsweise rotorseitig vorgesehen. Eine berührungslose Übertrageranordnung ist nahezu verschleißfrei und bezüglich elektromagnetischer Störungen emissionsarm.Alternatively, the transmitter arrangement is designed without contact and is formed by at least one inductive coupler, which transmits the electrical energy required for the electrical excitation of the pole windings to the motor rotor without contact. In this case, the exciter control, which sets the polarity of the switchable pole winding(s), is preferably provided on the rotor side. A non-contact transmitter arrangement is almost wear-free and has low emissions with regard to electromagnetic interference.
Im Folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines elektrischen Kraftfahrzeug-Traktionsmotors mit einem fremderregten Motorrotor und einer ortsfesten bzw. statorseitigen Erregersteuerung sowie einer von vier Schleifer-Paarungen gebildeten mechanischen Übertrageranordnung, und -
2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines elektrischen Kraftfahrzeug-Traktionsmotors mit einer induktiven Übertrageranordnung und einer rotorseitigen Erregersteuerung.
-
1 a schematic representation of a first exemplary embodiment of an electric motor vehicle traction motor with a separately excited motor rotor and a stationary or stator-side exciter control and a mechanical transmission arrangement formed by four pairs of sliders, and -
2 a schematic representation of a second embodiment of an electric motor vehicle traction motor with an inductive transmitter arrangement and a rotor-side exciter control.
In den Figuren ist jeweils ein Ausführungsbeispiel eines elektrischen Kraftfahrzeug-Traktionsmotors 10; 10' dargestellt, der bevorzugt über einen Umrichter durch eine elektrische Traktionsbatterie gespeist wird. Es handelt sich in beiden Ausführungsbeispielen um einen Synchronmotor mit einem fremderregten Motorrotor 40. Der Traktionsmotor 10 weist einen hier nur schematisch dargestellten Motorstator 20 mit vorliegend zwölf Statorspulen 22 auf, die durch eine elektronische Kommutierungssteuerung 30 bestromt werden. Der fremderregte Motorrotor 40 ist vorliegend vierpolig ausgebildet und weist daher vier Polwicklungen 41,42,43,44 auf, wobei jeweils zwei zueinander benachbarte Polwicklungen 41,42,43,44 in Reihe geschaltet sind, und auf diese Weise ein Paar Polwicklungen 41,42 mit konstanter Polarität und ein Paar Polwicklungen 43,44 mit umschaltbarer Polarität bildet. Die Polwicklungen 41,42,43,44 sind jeweils korrespondierenden Rotor-Polköpfen 41`,42`,43`,44` zugeordnet.The figures each show an exemplary embodiment of an electric motor
In dem in der
Die mechanische Übertrageranordnung 50 der
In dem in der
Bei beispielsweise niedrigen Traktionsmotor-Drehzahlen steuert die elektronische Kommutierungssteuerung 30 die Erregersteuerung 60;60` derart, dass die elektromagnetische Polfolge der vier Polwicklungen 41,42, 43,44 lautet: N-S-N-S. Von außen bzw. vom Motorstator 20 werden pro Rotorumdrehung also vier Magnetpole wahrgenommen. Bei höheren Drehzahlen signalisiert die Kommutierungsteuerung 30 der Erregersteuerung 60,60' ein Umschalten der Polaritäten der beiden umschaltbaren Polwicklungen 43,44, so dass die elektromagnetische Polfolge der vier Polwicklungen 41,42,43,44 lautet: N-N-S-S. At low traction motor speeds, for example, the
Von außen werden pro Rotorumdrehung also pro Umdrehung zwei alternierende Magnetpole wahrgenommen, so dass die Kommutierungsfrequenz halbiert werden kann.From the outside, two alternating magnetic poles are perceived per rotor revolution, ie per revolution, so that the commutation frequency can be halved.
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2021
- 2021-10-14 DE DE102021126607.6A patent/DE102021126607A1/en active Pending
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