DE102023104532A1

DE102023104532A1 - Axialflussmotor mit einstellbarem luftspalt

Info

Publication number: DE102023104532A1
Application number: DE102023104532.6A
Authority: DE
Inventors: Jian Yao; Alan G. Holmes; Chengwu Duan; Vincent Fedida; Denghao Fan
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2022-11-28
Filing date: 2023-02-24
Publication date: 2024-05-29
Also published as: US20240178732A1; CN118100576A

Abstract

Ein Axialflussmotor kann einen Stator, einen Rotor, der einen Rotorrahmen enthält und eine Drehachse besitzt, einen axialen Luftspalt, der den Stator und den Rotor trennt, wobei der axiale Luftspalt einer axialen Position des Rotorrahmens entspricht, und mindestens einen Hydraulikaktor, der eine Hydraulikfluidkammer mit veränderlichem Volumen enthält, die im Rotorrahmen definiert ist, enthalten, wobei eine Änderung des Volumens der Hydraulikfluidkammer mit veränderlichem Volumen eine Änderung der axialen Position des Rotorrahmens und eine entsprechende Änderung des axialen Luftspalts, der den Stator und den Rotor trennt, verursacht.

Description

EINFÜHRUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Permanentmagnet-Axialfluss-Motoren (PM-AF-Motoren). PM-Motoren können eine Gegen-EMK in den Statorwicklungen erzeugen, die zu der Motordrehzahl und der Luftspaltfeldstärke proportional ist. Ohne einen gewissen Typ einer Feldschwächung über einem Grunddrehzahlbetrieb kann ein PM-Motor drehzahl- und drehmomentbeschränkt sein.
ZUSAMMENFASSUNG
In einer beispielhaften Ausführungsform kann ein Axialflussmotor einen Stator, einen Rotor, der einen Rotorrahmen enthält und eine Drehachse besitzt, einen axialen Luftspalt, der den Stator und den Rotor trennt, wobei der axiale Luftspalt einer axialen Position des Rotorrahmens entspricht, und mindestens einen Hydraulikaktor, der eine Hydraulikfluidkammer mit veränderlichem Volumen enthält, die im Rotorrahmen definiert ist, enthalten, wobei eine Änderung des Volumens der Hydraulikfluidkammer mit veränderlichem Volumen eine Änderung der axialen Position des Rotorrahmens und eine entsprechende Änderung des axialen Luftspalts, der den Stator und den Rotor trennt, verursacht.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der Merkmale, die hier beschrieben sind, kann der mindestens eine Hydraulikaktor ein geradliniger Hydraulikaktor sein.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der Merkmale, die hier beschrieben sind, kann der mindestens eine Hydraulikaktor ein drehender Hydraulikaktor sein.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der Merkmale, die hier beschrieben sind, kann der Axialflussmotor ferner eine Motorabtriebswelle enthalten, die einen Durchgang besitzt, der ein Hydraulikfluid zu und von der Hydraulikfluidkammer mit veränderlichem Volumen kommuniziert.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der Merkmale, die hier beschrieben sind, kann der mindestens eine Hydraulikaktor mehrere Hydraulikfluidkammern mit veränderlichem Volumen enthalten.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der Merkmale, die hier beschrieben sind, kann der mindestens eine Hydraulikaktor mehrere Hydraulikaktoren enthalten, die um den Rotor in Winkelrichtung verteilt sind.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der Merkmale, die hier beschrieben sind, kann der Axialflussmotor ferner eine Motorabtriebswelle enthalten, die einen Durchgang besitzt, der Hydraulikfluid zur Hydraulikfluidkammer mit veränderlichem Volumen kommuniziert, wobei die Hydraulikfluidkammer mit veränderlichem Volumen einen Hohlraum im Rotorrahmen enthalten kann, der eine Aderplatte einschließt, die Aderplatte von einer zylindrischen Basis, die die Motorabtriebswelle umgibt, radial nach außen verläuft, die zylindrische Basis an der Motorabtriebswelle derart angebracht ist, dass die zylindrische Basis in Bezug auf die Motorabtriebswelle drehend und axial fest ist, und der Rotorrahmen an der zylindrischen Basis derart angebracht ist, dass der Rotorrahmen axial verlagerbar ist.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der Merkmale, die hier beschrieben sind, kann der Axialflussmotor ferner eine Motorabtriebswelle enthalten, die einen Durchgang enthält, der Hydraulikfluid zur Hydraulikfluidkammer mit veränderlichem Volumen kommuniziert, wobei die Hydraulikfluidkammer mit veränderlichem Volumen einen Hohlraum im Rotorrahmen enthalten kann, der eine Aderplatte einschließt, die Aderplatte von der Motorabtriebswelle radial nach außen verläuft, die Aderplatte an der Motorabtriebswelle derart angebracht ist, dass die Aderplatte in Bezug auf die Motorabtriebswelle drehend fest ist und in Bezug auf die Motorabtriebswelle axial verlagerbar ist, und der Rotorrahmen an der Motorabtriebswelle derart angebracht ist, dass der Rotorrahmen in Bezug auf die Motorabtriebswelle drehend und axial verlagerbar ist.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der Merkmale, die hier beschrieben sind, kann der Rotorrahmen durch eine Leitspindelkopplung an der Motorabtriebswelle angebracht sein.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der Merkmale, die hier beschrieben sind, kann die Leitspindelkopplung eine Kugelumlaufspindel enthalten.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der Merkmale, die hier beschrieben sind, kann der Axialflussmotor eine Tellerfeder enthalten, die während der Änderung der axialen Position des Rotorrahmens komprimierbar ist.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der Merkmale, die hier beschrieben sind, kann der Axialflussmotor ferner ein Binär-Fluidsteuerventil enthalten, das einen ersten Zustand, der das Hydraulikfluid zur Hydraulikfluidkammer liefert, und einen zweiten Zustand, der das Hydraulikfluid aus der Hydraulikfluidkammer abgibt, besitzt.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der Merkmale, die hier beschrieben sind, kann der Rotor oberflächenmontierte Permanentmagneten enthalten.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann ein Axialflussmotor einen Stator, einen Rotor, der einen Rotorrahmen enthält und eine Drehachse besitzt, einen axialen Luftspalt, der den Stator und den Rotor trennt, wobei der axiale Luftspalt einer axialen Position des Rotorrahmens entspricht, eine Motorabtriebswelle, mindestens einen Hydraulikaktor, der eine Hydraulikfluidkammer mit veränderlichem Volumen enthält, die im Rotorrahmen definiert ist, wobei die Hydraulikfluidkammer mit veränderlichem Volumen einen Hohlraum im Rotorrahmen enthalten kann, der eine Aderplatte einschließt, wobei die Aderplatte von einer zylindrischen Basis, die die Motorabtriebswelle umgibt, radial nach außen verläuft, die zylindrische Basis derart an der Motorabtriebswelle angebracht ist, dass die zylindrische Basis in Bezug auf die Motorabtriebswelle drehend und axial unbeweglich ist, der Rotorrahmen an der zylindrischen Basis derart angebracht ist, dass der Rotorrahmen axial verlagerbar ist, eine Änderung des Volumens der Hydraulikfluidkammer mit veränderlichem Volumen eine Änderung der axialen Position des Rotorrahmens und eine entsprechende Änderung des axialen Luftspalts, der den Stator und den Rotor trennt, verursacht und die Motorabtriebswelle ein Hydraulikfluid zu und von der Hydraulikfluidkammer mit veränderlichem Volumen kommuniziert, und ein Binär-Fluidsteuerventil, das einen ersten Zustand, der das Hydraulikfluid zur Hydraulikfluidkammer liefert, und einen zweiten Zustand, der das Hydraulikfluid aus der Hydraulikfluidkammer abgibt, besitzt, enthalten.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der Merkmale, die hier beschrieben sind, kann der Axialflussmotor ferner eine Feder enthalten, die den Rotor vom Stator weg vorbelastet, wenn sie zusammengedrückt ist.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der Merkmale, die hier beschrieben sind, kann der Axialflussmotor ferner eine Feder enthalten, die den Rotor zum Stator vorbelastet, wenn sie zusammengedrückt ist.
In einer nochmals weiteren beispielhaften Ausführungsform kann ein Axialflussmotor eine Drehachse des Motors, einen Stator, der ein Paar axialer Seiten besitzt, einen Rotor, der eine jeweilige Rotorstruktur auf jeder axialen Seite des Stators enthält, wobei jede Rotorstruktur einen Rotorrahmen enthält, einen jeweiligen axialen Luftspalt, der den Stator und jede jeweilige Rotorstruktur trennt, wobei jeder axiale Luftspalt einer axialen Position des entsprechenden Rotorrahmens entspricht, für jede Rotorstruktur mindestens ein jeweiliger Hydraulikaktor eine entsprechende Hydraulikfluidkammer mit veränderlichem Volumen enthalten kann, die im jeweiligen Rotorrahmen definiert ist, und eine Änderung des Volumens der entsprechenden Hydraulikfluidkammer mit veränderlichem Volumen eine Änderung der axialen Position des jeweiligen Rotorrahmens und eine entsprechende Änderung des entsprechenden axialen Luftspalts, der den Stator und die jeweilige Rotorstruktur trennt, verursacht, und ein Binär-Fluidsteuerventil, das einen ersten Zustand, der ein Hydraulikfluid zu jeder Hydraulikfluidkammer mit veränderlichem Volumen liefert, und einen zweiten Zustand, der das Hydraulikfluid aus jeder Hydraulikfluidkammer mit veränderlichem Volumen abgibt, besitzt, enthalten.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der Merkmale, die hier beschrieben sind, kann für jede Rotorstruktur der mindestens eine jeweilige Hydraulikaktor ein geradliniger Hydraulikaktor sein.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der Merkmale, die hier beschrieben sind, kann für jede Rotorstruktur der mindestens eine jeweilige Hydraulikaktor ein drehender Hydraulikaktor sein.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der Merkmale, die hier beschrieben sind, kann für jede Rotorstruktur die entsprechende Hydraulikfluidkammer mit veränderlichem Volumen einen jeweiligen Hohlraum im jeweiligen Rotorrahmen, der eine jeweilige Aderplatte einschließt, enthalten, wobei die jeweilige Aderplatte von einer jeweiligen zylindrischen Basis, die eine Motorabtriebswelle umgibt, radial nach außen verläuft, die jeweilige zylindrische Basis an der Motorabtriebswelle derart angebracht ist, dass die jeweilige zylindrische Basis in Bezug auf die Motorabtriebswelle drehend und axial fest ist, und der jeweilige Rotorrahmen an der jeweiligen zylindrischen Basis derart angebracht ist, dass der jeweilige Rotorrahmen axial verlagerbar ist.
Die oben beschriebenen Merkmale und Vorteile und weitere Merkmale und Vorteile der Offenbarung werden aus der folgenden genauen Beschreibung, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen genommen wird, ersichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Merkmale, Vorteile und Details erscheinen lediglich beispielhaft in der folgenden genauen Beschreibung, wobei die genaue Beschreibung auf die Zeichnungen Bezug nimmt; es zeigen:

1 ein elektrifiziertes Fahrzeug gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
2A und 2B einen Axialflussmotor gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
3A und 3B einen Axialflussmotor gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
4A und 4B schematische Schnittansichten des Axialflussmotors von 3A und 3B gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
5A und 5B einen Schaubildsteuermechanismus für einen Axialflussmotor gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen und
6 beispielhafte Kurven des Drehmoments (TQ) über der Motordrehzahl (S) gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.

GENAUE BESCHREIBUNG
1 veranschaulicht schematisch eine Ausführungsform eines elektrischen Antriebssystems 101 in einem Fahrzeug 100. Kraftfahrzeug und Fahrzeug werden derart verstanden, dass sie sich auf beliebige Transportmittel beziehen, die nicht einschränkende Beispiele von Motorrädern, Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Bussen, Aushub-, Erdbewegungs-, Bau- und Landwirtschaftsgeräten, Schienenfahrzeuge wie Züge und Straßenbahnen und Wasserfahrzeuge wie Schiffe und Boote enthalten. Das elektrische Antriebssystem 101 kann verschiedene Steuerkomponenten, elektrische Systeme und elektromechanische Systeme enthalten, die z. B. ein wiederaufladbares Energiespeichersystem (RESS) 104 und eine elektrische Antriebseinheit (EDU) 102 enthalten. Das elektrische Antriebssystem 101 kann in einem Antriebsstrangsystem, um ein Antriebsdrehmoment zu erzeugen, als Ersatz für oder in Verbindung mit einer Brennkraftmaschine in verschiedenen Elektrofahrzeuganwendungen (EV-Anwendungen) bzw. Hybridelektrofahrzeuganwendungen (HEV-Anwendungen) eingesetzt werden.
Die EDU 102 kann von variierender Komplexität, Ausstattung und Integration sein. Eine beispielhafte hochintegrierte EDU 102 kann z. B. eine drehende elektrische Maschine wie z. B. einen Wechselstrommotor (Wechselstrommotor) (Motor) 120 und ein Fahrleistungswechselrichtermodul (TPIM) 106, das eine Motorsteuereinheit 105 und einen Leistungswechselrichter 110 enthält. Der Motor 120 kann einen Stator 120S und einen Rotor 120R, die an eine Motorabtriebswelle 125 gekoppelt sind, und einen Stellungssensor 182, z. B. einen Drehgeber mit veränderlicher Reluktanz oder einen Codierer, enthalten. Der Stellungssensor 182 kann bemerkenswert mit der Motorsteuereinheit 105 direkt eine Verbindung herstellen und wird eingesetzt, um die Winkelstellung des Rotors (θ_e) des Motors 120 zu überwachen. Die Winkelstellung des Rotors (θ_e) des Motors 120 wird durch die Motorsteuereinheit 105 eingesetzt, um den Betrieb des Leistungswechselrichters 110, der den Motor 120 steuert, zu steuern.
Die Motorabtriebswelle 125 kann ein Drehmoment zwischen dem Motor 120 und Antriebsanlagenkomponenten (die nicht dargestellt sind), wovon einige in die EDU 102, z. B. in ein Getriebegehäuse, das Untersetzungs- und Differenzialgetriebesätze und eine oder mehrere Achsenausgänge enthält, integriert sein können, übertragen. Das Getriebegehäuse kann einfach ein Untersetzungsgetriebe und eine Kardanwellenausgabe zum Koppeln an einen Differenzialgetriebesatz enthalten. Eine oder mehrere Achsen können an den Getriebekasten direkt oder über Endantriebs- oder Differenzialgetriebesätze, falls sie davon getrennt sind, koppeln. Eine oder mehrere Achsen können zum Übertragen einer Zugkraft zwischen einem Rad und einem Fahrbahnbelag an ein oder mehrere Fahrzeugräder koppeln. Ein einschlägiger Fachmann wird alternative Ausgestaltungen für Antriebsanlagenkomponenten erkennen. Antriebsdrehmomentanforderungen oder -anweisungen 136 (T_cmd) können durch eine Fahrzeugsteuereinheit 103 zur Motorsteuereinheit 105 geliefert werden.
Jede Steuereinheit kann ein oder mehrere Steuermodule enthalten. Wie hier verwendet bedeuten Steuermodul, Modul, Steuerung, Controller, Steuereinheit, elektronische Steuereinheit, Prozessor und ähnliche Begriffe beliebige oder verschiedene Kombinationen einer oder mehrerer aus einer oder mehreren anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASIC), einer oder mehreren Elektronikschaltungen, einer oder mehreren Zentraleinheiten (bevorzugt eines oder mehrerer Mikroprozessoren) und zugeordneten Arbeitsspeichern und Speichern (Festwertspeicher (ROM), Schreib-/Lese-Speicher (RAM), elektrisch programmierbarer Festwertspeicher (EPROM), Festplatte usw.) oder Mikrocontrollern, die ein oder mehrere Software- oder Firmware-Programme oder Routinen ausführen, einer oder mehreren kombinatorischen Logikschaltungen, Eingabe-/Ausgabe-Schaltungsanordnungen und -Einrichtungen (I/O-Schaltungsanordnungen und -Einrichtungen) und geeigneten Signalkonditionierungs- und Pufferschaltungsanordnungen, einem Hochgeschwindigkeitstakt, einer Analog/ Digital-Schaltungsanordnung (A/D-Schaltungsanordnung) und einer Digital/Analog-Schaltungsanordnung (D/A-Schaltungsanordnung) und weiteren Komponenten, um die beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Ein Steuermodul kann eine Vielzahl von Kommunikationsschnittstellen enthalten, die Punkt-zu-Punkt oder diskrete Leitungen und drahtgebundene oder drahtlose Schnittstellen zu Netzen einschließlich Großraumnetzen und lokalen Netzen und anlageninternen und dienstbezogenen Netzen einschließlich für Software-Aktualisierungen durch die Luft (O-TA-Software-Aktualisierungen) enthalten. Funktionen eines Steuermoduls nach dieser Offenbarung können in einer zwischen mehreren vernetzten Steuermodulen verteilten Steuerarchitektur durchgeführt werden. Software, Firmware, Programme, Befehle, Routinen, Code, Algorithmen und ähnliche Ausdrücke bedeuten beliebige controllerausführbare Befehlssätze, die Kalibrierungen, Datenstrukturen und Nachschlagtabellen enthalten. Ein Steuermodul kann einen Satz von Steuerroutinen aufweisen, die ausgeführt werden, um beschriebene Funktionen bereitzustellen. Routinen werden z. B. durch eine Zentraleinheit ausgeführt und sind betreibbar, Eingaben von Erfassungseinrichtungen und weiteren vernetzten Steuermodulen zu überwachen und Steuer- und Diagnoseroutinen auszuführen, um den Betrieb von Aktoren zu steuern. Routinen können in regelmäßigen Intervallen während des laufenden Antriebsstrang- und Fahrzeugbetriebs ausgeführt werden. Alternativ können Routinen in Reaktion auf das Auftreten eines Ereignisses, Software-Aufrufe oder bei Bedarf mittels Anwenderschnittstelleneingaben oder - anforderungen ausgeführt werden.
Das RESS 104 kann in einer Ausführungsform eine oder mehrere elektrochemische Batteriebaugruppen 112 enthalten, z. B. wiederaufladbare Lithium-lonen-Batteriebaugruppen mit hoher Kapazität und hoher Spannung (HV) zum Liefern von Leistung zum Fahrzeug mittels eines HV-Gleichstrombus (HV-DC-Bus) 108. Das RESS 104 kann außerdem ein Batteriemanagermodul 114 enthalten. Das RESS 104 kann eine oder mehrere Batteriebaugruppen 112 enthalten, die aus mehreren Batteriebaugruppenmodulen konstruiert werden, was Flexibilität in der Konfigurationen und Anpassung an Anwendungsanforderungen ermöglicht. Batteriebaugruppen können mehrere Batteriebaugruppenmodule enthalten, die aus mehreren Zellen konstruiert werden, was Flexibilität in der Konfigurationen und Anpassung an Anwendungsanforderungen ermöglicht. Batteriebaugruppenmodule können mehrere Zellen enthalten, was Flexibilität in der Konfigurationen und Anpassung an Anwendungsanforderungen ermöglicht. Zum Beispiel kann das RESS 104 in Fahrzeuganwendungen insoweit modular sein, dass die Anzahl von Batteriebaugruppenmodulen variiert werden kann, um eine gewünschte Energiedichte oder eine gewünschte Reichweitenzielsetzung einer bestimmten Fahrzeugplattform, eine beabsichtigte Verwendung oder ein Kostenziel zu berücksichtigen. Batteriebaugruppen und Batteriebaugruppenmodule können gemäß einer gewünschten Antriebsarchitektur und gewünschten Ladefunktionen unterschiedlich und wahlweise konfiguriert werden. Es ist zu verstehen, dass das RESS 104 bei einem beliebigen Integrationsniveau, was eine Batteriebaugruppe, ein Batteriemodul und eine Zelle enthält, neukonfigurierbar sein kann.
Der Motor 120 kann ein Mehrphasenwechselstrommotor sein, der Mehrphasenwechselstromleistung über einen Mehrphasenmotorsteuerleistungsbus (einen Wechselstrombus) 111, der an den Leistungswechselrichter 110 gekoppelt ist, aufnimmt. In einer Ausführungsform ist der Motor 120 ein Dreiphasenmotor und ist der Leistungswechselrichter 110 ein Dreiphasenwechselrichter. Der Leistungswechselrichter 110 kann mehrere Festkörperschalter in einem Festkörperschaltabschnitt enthalten. Der Leistungswechselrichter 110 koppelt an eine Gleichstromleistung über dem HV-Gleichstrombus 108 (Eingangsgleichspannung (V_dc)) vom RESS 104 z. B. bei 400 oder 800 Volt. Die Motorsteuereinheit 105 ist zu seiner Steuerung an den Leistungswechselrichter 110 gekoppelt. Der Leistungswechselrichter 110 verbindet mittels des Wechselstrombusses 111 elektrisch mit Statorphasenwicklungen einer Dreiphasenstatorwicklung des Motors 120, wobei elektrischer Strom (I_abc) in zwei oder drei Phasen davon überwacht wird. Der Leistungswechselrichter 110 kann mit geeigneten Steuerschaltungen konfiguriert sein, die gepaarte Leistungstransistoren (z. B. IGBTs) zum Umsetzen einer Hochspannungsgleichspannung im HV-Gleichstrombus 108 zu einer Hochspannungsdreiphasenwechselspannung (V_abc) im Wechselstrombus 111 und Umsetzen einer Hochspannungsdreiphasenwechselspannung (V_abc) im Wechselstrombus 111 zu einer Hochspannungsgleichspannung im HV-Gleichstrombus 108 enthalten. Der Leistungswechselrichter 110 kann eine beliebige geeignete Pulsbreitenmodulationssteuerung (PWM-Steuerung), z. B. sinusförmige Pulsbreitenmodulation (SPWM) oder Raumvektor-Pulsbreitenmodulation (SVPWM), einsetzen, um Schaltvektorsignale (S_abc) 109 zu erzeugen, um gespeicherte elektrische Gleichstromleistung, die von der Batteriebaugruppe 112 des RESS 104 stammt, in elektrische Wechselstromleistung umzusetzen, um den Motor 120 anzutreiben, um ein Drehmoment zu erzeugen. Entsprechend kann der Leistungswechselrichter 110 mechanische Leistung, die zum Motor 120 übertragen wird, zu elektrischer Gleichstromleistung umsetzen, um elektrische Energie zu erzeugen, die in der Batteriebaugruppe 112 des RESS 104 einschließlich als Teil einer Regenerationsbremssteuerstrategie speicherbar ist. Der Leistungswechselrichter 110 kann derart konfiguriert sein, dass er die Schaltvektorsignale (S_abc) 109 von der Motorsteuereinheit 105 und Steuerwechselrichterzustände empfängt, um die Motorantriebs- und Regenerationsfunktionalität bereitzustellen. Schaltvektorsignale (S_abc) 109 können hier auch als Leitungsanweisungen bezeichnet werden.
Die Steuerung des Leistungswechselrichters 110 kann ein Hochfrequenzschalten der Festkörperschalter gemäß der PWM-Steuerung enthalten. Mehrere Entwurfs und Anwendungserwägungen und -beschränkungen bestimmen eine Wechselrichterumschaltfrequenz und PWM-Steuerung. Wechselrichtersteuerungen für Wechselstrommotoranwendungen können feste Schaltfrequenzen enthalten, z. B. Schaltfrequenzen um 10-30 kHz und PWM-Steuerungen, die Schaltverluste der IGBTs oder weiterer Netzschalter des Leistungswechselrichters 110 minimieren.
Der Motor 120 in der EDU 102 des elektrischen Antriebssystems 101 in einer Ausführungsform kann ein Permanentmagnet-Axialflussmotor (PMAF-Motor) sein. Die offenbarte Verbesserung bezieht sich auf eine mechanisch basierte Feldschwächungsvorrichtung und eine Steuerung eines derartigen Motors. 2A und 2B veranschaulichen schematisch eine Ausführungsform eines PMAF-Motors 220 in relevanten Teilen und 3A und 3B veranschaulichen schematisch eine weitere Ausführungsform eines PMAF-Motors 220 in relevanten Teilen. Der Motor 220 kann einen Stator 220S, einen Rotor 220R und eine Motorabtriebswelle 225 enthalten. Ein Motorrahmen 230 kann den Stator 220S und Lager 240 tragen. Die Lager 240 tragen wiederum drehbar die Motorabtriebswelle 225. Jedes Lager 240 kann einen Außenring 240A, der am Motorrahmen 230 angebracht ist, Rollelemente (z. B. Kugeln, Wälzelemente usw.) und einen Innenring 240B, der an der Motorabtriebswelle 225 z. B. durch Befestigungs-Hardware wie z. B. eine Innenringerweiterung/einen konzentrischen Kragen oder eine sich verjüngende Adapterhülse/eine Sicherungsscheibe/ein Muttergegenstück angebracht ist, enthalten. Der Stator 220S kann einteilig sein und einen gemeinsamen Kern enthalten oder kann segmentiert und kernlos sein. Der Rotor 220R kann eine Rotorstruktur auf einer oder beiden axialen Seiten des Stators 220S enthalten. In einer Ausführungsform enthält, wie veranschaulicht ist, der Rotor 220R eine Rotorstruktur auf beiden axialen Seiten des Stators 220S. In einer weiteren Ausführungsform enthält der Rotor 220R eine Rotorstruktur lediglich auf einer axialen Seite des Stators 220S. Ferner wird sich zur Vereinfachung der Beschreibung und des Verständnisses die Beschreibung hier auf eine Rotorstruktur auf einer Seite des Stators 220S beziehen. Die Rotorstruktur kann einen Rotorrahmen 251, einen Rotorkern 253 und Permanentmagnete 255 enthalten. Der Rotorkern 253 kann am Rotorrahmen 251 zur Drehung mit ihm angebracht sein. Permanentmagnete 255 können am Rotorkern 253 zur Drehung mit ihm und mit dem Rotorrahmen 251 angebracht sein. Der Rotorrahmen 251 kann z. B. aus einem Weichmagnetischen Verbundstoff gebildet sein und der Rotorkern 253 kann z. B. aus Elektrostahllaminierungen hergestellt sein. In den veranschaulichten Ausführungsformen von 2A/2B und 3A/3B sind die Permanentmagneten am Rotorkern 253 oberflächenmontiert und ausgelegt zwischen dem Rotorkern 253 und dem Stator 220S mit Luftspalten 260 dazwischen angeordnet. In alternativen Ausführungsformen können die Permanentmagneten 255 im Rotorkern 253 mit den Luftspalten 260 zwischen dem Rotorkern 253 und dem Stator 220S enthalten sein.
Der Rotor 220R kann entlang der Drehachse (A) des Rotors 220R beweglich sein. Somit können die Luftspalte 260A/260B variiert werden. In den veranschaulichten Ausführungsformen zeigen 2A und 3A zunächst relativ schmale Luftspalte 260A, wohingegen 2B und 3B als zweites relativ breite Luftspalte 260B zeigen. Die relativ schmalen Luftspalte 260A können einen minimal erreichbaren Luftspalt für den Motor in seinen mechanischen Entwurfseinschränkungen, z. B. 1 mm, repräsentieren. Die relativ breiten Luftspalte 260B können einen maximal erreichbaren Luftspalt für den Motor in seinen mechanischen Entwurfseinschränkungen, z. B. 2 mm, repräsentieren. In jeder der Ausführungsformen 2A/2B und 3A/3B kann die axiale Verlagerung des Rotors 220R entlang der Drehachse (A) durch Hydraulikfluid in Hydraulikfluidkammern mit veränderlichem Volumen gesteuert werden, wie hier ferner beschrieben wird.
In der Ausführungsform von 2A und 2B kann der Rotor 220R mindestens eine Hydraulikfluidkammer 270 im Rotorrahmen 251 enthalten. 2A und 2B veranschaulichen eine Ausführungsform, die zwei Hydraulikfluidkammern 270 enthält, die axial gestapelt sind. 2A und 2B veranschaulichen außerdem lediglich einen Hydraulikaktor im Schnitt bei einer Winkelorientierung des Rotors 220R, wobei verstanden wird, dass für Systemgleichgewichtsanforderungen und eine Gesamthydraulikkraftmultiplikation, die zur Anzahl von Hydraulikaktoren und Hydraulikfluidkammern proportional ist, was niedrigere Systemhydraulikdrücke vorteilhafterweise ermöglichen kann, mehrere derartige Hydraulikaktoren in Winkelrichtung um den gesamten Rotor 220R verteilt sein können. Jede Hydraulikfluidkammer 270 kann einen Hohlraum 272, der im Rotorrahmen 251 gebildet ist, und eine Aderplatte 271 die von einer zylindrischen Basis 273, die die Motorabtriebswelle 225 umgibt, radial nach außen verläuft, enthalten. Die zylindrische Basis 273 ist an der Motorabtriebswelle 225 derart angebracht, dass sie in Bezug auf die Motorabtriebswelle 225 drehend und axial unbeweglich ist. Somit ist die Aderplatte 271 der Hydraulikfluidkammer in Bezug auf die Motorabtriebswelle drehend und axial statisch und dreht sich mit ihr. Der Rotorrahmen 251 ist an der zylindrischen Basis 273 derart angebracht, dass er axial verlagerbar ist. Der Hohlraum 272 im Rotorrahmen 251 umschließt die Aderplatte 271 und definiert gemeinsam mit ihr die Hydraulikfluidkammer 270. Somit drehen sich die Aderplatte 271 und der Rotorrahmen gemeinsam. Elastomerdichtungen 275 können eine hydraulische Abdichtung bei der axial verlagerbaren Schnittstelle des Rotorrahmens 251 zur zylindrischen Basis 273 bereitstellen. Hydraulikfluid kann mittels Durchgängen 277 und eines Kanals 279 durch die Motorabtriebswelle 225 zu und von der Hydraulikfluidkammer 270 kommuniziert werden. Volumenänderungen in der Hydraulikfluidkammer 270 entsprechen einem axialen Versatz des Rotorrahmens 251. Innenscheibenfedern 281 zwischen der Motorabtriebswelle 225 und dem Rotorrahmen 251 können eine Vorbelastungskraft bereitstellen, wenn sie komprimiert sind, und drücken somit den Rotorrahmen 251 weg vom Stator 220S. Entsprechend können Außenscheibenfedern 283 zwischen dem Lagerinnenring 240B (oder der Innenringbefestigungs-Hardware) und dem Rotorrahmen 251 eine Vorbelastungskraft bereitstellen, wenn sie komprimiert sind, und somit den Rotorrahmen zum Stator 220S drücken. Das Hydrauliksystem der Ausführungsform von 2A und 2B kann als ein geradliniges Hydraulikaktorsystem bezeichnet werden, wobei der Hydraulikaktor-Wirkoberflächenbereich dem gesamten Rotorrahmenoberflächenbereich entsprechen kann, der den Aderplatten 271 in den Hydraulikfluidkammern 270 gegenüberliegt.
In der Ausführungsform von 2A und 2B entspricht die Hubbewegung des geradlinigen Hydraulikaktors eineindeutig dem axialen Versatz des Rotorrahmens 251. Somit können kleine Luftspaltänderungen (z. B. 1 mm) vorteilhafterweise ebenso schnell erreicht werden und eine derartige geradlinige Hydraulikaktoranordnung kann in einer Zweizustandsluftspaltsteuerung vorteilhaft sein, die einen schmalen Luftspalt (z. B. 1 mm) bei einer ersten Axialbewegungsgrenze des Rotorrahmens 251 und einen breiten Luftspalt (z. B. 2 mm) bei einer zweiten Bewegungsgrenze des Rotorrahmens 251 enthält.
Im Betrieb kann druckbeaufschlagtes Hydraulikfluid mittels der Durchgänge 277 und eines Kanals 279 in der Motorabtriebswelle 225 zur Hydraulikfluidkammer 270 zugeführt werden, um den Rotor 220R entlang der Drehachse (A) des Rotors 220R axial weg vom Stator 220S zu versetzen, um den Luftspalt 260 zu vergrößern. Das Hydraulikfluid kann mittels der Durchgänge 277 und des Kanals 279 in der Motorabtriebswelle 225 aus der Hydraulikfluidkammer 270 abgegeben werden, um den Rotor 220R entlang der Drehachse (A) des Rotors 220R axial zum Stator 220S zu versetzen, um den Luftspalt 260 zu verringern. In einer Ausführungsform kann der Versatz des Rotors 220R, um den Luftspalt 260 zu verringern, durch die Kraft, die durch die komprimierten Außenscheibenfedern 283 zwischen dem Lagerinnenring 240B (oder Innenringbefestigungs-Hardware) und dem Rotorrahmen 251 ausgeübt wird, und die magnetische Anziehungskraft der Permanentmagneten 255 bewirkt werden.
In der Ausführungsform von 3A und 3B kann der Rotor 220R mindestens eine Hydraulikfluidkammer 270 im Rotorrahmen 251 enthalten. Zusätzlich wird auf 4A und 4B Bezug genommen, die Teilschnittansichten schematisch veranschaulichen, die entlang der jeweiligen Linien 4A-4A und 4B-4B in 3A bzw. 3B genommen wurden. 3A und 3B veranschaulichen einen Hydraulikaktor in einem Schnitt bei einer Winkelorientierung des Rotors 220R, wobei verstanden wird, dass mehrere derartige Hydraulikaktoren für Systemgleichgewichtsanforderungen und eine Gesamthydraulikkraftmultiplikation, die zur Anzahl von Hydraulikaktoren und Hydraulikfluidkammern proportional ist, in Winkelrichtung um den gesamten Rotor 220R verteilt sein können, was vorteilhafterweise niedrigere Systemhydraulikdrücke ermöglichen kann. 4A und 4B veranschaulichen z. B. zwei in Winkelrichtung symmetrische (d. h. 180 Grad Abstand) Hydraulikfluidkammern 270 im Rotorrahmen 251. Jede Hydraulikfluidkammer 270 kann einen Hohlraum 272, der im Rotorrahmen 251 gebildet ist, und eine Aderplatte 271, die von der Motorabtriebswelle 225 radial nach außen verläuft, enthalten. Die Aderplatte 271 ist z. B. durch ein kerbverzahntes Koppeln zwischen der Motorabtriebswelle 225 und der Aderplatte 271 derart an der Motorabtriebswelle 225 angebracht, dass sie in Bezug auf die Motorabtriebswelle 225 drehend unbeweglich ist, jedoch axial verlagerbar ist. Somit ist die Aderplatte 271 der Hydraulikfluidkammer in Bezug auf die Motorabtriebswelle drehend statisch und dreht sich damit und kann entlang der Drehachse (A) des Rotors 220R axial verlagert werden. Der Hohlraum 272 im Rotorrahmen 251 umschließt die Aderplatte 271 und definiert gemeinsam mit ihr die Hydraulikfluidkammer 270. Der Rotorrahmen 251 ist an der Motorabtriebswelle 225 derart angebracht, dass er in Bezug auf die Aderplatte 271 und die Motorabtriebswelle 225 gemäß Volumenänderungen in der Hydraulikfluidkammer drehbar ist und mit der Aderplatte 271 in Bezug auf die Motorabtriebswelle 225 axial verlagerbar ist. Die Axial- und Drehbewegung des Rotorrahmens 251 ist zur Motorabtriebswelle durch eine Leitspindelkopplung dazwischen eingeschränkt. In der veranschaulichten Ausführungsform von 3A und 3B ist die Leitspindelkopplung als eine Kugelumlaufspindel 290 mit geringer Reibung gezeigt. Die Kugelumlaufspindel 290 kann eine Kugelrückführung durch den Rotorrahmen 251 (der nicht dargestellt ist) enthalten oder kann mit einem Kugelkäfig (der nicht gezeigt ist) freilaufend sein. Volumenänderungen in der Hydraulikfluidkammer 270 entsprechen einer Drehung des Rotorrahmens 251 in Bezug auf die Aderplatte 271 und die Motorabtriebswelle 225, was in einem axialen Versatz der Aderplatte 271 und des Rotorrahmens 251 mittels der Kugelumlaufspindel 290 proportional zur Drehung des Rotorrahmens 251 resultiert, die der Gewindesteigung 291 der Kugelumlaufspindel 290 entspricht. Somit können die Aderplatte 271 und der Rotorrahmen 251 sich gemäß Volumenänderungen in der Hydraulikfluidkammer 270 (d. h. Drehungen des Rotorrahmens 251 in Bezug auf die Aderplatte 271) axial gemeinsam bewegen. Andernfalls können die Aderplatte 271 und der Rotorrahmen hydraulisch miteinander verriegelt sein, wodurch sie an der Motorabtriebswelle 225 axial und drehend verriegelt sind. Elastomerdichtungen 275 können eine hydraulische Abdichtung bei den axial verlagerbaren Schnittstellen des Rotorrahmens 251 zur Motorabtriebswelle 225 und von der Aderplatte 271 zur Motorabtriebswelle 225 bereitstellen. Hydraulikfluid kann mittels Durchgängen 277 und eines Kanals 279 durch die Motorabtriebswelle 225 zu und von der Hydraulikfluidkammer 270 kommuniziert werden. Innenscheibenfedern 281 zwischen der Motorabtriebswelle 225 und dem Rotorrahmen 251 können eine Vorbelastungskraft bereitstellen, wenn sie komprimiert sind, und drücken somit den Rotorrahmen 251 weg vom Stator 220S. Entsprechend können Außenscheibenfedern 283 zwischen dem Lagerinnenring 240B (oder Innenringbefestigungs-Hardware) und dem Rotorrahmen 251 eine Vorbelastungskraft bereitstellen, wenn sie komprimiert sind, und drücken somit den Rotorrahmen zum Stator 220S. Das Hydrauliksystem der Ausführungsform von 3A, 3B, 4A und 4B kann als ein drehendes Hydraulikaktorsystem bezeichnet werden, wobei die Hydraulikaktor-Wirkoberflächenbereich dem gesamten Rotorrahmenoberflächenbereich, der der Aderplatte 271 in der Hydraulikfluidkammer 270 gegenüberliegt, entsprechen kann.
In der Ausführungsform in 3A und 3B entspricht die Hubbewegung des drehenden Hydraulikaktors einem proportionalen fraktionierten axialen Versatz des Rotorrahmens 251. Zum Beispiel würde eine Steigung 291 von 2 mm an der Kugelumlaufspindel 290 in 1 mm eines axialen Versatzes des Rotorrahmens für 180 Grad seiner Drehung resultieren. Somit können kleine Luftspaltänderungen (z. B. 1 mm) vorteilhafterweise in einer im Wesentlichen kontinuierlichen Weise erreicht werden und eine derartige drehende Hydraulikaktoranordnung kann in einer kontinuierlichen Luftspaltsteuerung zwischen einem schmalen Luftspalt (z. B. 1 mm) bei einer ersten Axialbewegungsgrenze des Rotorrahmens 251 und einem breiten Luftspalt (z. B. 2 mm) bei einer zweiten Bewegungsgrenze des Rotorrahmens 251 vorteilhaft sein.
Im Betrieb kann druckbeaufschlagtes Hydraulikfluid mittels der Durchgänge 277 und eines Kanals 279 in der Motorabtriebswelle 225 zur Hydraulikfluidkammer 270 zugeführt werden, um den Rotorrahmen 251 in Bezug auf die Aderplatte 271 und die Motorabtriebswelle 225 zu drehen, wodurch die Aderplatte 271 und der Rotorrahmen 251 mittels der Kugelumlaufspindel 290 entlang der Drehachse (A) des Rotors 220R axial vom Stator 220S weg versetzt wird, um den Luftspalt 260 zu vergrößern. Das Hydraulikfluid kann mittels der Durchgänge 277 und des Kanals 279 in der Motorabtriebswelle 225 aus der Hydraulikfluidkammer 270 abgegeben werden, um den Rotorrahmen 251 in Bezug auf die Aderplatte 271 und die Motorabtriebswelle 225 zu drehen, wodurch die Aderplatte 271 und der Rotorrahmen 251 mittels der Kugelumlaufspindel 290 entlang der Drehachse (A) des Rotors 220R axial zum Stator 220S versetzt wird, um den Luftspalt 260 zu verringern. In einer Ausführungsform kann ein Versatz des Rotors 220R, um den Luftspalt 260 zu verringern, durch die Kraft, die durch die komprimierten Außenscheibenfedern 283 zwischen dem Lagerinnenring 240B (oder Innenringbefestigungs-Hardware) und dem Rotorrahmen 251 und die magnetische Anziehungskraft der Permanentmagneten 255 ausgeübt wird, bewirkt werden.
Es ist anzuerkennen, dass in beiden Ausführungsformen von 2A/2B und 3A/3B alle Axialversatzkräfte der Rotorstruktur vorteilhafterweise in den drehenden Komponenten des Rotors und in der Hülle im Allgemeinen zwischen den axial statischen Lagern 240 enthalten sind. Somit wird, während der Lagerinnenring 240B und/oder die zugeordnete Innenringbefestigungs-Hardware durch die Außenscheibenfedern 283 axial belastet sein kann, die Last letztlich zur Motorabtriebswelle 225 übertragen und durchquert das Lager nicht durch die Wälzelemente.
5A und 5B veranschaulichen schematisch einen Steuermechanismus für betätigte bzw. unbetätigte Hydrauliksteuerzustände zum Schaffen der axialen Positionen des Rotors 220R, die schmalen bzw. breiten Luftspalten 260A und 260B entsprechen. Druckbeaufschlagtes Hydraulikfluid kann zur Hydraulikfluidkammer 270 geliefert werden (5A) oder Hydraulikfluid kann aus der Hydraulikfluidkammer 270 abgegeben werden (5B). Ein Binär-Fluidsteuerventil (z. B. ein solenoidgesteuertes Spulenventil) 501 ist in einem ersten Zustand veranschaulicht (5A), wobei es ein druckbeaufschlagtes Hydraulikfluid von einer Hochdruckversorgungsseite (S) eines Hydrauliksystems 503 (z. B. druckbeaufschlagte Leitung, Pumpenauslass, Druckspeicher usw.) mit der Hydraulikfluidkammer 270 verbindet. Das Binär-Fluidsteuerventil 501 ist in einem zweiten Zustand veranschaulicht (5B), wobei es die Hydraulikfluidkammer 270 mit einer Niederdruckabgasseite (E) des Hydrauliksystems 503 (z. B. Pumpeneinlass, Behälter, Sumpf usw.) verbindet.
Hydraulikdruckanforderungen können gemäß einer Kräftegleichgewichtsbeziehung im Falle der geradlinigen Hydraulikaktorausführungsform von 2A und 2B, die durch eine Kräftegleichgewichtsbeziehung modelliert wird, bestimmt werden wie folgt: $P \times A = F$
wobei P der Mindesthydraulikdruck ist, der erforderlich ist, um den Hydraulikaktor zu bewegen;
A der gesamte Hydraulikaktor-Wirkoberflächenbereich ist und
F die dem Hydraulikaktor entgegenwirkende Kraft ist.
Die dem Hydraulikaktor entgegenwirkende Kraft F kann im Wesentlichen von Permanentmagnetanziehungskräften stammen. Der gesamte Hydraulikaktor-Wirkoberflächenbereich A kann die Summation der Hydraulikaktor-Wirkoberflächenbereiche aller Hydraulikfluidkammern sein.
In der Ausführungsform von 2A und 2B sind zwei Hydraulikfluidkammern vorhanden, die jeweils einen jeweiligen Hydraulikaktor-Wirkoberflächenbereich A₁ und A₂ besitzen, wobei A = (A₁ + A₂). Eine derartige Beziehung kann für den Mindesthydraulikdruck P gelöst werden, der erforderlich ist, um den Hydraulikaktor zu bewegen. Ein beispielhafter Motor 220 kann eine Permanentmagnetanziehungskraft von im Wesentlichen 10000 N und Hydraulikaktor-Wirkoberflächenbereiche von A₁ = A₂ = 5890 mm² = 0,00589 m² für einen gesamten Hydraulikaktor-Oberflächenwirkbereich A = A₁ + A₂ = 2 × 0,00589 m² = 0,01178 m² besitzen. Somit gilt für den Mindesthydraulikdruck, der erforderlich ist, um den Hydraulikaktor zu bewegen P = 10000 N/0,01178 m² = 848896 N/m² (ca. 8,5 Bar). Die oben beschriebene Beziehung ignoriert eine Vorbelastungskraft von der Innenscheibenfeder 281 zwischen der Motorabtriebswelle 225 und dem Rotorrahmen 251. Unter der Annahme einer komprimierten Federkraft von im Wesentlichen der Hälfte der Permanentmagnetanziehungskraft kann Innenscheibenfeder 281 die Kraft, die dem Hydraulikaktor entgegenwirkt, zu im Wesentlichen 5000 N und den Druck, der erforderlich ist, um den Hydraulikaktor zu bewegen,
P = 5000 N/0,01178 m² = 424448 N/m² (ca. 4,2 Bar) verringern. Somit ist anzuerkennen, dass ein Erhöhen des gesamten Hydraulikaktor-Wirkoberflächenbereichs A und/oder ein Verringern der dem Hydraulikaktor entgegenwirkenden Kraft F den Mindesthydraulikfluiddruck verringern kann, der erforderlich ist, um den Hydraulikaktor P zu bewegen. Der gesamte Hydraulikaktor-Wirkoberflächenbereich kann durch axiales Stapeln von Hydraulikfluidkammern (z. B. wie in den Doppelkammeranordnungen von 2A und 2B veranschaulicht ist) und/oder Konfigurieren von mehreren derartigen Anordnungen, die um den gesamten Rotor 220R in Winkelrichtung verteilt sind, erhöht werden.
Hydraulikdruckanforderungen können gemäß einer Drehmomentgleichgewichtsbeziehung im Falle der drehenden Hydraulikaktorausführungsform von 3A und 3B, die durch eine Drehmomentgleichgewichtsbeziehung modelliert wird, bestimmt werden wie folgt: $P \times (A \times r) = T$
wobei P der Mindesthydraulikdruck ist, der erforderlich ist, um den Hydraulikaktor zu bewegen;
A der gesamte Hydraulikaktor-Wirkoberflächenbereich ist;
r der Äquivalenzradius der Hydraulikaktor-Wirkoberfläche ist und
T das das dem Hydraulikaktor entgegenwirkende Drehmoment ist.
Die Kraft T, die dem Hydraulikaktor entgegenwirkt, kann im Wesentlichen von Permanentmagnetanziehungskräften stammen. Der gesamte Hydraulikaktor-Wirkoberflächenbereich A kann die Summation der Hydraulikaktor-Wirkoberflächenbereiche aller Hydraulikfluidkammern sein.
In der Ausführungsform von 3A, 3B, 4A und 4B sind zwei Kammern vorhanden, die jeweils einen jeweiligen Hydraulikaktor-Wirkoberflächenbereich A₁ und A₂ besitzen, wobei A = (A₁ + A₂). Eine derartige Beziehung kann für den Mindesthydraulikdruck P gelöst werden, der erforderlich ist, um den Hydraulikaktor zu bewegen. Ein beispielhafter Motor 220 kann eine Permanentmagnetanziehungskraft von im Wesentlichen 10000 N besitzen. Diese Kraft kann mit dem dem Hydraulikaktor entgegenwirkenden Drehmoment T über eine Kugelumlaufspindelbeziehung in Beziehung stehen wie folgt: $T = \frac{F \times L}{2 π}$
wobei F die Permanentmagnetanziehungskraft ist und
L die axiale Entfernung pro Umdrehung (d. h. die Steigung) ist.
Somit gilt im vorliegenden Beispiel für das dem Hydraulikaktor entgegenwirkende Drehmoment T = (10000 N × 2 mm)/2π = (10000 N × ,000002 m))/2π- = 0,0032 N-m.
Der beispielhafte Motor 220 kann Hydraulikaktor-Wirkoberflächenbereiche von A₁ = A₂ = 600 mm² = 0,0006 m² für einen gesamten Hydraulikaktor-Oberflächenwirkbereich A = (A₁ + A₂) = 2 × 0,0006 m² = 0,0012 m² besitzen. Der beispielhafte Motor 220 kann einen Hydraulikaktor-Wirkoberflächeninnenradius R₁ = 25 mm und einen Außenradius R₂ = 55 mm besitzen. Somit kann der Äquivalenzradius r der Hydraulikaktor-Wirkoberfläche aus der folgenden Beziehung bestimmt werden: $r = \frac{\sqrt{R_{1}^{2} + R_{2}^{2}}}{2}$
Somit gilt im vorliegenden Beispiel r = V[(25 mm)2 + (55 mm)2]/2 = 0,000030 m und für den Mindesthydraulikdruck, der erforderlich ist, um den Hydraulikaktor zu bewegen P = T/(A × r) = 0,0032 N-m/(0,0012 m² × 0,000030 m) = 88889 N/m² (ca. 0,89 Bar). Die oben beschriebene Beziehung ignoriert eine Vorbelastungskraft von der Innenscheibenfeder 281 zwischen der Motorabtriebswelle 225 und dem Rotorrahmen 251. Unter der Annahme einer komprimierten Federkraft von im Wesentlichen der Hälfte der Permanentmagnetanziehungskraft kann die Innenscheibenfeder 281 die Kraft, die dem Hydraulikaktor entgegenwirkt, zu im Wesentlichen 5000 N und den Druck, der erforderlich ist, um den Hydraulikaktor P zu bewegen, um die Hälfte oder etwa 44,445 N/m² (ca. 0,44 Bar) verringern. Somit ist anzuerkennen, dass ein Erhöhen eines gesamten Hydraulikaktor-Wirkoberflächenbereichs A und/oder ein Verringern einer dem Hydraulikaktor entgegenwirkenden Kraft F den Mindesthydraulikfluiddruck, der erforderlich ist, um den Hydraulikaktor P zu bewegen, verringern kann. Der gesamte Hydraulikaktor-Wirkoberflächenbereich kann durch Hinzufügen von Hydraulikfluidkammern, die um den gesamten Rotor 220R in Winkelrichtung verteilt sind, erhöht werden. Allerdings ist zu verstehen, dass mehrere Hydraulikfluidkammern am selben axialen Ort den Winkelumfang einer Bewegung der Hydraulikaktoren weiter begrenzen können.
6 veranschaulicht beispielhafte Kurven des Drehmoments (TQ) über der Motordrehzahl (S), die einem Motorbetrieb bei relativ schmalen Luftspalten 260A (d. h. 2A und 3A) und relativ breiten Luftspalten 260B (d. h. 2B und 3B) entsprechen. Das relative Motordrehmoment (TQ) ist entlang der vertikalen Achse mit bei Entfernung vom Ursprung (O) von null zunehmendem Drehmoment graphisch dargestellt und ist die relative Motordrehzahl (S) entlang der horizontalen Achse mit bei Entfernung vom Ursprung (O) zunehmender Drehzahl graphisch dargestellt. Ein Betrieb mit schmalem Luftspalt 260A kann eine konstante Drehmomentausgabe TQ1 von null Drehzahl bis zu einer Basisdrehzahl B1, die dem schmalen Luftspalt 260A entspricht, aufweisen, woraufhin der Motorbetrieb im Bereich mit konstanter Leistung bei höheren Drehzahlen eine charakteristische verringerte Drehmomentausgabe bis zu einer Anschlussdrehzahl S1 aufweist. Ein Betrieb mit breitem Luftspalt 260B kann eine konstante Drehmomentausgabe TQ2 von null Drehzahl bis zu einer Basisdrehzahl B2, die dem breiten Luftspalt 260B entspricht, aufweisen, woraufhin der Motorbetrieb im Bereich mit konstanter Leistung bei höheren Drehzahlen eine charakteristische verringerte Drehmomentausgabe bis zu einer Anschlussdrehzahl S2 aufweist. Somit ist anzuerkennen, dass der schmale Luftspalt 260A ein höheres verfügbares Drehmoment bei niedrigen Motordrehzahlen und eine beschränktere Drehmomentausgabe bei höheren Motordrehzahlen besitzen kann. Ferner ist anzuerkennen, dass der breite Luftspalt 260B ein niedrigeres verfügbares Drehmoment bei niedrigen Motordrehzahlen, jedoch eine weniger beschränkte Drehmomentausgabe bei höheren Motordrehzahlen besitzen kann. Der erweiterte Drehzahl- und Drehmomentbetriebsbereich des Motors mit einem breiten Luftspalt 260B kann der Feldschwächung zugeschrieben werden, die durch den größeren physischen Luftspalt erreicht wird.
In einer Kraftfahrzeuganwendung wie z. B. einem elektrischen Antriebssystem 101 in einem Fahrzeug 100 ist, wie hier beschrieben ist, anzuerkennen, dass einstellbare Luftspalte in einem Axialflussmotor 220 eine selektive mechanische Flussschwächung zur Verfügung stellen können. Eine derartige selektive Steuerung kann in Form des Hydrauliksystems 503 mit Binär-Fluidsteuerventil 501 bewirkt werden, das hier in Bezug auf 5A und 5B beschrieben ist. Das Binär-Fluidsteuerventil 501 kann in Reaktion auf ein Steuersignal von einem Steuermodul, z. B. der Fahrzeugsteuereinheit 103 und/oder der Motorsteuereinheit 105, gesteuert werden, wie hier in Bezug auf 1 beschrieben ist. Vorteilhafterweise kann eine mechanische Flussschwächung durch Erweitern des Luftspalts über die Motorbasisdrehzahl, die einem schmalen Luftspalt entspricht, Kupferverluste, die alternativen elektrisch induzierten Feldschwächungssteuerungen (z. B. Strominjektionen) zugeordnet sind, verringern. Vorteilhafterweise kann der Luftspalt bei geringen Fahrzeuglasten breiter gesteuert werden, um ein Motorrastmoment zu verringern. Wirkungsgradverstärkungen können durch Betreiben breiterer Luftspalte realisiert werden, wenn Statorkernverluste Kupferverluste überschreiten. Und ein Erweitern des Luftspalts kann einen nützlichen Drehmoment-/Drehzahlbetrieb im Betriebsbereich mit konstanter Leistung des Motors über der Basisdrehzahl, der einem schmalen Luftspalt entspricht, durch die vorteilhafte mechanische Flussschwächung vorteilhafterweise erweitern. Ferner ist anzuerkennen, dass in einer Kraftfahrzeuganwendung wie z. B. einem elektrischen Antriebssystem 101 in einem Fahrzeug 100, das hier beschrieben wird, einstellbare Luftspalte in einem Axialflussmotor 220 eine selektive bedienerwählbare Fahrzeugantwortmodussteuerung bereitstellen können. Zum Beispiel kann ein Wirtschaftlichkeitsmodus, der einer leichten Beschleunigung und einer stabilen Antriebsstranglast zugeordnet ist, von einer breiten Luftspalteinstellung profitieren. Entsprechend kann ein Sportmodus, der mit einer energischen Beschleunigung, einer eifrigen Drosselklappenverwendung und rascherem Drosselklappeneinkippen und -auskippen verbunden ist, von einem schmalen Luftspalt mindestens mit dem Betriebsbereich mit konstanten Drehmoment unter der Motorbasisdrehzahl, die einem schmalen Luftspalt entspricht, profitieren.
Die hier verwendete Terminologie dient lediglich zum Zweck des Beschreibens bestimmter Ausführungsformen und ist nicht dazu vorgesehen, beschränkend zu sein. Die Begriffe „ein“ und „eine“ bezeichnen keine Begrenzung einer Anzahl, sondern bezeichnen vielmehr das Vorliegen mindestens eines der referenzierten Elemente. Der Begriff „oder“ bedeutet „und/oder“, sofern es durch einen Kontext nicht klar anders angegeben ist. Ein Bezug im Verlauf der Spezifikation auf „einen Aspekt“ bedeutet, dass ein bestimmtes Element (z. B. ein Merkmal, eine Struktur, ein Schritt oder eine Eigenschaft), das in Verbindung mit dem Aspekt beschrieben wird, in mindestens einem Aspekt, der hier beschrieben ist, enthalten ist und in weiteren Aspekten vorhanden sein kann oder nicht. Zusätzlich ist zu verstehen, dass die beschriebenen Elemente in den verschiedenen Aspekten in einer beliebigen geeigneten Weise kombiniert werden können.
Alle Zahlenwerte werden hier als durch den Begriff „etwa“ modifiziert angenommen, ob es ausdrücklich angegeben ist oder nicht. Für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung können Bereiche als von „etwa“ einem bestimmten Wert zu „etwa“ einem weiteren bestimmten Wert ausgedrückt werden. Der Begriff „etwa“ bezieht sich im Allgemeinen auf einen Bereich von Zahlenwerten, die ein Fachmann gleich dem rezitierten Zahlenwert betrachten würde, der dieselbe Funktion oder dasselbe Ergebnis aufweist oder der im Allgemeinen sinnvoll in Fertigungstoleranzen des rezitierten Zahlenwerts liegt. Entsprechend liegen Zahlenwerte, die hier dargelegt sind, in Form nicht einschränkender Beispiele vor und können Nennwerte sein, wobei verstanden wird, dass tatsächliche Werte von nominellen Werten gemäß der Umgebung, dem Entwurf und der Herstellungstoleranz, dem Alter und weiteren Faktoren variieren können.
Wenn ein Element wie z. B. eine Schicht, eine dünne Schicht, ein Bereich oder ein Substrat als „an“ einem weiteren Element bezeichnet wird, kann es direkt an dem weiteren Element angeordnet sein oder können außerdem dazwischenliegende Elemente vorhanden sein. Dagegen sind dann, wenn ein Element als „direkt an“ einem weiteren Element befindlich bezeichnet wird, sind keine dazwischenliegenden Elemente vorhanden. Sofern sie nicht ausdrücklich als „direkt“ beschrieben ist, kann deshalb dann, wenn in der oben beschriebenen Offenbarung eine Beziehung zwischen einem ersten und einem zweiten Element beschrieben wird, diese Beziehung eine direkte Beziehung sein, bei der keine weiteren dazwischenliegenden Elemente zwischen dem ersten und dem zweiten Element vorhanden sind, sie kann jedoch auch eine indirekte Beziehung sein, bei der ein oder mehrere dazwischenliegende Elemente (entweder räumlich oder funktional) zwischen dem ersten und dem zweiten Element vorhanden sind.
Ein oder mehrere Schritte in einem Verfahren können in verschiedener Reihenfolge (oder zeitlich überlappend) ausgeführt werden, ohne die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung zu ändern. Obwohl jede der Ausführungsformen oben mit bestimmten Merkmalen beschrieben worden ist, können ferner eines oder mehrere dieser Merkmale, die bezüglich irgendeiner Ausführungsform der Offenbarung beschrieben worden sind, in irgendeiner der anderen Ausführungsformen implementiert und/oder mit ihren Merkmalen kombiniert werden, selbst wenn diese Kombination nicht explizit beschrieben ist. Mit anderen Worten schließen die beschriebenen Ausführungsformen einander nicht aus und Permutationen einer oder mehrerer Ausführungsformen miteinander bleiben im Schutzumfang dieser Offenbarung.
Sofern es nicht anders definiert ist, besitzen technische und wissenschaftliche Begriffe, die hier verwendet werden, dieselbe Bedeutung, die üblicherweise durch einen Fachmann auf dem Gebiet, dem diese Offenbarung angehört, verstanden wird.
Sofern hier nicht das Gegenteil festgelegt ist, sind alle Prüfnormen die jüngste gültige Norm zum Anmeldetag dieser Anmeldung oder, wenn Priorität beansprucht wird, der Anmeldetag der frühesten Prioritätsanmeldung, in der die Prüfnorm erscheint.
Während die oben beschriebene Offenbarung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute verstehen, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Elemente durch ihre Entsprechungen ersetzt werden können, ohne von ihrem Umfang abzuweichen. Zusätzlich können viele Abwandlungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein Material an die Unterweisungen der Offenbarung anzupassen, ohne von ihrem wesentlichen Umfang abzuweichen. Deshalb ist beabsichtigt, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die bestimmten offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern alle Ausführungsformen enthält, die in ihren Umfang fallen.

Claims

Axialflussmotor, umfassend: einen Stator; einen Rotor, der einen Rotorrahmen enthält und eine Drehachse besitzt; einen axialen Luftspalt, der den Stator und den Rotor trennt, wobei der axiale Luftspalt einer axialen Position des Rotorrahmens entspricht; und mindestens einen Hydraulikaktor, der eine Hydraulikfluidkammer mit veränderlichem Volumen umfasst, die im Rotorrahmen definiert ist, und eine Änderung des Volumens der Hydraulikfluidkammer mit veränderlichem Volumen eine Änderung der axialen Position des Rotorrahmens und eine entsprechende Änderung des axialen Luftspalts, der den Stator und den Rotor trennt, verursacht.
Axialflussmotor nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Hydraulikaktor einen geradlinigen Hydraulikaktor umfasst.
Axialflussmotor nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Hydraulikaktor einen drehenden Hydraulikaktor umfasst.
Axialflussmotor nach Anspruch 1, der ferner eine Motorabtriebswelle umfasst, die einen Durchgang enthält, der ein Hydraulikfluid zu und von der Hydraulikfluidkammer mit veränderlichem Volumen kommuniziert.
Axialflussmotor nach Anspruch 2, wobei der mindestens eine Hydraulikaktor mehrere Hydraulikfluidkammern mit veränderlichem Volumen umfasst.
Axialflussmotor nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Hydraulikaktor mehrere Hydraulikaktoren umfasst, die um den Rotor in Winkelrichtung verteilt sind.
Axialflussmotor nach Anspruch 2, der ferner eine Motorabtriebswelle umfasst, die einen Durchgang enthält, der Hydraulikfluid zur Hydraulikfluidkammer mit veränderlichem Volumen kommuniziert, wobei die Hydraulikfluidkammer mit veränderlichem Volumen einen Hohlraum im Rotorrahmen umfasst, der eine Aderplatte einschließt, wobei die Aderplatte von einer zylindrischen Basis, die die Motorabtriebswelle umgibt, radial nach außen verläuft, die zylindrische Basis an der Motorabtriebswelle derart angebracht ist, dass die zylindrische Basis in Bezug auf die Motorabtriebswelle drehend und axial fest ist, und der Rotorrahmen an der zylindrischen Basis derart angebracht ist, dass der Rotorrahmen axial verlagerbar ist.
Axialflussmotor nach Anspruch 3, der ferner eine Motorabtriebswelle umfasst, die einen Durchgang enthält, der Hydraulikfluid zur Hydraulikfluidkammer mit veränderlichem Volumen kommuniziert, wobei die Hydraulikfluidkammer mit veränderlichem Volumen einen Hohlraum im Rotorrahmen umfasst, der eine Aderplatte einschließt, die Aderplatte von der Motorabtriebswelle radial nach außen verläuft, die Aderplatte an der Motorabtriebswelle derart angebracht ist, dass die Aderplatte in Bezug auf die Motorabtriebswelle drehend fest ist und in Bezug auf die Motorabtriebswelle axial verlagerbar ist, und der Rotorrahmen an der Motorabtriebswelle derart angebracht ist, dass der Rotorrahmen in Bezug auf die Motorabtriebswelle drehend und axial verlagerbar ist.
Axialflussmotor nach Anspruch 8, wobei der Rotorrahmen durch eine Leitspindelkopplung an der Motorabtriebswelle angebracht ist.
Axialflussmotor nach Anspruch 9, wobei die Leitspindelkopplung eine Kugelumlaufspindel umfasst.