WO2022188925A1 - Elektrische maschine, verfahren zur steuerung einer elektrischen maschine, computerprogrammprodukt und steuereinheit - Google Patents
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Classifications
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- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
- H02K21/02—Details
- H02K21/021—Means for mechanical adjustment of the excitation flux
- H02K21/022—Means for mechanical adjustment of the excitation flux by modifying the relative position between field and armature, e.g. between rotor and stator
- H02K21/025—Means for mechanical adjustment of the excitation flux by modifying the relative position between field and armature, e.g. between rotor and stator by varying the thickness of the air gap between field and armature
- H02K21/026—Axial air gap machines
Definitions
- 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 put into a second operating state, in which a second magnetic field, which is different from the first magnetic field, is formed between the rotor
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- a disadvantage of permanent excitation is that the excitation field cannot be easily modified.
- 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.
- CN101783536 A shows a permanent-magnet synchronous motor with buried permanent magnets magnetized in the tangential direction, each of which has a radial sliding short-circuit block connects.
- This short-circuit block is preloaded by a spring in such a way that it is located in a magnetically isolating area of the rotor when the rotor speed is low. As the speed increases, the shorting block is pushed outward against the spring tension, where it forms a shorting path for the magnetic flux.
- the magnetic leakage flux conducted via this short-circuit path reduces the effective air-gap flux of the machine, so that field-weakening operation is activated.
- DE 102009038928 A1 also discloses an electric motor with a stator, a rotor and an air gap formed between the stator and the rotor.
- the size of the air gap is variable as a function of the speed of the electric motor, the air gap being enlarged at higher speeds of the rotor.
- the air gap is enlarged by axial displacement of the rotor or stator.
- An electrical axial flow machine with a stator and a rotor is known from EP 2985893 A1, the stator comprising at least two stator segments and the rotor being connected to a rotor shaft, the rotor and/or the rotor shaft being rotatably mounted in a bearing, and wherein the stator segments are arranged immovably in the direction of rotation of the rotor relative to the bearing. At least one of the stator segments is movably arranged in the axial or radial direction relative to the bearing in order to adjust the width of the air gap between the rotor and the stator segments.
- An axial flow machine with mechanical field weakening is also known from JP 2007-244027 A.
- 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 placed 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 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
- 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.
- 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).
- 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.
- 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.
- the object of the invention is also achieved by a method for controlling 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 the rotor and / or stator coupled adjusting device, wherein the adjusting device is set up, mechanically a magnetic field weakening between the rotor and the To effect the stator, the electric machine also having a control unit for controlling the energization of the stator, comprising the following steps:
- a mechanical field weakening can take place by switching or moving mechanical components in the magnetic circuit without a dedicated actuator.
- motor torque and motor force are not limited to motor operation of the electrical machine, but also cover generator operation of the electrical machine.
- Electrical machines are used to convert electrical energy into mechanical energy and / or vice versa, and usually include a than Stationary part referred to as the stator, pillar or armature, and part referred to as the rotor or runner and arranged movably in relation to the stationary part.
- 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.
- the electrical machine is configured as an axial flow machine.
- the rotor is arranged axially next to a stator or between two stators.
- two rotors are placed on opposite axial sides of a stator.
- a plurality of rotor-stator configurations can be arranged axially next to one another as an I-type and/or H-type. It would also be possible in this connection 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.
- 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.
- 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.
- the motor housing protects the electrical machine and any electronics that may be present from external influences.
- a motor housing can be formed in particular from a metallic material.
- the motor housing can be formed from a cast metal material, such as gray cast iron or cast steel. In principle, it is also conceivable to form the motor housing entirely or partially from a plastic.
- the rotor may include a rotor body.
- a rotor body is understood to mean the rotor without a rotor shaft.
- 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.
- 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.
- 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 embodied as software to execute.
- the control device preferably comprises at least one electronic processor for executing program sequences defined in software.
- 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.
- 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.
- bus systems present in the motor vehicle such as a CAN bus or LIN bus.
- 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.
- 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.
- the power electronics module contains power electronics or one or more Power electronic components that are set up to control or regulate a current. This is particularly preferably one or more power switches, such as 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.
- An electric machine 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.
- 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.
- 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 configured as a cam mechanism, for example.
- other mechanical mechanisms alone or in combination are also conceivable, for example selected from the group of levers, contours, gears, springs, etc.
- one or more springs can be present for setting the force balance and thus for setting the switching points.
- the electric machine is in particular for use within a drive train of a hybrid or all-electric motor vehicle intended.
- 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.
- 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.
- 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.
- the electrical machine can particularly preferably be provided for use in a hybrid module.
- 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.
- 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.
- the torque pulse and/or the force pulse have a pulse duration of ⁇ 0.5 sec, preferably ⁇ 0.1 sec, particularly preferably 1-100 ms owns. 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.
- the adjustment device can 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.
- the electrical machine is an axial flow machine.
- 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.
- 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.
- the object of the invention is also achieved by a computer program product that is stored on a machine-readable medium, or computer data signal, embodied by an electromagnetic wave, with a computer program code that is suitable for carrying out the method according to claim 2. It is thereby made possible in particular to carry out an update on an existing electric machine.
- a control unit for controlling an electric machine of a motor vehicle according to claim 1, comprising a processor and a memory containing computer program code, the memory and the computer program code being configured with the processor, the control unit for to cause a method according to claim 2 to be carried out. In this way, in particular, an existing electrical machine can be retrofitted.
- FIG. 1 shows an axial flux machine in a first operating state with an adjustment device for field weakening in a schematic axial sectional view
- FIG. 2 shows an axial flux machine in a second operating state with an adjustment device for field weakening in a schematic axial sectional view
- FIG. 6 shows a motor vehicle with a hybrid and a fully electrically operated drive train in a block circuit representation.
- 1 shows an electrical machine 1 configured as an axial flux machine in an H design, comprising a stator 2 and an axially divided rotor 3, which has a common rotor shaft 30 on which the axially spaced rotor bodies 31 are arranged in a rotationally fixed manner.
- a motor torque and/or a motor force can be introduced into the rotor 3 via a magnetic field generated by the stator 2 .
- the electrical machine 1 also has an adjustment device 4 coupled to the rotor 3, the adjustment device 4 being set up to mechanically bring about a weakening of the magnetic field between the rotor 3 and the stator 2 by a first motor torque and/or a first motor Force on the rotor 3 and/or stator 2 mechanically puts the adjustment device 4 into a first operating state by forming a first force imbalance in the adjustment device 4, in which a first magnetic field is formed between the rotor 3 and the stator 2. This first operating state is shown in FIG.
- a second motor torque and/or a second motor force that can be applied to the rotor 3 can mechanically put the adjusting device 4 into a second operating state by forming a second force imbalance in the adjusting device 4, in which a second magnetic field that differs from the first magnetic field is formed between the rotor 3 and the stator 2. This operating state is shown in FIG.
- the adjustment device 4 shown is basically known from the prior art, so that the mode of operation is only briefly discussed here.
- the mechanical adjusting device 4 shown is designed as a cam mechanism, in which a rolling element 7 is accommodated axially between two V-shaped raceways 6 and one of the V-shaped raceways 6 with the rotor body 31 and the other V-shaped raceway 6 in a rotationally fixed manner with the rotor shaft 30 connected is.
- Counteracting forces eg by means of springs
- Actuating forces, magnetic forces and opposing forces form a force balance, which at a change in balance (e.g. change in speed, change in useful torque) cause a mechanical adjustment of the components in the magnetic flux.
- mechanical adjusting devices 4 of any other design are also conceivable.
- the V-shaped raceways 6 Depending on the relative torsion angle of the two V-shaped raceways 6 to one another, the V-shaped raceways 6 cause a force-torque translation between the axial force acting on the V-shaped raceways 6 and the transmitted torque, which occurs at the V- shaped careers 6 is present.
- the V-shaped raceways 6 are designed in such a way that different relative torsion angles are set between the V-shaped raceways 6 with different forces or with different torque ratios.
- the axial force between the rotor 3 and the stator 2 due to the magnetic forces, the counter springs, which act against the magnetic forces, and the axial force of the cam mechanism are in balance.
- a change in the engine torque and thus in the torque transmitted between the V-shaped raceways 6 causes a change in the axial force due to the translation of the cam mechanism.
- This change in turn causes the V-shaped raceways 6 to rotate against each other until a new equilibrium is established. Twisting the V-shaped raceways 6 causes the axial distance between the rotor disks 3 and the stator 2 to be adjusted. This can also be seen clearly from the combination of FIG. 1 and FIG. 2, in which the magnetic air gap is changed.
- the electrical machine 1 also has a control unit 5 for controlling the energization of the stator 2 .
- the control unit 5 By energizing the stator 2 at an operating point of the electrical machine 1, the control unit 5 outputs the first motor torque and/or the second motor torque as a superimposed torque pulse from the stator 2 to the rotor 3 and/or the first motor force and/or the second motor force acts on the stator 2 as a superimposed force pulse.
- the control unit 5 for controlling the electrical machine 1 comprises a processor 51 and a memory 52 containing a computer program code, the memory 52 and the computer program code being configured with the processor 51 to cause the control unit 5 to carry out a control method.
- control method which is explained in more detail below, can be used to control the electrical machine 1 or the adjustment device 4 .
- a first motor torque designed as a torque pulse and/or a first motor force designed as a force pulse is generated on the rotor 3 and/or stator 2 by the control unit 5, so that in the adjusting device 4 a first mechanical Force imbalance is formed, which puts the adjustment device 4 in a first operating state in which a first magnetic field between the rotor 3 and the stator 2 is formed.
- a second motor torque designed as a torque pulse and/or a second motor force designed as a force pulse is generated on the rotor 3 and/or stator 2 by the control unit 5, so that in the adjusting device 4 a second mechanical imbalance of forces is formed, which puts the adjusting device 4 into a second operating state, in which a second magnetic field that is different from the first magnetic field is formed between the rotor 3 and the stator 2 .
- 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.
- FIG. 1-2 is also shown that on an axial side of the stator 2 at an axial distance d1, forming a first air gap L1, a first rotor body 31 is arranged, and by means of the adjustment device 4, the axial distance d1 between the rotor body 31 and the stator 2 can be varied over an adjustment path.
- a control characteristic is stored in the control unit 5, which represents a function of the adjustment path of the adjustment device 4 in relation to a torque pulse to be generated by the control unit 5, the control characteristic being a step function, as is also the case in FIG. 3, lower figure, for example. is shown.
- the ramp-shaped raceways 6 can now be adapted either by means of friction to an increased hysteresis and/or by adjusting the ramp-shaped contour of the raceways, e.g. by suitably changing the slope of the raceways 6, such as it is sketched as an example in the upper illustration of FIG.
- One or more latching areas 8 can also be formed in the raceways, in which the rolling element 7 can latch and thus be held in a detachable manner.
- the upper illustration in FIG. 3 shows, by way of example, a spring-loaded rolling element 7 of the adjustment mechanism 4 which is moved from left to right on the ramp-shaped track 6 in the upper illustration in FIG. 3 depending on the acting torque.
- the design shown in the upper image of FIG. 3 is such that the rolling body 7, coming from this direction, engages in the detent area 8 with a defined torque.
- the changeover is only given at a significantly lower torque, which can also be seen clearly from the torque-path diagram in the lower illustration of FIG. Now z.
- This torque pulse is dimensioned so that it causes a safe switching of the adjustment device 4, but to the outside, z. B. in a driver of an electrically powered motor vehicle, is not negatively perceptible.
- FIGS. 4 and 5 Two exemplary force-displacement diagrams are shown in FIGS. 4 and 5. On the basis of this, the mode of operation of the interaction of the adjusting device 4 and the torque or force pulses is explained again in detail.
- FIG. 4 shows the case in which the imbalance of forces on the adjusting device 4, which is referred to as FNutz in FIG.
- a force-displacement diagram is shown, with Fnet being shown on the X-axis and the adjustment path of the adjustment device 4 provided for mechanical field weakening on the Y-axis.
- a first equilibrium of forces of the adjusting device 4 is present in the force-displacement diagram of FIG. 4 at point Pkt 1. If this balance of forces is disturbed, e.g. due to a different output torque, a force FNutz acts on the adjusting device 4, so that the adjusting device 4 assumes an operating position shown in point Pkt 2. Since the force FNutz is smaller than the hysteresis and/or detent force, point Pkt 2 is only shifted horizontally relative to point Pkt 1 in the force-displacement diagram, but vertically it is still at the same level as point Pkt 1 . This means that the adjustment device 4 for the mechanical field weakening has not yet changed its adjustment position.
- the adjustment device 4 is transferred from the operating state shown in point Pkt2 to the operating state shown in point Pkt 3, from which point the hysteresis and/or locking force is overcome. After overcoming the hysteresis and/or locking force, the adjusting device 4 begins the mechanical To effect field weakening and the adjusting device is transferred from the operating state of point Pkt3 to the operating state of point Pkt 4, which is in the force-displacement diagram above points Pkt1-3.
- the force Fimpuis can be achieved, for example, by briefly increasing the output torque of the electrical machine 1.
- This torque and/or force pulse is designed to be so short that it is sufficient for an adjustment of the adjustment device 4, but is not noticeable to the vehicle occupants of an electrically driven motor vehicle, for example.
- the torque and/or force impulse Fimpuis is framed by an opposite impulse so that the mean moment is not changed. Due to the inertia, for example of the vehicle and the elasticity of its drive train, this has little or no noticeable effect on the vehicle acceleration.
- FIG. 4 shows that an impulse Fimpuis is superimposed on the force FNutz so that the mechanical friction present in the adjustment device 4 is initially overcome, with the adjustment movement of the adjustment device 4 then taking place after the friction has been overcome, so that the desired operating position the adjusting device 4 is reached on the Y-axis. As soon as the impulse is over, the adjustment device 4 is relieved and the system assumes the desired overall state.
- the reverse adjustment is analogous, only in the other direction.
- FIG. 5 shows a situation similar to that in FIG. 4, so that most of the explanations are still valid.
- the force Fisiutz alone already exceeds the hysteresis and/or latching force, so that an adjustment movement of the adjustment device 4 takes place even without an impulse Fimpuis.
- point Pkt 2 is reached first under the action of the force FNutz and then immediately thereafter the operating state represented at point Pkt 3.
- Point Pkt 3 is already at a higher position on the Y-axis than points Pkt 1 and Pkt 2. There is thus already an automatic adjustment of adjustment device 4, but the desired operating state of point Pkt 5 is not achieved without a supporting force.
- the point Pkt 5 corresponds to the adjustment of the adjustment device 4 without hysteresis and locking forces.
- the adjusting device 4 only adjusts with the supporting force impulse Flmpuls, so that the operating state of the adjusting device 4 shown in point Pkt 4 is reached and after removal of the impulse Fimpuis it is finally transferred to the operating state shown in point Pkt 5.
- This behavior of the adjusting device 4 explained above is helpful, e.g. in the event of a malfunction for generating the pulse Fimpuis, so that the adjusting device automatically adjusts in emergency operation in the event of large changes in the operating point.
- FIGS. 4-5 it should be noted that these were formulated as an example for a force acting on the adjusting device 4. It goes without saying that the analogous mode of action applies to a moment acting on the adjusting device 4 .
- the axial flow machine 1 shown in Figures 1-2 is particularly suitable in a hybrid or all-electric drive train 10 of a motor vehicle 11 to be used, as shown by way of example in the illustrations of FIG.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)
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.
Description
Elektrische Maschine. Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Maschine.
Computerproqrammprodukt und Steuereinheit
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.
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.
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.
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.
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 Feld- Schwächung bekannt. So zeigt die CN101783536 A einen permanenterregten Synchronmotor mit vergrabenen, in Tangentialrichtung magnetisierten Permanentmagneten, an die sich jeweils radial nach außen betrachtet ein radial
verschiebbarer Kurzschlussblock anschließt. Dieser Kurzschlussblock ist über eine Feder derart vorgespannt, dass er sich bei niedriger Rotordrehzahl in einem magnetisch isolierenden Bereich des Rotors befindet. Mit zunehmender Drehzahl wird der Kurzschlussblock nach außen gegen die Federspannung gedrückt, wo er für den magnetischen Fluss einen Kurzschlusspfad bildet. Der über diesen Kurzschlusspfad geführte magnetische Streufluss reduziert den effektiven Luftspaltfluss der Maschine, sodass der Feldschwächbetrieb angesteuert wird.
Aus der DE 102009038928 A1 ist ferner ein Elektromotor mit einem Stator, einem Rotor und einem zwischen Stator und Rotor ausgebildeten Luftspalt bekannt. Dabei ist die Größe des Luftspaltes in Abhängigkeit von der Drehzahl des Elektromotors veränderlich, wobei bei größeren Drehzahlen des Rotors der Luftspalt vergrößert wird. Die Vergrößerung des Luftspalts erfolgt dabei durch axiale Verschiebung von Rotor oder Stator.
Aus der EP 2985893 A1 ist eine elektrische Axialflussmaschine mit einem Stator und einem Rotor bekannt, wobei der Stator mindestens zwei Statorsegmente umfasst, und wobei der Rotor mit einer Rotorwelle verbunden ist, wobei der Rotor und/oder die Rotorwelle in einer Lagerung drehbar gelagert sind, und wobei die Statorsegmente in Rotationsrichtung des Rotors relativ zu der Lagerung unbeweglich angeordnet sind. Mindestens eines der Statorsegmente ist in axialer oder radialer Richtung relativ zu der Lagerung beweglich angeordnet, um die Breite des Luftspalts zwischen Rotor und Statorsegmenten einzustellen. Aus der JP 2007- 244027 A ist ebenfalls eine Axialflussmaschine mit einer mechanischen Feldschwächung bekannt.
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.
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.
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.
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.
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 Feder- Spannung und Feder-Weg ergeben. Dieser Weg wird für die Verstellung genutzt.
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.
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.
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.
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,
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.
Hierdurch kann eine mechanische Feldschwächung durch Umschalten bzw. Bewegen von mechanischen Bauteilen im magnetischen Kreis ohne einen dedizierten Aktor erfolgen.
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.
Zunächst werden die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Nennung im Anspruchssatz erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Der Rotor kann einen Rotorkörper umfassen. Unter einem Rotorkörper wird im Sinne der Erfindung der Rotor ohne Rotorwelle verstanden.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Es kann gemäß einerweiteren 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.
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.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine eine Axialflussmaschine ist.
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.
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.
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.
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.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
Es zeigt:
Figur 1 eine in einem ersten Betriebszustand befindliche Axialflussmaschine mit einer Verstelleinrichtung zur Feldschwächung in einer schematischen Axialschnittansicht,
Figur 2 eine in einem zweiten Betriebszustand befindliche Axialflussmaschine mit einer Verstelleinrichtung zur Feldschwächung in einer schematischen Axialschnittansicht,
Figur 3 Laufbahn einer Verstelleinrichtung mit Rastier-Bereich und zugeordnetem Weg-Momenten-Diagramm,
Figur 4 Kraft-Weg-Diagramm der Verstelleinrichtung,
Figur 5 Kraft-Weg-Diagramm der Verstelleinrichtung, und
Figur 6 ein Kraftfahrzeug mit einem hybriden und einem vollelektrisch betriebenen Antriebsstrang in einer Blockschalt-Darstellung.
Die Figur 1 zeigt eine als Axialflussmaschine in H-Ausführung konfigurierte elektrische Maschine 1 , umfassend einen Stator 2 und einen axial zweigeteilten Rotor 3, der über eine gemeinsame Rotorwelle 30 verfügt, an der die axial beabstandeten Rotorkörper 31 drehfest angeordnet sind. Über ein vom Stator 2 erzeugtes magnetisches Feld ist ein Motor-Drehmoment und/oder eine Motor-Kraft in den Rotor 3 einleitbar. Die elektrische Maschine 1 besitzt ferner eine mit dem Rotor 3 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. Dieser erste Betriebszustand ist in der Figur 1 gezeigt.
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 Figur 2 gezeigt.
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.
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 Magnet- Kräfte, die Gegenfedern, welche gegen die Magnetkräfte wirken, und die axiale Kraft des Kurvengetriebes stehen im Gleichgewicht.
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 Figur 1 mit Figur 2 ersichtlich, bei denen der magnetische Luftspalt verändert ist.
Nicht dargestellt sind optionale mechanische Endanschläge, welche die Bewegungen begrenzen (z.B. gegen Ende der V-förmingen Laufbahnen).
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.
Zur Steuerung der elektrischen Maschine 1 , bzw. der Verstelleinrichtung 4 kann das folgende Steuerungsverfahren angewendet werden, das nachstehend näher erläutert wird.
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.
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.
Der Drehmoment-Impuls und/oder der Kraft-Impuls besitzt eine Impulsdauer von <0,5 sec, bevorzugt <0,1 sec, besonders bevorzugt 1-100ms.
In den Figuren 1-2 ist ferner gezeigt, dass auf einer axialen Seite des Stators 2 in einem axialen Abstand d1, einen ersten Luftspalt L1 bildend, ein erster Rotorkörper
31 angeordnet ist, und mittels der Verstelleinrichtung 4 der axiale Abstand d1 zwischen dem Rotorkörper 31 und dem Stator 2 über einen Verstellweg variierbar ist. In der Steuereinheit 5 ist eine Steuerungskennlinie gespeichert, welche eine Funktion des Verstellwegs der Verstelleinrichtung 4 zu einem von der Steuereinheit 5 zu erzeugenden Drehmoment-Impuls darstellt, wobei die Steuerungskennline eine Treppenfunktion ist, so wie es beispielsweise auch in der Figur 3, untere Abbildung, gezeigt ist.
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 Figur 3 skizziert ist. Auch können in den Laufbahnen ein oder mehrere Rastier-Bereiche 8 ausgebildet sein, in denen der Wälzkörper 7 einrasten und so lösbar gehalten werden kann.
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.
In der oberen Abbildung der Figur 3 ist beispielhaft ein mit einer Feder vorgespannter Wälzkörper 7 des Verstellmechanismus 4 welcher in Abhängigkeit des wirkenden Drehmoments in der oberen Abbildung der Figur 3 von links nach rechts auf der rampenförmigen Laufbahn 6 bewegt wird. Die in der oberen Abbildung der Figur 3 gezeigte Auslegung ist so erfolgt, dass der Wälzkörper 7 aus dieser Richtung kommend zu einem definierten Drehmoment in den Rastier-Bereich 8 eingreift. Hierdurch ist beim Momentenabbau die Umschaltung erst bei einem wesentlich kleineren Moment gegeben, was sich auch gut anhand des Momenten- Weg-Diagramms in der unteren Abbildung der Figur 3 erkennen lässt. Nun kann z.
B. dieses kleinere Drehmoment vorgehalten werden, so dass dann ein
Drehmoment-Impuls den Positionswechsel beim gewünschten Umschaltpunkt provoziert. Dieser Drehmoment-Impuls ist so bemessen, dass er ein sicheres Umschalten der Verstelleinrichtung 4 bewirkt, aber nach außen, z. B. bei einem Fahrer eines elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs, nicht negativ wahrnehmbar ist.
Zwei beispielhafte Kraft-Weg-Diagramme sind in den Figuren 4 und 5 wiedergegeben. Anhand dieser wird die Wirkungsweise des Zusammenwirkens der Verstelleinrichtung 4 und der Drehmoment- bzw. Kraft-Impulse noch einmal detailliert erläutert.
Die Figur 4 zeigt den Fall, dass das Kräfte-Ungleichgewicht an der Verstelleinrichtung 4, welches in der Figur 4 als FNutz bezeichnet ist, keiner als die Flysterese-Kraft und/oder Rastierkraft in der Verstelleinrichtung 4 ist. Dargestellt ist ein Kraft-Weg-Diagramm, wobei auf der X-Achse FNutz dargestellt ist und auf der Y- Achse der Verstellweg der zur mechanischen Feldschwächung vorgesehenen Verstelleinrichtung 4.
Ein erstes Kräftegleichgewicht der Verstelleinrichtung 4 ist in dem Kraft-Weg- Diagramm der Figur 4 in dem Punkt Pkt 1 vorhanden. Falls dieses Kräftegleichgewicht, z.B. aufgrund eines anderen Abtriebs-Drehmomentes, gestört wird, wirkt eine Kraft FNutz auf die Verstelleinrichtung 4, so dass die Verstelleinrichtung 4 eine in dem Punkt Pkt 2 gezeigte Betriebsstellung einnimmt. Da die Kraft FNutz kleiner als die Hysterese und/oder Rastier-Kraft ist, ist der Punkt Pkt 2 gegenüber dem Punkt Pkt 1 in dem Kraft-Weg-Diagramm nur horizontal verschoben, aber vertikal weiterhin auf gleicher Höhe mit dem Punkt Pkt 1 . Dies bedeutet, dass die Verstelleinrichtung 4 für die mechanische Feldschwächung ihre Verstellposition noch nicht verändert hat.
Wird nun dem Kräfte-Ungleichgewicht FNutz eine künstliche Kraft Fimpuis 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.
Wenn die impulsartige Kraft Fimpuis 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 Flysterese- und/oder Rastierkraft bleibt und keine weitere Kraft Fimpuis überlagert wird.
Die Kraft Fimpuis 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 Fimpuis 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.
Mit anderen Worten zeigt die Figur 4, dass ein Impuls Fimpuis der Kraft FNutz überlagert wird, so dass zunächst die in der Verstelleinrichtung 4 vorhandene mechanische Reibung überwunden wird, wobei dann nach Überwinden der Reibung die Verstellbewegung der Verstelleinrichtung 4 erfolgt, so dass die gewünschte Betriebsposition der Verstelleinrichtung 4 auf der Y-Achse erreicht wird. Sobald der Impuls vorbei ist, wird die Verstelleinrichtung 4 entlastet und das System nimmt den gewünschten Gesamtzustand ein. Die Rück-Verstellung erfolgt analog, nur in die andere Richtung.
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.
Figur 5 zeigt einen ähnlichen Sachverhalt wie Figur 4, so dass ein Großteil der Erläuterungen weiterhin gültig ist. Im Gegensatz zu Figur 4, überschreitet hier die Kraft Fisiutz bereits allein die Hysterese- und/oder Rastierkraft, so dass bereits ohne einen Impuls Fimpuis eine Verstellbewegung der Verstelleinrichtung 4 erfolgt.
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.
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 Fimpuis 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 Fimpuis, so dass die Verstelleinrichtung im Notbetrieb selbständig bei großen Veränderungen des Betriebspunktes nachstellt.
Bezüglich der Erläuterungen zu den Figuren 4-5 ist anzumerken, dass diese beispielhaft für eine auf die Verstelleinrichtung 4 einwirkende Kraft formuliert wurde. Es versteht sich, dass die analoge Wirkungsweise für ein auf die Verstelleinrichtung 4 einwirkendes Moment gilt.
Die in den Figuren 1-2 gezeigte Axialflussmaschine 1 ist insbesondere geeignet, in einem hybriden oder vollelektrischen Antriebsstrang 10 eines Kraftfahrzeugs 11
verwendet zu werden, so wie es exemplarisch in den Abbildungen der Figur 6 gezeigt ist.
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.
Bezugszeichenliste
1 elektrische Maschine
2 Stator 3 Rotor
4 Verstelleinrichtung
5 Steuereinheit
6 Laufbahn
7 Wälzkörper 8 Rastier-Bereich
10 Antriebsstrang
11 Kraftfahrzeug 31 Rotorkörper
51 Prozessor
52 Speicher
Claims
1. 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) fernereine Steuereinheit (5) zur Steuerung der Bestrom ung des Stators (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (5) 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) aufgibt.
2. Verfahren zur Steuerung einer elektrischen 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, wobei die elektrische Maschine (1) ferner eine Steuereinheit (5) zur Steuerung der Bestromung des Stators (2) 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 (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,
• 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.
3. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1 und Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, 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.
4. Elektrische Maschine (1 ) nach Anspruch 1 oder 3 und Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung (4) ausgebildet ist, den Luftspalt zwischen dem Stator (2) und Rotor (3) zu variieren
5. Elektrische Maschine (1 ) nach einem der Ansprüche 1 ,3 oder 4 und Verfahren nach einem der Ansprüche 2,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (1) eine Axialflussmaschine ist.
6. Elektrische Maschine (1 ) nach einem der Ansprüche 1 ,3,4 oder 5 und Verfahren nach einem der Ansprüche 2,3,4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer axialen Seite des Stators (2) in einem axialen Abstand (d1), einen ersten Luftspalt (L1) bildend, ein erster Rotorkörper (31) angeordnet ist, und mittels der Verstelleinrichtung (4) der axiale Abstand (d1 ) zwischen dem Rotorkörper (31) und dem Stator (2) über einen Verstellweg variierbar ist.
7. Elektrische Maschine (1 ) nach einem der Ansprüche 1 ,3,4,5 oder 6 und Verfahren nach einem der Ansprüche 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass
in der Steuereinheit (5) eine Steuerungskennlinie gespeichert ist, welche eine Funktion des Verstellwegs der Verstelleinrichtung (4) zu einem von der Steuereinheit (5) zu erzeugenden Drehmoment-Impuls darstellt, wobei die Steuerungskennline eine Treppenfunktion ist.
8. 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.
9. Steuereinheit (5) zur Steuerung einer elektrischen Maschine (1 ) eines Kraftfahrzeugs nach Anspruch 1 umfassend 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 Verfahrens nach Anspruch 2 zu veranlassen.
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