DE102016115563A1 - Elektromaschine für hybrid-antriebsstrang mit zweispannungsnetzsystem - Google Patents

Elektromaschine für hybrid-antriebsstrang mit zweispannungsnetzsystem Download PDF

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Chandra S. Namuduri
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Abstract

Eine Elektromaschine für ein Zweispannungsnetzsystem wird mit einem ersten Energiespeichersystem (HV-ESS) mit einer ersten Nennspannung und einem zweiten Energiespeichersystem (LV-ESS mit einer zweiten Nennspannung wird bereitgestellt). Die Elektromaschine beinhaltet eine Rotoranordnung mit einer Rotorkern auf, der konfiguriert ist, um den Rotorkern beabstandete Dauermagnete zu tragen, die eine Anzahl von Rotorpolen definieren. Der Rotorkern weist mehrere Rotornuten als mindestens eine Sperrschicht an jedem der Rotorpole angeordnet auf. Dauermagnete sind in der mindestens einen Sperrschicht angeordnet. Ein Statoraufbau umgibt die Rotoranordnung. Die Elektromaschine ist konfiguriert, operativ mit der HV-ESS verbunden zu sein. Die Elektromaschinen weisen mindestens eine vorgegebene Effizienz bei Nennleistung auf, eine vorgegebene Leistungsdichte, eine vorbestimmte Drehmoment-Leistungsdichte, einen vorgegebenen Spitzenleistungsbereich oder eine vorgegebene maximale Motordrehzahl der Elektromaschine.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Elektromaschine für einen Antriebsstrang und insbesondere auf eine innere Dauermagnet-Elektromaschine.
  • HINTERGRUND
  • Eine Elektromaschine nutzt elektrische Potenzialenergie zur Erzeugung von mechanischem Drehmoment durch das Zusammenwirken von Magnetfeldern und elektrischen stromführenden Leitern. Einige Elektromotoren können auch als Generatoren mittels Drehmoment elektrische Energie erzeugen. Ein innere Dauermagnet-Elektromaschine weist eine Rotoranordnung auf, die einen Rotorkern mit Magneten wechselnder Polarität umfasst, die um den Rotorkern beabstandet sind.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Es wird eine Elektromaschine für ein Zweispannungs-Leistungsnetz mit einem ersten Energiespeichersystem (HV-ESS) mit einer ersten Nennspannung und ein zweites Energiespeichersystem (LV-ESS) mit einer zweiten Nennspannung bereitgestellt. Die Elektromaschine beinhaltet eine Rotoranordnung mit einem Rotorkern zum Tragen von Dauermagneten, die um den Rotorkern um zum Definieren einer Anzahl von Rotorpolen beabstandet sind. Der Rotorkern weist mehrere Rotornuten auf, die als mindestens eine Sperrschicht an jedem der Rotorpole angeordnet sind. Die mindestens eine Sperrschicht ist zwischen einem inneren Umfang des Rotorkerns und einen Außenumfang des Rotorkerns angeordnet. Dauermagnete sind in der mindestens einen Sperrschicht angeordnet. Ein Statoraufbau umgibt die Rotoranordnung. Die Elektromaschine ist konfiguriert, um als Wirkverbindung mit der HV-ESS als mindestens ein Motor und Generator zu funktionieren. Die Rotoranordnung, die Statoranordnung, und die Magnete sind mit Parametern konfiguriert, die ausgewählt sind, um mindestens eine vorgegebene Effizienz bei Nennleistung, eine vorgegebene Leistungsdichte, eine vorbestimmte Drehmoment-Leistungsdichte, einen vorgegebenen Spitzenleistungsbereich oder eine vorgegebene maximale Motordrehzahl der Elektromaschine bereitzustellen.
  • Die Elektromaschine kann besonders gut zur Verwendung in einem Hybridantriebsstrang geeignet sein. Ein Motor kann beispielsweise mit einer Kurbelwelle operativ mit der Elektromaschine verbunden sein. Die HV-ESS ist operativ mit der Statoranordnung und mit einer relativ hohen elektrischen Spannungslast verbunden. Die LV-ESS ist operativ mit einer relativ niedrigen elektrischen Spannungslast verbunden. Ein Gleichstrom-Gleichstrom(DC-DC)-Wandler ist operativ mit sowohl der HVV-ESS und der LV-ESS verbunden. Ein Motor-Steuereinheit-Wechselrichtermodul (MPIM) ist operativ mit der Statoranordnung verbunden. Die MPIM ist zur Steuerung der Elektromaschine zum Erreichen eines Fahrbetriebsmodus konfiguriert, in dem die Elektromaschine zusätzliches Drehmoment an der Kurbelwelle unter Verwendung von gespeichertem elektrischem Strom zum HV-ESS zufügt. Die MPIM ist zur Steuerung der Elektromaschine zur Stromversorgung der relativ hohen Spannungslast über die HESS und zur Stromversorgung der relativ niedrigen Spannungslast durch den DC-DC-Wandler und die LV-ESS konfiguriert. In verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet die mindestens eine Sperrschicht eine oder zwei Sperrschichten. So beinhaltet in den verschiedenen Ausführungsformen die mindestens eine Sperrschicht beispielsweise eine erste Sperrschicht mit zwei benachbarten und unterbrochenen Segmenten, die voneinander durch eine Brücke des Rotorkerns beabstandet sind und in einer V-Formation angeordnet sind.
  • Die Elektromaschine kann für einen Antriebsstrang in einem Kraftfahrzeug oder einem nicht-automobilen Fahrzeug, wie einer Landmaschine, einem Wasserfahrzeug, einem Flugzeug usw., verwendet werden. Es versteht sich von selbst, dass die Elektromaschine in Geräte, Baumaschinen, selbstangetriebene Ausrüstung an Stelle von Fahrzeugen eingebaut werden kann.
  • Die oben genannten Eigenschaften und Vorteile sowie anderen Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Offenbarung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bestmöglichen praktischen Umsetzung der dargestellten Ansprüche in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen hervor.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Darstellung in teilweiser Seitenansicht einer ersten Ausführungsform einer Elektromaschine mit einer Rotor- und einer Statoranordnung gemäß den vorliegenden Beschreibungen.
  • 2 ist eine schematische Darstellung in teilweiser Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform einer Elektromaschine mit einer Rotor- und einer Statoranordnung gemäß den vorliegenden Beschreibungen.
  • 3 ist eine schematische Darstellung in teilweiser Seitenansicht einer dritten Ausführungsform einer Elektromaschine mit einer Rotor- und einer Statoranordnung gemäß den vorliegenden Beschreibungen.
  • 4 ist eine schematische Darstellung in teilweiser Seitenansicht einer vierten Ausführungsform einer Elektromaschine mit einer Rotor- und einer Statoranordnung gemäß den vorliegenden Beschreibungen.
  • 5 ist eine schematische teilweise perspektivische Darstellung eines Magnets der Elektromaschine in 1.
  • 6 ist eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform von drei Phasenwicklungen für eine Statoranordnung gemäß den vorliegenden Beschreibungen.
  • 7 ist eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform von drei Phasenwicklungen für eine Statoranordnung gemäß den vorliegenden Beschreibungen.
  • 8 ist eine schematische Darstellung eines Antriebsstrangs umfassend die Elektromaschine in 1.
  • 9 ist eine schematische Darstellung des Antriebsstrangs in 8, die eine Anordnung des elektrischen Systems darstellt.
  • 10 ist ein Diagramm des Drehmoments pro Basismoment (pu) und Leistung pro Basisleistung (pu) gegenüber Drehzahl (Umdrehungen pro Minute) einer Elektromaschine gemäß den vorliegenden Beschreibungen.
  • 11 ist eine Wirkungsgradkarte bei unterschiedlichen Leistungen pro Basisleistung (pu) und Drehzahlen (Umdrehungen pro Minute) während eines Generatorbetriebs einer Elektromaschine gemäß der vorliegenden Offenbarungen.
  • 12 ist ein Diagramm der Rotordrehzahl (Umdrehungen pro Minute), Leistung pro Basisleistung (pu) und Phase-A-Leistung pro Basisstrom (pu) gegenüber der Zeit (Sekunden) während eines dreiphasigen Kurzschlussfalles einer Elektromaschine gemäß den vorliegenden Beschreibungen.
  • 13 ist eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform eines Antriebsstrangs einschließlich der Elektromaschine der 1 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung.
  • 14 ist eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform eines Antriebsstrangs einschließlich der Elektromaschine der 1 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Bezugnehmend auf die Zeichnungen, worin gleiche Referenznummern sich auf gleiche Komponenten in den Ansichten beziehen, zeigt 1 eine Elektromaschine 10 mit einer Statoranordnung 12 und einer Rotoranordnung 14. Wie hier beschrieben, weist die Elektromaschine 10 eine mehrphasige Statoranordnung 12 und eine Innere Dauermagnetunterstützte synchrone Reluktanz-Rotoranordnung 14 mit einer optimalen Auslegung und Geometrie zum Erfüllen von vordefinierten Betriebsparametern auf. Die Elektromaschine 10 ist besonders zur Verwendung in einem Antriebsstrang 300 (dargestellt in 8) mit einem elektrischen Zweispannungs-Leistungsnetz 317 mit einem ersten Energiespeichersystem (HV-ESS) 318A mit einer ersten Nennspannung und ein zweites Energiespeichersystem (LV-ESS) 318B mit einer zweiten Nennspannung niedriger als die erste Nennspannung geeignet. Zum Beispiel kann die erste Nennspannung 48 Volt und die zweite Nennspannung 12 Volt betragen.
  • Insbesondere ist die Elektromaschine 10 gestaltet zur Erzielung eines relativ hohen Wirkungsgrads, wie etwa 85% Wirkungsgrad gegenüber einer vorgegebenen Ausgangsleistungsbereich (z. B. 1500 bis 12.000 Watt) und einem Drehzahlbereich (z. B. 2500 Umdrehungen pro Minute (U/min) bis 7500 U/min) für den Generatormodus (auch bezeichnet als Regenerationsmodus) und 80% Wirkungsgrad gegenüber einem vorgegebenen Ausgangsleistungsbereich (z. B. 1500 bis 6000 Watt) und einem Drehzahlbereich (z. B. 2000 U/min bis 6500 U/min) für den Fahrbetriebsmodus (auch bezeichnet als Transparentmode), einer relativ hohen Spitzen-Leistungsdichte (4 Kilowatt pro Liter) und/oder einer hohen Drehmoment-Leistungsdichte (z. B. 18 Newtonmeter (Nm) pro Liter), eines relativ breiten Spitzen-Leistungsbereichs (z. B. 10 Kilowatt zwischen 4500 U/min und 6000 U/min), einer maximalen Drehzahl von mindestens 18000 U/min, relativ niedriger Kosten (durch Minimierung der erforderlichen Anzahl von Dauermagneten), eine relativ geringe Masse und Massenträgheit (für schnelle dynamische Reaktion auf Änderungen seitens des Fahrers) und zum Hineinpassen in einem relativ kleinen Stauraum. Verschiedene alternative Ausführungsformen einschließlich der alternativen Elektromaschinen 10A, 10B und 10C (24), die an Stelle der Elektromaschine 10 verwendet werden können, weisen ebenfalls optimale Gestaltungen und Geometrien der vordefinierten Betriebsparameter auf. Jede beliebige dieser Ausführungsformen kann in einem Antriebsstrang 300, dargestellt in 8, in einer riemengetriebenen Motorschaltungsanordnung zum Anlassen des Motors, zur Regeneration und für Drehmomentunterstützungsmodi eingesetzt werden.
  • Bezugnehmend auf 1 umgibt die Statoranordnung 12 radial die Rotoranordnung 14 mit einem definierten dazwischenliegenden Luftspalt 16. Die Elektromaschine 10 ist so konfiguriert, dass der Luftspalt 16 einer vorgegebenen Breite zur Maximierung von Leistung und Minimierung der Anzahl der Magnete 20 in der Rotoranordnung 14 entspricht. Sowohl die Statoranordnung 12 und die Rotoranordnung 14 weisen im Allgemeinen eine ringförmige Form auf und sind konzentrisch bezüglich einer Längsmittendrehachse A der Elektromaschine 10 (8). Die Statoranordnung 12 weist einen Statorkern 30 und die Rotoranordnung 14 weist einen Rotorkern 18 auf. Sowohl der Statorkern 30 als auch der Rotorkern 18 können aus mehreren axial entlang der Achse A gestapelten Lamellen zusammengebaut werden. 8 zeigt beispielsweise die Ständerlamellen 19. Es sollte beachtet werden, dass ein Motorgehäuse einen äußeren Umfang der Statorlamellen 19 umgeben kann und eine Motorwelle 29 der Elektromaschine 10 tragen kann. Das Gehäuse ist in 8 ist nicht gezeigt, sodass die Lamellen 19 sichtbar sind.
  • Die Rotoranordnung 14 beinhaltet einen Rotorkern 18, der konfiguriert ist zum Tragen mehrerer Dauermagnete 20, beschriftet mit 20A und 20B, an jedem Rotorpol. Insbesondere weist der Rotorkern 18 mehrere Rotornuten 22, 24 auf, hier auch bezeichnet als Sperren oder Sperrschichten, die als mehrfache Sperrschichten einschließlich einer ersten Sperrschicht 22 und einer zweiten Sperrschicht 24 angeordnet sind. Die erste Sperrschicht 22 ist einem Innenumfang 23 des Rotorkerns 18 am nächsten. Die zweite Sperrschicht 24 ist zwischen der ersten Sperrschicht 22 und einen Außenumfang 25 des Rotorkerns 18 angeordnet. Die zweite Sperrschicht 24 ist radial auswärts der ersten Grenzschicht 22 angeordnet. In den gezeigten Ausführungsformen enthält nur die erste Sperrschicht 22 Magneten 20A, 20B. Die andere Sperrschicht 24 wirkt als Luftbarriere. Alternativ könnte in dieser oder anderen Ausführungsformen die zweite Sperrschicht 24 mit Magneten 20 gefüllt werden. Des Weiteren könnten nur einige der Segmente der ersten Grenzschicht 22 mit Magneten 20 gefüllt sein.
  • Die Rotoranordnung 14 ist um die Achse A drehbar gestaltet, die sich durch die Mitte der Elektromaschine 10 längs erstreckt. Der Rotorkern 18 ist starr verbunden und dreht sich mit einer Motorwelle 29 (nur dargestellt in 8), die sich durch eine Wellenöffnung 31 in den Rotorkern 18 erstreckt. Das Material des Rotorkerns 18 um die Wellenöffnung 31 arbeitet als eine Mittenwellenhalterung 33.
  • Die Statoranordnung 12 beinhaltet einen Statorkern 30 mit mehreren umfänglich beabstandeten Statorrnuten 32. Die Statornuten 32 erstrecken sich in Längsrichtung entlang der Achse A. Die Statornuten 32 sind konfiguriert zur Aufnahme der mehrphasigen Statorwicklungen 34. Die Statorwicklungen 34 können in verschiedene Sätze zusammengefasst werden, die jeweils eine identische Anzahl von Phasen von elektrischem Strom tragen, wie etwa drei Phasen, wie weiter dargestellt und beschrieben in 6 und 7, und Fachleuten bekannt ist. Die Statorwicklungen 34 erstrecken sich axial über erste und zweite axiale Enden 36, 38 des Statorkerns 30, dargestellt in 8. Die axiale Länge AL der Lamellenstapel 19 (d. h. die Abstände entlang der Achse A zwischen den axialen Enden 36, 38), die keine Abschnitte der Wicklungen 34 aufweisen, wird hier auch als die aktive Länge der Elektromaschine 10 bezeichnet. Ein Verhältnis eines Außendurchmessers OD der Blechlamellen 19 der Statoranordnung 12 zur axialen Länge AL kann, nur als nicht einschränkendes Beispiel, nicht weniger als 2,0 und nicht größer als 3,5 sein, und, nur als nicht einschränkendes Beispiel, mit der axialen Länge AL 60 Millimeter (mm) und mit dem Außendurchmesser OD 155 mm nicht zu überschreiten zum Erfüllen von vorbestimmten Packraumanforderungen für eine bestimmte Anwendung der Elektromaschine 10, wie etwa in einem Fahrzeugantriebsstrang.
  • Der Rotorkern 30 weist acht Rotorpole 40 auf, die mindestens teilweise durch die Anordnung der Dauermagnete 20A, 20B in der ersten Sperrschicht 22 im Allgemeinen in Umfangsrichtung in dem Rotorkern 18 und durch die ausgewählte Polarität des Magneten 20A, 20B angeordnet sind. Lediglich zwei der Rotorpole 40 sind in der teilweisen Ansicht der Rotoranordnung 14 dargestellt, und die acht Rotorpole 40 sind um die Rotoranordnung 14 gleich beabstandet, wie Fachleuten bekannt ist. Die Elektromaschine 10 anstelle kann konfiguriert sein, eine andere Polzahl aufweisen 40.
  • Jeder Pol 40 beinhaltet einen Satz von mehreren Sperrschichten 22, 24. Die Pole 40 sind voneinander durch Polbegrenzungen 42 getrennt dargestellt, die sich radial durch den Rotorkern 30 erstrecken. Jeder Pol 40 beinhaltet alles Material des Rotorkerns 30, begrenzt durch die jeweiligen Polbegrenzungen 42 des Pols 40. Eine Polachse 44 nur einer der Pole 40 ist dargestellt, obwohl jeder Pol 40 eine gleichartige Polachse 44, die sich radial durch die Mitte des Pols 40 erstreckt, aufweist. Die Anzahl der Rotorpole 40 ist gleich der Anzahl von Sätzen von Sperrschichten 22, 24, die radial auswärts einer gleichen Anzahl von Speichen 84 in der Rotoranordnung 14 angeordnet sind. Eine Gesamtzahl von acht Rotorpolen ermöglicht die Erfüllung von Drehmoment-, Leistungs-, Geräusch- und Packraumanforderungen. Der Rotorkern 18 ist ein Stahlmaterial, das ausgewählt ist, um die Hochgeschwindigkeits-Rotationsbelastung innerhalb vorgegebener Grenzen zu halten.
  • In der exemplarischen Ausführungsform von 1 hat der Statorkern 30 sechzig Statornuten 32 in Umfangsrichtung angeordnet um den Statorkern 30 und sich öffnend an einem inneren Umfang 50 des Statorkerns 30 gegen den Luftspalt 16. Statorzähne 52 trennen jede der Statornuten 32 und sind mit Enden 54 zum Halten der Statorwicklungen 34 ausgestattet. Ein größten gemeinsamen Teiler (GCD) der Anzahl der Nuten 32 und die Anzahl der Pole 40 des Rotorkerns 18 ist die größte positive ganze Zahl, die die Anzahl der Nuten 32 und die Anzahl der Pole 40 ohne Rest teilt. In der gezeigten Ausführungsform ist, da der Statorkern 30 sechzig Statornuten 32 und den Rotorkern 18 acht Pole 40 aufweist, die GCD 4. In anderen Ausführungsformen kann die GCD eine andere Zahl sein.
  • Ein niedrigster gemeinsamer Multiplikant (LCM) der Anzahl der Statornuten 32 und die Anzahl der Pole 40 ist die kleinste positive ganze Zahl, die sowohl durch die Anzahl der Statornuten 32 und die Anzahl der Pole 40 teilbar ist. In der in 2 veranschaulichten Ausführungsform ist die LCM 120, da der Statorkern 30 sechzig Statornuten 32 und den Rotorkern 18 acht Pole 40 aufweist. In anderen Ausführungsformen kann die LCM eine andere Zahl sein und ist bevorzugt ausgewählt zur Minimierung von Drehmomentschwankungen aufgrund des Zusammenwirkens der Dauermagnete 20 und der Zähne 52 des Statorkerns 30. Die Anzahl der Statornuten 32 und die Anzahl der Pole 40 kann so gewählt werden, dass die LCM ausreichend groß ist, eine nichtschräge Rotoranordnung, wie etwa Rotoranordnung 14, zu ermöglichen. In anderen Ausführungsformen 72, 84, 96 oder 108 könnten Statornuten verwendet werden, beispielsweise zur Änderung des Winkelabstands zwischen benachbarten Statornuten 32, wie Fachleuten bekannt ist. Die erste Sperrschicht 22 weist mehrere diskrete, benachbarte und unterbrochene Segmente auf, die physikalisch voneinander zum Material des Rotorkerns 18 an einer Brücke, die als eine untere Brücke 64 bezeichnet wird, getrennt sind. Insbesondere umfassen die Segmente erste und zweite Flügelsegmente 62A, 62B, die an entgegengesetzten Enden der unteren Brücke 64 und winkelförmig voneinander weg in Richtung des äußeren Umfangs 25, um eine V-Formation zu errichten, angeordnet sind. In der gezeigten Ausführungsform ist die Brücke 64 etwa 0,75 mm bis etwa 2 mm an einem engsten Abschnitt breit.
  • Die zweite Sperrschicht 24 ist eine einzige Nute und enthält in der hier veranschaulichten Ausführungsform keine Magnete. Anders ausgedrückt, die Magnete 20 befinden sich nur in der ersten Sperrschicht 22. Alternativ könnten die Magnete 20 in beiden Sperrschichten 22, 24 vorhanden sein. Bezugnehmend auf 1 und 5 ist es zur Kosteneinsparung wünschenswert, dass jeder der Dauermagnete 20A, 20B identische, rechteckige Formen aufweist. Dies kann erreicht werden, indem die ersten und zweiten Flügelsegmente 62A, 62B gleiche Dicken T1, T2 aufweisen. In einem nicht einschränkenden Beispiel ermöglichen die Dicken T1, T2, dass die Magneten 20A, 20B mit einer Dicke von 1,5 mm bis 4 mm dort hineinpassen. Außerdem beträgt in den hierin beschriebenen Ausführungsformen die Gesamtmasse des verwendeten Magnetmaterials (d. h. die Masse der Magneten 20) etwa 150 Gramm bis 350 Gramm. Durch Verwendung von weniger Magnetmaterial, das jedoch noch die vordefinierten Betriebsparameter erfüllt, werden Kosten gemindert. Die Magnete der Elektromaschine 10 können alle aus demselben Material gefertigt sein oder unterschiedliche Magnete können aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sein.
  • Obwohl die Dauermagnete 20A, 20B rechteckförmig sind, haben die Flügelsegmente 62A, 62B eine komplexere Form mit einem im Allgemeinen rechteckigen mittleren Abschnitt, der die Magnete 20A, 20B hält und dazu passt, und Lufttaschen 66 an einem oder beiden Enden. Die Längen der Flügelsegmente 62A, 62B der gestapelten Rotorlamellen in Richtung der Achse A können gleich sein. Die Länge der Flügelsegmente 62A, 62B in Richtung der Achse A der gestapelten Rotorlamelle kann gleich sein. Dadurch können die Dauermagnete 20A, 20B identische, rechteckige Formen aufweisen. Mehrere Magneten können in jedem der ausgerichteten Segmente 62A, 62B in der Richtung der Länge der Achse A ausgerichtet sein. Die Länge L der Magneten 20 kann daher so konfiguriert werden, dass die Gesamtzahl der in den ausgerichteten Segmenten 62A, 62B verwendeten Magneten eine Gesamtlänge von 60 mm aufweisen. Zusätzlich sind die Breiten W2, W3 der jeweiligen ersten und zweiten Flügelsegmente 62A, 62B gestaltet, um zu ermöglichen, dass Magneten mit einer Breite W von größer als 5 mm dort hineinpassen.
  • Das Material des Rotorkerns 18 bildet auch eine ersten obere Brücke 70 zwischen jedem des ersten und zweiten Flügelsegments 62A, 62B und dem äußeren Umfang 25 des Rotorkerns 18. Als nicht einschränkendes Beispiel, eine minimale Breite WT1 jedes ersten oberen Brücke 70 nicht weniger als 1 mm und nicht größer als 2 mm.
  • Zusätzlich bildet das Material des Rotorkerns 18 eine zweite obere Brücke 72, die sich zwischen der zweiten Sperrschicht 24 und dem Außenumfang 25 erstreckt. Mit anderen Worten, die zweite obere Brücke 72 ist der engste Abschnitt jedes Rotorpols 40 zwischen ersten und zweiten Flügelsegmenten 62A, 62B des Rotorpols 40 und dem Außenumfang 25. Als nicht einschränkendes Beispiel ist eine minimale Breite WT2 jeder zweiten oberen Brücke 72 nicht kleiner als 0,8 mm und nicht größer als 2,5 mm. Die Magneten 20A, 20B erzeugen den Drehmoment-erzeugenden Fluss in der Elektromaschine 10 und dienen auch zum Sättigen gesättigt der oberen Brücken 70, 72 zur Minimierung einer Überbrückungswirkung. Eine normierte Flussverbindung λrwn irgendeiner der hier offenbarten Elektromaschinen ist bei einem Spitzendrehmoment beispielsweise größer als ungefähr 0,7. Die normierte Flussverbindung λrwn ist definiert als
    Figure DE102016115563A1_0002
    wobei λm, Ld und Lq Flussverbindungen einer Elektromaschinen und d, q Induktivitäten der Elektromaschine sind. Die Magneten 20 sind Dysprosium(Dy)-reduziertes Material mit einer maximalen Energieprodukt von etwa 33 Megagauss Oersted (MGOe) bis etwa 48 MGO und sind konfiguriert sind zum Sättigen der Brücken 70, 72. Wie hier verwendet, ist ein Dy-reduziertes Material ein magnetisches Material mit weniger als 5 Gew.-% Dysprosium.
  • Zur Einsparung von Masse weist der Rotorkern 18 Hohlräume 80 zwischen benachbarten Flügelsegmenten 62A, 62B von benachbarten Sätzen von ersten Sperrschichten 22 von benachbarten Polen 40 auf Zusätzliche Hohlräume 82 sind radial einwärts der ersten Sperrschichten 22 und radial auswärts des Innenumfangs 23 angeordnet. Die Hohlräume 80, 82 sind Bereiche relativ geringer Magnetflussdichte des Rotorkerns 18 zur Verringerung von Gewicht und Massenträgheit des Rotorkerns 18. Dies ermöglicht schnelles dynamisches Ansprechen der Elektromaschine 10, beispielsweise, wenn ein Fahrzeugführer Bedienungsanforderungen ändert, wodurch potenziell die Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs gesteigert wird.
  • Die Hohlräume 82 sind so gestaltet, dass Speichen 84 durch den Rotorkern 18 zwischen benachbarten der Hohlräume 82 definiert und zentriert innerhalb jeden Rotorpols 40 sind. Das heißt, die Speichen 84 sind unter der unteren Brücke 64 zentriert. Indem die Speichen 84 unter der unteren Brücke 64 zentriert sind, fluchten die Speichen 84 radial mit den Polen 40, sodass die Mittelpolachse 42 jeden Pols 40 durch die radiale Mitte der jeweiligen Speiche 84 unter dem mittleren Segment 20A verläuft. Dementsprechend hilft Magnetfluss durch das Rotorkernmaterial der Speichen 84 bei dem Magnetisieren des Magneten 20A, 20B. Die Speichen 84 sind in der veranschaulichten Ausführungsform in der nichtlinearen Form, wie teilweise durch die kreisförmige Vertiefungen 82 definiert. Die Speichen 84 erstrecken sich im Allgemeinen radial zwischen dem Abschnitt des Rotorkerns 18 und fungieren als Mittenwellenhalterung 33 und untere Brücke 64.
  • Durch Bereitstellen von zwei Sperrschichten an jedem Rotorpol 40 ist das Reluktanz-Drehmoment der Elektromaschine 10 hoch, was bei der Kostenminimierung hilft. Zusätzlich ist die radial innerste Sperrschicht 22 vollständig oder teilweise mit Magneten 20 gefüllt. Ein Schicht ist „vollständig” mit Magneten 20 gefüllt, wenn jedes Segment der Schicht einen Magnet 20 enthält, und ist nur teilweise mit Magneten 20 gefüllt, wenn mindestens eines der Segmente der Schicht leer ist. Durch Bereitstellen von Magneten 20 in nur einigen der Sperrschichten werden Kosten verringert.
  • 2 zeigt eine alternative Elektromaschine 10A, die an Stelle der Elektromaschine 10 im Antriebsstrang 300 von 20 verwendet werden kann. Die Elektromaschine 10A eine Statoranordnung 12A gleich der der Elektromaschine 10 mit der Ausnahme, dass insgesamt 96 Statornuten 32 umfangsmäßig um die Statoranordnung 12A angeordnet sind. In anderen Ausführungsformen könnten 60, 72, 84 oder 108 Statornuten verwendet werden, beispielsweise durch Änderung des Winkelabstands zwischen benachbarten Statornuten 32, wie Fachleuten bekannt ist. Die Elektromaschine 10A weist eine Rotoranordnung 14A identisch mit der Rotoranordnung 14 der Elektromaschine 10 auf mit der Ausnahme, dass zusätzliche Magnete 20 die zweite Sperrschicht 24 ausstatten. Mit anderen Worten, in der Elektromaschine 10 ist nur die radial innerste (erste) Sperrschicht 22 mit Magneten 20A, 20B ausgestattet. Im Gegensatz dazu beinhalten in der Rotoranordnung 14A der Elektromaschine 10A die ersten und zweiten Sperrschichten 22 und 24 Magneten. Der Rotorkern 30 der Elektromaschine 10A ist identisch mit dem der Elektromaschine 10 und weist acht Rotorpole 40 auf.
  • 3 zeigt eine alternative Elektromaschine 10B, die an Stelle der Elektromaschine 10 im Antriebsstrang 300 von 20 verwendet werden kann. Die Elektromaschine 10B weist eine Statoranordnung 12 auf, die der der Elektromaschine 10 gleich ist, und eine Rotoranordnung 14B, die der Rotoranordnung 14 der 12 gleich ist, mit der Ausnahme, dass die Rotoranordnung eine zweite Sperrschicht 24 an jedem Rotorpol 40 aufweist, die zwei benachbarte und unterbrochene Segmente 24A, 24B beabstandet zueinander und in einer V-Formation angeordnet hat. Eine solche Anordnung kann als eine „Doppel-V”-Maschine bezeichnet werden, da sowohl die erste Sperrschicht 22 und die zweite Sperrschicht 24 in einer V-Formation vorliegen. Wie die erste Sperrschicht 22 bildet der Rotorkern 30 eine untere Brücke 64 zwischen den benachbarten Segmenten 24A, 24B, die etwa 0,75 mm bis 2 mm Breite aufweist. Magnete 20 sind sowohl in der ersten Sperrschicht 22 und der zweiten Sperrschicht 24 angeordnet. Magnete können in einigen oder allen der Segmente 24A, 24B der zweiten Sperrschicht 24 zusätzlich zur ersten Sperrschicht 22 angeordnet sein. Alternativ können Magnete 20 nur in einigen oder in allen der Segmente 62A, 62B der ersten Grenzschicht 22 angeordnet sein und die zweite Sperrschicht 24 kann leer sein. Dementsprechend ist die Elektromaschine 10B eine Acht-Rotorpol-Maschine 40, 60-Statornuten 32, Doppel-V-Elektromaschine. In anderen Ausführungsformen könnten 72, 84, 96 oder 108 Statornuten verwendet werden, beispielsweise durch Änderung der Winkelabstände zwischen benachbarten Statornuten 32, wie Fachleuten bekannt ist.
  • 4 zeigt eine Elektromaschine 10C mit einer Rotoranordnung 14C, die mit der Rotoranordnung 14B der Elektromaschine 10B der 3 identisch ist mit der Ausnahme, dass keine zweite Sperrschicht 24 vorhanden ist. Dementsprechend weist die Rotoranordnung 14C nur die erste Sperrschicht 22 auf. Eine solche Anordnung kann als „Einzel-V”-Maschine bezeichnet werden. Magnete 20 sind in beiden Segmenten 62A, 62B der ersten Grenzschicht 22 angeordnet. Alternativ können Magnete 20 in weniger als allen der ersten und zweiten Segmente 62A, 62B an den acht Rotorpolen 40 angeordnet sein. So können beispielsweise die Magnete 20 nur in den ersten Segmenten 62A, nur in den zweiten Segmenten 62B oder nur in den ersten Segmenten 62A in einigen der Rotorpole 40 und nur in den zweiten Rotorsegmenten 62B in anderen der Rotorpole 40 angeordnet sein. Dementsprechend ist die Elektromaschine 10C eine Acht-Rotorpol 40-, 60-Statomuten 32-, Einzel-V-Elektromaschine. In anderen Ausführungsformen könnten 72, 84, 96 oder 108 Statornuten verwendet werden, beispielsweise durch Änderung der Winkelabstände zwischen benachbarten Statornuten 32, wie Fachleuten bekannt ist.
  • 6 und 7 zeigen verschiedene Ausführungsformen von mehrphasigen Wicklungen 34A, 34B, von denen jede als die Statorwicklungen 34 in den Statornuten 32 von einer der hier beschriebenen Elektromaschinen und Satoranordnungen verwendet werden kann. Zusätzlich können mehrphasige Statorwicklungen mit anderen Konfigurationen im Rahmen der vorliegenden Offenbarung verwendet werden. Statorwicklung 34A in 6 ist eine dreiphasige Statorwicklung mit drei in einer Sternkonfiguration angeordneten Anschlüssen 35 (auch als Y- oder Stern-geschaltete Konfiguration bezeichnet). Statorwicklung 34A ist dargestellt mit 16 Windungen pro Spule 37A, kann jedoch von 12 bis 32 Windungen pro Wicklung aufweisen.
  • Statorwicklung 34B, dargestellt in 7, ist eine dreiphasige Statorwicklung mit drei im Dreieck angeordneten Anschlüssen 35. Statorwicklung 34B ist mit 32 Windungen pro Wicklung 37B dargestellt, kann jedoch von 12 bis 32 Windungen pro Wicklung aufweisen.
  • Der Elektromotor 10, 10A, 10B oder 10C mit einer der verschiedenen Satoranordnungen 12 oder 12A, mit einer der verschiedenen Statorwicklungen 34A oder 34B und jeder der verschiedenen Rotoranordnungen 14, 14A, 14B oder 14C kann in beliebiger Kombination in vielen Anwendungen, wie etwa in einem Fahrzeug, verwendet werden. Ein nichteinschränkendes Beispiel ist in 8 gezeigt, worin der Elektromotor 10 in den Antriebsstrang 300 des Fahrzeugs 302 einbezogen ist. Obgleich als Elektromotor 10 dargestellt, kann jeder beliebige der Elektromotoren 10, 10A, 10B oder 10C mit einer der verschiedenen Satoranordnungen 12 oder 12A, mit einer der verschiedenen Statorwicklungen 34A oder 34B und jeder der verschiedenen Rotoranordnungen 14, 14A, 14B oder 14C in beliebiger Kombination in dem Antriebsstrang 300 verwendet werden.
  • Der Antriebsstrang 300 beinhaltet einen Motor 304 mit einer Kurbelwelle 306. Ein Riemen-Antriebsstrang 308 verbindet operativ die Elektromaschine 10 mit der Kurbelwelle 306. Eine selektiv in Eingriff bringbare Kupplung kann zum Verbinden und zum Trennen der Motorkurbelwelle 306 zum Riemen-Antriebsstrang 308 und somit von der Elektromaschine 10 eingeschlossen werden. Der Antriebsstrang 300 ist ein Hybridantriebsstrang und insbesondere ein fossil-elektrischer Hybridantriebsstrang, da, zusätzlich zum Motor 304 als erster Energiequelle durch fossilen Kraftstoff, wie etwa Benzin oder Diesel, angetrieben, die durch gespeicherte elektrische Energie angetriebene Elektromaschine 10 als eine zweite Energiequelle verfügbar ist. Die Elektromaschine 10 ist steuerbar, als Motor oder als Generator zu arbeiten und ist operativ mit der Kurbelwelle 306 des Motors 304 über den Riemen-Antriebsstrang 308 verbunden (wenn die wahlweise in Eingriff bringbare Kupplung eingerückt ist, wenn eine solche Kupplung vorhanden ist). Der Riemen-Antriebsstrang 308 beinhaltet einen Riemen 310, der in Eingriff mit einer Riemenscheibe 312 steht. Die selektiv in Eingriff bringbare Kupplung kann zwischen der Riemenscheibe 312 und Motorwelle 29 angeordnet sein, dass die Riemenscheibe 312 verbunden ist mit und sich mit der Motorwelle 29 des Elektromotors 10 nur dann dreht, wenn die selektiv in Eingriff bringbare Kupplung eingerückt ist. Der Riemen 310 greift auch in eine Riemenscheibe 314 ein, die mit der Kurbelwelle 306 verbindbar ist. Wenn die Riemenscheibe 312 zum Drehen mit der Elektromaschine 10 und die Riemenscheibe 314 zum Drehen mit der Kurbelwelle 306 verbunden ist, stellt der Riemen-Antriebsstrang 308 eine Antriebsverbindung zwischen der Elektromaschine 10 und der Kurbelwelle 306 her. Die Elektromaschine 10 kann in dieser Anordnung als Riemen-Drehstromgenerator-Starter-Motor/Generator bezeichnet werden. Alternativ kann der Riemen-Antriebsstrang 308 eine Kette an Stelle des Riemens 310 und Ritzel an Stelle der Riemenscheiben 312, 314 aufweisen. Diese beiden Ausführungsformen des Riemen-Antriebsstrangs 308 sind hier als „Riemen-Antriebsstrang” bezeichnet. Die Kurbelwelle 306 ist auch operativ mit einem Getriebe 321 verbunden. Kupplungen oder andere drehmomentübertragende Mechanismen (nicht dargestellt) können zwischen dem Motor 304 und dem Getriebe 321 angeordnet sein. Das Getriebe 321 weist eine Abtriebswelle 331 auf, die operativ zum Antrieb der Fahrzeugantriebsräder 333 verbunden ist. Eine Getriebeanordnung 335 kann zwischen einem gegebenenfalls vorhandenen Startermotor 327 und der Kurbelwelle 306 angeordnet sein.
  • Ein Motorsteuerungs-Wechselrichtermodul (MPIM) 316 ist operativ mit der Statoranordnung 12 verbunden. Wie dargestellt, ist das MPIM 316 direkt an der Elektromaschine 10 angebaut und ist in die Elektromaschine 10 integriert. Das MPIM 316 ist betreibbar, um Wechselstrom und Gleichstrom umzuwandeln. Genauer gesagt, das MPIM 316 wandelt mehrphasigen Wechselstrom zu relativ hochvoltigem Gleichstrom auf einem Hochspannungsbus 319 für die HV-ESS 318A um. Die HV-ESS 318A hat eine Nennspannung von 48 Volt und ist operativ verbunden mit und versorgt eine relativ hochvoltige Last HL und die Elektromaschine 10. Mögliche Komponenten der Hochspannungslast HL können einen Generator, eine elektrische Wasserpumpe, einen Kondensator-/Kühlerlüftermodul, einen DC/DC-Wandler 325, ein Servolenksystem, eine Heizungsanlage (wie eine Positiver-Temperaturkoeffizient-Heizung), eine Heckscheibenheizung, einen Katalysator, ein angetriebenes Aufhängungssystem und einen elektronischen Turbolader umfassen.
  • Ein DC/DC-Wandler 325 wandelt zwischen Gleichstrom auf einem relativ hohen Spannungspegel (bereitgestellt durch die Elektromaschine 10) auf dem Hochspannungsbus 319 auf einen relativ geringen Spannungspegel auf dem Niedrigspannungsbus 323 und zum niedrigen Spannungspegel (durch die LV-ESS 318B) auf dem Bus 323 auf den Hochspannungspegel auf dem Hochspannungsbus 319 um. Der DC/DC-Wandler kann mit einem Wirkungsgrad größer als 95 Prozent konfiguriert werden. Die LV-ESS 318B hat eine Nennspannung von 12 Volt und ist operativ verbunden mit und versorgt eine relative Niedrigspannungslast wie den optionalen Startermotor 327 für den Motor 304 und eine relative Niedrigspannungslast LL, wie eine Fahrzeugunterstützungslast, die innere und äußere Lichtsysteme, Heiz- und Kühlsysteme usw. umfassen kann.
  • Eine oder mehrere weitere Steuermodule 320 sind betriebsmäßig mit dem MPIM 316, dem Motor 304, dem Getriebe 321, dem DC/DC-Wandler 325, der HV-ESS 318A und der LV-ESS 318B und den Kupplungen (nicht gezeigt) durch beispielsweise elektronische Anschlüsse verbunden. Die wirksamen Verbindungen zum Motor 304, dem Getriebe 321 und beliebigen Kupplungen sind zum Zwecke der Übersichtlichkeit der Zeichnungen nicht dargestellt.
  • Das elektrische Zweispannungsnetz 317 mit der Elektromaschine 10 ist schematisch in 9 dargestellt. Das eine oder die mehreren Steuermodule 320 sind als ein Bordnetzsteuergerät 320A und ein Motorsteuergerät 320B dargestellt. In der gezeigten Ausführungsform steuern Hybridsteuerungen (z. B. ein Prozessor zum Steuern verschiedener verfügbarer Hybrid-Betriebsmodi) sind in dem Motorsteuergerät 320B beinhaltet. Alternativ kann eine Hybrid-Steuereinheit einschließlich eines Hybrid-Steuerprozessors in einem separaten eigenständigen Hybridsteuermodul untergebracht sein. Ein integrierter Batteriesensor 341 ist operativ mit dem LV-ESS 318B verbunden. Ein Batteriemanagementsystem 343 ist operativ mit dem HV-ESS 318A verbunden.
  • Wenn beliebige notwendige Kupplungen (nicht dargestellt) eingerückt sind und unter der Annahme, dass das Getriebe 321 zum Errichten einer Fahrverbindung zwischen dem Getriebeantriebselement 334 und dem Getriebeabtriebselement (Abtriebswelle 331) gesteuert wird, kann Drehmomentübertragung zwischen der Kurbelwelle 306 und Fahrzeugrädern 331 durch das Getriebe 321 und durch ein Differential 332 erfolgen.
  • Unter vorbestimmten Betriebsbedingungen kann das MPIM 316 die Elektromaschine 10 steuern, als Motor zu arbeiten. Die Elektromaschine 10 kann dann die Kurbelwelle 306 zum Starten des Motors 304 antreiben. Wenn der Motor 304 eingeschaltet ist und wenn vorgegebene Betriebsbedingungen erfüllt sind, wird das MPIM 316 zum Steuern der Statoranordnung 12 konfiguriert, um einen Fahrbetriebsmodus zu erzielen, in dem die Elektromaschine 10 zusätzliches Drehmoment an der Kurbelwelle 306 mit Hilfe von gespeichertem elektrischen Strom vom HV-ESS 318A und potenziell vom LV-ESS 318B über den DC/DC-Wandler 325 bereitstellt. Dies kann als Drehmomentunterstützungsmodus bezeichnet werden. Der Elektromotor 10 bringt zusätzliches Drehmoment durch den Riemen-Antriebsstrang 308 mit einer beliebigen eingerückten Kupplung zwischen dem Antriebsstrang 308 und der Elektromaschine 10. Wenn der Motor 304 eingeschaltet ist und andere vorgegebene Betriebsbedingungen erfüllt sind, wird das MPIM 316 zur Steuerung des Stromflusses in der Statoranordnung 12 zum Erreichen eines Generatorbetriebs konfiguriert, in dem die Elektromaschine 10 Drehmoment der Kurbelwelle 306 in gespeicherten elektrischen Strom im HV-ESS 318A umwandelt. Der Betrieb der Elektromaschine 10 als Generator verlangsamt die Kurbelwelle 306. Der Generatormodus kann beispielsweise während der Fahrzeugbremsung eingerichtet werden.
  • 13 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Antriebsstrangs 300A mit der Elektromaschine 10 und dem elektrischen Doppelspannungsnetz 317. Der Riemen-Antriebsstrang 308 verbindet betriebsmäßig die Elektromaschine 10 mit der Kurbelwelle 306 nur dann, wenn eine selektiv in Eingriff bringbare Kupplung 322A eingerückt ist. Unter vorbestimmten Betriebsbedingungen kann die Steuereinheit 320 eine Kupplung 322B in Eingriff bringen und die MPIM 316 kann die Elektromaschine 10 als Motor steuern. Die Elektromaschine 10 kann dann die Kurbelwelle 306 über sich verzahnende Zahnräder 340A, 342A einer Getriebeanordnung 335 zum Starten des Motors 304 antreiben. Zahnrad 340A ist angebracht an und dreht sich mit einer Welle 346, die mit der Motorwelle 29 rotiert, wenn die Kupplung 322B eingerückt ist. Zahnrad 342A ist angebracht an der und dreht sich mit der Kurbelwelle 306. Kupplung 322A ist während des Anlassens des Motors 304 nicht eingerückt. Der gegebenenfalls vorhandene Startermotor 327 in 8 wird in dem Antriebsstrang 300A nicht bereitgestellt. Die wirksamen Verbindungen zum Motor 304, dem Getriebe 321 und den Kupplungen 322A, 322B sind zum Zwecke der Übersichtlichkeit der Zeichnungen nicht dargestellt. Die Verbindungen an das Getriebe 321 und die Kupplungen 322A, 322B können elektronisch, hydraulisch oder anderweitig sein. Die Komponenten des Antriebsstrangs 300A arbeiten anderweitig, wie in Bezug auf die gleich nummerierten Komponenten des Antriebsstrangs 300 beschrieben.
  • 14 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Antriebsstrangs 300B mit der Elektromaschine 10 und der dem elektrischen Doppelspannungsnetz 317. Der Antriebsstrang 300B beinhaltet die Kupplungen 322A, 322B, die wie in Bezug auf Antriebsstrang 300A beschrieben, gesteuert werden. Im Antriebsstrang 300B sind der Startermotor 327 und die sich verzahnenden Zahnräder 335 sind zum Starten des Motors 304 unter vordefinierten Betriebsbedingungen eingeschlossen. Ein Zahnrad 340B dreht mit dem Rotor der Elektromaschine 10, wenn die Kupplung 322B eingerückt ist. Das Zahnrad 340B greift in ein Zahnrad 342B ein, das angebracht ist an der und sich dreht mit der Getriebeausgangswelle 331. Die Eingriffanordnung der Zahnräder 340B, 342B ist durch den Doppelpfeil AG angezeigt. Der Antriebsstrang 300B ist nur schematisch und zweidimensional in 14 dargestellt. Die Komponenten können in einem anderen Maßstab als dargestellt sein, um Eingreifen der Zahnräder 340B, 342B zu erreichen.
  • In der Antriebsstrangsanwendung nach 8 oder in anderen Fahrzeugantriebsstranganwendungen ist die Elektromaschine 10A der 2 konfiguriert, um mindestens 85% Wirkungsgrad gegenüber einer vorgegebenen Ausgangsleistung und einem Drehzahlbereich für den Regenerationsmodus, wie in 10 beschrieben. Der vorgegebene Ausgangsleistungsbereich ist 1500 bis 12.000 Watt und der vordefinierte Drehzahlbereich ist 1800 bis 9000 U/min. Die Elektromaschine 10A in 2 ist konfiguriert, um mindestens 80% Wirkungsgrad gegenüber einer vorgegebenen Ausgangsleistung und einem Drehzahlbereich für den Fahrbetriebsmodus, wie in 10 dargestellt. Der vorgegebene Ausgangsleistungsbereich ist 1800 bis 6000 Watt und der vordefinierte Drehzahlbereich ist 2000 bis 7500 U/min. Die Elektromaschine 10A ist konfiguriert, eine maximale Drehzahl von mindestens 18.000 Umdrehungen pro Minute zu erreichen.
  • Bezugnehmend auf 10 zeigt ein Diagramm 400 Drehmoment der Elektromaschine 10A pro Basismoment (pu) auf der linksseitigen vertikalen Achse 402. Die Leistung der Elektromaschine 10A pro Basisleistung (pu) ist auf der rechtsseitigen vertikalen Achse 404 dargestellt. Die Drehzahl der Rotoranordnung 14 in Umdrehungen pro Minute (U/min) wird auf der horizontalen Achse 406 gezeigt. Einige der vordefinierten Betriebsparameter, dass die Geometrie der Elektromaschine 10A speziell gestaltet ist, zufriedenzustellen, umfassen eine Fahrbetriebs-Spitzen-Momentenanforderung 408 (Fahrbetriebsmodus-Drehmoment-Anforderung dargestellt als Punkte 440), eine Fahrbetriebs-Leistungsanforderung (Fahrbetriebsmodus-Leistungsanforderungen dargestellt als Punkte 430) und eine Anforderung für Generatorleistung 412. Das durch die Elektromaschine 10A theoretisch erreichbare Motordrehmoment 414 übersteigt die Fahrbetriebs-Spitzen-Momentenanforderung 408. Die durch die Elektromaschine 10A theoretisch erreichbare Motorleistung 416 übersteigt den Fahrbetriebsleistungsbedarf. Fahrbetriebs-Spitzen-Momentenanforderung. Die Höhe der durch die Elektromaschine 10A theoretisch erreichbare Generatorleistung 418 übersteigt die Generator-Leistungs-Anforderung 412. Die Erzeugung des Drehmoments 420 ist ebenfalls dargestellt und erstreckt sich mindestens über eine Motordrehzahl der Elektromaschine 10A von 12.000 U/min. Ein Salienz-Verhältnis der Elektromaschinen 10, 10A, 10B oder 10B bei einem Nenndrehmoment der Elektromaschine ist nicht weniger als 1,5 und nicht größer als 3,0. Wie Fachleuten bekannt ist, ist das Salienz-Verhältnis ist das Verhältnis der Induktivität in der d-Achse der Elektromaschine zur Induktivität in der q-Achse der Elektromaschine. Die d-Achse ist die Achse der Elektromaschine mit der höchsten Induktivität, und die q-Achse ist die Achse der Elektromaschine mit der geringsten Induktivität.
  • 11 zeigt ein Kennfeld 500 des Wirkungsgrads der Elektromaschine 10A im 14 Volt Generatorbetrieb. Die Leistung der Elektromaschine 10A pro Basisleistung (pu) ist auf der vertikalen Achse 502 dargestellt. Die Drehzahl der Elektromaschine 10A in U/min ist auf der horizontalen Achse 504 dargestellt. Bereiche unterschiedlicher operativer Wirkungsgrade der Elektromaschine 10A sind begrenzt durch gestrichelte Linien dargestellt umfassend: eine 94%ige operative Effizienzzone 506; eine 85%ige operative Effizienzzone 508; eine 75%ige operative Effizienzzone 510; ein 65%ige operative Effizienzzone 512; eine 60%ige operative Effizienzzone 514; eine 50%ige Effizienzzone 516; eine 30%ige Effizienzzone 518; und eine etwa 10%ige Effizienzzone 520.
  • 12 ist ein Diagramm 700 der Drehzahl in U/min der Rotoranordnung 14A auf der am weitesten links vertikalen Achse 702, ein Phase-A-Strom pro Basisstrom (pu) in den Wicklungen 34 der Statoranordnung 12A auf der anderen linken vertikalen Achse 704, Leistung der Elektromaschine 10 pro Basisleistung (pu) auf der rechten vertikalen Achse 706 und die Zeit in Sekunden auf der horizontalen Achse 708 während eines dreiphasigen Kurzschlussereignisses. Das Kurzschlussereignis tritt durch Verbinden der Phasen der Wicklungen 34 ein, während sich die Rotoranordnung 14A bei hohen Drehzahlen, wie etwa größer als 4000 U/min, frei dreht (d. h. ohne Drehmoment auf der Motorwelle 29). Die resultierende Drehzahl der Rotoranordnung 14A ist in Kurve 710 dargestellt. Der Phasenstrom der Phase A ist in Kurve 712 dargestellt. Die Verlustleistung in der Elektromaschine 10A wird von Kurve 714 dargestellt. In der exemplarischen Ausführungsform, die in 12 veranschaulicht ist, ist der tatsächliche Kurzschlussstrom nicht kleiner als ein vorgegebener Wert, beispielsweise, 0,6 multipliziert mit dem Nennstrom der Elektromaschine 10 und nicht mehr als ein vorbestimmter Wert, beispielsweise 0,9 multipliziert mit dem Nennstrom der Elektromaschine 10. In der Ausführungsform, welche die Leistungsfähigkeit im Kurzschlussfall bereitstellt (gezeigt in 12), ist der Nennstrom 330 beispielsweise Wurzel des quadratischen Ampere-Werts (Arme) und der maximale Kurzschlussstrom beträgt 268 Arme.
  • Während die besten Arten zur Durchführung der vielen Aspekte der vorliegenden Offenbarung im Detail geschildert wurden, werden diejenigen, die mit diesen Lehren vertraut sind, realisieren, dass es verschiedene alternative Aspekte für die praktische Umsetzung der hierin angeführten Lehren gibt, die innerhalb des Bereichs der beigefügten Ansprüche liegen.

Claims (10)

  1. Elektromaschine für ein Doppelspannungsnetzes mit einem ersten Energiespeichersystem (HV-ESS) mit einer ersten Nennspannung und einem zweiten Energiespeichersystem (LV-ESS) mit einer zweiten Nennspannung, die Elektromaschine, umfassend: eine Rotoranordnung mit einem Rotorkern, der konfiguriert ist, Dauermagnete um den Rotorkern beabstandet zu tragen zum Definieren einer Anzahl von Rotorpolen; worin der Rotorkern mehrere Rotornuten als mindestens eine Sperrschicht an jedem der Rotorpole aufweist; worin die mindestens eine Sperrschicht zwischen einem Innenumfang des Rotorkerns und einen Außenumfang des Rotorkerns angeordnet ist; Dauermagnete in der mindestens einen Sperrschicht angeordnet sind; eine Statoranordnung, welche die Rotoranordnung umgibt; worin die Elektromaschine konfiguriert ist, um operativ mit der HV-ESS verbunden zu werden, um als mindestens eine Komponente – Motors und Generator – zu arbeiten; und worin die Rotoranordnung, die Statoranordnung und die Magneten mit Parametern konfiguriert sind, die ausgewählt wurden, um mindestens eine vorgegebene Effizienz bei Nennleistung, eine vorgegebene Leistungsdichte, eine vorgegebene Drehmoment-Leistungsdichte, eine vorgegebener Spitzenleistungsbereich oder eine vorgegebene maximale Motordrehzahl der Elektromaschine bereitzustellen.
  2. Elektromaschine nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: ein Motorsteuerungs-Wechselrichtermodul (MPIM), das operativ mit der Statoranordnung verbunden ist.
  3. Elektromaschine nach Anspruch 2, in Kombination mit: einem Motor mit einer Kurbelwelle, operativ mit der Elektromaschine verbunden; dem Zweispannungsnetzsystem einschließlich: dem HV-ESS, das operativ mit der Statoranordnung und mit einer elektrischen relativen Hochvolt-Last verbunden ist; dem LV-ESS, das operativ mit einer elektrischen relativen Niedrigvolt-Last verbunden ist; einem DC-DC-Wandler, der operativ sowohl mit dem HVV-ESS und dem LV-ESS verbunden ist; worin das MPIM so konfiguriert ist, dass es die Elektromaschine steuert, um so einen Fahrbetriebsmodus zu erreichen, in dem die Elektromaschine zusätzliches Drehmoment an der Kurbelwelle unter Verwendung von im HV-ESS gespeichertem elektrischen Strom hinzufügt; worin das MPIM konfiguriert ist zur Steuerung der Elektromaschine zur Stromversorgung der relativen Hochvolt-Last durch das HV-ESS und zur Stromversorgung der relativen Niedervolt-Last durch den DC-DC-Wandler und das LV-ESS.
  4. Elektromaschine nach Anspruch 1, worin die mindestens eine Sperrschicht eine erste Sperrschicht mit zwei benachbarten und unterbrochenen Segmenten beinhaltet, die durch eine Brücke des Rotorkerns getrennt voneinander beabstandet und in einer V-Formation angeordnet sind.
  5. Elektromaschine nach Anspruch 4, worin die mindestens eine Sperrschicht Folgendes beinhaltet: eine zweite Sperrschicht zwischen der ersten Sperrschicht und einem Außenumfang des Rotorkerns.
  6. Elektromaschine nach Anspruch 5, worin die zweite Sperrschicht eine einzige Nut ist.
  7. Elektromaschine nach Anspruch 5, worin die zweite Sperrschicht zwei benachbarte und diskontinuierliche Segmente beabstandet zueinander und in einer V-Formation beinhaltet.
  8. Elektromaschine nach Anspruch 1, worin die Statoranordnung eine Anzahl von Statornuten aufweist, die peripher um die Statoranordnung beabstandet sind und die so konfiguriert sind, dass sie Statorwicklungen tragen; worin die Anzahl der Rotorpole 8 und die Anzahl der Dauermagnete 60 ist.
  9. Elektromaschine nach Anspruch 1, worin die Statoranordnung eine Anzahl an Statornuten aufweist, die umfänglich um die Statoranordnung beabstandet und so konfiguriert ist, dass sie Statorwicklungen trägt; worin die Anzahl der Rotorpole 8 und die Anzahl der Dauermagnet 60 ist.
  10. Elektromaschine nach Anspruch 1, worin die Statoranordnung mehrere axial gestapelte Statorlamellen aufweist; und worin ein Verhältnis eines Außendurchmessers der Statorlamellen zu einer axialen Länge der Statorlamellen nicht weniger als 2,0 und nicht größer als 3,5 ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102019109714A1 (de) * 2019-04-12 2020-10-15 Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft Rotor einer elektrischen Maschine
DE102020115286A1 (de) 2020-06-09 2021-12-09 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Elektromotor mit Aufnahmetaschen zur Aufnahme von Magneten

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