DE112022001607T5 - Rotierende elektrische Maschine - Google Patents

Abstract

Rotierende elektrische Maschine (7), die Folgendes aufweist: - einen Stator (10) mit einer mehrphasigen elektrischen Wicklung und - einen Rotor (12), der um eine Achse (X) drehbar ist, wobei die Maschine (7) so ausgelegt ist, dass das Produkt aus dem Außendurchmesser (D) und der axialen Abmessung (L) des Rahmens (15) des Stators (10) in mm2der folgenden Beziehung entspricht: (Formel AA), wobei RSden Widerstand einer Phase der elektrischen Statorwicklung bezeichnet, Is den maximalen Effektivwert des Phasenstroms bezeichnet und N die Anzahl der Phasen der elektrischen Statorwicklung bezeichnet.(5000+N×(RS×IS2−900))×2,1252≤D×L                      ≤(6000+N×(RS×IS2−900))×2,1252

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine rotierende elektrische Maschine für ein Fahrzeug.
• Bei der elektrischen Maschine handelt es sich z.B. um einen Startergenerator oder einen Elektromotor, der mit einer Nennspannung von 12 V oder 48 V oder sogar mehr gespeist wird.
• Diese elektrische Maschine kann in einem Fahrzeug mit Hybridantrieb oder einem rein elektrischen Antrieb, z.B. in einem Kraftfahrzeug eingebaut sein.
• Die Verluste einer elektrischen Maschine sind die Summe aus den Jouleschen Verlusten und den Eisenverlusten.
• Es besteht der Bedarf, die elektrische Maschine so auszulegen, dass diese Verluste so weit wie möglich begrenzt werden.
• Das Ziel der Erfindung besteht darin, auf diesen Bedarf zu reagieren, wobei sie dies gemäß einem ihrer Aspekte unter Verwendung einer rotierenden elektrischen Maschine erreicht, die Folgendes aufweist:
• - einen Stator mit einer mehrphasigen elektrischen Wicklung und
• - einen Rotor, der um eine Achse drehbar ist,
wobei die Maschine so eingerichtet ist, dass das Produkt aus dem Außendurchmesser (D) und der axialen Abmessung (L) des Rahmens des Stators in mm² der folgenden Beziehung entspricht: $$\begin{array}{l}\left(5000+N\times \left(R_S\times I_S^2-900\right)\right)\times \mathrm{2,1252}\le D\times L\le (6000+N\times (R_S\times I_S^2-\\ 900))\times \mathrm{2,1252}\end{array}$$

wobei Rs den Widerstand einer Phase der elektrischen Statorwicklung bezeichnet und in Ω ausgedrückt wird,
I_s den maximalen Effektivwert des Phasenstroms bezeichnet und in A ausgedrückt wird und
N die Anzahl der Phasen der elektrischen Statorwicklung bezeichnet.
• Die Abführung der Verluste der Maschine können als proportional zur Wärmeaustauschfläche der Maschine betrachtet werden, wobei diese Wärmeaustauschfläche abhängig ist von dem Produkt aus dem Außendurchmesser des Statorrahmens der Maschine und der axialen Abmessung dieses Statorrahmens. Die Erfindung besteht somit darin, dieses Produkt so zu gestalten, dass die Verluste der Maschine begrenzt werden.
• Im Sinne der vorliegenden Anmeldung:
• - bedeutet „axial“ „parallel zur Drehachse der Welle“,
• - bedeutet „radial“ „in einer zur Drehachse der Welle senkrechten Ebene und längs einer Geraden, die diese Drehachse schneidet“,
• - bedeutet „umfangsmäßig“ „in einer zur Drehachse der Welle senkrechten Ebene und bei einer Bewegung um diese Achse“ und
• - bezeichnet die „Nennleistung“ die an der Rotorwelle verfügbare mechanische Spitzenleistung.
• Die rotierende elektrische Maschine kann eine Nennversorgungsspannung von 48 V haben.
• Bei all dem Vorhergehenden kann der Rotor eine beliebige Anzahl an Polpaaren aufweisen, z.B. vier, sechs oder acht Polpaare.
• Die rotierende elektrische Maschine kann eine Nennleistung haben, die größer oder gleich 4 kW, 8 kW, 15 kW, 25 kW oder mehr ist.
• Bei der elektrischen Maschine kann es sich um eine Synchronmaschine handeln. Der Rotor kann mehrere Permanentmagnete umfassen und keine elektrische Erregerwicklung aufweisen. Der Rotor kann aus einem Blechstapel bestehen, in dem die Permanentmagnete angeordnet sind.
• Bei all dem Vorhergehenden kann die mehrphasige elektrische Statorwicklung aus Drähten oder miteinander verbundenen leitenden Stäben bestehen. Jede Nut des Statorrahmens kann mehrere Leiter, z.B. 2, 4 oder 6 Leiter aufnehmen.
• Bei all dem Vorhergehenden kann die elektrische Maschine einen Kreislauf zum Kühlen des Stators aufweisen, in dem ein Fluid wie etwa Luft oder Flüssigkeit zirkuliert. Bei dieser Flüssigkeit kann es sich um Wasser oder Öl handeln.
• Der Rotor kann von diesem Kühlkreislauf oder von einem anderen Kühlkreislauf, in dem Luft oder eine Flüssigkeit wie etwa Wasser oder Öl zirkuliert, gekühlt werden.
• Unter Berücksichtigung der Abmessungen einer bekannten elektrischen Maschine, bei der der Außendurchmesser des Statorrahmens und die axiale Abmessung dieses Rahmens hinsichtlich der oben genannten Eisenverluste optimiert sind, ist es mit der Erfindung möglich, einen Wertebereich für den Außendurchmesser und die axiale Abmessung des Rahmens des Stators einer elektrischen Zielmaschine mit einer anderen Nennleistung zu erhalten, so dass die Eisenverluste dieser elektrischen Maschine mit einer anderen Nennleistung auch optimiert sind. Unter Berücksichtigung der Abmessungen einer bekannten elektrischen Maschine, bei der der Außendurchmesser des Statorrahmens und die axiale Abmessung dieses Rahmens hinsichtlich der oben genannten Eisenverluste optimiert sind, kann es die Erfindung in einer Variante ermöglichen, einen Bereich mit anderen Werten für den Außendurchmesser und die axiale Abmessung des Rahmens des Stators einer elektrischen Zielmaschine mit der gleichen Nennleistung zu erhalten, so dass die Eisenverluste dieser elektrischen Maschine mit der gleichen Nennleistung auch optimiert sind.
• In Anbetracht der Tatsache, dass die bekannte rotierende elektrische Maschine, die nachfolgend mit dem Index „1“ bezeichnet wird, die gleichen optimierten Eisenverluste hat wie die auszulegende rotierende elektrische Zielmaschine, die nachfolgend mit dem Index „2“ bezeichnet wird, wobei diese Maschinen beispielsweise jeweils eine elektrische Statorwicklung aufweisen, die ein duales Dreiphasensystem definiert, werden folgende Gleichungen erhalten: $$P_2=P_1\times \frac{D_2\times L_2}{D_1\times L_1}$$

  
• Unter Berücksichtigung der Eisenverluste P_f für diese Zielmaschine wird Folgendes erhalten: $$P_2=P_{ƒ}+6\times R_{S2}\times I_{S2}^2$$

  
• Da bekannt ist, dass die Verluste P₁ der bekannten Maschine zwischen 5000 W und 6000 W betragen, werden folgende Gleichungen erhalten: $$P_1=P_{ƒ}+6\times R_{S1}\times I_{S1}^2=5000$$

  

  $$P_1=P_{ƒ}+6\times R_{S1}\times I_{S1}^2=6000$$

  
• Daraus werden folgende Gleichungen abgeleitet: $$P_{ƒ}=5000-6\times R_{S1}\times I_{S1}^2$$

  

  $$P_{ƒ}=6000-6\times R_{S1}\times I_{S1}^2$$

  
• Durch Kombination von [Math 2] und [Math 3] wird außerdem Folgendes erhalten: $$\frac{P_2}{P_1}=\frac{D_2\times L_2}{D_1\times L_1}=\frac{P_{ƒ}+6\times R_{S2}\times I_{S2}^2}{P_1}$$

  
• Durch Kombination von [Math 8] und [Math 6] und von [Math 8] und [Math 7] wird Folgendes erhalten: $$D_2\times L_2=\frac{5000-6\times R_{S1}\times I_{S1}^2+6\times R_{S2}\times I_{S2}^2}{5000}\times D1\times L1$$

  

  $$D_2\times L_2=\frac{6000-6\times R_{S1}\times I_{S1}^2+6\times R_{S2}\times I_{S2}^2}{5000}\times D_1\times L_1$$

  
• Für [Math 10] wird als Verlustwert im Nenner 5000 W statt 6000 W verwendet.
• Die Grenzen gemäß den Gleichungen [Math 9] und [Math 10] werden somit für die Werte des Produkts aus D₂ und L₂ der auszulegenden Zielmaschine ausgehend von dem Produkt aus D₁ und L₁ der bekannten Maschine erhalten.
• Werden für die Werte von D₁, L₁, R_S1 und I_S1 beispielsweise die nachfolgenden Werte: 161 mm, 66 mm, 8,8 mΩ bzw. 320 Arms gewählt, werden für das Produkt aus D₂ und L₂ in mm² folgende Grenzen erhalten: $$\begin{array}{l}\left(5000+N\times \left(R_{S2}\times I_{S2}^2-900\right)\right)\times \mathrm{2,1252}\le D_2\times L_2\\ \le \left(6000+N\times \left(R_{S2}\times I_{S2}^2-900\right)\right)\times \mathrm{2,1252}\end{array}$$

  
• Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die oben genannte Werteauswahl für D₁ und L₁ begrenzt, da die Wahl von 5000 W und 6000 W als Leistungswerte einen großen Wertebereich für die Abmessungen L₁, D₁, R_S1 und I_S1 darstellt.
• Gemäß einem weiteren ihrer Aspekte ist der Gegenstand der Erfindung ferner eine Antriebsbaugruppe eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, die Folgendes aufweist:
• - eine wie oben definierte rotierende elektrische Maschine und
• - einen Wechselrichter/Gleichrichter, der mit der elektrischen Wicklung des Stators elektrisch verbunden ist und mit dem Bordnetz des Fahrzeugs verbunden werden kann.
• Das Bordnetz des Fahrzeugs umfasst z.B. zwei Teilnetze, zwischen denen ein Schaltsystem angeordnet ist, das einen DC-DC-Spannungswandler definiert.
• Der Wechselrichter/Gleichrichter oder der DC-DC-Spannungswandler kann steuerbare elektronische Schalter, wie etwa Galliumnitrid- (GaN), Siliziumkarbid-(SiC) oder Siliziumtransistoren einsetzen.
• Das erste elektrische Teilnetz, bei dem es sich um dasjenige handelt, das mit dem Wechselrichter/Gleichrichter verbunden werden kann, hat z.B. eine Nennspannung von 48 V oder eine Nennspannung von mehr als 300 V, und das zweite elektrische Teilnetz hat beispielsweise eine Nennspannung von 12 V.
• Das erste Teilnetz kann eine Batterie und eine Speichereinheit für elektrische Energie umfassen, die durch einen oder mehrere Kondensatoren gebildet und parallel zum DC-Ausgang des Wechselrichters/Gleichrichters angeordnet ist. Die Kapazität dieser Speichereinheit für elektrische Energie beträgt insbesondere zwischen 2000 µF und 4000 µF und liegt beispielsweise in der Größenordnung von 3000 µF.
• Der Wert des Phasenwiderstands der elektrischen Statorwicklung und der Wert des Widerstands des Wechselrichters/Gleichrichters können so gewählt werden, dass sie folgender Beziehung entsprechen: $$R_S+R_{ond}\le \frac{\mathrm{0,175}}{N}\times \frac{P_{mecmax}}{I_S^2}$$

  

  wobei P_{mec max} die Nennleistung der rotierenden elektrischen Maschine bezeichnet.
• Diese Beziehung wird in der Anmeldung WO 2020/025611 der Anmelderin erläutert.
• Gegenstand der Erfindung ist ferner gemäß einem weiteren ihrer Aspekte ein Antriebsstrang für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug, der Folgendes umfasst:
• - die oben definierte Baugruppe und
• - ein Getriebe mit Ritzeln, die Gänge definieren, und
• - eine Vorderachse und eine Hinterachse,
wobei die Welle der rotierenden elektrischen Maschine drehfest verbunden ist:
• - mit einer Eingangswelle des Getriebes oder
• - mit der Ausgangswelle des Getriebes oder
• - mit Losrädern des Getriebes oder
• - mit der Vorderachse oder Hinterachse.
• Als Variante kann die Welle der elektrischen Maschine mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs drehfest verbunden sein, wenn der Antriebsstrang einen derartigen Verbrennungsmotor aufweist. In diesem Fall kann die rotierende elektrische Maschine eine Riemenscheibe oder ein anderes Mittel zur Verbindung mit dem übrigen Antriebsstrang des Fahrzeugs aufweisen. Die elektrische Maschine ist beispielsweise insbesondere über einen Riemen mit der Kurbelwelle des Fahrzeugverbrennungsmotors verbunden.
• Der Antriebsstrang kann eine trockenlaufende oder nasslaufende Doppelkupplung aufweisen, wobei jede der Ausgangswellen der Doppelkupplung dann eine Eingangswelle für das Getriebe bildet.
• Gegenstand der Erfindung ist gemäß einem weiteren ihrer Aspekte auch ein Verfahren zur Herstellung einer rotierenden elektrischen Maschine, die Folgendes aufweist:
• - einen Stator mit einer mehrphasigen elektrischen Wicklung und
• - einen Rotor, der um eine Achse drehbar ist,
wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
• - Bestimmen des Werts des Außendurchmessers (D) und der axialen Abmessung (L) des Statorrahmens, so dass das Produkt der Werte in mm² der folgenden Beziehung entspricht:
$$\begin{array}{l}\left(5000+N\times \left(R_S\times I_S^2-900\right)\right)\times \mathrm{2,1252}\le D\times L\le (6000+N\times (R_S\times I_S^2-\\ 900))\times \mathrm{2,1252}\end{array}$$

und
• - Herstellen der Maschine mit einem Statorrahmen, dessen Außendurchmesser und axiale Abmessung auf diese Weise bestimmte Werte haben.
• Das Vorhergehende gilt ganz oder teilweise auch für diesen weiteren Aspekt der Erfindung.
• Gemäß einem weiteren ihrer Aspekte ist der Gegenstand der Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung einer rotierenden elektrischen Zielmaschine, die einen Stator mit einer mehrphasigen elektrischen Wicklung und einen um eine Achse drehbaren Rotor aufweist,
  wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
• - Vorliegen, für eine Referenzmaschine, des Werts des Außendurchmessers (D₁) und des Werts der axialen Abmessung (L₁) des Rahmens des Stators dieser Referenzmaschine,
• - Bestimmen des Werts des Außendurchmessers (D₂) und der axialen Abmessung (L₂) des Rahmens des Stators der Zielmaschine, so dass das Produkt der Werte in mm² der folgenden Beziehung entspricht:
$$\begin{array}{l}\left(5000+N\times \left(R_{S2}\times I_{S2}^2-900\right)\right)\times \mathrm{2,1252}\le D_2\times L_2\le (6000+N\times \\ \left(R_{S2}\times I_{S2}^2-900\right))\times \mathrm{2,1252}\end{array}$$

und
• - Herstellen der Zielmaschine mit einem Statorrahmen, dessen Außendurchmesser und axiale Abmessung auf diese Weise bestimmte Werte haben.
• Die Erfindung ermöglicht es somit, in Kenntnis einer hinsichtlich der Eisenverluste optimierten elektrischen Maschine, über eine Konstruktionsvorschrift für die Auslegung einer elektrischen Maschine mit einer anderen oder mit der gleichen Nennleistung, die hinsichtlich der Eisenverluste auch optimiert ist, zu verfügen.
• Die Erfindung wird beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung nicht einschränkender Ausführungsbeispiele und bei Betrachtung der beigefügten Zeichnung besser verstanden. Darin zeigen:
• - [1] schematisch einen Teil eines Antriebsstrangs, bei dem ein Ausführungsbeispiel der Erfindung angewendet werden kann,
• - [2] schematisch ein Beispiel für eine rotierende elektrische Maschine des Systems aus 1, die in Öl getaucht ist,
• - [3] getrennt ein Beispiel für den Rotor der rotierenden elektrischen Maschine aus 2 und
• - [4] schematisch den Stromkreis der rotierenden elektrischen Maschine des Antriebsstrangs aus den 1 und 2.
• 1 zeigt einen Antriebsstrang 1, bei dem die Erfindung Anwendung finden kann. Der Antriebsstrang 1 umfasst hier eine Doppelkupplung 6, die eine trockenlaufende oder nasslaufende Kupplung mit Scheiben oder Lamellen sein kann.
• Diese Doppelkupplung weist zwei Ausgangswellen 2 und 3 auf, die hier konzentrisch verlaufen. Jede dieser Wellen definiert eine Eingangswelle eines Getriebes 4. Das Getriebe 4 weist innerhalb eines mit Öl gefüllten Gehäuses mehrere Ritzel auf, die mehrere Gänge R1-Rn definieren. Die Welle 2 ist hier ungeraden Gängen und die Welle 3 geraden Gängen zugeordnet.
• Das Ausgangsdrehmoment des Getriebes 4 wird auf die Fahrzeugräder übertragen, um das Antreiben dieses Fahrzeugs zu gewährleisten.
• Der Antriebsstrang 1 ist ein hybrider oder elektrischer Antriebsstrang und weist eine rotierende elektrische Maschine 7 auf. Diese rotierende Maschine 7 liegt innerhalb des Gehäuses des Getriebes 4. Bei dem betrachteten Beispiel kann die Welle der rotierenden Maschine 7 durch Eingriff mit einem Ritzel 8 zusammenwirken, das mit der Eingangswelle 2 des Getriebes fest verbunden ist, die den ungeraden Gängen zugeordnet ist, wobei auch andere Positionen für die rotierende elektrische Maschine 7 möglich sind, in denen sie z.B. mit einem Ritzel in Eingriff ist, das mit der Eingangswelle 3 des Getriebes fest verbunden ist, die den geraden Gängen zugeordnet ist. Darüber hinaus sind Anordnungen außerhalb des Gehäuses des Getriebes 4 möglich.
• Diese rotierende elektrische Maschine 7 kann eine elektrische Antriebsquelle für das Fahrzeug bilden. Die rotierende elektrische Maschine 7 weist ein Gehäuse auf, das in 2 nicht gezeigt ist. Innerhalb dieses Gehäuses weist sie auch eine Welle 13, einen Rotor 12, der mit der Welle 13 drehfest verbunden ist, und einen Stator 10 auf, der den Rotor 12 umgibt. Die Drehbewegung des Rotors 12 erfolgt um eine Achse X.
• Auch wenn dies nicht gezeigt ist, kann das Gehäuse ein vorderes Lager und ein hinteres Lager aufweisen, die zusammengefügt sind und jeweils eine hohle Form haben können und mittig ein entsprechendes Kugellager für die drehbare Aufnahme der Welle 13 halten.
• Bei diesem Ausführungsbeispiel weist der Stator 10 einen Rahmen 15 in Form eines Blechstapels auf, der mit Nuten, z.B. der halbgeschlossenen oder offenen Art, versehen ist, die mit Nutisolierung zur Anbringung der mehrphasigen elektrischen Wicklung des Stators versehen sind. Jede Phase weist eine Wicklung auf, die durch die Nuten des Rahmens 15 verläuft und mit allen anderen Phasen auf der einen und anderen Seite des Statorrahmens 15 einen vorderen Wicklungskopf 16 und einen hinteren Wicklungskopf 17 bildet. Die Wicklungen werden beispielsweise ausgehend von einem Endlosdraht gebildet, der mit Email überzogen ist, oder von leitenden Elementen in Form eines Stabs, wie etwa miteinander verbundenen Stiften. Jede Nut kann mehrere Leiter, z.B. 2, 4 oder 6 Leiter aufnehmen.
• Die elektrische Wicklung des Stators definiert hier ein duales Dreiphasensystem, wobei nur eines dieser Systeme in 4 gezeigt ist und jedes dieser Dreiphasensysteme eine Stern- oder Dreieckschaltung nutzt, deren Enden mit einem Wechselrichter/Gleichrichter 20 verbunden sind. In einer Variante kann die elektrische Statorwicklung ein einzelnes Dreiphasensystem definieren.
• Der Rotor 12 aus 2 wird durch einen Blechstapel gebildet, wie in 3 gezeigt ist. Die Anzahl an Polpaaren, die von dem Rotor 12 definiert werden, kann beliebig sein und z.B. zwischen drei und acht, z.B. sechs oder acht betragen.
• In 2 lässt sich auch festzustellen, dass die Welle 13 hohl ist, wobei sie von Öl durchströmt wird. Bei dem betrachteten Beispiel kann durch in der Welle 13 ausgebildete Öffnungen, die in 2 gezeigt sind, Öl radial in die Maschine gespritzt werden, so dass der Rotor und der Stator in Öl getaucht sind.
• Die Maschine weist auch Sensoren zur Messung der Rotorposition auf, die in 2 nicht gezeigt sind. Bei diesen Sensoren handelt es sich z.B. um drei Hall-Sensoren, die mit einem magnetischen Target zusammenwirken, das drehfest mit dem Rotor verbunden ist, wobei auch andere Sensoren möglich sind, wie etwa Resolver oder induktive Sensoren.
• Die elektrische Wicklung des Stators der rotierenden elektrischen Maschine 7 gehört zu einem Stromkreis, der den Wechselrichter/Gleichrichter 20 aufweist. Dieser Wechselrichter/Gleichrichter 20 ist zwischen der elektrischen Statorwicklung und einem ersten Teilnetz des Bordnetzes des Fahrzeugs, dessen Nennspannung bei dem beschriebenen Beispiel 48 V beträgt, angeordnet. Der Wechselrichter/Gleichrichter 20 umfasst z.B. mehrere Schaltarme, wobei jeder Arm zwei in Reihe geschaltete Transistoren aufweist, die durch einen Mittelpunkt getrennt sind. Bei jedem Transistor handelt es sich beispielsweise um einen Transistor aus Galliumnitrid (GaN), Siliziumkarbid (SiC) oder Silizium.
• Bei dem beschriebenen Beispiel weist das erste Teilnetz des Bordnetzes auch eine Batterie 21 auf, die über einen Trennschalter 22 mit dem Rest dieses ersten Teilnetzes verbunden ist. Das erste Teilnetz kann außerdem einen oder mehrere Verbraucher 23 aufweisen oder nicht, unter anderem z.B. einen elektrischen Lader.
• Bei dem beschriebenen Beispiel ist eine Speichereinheit 25 für elektrische Energie an den Anschlüssen des DC-Eingangs 24 des Wechselrichters/Gleichrichters 20 angeordnet, die z.B. durch einen Kondensator oder eine Baugruppe aus mehreren Kondensatoren gebildet ist. Diese Speichereinheit 25 für elektrische Energie hat beispielsweise eine Kapazität zwischen 3000 µF und 4000 µF.
• Bei dem betrachteten Beispiel weist der Stromkreis auch einen DC-DC-Spannungswandler 27 auf, der zwischen dem ersten Teilnetz und einem zweiten Teilnetz des Bordnetzes angeordnet ist. Ähnlich wie der Wechselrichter/Gleichrichter 20 weist der DC-DC-Spannungswandler z.B. Transistoren auf, die vom gleichen Typ wie die oben genannten sein können. Das zweite Teilnetz des Bordnetzes hat beispielsweise eine Nennspannung von 12 V.
• Dieses zweite Teilnetz kann in bekannter Weise eine Batterie 30 und (nicht gezeigte) Verbraucher umfassen, die aus der folgenden, nicht einschränkenden Liste ausgewählt sein können: Beleuchtungssystem, elektrisches Servolenkungssystem, Bremssystem, Klimaanlage oder Autoradiosystem.
• Bei dem betrachteten Beispiel weist der Stromkreis ferner eine Steuereinheit 32 auf, die der Zentralrechner des Fahrzeugs sein kann oder dem gesamten oder einem Teil des Antriebsstrangs 1 zugeordnet sein kann. Diese Steuereinheit 32 kommuniziert über ein Datennetz 33, das z.B. ein CAN-Datennetz ist, mit verschiedenen Komponenten des Stromkreises, wie in 4 zu sehen ist.
• Da der Wert des Außendurchmessers D₁ und der Wert der axialen Abmessung L₁ des Rahmens 15 des Stators einer elektrischen Referenzmaschine, wie in 2 gezeigt, bekannt sind, besteht die vorliegende Erfindung darin, für eine rotierende, elektrische Zielmaschine mit einem Aufbau, der dem aus 2 ähnlich ist, und beispielsweise mit einer anderen Nennspannung, den Wert für den Außendurchmesser D₂ und den Wert für die axiale Abmessung L₂ des Statorrahmens 15 so zu bestimmen, dass eine gegebene Beziehung zwischen L₁, D₁, L₂ und D₂ vorliegt, so dass die Verluste der Zielmaschine abgeleitet werden.
• Wie oben bereits erwähnt, stellt die untenstehende Gleichung eine Verbindung zwischen den Werten von D₁ und L₁ und den Werten von D₂ und L₂ her, wenn die Verluste der elektrischen Referenzmaschine 5000 W betragen. $$D_2\times L_2=\frac{(5000-6\times R_{S1}\times I_{S1}^2+6\times R_{S2}\times I_{S2}^2}{5000}\times D_1\times L_1$$

  
• Bei dem betrachteten Beispiel hat die Referenzmaschine eine Nennleistung von 25 kW, und die gewünschte Nennleistung der rotierenden elektrischen Zielmaschine beträgt 35 kW.
• Mit den folgenden Angaben: D₁ = 161 mm, L₁ = 66 mm, R_S1 = 8,8 mΩ und I_S1 = 320 Arms ergibt sich folgende Gleichung: $$D_2\times L_2=\left(5000+N\times \left(R_{S2}\times I_{S2}^2-900\right)\right)\times \mathrm{2,1252}$$

  
• Unter der Annahme, dass der maximale Effektivwert des Phasenstroms I_S2 bei der rotierenden, elektrischen Zielmaschine 400 Arms beträgt und der Widerstand R_ond des Wechselrichters/Gleichrichters 20 gleich 1,5 mΩ ist, ergibt sich mit der folgenden Gleichung: $$R_2+R_{ond}=\frac{\mathrm{0,175}}{6}\times \frac{P_{mecmax}}{I_{S2}^2}$$

  

  ein Wert von 6,4 mΩ für den Phasenwiderstand R_S2 der elektrischen Wicklung des Stators der rotierenden elektrischen Zielmaschine.
• Aus der vorhergehenden Gleichung für das Produkt aus D₂ und L₂ ergibt sich dann: $$D_2\times L_2=\mathrm{1,148}\times D_1\times L_1$$

  
• Mit den obigen Werten für D₁ und L₁ ergibt sich somit $$D_2\times L_2=\mathrm{0,0122}$$

  
• Weiterhin für diese rotierende elektrische Zielmaschine mit einer Nennleistung von 35 kW wird angenommen, dass der maximale Gleichstrom in der zugehörigen 48-V-Batterie 790 A beträgt. Um die gleichen Jouleschen Verluste wie bei der rotierenden elektrischen Referenzmaschine beizubehalten, bei der die Nennleistung 25 kW und der Widerstand der zugehörigen 48-V-Batterie 6 mΩ betragen, mit einem maximalen Strom von 550 A in dieser zugehörigen 48-V-Batterie, wird für die 48-V-Batterie, die dieser rotierenden elektrischen Zielmaschine 7 zugeordnet ist, ein Batteriewiderstand von 3 mΩ gewählt.
• Die Erfindung ist nicht auf das soeben beschriebene Beispiel beschränkt.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• WO 2020/025611 [0033]

Claims (10)

1. Rotierende elektrische Maschine (7), die Folgendes umfasst: - einen Stator (10) mit einer mehrphasigen elektrischen Wicklung und - einen Rotor (12), der um eine Achse (X) drehbar ist, wobei die Maschine (7) so eingerichtet ist, dass das Produkt aus dem Außendurchmesser (D) und der axialen Abmessung (L) des Rahmens (15) des Stators (10) in mm² der folgenden Beziehung entspricht: $$\begin{array}{l}\left(5000+N\times \left(R_S\times I_S^2-900\right)\right)\times \mathrm{2,1252}\le D\times L\\ \le \left(6000+N\times \left(R_S\times I_S^2-900\right)\right)\times \mathrm{2,1252}\end{array}$$

   

   wobei R_S den Widerstand einer Phase der elektrischen Statorwicklung bezeichnet und in Ω ausgedrückt wird, I_S den maximalen Effektivwert des Phasenstroms bezeichnet und in A ausgedrückt wird und N die Anzahl der Phasen der elektrischen Statorwicklung bezeichnet, wobei die rotierende elektrische Maschine (7) eine Nennleistung hat, die größer oder gleich 4 kW ist.
2. Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei der Rotor (12) mehrere Permanentmagnete umfasst und keine elektrische Erregerwicklung aufweist.
3. Antriebsbaugruppe für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, die Folgendes umfasst: - eine rotierende elektrische Maschine (7) nach Anspruch 1 oder 2 und - einen Wechselrichter/Gleichrichter (20), der mit der elektrischen Wicklung des Stators elektrisch verbunden ist und mit dem Bordnetz des Fahrzeugs verbunden werden kann.
4. Baugruppe nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Widerstand (R_S) einer Phase der elektrischen Statorwicklung und der Widerstand (R_ond) des Wechselrichters/Gleichrichters (20) der folgenden Beziehung entspricht: $$R_S+R_{ond}\le \frac{\mathrm{0,175}}{N}\times \frac{P_{mecmax}}{I_S^2}$$

   

   wobei P_{mec max} die Nennleistung der elektrischen Maschine bezeichnet.
5. Baugruppe nach Anspruch 4, wobei die elektrische Statorwicklung dreiphasig ist oder ein duales Dreiphasensystem definiert.
6. Baugruppe nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die rotierende elektrische Maschine (7) eine Nennversorgungsspannung von 48 V hat.
7. Antriebsstrang (1) für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug, der Folgendes umfasst: - die Baugruppe nach einem der Ansprüche 3 bis 6, - ein Getriebe (4) mit Ritzeln, die Gänge definieren, und - eine Vorderachse und eine Hinterachse, wobei die Welle der rotierenden elektrischen Maschine drehfest verbunden ist: - mit einer Eingangswelle des Getriebes oder - mit der Ausgangswelle des Getriebes oder - mit Losrädern des Getriebes oder - mit der Vorderachse oder Hinterachse.
8. Antriebsstrang (1) nach Anspruch 7, mit einer trockenlaufenden oder nasslaufenden Doppelkupplung (6), wobei die Ausganswellen der Doppelkupplung dann jeweils eine Eingangswelle für das Getriebe (4) bilden.
9. Verfahren zur Herstellung einer rotierenden elektrischen Maschine (7), die Folgendes umfasst: - einen Stator (10) mit einer mehrphasigen elektrischen Wicklung und - einen Rotor (12), der um eine Achse (X) drehbar ist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: - Bestimmen des Werts des Außendurchmessers (D) und der axialen Abmessung (L) des Rahmens (15) des Stators (10), so dass das Produkt der Werte in mm² der folgenden Beziehung entspricht: $$\begin{array}{l}\left(5000+N\times \left(R_S\times I_S^2-900\right)\right)\times \mathrm{2,1252}\le D\times L\le (6000+N\times (R_S\times I_S^2-\\ 900))\times \mathrm{2,1252}\end{array}$$

   

   - Herstellen der Maschine mit einem Rahmen (15) für den Stator (10), dessen Außendurchmesser (D) und axiale Abmessung (L) auf diese Weise bestimmte Werte haben, wobei die rotierende elektrische Maschine eine Nennleistung hat, die größer oder gleich 4 kW ist.
10. Verfahren zur Herstellung einer rotierenden elektrischen Zielmaschine (7), die einen Stator (10) mit einer mehrphasigen elektrischen Wicklung und einen um eine Achse (X) drehbaren Rotor (12) umfasst, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: - Vorliegen, für eine Referenzmaschine, des Werts des Außendurchmessers (D₁) und des Werts der axialen Abmessung (L₁) des Rahmens (15) des Stators (10) dieser Referenzmaschine, - Bestimmen des Werts des Außendurchmessers (D₂) und der axialen Abmessung (L₂) des Rahmens (15) des Stators (10) der Zielmaschine, so dass das Produkt der Werte in mm² der folgenden Beziehung entspricht: $$\begin{array}{l}\left(5000+N\times \left(R_{S2}\times I_{S2}^2-900\right)\right)\times \mathrm{2,1252}\le D_2\times L_2\le (6000+N\times \\ \left(R_{S2}\times I_{S2}^2-900)\right)\times \mathrm{2,1252}\end{array}$$

    

    und - Herstellen der Zielmaschine (7) mit einem Rahmen (15) für den Stator (10), dessen Außendurchmesser (D₂) und axiale Abmessung (L₂) auf diese Weise bestimmte Werte haben, wobei die Referenzmaschine und die Zielmaschine eine Nennleistung haben, die größer oder gleich 4 kW ist.

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