DE102018109285A1

DE102018109285A1 - Elektromotor mit kontinuierlich variablen magnetischen eigenschaften und verfahren zur steuerung derselben

Info

Publication number: DE102018109285A1
Application number: DE102018109285.7A
Authority: DE
Inventors: Alan G. Holmes; Paul F. Turnbull
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-04-20
Filing date: 2018-04-18
Publication date: 2018-10-25
Anticipated expiration: 2038-04-19
Also published as: US10476411B2; CN108736679A; CN108736679B; DE102018109285B4; US20180309394A1

Abstract

Ein Elektromotor erzeugt ein Motordrehmoment mit kontinuierlich variablen magnetischen und Reluktanzdrehmomentkomponenten. Der Elektromotor beinhaltet Stator- und Rotoranordnungen. Unterschiedliche Enden der Rotornabe weisen unterschiedliche mittlere Magnetfeldstärken auf, wobei die zweite Feldstärke an einem Ende schwächer als die andere ist. Die Rotornabe wird entlang der Rotorwelle verschoben, um die magnetischen und Reluktanzdrehmomentkomponenten bei verschiedenen Drehzahl- und Drehmomentbetriebspunkten des Elektromotors zu variieren. Ein Fahrzeug beinhaltet den Motor, ein Getriebe, eine Last und eine Steuerung, die ein Verfahren zum Steuern der axialen Position der Rotornabe ausführt. Das Verfahren kann das Ermitteln der Drehzahl und eines Drehmoments des Elektromotors, das Ermitteln einer entsprechenden gewünschten axialen Position einer Rotornabe und das Verschieben der Rotornabe in die axiale Sollposition umfassen.

Description

EINLEITUNG
Elektromotoren werden verwendet, um ein Drehmoment zu erzeugen und um eine große Anzahl an elektromechanischen Systemen anzutreiben. Solche Elektromotoren, wie beispielsweise elektrische Traktionsmotoren und Motor/Generatoreinheiten beinhalten eine Rotornabe und eine Welle, die konzentrisch in Bezug auf die Statoranordnung angeordnet sind. Die Wechselwirkung elektromagnetischer Felder der Rotornaben- und Statoranordnung wird eng in einer Weise gesteuert, die dazu führt, dass sich die Felder abwechselnd anziehen und abstoßen, was zu einer Drehung der Rotorwelle führt. Die Drehung der Rotorwelle kann zur Verwendung bei der Stromerzeugung, bei Antriebssystemen und anderen nützlichen Anwendungen genutzt werden.
In einem Elektromotor vom Typ Permanentmagnet sind Magneten aus seltenen Erden an den Lamellen der Rotornabe oberflächenmontiert oder in diese eingebettet. Die Statoranordnung beinhaltet einen Statorkern, der mehrere Statorschlitze definiert. Die Statornuten sind einzeln mit den die Statorwicklungen bildenden Drähten umwickelt, wobei jede der Statorwicklungen verschiedenen elektrischen Phasen in einer mehrphasigen Konfiguration entspricht. Wenn die Statorwicklungen sequenziell erregt werden, ist der Endeffekt die Erzeugung eines rotierenden elektromagnetischen Feldes. Das rotierende elektromagnetische Feld wirkt dann im Gegentakt zu dem Permanentmagnetfeld der Rotornabe, wobei die resultierenden Kräfte die Rotorwelle drehen.
KURZDARSTELLUNG
Ein Elektromotor vom Typ Permanentmagnet wird hierin offenbart. Aufgrund seiner Konstruktion weist der Elektromotor kontinuierlich veränderliche magnetische Reluktanzeigenschaften auf, die in Abhängigkeit von der momentanen Drehzahl und dem momentanen Drehmoment des Elektromotors ausgewählt werden. Im Vergleich zu Verbrennungsmotoren ist der Betrieb eines Elektromotors bei Betriebsbedingungen mit niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment energieeffizient, beispielsweise wenn das Motordrehmoment verwendet wird, um ein Fahrzeug aus einem Stillstand schnell zu beschleunigen. Wenn jedoch die Motordrehzahl ansteigt und das Motordrehmoment abnimmt, neigen die von dem Elektromotor bereitgestellten Effizienzvorteile dazu abzunehmen. Eine Lösung für dieses Phänomen kann in dem offenbarten Elektromotor gefunden werden, der sich speziell mit den vorstehend erwähnten Problemen bei der Leistung mit hoher Drehzahl/geringem Drehmoment befasst, ohne die strukturelle Integrität und die Verpackungsanforderungen des Elektromotors zu beeinträchtigen.
Der Elektromotor gemäß einer exemplarischen Ausführungsform beinhaltet separate Stator- und Rotoranordnungen, wobei die letztere eine zylindrische Rotornabe und eine verbundene Rotorwelle aufweist. Die Rotornabe, die die Rotorwelle umschreibt, kann mit der Rotorwelle kerbverzahnt oder anderweitig verbunden sein, um sowohl eine Verschiebung der Rotornabe entlang einer axialen Länge der Rotorwelle als auch eine gemeinsame Rotation von Rotornabe und Rotorwelle zu ermöglichen. Die selektive Verschiebung der Rotornabe tritt entlang einer axialen Länge der Rotorwelle auf, um die magnetischen Eigenschaften, d. h., relative magnetische und Reluktanzbeiträge zu dem Gesamtdrehmoment des Elektromotors, einschließlich von und zwischen kalibrierten Maximal- und Minimalebenen irgendwo kontinuierlich zu variieren.
Die hier beschriebene Rotornabe kann in einem kalibrierten Abstand von der Statoranordnung positioniert werden und mit kalibrierten, konstanten magnetischen Reluktanzeigenschaften konfiguriert sein. Die Rotornabe beinhaltet ein erstes und ein zweites Ende mit unterschiedlichen Magnetfeldstärken, d. h., einem schwachen Feldende und einem starken Feldende. Eine solche Feldstärkendisparität kann auf verschiedene Arten konstruiert werden, beispielsweise durch Variieren der Größe, Festigkeit, Art, Güte, Anzahl und/oder Anordnung eines Satzes von Permanentmagneten aus seltenen Erden entlang einer axialen Länge der Rotornabe. Alternativ kann die Rotornabe als eine mechanisch gleichförmige Struktur mit variablen Magnetisierungspegeln konstruiert werden, z. B. durch Magnetisieren des ersten und des zweiten Endes bei unterschiedlichen Pegeln der Magnetfeldstärke, ohne notwendigerweise unterschiedliche Permanentmagnete anzubringen oder einzubetten. Die Rotornabe kann entlang einer axialen Länge der Rotornabe konstante magnetische Reluktanzeigenschaften aufweisen. Die Rotornabe kann entlang einer axialen Länge der Rotornabe unterschiedliche magnetische Reluktanzeigenschaften aufweisen, beispielsweise ein erhöhtes Reluktanzverhältnis am schwachen Feldende der Rotornabe.
Die Position der Rotornabe entlang der axialen Länge der Rotorwelle kann automatisch und kontinuierlich während des Betriebs des Elektromotors irgendwo zwischen und einschließlich der ermittelten ersten und zweiten axialen Position auf der Rotorwelle variiert werden. Dies ermöglicht die kontinuierliche Veränderung eines magnetischen Drehmomentbeitrags zu dem gesamten Abgangsdrehmoment des Elektromotors und standardmäßig eine kontinuierliche Änderung eines magnetischen Drehmoments. Wenn sich beispielsweise die Rotornabe entlang der Rotorwelle in eine erste axiale Position verschiebt oder gleitet, kann das Motorabgangsdrehmoment aus einem Reluktanzdrehmoment von etwa 25 % bestehen, wobei die restlichen 75 % ein magnetisches Drehmoment sind. Der magnetische Drehmomentbeitrag zum Gesamtmotordrehmoment des Elektromotors kann auf ein niedrigeres Niveau, wie beispielsweise ein 50%-iges magnetisches Drehmoment, sinken, wobei der Reluktanzdrehmomentbeitrag in diesem speziellen Beispielgemisch auf 50 % ansteigt und wobei diese Änderung des relativen Drehmomentbeitrags auftritt, wenn die Rotornabe in eine zweite axiale Position entlang der Rotorwelle verschoben wird.
Bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können einen Aktuator beinhalten, der dazu konfiguriert ist, eine Betätigungskraft auf die Rotornabe mit einer Stärke aufzubringen, die zum Verschieben der Rotornabe entlang der Rotorwelle ausreicht. In anderen Ausführungsformen kann die Eigenbetätigung der Rotornabe über das gesteuerte Anlegen eines Magnetfluss-schwächenden elektrischen Stroms in die Phasenwicklungen der Statoranordnung realisiert werden, wobei die durch die Einleitung des Statorstroms hervorgerufenen Feldänderungen ggf. zur Anziehung oder Abstoßung der Rotornabe dienen. Eine Rückholfeder kann verwendet werden, um die passive Betätigung und axiale Rückbewegung der Rotornabe zu erleichtern.
Ein Beispielfahrzeug beinhaltet den vorstehend erwähnten Elektromotor sowie ein Getriebe, eine Steuerung und eine Last. Das Getriebe ist mit der Last verbunden, z. B. mit einem Satz von Laufrädern, einem Propeller oder einer Antriebsachse, und ist so konfiguriert, dass dieses in Reaktion auf ein Eingangsdrehmoment ein Abgangsdrehmoment an die Last liefert. Der Elektromotor ist betreibbar, um das Eingangsdrehmoment für das Getriebe zu erzeugen und kann, wie vorstehend dargelegt, aufgebaut sein. Die Steuerung ist programmiert oder anderweitig dazu konfiguriert, Eingangssignale, einschließlich einer gemessenen, berechneten oder geschätzten Drehzahl und eines Abgangsdrehmoments des Elektromotors, zu empfangen und eine Übersetzung der Rotornabe entlang der axialen Länge der Rotorwelle in Reaktion auf solche Eingangssignale zu steuern. Der Abstand der Verschiebung ist ausreichend, um die magnetische Drehmomentkomponente und somit die relativen magnetischen und Reluktanzdrehmomentbeiträge auf eine Weise zu variieren, die für die aktuelle Drehzahl und das Drehmoment des Elektromotors geeignet ist.
Hierin wird ebenfalls ein Verfahren zum Steuern des Elektromotors offenbart. Das Verfahren kann das Ermitteln einer Drehzahl und eines Abgangsdrehmoments des Elektromotors über eine Steuerung und einen oder mehrere Sensoren und ebenfalls das Ermitteln einer axialen Sollposition einer zylindrischen Rotornabe der Rotoranordnung unter Verwendung einer Nachschlagetabelle beinhalten. Die axiale Sollposition entspricht der empfangenen Motordrehzahl und dem Motordrehmoment. Das Verfahren beinhaltet ebenfalls das Verschieben der Rotornabe entlang der axialen Länge einer Rotorwelle der Rotoranordnung zu der ermittelten axialen Sollposition, sodass die relativen magnetischen und Reluktanzdrehmomentbeiträge in Echtzeit in Reaktion auf die ermittelte Drehzahl und das Drehmoment kontinuierlich variiert werden.
Die vorstehend genannten sowie andere Funktionen und Vorteile der vorliegenden Offenbarung sind aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der Ausführungsformen und bestmöglichen Weisen zur Umsetzung der Offenbarung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen leicht erkennbar.
Figurenliste

1 ist eine schematische Draufsicht eines exemplarischen Fahrzeugs mit einem Elektromotor vom Typ Permanentmagnet mit einer verschiebbaren Rotornabe, die kontinuierlich variable magnetische Eigenschaften bereitstellt.
2 ist eine schematische Darstellung der Seitenansicht der elektrischen Maschine von 1.
3 ist eine schematische seitliche Darstellung des Elektromotors von 2 gemäß einer alternativen Ausführungsform.
4 ist ein Flussdiagramm, das ein exemplarisches Verfahren zum Steuern einer axialen Position einer Rotornabe des in den 1 - 3 dargestellten Elektromotors beschreibt, um dadurch die magnetischen Eigenschaften des Elektromotors kontinuierlich zu variieren.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Bezugnehmend auf die Zeichnungen, worin gleiche Bezugszeichen auf gleiche Komponenten verweisen, ist ein exemplarisches Fahrzeug 10 mit einem elektrischen Antriebsstrang 12 in 1 dargestellt. Der elektrische Antriebsstrang 12 beinhaltet wiederum ein Hochspannungsbatteriepaket (B_HV) 14, das elektrisch mit einem Permanentmagnet-Elektromotor (M_E) 16 verbunden ist. Der Elektromotor 16 kann als ein Fahrmotor an Bord des Fahrzeugs 10 verwendet werden, um ein Motordrehmoment (Pfeil T_M) auf einem Niveau zu erzeugen, das zum Antreiben des Fahrzeugs 10 als ein elektrischer Generator und/oder zum Ausführen anderer nützlicher Arbeit an Bord des Fahrzeugs 10 ausreicht.
Vorteilhafte Anwendungen des Elektromotors 16 sind nicht auf mobile oder Fahrzeuganwendungen im Allgemeinen oder auf Kraftfahrzeugantriebsanwendungen insbesondere beschränkt. Ein durchschnittlicher Fachmann wird erkennen, dass die damit verbundenen Vorteile des offenbarten Elektromotors 16, wenn dieser wie nachstehend unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben konstruiert wird, auf stationäre und mobile Anwendungen erweitert werden können, die auf der Verwendung eines Motordrehmoments (Pfeil T_M) unter Betriebsbedingungen des Elektromotors 16 mit hoher Drehzahl/niedrigem Drehmoment beruhen. Der Elektromotor 16 kann gemäß der exemplarischen Ausführungsform von 2, oder passiv geregelt gemäß dem Ausführungsbeispiel von 3, aktiv gesteuert werden. Ein exemplarisches Steuerverfahren 100 kann entweder mit der aktiven oder passiven Ausführungsform, mit einem Beispiel des in 4 dargestellten Verfahrens 100, verwendet werden.
In Bezug auf das in 1 gezeigte Beispielfahrzeug 10 kann die Batterie 14 über eine externe Ladestation 11, zum Beispiel mittels einer dargestellten Gleichspannungs-Schnellladestation, geladen werden, wobei die Ladespannung möglicherweise direkt an das Batteriepaket 14 unter Verwendung einer angelegten Gleichspannung (VDC) über eine Ladekopplungsvorrichtung 20, über einen Gleichspannungsbus 22, über einen Spannungsregler 24 mit internen Halbleiter- und/oder mechanischen Schaltern S1 oder über ein verfügbares Wechselspannungsladesystem (nicht gezeigt) angelegt wird.
Wenn der Elektromotor 16, wie gezeigt, als eine mehrphasige Vorrichtung ausgeführt ist, kann der elektrische Antriebsstrang 12 ein Leistungswechselrichtermodul (PIM) 18 beinhalten, das elektrisch mit dem Batteriepaket 14 über den Gleichspannungsbus 22 verbunden ist. Interne Halbleiterschalter (nicht gezeigt) des PIM 18 werden automatisch über eine Pulsbreitenmodulation oder andere gewünschte Schalttechniken gesteuert, um eine Wechselspannungsausgabe zu erzeugen, die zum Erregen des Elektromotors 16 geeignet ist. Ein Wechselspannungsbus 40 wird verwendet, um den PIM 18 elektrisch mit den einzelnen Phasenwicklungen des Elektromotors 16 zu verbinden. Ein DC/DC-Spannungswandler/Hilfsleistungsmodul (APM) 19 kann verwendet werden, um einen Spannungspegel des Gleichspannungsbusses 22 auf einen niedrigeren Hilfspegel, z. B. 12 - 15 VDC, zu reduzieren, der wiederum in einem Hilfsbatteriepaket (B_AUX) 44 zur Verwendung bei der Energieversorgung elektrischer Niederspannungssystemen an Bord des Fahrzeugs 10 gespeichert werden kann.
Eine Rotorwelle 17 des Elektromotors 16 kann selektiv mit einer Last, beispielsweise einem Eingangselement 28 eines Getriebes (T) 30, über die Betätigung einer Kupplung 32 verbunden werden. Die Rotorwelle 17 dreht sich, um ein Eingangsdrehmoment (Pfeil T_I) für das Eingangselement 28 des Getriebes 30 bereitzustellen, wann immer der Elektromotor 16 als ein elektrischer Traktionsmotor betrieben wird und/oder der Elektromotor 16 kann, je nach Bedarf, als ein Generator betrieben werden. Zum Beispiel kann das Motordrehmoment (Pfeil T_M) von dem erregten Elektromotor 16 für das Eingangselement 28 und/oder für eine andere Last in Form eines Ausgangselements 37 des Getriebes 30 und eines Satzes von Antriebsrädern 34, die mit dem Ausgangselement 37 verbunden sind, abhängig von der Konfiguration des elektrischen Antriebsstrangs 12, bereitgestellt werden. Das Abgangsdrehmoment (Pfeil T_O) von dem Getriebe 30 kann über eine oder mehrere Antriebsachsen 36 an die Antriebsräder 34 übertragen werden. Die Energieflussrichtung kann während eines regenerativen Ereignisses, wie z. B. eines regenerativen Bremsens, umgekehrt werden, um das Batteriepaket 14 zu laden, d. h., mit regenerativem Drehmoment von dem rotierenden Elektromotor 16, der Elektrizität erzeugt, die dem Batteriepaket 14 zugeführt wird, um so dessen Ladezustand zu erhöhen oder aufrechtzuerhalten.
Eine Steuerung (C) 50 kann verwendet werden, um den laufenden Betrieb des Elektromotors 16 in Reaktion auf einen Satz von Eingangssignalen (Pfeil CC_I) zu steuern, und zwar durch die Übertragung eines Satzes von Steuersignalen (Pfeil CC_O) in der nachfolgend dargelegten Weise mit Bezug auf 4. Die Steuerung 50 kann als eine oder mehrere elektronische Steuereinheiten ausgeführt sein, die den erforderlichen Speicher (M) und einen Prozessor (P) sowie andere zugehörige Hardware und Software, z. B. eine Uhr oder einen Zeitgeber, Eingabe-/Ausgabeschaltungen usw., aufweisen. Der Speicher (M) kann ausreichende Kapazitäten an Nur-Lese-Speicher beinhalten, beispielsweise eines magnetischen oder optischen Speichers. Anweisungen, die das Verfahren 100 verkörpern, können in den Speicher (M) programmiert werden und während des Betriebs des Fahrzeugs 10 durch den/die Prozessor(en) (P) ausgeführt werden, um den Wirkungsgrad des Elektromotors 16 zu optimieren.
Der Aufbau des Elektromotors 16 wird nun unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben. Beide Figuren werden im Zusammenhang mit dem Beaufschlagen und Ändern einer axialen Position einer zylindrischen Rotornabe 33R in Bezug auf eine Statoranordnung 26 beschrieben, wie dies durch den Doppelpfeil AA in 2 dargestellt ist. Die relative axiale Position der Rotornabe 33R und der Statoranordnung 26 ermitteln jedoch die Art der elektromagnetischen Feldwechselwirkung. Daher können, obwohl in den 2 und 3 zur vereinfachten Darstellung fehlend dargestellt, alternative Ausführungsformen im Hinblick auf die vorliegende Offenbarung realisiert werden, in der die axiale Position der Rotornabe 33R festbleibt und die der Statoranordnung 26 sich während des Betriebs ändert. Zum Beispiel kann eine Ausführungsform beinhalten, dass die Statoranordnung 26 mit einem stationären Element 75, wie in 3 gezeigt, über eine ähnliche kerbverzahnte Verbindung verbunden wird und mit einem Stellglied 60, wie dieses in 2 dargestellt ist, auf einen Statorkern 26C anstelle der Rotornabe 33R wirkt.
In Bezug auf 2 beinhaltet der Elektromotor 16 die Statoranordnung 26 und eine Rotoranordnung 33 mit entsprechenden axialen Längen L_S und L_R. Die Statoranordnung 26 beinhaltet einen Statorkern 26C und Statorwicklungen 26W, wobei die Statorwicklungen 26W in Statornuten (nicht gezeigt) des Statorkerns 26C gewickelt sind, um einen Elektromagneten zu bilden. Somit weist die Statoranordnung 26 eine Gesamtaxiallänge L_ST, einschließlich der Statorwicklungen 26W, auf. Die Rotoranordnung 33 beinhaltet die Rotornabe 33R, die mit der Rotorwelle 17 verbunden ist, wobei die Rotorwelle 17 eine Drehachse A₂₆ aufweist.
Der Gesamtbetrag des Motordrehmoments (Pfeil T_M), d. h., das „Gesamtmotordrehmoment“, das an anderer Stelle hierin angegeben ist, enthält separate elektromagnetische und Reluktanzdrehmomentkomponenten, deren relativer Beitrag zum Gesamtmotordrehmoment kontinuierlich variabel ist. Der Ausdruck „elektromagnetisches Drehmoment“ beschreibt eine Größe eines Drehmoments, das durch die resultierenden Druck/Zug-Kräfte aufgrund wechselwirkender zeitveränderlicher elektromagnetischer Felder der Statoranordnung 26 und der Rotoranordnung 33 in dem exemplarischen Elektromotor 16 von 2 erzeugt wird. Der Ausdruck „Reluktanz“ ist analog zu einem elektrischen Widerstand, wobei der magnetische Fluss einem Pfad der geringsten magnetischen Reluktanz in einer Weise folgt, die konzeptionell ähnlich ist, wie ein elektrischer Strom einem Pfad mit dem geringsten elektrischen Widerstand. Somit beschreibt der Begriff „Reluktanzdrehmoment“ den zeitvariablen Drehmomentbeitrag der Rotornabe 33R, wenn sich die Rotornabe 33R verschiebt, um einen minimalen Reluktanzflusspfad auf ein rotierendes Statorfeld auszurichten, in diesem Fall das Statorfeld, das durch den Statorkern 26C erzeugt wird.
Im Allgemeinen erzeugt der Elektromotor 16 ein Drehmoment bei einer gegebenen axialen Position sowohl von dem Magnetfeld der Rotoranordnung 33 als auch von dem Reluktanzverhältnis der Rotoranordnung 33. Wenn sich der Elektromotor 16 mittels des Statorkerns 26C relativ zu dem Statorfeld dreht, ändert sich die Reluktanz durch die Rotoranordnung 33. Der Ausdruck „Reluktanzverhältnis“ ist das Verhältnis der maximalen zur minimalen Reluktanz durch die Rotoranordnung 33, wenn die Rotornabe 33R an einer gegebenen axialen Position gedreht wird. Wenn sich das Rotormagnetfeld dreht, werden ein Widerstand und eine Gegenspannung („Gegen-EMK“) erzeugt, die einem Stromdurchgang durch die Statorwicklungen 26W entgegensteht. Das Reluktanzverhältnis erzeugt keinen Zug oder keine Gegenspannung. Die ideale Situation bei hohen Drehzahlen, wenn ein niedriges Drehmoment erforderlich ist, besteht also darin, das Magnetfeld zu reduzieren, während das Reluktanzverhältnis beibehalten oder erhöht wird. Die vorliegende Konfiguration ermöglicht, dass dieses wünschenswerte Ergebnis auftritt.
In 2 weist die zylindrische Rotornabe 33R jeweilige erste und zweite Enden E1 und E2 auf, die jeweils mit unterschiedlichen mittleren Magnetfeldern B1 und B2 mit entsprechenden Feldstärken magnetisiert sind. Das erste Ende E1 kann eine mittlere Magnetfeldstärke aufweisen, die schwächer ist als das mittlere Magnetfeld am zweiten Ende E2 oder umgekehrt. Somit variiert die magnetische Feldstärke der zylindrischen Rotornabe 33R entlang ihrer axialen Länge L_R mit starken konstanten Reluktanzeigenschaften. Dieses Merkmal ermöglicht es, dass die elektromagnetischen und Reluktanzdrehmomentbeiträge zu dem Motordrehmoment (Pfeil T_M) automatisch zwischen vorbestimmten relativen Beitragspegeln oder -prozentsätzen variiert werden, wobei die Variation in Reaktion auf unterschiedliche Drehzahl- und Drehmomentbetriebspunkte des Elektromotors 16 aktiv oder passiv erfolgt.
Zum Beispiel kann der Betrieb des Elektromotors 16 einen Niedrigdrehzahl-/Hochdrehmoment-Betriebspunkt beinhalten, bei dem die magnetische Drehmomentkomponente des Motordrehmoments (Pfeil T_M) hoch ist, z. B. etwa 75 %, und die Reluktanzdrehmomentkomponente niedrig oder etwa 25 % in Übereinstimmung, wie in diesem Beispiel, ist. Ein anderer Betriebspunkt mit hoher Drehzahl/niedrigem Drehmoment kann verwendet werden, bei dem die gewünschten magnetischen und Reluktanzdrehmomentkomponenten ungefähr gleich sind, wie etwa jeweils 50 %. Andere Beitragspegel der magnetischen und Reluktanzdrehmomentkomponenten können in anderen Ausführungsformen, abhängig von der Anwendung des Elektromotors, verwendet werden. Zwischen den gewünschten Beitragspegeln, d. h., an einer ersten Position, wie gezeigt, und einer zweiten, durch die Grenze 62 abgegrenzten Position kann die Rotornabe 33R entlang der Rotorwelle 17 verschoben werden, wie durch den Doppelpfeil AA angezeigt, um kontinuierlich variable magnetische/Reluktanzbeiträge bereitzustellen.
Die Rotornabe 33R kann mittels einer Kerbverzahnung 72 mit der Rotorwelle 17 verzahnt oder anderweitig gleitbar verbunden sein, wie in 2 gezeigt wird, und ist somit entlang der Rotorwelle 17 verschiebbar. Die axiale Länge L_R der Rotornabe 33R kann die axiale Länge L_S des Statorkerns 26C überschreiten, beispielsweise um 150 Prozent in einer exemplarischen Ausführungsform. In einigen Ausführungsformen kann die axiale Länge L_R der Rotornabe 33R gleich der gesamten axialen Länge L_ST der Statoranordnung 26 sein. Der Statorkern 26C ist von der Rotornabe durch den radialen Luftspalt G, der in einigen Ausführungsformen entlang der axialen Länge Ls des Statorkerns 26C, wie gezeigt, gleichförmig sein kann, getrennt. In anderen Ausführungsformen kann sich der radiale Luftspalt G allmählich verjüngen, sodass der Luftspalt G an dem zweiten Ende E2 kleiner ist als an dem ersten Ende E1.
Verschiedene Ansätze können verwendet werden, um die unterschiedlichen Magnetfeldstärken entlang der axialen Länge der Rotornabe 33R bereitzustellen. Beispielsweise kann die Rotoranordnung 33 eine Vielzahl von Permanentmagneten 39 beinhalten, die mit der Rotornabe 33R verbunden oder darin eingebettet sind, z. B. in Schlitzen (nicht gezeigt) von diesen. Die Anordnung solcher Schlitze erzeugt einen bevorzugten Pfad für den erzeugten Magnetfluss bei verschiedenen Drehpositionen der Rotornabe 33R. Eine Anzahl der Permanentmagnete 39, die an dem ersten Ende E1 positioniert sind, kann eine Anzahl der Permanentmagnete 39 übersteigen, die an dem zweiten Ende E2 positioniert sind.
Alternativ kann die Anzahl der Permanentmagnete 39 an den ersten und zweiten Enden E1 und E2 gleich sein, wobei die von den Permanentmagneten 39 am ersten Ende E1 erzeugte magnetische Feldstärke die der magnetischen Stärke der Permanentmagneten 39, die an dem zweiten Ende E2 verwendetet werden, übersteigt. In ähnlicher Weise kann die Anordnung solcher Permanentmagneten 39 variiert werden, um die Magnetfeld-Sollvariation zwischen den ersten und zweiten Enden E1 und E2 zu erzeugen, oder die Magneten 39 können insgesamt zugunsten einer mechanisch gleichförmigen Rotornabe 33R entlang der axialen Länge L_R der Rotornabe 33R weggelassen werden, d. h., mit variierenden Magnetisierungsgraden der Lamellen, die zum Aufbau der Rotornabe 33R anstelle der Anordnung von Permanentmagneten 39 verwendet werden.
Die Ausführungsform von 2 erreicht eine Verschiebung der Rotornabe 33R über die Betätigung des Aktuators 60, der nahe dem ersten oder zweiten Ende E1 oder E2 der Rotornabe 33R positioniert ist. In der dargestellten Ausführungsform wird die Rotornabe 33R aktiv über die Rotorwelle 17 über eine Betätigungskraft (Pfeil F_A) des Aktuators 60 bewegt. Wie vorstehend angemerkt, tritt eine axiale Verschiebung der Rotornabe 33R in Reaktion auf verschiedene tatsächliche Drehzahl- und Drehmomentbetriebspunkte des Elektromotors 16 auf. Daher kann die Steuerung 50 von 1 zur genauen Bestimmung in Echtzeit verwendet werden, wann die Rotornabe 33R zu verschieben ist und dadurch die relativen magnetischen/Reluktanzdrehmomentbeiträge zum Gesamtmotordrehmoment (Pfeil T_M) variieren.
In einer exemplarischen Ausführungsform kann die Steuerung 50 einen Satz der Eingangssignale (Pfeil CC_I) von 1 empfangen, Information, die den gegenwärtigen Betriebspunkt des Elektromotors 16 ausweisen. Zum Beispiel kann ein Positionssensor S_P die gegenwärtige axiale Position (Pfeil P_A, ₂₆) der Rotornabe 33R messen und melden. Ebenso können ein Drehzahlsensor S_N und ein Drehmomentsensor S_T die jeweilige Drehzahl (Pfeil N₁₆) und das Abgangsdrehmoment (T₁₆) des Elektromotors 16 messen/schätzen und melden, wobei insbesondere der Drehmomentsensor (S_T) als geschätzte oder modellierte Drehmomentlogik der Steuerung 50 anstelle eines physikalischen Sensors ausgebildet sein kann. Die Steuerung 50 kann mit einer Nachschlagetabelle 65 programmiert sein, wobei der Prozessor (P) eine entsprechende Sollposition für den aktuellen Drehzahl- und Drehmomentbetriebspunkt ausliest. Anschließend kann die Steuerung 50 ein Stellgliedsteuersignal (Pfeil CC₆₀) als ein mögliches Steuersignal (Pfeil CCo) von 1 an den Aktuator 60 übertragen, um dem Aktuator 60 zu befehlen, die Kraft (Pfeil F_A) auszuüben und somit die Rotornabe 33R 65 in der entsprechenden axialen Sollposition entsprechend der Nachschlagetabelle zu platzieren.
3 zeigt eine alternative, passiv geregelte Ausführungsform des Elektromotors 16 von 2. Anstelle des Aktuators 60 von 2 kann die Implementierung durch eine Selbstbetätigung mittels der Statorfeldsteuerung und einer Rückstellfeder 64 erfolgen, die zwischen einer radialen Fläche 67 der Rotornabe 33R und einem stationären Element 65, z. B. einem Motorgehäuse, angeordnet ist. Die passive Ausführungsform arbeitet aufgrund der Tendenz der Magnetkraft, das magnetischere Ende der Rotornabe 33R abzustoßen, in diesem Fall das erste Ende E1. Die Statorsteuerung umfasst die sequenzielle Änderung der Phasenströme zu den Statorwicklungen 26W, um so einen rotierenden Satz von Vektoren in der Statoranordnung 26 zu erzeugen. Die rotierenden Vektoren wirken mit dem Magnetfeld der Rotornabe 33R und der Reluktanz der Rotornabe 33R zusammen, um dadurch die Rotornabe 33R zu drehen. Die Steuerung des Statorstroms beruht auf einer genauen Kenntnis der Drehposition der Rotornabe 33R, die über einen Resolver oder Encoder 70 gemessen und an die Steuerung 50 als eine gemessene Drehposition (P_R, ₃₃) gemeldet werden kann.
Der Steuerung 50 kann wiederum einen Statorstrombefehl berechnen und ausgeben, um die Statorwicklungen 26W in einer bestimmten Weise zu erregen und um den Statormagnetfluss zu schwächen, d. h., einen Magnetflussschwächungs-Strombefehl (Pfeil CCs) als Teil der Steuersignale (Pfeil CCo) von 1 zu erzeugen, wobei der Magnetflussschwächungs-Strombefehl (Pfeil CCs) schließlich ein Fluss eines Magnetflussschwächungs-Statorstroms in die Statorwicklungen 26W bewirkt. Daher zeigt 3 zeigt eine mögliche Ausführungsform, bei der eine Eigenbetätigung und Verschiebung der Rotornabe 33R mittels einer Statorfeldsteuerung realisiert wird, die von der Rückstellfeder 64 unterstützt wird.
Wie unter Bezugnahme auf 4 gezeigt wird, kann das Verfahren 100 in der Logik der Steuerung 50 implementiert und automatisch während des laufenden Betriebs des Elektromotors 16 ausgeführt werden. Das Verfahren 100 kann mit der aktiv gesteuerten Ausführungsform von 2 verwendet werden oder, mit leichten Abweichungen im Ansatz, der passiv geregelten Ausführungsform von 3, wie nachfolgend erläutert.
Beginnend mit Schritt S102 misst, schätzt oder ermittelt die Steuerung 50 die aktuelle Drehzahl und das Drehmoment des Elektromotors 16. Zum Beispiel kann die Drehzahl der Rotorwelle 17 von 1 unter Verwendung eines Drehzahlsensors S_N, wie schematisch in 2 gezeigt, z. B. mittels eines Wellenencoders, Hall-Effekt-Sensors oder photoelektrischen Sensors gemessen werden. Das Motordrehmoment (Pfeil T_M der 1 bis 3) kann, basierend auf der gemessenen Motordrehzahl und kalibrierten oder gemessenen Eigenschaften des Elektromotors 16, wie z. B. Strom und/oder Spannung, geschätzt oder berechnet werden. Das Verfahren 100 geht dann zu Schritt S104 über.
Schritt S104 beinhaltet das Auslesen einer axialen Sollposition der Rotornabe 33R aus der Nachschlagetabelle 65 in den Speicher (M) der Steuerung 50. Die axiale Sollposition kann vorab in der Nachschlagetabelle 65 unter einer entsprechenden Drehzahl und einem entsprechenden Drehmoment als ein Kalibrierungswert aufgezeichnet werden. Das Verfahren 100 fährt mit Schritt S106 fort, wenn die axiale Sollposition der Rotornabe 33R ermittelt wurde.
In Schritt S106 kann die Steuerung 50 die axiale Verschiebung der Rotornabe 33R in die axiale Sollposition anweisen, die in Schritt S104 ausgelesen wurde. Die Implementierung von Schritt S106 kann abhängig von der Ausführungsform variieren. Wird beispielsweise die aktive Steuerungsausführungsform von 2 verwendet, kann die Steuerung 50 die Betätigung des Aktuators 60, beispielsweise durch Erregung eines Solenoids durch diese, befehlen, um eine lineare Verschiebung eines Stößels (nicht gezeigt) des Aktuators 60 und die Anwendung der Kraft (Pfeil F_A) auf die Rotornabe 33R zu bewirken. Somit kann der Schritt S106 das Verschieben auf die Sollposition gemäß der Nachschlagetabelle 65 mit einem entsprechenden Spannungs- oder Strombefehl und anschließendem Anlegen des Stroms oder der Spannung an das Stellglied 60 umfassen.
Für die exemplarisch passive Ausführungsform von 3 kann die Steuerungsaktion von Schritt S106 das Anlegen eines kalibrierten Statorstroms an die Statorwicklungen 26W von 3 beinhalten, um zu bewirken, dass die Rotornabe 33R aufgrund der Feldwechselwirkung magnetisch auf die axiale Sollposition abgestoßen wird. In einer solchen Ausführungsform können die aktuelle Drehzahl und das momentane Drehmoment des Elektromotors 16 einem kalibrierten Statorstrom entsprechen, der dann von der Steuerung 50 angelegt wird, um eine lineare Bewegung oder Verschiebung der Rotornabe 33R auf die axiale Sollposition zu bewirken. Das Verfahren 100 geht dann zu Schritt S108 über.
S108 kann das Ermitteln beinhalten, ob die Rotornabe 33R die Sollposition erreicht hat, z. B. unter Verwendung eines Positionssensors, eines Zeitgebers oder dergleichen. Schritt S106 wird in einer Schleife mit Schritt S108 wiederholt, bis die axiale Sollposition erreicht ist. Das Verfahren 100 fährt dann mit Schritt S110 fort.
Schritt S110 beinhaltet das Unterbrechen der Positionssteuerungsaktionen der Steuerung 50 und das Fortsetzen mit Schritt S102. Das Verfahren 100 wird anschließend in einer Schleife während des Betriebs des Elektromotors 16 wiederholt, um die gewünschten magnetischen Eigenschaften/relativen Beiträge des magnetischen und Reluktanzdrehmoments des Elektromotors 16 als eine Funktion der Drehzahl und des Drehmoments des Elektromotors 16 kontinuierlich zu variieren.
Unter Verwendung des Elektromotors 16 von 1, der gemäß 2 oder 3 konstruiert und gemäß dem exemplarischen Verfahren von 4 gesteuert wird, kann ein größeres Potential für Effizienzgewinne über einen gegebenen Motorbetriebsbereich möglich sein. Dies wird durch die Kombination von starken, konstanten Reluktanzdrehmomenteigenschaften, starkem Dauermagnetdrehmoment bei hohen Lasten, reduziertem Dauermagnetdrehmoment bei niedrigen Lasten und kompromisslosen Stator- und Rotorpolkonfigurationen ermöglicht. Die vergrößerte Länge der Rotornabe 33R von den 2 und 3 sowie das Hinzufügen einer verschiebbaren Verbindung zwischen der Rotornabe 33R und der Rotorwelle 17 kann die Komplexität des Elektromotors 16 erhöhen. Jedoch können bestehende Verpackungsbeschränkungen beibehalten werden, indem die axiale Länge L_R der Rotornabe 33R so begrenzt wird, dass diese in die Gesamtlängen-L_ST-Statoranordnung 26 passt, d. h., kleiner oder gleich dieser ist.
Während die ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren die vorliegenden Lehren unterstützen und beschreiben, wird der Umfang der vorliegenden Lehren jedoch einzig und allein durch die Ansprüche definiert. Während einige der besten Ausführungsformen und anderen Arten zur Ausführung der vorliegenden Lehren ausführlich beschrieben wurden, sind verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur Umsetzung der vorliegenden Lehren, die in den hinzugefügten Ansprüchen definiert sind, möglich.

Claims

Elektromotor, der zum Erzeugen eines Gesamtmotordrehmoments mit kontinuierlich variablen magnetischen und Reluktanzdrehmomentkomponenten betreibbar ist, der Elektromotor umfassend: eine Statoranordnung mit Statorkern mit einer axialen Länge; und eine Rotoranordnung, die eine Rotorwelle und eine zylindrische Rotornabe mit jeweils jeweiligen axialen Längen beinhaltet, wobei die zylindrische Rotornabe ein erstes Ende mit einer ersten mittleren Magnetfeldstärke und ein zweites Ende mit einer zweiten mittleren Magnetfeldstärke sequenziell, wobei die zweite mittlere magnetische Feldstärke schwächer als die erste mittlere magnetische Feldstärke ist; worin die Rotornabe in Bezug auf die Rotorwelle verschiebbar ist, wobei die axiale Länge der Rotornabe die axiale Länge des Statorkerns übersteigt und die Rotornabe so konfiguriert ist, dass diese sich entlang der axialen Länge der Rotorwelle verschiebt, um die Beiträge der magnetischen und Reluktanzdrehmomentkomponenten zu dem Gesamtmotordrehmoment in Reaktion auf verschiedene Drehzahl- und Drehmomentbetriebspunkte des Elektromotors relativ zueinander zu variieren.
Elektromotor nach Anspruch 1, worin die axiale Länge der Rotornabe mindestens 150 Prozent der axialen Länge des Statorkerns beträgt.
Elektromotor nach Anspruch 2, worin die Statornabe mit Statorwicklungen derart umwickelt ist, dass die Statoranordnung eine axiale Gesamtlänge aufweist, die gleich oder größer als die axiale Länge der Rotornabe ist.
Elektromotor nach Anspruch 1, worin die Drehmomentbetriebspunkte einen Niedrigdrehzahl-/Hochdrehmoment-Betriebspunkt umfassen, bei dem die magnetische Drehmomentkomponente etwa 75 Prozent beträgt und die Reluktanzdrehmomentkomponente etwa 25 Prozent und einen Hochdrehzahl/Niedrigdrehmoment-Betriebspunkt, bei dem sowohl die magnetische Drehmomentkomponente als ebenfalls die Reluktanzdrehmomentkomponente ungefähr 50 Prozent beträgt.
Elektromotor nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Aktuator, der in der Nähe des ersten oder zweiten Endes der Rotornabe angeordnet ist, worin die Rotornabe entlang der axialen Länge der Rotorwelle über eine von dem Aktuator aufgebrachte Kraft aktiv verschoben wird.
Elektromotor nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Rückstellfeder, die in der Nähe des ersten oder zweiten Endes der Rotornabe angeordnet ist, worin die Rotornabe durch Anlegen eines Magnetflussschwächungs-Statorstroms passiv in eine Richtung entlang der axialen Länge der Rotorwelle zu den Statorwicklungen und in einer anderen Richtung durch Betätigung der Rückstellfeder verschoben wird.
Fahrzeug, umfassend: eine Last; ein Getriebe, das mit der Last verbunden und dazu konfiguriert ist, ein Abgangsdrehmoment für die Last in Reaktion auf ein Eingangsdrehmoment bereitzustellen; einen Elektromotor, der betreibbar ist, um das Eingangsdrehmoment für das Getriebe zu erzeugen, wobei das Eingangsdrehmoment ein Gesamtmotordrehmoment mit kontinuierlich variablen magnetischen und Reluktanzdrehmomentkomponenten ist, der Elektromotor beinhaltend: eine Statoranordnung mit Statorkern mit einer axialen Länge; und eine Rotoranordnung, einschließlich einer Rotorwelle und einer zylindrischen Rotornabe, jeweils mit einer axialen Länge, wobei die zylindrische Rotornabe ein erstes Ende mit einer ersten mittleren Magnetfeldstärke und ein zweites Ende mit einer zweiten mittleren Magnetfeldstärke aufweist und wobei die zweite mittlere magnetische Feldstärke schwächer als die erste mittlere magnetische Feldstärke ist; worin die Rotornabe mit der Rotorwelle keilverzahnt ist, wobei die axiale Länge der Rotornabe die axiale Länge des Statorkerns übersteigt und die Rotornabe so konfiguriert ist, dass diese sich entlang der axialen Länge der Rotorwelle bei unterschiedlichen Drehzahl- und Drehmomentbetriebspunkten des Elektromotors verschiebt; und eine Steuerung, die dazu konfiguriert ist, einen Satz von Eingangssignalen, einschließlich einer Drehzahl und eines Drehmoments des Elektromotors, zu empfangen und eine Verschiebung der Rotornabe entlang der axialen Länge der Rotorwelle in Reaktion auf den Satz von Eingangssignalen zu befehlen, um dadurch die relativen Beiträge der magnetischen und Reluktanzdrehmomentkomponenten zu dem Gesamtmotordrehmoment kontinuierlich zu variieren.
Fahrzeug nach Anspruch 7, ferner umfassend einen Aktuator, der in der Nähe des ersten oder zweiten Endes der Rotornabe angeordnet ist, worin die Steuerung konfiguriert ist, den Aktuator zu erregen, um dadurch die Rotornabe entlang der axialen Länge der Rotorwelle aktiv zu verschieben.
Fahrzeug nach Anspruch 7, ferner umfassend eine Rückstellfeder, die in der Nähe des ersten oder des zweiten Endes der Rotornabe angeordnet ist, worin die Statoranordnung Statorwicklungen beinhaltet und worin die Steuerung dazu konfiguriert ist, einen Magnetflussschwächungs-Statorstrom an die Statorwicklungen anzulegen, um die Rotornabe entlang der axialen Länge der Rotorwelle passiv zu verschieben.
Verfahren zum Steuern eines Elektromotors, der zum Erzeugen eines Gesamtmotordrehmoments betreibbar ist, das kontinuierlich variable magnetische und Reluktanzdrehmomentkomponenten beinhaltet, wobei der Elektromotor eine Statoranordnung und eine Rotoranordnung aufweist, das Verfahren umfassend: das Ermitteln einer Drehzahl und eines Drehmoments des Elektromotors über eine Steuerung und mindestens einen Sensor; das Ermitteln einer gewünschten axialen Position einer zylindrischen Rotornabe der Rotoranordnung über die Steuerung unter Verwendung einer Nachschlagetabelle, wobei die axiale Sollposition der empfangenen Drehzahl und dem empfangenen Drehmoment entspricht und worin die zylindrische Rotornabe ein erstes Ende mit einer ersten mittleren Magnetfeldstärke aufweist und ein zweites Ende mit einer zweiten mittleren Magnetfeldstärke, die schwächer ist als die erste mittlere Magnetfeldstärke; und das Verschieben der Rotornabe entlang der axialen Länge einer Rotorwelle der Rotoranordnung in die ermittelte axiale Sollposition derart, dass ein Verhältnis der magnetischen und Reluktanzdrehmomentkomponenten zu dem Gesamtmotordrehmoment entsprechend der ermittelten Drehzahl und dem entsprechenden Drehmoment kontinuierlich in Echtzeit variiert wird.