Maschine, Computerproqrammprodukt und Steuereinheit

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine umfassend einen Stator und einen Rotor, wobei über ein vom Stator erzeugtes magnetisches Feld ein Motor- Drehmoment und/oder eine Motor-Kraft in den Rotor einleitbar ist, sowie eine mit dem Rotor und/oder Stator gekoppelte Verstelleinrichtung, wobei die Verstelleinrichtung eingerichtet ist, mechanisch eine magnetische Feldschwächung zwischen dem Rotor und dem Stator zu bewirken, indem ein erstes Motor-Drehmoment und/oder eine erste Motor-Kraft an dem Rotor und/oder Stator die Verstelleinrichtung mechanisch durch Ausbildung eines ersten Kräfteungleichgewichts in der Verstelleinrichtung in einen ersten Betriebszustand versetzt, bei welchem ein erstes Magnetfeld zwischen dem Rotor und dem Stator ausgebildet ist, und ein zweites Motor-Drehmoment und/oder eine zweite Motor-Kraft an dem Rotor und/oder Stator die Verstelleinrichtung mechanisch durch Ausbildung eines zweiten Kräfteungleichgewichts in der Verstelleinrichtung in einen zweiten Betriebszustand versetzt, bei welchem ein von dem ersten Magnetfeld verschiedenes zweites Magnetfeld zwischen dem Rotor und dem Stator ausgebildet ist, wobei die elektrische Maschine ferner eine Steuereinheit zur Steuerung der Bestromung des Stators aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Maschine, ein Computerprogrammprodukt und eine Steuereinheit.

Elektrische Maschinen unterliegen bei ihrem Betrieb Verlusten durch Ummagnetisierungen und Wirbelströme, die als Eisenverluste zusammengefasst werden und den Maschinenwirkungsgrad herabsetzen. In mobilen Anwendungen, insbesondere bei der Verwendung von elektrischen Maschinen innerhalb eines Antriebsstrang eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, bedeutet ein niedriger Wirkungsgrad der elektrischen Maschine eine geringere Reichweite des Fahrzeugs bzw. erhöhten Bedarf an Batteriekapazität. Es ist daher vor allem in mobilen Anwendungen mit einem hybriden oder rein elektrischen Antrieb ein ständiges Ziel, die beschriebenen Eisenverluste zu minimieren.

Beispielhaft für eine derartige elektrische Maschine, wie sie innerhalb eines Antriebsstrang eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs verwendet werden kann, ist die sogenannte permanenterregte Synchronmaschine. Aufgrund ihrer im Vergleich zu anderen Maschinentypen hohen Leistungsdichte wird sie bevorzugt gerade im Bereich der Elektromobilität verwendet, wo der zur Verfügung stehende Bauraum häufige eine limitierende Größe darstellt. Das Erregerfeld der Maschine wird in der Regel von Permanentmagneten erzeugt, die im Rotor der Maschine angeordnet sind. Auf eine Schleifringkontaktierung, die bei elektrisch erregten Synchronmaschinen notwendig ist, um eine am Rotor angeordnete Erregerspule mit Strom zu versorgen, kann bei der permanenterregten Synchronmaschine verzichtet werden

Ein Nachteil der Permanenterregung besteht jedoch darin, dass das Erregerfeld nicht ohne Weiteres modifiziert werden kann. Grundsätzlich kann eine Synchronmaschine über ihre Nenndrehzahl hinaus betrieben werden, indem der sogenannte Feldschwächbereich angesteuert wird. In diesem Bereich wird die Maschine mit der maximalen Nennleistung betrieben, wobei mit zunehmender Drehzahl das von der Maschine abgegebene Drehmoment reduziert wird. Elektrisch erregte Synchronmaschinen können sehr einfach im Feldschwächbereich betrieben werden, indem der Erregerstrom reduziert wird. Zwar sind auch bei permanenterregten Maschinen Möglichkeiten bekannt, über eine geeignete Bestromung des Ständers der Maschine eine Luftspaltfeldkomponente zu erzeugen, die dem von den Permanentmagneten erzeugten Erregerfeld entgegenwirkt und dieses somit schwächt. Jedoch bewirkt eine derartige Ansteuerung der Maschine erhöhte Verluste, sodass die Maschine in diesem Bereich nur mit einem reduzierten Wirkungsgrad betrieben werden kann.

Um permanenterregte dynamoelektrische Maschinen im Feldschwächbereich betreiben zu können, ohne hierbei den Wirkungsgrad der Maschine nennenswert zu verschlechtern, sind aus dem Stand der Technik Verfahren zur mechanischen Feld- Schwächung bekannt. So zeigt die CN101783536 A einen permanenterregten Synchronmotor mit vergrabenen, in Tangentialrichtung magnetisierten Permanentmagneten, an die sich jeweils radial nach außen betrachtet ein radial verschiebbarer Kurzschlussblock anschließt. Dieser Kurzschlussblock ist über eine Feder derart vorgespannt, dass er sich bei niedriger Rotordrehzahl in einem magnetisch isolierenden Bereich des Rotors befindet. Mit zunehmender Drehzahl wird der Kurzschlussblock nach außen gegen die Federspannung gedrückt, wo er für den magnetischen Fluss einen Kurzschlusspfad bildet. Der über diesen Kurzschlusspfad geführte magnetische Streufluss reduziert den effektiven Luftspaltfluss der Maschine, sodass der Feldschwächbetrieb angesteuert wird.

Aus der DE 102009038928 A1 ist ferner ein Elektromotor mit einem Stator, einem Rotor und einem zwischen Stator und Rotor ausgebildeten Luftspalt bekannt. Dabei ist die Größe des Luftspaltes in Abhängigkeit von der Drehzahl des Elektromotors veränderlich, wobei bei größeren Drehzahlen des Rotors der Luftspalt vergrößert wird. Die Vergrößerung des Luftspalts erfolgt dabei durch axiale Verschiebung von Rotor oder Stator.

Aus der EP 2 985 893 A1 ist eine elektrische Axialflussmaschine mit einem Stator und einem Rotor bekannt, wobei der Stator mindestens zwei Statorsegmente umfasst, und wobei der Rotor mit einer Rotorwelle verbunden ist, wobei der Rotor und/oder die Rotorwelle in einer Lagerung drehbar gelagert sind, und wobei die Statorsegmente in Rotationsrichtung des Rotors relativ zu der Lagerung unbeweglich angeordnet sind. Mindestens eines der Statorsegmente ist in axialer oder radialer Richtung relativ zu der Lagerung beweglich angeordnet, um die Breite des Luftspalts zwischen Rotor und Statorsegmenten einzustellen.

Es besteht ein anhaltendes Bedürfnis daran, dass die Verstellung des Luftspalts möglichst gezielt zu einem bestimmten Zeitpunkt gesteuert werden und erfolgen kann, so dass die Verstellung des Luftspalts zu einem optimalen Betriebszeitpunkt erfolgt und der Steuerung u.a. auch bekannt ist, in welchem Zustand sich die Maschine befindet (Feldgestärkt / Feldgeschwächt). Dies wird jedoch z.B. durch Reibung, Hysterese, als auch Fertigungs-Streuungen erschwert. Dies gilt besonders, wenn für die Verstellung kein separater Aktor verwendet werden soll, sondern die Verstellung rein durch interne Kräfte / Momente im Motor ausgelöst wird.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine elektrische Maschine bereitzustellen, die im Hinblick auf die Steuerung einer mechanischen Verstelleinrichtung zur Verstellung des Magnetfelds zwischen Stator und Rotor verbessert ist. Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Maschine zu realisieren.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Maschine umfassend einen Stator und einen Rotor, wobei über ein vom Stator erzeugtes magnetisches Feld ein Motor- Drehmoment und/oder eine Motor-Kraft in den Rotor einleitbar ist, sowie eine mit dem Rotor und/oder Stator gekoppelte Verstelleinrichtung, wobei die Verstelleinrichtung aktuierbar ist, indem ein erstes Motor-Drehmoment und/oder eine erste Motor-Kraft an dem Rotor und/oder Stator die Verstelleinrichtung mechanisch durch Ausbildung eines ersten Kräfteungleichgewichts in der Verstelleinrichtung in einen ersten Betriebszustand versetzt, bei welchem ein erstes Magnetfeld zwischen dem Rotor und dem Stator ausgebildet ist, und ein zweites Motor-Drehmoment und/oder eine zweite Motor-Kraft an dem Rotor und/oder Stator die Verstelleinrichtung mechanisch durch Ausbildung eines zweiten Kräfteungleichgewichts in der Verstelleinrichtung in einen zweiten Betriebszustand versetzt, bei welchem ein von dem ersten Magnetfeld verschiedenes zweites Magnetfeld zwischen dem Rotor und dem Stator ausgebildet ist, wobei die elektrische Maschine ferner eine Steuereinheit zur Steuerung der Bestromung des Stators aufweist, wobei zur Erzeugung oder Beeinflussung des ersten Kräfteungleichgewichts der Stator von der Steuereinrichtung mit einer ersten Stromstärke und einem ersten Stromwinkel aus einer ersten Gruppe von Stromstärke-Stromwinkeln bestromt wird und zur Erzeugung oder Beeinflussung des zweiten Kräfteungleichgewichts der Stator von der Steuereinrichtung mit einer zweiten Stromstärke und einem zweiten Stromwinkel aus einer zweiten Gruppe von Stromstärke-Stromwinkeln bestromt wird, wobei die erste Stromstärke von der zweiten Stromstärke verschieden ist und/oder der erste Stromwinkel von dem zweiten Stromwinkel verschieden ist.

Erfindungsgemäß kann hierdurch beispielsweise ein bestimmtes Motormoment mittels unterschiedlicher Bestromung des Stators erreicht werden. Beispielsweise führen unterschiedliche Kombinationen von Stromamplitude und relativem Stromwinkel zur aktuellen Rotorlage zu ähnlichen Drehmomenten auf der Abtriebswelle, wobei diese unterschiedlichen Kombinationen unterschiedliche axiale Kräfte zwischen Rotor und Stator bewirken. Diese unterschiedlichen Kombinationen von Stromamplituden und Stromwinkel mit gleichem Abtriebs-Moment bilden einen Freiheitsgrad für die Ansteuerung des Motors. Dieser Freiheitsgrad kann somit für eine gezielte Beeinflussung der Umschaltung bzw. Unterstützung der Umschaltung genutzt werden.

Diese Kombinationen von Stromamplitude und Stromwinkel werden oft auch als Id/Iq-Kombination bezeichnet.

Es versteht sich, dass der Begriff Motor-Drehmoment und Motor-Kraft nicht auf einen motorischen Betrieb der elektrischen Maschine beschränkt ist, sondern auch einen generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine erfasst.

Zunächst werden die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Nennung im Anspruchssatz erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.

Elektrische Maschinen dienen zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie und/oder umgekehrt, und umfassen in der Regel einen als Stator, Ständer oder Anker bezeichneten ortsfesten Teil sowie einen als Rotor oder Läufer bezeichneten und gegenüber dem ortsfesten Teil beweglich angeordneten Teil.

Die elektrische Maschine kann insbesondere als Rotationsmaschine ausgebildet sein. Die Rotationsmaschine kann als Radialflussmaschine oder Axialflussmaschine konfiguriert sein. Dabei zeichnet sich eine Radialflussmaschine dadurch aus, dass die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator ausgebildeten Luftspalt, sich in radialer Richtung erstrecken, während im Falle einer Axialflussmaschine sich die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator gebildeten Luftspalt in axialer Richtung erstrecken. Es ist im Zusammenhang mit dieser Erfindung besonders bevorzugt, dass die elektrische Maschine als Axialflussmaschine konfiguriert ist. Es kann, je nach Anwendungsgebiet, vorteilhaft sein, eine Axialflussmaschine in I- Anordnung oder H-Anordnung auszubilden. Bei einer I-Anordnung ist der Rotor axial neben einem Stator oder zwischen zwei Statoren angeordnet. Bei einer H-Anordnung sind zwei Rotoren auf gegenüberliegenden axialen Seiten eines Stators angeordnet.

Grundsätzlich ist es auch möglich, dass eine Mehrzahl von Rotor-Stator- Konfigurationen als I-Typ und/oder H-Typ axial nebeneinander angeordnet sind. Auch wäre es in diesem Zusammenhang möglich, sowohl eine oder mehrere Rotor- Stator-Konfigurationen des I-Typs sowie eine oder mehrere Rotor-Stator- Konfigurationen des H-Typs in axialer Richtung nebeneinander anzuordnen. Insbesondere ist es auch zu bevorzugen, dass die Rotor-Stator-Konfiguration des H- Typs und/oder des I-Typs jeweils im Wesentlichen identisch ausgebildet sind, so dass diese modulartig zu einer Gesamtkonfiguration zusammengefügt werden können. Derartige Rotor-Stator-Konfigurationen können insbesondere koaxial zueinander angeordnet sein sowie mit einer gemeinsamen Rotorwelle oder mit mehrere Rotorwellen verbunden sein.

Bevorzugt kann die elektrische Maschine ein Motorgehäuse aufweisen. Das Motorgehäuse kann die elektrische Maschine umhausen. Ein Motorgehäuse kann darüber hinaus auch die Steuereinrichtung, insbesondere die Steuer- und Leistungselektronik aufnehmen. Das Motorgehäuse kann darüber hinaus auch Bestandteil eines Kühlsystems für die elektrische Maschine und derart ausgebildet sein, dass Kühlfluid über das Motorgehäuse der elektrischen Maschine zugeführt werden und/oder die Wärme über die Gehäuseflächen nach außen abgeführt werden kann. Darüber hinaus schützt das Motorgehäuse die elektrische Maschine sowie die ggf. vorhandene Elektronik vor äußeren Einflüssen.

Ein Motorgehäuse kann insbesondere aus einem metallischen Material gebildet sein. Vorteilhafter Weise kann das Motorgehäuse aus einem metallischen Gussmaterial, wie zum Beispiel Grauguss oder Stahlguss geformt sein. Grundsätzlich ist es auch denkbar, das Motorgehäuse ganz oder teilweise aus einem Kunststoff auszubilden. Der Rotor kann einen Rotorkörper umfassen. Unter einem Rotorkörper wird im Sinne der Erfindung der Rotor ohne Rotorwelle verstanden.

Die elektrische Maschine weist ferner eine Steuereinrichtung auf. Eine Steuereinrichtung, wie sie in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, dient insbesondere der elektronischen Steuerung und/oder Reglung eines oder mehrerer technischer Systeme der elektrischen Maschine.

Eine Steuereinrichtung weist insbesondere einen kabelgebundenen oder kabellosen Signaleingang zum Empfang von insbesondere elektrischen Signalen, wie beispielsweise Sensorsignalen, auf. Ferner besitzt eine Steuereinrichtung ebenfalls bevorzugt einen kabelgebundenen oder kabellosen Signalausgang zur Übermittlung von insbesondere elektrischen Signalen, beispielsweise an elektrische Aktuatoren oder elektrische Verbraucher des elektrisch betreibbaren Achsantriebsstrangs oder des Kraftfahrzeugs.

Innerhalb der Steuereinrichtung können Steuerungsoperationen und/oder Reglungsoperationen durchgeführt werden. Ganz besonders bevorzugt ist es, dass die Steuereinrichtung eine Hardware umfasst, die ausgebildet ist, eine Software auszuführen. Bevorzugt umfasst die Steuereinrichtung wenigstens einen elektronischen Prozessor zur Ausführung von in einer Software definierten Programmabläufen.

Die Steuereinrichtung kann ferner einen oder mehrere elektronische Speicher aufweisen, in denen die in den an die Steuereinrichtung übermittelten Signalen enthaltenen Daten gespeichert und wieder ausgelesen werden können. Ferner kann die Steuereinrichtung einen oder mehrere elektronische Speicher aufweisen, in denen Daten veränderbar und/oder unveränderbar gespeichert werden können. Eine Steuereinrichtung kann eine Mehrzahl von Steuergeräten umfassen, welche insbesondere räumlich getrennt voneinander im Kraftfahrzeug angeordnet sind. Steuergeräte werden auch als Electronic Control Unit (ECU) oder Electronic Control Module (ECM) bezeichnet und besitzen bevorzugt elektronische Mikrocontroller zur Durchführung von Rechenoperationen zur Verarbeitung von Daten, besonders bevorzugt mittels einer Software. Die Steuergeräte können bevorzugt miteinander vernetzt sein, so dass ein kabelgebundener und/oder kabelloser Datenaustausch zwischen Steuergeräten ermöglicht ist. Insbesondere ist es auch möglich, die Steuergeräte über im Kraftfahrzeug vorhandene Bus-Systeme, wie beispielsweise CAN-Bus oder LIN-Bus, miteinander zu vernetzen.

Ganz besonders bevorzugt besitzt die Steuereinrichtung wenigstens einen Prozessor und wenigstens einen Speicher, der insbesondere einen Computerprogrammcode enthält, wobei der Speicher und der Computerprogrammcode konfiguriert sind, mit dem Prozessor, die Steuereinrichtung zur Ausführung des Computerprogrammcodes zu veranlassen.

Die Steuereinheit kann besonders bevorzugt ein Leistungselektronikmodul zur Bestromung des Stators oder Rotors umfassen. Ein Leistungselektronikmodul ist bevorzugt ein Verbund verschiedener Komponenten, welche einen Strom an die elektrische Maschine steuern oder regeln, bevorzugt inklusive hierzu benötigter peripherer Bauteile wie Kühlelemente oder Netzteile. Insbesondere enthält das Leistungselektronikmodul Leistungselektronik bzw. ein oder mehrere Leistungselektronikbauteile, welche zur Steuerung oder Regelung eines Stroms eingerichtet sind. Dabei handelt es sich besonders bevorzugt um einen oder mehrere Leistungsschalter, z.B. Leistungstransistoren. Besonders bevorzugt weist die Leistungselektronik mehr als zwei, besonders bevorzugt drei voneinander getrennte Phasen bzw. Strompfade mit mindestens je einem eigenen Leistungselektronikbauteil auf. Die Leistungselektronik ist bevorzugt ausgelegt, pro Phase eine Leistung mit einer Spitzenleistung, bevorzugt Dauerleistung, von mindestens 10 W, bevorzugt mindestens 100 W besonders bevorzugt mindestens 1000 W zu steuern oder regeln. Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst ferner eine Verstelleinrichtung. Eine Verstelleinrichtung bewirkt Abhängigkeit der auf sie einwirkenden Betätigungskräfte ein Verstellen von Bauteilen im magnetischen Kreis. Dieses Verstellen der Bauteile kann insbesondere eine Änderung des magnetischen Flusses in der elektrischen Maschine bewirken. Als Verstelleinrichtung werden insbesondere auch mechanische Mechanismen verstanden, durch die eine Verstellung des Rotors oder des Rotorkörpers gegenüber dem Stator oder dem Statorkörper ermöglicht wird. Bei Axialflussmaschinen kann dabei unter Zuhilfenahme der Verstelleinrichtung eine axiale Verstellung des Rotors oder des Rotorkörpers gegenüber dem Stator und/oder umgekehrt erfolgen. Hierdurch wird eine entsprechende Feldschwächung oder Feldstärkung der elektrischen Axialflussmaschine erreicht. Die Verstelleinrichtung besitzt bevorzugt keinen fremdkraftbewirkten Aktor, wie beispielsweise einen elektrischen oder hydraulischen Aktor, zur Aktuierung der Verstelleinrichtung. Eine Verstelleinrichtung kann beispielsweise als Kurvengetriebe ausgestaltet sein. Grundsätzlich sind auch andere mechanische Mechanismen allein oder in Kombination denkbar, beispielsweise ausgewählt aus der Gruppe der Hebel, Konturen, Getriebe, Federn, etc. Insbesondere kann eine oder mehrere Federn zum Einstellen der Kräftegleichgewichte und somit zum Einstellen der Umschaltpunkte vorhanden sein.

Die elektrische Maschine ist insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrang eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs vorgesehen. Insbesondere ist die elektrische Maschine so dimensioniert, dass Fahrzeuggeschwindigkeiten größer als 50 km/h, vorzugsweise größer als 80 km/h und insbesondere größer als 100 km/h erreicht werden können. Besonders bevorzugt weist der Elektromotor eine Leistung größer als 30 kW, vorzugsweise größer als 50 kW und insbesondere größer als 70 kW auf. Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die elektrische Maschine Drehzahlen größer als 5.000 U/min, besonders bevorzugt größer als 10.000 U/min, ganz besonders bevorzugt größer als 12.500 U/min bereitstellt.

Die elektrische Maschine kann auch in einem elektrisch betreibbaren Achsantriebsstrang verbaut sein. Ein elektrischer Achsantriebsstrang eines Kraftfahrzeugs umfasst eine elektrische Maschine und ein Getriebe, wobei die elektrische Maschine und das Getriebe eine bauliche Einheit bilden. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine und das Getriebe in einem gemeinsamen Antriebsstranggehäuse angeordnet sind. Alternativ wäre es natürlich auch möglich, dass die elektrische Maschine ein Motorgehäuse und das Getriebe ein Getriebegehäuse besitzt, wobei die bauliche Einheit dann über eine Fixierung des Getriebes gegenüber der elektrischen Maschine bewirkbar ist. Diese bauliche Einheit wird gelegentlich auch als E-Achse bezeichnet.

Die elektrische Maschine kann besonders bevorzugt für eine Verwendung in einem Hybridmodul vorgesehen sein. In einem Hybridmodul können Bau- und Funktionselemente eines hybridisierten Antriebsstrangs räumlich und/oder baulich zusammengefasst und vorkonfiguriert sein, so dass ein Hybridmodul in einer besonders einfachen Weise in einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs integrierbar ist. Insbesondere können ein Elektromotor und ein Kupplungssystem, insbesondere mit einer Trennkupplung zum Einkuppeln des Elektromotors in und/oder Auskuppeln des Elektromotors aus dem Antriebsstrang, in einem Hybridmodul vorhanden sein. In einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass in der Steuereinrichtung für einen Betriebspunkt der elektrischen Maschine, umfassend einer Drehzahl und/oder einem Drehmoment der elektrischen Maschine, eine erste Gruppe und eine zweite Gruppe von Stromstärke-Stromwinkel-Paarungen gespeichert sind, wobei die erste Gruppe von Stromstärke-Stromwinkeln wenigstens eine Paarung von Stromstärke und Stromwinkel umfasst, die eine Überführung der Verstelleinrichtung aus dem ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand verhindert und wenigstens eine Paarung von Stromstärke und Stromwinkel umfasst, die eine Überführung der Verstelleinrichtung aus dem ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand bewirkt sowie die zweite Gruppe von Stromstärke- Stromwinkeln wenigstens eine Paarung von Stromstärke und Stromwinkel umfasst, die eine Überführung der Verstelleinrichtung aus dem zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand verhindert und wenigstens eine Paarung von Stromstärke und Stromwinkel umfasst, die eine Überführung der Verstelleinrichtung aus dem zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand bewirkt. Hierdurch kann insbesondere eine steuerungstechnisch einfache wie sichere Feldschwächung bewirkt werden. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die Verstelleinrichtung konfiguriert ist, mechanisch eine magnetische Feldschwächung zwischen dem Rotor und dem Stator, eine Aktuierung einer Kupplung und/oder eine Aktuierung einer Bremse zu bewirken. Insbesondre kann es sich bei einer Kupplung auch um eine Wirbelstromkupplung und/oder bei einer Bremse um eine Wirbelstrom bremse handeln.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die zweite Stromstärke und der zweite Stromwinkel so konfiguriert sind, eine verglichen mit der ersten Stromstärke und dem ersten Stromwinkel

Magnetfeldschwächung oder Magnetfeldverstärkung zu bewirken. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass eine sehr flexible und genaue Steuerung der elektrischen Maschine ermöglicht wird. Weiterhin wird so gemäß dem Stand der Technik ein Feldschwächbetrieb für höhere Drehzahlen ermöglicht wird, ohne das der magnetische Kreis bzw. die Dauermagnete mittels einer mechanischen

Verstellung beeinflusst werden.

Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die Verstelleinrichtung ausgebildet ist, den Luftspalt zwischen dem Stator und Rotor zu variieren, wodurch eine mechanisch einfache sowie funktionssichere Feldstärkung oder Feldschwächung bewirkt werden kann.

Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung als Axialflussmaschine kann es vorgesehen sein, dass auf der einen axialen Seite des Stators in einem axialen Abstand d, einen ersten Luftspalt L bildend, der erste Rotorkörper angeordnet ist, und mittels der Verstelleinrichtung der axiale Abstand d zwischen dem Rotorkörper und dem Stator über einen Verstellweg variierbar ist.

Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass die Steuereinheit eingerichtet ist, durch Einstellen einer vordefinierten Stromstärke und eines vordefinierten Stromwinkels, welche jeweils an dem Stator anliegen, eine axiale Kraft auf den Rotor auszuüben, welche geeignet ist, dass der axiale Abstand d durch die Verstelleinrichtung variiert wird. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass die Feldschwächung oder Feldstärkung alleinig durch eine einstellbare Axialkraft bewirkt wird.

Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Maschine, umfassend einen Stator und einen Rotor, wobei über ein vom Stator erzeugtes magnetisches Feld ein Motor-Drehmoment und/oder eine Motor- Kraft in den Rotor einleitbar ist, sowie eine mit dem Rotor und/oder Stator gekoppelte Verstelleinrichtung, wobei die Verstelleinrichtung aktuierbar ist, indem ein erstes Motor-Drehmoment und/oder eine erste Motor-Kraft an dem Rotor und/oder Stator die Verstelleinrichtung mechanisch durch Ausbildung eines ersten Kräfteungleichgewichts zwischen dem Rotor und der Verstelleinrichtung in einen ersten Betriebszustand versetzt, bei welchem ein erstes Magnetfeld zwischen dem Rotor und dem Stator ausgebildet ist, und ein zweites Motor-Drehmoment und/oder eine zweite Motor-Kraft an dem Rotor und/oder Stator die Verstelleinrichtung mechanisch durch Ausbildung eines zweiten Kräfteungleichgewichts zwischen dem Rotor und der Verstelleinrichtung in einen zweiten Betriebszustand versetzt, bei welchem ein von dem ersten Magnetfeld verschiedenes zweites Magnetfeld zwischen dem Rotor und dem Stator ausgebildet ist, wobei die elektrische Maschine ferner eine Steuereinheit zur Steuerung der Bestromung des Stators aufweist, umfassend die folgenden Schritte: a) Bestromung des Stators durch die Steuereinrichtung mit einer ersten Stromstärke und einem ersten Stromwinkel zur Erzeugung oder Beeinflussung des ersten Kräfteungleichgewichts, b) Ermittlung des an dem Rotor anliegenden Ist-Betriebspunkts, c) Vergleich des Ist-Betriebspunkts und/oder eines in der Steuereinheit gespeicherten oder ermittelten Soll-Betriebspunkts und/oder eines Kräfteungleichgewichts zwischen dem Rotor und der Verstelleinrichtung mit einem in der Steuereinrichtung gespeicherten oder ermittelten Entscheidungskriterium, d) wobei beim Erfüllen wenigstens eines Entscheidungskriteriums oder mehrerer Entscheidungskriterien von der Steuereinheit eine zweite Stromstärke und ein zweiter Stromwinkel eingestellt wird, so dass eine Aktuierung der Verstelleinrichtung bewirkt ist.

Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass der Ist-Betriebspunkt und/oder der Soll-Betriebspunkt wenigstens durch ein Motor- Drehmoment und eine Motordrehzahl definiert ist. Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass das Entscheidungskriterium ein mehrdimensionales Kennfeld umfasst, in welchem wenigstens ein Motor-Drehmoment und eine Motordrehzahl vorhanden sind.

Das mehrdimensionale Kennfeld kann neben dem Motor-Drehmoment und der Motordrehzahl, weitere Dimensionen wie beispielsweise den elektrischen Wirkungsgrad der elektrischen Maschineumfassen. Hierdurch kann eine sehr genaue, kennfeldorientierte Steuerung bzw. Reglung der elektrischen Maschine bewirkt werden.

Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch ein Computerprogrammprodukt, das auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, oder Computer- Datensignal, verkörpert durch eine elektromagnetische Welle, mit einem Computerprogrammcode, der geeignet ist zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 9-11.

Die Aufgabe der Erfindung wird schließlich auch gelöst durch eine Steuereinheit zur Steuerung der Bestromung einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 1-8, umfassend einen Prozessor und einen Speicher, der einen

Computerprogrammcode enthält, wobei der Speicher und der

Computerprogrammcode konfiguriert sind, mit dem Prozessor, die Steuereinheit zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 9-11 zu veranlassen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Es zeigen:

Figur 1 eine Axialflussmaschine in einer ersten Betriebsstellung in einer schematischen Axialschnittansicht,

Figur 2 eine Axialflussmaschine in einer zweiten Betriebsstellung in einer schematischen Axialschnittansicht,

Figur 3 ein Drehmoment-Stromwinkel-Diagramm und ein Axialkraft- Stromwinkel-Diagramm in einer Gegenüberstellung,

Figur 4 ein Ablaufdiagramm eines Steuerungsverfahrens, und

Figur 5 Darstellung des Stromwinkels an schematischen Querschnittsansichten des Stators.

Die Figur 1 zeigt eine als Axialflussmaschine in Fl-Ausführung konfigurierte elektrische Maschine 1 , umfassend einen Stator 2 und einen axial zweigeteilten Rotor 3, der über eine gemeinsame Rotorwelle 30 verfügt, an der die axial beabstandeten Rotorkörper 31 drehfest angeordnet sind. Über ein vom Stator 2 erzeugtes magnetisches Feld ist ein Motor-Drehmoment und/oder eine Motor-Kraft in den Rotor 3 einleitbar. Die elektrische Maschine 1 besitzt ferner eine mit dem Rotor 3 gekoppelte Verstelleinrichtung 4, wobei die Verstelleinrichtung 4 eingerichtet ist, mechanisch eine magnetische Feldschwächung zwischen dem Rotor 3 und dem Stator 2 zu bewirken, indem ein erstes Motor-Drehmoment und/oder eine erste Motor-Kraft an dem Rotor 3 und/oder Stator 2 die Verstelleinrichtung 4 mechanisch durch Ausbildung eines ersten Kräfteungleichgewichts in der Verstelleinrichtung 4 in einen ersten Betriebszustand versetzt, bei welchem ein erstes Magnetfeld zwischen dem Rotor 3 und dem Stator 2 ausgebildet ist. Dieser erste Betriebszustand ist in der Figur 1 gezeigt.

Über ein an dem Rotor 3 anlegbares zweites Motor-Drehmoment und/oder eine zweite Motor-Kraft kann die Verstelleinrichtung 4 mechanisch durch Ausbildung eines zweiten Kräfteungleichgewichts in der Verstelleinrichtung 4 in einen zweiten Betriebszustand versetzt werden, bei welchem ein von dem ersten Magnetfeld verschiedenes zweites Magnetfeld zwischen dem Rotor 3 und dem Stator 2 ausgebildet ist. Dieser Betriebszustand ist in der Figur 2 gezeigt.

Die gezeigte Verstelleinrichtung 4 ist grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt, so dass hier auf die Funktionsweise nur knapp eingegangen wird. Die gezeigte mechanische Verstelleinrichtung 4 ist als Kurvengetriebe ausgebildet, bei dem ein Wälzkörper axial zwischen zwei V-förmigen Laufbahnen aufgenommen ist und eine der V-förmigen Laufbahnen mit dem Rotorkörper 31 und die andere V- förmige Laufbahn drehfest mit der Rotorwelle 30 verbunden ist. Für einen Abgleich der Verstell-Kennlinie des magnetischen Flusses in Abhängigkeit der Steuergröße sind Gegenkräfte (z.B. mittels Federn) in die Verstelleinrichtung 4 integriert bzw. genutzt, welche gegen die Betätigungskräfte und gegen die magnetischen Kräfte zwischen Stator 2 und Rotor 3 wirken. Betätigungskräfte, magnetische Kräfte und Gegenkräfte bilden ein Kräftegleichgewicht, welches bei einer Veränderung des Gleichgewichtes (z.B. Änderung der Drehzahl, Änderung des Nutzmomentes) eine mechanische Verstellung der Bauteile im magnetischen Fluss bewirken. Grundsätzlich sind jedoch auch beliebig anders ausgebildete mechanische Verstelleinrichtungen 4 denkbar.

Abhängig vom relativen Verdreh-Winkel der beiden V-förmigen Laufbahnen zueinander, bewirken die V-förmigen Laufbahnen eine Kraft-Drehmoment- Übersetzung zwischen der axialen auf die V-förmigen Laufbahnen wirkende Kraft und des übertragenen Drehmoments, welches an den V-förmigen Laufbahnen anliegt. Die V-förmigen Laufbahnen sind so ausgelegt, dass sich bei unterschiedlicher Kraft bzw. bei unterschiedlichen Drehmomentverhältnissen, unterschiedliche relative Verdreh-Winkel zwischen den V-förmigen Laufbahnen einstellen. Die Axial-Kraft zwischen Rotor 3 und Stator 2 aufgrund der Magnet-Kräfte, die Gegenfedern, welche gegen die Magnetkräfte wirken, und die axiale Kraft von des Kurvengetriebes stehen im Gleichgewicht. Eine Veränderung des Motormoments und somit des übertragenen Drehmomentes zwischen den V-förmigen Laufbahnen bewirkt eine Veränderung der axialen Kraft aufgrund der Übersetzung des Kurvengetriebes. Diese Änderung wiederum bewirkt, dass sich die V-förmigen Laufbahnen gegeneinander Verdrehen, bis sich ein neues Gleichgewicht einstellt. Das Verdrehen der V-förmigen Laufbahnen bewirkt ein Verstellen des axialen Abstandes zwischen den Rotorscheiben 3 und dem Stator 2. Dies ist auch gut aus der Zusammenschau von Figur 1 mit Figur 2 ersichtlich, bei denen der magnetische Luftspalt verändert ist.

Nicht dargestellt sind optionale mechanische Endanschläge, welche die Bewegungen begrenzen (z.B. gegen Ende der V-förmingen Laufbahnen).

Die Axialflussmaschine 1 weist ferner eine Steuereinheit 5 zur Steuerung der Bestromung des Stators 2 auf, wobei zur Erzeugung des ersten

Kräfteungleichgewichts der Stator 2 von der Steuereinrichtung 5 mit einer ersten Stromstärke 21a und einem ersten Stromwinkel 22a bestromt wird und zur Erzeugung des zweiten Kräfteungleichgewichts der Stator 2 von der

Steuereinrichtung 5 mit einer zweiten Stromstärke 21b und einem zweiten Stromwinkel 212 bestromt wird, wobei die erste Stromstärke 21a von der zweiten Stromstärke 21b verschieden ist und/oder der erste Stromwinkel 22a von dem zweiten Stromwinkel 22b verschieden ist.

Aus der Zusammenschau der Figuren 1-2 wird ersichtlich, dass die zweite Stromstärke 21b und der zweite Stromwinkel 22b so konfiguriert sind, eine verglichen mit der ersten Stromstärke 21a und dem ersten Stromwinkel 22a Magnetfeldschwächung oder Magnetfeldverstärkung zu bewirken. Zur Herstellung der Magnetfeldschwächung oder Magnetfeldstärkung ist die Verstelleinrichtung 4 ausgebildet, den Luftspalt zwischen dem Stator 2 und Rotor 3 zu variieren. Auf der einen axialen Seite des Stators 2 ist in einem axialen Abstand d1, einen ersten Luftspalt L1 bildend, der erste Rotorkörper 31 angeordnet, wobei mittels der Verstelleinrichtung 4 der axiale Abstand d1 zwischen dem Rotorkörper 31 und dem

Stator 2 über einen Verstellweg variierbar ist. In den Figuren 1-2 sind an jedem der axial beabstandeten Rotorkörper 31 je eine Verstelleinrichtung 4 ausgebildet. Grundsätzlich wäre es natürlich auch denkbar, dass nur einer der Rotorkörper 31 eine Verstelleinrichtung 4 aufweist.

Die Steuereinheit 5 ist eingerichtet, durch Einstellen einer vordefinierten Stromstärke 21 und eines vordefinierten Stromwinkels 22, welche jeweils an dem Stator 2 anliegen, eine axiale Kraft 6 auf den Rotor 3 auszuüben, welche geeignet ist, dass der axiale Abstand d1 durch die Verstelleinrichtung 4 variiert wird. Dies wird nachfolgend noch näher erläutert. Figur 3 zeigt in dem oberen Diagramm exemplarisch das erzeugte Nutz-Drehmoment von zwei unterschiedlichen Stromamplituden in Abhängigkeit des Stromwinkels zur Rotorlage. Ersichtlich ist, dass z.B. ein Drehmoment von 200 N*m sowohl bei voller Stromstärke und ca. 160° Stromwinkel als auch bei halbem Strom und ca. 135 ° Stromwinkel erreicht werden kann. Bei anderen Stromstärken würden sich entsprechend weitere Winkel ergeben.

Das untere Diagramm der Figur 3 zeigt exemplarisch die magnetische axiale Kraft zwischen Rotor 3 und Stator 2 in Abhängigkeit des Stromwinkels für zwei unterschiedliche Stromstärken. Ersichtlich ist, dass z.B. bei vollem Strom und einem Winkel von 160° (gemäß vorigem Beispiel) sich eine axiale Kraft von 2500 N ergibt, während bei einem Winkel von 135° und halber Stromstärke sich eine axiale Kraft von ca. 5.500 N ergibt.

Der Stromwinkel wird anhand der Figur 5 näher erläutert. Der Stator 2 besitzt eine Statorstrom kom ponente Id und eine Statorstromkomponente Iq im d-q System. Die

Statorstromom ponente Id wird gelegentlich als Magnetisierungsstrom oder Leerlaufstrom und die Statorstrom kom ponente Iq als drehmomentbildender Anteil bezeichnet. Iq und Id sind Teilkomponenten des Statorstroms, welche durch eine Park-Transformation der Statorströme in das Rotorbezugssystem überführt wurden. Die Iq-Komponente ist gleichphasig mit der erzeugten Statorspannung und erzeugt einen magnetischen Fluss, der auf den Raum zwischen den Permanentmagnetfeldpolen zentriert ist. Id erzeugt einen magnetischen Fluss, der auf die Pole des Dauermagneten zentriert ist. Mit anderen Worten, eine fiktive d (direct)-Wicklung ist auf das Rotorfeld ausgerichtet, die fiktive q (quadrature)- Wicklung steht dazu senkrecht; sie führen die Ströme Id bzw. Iq. Aus den Strömen Id und Iq ergibt sich eine Magnetfeldrichtung im Stator 2 ohne Überlagerung des Motor- Magnetfelds, wie sie in der Figur 5 gezeigt ist. Der Stromwinkel ergibt sich aus der Winkeldifferenz der Magnetfeldrichtung im Rotor 3 ohne eine Überlagerung des Stator-Magnetfeldes und dieser Magnetfeldrichtung im Stator 2.

Indem nun mittels geeigneter Id/Iq-Kombinationen bzw. Kombinationen aus Stromstärke und Stromwinkel gezielt die axiale Kraft zwischen Rotor 3 und Stator 2 beeinflusst wird, kann das Kräftegleichgewicht der Verstelleinrichtung 4 gezielt beeinfluss werden. Eine Veränderung des Kräfte-Gleichgewichts bewirkt eine Veränderung des sich einstellenden Gleichgewichts der V-förmigen Laufbahnen und somit eine gezielte Beeinflussung der mechanischen Feldschwächung. Hieraus ergibt sich dann auch ein Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Maschine 1, wie sie aus den Figuren 1-2 bekannt ist. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte und ist schematisch in der Figur 4 gezeigt.

Zunächst erfolgt in einem ersten Verfahrensschritt a) eine Bestromung des Stators 2 durch die Steuereinrichtung 5 mit einer ersten Stromstärke 21a und einem ersten Stromwinkel 22a zur Ausbildung des ersten Kräfteungleichgewichts an der Verstelleinrichtung 4.

Es folgt eine Ermittlung des an dem Rotor 3 anliegenden Ist-Betriebspunkts in dem Verfahrensschritt b). Die Ermittlung kann durch eine Messung, eine Berechnung oder Schätzung eines oder mehrerer den Ist-Betriebspunkt charakterisierender Parameter erfolgen. Insbesondere wird in einem Ist-Betriebspunkt das aktuelle Motordrehmoment und die aktuelle Motordrehzahl ermittelt. In dem nachfolgenden Verfahrensschritt d) wird ein Vergleich des Ist-Betriebspunkts und/oder eines in der Steuereinheit 5 gespeicherten oder ermittelten Soll- Betriebspunkts und/oder eines Kräftegleichgewichts zwischen dem Rotor 3 und der Verstelleinrichtung 4 mit einem in der Steuereinrichtung 5 gespeicherten oder ermittelten Entscheidungskriterium 7 durchgeführt, wobei beim Erfüllen wenigstens eines Entscheidungskriteriums 7 oder mehrerer Entscheidungskriterien 7 von der Steuereinheit 5 in dem Verfahrensschritt d) eine zweite Stromstärke 21b und ein zweiter Stromwinkel 22b eingestellt wird, so dass eine Feldschwächung oder Feldstärkung des Magnetfelds zwischen dem Rotor 3 und dem Stator 2 bewirkt ist.

Der Ist-Betriebspunkt und/oder der Soll-Betriebspunkt sind wenigstens durch ein Motor-Drehmoment und eine Motordrehzahl definiert ist. Ersichtlich ist aus der Figur 4 ferner, dass das Entscheidungskriterium 7 ein mehrdimensionales Kennfeld umfasst, in welchem wenigstens ein Motor-Drehmoment und eine Motordrehzahl vorhanden sind. In dem gezeigten Beispiel besitzt das mehrdimensionale Kennfeld ferner den elektrischen Wirkungsgrad m als weitere Dimension. Flierdurch wird eine sehr genaue und sichere kennfeldorientierte Steuerung der mechanischen Feldschwächung ermöglicht.

Insbesondere ist es auch möglich, dass in der Steuereinrichtung 5 für einen in dem Kennfeld abgebildeten Betriebspunkt der elektrischen Maschine 1 , eine erste Gruppe 23 und eine zweite Gruppe 24 von Stromstärke-Stromwinkel-Paarungen gespeichert sind. Die erste Gruppe 23 von Stromstärke-Stromwinkeln umfasst wenigstens eine Paarung von Stromstärke 21a und Stromwinkel 22a, die eine Überführung der Verstelleinrichtung 4 aus dem ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand verhindert und wenigstens eine Paarung von Stromstärke 21a und Stromwinkel 22a, die eine Überführung der Verstelleinrichtung 4 aus dem ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand bewirkt. Die zweite Gruppe 23 von Stromstärke- Stromwinkeln umfasst wenigstens eine Paarung von Stromstärke 21b und Stromwinkel 22b, die eine Überführung der Verstelleinrichtung 4 aus dem zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand verhindert und wenigstens eine Paarung von Stromstärke 21a und Stromwinkel 22a, die eine Überführung der Verstelleinrichtung 4 aus dem zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand bewirkt.

Natürlich ist es möglich, das beschriebene Verfahren auch reversiert, also umgekehrt auszuführen, so dass der mit dem Verfahrensschritt d) erzeugte Betriebszustand wieder in den im Verfahrensschritt a) vorliegenden Betriebszustand der elektrischen Maschine 1 überführbar ist.

Das Verfahren kann insbesondere ausgebildet sein als ein Computerprogrammprodukt, das auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, oder Computer-Datensignal, verkörpert durch eine elektromagnetische Welle, mit einem Computerprogrammcode, der geeignet ist zur Durchführung des voranstehenden Verfahrens. Das Computerprogrammprodukt kann insbesondere auf einem mit dem Internet verbundenen Server bereitgestellt sein. In diesem Zusammenhang ist es besonders bevorzugt, dass das Computerprogrammprodukt vorgesehen ist, von einem mit dem Internet verbundenen Server in eine Steuereinheit 5 zur Steuerung der Bestromung einer elektrischen Maschine 1 geladen zu werden.

Die Steuereinheit 5 zur Steuerung der Bestromung einer elektrischen Maschine 1 , wie sie in den Figuren 1-2 abgebildet ist, umfasst einen Prozessor 51 und einen Speicher 52, der einen Computerprogrammcode enthält, wobei der Speicher 52 und der Computerprogrammcode konfiguriert sind, mit dem Prozessor 51, die Steuereinheit 5 zur Durchführung des aus der Figur 4 bekannten Verfahrens zu veranlassen.

Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung 'erste' und 'zweite' Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen. Bezuqszeichenliste

1 elektrische Maschine

2 Stator 3 Rotor

4 Verstelleinrichtung

5 Steuereinheit

6 Kraft

7 Entscheidungskriterium

21 Stromstärke

22 Stromwinkel

23 erste Gruppe

24 zweite Gruppe

30 Rotorwelle

31 Rotorkörper

51 Prozessor 52 Speicher