DE102010014820A1

DE102010014820A1 - Permanentmagnetmaschine mit konischem Stator

Info

Publication number: DE102010014820A1
Application number: DE102010014820A
Authority: DE
Inventors: Timothy J. Ind. Alfermann; Arthur L.jr. Ind. McGrew; Ahmed M. Ind. El-Antably
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC; General Motors LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC; General Motors LLC
Priority date: 2009-04-16
Filing date: 2010-04-13
Publication date: 2011-07-14
Also published as: CN101867274A; US20100264768A1

Abstract

Eine Permanentmagnetmaschine umfasst einen Stator, einen Rotor, der zur koaxialen Rotation mit Bezug auf den Stator ausgestaltet ist und eine Vielzahl von damit gekoppelten Permanentmagneten aufweist, und einen Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor, der eine Größe aufweist, die kontinuierlich einstellbar ist. Der Luftspalt kann eingestellt werden, um ein Drehmoment zu optimieren, um eine Gegen-EMK zu minimieren oder um einen beliebigen Kennwert der Permanentmagnetmaschine während einer Rotation zu optimieren.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Permanentmagnetmaschinen, und sie betrifft insbesondere Systeme und Verfahren, um den Betriebsbereich und das Drehmoment derartiger Maschinen zu erweitern.
HINTERGRUND
Permanentmagnetmaschinen werden in einer Vielfalt von Kontexten verwendet, welche Hybridautos, herkömmliche Kraftfahrzeuge und dergleichen umfassen. Im Allgemeinen umfasst eine typische Permanentmagnetmaschine einen Rotor, der einen Satz von Permanentmagneten aufweist, die an seiner Außenseite angebracht oder darin eingebettet sind, der ausgestaltet ist, um bezüglich eines Stators axial zu rotieren. Der Stator und der Rotor sind allgemein konzentrisch, sodass ein fester Luftspalt dazwischen ausgebildet ist.
Gegenwärtig bekannte Permanentmagnetmaschinen sind in mehrerer Hinsicht nicht zufriedenstellend. Zum Beispiel ist es bekannt, dass der zum Erreichen eines maximalen Drehmoments notwendige Luftspalt nicht bei jeder gegebenen Rotationsgeschwindigkeit konstant ist. Somit stellen herkömmliche Maschinen mit fester Luftspalt typischerweise ein optimales Drehmoment über einen schmalen Drehzahlbereich bereit.
Außerdem ist die von einer Permanentmagnetmaschine erzeugte Gegen-EMK eine Funktion der Luftspaltgröße. Während einer Störungsbedingung kann diese Gegen-EMK-Spannung wesentlich genug sein, um einen Ausfall des Gleichrichter/Wechselrichter-Schalters zu bewirken. Es wäre daher wünschenswert, den Luftspalt unter gewissen Bedingungen zu erhöhen, um die Gegen-EMK zu verringern, wodurch die Spannungsanforderungen des Wechselrichter-Schalters verringert werden.
Es ist folglich wünschenswert, verbesserte Permanentmagnetmaschinen mit optimierten Drehmomentkennwerten zu schaffen. Zusätzliche wünschenswerte Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden genauen Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den beliegenden Zeichnungen und dem vorstehenden technischen Gebiet und Hintergrund.
KURZZUSAMMENFASSUNG
Eine Permanentmagnetmaschine gemäß einer Ausführungsform umfasst einen Stator, einen Rotor, der zur koaxialen Rotation mit Bezug auf den Stator ausgestaltet ist und eine Vielzahl von Permanentmagneten aufweist, die damit gekoppelt sind, und einen Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor, der eine Größe aufweist, die kontinuierlich einstellbar ist, um das Drehmoment zu optimieren, die Gegen-EMK zu verringern und dergleichen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung kann durch Bezugnahme auf die genaue Beschreibung und die Ansprüche abgeleitet werden, wenn sie in Verbindung mit den folgenden Figuren gelesen werden, wobei gleiche Bezugszeichen über die Figuren hinweg ähnliche Elemente bezeichnen.
1 ist eine allgemeine axiale Querschnittsansicht einer typischen Permanentmagnetmaschine mit oberflächenmontierten Magneten; und
2 und 3 sind konzeptionelle Seitenansichten einer Permanentmagnetmaschine gemäß einer Ausführungsform, die einen variablen Luftspalt veranschaulichen.
GENAUE BESCHREIBUNG
Die folgende Erörterung bezieht sich allgemein auf eine Permanentmagnetmaschine mit einem kegelförmigen oder konischen Stator (und einem dazu passenden Rotor), der axial verschoben werden kann, um einen variablen Luftspalt zu erreichen. Diesbezüglich ist die folgende genaue Beschreibung rein veranschaulichender Natur und nicht dazu gedacht, die Erfindung oder die Anwendung und Verwendungsmöglichkeiten der Erfindung einzuschränken. Darüber hinaus besteht nicht die Absicht, durch irgendeine explizite oder implizite Theorie gebunden zu sein, die in dem vorstehenden technischen Gebiet, dem Hintergrund, der Kurzzusammenfassung oder der folgenden genauen Beschreibung dargestellt ist. Der Kürze halber müssen herkömmliche Techniken und Prinzipien mit Bezug auf Magnetismus, Permanentmagnetmaschinen, Motoren und dergleichen nicht beschrieben werden und werden hier auch nicht beschrieben.
1 stellt einen axialen Querschnitt einer typischen Permanentmagnetmaschine 100 dar, der zur Beschreibung der vorliegenden Erfindung nützlich ist. Im Allgemeinen weist ein Rotor 120 einen Satz von Permanentmagneten auf, die an seiner Außenseite angebracht sind, und ist ausgestaltet, um mit Bezug auf einen Stator 110 axial zu rotieren, wodurch er eine Rotation einer Welle 130 bewirkt. Der Stator 110 und der Rotor 120 sind allgemein konzentrisch, sodass ein Luftspalt 115 dazwischen ausgebildet ist.
Mit Bezug auf die in 2 und 3 gezeigten seitlichen Querschnittsansichten umfasst eine Permanentmagnetmaschine (oder einfach ”Maschine”) 100 gemäß der vorliegenden Erfindung allgemein einen Stator 110 und einen Rotor 120, welcher zur koaxialen Rotation mit Bezug auf den Stator 110 ausgestaltet ist und eine Vielzahl von Permanentmagneten aufweist, die in die äußere Oberfläche eingebaut sind (nicht gezeigt).
Ein Luftspalt 115 ist zwischen der äußeren Oberfläche des Rotors 120 und der inneren Oberfläche des Stators 110 ausgebildet. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Größe des Luftspalts 115 kontinuierlich einstellbar, wodurch ermöglicht wird, dass die Arbeitsweise der Maschine 100 in Übereinstimmung mit beliebigen gewünschten Kriterien optimiert werden kann.
Sowohl der Stator 110 als auch der Rotor 120 weisen eine allgemein kegelförmige innere Oberfläche auf. Das heißt, dass der Durchmesser entlang der z-Achse (der Rotationsachse 102) monoton zunimmt oder abnimmt. Bei der veranschaulichten Ausführungsform sind die innere Oberfläche des Stators 110 und die äußere Oberfläche des Rotors 120 beide allgemein konisch und konzentrisch. Somit ist ein konsistenter Spalt 115 mit einer Größe d₁ zwischen den zwei Oberflächen ausgebildet.
Wie in 3 veranschaulicht ist, ist der Rotor 120 zur axialen Verschiebung (Δx) innerhalb des Stators 110 ausgestaltet, wodurch der Luftspalt 115 zunimmt und abnimmt (z. B. d₂ > d₁). Das Verhältnis der axialen Verschiebung zur Veränderung der Größe des Luftspalts Δd (nämlich Δx/Δz) kann gewählt werden, um eine beliebige gewünschte Auflösung und einen beliebigen gewünschten Bereich von Luftspaltwerten zu erreichen. Bei einer Ausführungsform liegt dieses Verhältnis beispielsweise zwischen etwa 2,9 und 5,75. Die Konusgestalten, die den Rotor und den Stator definieren, können ein beliebiges geeignetes Verhältnis von Basis zu Höhe aufweisen – z. B. zwischen etwa 0,25 und 3,0. Der Spalt kann beispielsweise zwischen etwa 0,7 mm und 4,0 mm eingestellt werden.
Da der Luftspalt 115 während der Rotation kontinuierlich einstellbar ist, kann er während der Rotation verändert werden, während eine Eigenschaft der Permanentmagnetmaschine überwacht wird, wodurch ermöglicht wird, dass diese Eigenschaft optimiert wird. Bei einer Ausführungsform kann das Drehmoment der Maschine 100 maximiert werden, während beispielsweise die Gegen-EMK für beliebige spezielle Bedingungen minimiert wird. Derartige Einstellungen können gesteuert werden (Einstellen einer speziellen Luftspaltgröße, um ein entsprechendes empirisch ermitteltes Drehmoment zu erreichen) oder geregelt werden (Bereitstellen eines Regelungssystems, das einen Kennwert kontinuierlich überwacht und die Luftspaltgröße iterativ verändert, um diesen Kennwert zu optimieren).
Die gegenwärtigen Erfinder haben herausgefunden, dass das vorstehend beschriebene einstellbare Luftspaltsystem zu einer Permanentmagnetmaschine mit sehr wünschenswerten Kennwerten führt. Zum Beispiel kann durch Variieren des Luftspalts als Funktion der Rotationsgeschwindigkeit eine größere Leistungsausgabe innerhalb beliebiger vorgegebener Raumbeschränkungen erreicht werden. Wenn der Luftspalt vergrößert wird, wird gleichzeitig die EMK-Spannung verringert. Während einer Störungsbedingung kann eine derartige EMK-Spannung zu einem Ausfall eines beliebigen zugehörigen Gleichrichter/Wechsel-Schalters führen. Ein Verringern der EMK-Spannung verringert daher die Spannungsanforderungen des Gleichrichter/Wechselrichter-Schalters.
Obwohl mindestens eine beispielhafte Ausführungsform in der vorstehenden genauen Beschreibung dargestellt wurde, ist festzustellen, dass eine große Anzahl an Variationen existiert. Es ist auch festzustellen, dass die beispielhafte Ausführungsform oder die Ausführungsformen, die hier beschrieben sind, keinesfalls zum Einschränken des Umfangs, der Anwendbarkeit oder der Ausgestaltung der Erfindung gedacht sind. Die vorstehende genaue Beschreibung stellt Fachleuten eine brauchbare und hilfreiche Anleitung zur Implementierung der beschriebenen Ausführungsform oder Ausführungsformen bereit. Es versteht sich, dass in der Funktion und Anordnung von Elementen verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne den Umfang der Erfindung und die juristischen Äquivalente derselben zu verlassen.

Claims

Permanentmagnetmaschine, die umfasst: einen Stator; einen Rotor, der zur koaxialen Rotation mit Bezug auf den Stator ausgestaltet ist und eine Vielzahl von Permanentmagneten aufweist, die damit gekoppelt sind; und einen Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor; wobei die Größe des Luftspalts kontinuierlich einstellbar ist.
Permanentmagnetmaschine nach Anspruch 1, wobei der Stator eine allgemein kegelförmige innere Oberfläche aufweist, der Rotor eine allgemein kegelförmige äußere Oberfläche aufweist, und der Luftspalt durch die innere Oberfläche des Stators und die äußere Oberfläche des Rotors definiert ist.
Permanentmagnetmaschine nach Anspruch 2, wobei sowohl die innere Oberfläche des Stators als auch die äußere Oberfläche des Rotors allgemein konisch und konzentrisch sind.
Permanentmagnetmaschine nach Anspruch 3, wobei der Rotor zu axialen Verschiebung in dem Stator ausgestaltet ist, wobei das Verhältnis einer axialen Verschiebung zur Veränderung der Größe des Luftspalts insbesondere zwischen etwa 2,9 und 5,75 liegt.
Stator für eine Permanentmagnetmaschine, der umfasst: eine Vielzahl von oberflächenmontierten Magneten, die eine äußere Oberfläche definieren; wobei die äußere Oberfläche allgemein kegelförmig und zur axialen Verschiebung innerhalb eines dazu passenden Rotors ausgestaltet ist.
Stator nach Anspruch 5, wobei die äußere Oberfläche konisch ist.
Stator nach Anspruch 6, wobei die äußere Oberfläche durch einen Konus definiert ist, der ein Verhältnis von Basis zu Höhe zwischen etwa 0,25 und 3,0 aufweist.
Verfahren zum Betreiben einer Permanentmagnetmaschine, das umfasst, dass: ein Stator bereitgestellt wird; ein Rotor bereitgestellt wird, der zur koaxialen Rotation mit Bezug auf den Stator ausgestaltet ist und eine damit gekoppelte Vielzahl von Permanentmagneten aufweist, wobei ein Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor definiert ist; die Position des Rotors mit Bezug auf den Stator während einer Rotation eingestellt wird, um die Größe des Luftspalts einzustellen.
Verfahren nach Anspruch 8, das ferner umfasst, dass der Luftspalt während einer Rotation kontinuierlich eingestellt wird, während eine Eigenschaft der Permanentmagnetmaschine überwacht wird, um diese Eigenschaft zu optimieren, wobei die Eigenschaft insbesondere ein Drehmoment ist.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass der Luftspalt kontinuierlich eingestellt wird, um eine Gegen-EMK zu minimieren.