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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenlegung betrifft allgemein einen Rotor für eine elektromagnetische Vorrichtung und ein Verfahren zum Bilden des Rotors.
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Hintergrund
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Elektromagnetische Vorrichtungen wie z. B. Elektromotoren, Generatoren und Fahrmotoren sind nützlich, um eine Energieform in eine andere umzuwandeln. Es kann z. B. ein Elektromotor durch die Wechselwirkung von magnetischen Feldern und stromführenden Leitern elektrische Energie in mechanische Energie umwandeln. Im Gegensatz dazu kann ein Generator oder Dynamo mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln. Und andere elektromagnetische Vorrichtungen wie z. B. Fahrmotoren für Hybridfahrzeuge können sowohl als ein Elektromotor und/oder als ein Generator arbeiten.
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Elektromagnetische Vorrichtungen umfassen oft ein Element, das um eine zentrale Längsachse drehbar ist. Das drehbare Element, d. h. ein Rotor, kann koaxial mit einem statischen Element, d. h. einem Stator, sein und Energie kann über eine relative Rotation zwischen dem Rotor und dem Stator umgewandelt werden.
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Zusammenfassung
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Ein Rotor für eine elektromagnetische Vorrichtung umfasst ein Ankerblechpaket, das eine Vielzahl von dort hindurch verlaufenden Kanälen definiert, wobei die Vielzahl von Kanälen kreisringförmig um eine zentrale Rotorlängsachse herum angeordnet ist und wobei jeder Kanal einen gekrümmten Querschnitt aufweist. Der Rotor umfasst auch eine Vielzahl von Permanentmagneten, die jeweils innerhalb eines jeden Kanals angeordnet sind, wobei jeder Kanal mit dem Permanentmagnet im Wesentlichen gefüllt ist. Jeder der Permanentmagnete umfasst eine Vielzahl von permanent magnetischen Partikeln, die innerhalb eines Polymers verteilt sind, und jedes der permanent magnetischen Partikel weist ein magnetisches Moment auf, das permanent entlang eines magnetischen Feldes ausgerichtet ist.
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Ein Verfahren zum Bilden eines Rotors einer elektromagnetischen Vorrichtung umfasst, dass ein Kanal, der durch ein Ankerblechpaket definiert ist und einen gekrümmten Querschnitt aufweist, mit einer Aufschlämmung, die ein Polymer und eine Vielzahl von permanent magnetischen Partikeln umfasst, im Wesentlichen gefüllt wird, wobei jedes permanent magnetische Partikel ein magnetisches Moment aufweist. Das Verfahren umfasst auch, dass ein magnetisches Feld mit einer Vielzahl von magnetischen Feldlinien, die in einer vorbestimmten Geometrie angeordnet sind, an die Aufschlämmung in situ innerhalb des Kanals angelegt wird, um dadurch das magnetische Moment eines jeden permanent magnetischen Partikels entlang des magnetischen Feldes auszurichten. Außerdem umfasst das Verfahren, dass das Polymer ausgehärtet wird, um das magnetische Moment eines jeden permanent magnetischen Partikels permanent entlang des magnetischen Feldes auszurichten und dadurch einen Permanentmagnet innerhalb des Kanals anzuordnen, um den Rotor zu bilden. Der Permanentmagnet liegt an dem Ankerblechpaket an und füllt den Kanal im Wesentlichen, wobei der Kanal im Wesentlichen frei von einem Luftspalt zwischen dem Ankerblechpaket und dem Permanentmagnet ist.
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In einer Variante umfasst ein Verfahren zum Bilden eines Rotors einer elektromagnetischen Vorrichtung, dass ein Polymer und eine Vielzahl von permanent magnetischen Partikeln, die jeweils ein magnetisches Moment aufweisen, kombiniert werden, um eine Aufschlämmung zu bilden. Das Verfahren umfasst auch, dass die Aufschlämmung in einer flüssigen Phase in jeden einer Vielzahl von durch ein Ankerblechpaket definierten Kanälen eingespritzt wird, um dadurch jeden Kanal mit der Aufschlämmung im Wesentlichen zu füllen. Die Vielzahl von Kanälen ist kreisringförmig um eine zentrale Rotorlängsachse herum angeordnet und jeder Kanal weist einen gekrümmten Querschnitt auf. Nach dem Einspritzen umfasst das Verfahren, dass ein magnetisches Feld mit einer Vielzahl von magnetischen Feldlinien, die in einer vorbestimmten Geometrie angeordnet sind, an die Aufschlämmung in situ innerhalb des Kanals angelegt wird, um dadurch zumindest einen Abschnitt der Vielzahl von permanent magnetischen Partikeln zu drehen, um das magnetische Moment eines jeden permanent magnetischen Partikels entlang des magnetischen Feldes auszurichten. Gleichzeitig mit dem Anlegen umfasst das Verfahren, dass das Polymer in situ innerhalb eines jeden Kanals ausgehärtet wird, um das magnetische Moment eines jeden permanent magnetischen Partikels permanent entlang des magnetischen Feldes auszurichten und dadurch einen Permanentmagnet mit einem gekrümmten Querschnitt innerhalb eines jeden Kanals anzuordnen. Der Permanentmagnet liegt an dem Ankerblechpaket an und füllt jeden Kanal im Wesentlichen, wobei jeder Kanal im Wesentlichen frei von einem Luftspalt zwischen dem Ankerblechpaket und dem Permanentmagnet ist. Nach dem Aushärten umfasst das Verfahren, dass das magnetische Feld von dem Permanentmagnet ohne Rotation irgendeines der permanent magnetischen Partikel entfernt wird, um dadurch den Rotor zu bilden.
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Das Verfahren bildet einen Rotor, der ein kundenspezifisches, steuerbares magnetisches Profil aufweist. Das heißt, da der Rotor den Permanentmagnet mit einem gekrümmten Querschnitt umfasst, kann das wirksame magnetische Feld des Rotors für eine gewünschte Anwendung maßgeschneidert werden und eine Drehmomentwelligkeit kann reduziert werden. Da der Rotor ferner im Wesentlichen frei von Luftspalten zwischen dem Ankerblechpaket und dem Permanentmagnet ist, weist der Rotor den gleichen magnetischen Fluss von einer geringeren Menge permanent magnetischer Partikel auf, ohne dass dies auf Kosten der Drehmomentabgabe geht. Das Verfahren ermöglicht auch eine effiziente und kostengünstige Herstellung des Rotors, da der Rotor keine eigenen geradlinigen Magneten innerhalb der Kanäle des Rotors umfasst, welche eine langwierige Handmontage erfordern.
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Die oben stehenden Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenlegung sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der besten Arten, die Offenlegung auszuführen, in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen ohne weiteres verständlich.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine schematische perspektivische Explosionsdarstellung eines Vergleichsrotors, der einzelne Permanentmagnete umfasst, die innerhalb einer Vielzahl von Kanälen angeordnet sind, die durch ein Ankerblechpaket des Rotors definiert ist;
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2 ist eine schematische aufgeschnittene perspektivische Darstellung eines Abschnittes des Rotors von 1;
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3 ist eine schematische partielle perspektivische Darstellung eines Rotors einer elektromagnetischen Vorrichtung, die ein Ankerblechpaket umfasst, das eine Vielzahl von dort hindurch verlaufenden Kanälen definiert, wobei jeder Kanal einen gekrümmten Querschnitt aufweist und mit einem Permanentmagnet im Wesentlichen gefüllt ist;
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4 ist eine schematische partielle perspektivische Darstellung des Rotors von 3 und einer Düse, um jeden Kanal des Rotors mit einer Aufschlämmung im Wesentlichen zu füllen;
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5 ist eine schematische vergrößerte Ansicht eines Abschnittes der Aufschlämmung von 4, bevor ein magnetisches Feld mit einer Vielzahl von magnetischen Feldlinien, die in einer vorbestimmten Geometrie angeordnet sind, an die Aufschlämmung angelegt wird, um den Permanentmagnet von 3 zu bilden; und
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6 ist eine schematische vergrößerte fragmentarische Ansicht eines Abschnittes des Permanentmagnets von 3, der die Vielzahl von magnetischen Partikeln umfasst, die jeweils ein magnetisches Moment aufweisen, das permanent entlang des magnetischen Feldes ausgerichtet ist, nachdem das magnetische Feld an die Aufschlämmung der 4 und 5 angelegt wurde.
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Detaillierte Beschreibung
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Unter Bezugnahme auf die Fig., in denen sich gleiche Bezugsziffern auf gleichen Elemente beziehen, sind in 3 ein Rotor 10 und ein Stator 12 für eine elektromagnetische Vorrichtung 14 gezeigt. Wie unten stehend in größerem Detail dargelegt, kann der Rotor 10 für Anwendungen zweckdienlich sein, die elektromagnetische Vorrichtungen 14 mit sehr gutem Drehmomentausgang und minimierter Drehmomentwelligkeit erfordern. Die elektromagnetische Vorrichtung 14 kann z. B. als ein Elektromotor, ein Generator, ein kombinierter Elektromotor/Generator oder eine andere elektrische Maschine ausgebildet sein, die für Anwendungen zweckdienlich sein kann, welche Fahrmotoren für Hybridfahrzeuge und Motoren mit inneren Permanentmagneten für Anwendungen im Transportwesen umfassen, jedoch nicht darauf beschränkt sind.
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Zur allgemeinen Erklärung ist ein Vergleichsrotor 70 allgemein mit Bezugnahme auf 1 beschrieben. Der Rotor 70 kann eine Nabe 72 wie z. B. eine Motornabe umgeben und kann ein Ankerblechpaket 74 umfassen, das zwischen zwei Abschlussringen 76 entlang einer zentralen Längsachse 78 des Rotors 70 angeordnet ist. Im Spezielleren ist das Ankerblechpaket 74 allgemein aus einer Vielzahl von Stahlankerblechen 80 gebildet, die nebeneinander axial entlang der zentralen Langsachse 78 gestapelt sind. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Ausdruck „Stahlankerbleche” auf eine Stahlqualität, die oft Silizium umfasst und maßgeschneidert ist, um die gewünschten magnetischen Eigenschaften, z. B. geringe Energiedissipation pro Zyklus und/oder hohe Permeabilität, zu produzieren und geeignet ist, einen magnetischen Fluss zu transportieren. Wenngleich in 1 zu Veranschaulichungszwecken nicht maßstabsgetreu gezeigt, können die Stahlankerbleche 80 z. B. zu kreisringförmigen Schichten oder Ankerblechen mit einer Dicke von weniger als oder gleich etwa 2 mm gestanzt werden. Die kreisringförmigen Schichten können dann nebeneinander gestapelt werden, um das Ankerblechpaket 74 zu bilden. Das heißt, das Ankerblechpaket 74 von 1 kann in der Form von kalt gewalzten Bändern von Stahlankerblechen 80 vorliegen, die zusammengestapelt sind, um einen Kern des Vergleichsrotors 70 zu bilden.
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Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 1 definiert jedes Stahlankerblech 80 eine Vielzahl von Aussparungen 82, die um die zentrale Längsache 78 herum angeordnet sind. Wenn daher einzelne Stahlankerbleche 80 nebeneinander gestapelt sind, wie in 1 gezeigt, definiert das Ankerblechpaket 74 eine Vielzahl von symmetrischen dort hindurch verlaufenden Kanälen 84.
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Der Rotor 70 umfasst auch eine Vielzahl von einzelnen, symmetrischen, geradlinigen Magneten 86, die nebeneinander axial entlang der zentralen Längsachse 78 gestapelt sind, wie in den 1 und 2 gezeigt. Die einzelnen, symmetrischen, geradlinigen Magneten 86 füllen nicht den gesamten Restraum innerhalb der Kanäle 84 und definieren als solche eine Vielzahl von Luftspalten 88 (1) zwischen dem Ankerblechpaket 74 und den geradlinigen Magneten 86. Ferner können Gruppen von einzelnen Stahlankerblechen 80 in Bezug aufeinander schräg gestellt sein und die einzelnen geradlinigen Magneten 86 können daher ebenfalls in Bezug aufeinander schräg gestellt sein, wie am besten in 2 gezeigt.
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Unter nunmehriger Bezugnahme auf 3 ist der Rotor der vorliegenden Offenlegung allgemein bei 10 gezeigt. Zum Zweck der Veranschaulichung ist in 3 nur ein Abschnitt sowohl des Rotors 10 als auch des Stators 12 gezeigt. Im Betrieb können jedoch sowohl der Rotor 10 als auch der Stator 12 eine kreisringförmige Form aufweisen. Allgemein erklärt funktioniert die elektromagnetische Vorrichtung 14 durch eine relative Rotation zwischen dem Rotor 10 und dem Stator 12 um eine zentrale Rotorlängsachse 16. Wenngleich der Rotor 10 in 3 innerhalb des Stators 12 angeordnet gezeigt ist, d. h., im Vergleich zu dem Stator 12 näher bei der zentralen Rotorlängsachse 16 angeordnet ist, kann der Stator 12 alternativ innerhalb des Rotors 10 angeordnet sein.
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Wie in den 3 und 4 gezeigt, umfasst der Rotor 10 ein Ankerblechpaket 18, das eine Vielzahl von dort hindurch verlaufenden Kanälen 20 definiert. Das Ankerblechpaket 18 kann aus einer Vielzahl von einzelnen Stahlankerblechen 22 gebildet sein (4), die nebeneinander axial entlang der zentralen Rotorlängsachse 16 gestapelt sind. Das heißt, es können einzelne Stahlankerbleche 22 nebeneinander gestapelt sein, um die Vielzahl von Kanälen 20 durch das Ankerblechpaket 18 hindurch zu definieren. Wenngleich es von der gewünschten Anwendung der elektromagnetischen Vorrichtung 14 abhängig ist, kann das Ankerblechpaket 18 einen Außendurchmesser von etwa 100 mm bis etwa 250 mm aufweisen. Es werden jedoch auch größere und kleinere Ankerblechpakete 18 in Erwägung gezogen.
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Zum Zweck der Veranschaulichung wird in den 3 bzw. 4 speziell nur auf drei bzw. vier Kanäle 20 verwiesen. Die Zahl der Kanäle 20 für eine gewünschte Anwendung kann jedoch in Übereinstimmung mit elektromagnetischen Prinzipien festgelegt sein, die für einen Fachmann einzusehen sind. Bei einem nicht einschränkenden Beispiel kann das Ankerblechpaket 18 zwischen 8 und 16 Kanäle 20 definieren. Überdies, wie in 3 gezeigt, ist die Vielzahl von Kanälen 20 kreisringförmig, d. h. in einer Ringform, um die zentrale Rotorlängsachse 16 herum angeordnet. Solch eine kreisringförmige Anordnung der Kanäle 20 um die zentrale Rotorlängsachse 16 herum minimiert allgemein die Wahrscheinlichkeit, dass der Rotor 10 während des Betriebes axiale Kräfte in Bezug auf den Stator 12 erzeugt.
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Wie ferner in 4 gezeigt und nachfolgend in größerem Detail dargelegt, weist jeder Kanal 20 einen gekrümmten Querschnitt auf. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Ausdruck „gekrümmt” auf eine Form, die dadurch charakterisiert ist, dass sie einer gebogenen Linie folgt, die aus zumindest einem bogenförmigen Teilstück zusammengesetzt ist, d. h. eine Form, die nicht geradlinig ist. Der Kanal 20 kann z. B. kontinuierlich gekrümmt sein oder kann einen bogenförmigen Abschnitt aufweisen. Daher ist jeder Kanal 20 nicht geradlinig und kann durch gleichmäßige, fließende, sich biegende Linien definiert sein. Außerdem kann jeder der Vielzahl von Kanälen 20 eine im Wesentlichen ähnliche Form aufweisen. Das heißt, jeder der Vielzahl von Kanälen 20 kann parallel zu jedem anderen stehen, wenn sie kreisringförmig um die zentrale Rotorlängsachse 16 herum angeordnet sind. Ferner kann jeder der Vielzahl von Kanälen 20 im Wesentlichen von jedem von zwei benachbarten Kanälen 20 gleich beabstandet sein, um so die in 3 gezeigte kreisringförmige Konfiguration zu bilden. Solch eine gleiche Beabstandung zwischen jedem Kanal 20 trägt allgemein zu einem optimierten Drehmomentausgang der elektromagnetischen Vorrichtung 14 bei.
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Unter erneuter Bezugnahme auf 3 umfasst der Rotor 10 auch eine Vielzahl von Permanentmagneten 24. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Ausdruck „Permanentmagnet 24” auf ein Material oder einen Gegenstand das/der ein magnetisches Feld produziert und einen nicht rückgängig machbaren Magnetismus aufweist. Das heißt, jeder der Permanentmagnete 24 wird z. B. durch einen elektrischen Strom magnetisiert und erzeugt sein eigenes dauerhaftes, permanent magnetisches Feld, das sich nicht entmagnetisiert. Anders ausgedrückt wird im Gegensatz zu Weichmagneten der Magnetismus der Permanentmagnete 24 selbst nach dem Entfernen aus einem magnetischen Feld beibehalten. Es kann beispielsweise jeder der Permanentmagnete 24 seinen Magnetismus beibehalten, nachdem er durch einen elektrischen Strom magnetisiert wurde, und ist danach nicht auf äußere Einflüsse angewiesen, um ein magnetisches Feld zu erzeugen und entmagnetisiert sich nicht bei Nichtvorhandensein eines elektrischen Stroms. Die Permanentmagnete 24 sind im Gegensatz zu einem Weichmagneten auch hoch anisotrop, d. h. richtungsabhängig, und besitzen Eigenschaften, die sich je nach Richtung einer Messung unterscheiden.
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Wie am besten in 3 zu sehen, ist die Vielzahl von Permanentmagneten 24 jeweils mit jedem Kanal 20 angeordnet, wobei jeder Kanal 20 mit dem Permanentmagnet 24 im Wesentlichen gefüllt ist. Das heißt, es kann, unter Bezugnahme auf 3, jeder der Permanentmagnete 24 an dem Ankerblechpaket 18 anliegen, wobei jeder Kanal 20 im Wesentlichen frei von einem Luftspalt 88 (1) zwischen dem Ankerblechpaket 18 und dem Permanentmagnet 24 ist. Anders ausgedrückt füllt jeder der Permanentmagnete 24 im Wesentlichen eine Gesamtheit eines jeden Kanals 20, sodass jeglicher offene Restraum innerhalb des Kanals 20 mit dem Permanentmagnet 24 gefüllt ist.
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Unter erneuter Bezugnahme auf 3 kann, da jeder der Kanäle 20 einen gekrümmten Querschnitt aufweist, wie oben dargelegt, der Permanentmagnet 24, der innerhalb eines jeden Kanals 20 angeordnet ist, ebenso eine nicht geradlinige Form aufweisen. Im Speziellern kann unter Bezugnahme auf 3 jeder der Permanentmagnete 24 innerhalb eines jeden Kanals 20 einen gekrümmten Querschnitt in einer Ebene aufweisen, die zu der zentralen Rotorlängsachse 16 im Wesentlichen parallel steht. Der Permanentmagnet 24 innerhalb eines jeden Kanals 20 kann z. B. eine allgemein gekrümmte Form aufweisen, wie in den 3 und 4 gezeigt. Wenn er der Länge nach, d. h. in einer Ebene im Wesentlichen parallel zu der zentralen Rotorlängsachse 16, aufgeschnitten wird, kann der Permanentmagnet 24 innerhalb eines jeden Kanals 20 z. B. einen gekrümmten, gebogenen Querschnitt aufweisen. Das heißt, der Permanentmagnet 24 kann sich in Richtung der zentralen Rotorlängsachse 16 biegen, um so in Bezug auf eine Außenfläche 26 (3) des Rotors 10 nach innen verkrümmt zu sein. Darüber hinaus kann der Permanentmagnet 24 eine gebogene V-Form bilden, wie am besten im 4 gezeigt. Vorteilhafterweise kann der gekrümmte Querschnitt des Permanentmagnets 24 eine Schrägstellung des Permanentmagnets 24 um den Rotor 10 herum in Bezug auf eine Langsachse 28 (3) des Permanentmagnets 24 zulassen.
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Ebenso kann unter fortgesetzter Bezugnahme auf 3 jeder der Permanentmagnete 24 einen gekrümmten Querschnitt innerhalb eines jeden Kanals 20 in einer Ebene aufweisen, die zu der zentralen Rotorlängsachse 16 im Wesentlichen rechtwinklig steht. Wenn er daher seitlich, d. h. in einer Ebene, die im Wesentlichen rechtwinklig zu der zentralen Rotorlängsaehse 16 steht, aufgeschnitten wird, kann der Permanentmagnet 24 innerhalb eines jeden Kanals 20 z. B. einen geschwungenen, gebogenen Querschnitt aufweisen, wie in 4 gezeigt. Das heißt, der Permanentmagnet 24 kann sich in Bezug auf die zentrale Rotorlängsachse 16 (3) nach innen biegen.
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Es sollte daher einzusehen sein, dass der Permanentmagnet 24 innerhalb eines jeden Kanals 20 in drei Dimensionen, d. h. in der x-, der y- und der z-Achse (bei 30, 16 bzw. 32 in 3 gezeigt), gekrümmt sein kann. Das heißt, der Permanentmagnet 24 innerhalb eines jeden Kanals 20 kann maßgeschneidert sein, um mit jeder beliebigen Form der Vielzahl von Kanälen 20 zusammenzupassen und kann jede beliebige gekrümmte Form aufweisen. Der Permanentmagnet 24 innerhalb eines jeden Kanals 20 kann beispielsweise eine Form wie z. B. eine Spiralform, eine schräg gestellte Form, eine gewundene Form, eine gebogene Form, eine verdrehte Form, eine Wellenform und Kombinationen daraus aufweisen, ist jedoch nicht darauf beschränkt. In einem nicht einschränkenden, wenngleich nicht gezeigten, Beispiel kann der Permanentmagnet 24 eine kurvige oder wellige, gewundene Form aufweisen. Das heißt, der Permanentmagnet 24 kann sich in Bezug auf die zentrale Rotorlängsachse 16 sowohl nach innen als auch nach außen biegen, um in Bezug auf die äußere Fläche 26 (3) des Rotors 10 sowohl nach außen geschweift als auch nach innen geschweift zu sein und eine geschwungene S-Form zu bilden. Demzufolge kann der Rotor 10 maßgeschneidert sein, um die elektromagnetische Vorrichtung 14 vorzusehen, die ein wirksames magnetisches Feld einer beliebigen Form oder Geometrie aufweist, wie unten stehend in größerem Detail dargelegt.
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Unter nunmehriger Bezugnahme auf die 5 und 6 umfasst jeder der Permanentmagnete 24 (6) eine Vielzahl von permanent magnetischen Partikeln 34, die innerhalb eines Polymers 36 verteilt sind (5). Wenngleich in den 5 und 6 schematisch als Kugeln veranschaulicht, kann die Vielzahl von permanent magnetischen Partikeln 34 jede beliebige Form aufweisen. Die permanent magnetischen Partikel 34 können beispielsweise Blättchen, Späne, Pulver, Kugeln und Kombinationen daraus sein. Und jedes der Vielzahl von permanent magnetischen Partikeln 34 kann eine Partikelgröße von etwa 10 Mikrometer bis etwa 40 Mikrometer, im Spezielleren von etwa 15 Mikrometer bis etwa 30 Mikrometer, aufweisen. Solch eine Partikelgröße lässt eine entsprechende Verteilung der Vielzahl von permanent magnetischen Partikeln 34 innerhalb des Polymers 36 zu und gestattet es, die permanent magnetischen Partikel 34 innerhalb des Polymers 36 zu drehen, wie unten stehend in größerem Detail dargelegt.
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Wie in 6 schematisch veranschaulicht, weist jedes permanent magnetische Partikel 34 ein magnetisches Moment auf (allgemein durch einzelne Pfeile 38 dargestellt), das permanent entlang eines magnetischen Feldes 40 ausgerichtet ist. Allgemein erklärt ist das magnetische Moment 38 eines jeden permanent magnetischen Partikels 34 ein Vektor, der die gesamten magnetischen Eigenschaften der permanent magnetischen Partikel 34 charakterisiert, und ist ein Maß für eine Tendenz des permanent magnetischen Partikels 34, sich mit dem magnetischen Feld 40 auszurichten. Das magnetische Moment 38 besitzt sowohl eine Größe als auch eine Richtung. Im Gegensatz zu 5 ist das magnetische Moment 38 eines jeden permanent magnetischen Partikels 34 des Permanentmagnets 24 von 6 permanent entlang des magnetischen Feldes 40 ausgerichtet, wie nachfolgend in gröberem Detail dargelegt.
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Geeignete permanent magnetische Partikel 34 umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, ferromagnetische und/oder ferromagnetische Materialien, die Eisen, Nickel, Kobalt, Magneteisenstein, Legierungen aus Seltenerdmetallen (d. h. Scandium, Yttrium und die fünfzehn Lanthanoide einschließlich der vierzehn Elemente mit den Ordnungszahlen 58 bis 71 und Lanthan) und Kombinationen daraus umfassen, jedoch nicht darauf beschränkt sind. Die Vielzahl von permanent magnetischen Partikeln 34 kann z. B. aus Neodym mit einem Dreikomponentensystem, in welchem dem Neodym Eisen und Bor zugesetzt wurden (Nd-Fe-B), einem Samarium-Kobalt-Magneten, der aus einer Zweikomponentensystemlegierung aus Samarium und Kobalt (Sm-Co) hergestellt ist, und/oder einem Samarium-Eisen-Stickstoff-System (Sm-Fe-N) gebildet sein.
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Unter erneuter Bezugnahme auf 5 ist die Vielzahl von permanent magnetischen Partikeln 34 innerhalb des Polymers 36 verteilt, wie oben stehend dargelegt. Die permanent magnetischen Partikel 34 können z. B. innerhalb des Polymers 36 zufällig verteilt sein, sodass die permanent magnetischen Partikel 34 voneinander beabstandet sind. Daher kann der Permanentmagnet 24 eine zufällige Kombinationen oder Mischung aus den permanent magnetischen Partikel 34 und dem Polymer 36 sein, sodass einige von den permanent magnetischen Partikeln 34 näher zu benachbarten permanent magnetischen Partikeln 34 beabstandet sind als andere. Alternativ kann die Vielzahl von permanent magnetischen Partikeln 34 im gesamten Polymer 36 gleich beabstandet sein. Im Allgemeinen ist es wünschenswert, eine Konzentration der permanent magnetischen Partikel 34 innerhalb des Polymers 36 zu maximieren, um den Rotor 10 mit hervorragenden magnetischen Eigenschaften und Betriebseigenschaften zu versehen, wie nachfolgend in größerem Detail dargelegt.
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Das Polymer 36 kann in Übereinstimmung mit der gewünschten Anwendung des Rotors 10 und des Permanentmagnets 24 gewählt sein. Zum Beispiel kann das Polymer 36 für Kraftfahrzeuganwendungen derart gewählt sein, dass es für Betriebstemperaturen von etwa –75°C bis etwa 180°C geeignet ist. Das Polymer 36 kann eine Schmelzpunkttemperatur von mehr als etwa 300°C aufweisen. Ferner kann das Polymer 36 derart gewählt sein, dass es eine geeignete Viskosität aufweist, sodass die Vielzahl der innerhalb des Polymers 36 verteilten, permanent magnetischen Partikeln 34 in die Vielzahl der Kanäle 20 (3) des Rotors 10 gegossen, eingespritzt oder anderweitig eingebaut sein können. Das Polymer 36 kann z. B. eine Viskosität von etwa 1000 cP bis etwa 10000 cP bei einer Temperatur von 25°C aufweisen. Das Polymer 36 kann mithilfe eines Aktivierungskatalysators, über eine Erhöhung oder Verringerung der Temperatur oder mithilfe eines beliebigen Härtungsmechanismus ausgehärtet werden, wie einem Fachmann bekannt. Geeignete Polymere 36 umfassen thermoplastische Polymere, duroplastische Polymere und Kombinationen daraus, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Im Spezielleren kann das Polymer 36 aus Nylon, Polyphenylensulfid, Ethylen-Ethylacrylat, Polyestern, Polyesteramiden, Epoxiden, Polyimiden und Kombinationen daraus gewählt sein.
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Der Rotor 10 zeigt eine minimierte Drehmomentwelligkeit. Allgemein erklärt, ist die Drehmomentwelligkeit gleich einer Differenz zwischen minimalem Drehmoment und maximalem Drehmoment während einer Umdrehung des Rotors 10. Die Drehmomentwelligkeit ist ein Indikator für die Ineffizienz des Rotors 10 und der elektromagnetischen Vorrichtung 14. Die Drehmomentwelligkeit verhindert daher eine gleichmäßige Rotation des Rotors 10 und kann Lärm verursachen. Da der Rotor 10 Kanäle 20 mit einem gekrümmten Querschnitt zulässt, ist der innerhalb eines jeden Kanals 20 angeordnete Permanentmagnet 24 ebenfalls gekrümmt, minimiert Luftspalten 88 (1) und kann geformt sein, um unerwünschte Betriebseigenschaften wie z. B. Drehmomentwelligkeit zu kompensieren und/oder zu überwinden.
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Es ist hierin auch ein Verfahren zum Bilden des Rotors 10 unter Bezugnahme auf die 3–6 beschrieben. Das Verfahren umfasst, dass der Kanal 20 (4), der durch das Ankerblechpaket 18 (3 und 4) definiert ist und einen gekrümmten Querschnitt aufweist, mit einer Aufschlämmung 42 (4 und 5), die das Polymer 36 (5) und die Vielzahl von permanent magnetischen Partikeln 34 (5 und 6) umfasst, im Wesentlichen gefüllt wird, wobei jedes permanent magnetische Partikel 34 das magnetische Moment (Pfeile 38 der 5 und 6) aufweist. Der Kanal 20 (3 und 4) kann über einen beliebigen geeigneten Prozess im Wesentlichen gefüllt werden. Das im Wesentlichen Füllen kann z. B. umfassen, dass die Aufschlämmung 42 in einer flüssigen Phase unter Druck in den Kanal 20 eingespritzt wird. Das heißt, die Vielzahl von permanent magnetischen Partikeln 34 umfassende Polymer 36 kann nicht ausgehärtet sein und kann fließfähig und z. B. mithilfe einer Einspritzdüse 46 (4) oder einer anderen geeigneten Vorrichtung in den Kanal 20 einspritzbar sein. Die Aufschlämmung 42 kann in der flüssigen Phase unter einem geeigneten Druck eingespritzt werden, um den Kanal 20 ohne Beschädigung des Ankerblechpakets 18 (4) im Wesentlichen zu füllen. Wenngleich der Einspritzdruck in Übereinstimmung mit dem für eine gewünschte Anwendung gewählten Polymer 36 variieren wird, kann der Kanal 20 im Wesentlichen gefüllt werden, indem die Aufschlämmung 42 mit einem Druck von etwa 20 kPa bis etwa 70 kPa in den Kanal 20 eingespritzt wird.
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Ferner kann im Wesentlichen Füllen umfassen, dass die Aufschlämmung 42 in den Kanal 20 eingespritzt wird, ohne die Aufschlämmung 42 über die Umgebungstemperatur, z. B. über 25°C, zu erwärmen. Das heißt, die Aufschlämmung 42 kann unter Umständen keine zusätzliche Verflüssigung vor der Einspritzung in den Kanal 20 erfordern. Das heißt, die Aufschlämmung 42 kann z. B. gegebenenfalls vorher nicht in einer festen Form vorliegen, bevor sie zur Einspritzung in den Kanal 20 geschmolzen wird. Stattdessen kann die Aufschlämmung 42 in flüssiger Form ohne zusätzliche Erwärmung in den Kanal 20 eingespritzt werden.
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Wie oben stehend dargelegt und in Bezug auf die 3–5 beschrieben, wird der Kanal 20 im Wesentlichen gefüllt, sodass die Aufschlämmung 42 (4) an dem Ankerblechpaket 18 anliegt, wobei der Kanal 20 im Wesentlichen frei von jeglichem Luftspalt 88 (1) oder Freiraum zwischen dem Ankerblechpaket 18 und der Aufschlämmung 42 ist. Das heißt, die Aufschlämmung 42 füllt im Wesentlichen den gesamten gekrümmten Querschnitt des Kanals 20.
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Unter erneuter Bezugnahme auf die 5 und 6 umfasst das Verfahren ferner, dass das magnetische Feld 40 (6) mit einer Vielzahl von magnetischen Feldlinien 44, die in einer vorbestimmten Geometrie angeordnet sind, an die Aufschlämmung 42 in situ innerhalb des Kanals 20 (4) angelegt wird, um dadurch das magnetische Moment 38 eines jeden permanent magnetischen Partikels 34 entlang des magnetischen Feldes 40 auszurichten. Wie hierin verwendet bezieht sich der Ausdruck „in situ” auf das Anlegen des magnetischen Feldes 40 an Ort und Stelle, d. h. an die Aufschlämmung 42 innerhalb des Kanals 20 (3), nachdem der Kanal 20 mit der Aufschlämmung 42 im Wesentlichen gefüllt wurde. Das magnetische Feld 40 kann mithilfe eines/r beliebigen geeigneten Verfahrens und/oder Vorrichtung angelegt werden. Das magnetische Feld 40 kann z. B. an die Aufschlämmung 42 in situ innerhalb des Kanals 20 angelegt werden, indem der Kanal 20 und die Aufschlämmung 42 mit einem Leiter (nicht gezeigt) wie z. B. einer elektrischen Strom führenden Drahtspule umgeben werden, die das magnetische Feld 40 erzeugt. Alternativ kann das magnetische Feld 40 an die Aufschlämmung 42 in situ innerhalb des Kanals 20 angelegt werden, indem der Kanal 20 und/oder die Aufschlämmung 42 außerhalb des Ankerblechpakets 18 mit einem weiteren Permanentmagnet (nicht gezeigt) umgeben wird/werden.
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Das magnetische Feld 40 kann jede beliebige Geometrie oder Form aufweisen. Wenngleich die Vielzahl von magnetischen Feldlinien 44 in 6 schematisch mit einer allgemein bogenförmigen Form gezeigt sind, kann die Vielzahl von magnetischen Feldlinien 44 z. B. zusammenlaufen oder auseinanderlaufen, sie kann sich um den elektrischen Strom führenden Leiter herum winden und/oder sie kann allgemein parallel zueinander stehen. Ferner kann die Form des magnetischen Feldes 40 gewählt werden, bevor das magnetische Feld 40 an die Aufschlämmung 42 in situ innerhalb des Kanals 20 (4) angelegt wird. Das heißt, die Geometrie der Anordnung der Vielzahl von magnetischen Feldlinien 44 kann vorbestimmt, d. h. gewählt oder ausgewählt werden, indem z. B. eine Konfiguration des den elektrischen Strom führenden Leiters (nicht gezeigt) modifiziert wird. Anders ausgedrückt kann die Geometrie des an die Aufschlämmung 42 angelegten magnetischen Feldes 40 in Übereinstimmung mit einer gewünschten Form des wirksamen magnetischen Feldes des Rotors 10 vorbestimmt werden. Das heißt, das wirksame magnetische Feld des Rotors 10 kann abgestimmt werden, um ein kundenspezifisches, steuerbares, 3-dimensionales magnetisches Profil aufzuweisen.
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Unter erneuter Bezugnahme auf 6 richtet das Anlegen des magnetischen Feldes 40 das magnetische Moment 38 eines jeden permanent magnetischen Partikels 34 daher entlang des magnetischen Feldes 40 aus. Das Anlegen des magnetischen Feldes 40 kann z. B. das magnetische Moment 38 eines jeden permanent magnetischen Partikels 34 im Wesentlichen parallel zu einer der Vielzahl von magnetischen Feldlinien 44 ausrichten. Im Speziellen kann das Anlegen des magnetischen Feldes 40 umfassen, dass zumindest ein Abschnitt der Vielzahl von permanent magnetischen Partikeln 34 gedreht wird, um so jedes magnetische Moment (Pfeile 38 in den 5 und 6) im Wesentlichen parallel zu einem der Vielzahl von magnetischen Feldlinien 44 zu orientieren. Das magnetische Moment 38 einiger der permanent magnetischen Partikeln 34 kann z. B. infolge des im Wesentlichen Füllens des Kanals 20 mit der Aufschlämmung 42 anfänglich entlang der vorbestimmten Geometrie des magnetischen Feldes 40 angeordnet sein. Das Anlegen des magnetischen Feldes 40 in situ innerhalb des Kanals 20 kann dadurch jedes permanent magnetische Partikel 34 mit einem magnetischen Moment 38, das noch nicht entlang des angelegten magnetischen Feldes 40 ausgerichtet ist, physikalisch drehen, sodass jedes magnetische Moment 38 eines jeden permanent magnetischen Partikels 34 entlang einer der Vielzahl von magnetischen Feldlinien 44, d. h. entlang des magnetischen Feldes 40, orientiert wird.
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Das Verfahren umfasst ferner, dass das Polymer 36 (5) ausgehärtet wird, um das magnetische Moment 38 eines jeden permanent magnetischen Partikels 34 permanent entlang des magnetischen Feldes 40 auszurichten und dadurch den Permanentmagnet 24 (3 und 6) innerhalb des Kanals 20 (3) anzuordnen, um den Rotor 10 (3) zu bilden. Der Permanentmagnet 24 liegt an dem Ankerblechpaket 18 (3) an und füllt im Wesentlichen den Kanal 20, wobei der Kanal 20 im Wesentlichen frei von einem Luftspalt 88 (1) zwischen dem Ankerblechpaket (18) und dem Permanentmagnet 24 ist, wie oben stehend im Detail dargelegt.
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Das Polymer 36 (5) kann mithilfe eines beliebigen geeigneten Verfahrens ausgehärtet werden. Im Speziellen kann das Aushärten das Polymer 36 innerhalb des Kanals 20 (3) in situ verfestigen, um dadurch den Permanentmagnet 24 innerhalb des Kanals 20 anzuordnen. Im Spezielleren kann, wenngleich dies von dem für eine gewünschte Anwendung des Rotors 10 gewählten Polymer 36 abhängig ist, das Aushärten das Polymer 36 in situ innerhalb des Kanals 20 vernetzen, um dadurch den Permanentmagnet 24 innerhalb des Kanals 20 anzuordnen. In nicht einschränkenden Beispielen kann das Polymer 36 mithilfe eines Härters wie z. B. eines Vernetzungsmittels durch Erhöhen der Temperatur des Polymers 36 und Kombinationen daraus ausgehärtet werden.
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Für das Verfahren kann das Anlegen des magnetischen Feldes 40 (6) im Wesentlichen gleichzeitig mit dem Aushärten des Polymers 36 (5) erfolgen. Das heißt, das magnetische Feld 40 kann an die Aufschlämmung 42 (5) in situ innerhalb des Kanals 20 (3) angelegt werden, während das Polymer 36 aushärtet. Das Anlegen des magnetischen Feldes 40 gleichzeitig mit dem Aushärten lässt zu, dass sich die Vielzahl von permanent magnetischen Partikeln 34 permanent ausrichten, z. B. sich in eine permanente Orientierung dreht, sodass das magnetische Moment 38 eines jeden permanent magnetischen Partikels 34 entlang des magnetischen Feldes 40 ausgerichtet ist. Nachdem das Polymer 36 ausgehärtet ist, ist jedes magnetische Moment 38 damit permanent entlang, d. h. im Wesentlichen parallel zu, einer der Vielzahl von magnetischen Feldlinien 44 (6) des magnetischen Feldes 40 ausgerichtet.
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Somit kann der Rotor 10 für das Verfahren gebildet werden, ohne dass einzelne verbundene Magneten 86 (1) mit einer/m geradlinigen Form und/oder Querschnitt in die durch das Ankerblechpaket 18 (4) definierten Kanäle 20 (4) eingesetzt werden. Der Permanentmagnet 24 kann vielmehr mithilfe eines automatisierten Systems, z. B. der Einspritzdüse 46 (4), wie oben stehend dargelegt, gleichzeitig innerhalb eines jeden Kanals 20 angeordnet werden. Solch eine Automatisierung sieht im Vergleich zu einem Verfahren, das ein Einsetzen einzelner vorgeformter geradliniger Magneten 86 innerhalb eines jeden Kanals 20 per Hand umfasst, Kosten- und Zeiteinsparungen vor.
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In einem Beispiel, das auch mit Bezugnahme auf die 3–6 beschriebenen ist, umfasst das Verfahren, dass das Polymer 36 (5) und die Vielzahl von permanent magnetischen Partikeln 34 (5), die jeweils ein magnetisches Moment 38 (5) aufweisen, kombiniert werden, um die Aufschlämmung 42 (5) zu bilden. Das Verfahren umfasst ferner, dass die Aufschlämmung 42 in einer flüssigen Phase in jeden der Vielzahl von durch das Ankerblechpaket 18 (3) definierten Kanälen 20 eingespritzt wird, um dadurch jeden Kanal 20 mit der Aufschlämmung 42 im Wesentlichen zu füllen, wobei die Vielzahl von Kanälen 20 kreisringförmig um die zentrale Rotorlängsachse 16 herum angeordnet ist und jeder Kanal 20 einen gekrümmten Querschnitt aufweist, wie in 3 gezeigt.
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Nach dem Einspritzen umfasst das Verfahren, dass das magnetische Feld 40 (6) mit der Vielzahl von in der vorbestimmten Geometrie angeordneten magnetischen Feldlinien 44 an die Aufschlämmung 42 (5) in situ innerhalb eines jeden Kanals 20 (4) angelegt wird, um dadurch zumindest einen Abschnitt der Vielzahl von permanent magnetischen Partikeln 34 (5 und 6) zu drehen, um das magnetische Moment 38 (6) eines jeden permanent magnetischen Partikels 34 entlang des magnetischen Feldes 40 zu orientieren.
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Gleichzeitig mit dem Anlegen umfasst das Verfahren, dass das Polymer 36 (5) in situ innerhalb eines jeden Kanals 20 (3) ausgehärtet wird, um das magnetische Moment 38 eines jeden permanent magnetischen Partikels 34 permanent entlang des magnetischen Feldes 40 auszurichten und dadurch den Permanentmagnet 24 (3 und 6) mit einem gekrümmten Querschnitt innerhalb eines jeden Kanals 20 anzuordnen. Unter Bezugnahme auf 3 liegt der Permanentmagnet 24 an dem Ankerblechpaket 18 an und füllt im Wesentlichen jeden Kanal 20, wobei jeder Kanal 20 im Wesentlichen frei von einem Luftspalt 88 (1) zwischen dem Ankerblechpaket 18 und dem Permanentmagnet 24 ist.
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Nach dem Aushärten, wie unter Bezugnahme auf 6 beschrieben, umfasst das Verfahren, dass das magnetische Feld 40 von dem Permanentmagnet 24 ohne Drehung irgendeines der permanent magnetischen Partikel 34 entfernt wird, um dadurch den Rotor 10 (3) zu bilden. Das magnetische Feld 40 kann z. B. entfernt werden, indem der durch den zuvor erwähnten Leiter fließende elektrische Strom unterbrochen wird, oder indem das Ankerblechpaket 18 (3) von einem äußeren Magneten entfernt angeordnet wird. Der Permanentmagnet 24 von 3 weist daher eine permanente Magnetisierung auf und entmagnetisiert sich beim Entfernen des magnetischen Feldes 40 nicht. Ferner dreht sich keines der permanent magnetischen Partikeln 34 nach Entfernung des magnetischen Feldes 40, sodass es mit der vorbestimmen Geometrie des magnetischen Feldes 40 fehlausgerichtet ist.
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Das Verfahren ermöglicht die Bildung des Rotors 10 mit den kundenspezifischen, steuerbaren 3-dimensionalen magnetischen Profilen. Das heißt, da der Rotor 10 den Permanentmagnet 24 mit einem gekrümmten Querschnitt umfasst, kann das magnetische Feld 40 des Rotors 10 für eine gewünschte Anwendung maßgeschneidert werden und die Drehmomentwelligkeit kann reduziert werden. Außerdem, da der Rotor 10 im Wesentlichen frei von Luftspalten 88 zwischen dem Ankerblechpaket 18 und dem Permanentmagnet 24 ist, weist der Rotor 10 den gleichen magnetischen Fluss aus einer geringeren Anzahl von permanent magnetischen Partikeln 34 auf, ohne dass dies auf Kosten des Drehmomentausganges geht. Das Verfahren ermöglicht auch eine effiziente und kostengünstige Herstellung des Rotors 10, da der Rotor 10 keine eigenen geradlinigen Magneten 86 innerhalb der Kanäle 20 des Rotors 10 umfasst, welche eine langwierige Handmontage erfordern.
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Während die besten Arten, die Offenlegung auszuführen, im Detail beschrieben wurden, wird ein Fachmann auf dem Gebiet, auf das sich die Offenlegung bezieht, verschiedene alternative Ausgestaltungen und Ausführungsformen erkennen, um die Offenlegung innerhalb des Schutzumfanges der beiliegenden Ansprüche praktisch umzusetzen.
