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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Offenbarung betrifft Statoren für Elektromotoren.
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HINTERGRUND
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Die Aussagen in diesem Abschnitt stellen nur Hintergrundinformationen mit Bezug auf die vorliegende Offenbarung bereit. Folglich sind diese Aussagen nicht dazu gedacht, eine Anerkennung des Standes der Technik zu bilden.
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Bekannte Elektromotoren umfassen Permanentmagnet-Elektromotoren, die elektrische Leistung in ein mechanisches Drehmoment umformen. Permanentmagnet-Elektromotoren können mehrphasige Elektromotoren mit innen liegenden Permanentmagneten (IPM-Elektromotoren) sein, die einen kreisringförmigen Stator umfassen, in den ein Rotorelement eingeführt ist. Bekannte Statoren umfassen einen kreisringförmigen Statorkern und eine Vielzahl elektrischer Wicklungen. Bekannte Statorkerne umfassen eine Vielzahl von radial nach innen hin vorstehenden Zahnelementen, die zu einer Längsachse des Elektromotors parallel sind und einen Innenumfang des Stators definieren. Aneinander angrenzende radial nach innen vorstehende Zahnelemente bilden radial ausgerichtete Längsnuten. Elektrische Wicklungen sind aus Adern eines geeigneten leitfähigen Materials, z. B. Kupfer oder Aluminium, hergestellt und zu Spulengruppen verwoben oder anderweitig angeordnet, die in die radial ausgerichteten Nuten zwischen den Zahnelementen eingeführt sind. Elektrische Wicklungen sind elektrisch in Reihe in kreisförmiger Weise um den Umfang des Statorkerns herum angeordnet, wobei jede elektrische Wicklung einer einzelnen Phase des Elektromotors zugeordnet ist. Jede Spulengruppe der elektrischen Wicklungen stellt einen einzelnen Pol einer einzelnen Phase des Motorbetriebs bereit. Die Menge der radial ausgerichteten Nuten im Statorkern wird auf der Grundlage der Menge der Phasen und Pole der elektrischen Verdrahtungswicklungen für den Elektromotor festgelegt. Folglich wird ein dreiphasiger Induktionsmotor mit zwei Polen elektrische Wicklungen aufweisen, die als sechs Spulengruppen konfiguriert sind, wobei die Spulengruppen in sechs Nuten oder einer Menge von Nuten, die ein Vielfaches von sechs ist, konfiguriert sind. Ein Stromfluss durch die elektrischen Wicklungen wird verwendet, um rotierende Magnetfelder zu erzeugen, die auf einen Rotor wirken, um Drehmoment an einer Welle des Rotors zu induzieren.
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Bekannte Rotoren für Permanentmagnet-Elektromotoren enthalten einen Rotorkern, der an einer Drehwelle angebracht ist, die eine Rotationsachse definiert. Bekannte Rotoren weisen eine Vielzahl von Rotormagneten auf, die um den Umfang in der Nähe einer Außenoberfläche des Rotorkerns positioniert sind, wobei jeder Rotormagnet in Längsrichtung auf die Rotationsachse ausgerichtet ist.
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Bekannte Permanentmagnet-Elektromotoren umfassen einen Luftspalt zwischen Zahnelementen eines Stators und einer Außenoberfläche eines Rotors. Ein Luftspalt ist ein Konstruktionsmerkmal, das notwendig ist, um Fertigungstoleranzen aufzunehmen, den Zusammenbau zu erleichtern und andere bekannte Faktoren anzusprechen. Ein Luftspalt wird vorzugsweise minimiert, da ein erhöhter Luftspalt mit einem verringerten Magnetfluss und somit einem reduzierten Ausgabedrehmoment korreliert ist.
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Wenn ein elektrischer Strom durch die Statorwicklungen fließt, wird ein Magnetfeld entlang der elektrischen Wicklungen induziert, welche einer einzelnen Phase des Abschnitts des Stators zugeordnet sind, das auf die Rotormagnete des Rotorelements einwirkt. Das Magnetfeld induziert ein Drehmoment an der Drehwelle des Rotors. Wenn das Magnetfeld genügend Drehmoment induziert, um eine Lagerreibung und eine beliebige auf der Welle induzierte Drehmomentlast zu überwinden, dreht der Rotor die Welle.
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Im Betrieb sind Unstetigkeiten bei der Motordrehmomentausgabe, welche Drehmomentwelligkeiten umfassen, mit der Größe eines Luftspalts verbunden. Der Luftspalt und die zugehörigen Unstetigkeiten bei der Motordrehmomentausgabe betreffen eine maximale Motordrehmomentausgabe und sie betreffen das Geräusch-, Vibrations- und Rauhigkeitsverhalten des Elektromotors.
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Die Konstruktion von Permanentmagnet-Elektromotoren umfasst Faktoren mit Bezug auf Magnetismus, Mechanik, Thermodynamik, Elektronik, Akustik und Materialwissenschaften. Es ist bekannt, dass Leistungsanforderungen, Verpackungsbeschränkungen und Kosten der Motorkonstruktion Beschränkungen auferlegen, welche Konstruktionsmerkmale betreffen. Bekannte Leistungsanforderungen umfassen eine maximale Motordrehmomentausgabe, eine Drehmomentwelligkeit und ein Nutrastmoment, welche das Geräusch-, Vibrations- und Rauhigkeitsverhalten des Elektromotors beeinflussen. Bekannte Permanentmagnet-Elektromotoren weisen eine Flussverteilung aufgrund der Permanentmagnete und der magnetomotorischen Kräfte des Ankers auf, die mit Bezug auf die Rotorwinkelposition nicht sinusförmig sind. Die nicht sinusförmige Flussverteilung bringt Drehmomentimpulse mit sich, die als Drehzahlwelligkeit, Geräusche und Vibrationen widergespiegelt werden. Drehmomentimpulse können die Leistung von Permanentmagnet-Elektromotoren verschlechtern und werden vorzugsweise minimiert. Drehmomentimpulse beeinflussen das Verhalten, einschließlich des Wirkungsgrads, hörbarer Geräusche, Vibrationen und Rauhigkeit. Auswirkungen auf die Leistung variieren bei verschiedenen Arbeitspunkten, d. h. Drehmomentimpulse können in Ansprechen auf das Arbeiten bei unterschiedlichen Drehzahlen und Drehmomentausgaben variieren. Bekannte Strategien zum Reduzieren oder Minimieren von Drehmomentimpulsen umfassen das Schrägen von Aufenthaltsorten von Magneten in einem Rotor, um die Drehmomentwelligkeit zu minimieren, das Einstellen spezifischer Konstruktionsmerkmale eines Stators und/oder eines Rotors, um eine minimale Drehmomentwelligkeit zu erzielen, oder um eine maximale Motordrehmomentausgabe bei einem spezifischen Arbeitspunkt zu erreichen, und das Ausführen von Steuerstrategien, um durch den Statorstrom eine inverse Drehmomentkomponente zu erzeugen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein Permanentmagnetmotor umfasst einen Permanentmagnetrotor, einen Stator, der den Rotor umgibt, mit einer Vielzahl von Zähnen, die zu einer Längsachse des Stators hin radial nach innen ausgerichtet sind, wobei jeder Zahn eine Zahnlänge und eine Zahnspitzenoberflächengeometrie aufweist. Durch Variationen bei den Zahnlängen und den Zahnspitzenoberflächengeometrien wird ein asymmetrischer Luftspalt definiert.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine oder mehrere Ausführungsformen werden nun anhand von Beispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine Schnittansicht eines Elektromotors gemäß der Offenbarung ist, der einen Rotor enthält, der auf einer Welle montiert ist und in einen hohlen zylindrischen Stator eingeführt ist;
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2 eine Teilschnittansicht des Elektromotors gemäß der Offenbarung ist; und
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3 ein Flussdiagramm eines Prozesses zum Wählen eines bevorzugten asymmetrischen umlaufenden Musters von Zähnen für einen Stator für einen Elektromotor gemäß der Offenbarung ist.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Mit Bezug nun auf die Zeichnungen, bei denen das Gezeigte nur zum Zweck der Darstellung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und nicht zum Zweck einer Beschränkung derselben gedacht ist, ist 1 eine Schnittansicht eines Permanentmagnet-Elektromotors 10, der einen Rotor 20 enthält, welcher auf einer Welle 12 montiert ist und in einen hohlen zylindrischen Stator 30 eingebracht ist, und 2 ist eine Teilschnittansicht des Permanentmagnet-Elektromotors 10. Der Permanentmagnet-Elektromotor 10 umfasst ein Gehäuse mit Stirnabdeckungen, und die Welle 12 des Rotors 20 ist an Lagerflächen der Stirnabdeckungen drehbar montiert. Eine Mittellinie der Welle 12 definiert eine Längsachse 15, die eine Rotationsachse des Rotors 20 sowie eine Langsachse des Stators 30 ist. Die Querschnittsansicht des Permanentmagnet-Elektromotors 10 ist rechtwinklig zu der Längsachse 15 gezeigt. Hervorstechende Merkmale des Elektromotors werden hauptsächlich mit Bezug auf eine Querschnittsansicht rechtwinklig zur Längsachse 15 beschrieben. Es ist ein Teil eines idealen Kreises 31 gezeigt. Der ideale Kreis 31 ist koaxial zu der Längsachse 15 mit einem Radius, der durch ein radiales Liniensegment 18 definiert ist, das rechtwinklig von der Längsachse 15 aus in die Ebene des rechtwinkligen Querschnitts hinein vorragt. Der durch das radiale Liniensegment 18 definierte Radius nähert einen mittleren Innenradius des Stators 30 an. Es ist festzustellen, dass die Längsachse 15, das radiale Liniensegment 18 und der ideale Kreis 31 geometrische Konstrukte sind, die verwendet werden, um Elemente des Permanentmagnet-Elektromotors 10 und deren relative Ausrichtungen zu beschreiben, und keine physikalischen Elemente desselben sind.
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Der Rotor 20 enthält eine Außenoberfläche 24 mit einem Außenradius 22. Der Rotor 20 enthält die Welle 12 und eine Vielzahl von Permanentmagneten, die umlaufend in der Nähe der Außenoberfläche 24 platziert sind.
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Der Stator 30 enthält eine Vielzahl von umlaufend angeordneten, radial nach innen ausgerichteten Statorzähnen 32 derart, dass jeder Zahn eine radiale Mittellinie umfasst, die durch die Längsachse 15 hindurch verläuft. Benachbarte Statorzähne 32 bilden radiale nach innen offene Nuten. Die Nuten 33 stehen in Richtungen vor, die parallel zu der Längsachse 15 des Stators 30 sind. Isolierte elektrische Wicklungen sind in die Nuten 33 eingebracht. Bei einer Ausführungsform sind die Nuten 33 rechteckig geformte Kanäle.
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Jeder der radial nach innen ausgerichteten Zähne 32 ist mit Bezug auf seine radiale Mittellinie 29 im Wesentlichen symmetrisch und enthält ein Querschnittsprofil, das einen Körperabschnitt 34 und einen Endabschnitt oder eine Zahnspitze 35 umfasst. Jeder Endabschnitt 35 ist wesentlich breiter als der entsprechende Körperabschnitt 34 für den Zahn 32. Jeder Endabschnitt 35 ist distal zu und radial innerhalb eines Außenumfangs 40 des Stators 32. Jeder Endabschnitt 35 weist einen radial nach innen gerichteten Innenoberflächenabschnitt 36 auf. Jeder der radial nach innen gerichteten Innenoberflächenabschnitte 36 weist eine Oberflächenkonfiguration auf, die entweder eine konkave gebogene Oberfläche 37 oder eine konvexe gebogene Oberfläche 38 oder eine ebene Oberfläche 39 ist. Jeder Zahn 32 kann mithilfe einer radialen Länge 41 und des radial nach innen gerichteten Innenoberflächenabschnitts 36 seines Endabschnitts 35 gekennzeichnet sein. Die radiale Länge 41 beschreibt das radiale Hervorstehen des Endabschnitts 35 und wird vorzugsweise zwischen dem Schnittpunkt der jeweiligen Innenoberfläche mit der jeweiligen radialen Mittellinie und dem idealen Kreis 31 gemessen. Alternativ kann die radiale Länge zwischen dem Schnittpunkt der jeweiligen Innenoberfläche mit der jeweiligen radialen Mittellinie und dem Außenumfang 40 des Stators 32 gemessen werden.
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Ein Luftspalt 25 ist zwischen der Außenoberfläche 24 des Rotors 20 und den Innenoberflächenabschnitten 36 der Endabschnitte 35 der radial nach innen ausgerichteten Zähne 32 des Stators 30 ausgebildet. Der Luftspalt 25 ist mit Bezug auf einen radialen Abstand zwischen dem Stator 30 und dem Rotor 20 definiert. Es ist festzustellen, dass die Größe des Luftspalts 25 mit Variationen bei den radialen Längen 41 der nach innen hervorstehenden Zähne 32 variiert, wobei eine minimale Größe des Luftspalts 25 mit einer maximalen Größe der radialen Länge 41 verbunden ist und eine maximale Größe des Luftspalts 25 mit einer minimalen Größe der radialen Länge 41 verbunden ist.
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Der Stator 30 ist so ausgestaltet, dass er ein asymmetrisches umlaufendes Muster oder eine asymmetrische umlaufende Verteilung der Zähne 32 hinsichtlich des Oberflächenabschnitts 36 und der radialen Länge 41 aufweist. Dieses asymmetrische umlaufende Muster der Zähne 32 führt zu einer asymmetrischen Variation beim Luftspalt 25, die vorzugsweise eine Reduktion bei der Drehmomentwelligkeit über einen Bereich von Motorarbeitspunkten hinweg erreicht. Das asymmetrische umlaufende Muster der Zähne 32 zum Erreichen der asymmetrischen Variation beim Luftspalt 25 wird mit einer asymmetrischen Verteilung der radial ausgerichteten Innenoberflächenabschnitte 36 erreicht, welche die konkave gebogene Oberfläche 37, die konvexe gebogene Oberfläche 38 und die ebene Oberfläche 39 umfassen, um eine Vielzahl gewählter radialer Längen 41 zu erreichen, die Größen zwischen einer maximalen radialen Länge und einer minimalen radialen Länge aufweisen.
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3 beschreibt einen Prozess 100 in der Form eines Flussdiagramms zum Konstruieren eines Stators für einen Permanentmagnet-Elektromotor. Der Prozess 100 wird mit Bezug auf den Permanentmagnet-Elektromotor 10 beschrieben, der mit Bezug auf 1 beschrieben ist. Der Prozess 100 wird vorzugsweise iterativ ausgeführt, um die Oberflächenabschnitte 36 und die gewählten radialen Längen 41 für die Zähne 32 auf eine Weise asymmetrisch zu verteilen, die eine Drehmomentwelligkeit über einen Bereich von Arbeitspunkten für den Stator 30 des Permanentmagnet-Elektromotors 10 minimiert und eine durchschnittliche Drehmomentausgabe maximiert.
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Tabelle 1 ist als Schlüssel bereitgestellt, wobei die numerisch beschrifteten Blöcke und die entsprechenden Funktionen wie folgt offengelegt sind. Tabelle 1
| Fig. 3 |
| BLOCK | BLOCKINHALTE |
| 101 | Start |
| 102 | Parametrierte Geometrie des Motors entwickeln |
| 103 | Eingabevariablen definieren |
| 104 | Finite-Elemente-Analyse des Motors für die gewählte Geometrie ausführen |
| 106 | Motorarbeitspunkte definieren; Zielsetzungen und Beschränkungen definieren |
| 108 | Optimierungsalgorithmus ausführen |
| 110 | Ergebnisse validieren |
| 112 | Zum Start gehen |
| 114 | Ende |
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Der Prozess 100 umfasst, dass Eingabevariablen definiert werden (103) und eine parametrierte Geometrie des Permanentmagnet-Elektromotors 10 auf der Grundlage der Eingabevariablen (102) entwickelt wird, welcher den Rotor 20 umfasst, der auf der Welle 12 montiert ist und in den hohlen zylindrischen Stator 30 eingeführt ist. Bevorzugte Eingabevariablen zum Entwickeln der parametrierten Geometrie des Permanentmagnet-Elektromotors 10 umfassen einen gewählten Oberflächenabschnitt 36 des Endabschnitts 35 und eine gewählte radiale Länge 41 für jeden der Zähne 32. Der Oberflächenabschnitt 36 des Endabschnitts 35 und die radiale Länge 41 werden für jeden der Zähne 32 gewählt. Der gewählte Oberflächenabschnitt 36 des Endabschnitts 35 ist entweder die konkave gebogene Oberfläche 37 oder die konvexe gebogene Oberfläche 38 oder die ebene Oberfläche 39.
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Ein Finite-Elemente-Analysemodell (FEA-Modell) des Permanentmagnet-Elektromotors 10 wird für die gewählte Geometrie erzeugt und berücksichtigt die parametrierten Geometrieelemente (104) vorzugsweise unter Verwendung bekannter Techniken der Finite-Elemente-Analyse.
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Arbeitspunkte für den Permanentmagnet-Elektromotor 10 und Betriebsparameter, Zielsetzungen und Beschränkungen werden definiert (106). Arbeitspunkte für den Permanentmagnet-Elektromotor 10 umfassen vorzugsweise die Drehzahl, den Statorstrom und einen Steuerwinkel. Die mit der Drehzahl verbundenen Arbeitspunkte umfassen eine Vielzahl von Motordrehzahlpunkten, die aus einem Bereich zwischen einer maximalen Motordrehzahl und einer minimalen Motordrehzahl, welche bei oder in der Nähe von Null liegen kann, gewählt sind. Die mit der Drehzahl verbundenen Arbeitspunkte umfassen vorzugsweise Motordrehzahlpunkte, die in einer ersten Drehrichtung und einer zweiten Drehrichtung liegen, d. h. einer Richtung im Uhrzeigersinn und einer Richtung gegen den Uhrzeigersinn.
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Die mit dem elektrischen Strom verbundenen Arbeitspunkte umfassen eine Vielzahl von elektrischen Strompunkten, die aus einem Bereich zwischen einem maximalen Strom und einem minimalen Strom, der bei oder in der Nähe von Null liegen kann, gewählt sind. Der elektrische Strom kann sowohl mit einem Ladestrom als auch einem Entladestrom verbunden sein.
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Die mit dem Steuerwinkel verbundenen Arbeitspunkte können eine Vielzahl von Steuerwinkelzuständen umfassen, die aus einem Bereich zwischen einem maximalen Steuerwinkel und einem minimalen Steuerwinkel, der bei oder in der Nähe von Null liegen kann, gewählt sind. Betriebsbeschränkungen umfassen vorzugsweise eine durchschnittliche Drehmomentausgabe aus dem Permanentmagnet-Elektromotor 10 bei einem vorgeschriebenen Arbeitspunkt, der mithilfe der Motordrehzahl, des elektrischen Stroms und des Steuerwinkels definiert ist. Betriebsparameter umfassen vorzugsweise eine Drehmomentwelligkeit, welche bei dem vorgeschriebenen Arbeitspunkt bestimmt wird. Betriebszielsetzungen umfassen vorzugsweise das Erreichen einer minimalen Drehmomentwelligkeit, während eine durchschnittliche Drehmomentausgabe erzielt wird, die größer als eine minimale durchschnittliche Drehmomentausgabe bei dem vorgeschriebenen Arbeitspunkt ist.
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Es wird ein Optimierungsalgorithmus unter Verwendung des FEA-Modells des Permanentmagnet-Elektromotors 10 ausgeführt, wobei die parametrierten Geometrieelemente berücksichtigt werden (108). Das Ausführen des Optimierungsalgorithmus umfasst vorzugsweise, dass der Betrieb des FEA-Modells des Permanentmagnet-Elektromotors 10 bei jedem der definierten Arbeitspunkte der Drehzahl, des Statorstroms und des Steuerwinkels unter Berücksichtigung der parametrierten Geometrieelemente simuliert wird. Zustände für die Betriebsparameter der durchschnittlichen Drehmomentausgabe und der Drehmomentwelligkeit werden bei jedem der definierten Arbeitspunkte bestimmt. Dies ist ein iterativer Prozess, bei dem der Optimierungsalgorithmus ausgeführt wird, um asymmetrische Kombinationen der interessierenden parametrierten Geometrieelemente zu bewerten, welche asymmetrische Verteilungen von gewählten der Oberflächenabschnitte 36 für die Zähne 32 und asymmetrische Verteilungen von gewählten radialen Länge 41 für die Zähne 32 umfassen. Ein beispielhafter Optimierungsalgorithmus ist eine kombinatorische Optimierung. Eine beispielhafte kombinatorische Optimierung verteilt auf asymmetrische Weise gewählte der Oberflächenabschnitte 36 für die Zähne 32 und sie verteilt auf asymmetrische Weise radiale Längen 41 zwischen einer maximalen radialen Länge und einer minimalen radialen Länge für jeden der Zähne 32, betreibt das FEA-Modell des Permanentmagnet-Elektromotors 10 mit den asymmetrisch verteilten Oberflächenabschnitten 36 und radialen Längen 41, bestimmt eine durchschnittliche Drehmomentausgabe und die Drehmomentwelligkeit bei jedem der definierten Arbeitspunkte und konvergiert zu einem bevorzugten asymmetrischen umlaufenden Muster der gewählten Oberflächenabschnitte 36 und einem bevorzugten asymmetrischen umlaufenden Muster der gewählten radialen Langen 41 für die Zähne 32. Das bevorzugte asymmetrische umlaufende Muster der interessierenden parametrierten Geometrieelemente wird gewählt. Das bevorzugte asymmetrische umlaufende Muster ist die asymmetrische Kombination der parametrierten Geometrieelemente, die eine minimale Drehmomentwelligkeit erreicht und die durchschnittliche Drehmomentausgabe bei jedem der definierten Arbeitspunkte maximiert.
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Das bevorzugte asymmetrische umlaufende Muster der interessierenden parametrierten Geometrieelemente umfasst die gewählten der Oberflächenabschnitte 36 für die Zähne 32 und die gewählten radialen Langen 41 für die Zähne 32. Dieses bevorzugte asymmetrische umlaufende Muster der Zähne 32 führt zu einer asymmetrischen Variation beim Luftspalt 25, die eine Verringerung der Drehmomentwelligkeit über einen Bereich von Motorarbeitspunkten hinweg erreicht.
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Die Ergebnisse des FEA-Modells und der Ausführung des Optimierungsalgorithmus werden validiert (110), um sicherzustellen, dass keine der Beschränkungen verletzt worden ist und um zu verifizieren, dass bei den asymmetrischen Kombinationen von gewählten der Oberflächenabschnitte 36 für die Zähne 32 und den asymmetrischen Kombinationen von gewählten radialen Längen 41 für die Zähne 32 eine Integrität vorliegt.
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Es kann eine Konstruktionskonfiguration für eine Ausführungsform des Permanentmagnet-Elektromotors 10 hergestellt werden, die das bevorzugte asymmetrische umlaufende Muster von gewählten der Oberflächenabschnitte 36 für die Zähne 32 und das bevorzugte asymmetrische umlaufende Muster von gewählten radialen Längen 41 für die Zähne 32 bereitstellt, die eine minimale Drehmomentwelligkeit erreicht die durchschnittliche Drehmomentausgabe bei jedem der definierten Arbeitspunkte maximiert.
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Die dargestellte Ausführungsform enthält einen zylindrisch ausgestalteten Rotor, der in einem kreisringförmigen Stator untergebracht ist, welcher die hier beschriebenen Merkmale aufweist. Es ist festzustellen, dass die hier beschriebenen Konzepte auf einen zylindrisch ausgestalteten Stator zutreffen, der die hier beschriebenen Merkmale aufweist und in einem kreisringförmigen Rotor untergebracht ist.
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Die Offenbarung hat bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und Modifikationen dazu beschrieben. Beim Lesen und Verstehen der Beschreibung können anderen weitere Modifikationen und Veränderungen einfallen. Es ist daher beabsichtigt, dass die Offenbarung nicht auf die speziellen offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, die als die beste Art angesehen werden, um diese Offenbarung auszuführen, sondern dass die Offenbarung alle Ausführungsformen enthalten wird, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.
