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TECHNISCHES GEBIET
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Die Offenbarung betrifft einen Elektromotor mit asymmetrischen Rotornuten.
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HINTERGRUND
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Elektromotoren werden in vielfältigen Verbraucherprodukten und Industrien verwendet. Beispielsweise werden Elektromotoren bei Hybridfahrzeugen verwendet, um ein Drehmoment zum Antreiben des Fahrzeugs bereitzustellen, eine Batterie zu laden, eine Brennkraftmaschine zu starten usw. Der Elektromotor kann von einer Batterie oder einer anderen Energiespeichervorrichtung mit Leistung versorgt werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein beispielhafter Elektromotor umfasst einen Stator und einen Rotor. Der Stator ist ausgestaltet, um elektrische Energie zu empfangen und ein elektromagnetisches Feld entsprechend der empfangenen elektrischen Energie zu erzeugen. Der Rotor steht in elektromagnetischer Verbindung mit dem Stator und ist ausgestaltet, um sich in Übereinstimmung mit dem elektromagnetischen Feld, das vom Stator erzeugt wird, zu drehen. Der Rotor umfasst mehrere Pole, die einen ersten Satz von Polen und einen zweiten Satz von Polen umfassen. Der erste Satz von Polen definiert eine erste Nut und der zweite Satz von Polen definiert eine zweite Nut, die eine andere Konfiguration als die erste Nut aufweist, um eine Auswirkung der Drehmomentwelligkeit zu verringern.
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Ein beispielhaftes System umfasst eine Leistungsquelle, einen Gleichrichter/Wechselrichter und einen Elektromotor. Die Leistungsquelle ist ausgestaltet, um Gleichstromenergie zu erzeugen. Der Gleichrichter/Wechselrichter steht in elektrischer Verbindung mit der Leistungsquelle und ist ausgestaltet, um die Gleichstromenergie in Wechselstromenergie umzusetzen. Der Elektromotor weist einen Stator in elektrischer Verbindung mit dem Gleichrichter/Wechselrichter und einen Rotor in elektrischer Verbindung mit der Leistungsquelle und in elektromagnetischer Verbindung mit dem Stator auf. Der Stator ist ausgestaltet, um die Wechselstromenergie vom Gleichrichter/Wechselrichter zu empfangen und um ein elektromagnetisches Feld gemäß der empfangenen Wechselstromenergie zu erzeugen. Der Rotor ist ausgestaltet, um die Gleichstromenergie von der Leistungsquelle zu empfangen und um sich in Übereinstimmung mit dem elektromagnetischen Feld, das vom Stator erzeugt wird, zu drehen. Der Rotor definiert eine erste Nut und eine zweite Nut, die eine andere Konfiguration als die erste Nut aufweist, um eine Auswirkung der Drehmomentwelligkeit zu verringern.
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Ein beispielhafter Rotor umfasst einen Kern und mehrere Pole, die sich radial vom Kern weg erstrecken. Die mehreren Pole umfassen einen ersten Satz von Polen, der eine erste Nut definiert, und einen zweiten Satz von Polen, der eine zweite Nut definiert. Die zweite Nut weist eine andere Ausgestaltung als die erste Nut auf, um eine Drehmomentwelligkeit zu verringern.
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Die vorstehenden Merkmale und die Vorteile der vorliegenden Offenbarung ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der besten Arten, um die Erfindung auszuführen, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Zeichnung eines beispielhaften Systems, das einen Synchronmotor mit asymmetrischen Rotornuten umfasst.
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2 ist eine Zeichnung eines Abschnitts eines beispielhaften Rotors mit mehreren Polen, die asymmetrische Nuten definieren.
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3 ist eine Zeichnung eines Abschnitts eines beispielhaften Rotors mit mehreren Polen, die Nuten mit mehreren asymmetrischen Merkmalen definieren.
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4 ist eine Zeichnung eines Abschnitts eines beispielhaften Rotors mit mehreren Polen, die mehrere asymmetrische Nuten von 2 und 3 definieren.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Ein Elektromotor umfasst einen Stator, der ein elektromagnetisches Feld erzeugen kann, und einen Rotor, der ausgestaltet ist, um sich in Übereinstimmung mit dem elektromagnetischen Feld zu drehen, das von dem Stator erzeugt wird, um ein Drehmoment zu erzeugen. Der Rotor umfasst mehrere Pole, die einen ersten Satz von Polen und einen zweiten Satz von Polen umfassen. Der erste Satz von Polen definiert eine erste Nut und der zweite Satz von Polen definiert eine zweite Nut, die relativ zu der ersten Nut asymmetrisch ist, um eine Auswirkung der Drehmomentwelligkeit zu verringern. Das heißt, dass die erste und zweite Nut verschiedene Konfigurationen relativ zueinander aufweisen, um die Drehmomentwelligkeit zu verringern.
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Eine Drehmomentwelligkeit kann auftreten, wenn sich das von dem Motor erzeugte Drehmoment während der Rotation des Rotors verändert. Die Drehmomentwelligkeit kann durch Oberwellen beispielsweise aufgrund physikalischer Eigenschaften des Rotors verursacht werden. Die asymmetrischen Merkmale der ersten Nut und der zweiten Nut können beispielsweise die Auswirkung der Drehmomentwelligkeit verringern und somit ermöglichen, dass der Motor im Betrieb ein konsistenteres Drehmoment ausgibt. Das nachstehend beschriebene System kann viele verschiedene Formen annehmen und viele und/oder alternative Komponenten und Fähigkeiten umfassen als die gezeigten. Obwohl in den Figuren ein beispielhaftes System gezeigt ist, sollen die in den Figuren gezeigten Komponenten keine Einschränkung darstellen. Tatsächlich können zusätzliche oder alternative Komponenten und/oder Implementierungen verwendet werden.
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1 stellt ein beispielhaftes System 100 dar, das eine Leistungsquelle 105, einen Gleichrichter/Wechselrichter 110 und einen Elektromotor 115 umfasst. Das System 100 kann in einem beliebigen Hybridfahrzeug implementiert sein, einschließlich in einem Steckdosenhybrid-Elektrofahrzeug (PHEV) oder einem Elektrofahrzeug mit erhöhter Reichweite (EREV), einem Batterieelektrofahrzeug (BEV) oder dergleichen. Das System 100 kann alternativ in Anwendungen, die keine Kraftfahrzeuganwendungen sind, implementiert sein.
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Die Leistungsquelle 105 kann eine beliebige Vorrichtung umfassen, die ausgestaltet ist, um elektrische Energie zu erzeugen, wie etwa elektrische Gleichstromenergie (DC-Energie). Die Leistungsquelle 105 kann beispielsweise eine Batterie umfassen. Das heißt, dass die Leistungsquelle 105 eine oder mehrere elektrochemische Zellen umfassen kann, die ausgestaltet sind, um gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie umzusetzen. Bei einem möglichen Ansatz kann die Leistungsquelle 105 geladen werden, wenn sie beispielsweise mit DC-Energie versorgt wird.
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Der Gleichrichter/Wechselrichter 110 kann eine beliebige Vorrichtung umfassen, die ausgestaltet ist, um DC-Energie in elektrische Wechselstromenergie (AC-Energie) umzusetzen. Beispielsweise kann der Gleichrichter/Wechselrichter 110 in elektrischer Verbindung mit der Leistungsquelle 105 derart stehen, dass der Gleichrichter/Wechselrichter 110 beispielsweise die DC-Energie, die von der Leistungsquelle 105 erzeugt wird, in AC-Energie umwandeln kann, die an andere Vorrichtungen im System 100 ausgegeben werden kann. Folglich können Vorrichtungen im System 100, die ausgestaltet sind, um AC-Energie zu empfangen, durch die Leistungsquelle 105 mit Leistung versorgt werden. Der Gleichrichter/Wechselrichter 110 kann außerdem einen Gleichrichter umfassen, der ausgestaltet ist, um AC-Energie in DC-Energie umzusetzen. Auf diese Weise kann von einer oder mehreren anderen Vorrichtungen im System 100 erzeugte AC-Energie in der Leistungsquelle 105 als DC-Energie gespeichert werden. Bei einer möglichen Implementierung können der Gleichrichter/Wechselrichter 110 und der Gleichrichter getrennte Vorrichtungen im System 100 sein.
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Der Elektromotor 115 kann eine beliebige Vorrichtung umfassen, die ausgestaltet ist, um elektrische Energie in eine Drehbewegung umzusetzen. Beispielsweise kann der Motor 115 eine Synchronmaschine sein, die ausgestaltet ist, um AC-Energie vom Gleichrichter/Wechselrichter 110 zu empfangen und um auf der Grundlage der empfangenen elektrischen Energie eine Drehbewegung zu erzeugen. Darüber hinaus kann der Motor 115 ausgestaltet sein, um AC-Energie zu erzeugen, die, wenn sie von dem Gleichrichter/Wechselrichter 110 oder dem Gleichrichter in DC-Energie umgesetzt ist, in der Leistungsquelle 105 gespeichert werden kann. Wie nachstehend mit Bezug auf 2 im Detail erörtert wird, kann der Rotor 125 ausgestaltet sein, um eine Drehmomentwelligkeit beim Drehen zu verringern.
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Der Elektromotor 115 kann einen Stator 120 und einen Rotor 125 umfassen. Der Stator 120 kann in elektrischer Verbindung mit den Gleichrichter/Wechselrichter 110 stehen, um beispielsweise eine dreiphasige AC-Energie zu empfangen, die von dem Gleichrichter/Wechselrichter 110 ausgegeben wird, und der Stator 120 kann ausgestaltet sein, um in Übereinstimmung mit der empfangenen AC-Energie ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen. Bei einem beispielhaften Ansatz kann der Stator 120 einen Anker (nicht gezeigt) umfassen, der ausgestaltet ist, um ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen, wenn er mit dreiphasiger AC-Energie versorgt wird.
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Der Rotor 125 kann in elektrischer Verbindung mit der Leistungsquelle 105 und in elektromagnetischer Verbindung mit dem Stator 120 stehen. Bei einem möglichen Ansatz kann der Rotor 125 Feldwicklungen umfassen, die DC-Energie empfangen, welche von der Leistungsquelle 105 ausgegeben wird. Die DC-Energie kann Abschnitte des Rotors 125 magnetisieren, so dass sich der Rotor 125 beispielsweise in Übereinstimmung mit der elektromagnetischen Energie, die von dem Stator 120 erzeugt wird, drehen wird. Die Drehung des Rotors 125 ermöglicht, dass der Motor 115 ein Drehmoment erzeugt. Wie nachstehend mit Bezug auf 2–4 im Detail erörtert wird, definiert der Rotor 125 asymmetrische Nuten (z. B. Nuten mit unterschiedlichen Konfigurationen), um die Auswirkung der Drehmomentwelligkeit zu verringern.
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2 stellt eine Zeichnung eines Teils eines beispielhaften Rotors 125 dar, der einen ersten Pol 130, einen zweiten Pol 135 und einen dritten Pol 140 aufweist, die sich von einem Kern 145 aus radial erstrecken. Der erste Pol 130, der zweite Pol 135 und der dritte Pol 140 sind zumindest teilweise voneinander beabstandet, um unter anderem eine erste Nut 150 und eine zweite Nut 155 zu definieren, die relativ zueinander asymmetrisch sind, um die Auswirkung der Drehmomentwelligkeit zu verringern. Das heißt, dass die erste Nut 150 und die zweite Nut 155 unterschiedliche Konfigurationen aufweisen, um die Drehmomentwelligkeit zu verringern.
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Der erste Pol 130, der zweite Pol 135 und/oder der dritte Pol 140 können ein Permanentmagnet sein oder sie können magnetisiert werden, wenn sie beispielsweise mit DC-Energie von der Leistungsquelle 105 versorgt werden, wie in 1 dargestellt ist. Obwohl es nicht gezeigt ist, können Feldwicklungen an einem oder mehreren aus dem ersten Pol 130, dem zweiten Pol 135 und/oder dem dritten Pol 140 angeordnet sein, so dass DC-Energie durch die Feldwicklungen einen Magnetfluss erzeugen kann. Der Magnetfluss jedes Pols kann mit der Menge der DC-Energie verbunden sein, die an die Feldwicklungen geliefert wird. Zu Klarheitszwecken sind nur drei Pole dargestellt und folglich kann der Rotor 125 weitere Pole als die dargestellten umfassen.
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Der Kern 145 kann eine beliebige Vorrichtung umfassen, die ausgestaltet ist, um den ersten Pol 130, den zweiten Pol 135, den dritten Pol 140 und beliebige andere Pole, die mit dem Rotor 125 verwendet werden, abzustützen. Bei einem möglichen Ansatz kann der Kern 145 aus einem Metall wie etwa Eisen gebildet sein. Der erste Pol 130, der zweite Pol 135 und/oder der dritte Pol 140 können beispielsweise während eines Fertigungsprozesses einstückig mit dem Kern 145 ausgebildet werden.
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Die erste Nut 150 und die zweite Nut 155 können durch den Raum zwischen zwei beliebigen der Pole im Rotor 125 definiert sein. Wie dargestellt ist, können der erste Pol 130 und der zweite Pol 135 die erste Nut 150 definieren und der zweite Pol 135 und der dritte Pol 140 können die zweite Nut 155 definieren. Alternativ müssen die erste Nut 150 und die zweite Nut 155 nicht durch einen gemeinsamen Pol (z. B. den zweiten Pol 135 in 2) definiert sein. Beispielsweise kann die zweite Nut 155 durch andere Pole definiert sein, wie etwa den dritten Pol 140 und einen vierten Pol 200 (siehe 4).
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Die Pole, welche die erste Nut 150 definieren (z. B. der erste Pol 130 und der zweite Pol 135 von 2) können eine erste Öffnung 160 an einem Umfang des Rotors 125 definieren. Die erste Öffnung 160 weist eine erste Breite 165 auf. Die Pole, welche die zweite Nut 155 definieren (z. B. der zweite Pol 135 und der dritte Pol 140 von 2) können eine zweite Öffnung 170 am Umfang des Rotors 125 definieren, die eine zweite Breite 175 aufweist. Eine mögliche asymmetrische Konfiguration der ersten Nut 150 relativ zu der zweiten Nut 155 kann darin bestehen, dass sich die erste Breite 165 von der zweiten Breite 175 unterscheidet.
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Eine weitere mögliche in 2 dargestellte asymmetrische Konfiguration besteht darin, dass die erste Öffnung 160, die zweite Öffnung 170 oder beide relativ zum Mittelpunkt der ersten Nut 150 bzw. der zweiten Nut 155 versetzt sein können. Bei einem beispielhaften Ansatz kann eine erste Achse 180 die erste Nut 150 halbieren, und die erste Öffnung 160 kann relativ zu der ersten Achse 180 versetzt sein. Das heißt, dass die erste Achse 180 die erste Öffnung 160 möglicherweise nicht halbiert. Zusätzlich oder alternativ kann eine zweite Achse 185 die zweite Nut 155 halbieren und die zweite Öffnung 170 kann zu der zweiten Achse 185 versetzt sein oder auf diese ausgerichtet sein (z. B. halbiert die zweite Achse 185 die zweite Öffnung 170). Wenn sowohl die erste Öffnung 160 als auch die zweite Öffnung 170 zu der ersten Achse 180 bzw. der zweiten Achse 185 versetzt sind, kann die erste Achse 180 näher am Halbieren der ersten Öffnung 160 oder weiter davon weg liegen, als es die zweite Achse 185 relativ zu der zweiten Öffnung 170 ist.
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3 stellt andere mögliche Asymmetrien der ersten Öffnung 160 und der zweiten Öffnung 170 dar. Beispielsweise weist der Raum, der die erste Nut 150 bildet, wie in 3 dargestellt ist, bei einer Seiten- oder Querschnittansicht eine andere Fläche auf als der Raum, der die zweite Nut 155 bildet. Der Raum, der die erste Nut 150 bildet, kann außerdem oder alternativ ein anderes Volumen als der Raum aufweisen, der die zweit Nut 155 bildet, um die Drehmomentwelligkeit zu verringern.
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Wie vorstehend erörtert wurde, können sich der erste Pol 130, der zweite Pol 135 und der dritte Pol 140 vom Kern 145 des Rotors 125 aus radial erstrecken. Folglich können der erste Pol 130 und der zweite Pol 135 definieren, dass sich die erste Nut 150 mit einem ersten Anstellwinkel 190 verjüngt, und der zweite Pol 135 und der dritte Pol 140 können definieren, dass sich die zweite Nut 155 mit einem zweiten Anstellwinkel 195 verjüngt, um die Drehmomentwelligkeit zu verringern. Eine mögliche asymmetrische Konfiguration, die die Drehmomentwelligkeit verringern kann, besteht darin, dass der erste Anstellwinkel 190 und der zweite Anstellwinkel 195 verschieden sein können. Beispielsweise kann der erste Anstellwinkel 190 auf einer Distanz zwischen dem ersten Pol 130 und dem zweiten Pol 135 beruhen, während der zweite Anstellwinkel 195 auf einer anderen Distanz zwischen dem zweiten Pol 135 und dem dritten Pol 140 beruhen kann.
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4 stellt einen Teil eines beispielhaften Rotors 125 dar, der alle asymmetrischen Merkmale von 2 und 3 aufweist. Der Rotor 125 umfasst, wie dargestellt ist, den ersten Pol 130, den zweiten Pol 135, den dritten Pol 140, einen vierten Pol 200 und einen fünften Pol 205. Der erste Pol 130 und der zweite Pol 135 definieren die erste Nut 150, der zweite Pol 135 und der dritte Pol 140 definieren die zweite Nut 155, der dritte Pol 140 und der vierte Pol 200 definieren eine dritte Nut 210 und der vierte Pol 200 und der fünfte Pol 205 definieren eine vierte Nut 215.
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Die erste Nut 150 und die zweite Nut 155 von 4 sind ähnlich wie die erste Nut 150 und die zweite Nut 155 von 3, die vorstehend erörtert sind. Das heißt, dass die erste Nut 150 und die zweite Nut 155 von sowohl 3 als auch 4 unterschiedliche Größen (z. B. Fläche und/oder Volumen) sowie unterschiedliche Anstellwinkel aufweisen. Beispielsweise definiert eine Distanz zwischen dem ersten Pol 130 und dem zweiten Pol 135, dass sich die erste Nut 150 mit dem ersten Anstellwinkel 190 verjüngt, während eine Distanz zwischen dem zweiten Pol 135 und dem dritten Pol 140 definiert, das sich die zweite Nut 155 mit einem zweiten Anstellwinkel 195 verjüngt.
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Die dritte Nut 210 und die vierte Nut 215 können ähnlich wie die erste Nut 150 und die zweite Nut 155 von 2 sein, die vorstehend erörtert sind. Beispielsweise können die dritte Nut 210 und die vierte Nut 215 beide Öffnungen umfassen (z. B. eine dritte Öffnung 220 und eine vierte Öffnung 225), die am Umfang des Rotors 125 definiert sind. Die dritte Öffnung 220 kann relativ zu einer dritten Achse 230, welche die dritte Nut 210 halbiert, versetzt sein, während eine vierte Achse 235 der vierten Nut 215 die vierte Öffnung 225 halbieren kann, so dass die vierte Öffnung 225 auf die vierte Achse 235 ausgerichtet ist. Darüber hinaus kann die dritte Öffnung 220 eine dritte Breite 240 aufweisen, die sich von einer vierten Breite 245 der vierten Öffnung 225 unterscheidet.
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Wie in 2–4 dargestellt ist, teilen sich die asymmetrischen Nuten einen gemeinsamen Pol. Das heißt, dass die erste Nut 150 und die zweite Nut 155 beide teilweise durch den zweiten Pol 135 definiert sind, während die dritte Nut 210 und die vierte Nut 215 beide teilweise durch den vierten Pol 200 definiert sind. Die asymmetrischen Nuten im Rotor 125 müssen sich jedoch keinen gemeinsamen Pol teilen. Bei einem möglichen Ansatz kann die erste Nut 150 durch den ersten Pol 130 und den zweiten Pol 135 definiert sein, während die zweite Nut 155 entweder durch den dritten Pol 140 und den vierten Pol 200 oder durch den vierten Pol 200 und den fünften Pol 205 definiert sein kann.
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Zusätzlich kann jede Nut nur eine Asymmetrie relativ zu einer anderen Nut umfassen. Die Nuten von 2–4 weisen jeweils zwei asymmetrische Merkmale relativ zu einer anderen Nut auf. Beispielsweise weisen die erste Nut 150 und die zweite Nut 155 von 4 einen unterschiedlichen Anstellwinkel und eine unterschiedliche Größe auf. Bei einer möglichen Implementierung jedoch können die erste Nut 150 und die zweite Nut 155 nur eine dieser Asymmetrien aufweisen. Auf ähnliche Weise können die dritte Nut 210 und die vierte Nut 215 nur eine Asymmetrie aufweisen, so dass beispielsweise die dritte Öffnung 220 und die vierte Öffnung 225 die gleiche Breite aufweisen können oder auf ihre jeweiligen Achsen ausgerichtet sein können oder um den gleichen Betrag versetzt sein können.
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Außerdem kann jede Nut eine beliebige Kombination von asymmetrischen Merkmalen relativ zu einer beliebigen anderen Nut aufweisen, um die Drehmomentwelligkeit zu verringern. Beispielsweise können die erste Nut 150 und die zweite Nut 155 von 4 zusätzlich dazu oder anstelle davon, dass sie eine unterschiedliche Größe und/oder einen unterschiedlichen Anstellwinkel aufweisen, versetzte Öffnungen und/oder unterschiedliche Breiten der Öffnungen aufweisen. Tatsächlich ist, wie in 4 dargestellt ist, die erste Breite 165 der ersten Öffnung 160 verschieden von der zweiten Breite 175 der zweiten Öffnung 170. Auf ähnliche Weise können die dritte Nut 210 und die vierte Nut 215 unterschiedliche Größen und/oder Anstellwinkel relativ zueinander aufweisen, zusätzlich zu oder anstatt versetzte Öffnungen und/oder unterschiedliche Breiten der Öffnungen aufzuweisen.
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Darüber hinaus können Gruppen von Nuten ein Muster bilden, das von anderen Gruppen von Nuten wiederholt werden kann. Beispielsweise können im Kontext von 4 die Asymmetrien zwischen der ersten Nut 150, der zweiten Nut 155, der dritten Nut 210 und der vierten Nut 215 ein Muster aus Asymmetrien bilden, das von einer anderen Gruppe von Nuten wiederholt werden kann. Das heißt, dass eine fünfte Nut die gleiche Konfiguration wie die erste Nut 150 aufweisen kann, eine sechste Nut die gleiche Konfiguration wie die zweite Nut 155 aufweisen kann, eine siebte Nut die gleiche Konfiguration wie die dritte Nut 210 aufweisen und eine achte Nut die gleiche Konfiguration wie die Nut 215 aufweisen kann. Auf diese Weise kann eine andere Gruppe von Nuten (z. B. die fünfte Nut, die sechste Nut, die siebte Nut und die achte Nut) das Muster wiederholen, das von der ersten Gruppe von Nuten gebildet wird.
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Obwohl die besten Arten zum Ausführen der Erfindung im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen erkennen, um die Erfindung im Umfang der beigefügten Ansprüche in die Praxis umzusetzen.
