-
TECHNISCHES GEBIET
-
Die Erfindung betrifft allgemein eine Maschine mit innenliegenden Permanentmagneten und insbesondere eine Rotoranordnung für die Maschine mit innenliegenden Permanentmagneten.
-
HINTERGRUND
-
Maschinen mit innenliegenden Permanentmagneten (IPM-Maschinen) sind für den Betrieb von Brennstoffzellen- und Hybridelektrofahrzeugen aufgrund ihrer wünschenswerten Eigenschaften, z. B. gute Drehmomentdichte, hoher Gesamtwirkungsgrad und relativ konstanter Leistungsbereich usw. bevorzugt. Das Rotorfeld wird in einer Permanentmagnetmaschine aufgrund ihrer Struktur erhalten; im Gegensatz zu anderen Maschinen wie etwa Induktionsmaschinen oder Maschinen mit geschalteter oder synchroner Reluktanz, bei denen das Feld durch einen Statorstrom erzeugt wird, der von einer Quelle zugeführt wird. Als Folge weisen Permanentmagnetmaschinen im Vergleich mit anderen derartigen Maschinen einen besseren Wirkungsgrad auf.
-
Eine IPM-Maschine kann entweder Ferritmagnete oder Magnete aus seltenen Erden, etwa NdFeB, verwenden. Bei Ferritmagneten besteht jedoch bei bestimmten Betriebsbedingungen (z. B. niedrige Temperatur und hoher d-Achsenstrom) oft das Risiko der Entmagnetisierung. Um die Verwendung der weniger kostspieligen Ferritmagnete zu ermöglichen, können einige IPM-Maschinen eine oder mehrere Rotorbarrieren enthalten, die Permanentmagnete und/oder Luftspalte enthalten (welche mit einem nichtmagnetischen Material gefüllt sein können). Diese Rotorschichten wirken wie Barrieren für das Permanentmagnetfeld und verringern die d-Achsen- oder die Magnetachseninduktivität, wodurch die Ausprägung [englisch: saliency] des Motors verbessert wird. Eine Erhöhung der Motorausprägung verbessert den Motorwirkungsgrad und die Drehmomentleistung.
-
ZUSAMMENFASSUNG
-
Es wird eine Maschine mit innenliegenden Permanentmagneten (IPM-Maschine) bereitgestellt. Die IPM-Maschine enthält einen gewickelten Stator und einen Rotorkern. Der Rotorkern definiert mehrere Hohlräume und ist zur Interaktion mit dem gewickelten Stator auf magnetische Weise ausgestaltet, um sich um eine Rotationsachse zu drehen. Die IPM-Maschine enthält ferner mehrere Magnete, wobei in jedem der mehreren Hohlräume einer der mehreren Magnete angeordnet ist. Mindestens einer der mehreren Hohlräume enthält einen Endhohlraum. Der Endhohlraum ist entlang einer gebogenen Strecke angeordnet, die relativ zu der Rotationsachse konvex nach außen orientiert ist. Der Endhohlraum definiert ein gebogenes Ende für die gebogene Strecke. Der Endhohlraum definiert eine Luftnut, die am gebogenen Ende des Endhohlraums angeordnet ist. Die Luftnut befindet sich benachbart zu einem relativ zu der Rotationsachse radial äußersten Rand des Magnets, der in dem Endhohlraum angeordnet ist. Der Rotorkern enthält eine Leckflussstrecke, die sich über die Luftnut hinweg erstreckt und vom radial äußersten Rand des Magnets, der im Endhohlraum angeordnet ist, beabstandet ist. Die Leckflussstrecke ist ausgestaltet, um den Fluss vom Magnet weg zu lenken.
-
Es wird auch eine Rotoranordnung für eine Maschine mit innenliegenden Permanentmagneten bereitgestellt. Die Rotoranordnung enthält einen Rotorkern, der mehrere Hohlräume definiert. Der Rotorkern ist zur Interaktion mit einem gewickelten Stator auf magnetische Weise ausgestaltet, um sich um eine Rotationsachse zu drehen. Die Rotoranordnung enthält ferner mehrere Ferritmagnete, wobei in jedem der mehreren Hohlräume einer der mehreren Ferritmagnete angeordnet ist. Jeder der mehreren Ferritmagnete enthält eine radial innere Oberfläche, die sich entlang der Rotationsachse erstreckt, und eine radial äußere Oberfläche, die sich entlang der Rotationsachse erstreckt. Die radial äußere Oberfläche ist zu der radial inneren Oberfläche versetzt und die radial innere Oberfläche ist näher bei der Rotationsachse angeordnet als die radial äußere Oberfläche. Mindestens einer der mehreren Hohlräume enthält einen Endhohlraum. Der Endhohlraum ist entlang einer gebogenen Strecke angeordnet, die relativ zu der Rotationsachse konvex nach außen orientiert ist. Der Endhohlraum definiert ein gebogenes Ende für die gebogene Strecke. Der Endhohlraum definiert eine Luftnut, die am gebogenen Ende des Endhohlraums angeordnet ist, benachbart zu einem radial äußersten Rand des Magnets, der im Endhohlraum angeordnet ist. Der Rotor enthält eine Leckflussstrecke, die sich über die Luftnut hinweg erstreckt und vom radial äußersten Rand des Magnets, der im Endhohlraum angeordnet ist, beabstandet ist. Die Leckflussstrecke ist ausgestaltet, um den Fluss vom Ferritmagnet weg zu lenken. Der Endhohlraum definiert ferner eine Lufttasche, die entlang der radial inneren Oberfläche des Magnets, der im Endhohlraum angeordnet ist, benachbart zu der Luftnut am gebogenen Ende des Endhohlraums angeordnet ist.
-
Entsprechend ist der Rotorkern über die Lufttasche und die Leckflussstrecke ausgestaltet, um den Fluss von einer konvex inneren Ecke des Magnets, d. h. der Ecke des Magnets, die an der Schnittstelle zwischen der radial inneren Oberfläche und dem radial äußersten Rand des Magnets angeordnet ist, weg zu lenken. Das Weglenken des Flusses von der konvex inneren Ecke des Magnets verhindert, dass der Fluss in den Magnet eindringt, wodurch eine Entmagnetisierung des Magnets verhindert wird und die Verwendung von Ferritmagneten in der Rotoranordnung ermöglicht wird.
-
Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung 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.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist eine schematische Teilquerschnittsansicht einer Maschine mit innenliegenden Permanentmagneten (IPM-Maschine).
-
2 ist eine vergrößerte schematische Teilquerschnittsansicht der IPM-Maschine, die eine Flussströmungsstrecke durch einen Rotorkern zeigt.
-
GENAUE BESCHREIBUNG
-
Der Fachmann wird erkennen, dass Begriffe wie etwa ”über”, ”unter”, ”nach oben”, ”nach unten”, ”Oberseite”, ”Unterseite” usw. zur Beschreibung der Figuren verwendet werden und keine Begrenzungen des Umfangs der Erfindung darstellen, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.
-
Mit Bezug auf die Figuren, bei denen gleiche Bezugszeichen in den mehreren Ansichten gleiche Teile bezeichnen, ist eine Maschine mit innenliegenden Permanentmagneten allgemein bei 20 gezeigt. Die IPM-Maschine 20 kann einen Elektromotor oder eine andere ähnliche Vorrichtung umfassen, ist aber nicht darauf beschränkt.
-
Die IPM-Maschine 20 enthält einen gewickelten Stator 22 und eine Rotoranordnung 24. Die Rotoranordnung 24 ist zur Interaktion mit dem gewickelten Stator 22 auf magnetische Weise ausgestaltet, um sich relativ zum gewickelten Stator 22 um eine Rotationsachse 26 zu drehen. Die Rotoranordnung 24 enthält einen Rotorkern 28, der mehrere Hohlräume 30 definiert. Die Hohlräume 30 können Aussparungen, Nuten usw. umfassen. Die Rotoranordnung 24 enthält ferner mehrere Magnete 32, wobei in jedem der mehreren Hohlräume 30 einer der mehreren Magnete 32 angeordnet ist. Es ist festzustellen, dass die Magnete 32 und die Hohlräume 30 einander entsprechende Querschnittsformen rechtwinklig zu der Rotationsachse 26 enthalten, etwa die gezeigten gebogenen Formen, oder alternativ rechteckige Formen. Der gewickelte Stator 22 enthält mehrere Wicklungen 34, die mit den mehreren Magneten 32, die in den Hohlräumen 30 des Rotorkerns 28 angeordnet sind, auf magnetische Weise interagieren, um ein Drehmoment zur Drehung des Rotorkerns 28 um die Rotationsachse 26 relativ zum gewickelten Stator 22 im Betrieb zu erzeugen.
-
Die Permanentmagnete 32 können eine beliebige Art eines magnetischen Materials enthalten, das zur Verwendung in der IPM-Maschine 20 geeignet ist. Zum Beispiel kann jeder der mehreren Magnete 32 aus einem Ferritmagnet, einem Alnico-Magnet oder alternativ aus einem Magnet aus seltenen Erden, etwa Neodym-Eisen-Bor (NdFeB), ohne aber darauf beschränkt zu sein, hergestellt sein.
-
Die durch den Rotorkern 28 definierten Hohlräume 30 sind in einer oder mehreren Schichten 36, 38 angeordnet, wobei jede Schicht so geformt ist, dass sie einen Querschnitt rechtwinklig zu der Rotationsachse 26 definiert, der eine allgemein gebogene Strecke bildet, die von der Rotationsachse 26 aus konvex nach außen orientiert ist. Wie in den Figuren gezeigt ist, definieren die Hohlräume 30 zwei Schichten, d. h. eine erste oder radial innere Schicht 36 und eine zweite oder radial äußere Schicht 38. Es ist jedoch festzustellen, dass die Hohlräume 30 nur eine einzige Schicht oder mehr als die zwei gezeigten Schichten definieren können. Außerdem kann jede Schicht darin eine beliebige Anzahl von Hohlräumen 30 enthalten. Wie gezeigt enthält die radial innere Schicht 36 drei Hohlräume 30 und die radial äußere Schicht 38 enthält zwei Hohlräume 30. Jedoch kann sich die Anzahl der Hohlräume 30 in jeder Schicht von der gezeigten beispielhaften Ausführungsform unterscheiden.
-
Mindestens einer der Hohlräume 30 enthält einen Endhohlraum 40 oder ist als ein solcher definiert. Der Endhohlraum 40 ist entlang der gebogenen Strecke einer der Schichten 36, 38 angeordnet und definiert ein gebogenes Ende 42 für die gebogene Strecke. Das gebogene Ende 42 des Endhohlraums 40 ist am radial äußersten Ende der gebogenen Strecke relativ zur Rotationsachse 26 angeordnet, d. h. das gebogene Ende 42 ist das äußerste Ende des Endhohlraums 40, das von der Rotationsachse 26 am weitesten entfernt angeordnet ist. Die in 1 gezeigte veranschaulichte Ausführungsform zeigt zwei Endhohlräume 40, die entlang der gebogenen Strecke angeordnet sind, die durch die radial innere Schicht 36 der Hohlräume 30 definiert ist, und keine oder Null Endhohlräume 40, die entlang der gebogenen Strecke angeordnet sind, die durch die radial äußere Schicht 38 der Hohlräume 30 definiert ist. Es ist jedoch festzustellen, dass die radial äußere Schicht 38 alternativ einen oder mehrere Endhohlräume 40 enthalten kann.
-
Jeder der Magnete 32 enthält eine radial innere Oberfläche 44, die sich der Länge nach entlang der Rotationsachse 26 erstreckt, und eine radial äußere Oberfläche 46, die sich der Länge nach entlang der Rotationsachse 26 erstreckt. Die radiale äußere Oberfläche 46 ist zu der radial inneren Oberfläche 44 um eine Distanz versetzt, die gleich der Dicke des Magnets 32 ist. Die radial innere Oberfläche 44 ist näher bei der Rotationsachse 26 angeordnet als die radial äußere Oberfläche 46. Der bzw. die Magnete 32, die in den Endhohlräumen 40 angeordnet sind, enthalten einen radial äußersten Rand 48 relativ zur Rotationsachse 26 und einen radial innersten Rand 50 relativ zur Rotationsachse 26. Der radial äußerste Rand 48 ist benachbart zum gebogenen Ende 42 des Endhohlraums 40 angeordnet und ist von der Rotationsachse 26 weiter entfernt angeordnet als der radial innerste Rand 50.
-
Der Endhohlraum 40 definiert eine Luftnut 52, die am gebogenen Ende 42 des Endhohlraums 40 angeordnet ist. Die Luftnut 52 ist benachbart zum radial äußersten Rand 48 des Magnets 32 angeordnet, der im. Endhohlraum 40 angeordnet ist. Die Luftnut 52 erstreckt sich entlang und parallel zu der Rotationsachse 26 in die Seite, die in den Figuren gezeigt ist, hinein und aus dieser heraus. Die Luftnut 52 ermöglicht, dass der Magnet 32 von der Rotoroberfläche weg bewegt wird und sie verhindert außerdem einen übermäßigen Leckfluss durch eine Leckflussstrecke 54. Außerdem schirmt die Luftnut 52 den Rotormagnet 32 von einer Entmagnetisierung ab.
-
Der Rotorkern 28 enthält und/oder definiert eine Leckflussstrecke 54. Wie in den Fig. gezeigt ist, erstreckt sich die Leckflussstrecke 54 über die Luftnut 52 hinweg und ist vom radialen äußersten Rand 48 des Magnets 32, der im Endhohlraum 40 angeordnet ist, beabstandet. Es ist festzustellen, dass sich die Leckflussstrecke 54 der Länge nach entlang und parallel zu der Rotationsachse 26 in die Seite, die in den Figuren gezeigt ist, hinein und aus dieser heraus erstreckt. Die Leckflussstrecke 54 lenkt einen Fluss, der allgemein durch Pfeile 55 angezeigt ist, vom Magnet 32 weg, wodurch verhindert wird, dass der Fluss in den Magnet 32 eindringt und den Magnet 32 entmagnetisiert. Die Leckflussstrecke 54 kann mit dem Rotorkern 28 einstückig ausgebildet sein oder sie kann alternativ am Rotorkern 28 innerhalb des Endhohlraums 40 mechanisch befestigt sein.
-
Die Leckflussstrecke 54 kann beispielsweise eine Brücke 56 enthalten, die relativ zu der Rotationsachse 26 in einer in etwa tangentialen Beziehung orientiert ist, und die einander gegenüberliegende Längsseiten des Endhohlraums 40 verbindet. Es ist jedoch festzustellen, dass die Leckflussstrecke 54 auf eine andere Weise ausgestaltet sein kann, die hier nicht gezeigt oder beschrieben ist. Die Brücke 56 ist relativ zum radial äußersten Rand 48 des Magnets 32, der im Endhohlraum 40 angeordnet ist, gewinkelt, um dazwischen einen Winkel 58 zu definieren. Der Winkel 58 umfasst vorzugsweise einen Wert im Bereich von 10° bis 20°. Die Brücke 56 ist relativ zum radial äußersten Rand 48 des Magnets 32 gewinkelt, um den Fluss vom Magnet 32 weg zu lenken. Entsprechend lenkt die Brücke 56 den Fluss von einer konvex inneren Ecke 60 des Magnets 32, d. h. der Ecke des Magnets 32, die an der Schnittstelle der radial inneren Oberfläche 44 und des radial äußersten Rands 48 des Magnets 32 angeordnet ist, zu einer konvex äußeren Ecke 62 des Magnets 32, d. h. der Ecke des Magnets 32, die an der Schnittstelle der radial äußeren Oberfläche 46 und des radial äußersten Rands 48 des Magnets 32 angeordnet ist. Die Brücke 56 umfasst vorzugsweise eine rechtwinklig zur Rotationsachse 26 gemessene Breite 64, die im Bereich von 0,5 mm bis 1,0 mm liegt. Die Brücke 56 und der Magnet 32, der im Endhohlraum 40 angeordnet ist, sind durch eine Distanz im Bereich von 0,1 mm bis 1,5 mm getrennt. Insbesondere ist die konvex innere Ecke 60 des Magnets 32 von der Brücke 56 vorzugsweise durch eine Distanz 66 im Bereich von 0,1 mm bis 0,2 mm getrennt und die konvex äußere Ecke 62 des Magnets 32 ist von der Brücke 56 vorzugsweise durch eine Distanz 68 im Bereich von 0,75 mm bis 1,5 mm getrennt.
-
Der Endhohlraum 40 kann ferner eine Lufttasche 70 definieren. Die Lufttasche 70 ist entlang der radial inneren Oberfläche 44 des Magnets 32, der im Endhohlraum 40 angeordnet ist, benachbart zu der Luftnut 52 und in der Nähe des gebogenen Endes 42 des Endhohlraums 40, d. h. benachbart zur konvex äußeren Ecke 62 des Magnets 32 angeordnet. Die Lufttasche 70 erstreckt sich der Länge nach entlang und parallel zu der Rotationsachse 26 in die Seite, wie sie in den Figuren gezeigt ist, hinein und aus dieser heraus. Die Lufttasche 70 verhindert ferner oder erhöht den Widerstand dafür, dass das Rotorfeld in der Nähe der äußeren Ecke 62 in den Magnet 32 eindringt, wodurch verhindert wird, dass die äußere Ecke 62 entmagnetisiert wird.
-
Die Lufttasche 70 definiert eine Spaltdistanz 72 zwischen dem Rotorkern 28 und der radial inneren Oberfläche 44 des Magnets 32, der im Endhohlraum 40 angeordnet ist, welche rechtwinklig zu der Rotationsachse 26 gemessen wird. Die Spaltdistanz 72 kann im Bereich von 0,35 mm bis 0,75 mm variieren. Außerdem definiert die Lufttasche 70 eine Spaltlänge 74 rechtwinklig zur Rotationsachse 26 und tangential oder parallel zur radial inneren Oberfläche 44 des Magnets 32, der im Endhohlraum 40 angeordnet ist. Die Spaltlänge 74 kann im Bereich von 1,0 mm bis 20,0 mm variieren.
-
Die genaue Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren unterstützen und beschreiben die Erfindung, aber der Umfang der Erfindung wird nur durch die Ansprüche definiert. Obwohl einige der besten Arten und andere Ausführungsformen zum Ausführen der beanspruchten Erfindung im Detail beschrieben wurden, existieren verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen, um die Erfindung, die in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, in die Praxis umzusetzen.
