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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Offenbarung betrifft 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. Daher sind diese Aussagen nicht dazu gedacht, eine Anerkennung des Standes der Technik zu bilden.
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Ein Elektromotor enthält elektrisch leitfähige Wicklungen und eine Struktur oder einen Rahmen, um die Wicklungen und Magnete, sofern verwendet, abzustützen. Im Betrieb kann zwischen benachbarten Drähten und zwischen Drähten und der Struktur eine Streukapazität erzeugt werden. Derartige Streukapazitäten enthalten ein Parallelwiderstandselement, das aus einem isolierenden Material und Luft besteht. Im Betrieb bewirkt ein Motor, dass ein Rotorelement in Ansprechen auf das Schalten eines elektrischen Stroms, das von einem Motorcontroller verursacht wird, rotiert, was bei jeder steigenden Flanke und jeder fallenden Flanke der Motorcontrollerausgabe zu einem Gleichtaktklingeln mit hoher Frequenz führt. Das Motorcontrollersystem enthält einen kleinen Parallelwiderstand. Das Hochfrequenzklingeln weist wiederholbare und messbare Eigenschaften auf, die eine Frequenz, eine Größe und eine Dauer umfassen und die in direkter Beziehung mit dem Systemwiderstand und der Streukapazität/dem Parallelwiderstand sowohl zwischen benachbarten Drähten als auch zwischen Drähten und der Struktur stehen.
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In einer elektrischen Schaltung entwickelt sich eine parasitäre oder Streukapazität zwischen Schaltungskomponenten aufgrund der räumlichen Nähe, in der sie sich zueinander befinden. Eine Größe des Energieverlusts kann mit Bezug auf die elektrische Frequenz bestimmt werden. Nahe beieinander liegende Leiter werden durch elektrische Felder des jeweils anderen beeinflusst, wobei ein elektrischer Leistungsverlust, d. h. ein parasitärer Verlust direkt proportional zu der Frequenz des Stroms ist. Eine parasitäre Kapazität kann ein unangenehmes Hochfrequenzklingeln verursachen, die Motordrehmomentausgabe verringern und/oder den Leistungsverbrauch erhöhen.
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Die Druckschrift
JP 2012 - 23 818 A offenbart einen Stator mit mehreren separaten Statorzähnen, die einen Statorkern mit Nuten bilden und um die herum konzentrierte Wicklungen gewickelt sind. Zwischen den Wicklungen und den Nuten sind Isolierfilme angeordnet, um Kupferverluste zu verringern.
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In der Druckschrift
US 3 990 029 A ist eine elektromagnetische Vorrichtung offenbart, bei der zwischen Wicklungen, die in Nuten eingebettet sind, und Wänden der Nuten eine halb leitende Auskleidung angeordnet ist, die verhindert, dass die Wicklungen an den Wänden haften und dabei durch Temperaturschwankungen beschädigt werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein Stator für einen Elektromotor enthält eine Vielzahl von Polstücken und eine Vielzahl von elektrischen Wicklungen, die den Polstücken zugeordnet sind. Jede Wicklung umfasst einen Draht mit einem elektrisch leitfähigen Element. Ein verlustbehaftetes isolierendes Material ist zwischen den elektrischen Wicklungen und den zugeordneten Polstücken angeordnet.
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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:
- 1-1, 1-2 und 1-3 Elemente einer Ausführungsform eines Elektromotors in Übereinstimmung mit der Offenbarung veranschaulichen; und
- 2 eine elektrische Schaltung zum Modellieren elektrischer Eigenschaften eines Elektromotors veranschaulicht, um bevorzugte elektrische Eigenschaften eines verlustbehafteten isolierenden Materials in Übereinstimmung mit der Offenbarung zu bestimmen.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Mit Bezug nun auf die Zeichnungen, bei denen das Gezeigte nur zur Veranschaulichung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und nicht zur Begrenzung derselben gedacht ist, veranschaulichen 1-1, 1-2 und 1-3 auf schematische Weise Elemente eines Elektromotors 10, die mit Bezug auf eine Längsachse 24 (in die Seite hinein) und eine radiale Achse 25 gezeigt sind. Die Ausführungsform des Elektromotors 10 umfasst einen Innenrotor 20, der zur Drehung um die Längsachse 24 herum innerhalb eines radialkonzentrischen Außenstators 30 ausgestaltet ist. Der Stator 30 umfasst eine Vielzahl radial orientierter Polstücke 36, die mit einer Statorbasis 35 am Außenumfang verbunden sind und von dieser getragen werden, welche aus einem elektromagnetischen Material, z. B. einem ferromagnetischen Material ausgebildet sind. Der Stator 30 kann unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Prozesses ausgebildet sein, die beispielsweise maschinelles Bearbeiten, Gießen, Zusammenbauen von vorgeformten oder vorab maschinell bearbeiteten Elementen und Zusammenbauen von isolierten gestanzten Elementen umfassen. Benachbarte Paare der Polstücke 36 bilden Nuten 31 aus, in welche Wicklungen 32 eingeführt sind. Der Elektromotor 10 ist mit einem Motorcontroller mit einem Gleichrichter/Wechselrichter elektrisch verbunden, der dessen Betrieb steuert. Der Klarheit halber sind andere Details des Elektromotors 10 weggelassen. Die Ausführungsform des Elektromotors 10 dient zur Veranschaulichung und die hier beschriebenen Konzepte treffen ohne Einschränkung auf andere Elektromotorkonfigurationen zu.
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1-2 veranschaulicht Details von einem der benachbarten Paare der Polstücke 36, die eine der Nuten 31 des Stators 30 [engl. rotor 20] ausbilden. Jedes der Polstücke 36 enthält einen radialen Abschnitt 37, der radial aus der Statorbasis 35 hervorsteht, und einen Kopfabschnitt 38. Die Wicklung 32 ist in jede Nut 31 benachbart zu dem radialen Abschnitt 37 jedes der Polstücke 36 eingeführt. 1-3 zeigt auf schematische Weise die Wicklung 32, die einen elektrisch leitfähigen Draht 33 umfasst, der mit einem Drahtisoliermaterial 34 beschichtet ist, und der in einer geeigneten Konfiguration angeordnet ist, um den Motorbetrieb zu bewirken. Das Drahtisoliermaterial 34 kann ein beliebiges geeignetes Drahtisoliermaterial sein, z. B. ein Decklack.
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Ein verlustbehafteter Isolator 40 ist vorzugsweise zwischen der Wicklung 32 und dem benachbarten radialen Abschnitt 37 jedes der Polstücke 36 platziert. Der verlustbehaftete Isolator kann außerdem zwischen der Wicklung 32 und der Talsohle der Statorbasis 35 platziert sein, die zwischen benachbarten Polstücken 36 angeordnet ist. In der Tat kann diese Platzierung der Talsohle einfach aus dem Herstellungsprozess resultieren. Bei einer Ausführungsform wird der verlustbehaftete Isolator 40 auf den radialen Abschnitt 37 eines jedes der Polstücke 36 als flüssige Beschichtung aufgebracht, die an Ort und Stelle ausgehärtet wird. Der verlustbehaftete Isolator 40 wird unter Verwendung des Auftragens eines Films, einer Plattierung, eines Eintauchens, Aufbürstens, Aufsprühens oder einer anderen geeigneten Beschichtungsmethodik aufgebracht und ausgehärtet, die beruhend auf Materialeigenschaften des verlustbehafteten Isolators 40 bestimmt sein kann. Alternativ oder zusätzlich kann der verlustbehaftete Isolator 40 mit einem geeigneten Bindematerial kombiniert und zu einem Blatt ausgebildet sein, das vorgeschnitten, geformt und in jede der Nuten 31 zwischen den Polstücken 36 und den Wicklungen 32 vor dem oder gleichzeitig mit dem Einführen der Wicklungen 32 in die Nuten 31 eingeführt wird. Bei einer Ausführungsform wird der verlustbehaftete Isolator 40 auf den elektrisch leitfähigen Draht 33 der Wicklung 32 über das isolierende Material 34 des Drahtes 33 aufgebracht. Bei einer Ausführungsform wird der verlustbehaftete Isolator 40 mit dem isolierenden Material 34 kombiniert und zusammen damit auf den elektrisch leitfähigen Draht 33 der Wicklung 32 aufgebracht.
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Die Tätigkeit des Motorcontrollers, der den Elektromotor 10 betreibt, erzeugt elektromagnetische Energie, die als Klingeln bezeichnet wird, und die wiederholbare und messbare Eigenschaften aufweist, die Frequenz, Größe und Dauer umfassen. Die Frequenz, Größe und Dauer des Klingelns steht in direkter Beziehung zu dem Systemwiderstand, der Streukapazität und dem seriellen Widerstand im Elektromotor 10, die Verbindungen von Draht zu Draht und von Draht zu Struktur umfassen.
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Der verlustbehaftete Isolator 40 umfasst ein elektrisch isolierendes Material, das eine Übertragung von elektromagnetischer Energie zwischen leitfähigen Elementen unterdrückt, indem es elektrische Energie dissipiert. Die elektrische Energie wird dissipiert, indem ein Nebenschluß-Widerstand eingeführt wird, der durch den verlustbehafteten Isolator 40 bereitgestellt wird, welcher ein gesteuerter Widerstand ist, der die Effekte der parasitären Kapazitäten zwischen den Wicklungen und den Polstücken und einer beliebigen Wicklungskapazität verringert. Der gesteuerte Widerstand des verlustbehafteten Materials in Reihe mit den parasitären Kapazitäten erhöht die Dissipierung von ungewollter Energie, die durch die Kapazität hindurch läuft, während er außerdem die parasitäre Gesamtkapazität aufgrund der damit einhergehenden Distanz zwischen der Wicklung und dem Stator verringert, wodurch Klingeln und Störungen verringert werden. Der verlustbehaftete Isolator 40 stellt einen Nebenschluß-Widerstand mit geringer Größe zwischen benachbarten leitfähigen Drähten 33 der Wicklung 32 und zwischen den leitfähigen Drähten 33 der Wicklung 32 und den Polstücken 36 bereit. Es kann immer noch eine ursprüngliche parasitäre Kapazität in Reihe geben, in der Form von kleinen Luftspalten und der Decklackisolierung an den leitfähigen Drähten 33.
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Das Material des verlustbehafteten Isolators 40 ist ein elektrisch resistives Material, das die Übertragung von elektromagnetischer Energie zwischen leitfähigen Elementen unterdrückt, indem es elektromagnetische Energie dissipiert. Das elektrisch isolierende Material verhindert oder begrenzt das Fließen von Elektronen über dessen Oberfläche oder durch dessen Volumen hindurch. Elektrisch isolierende Materialien weisen einen hohen elektrischen Widerstandswert auf und es kann schwierig sein, sie mit einer Gehäusemasse oder einer anderen elektrischen Masse elektrisch zu erden. Das Material des verlustbehafteten Isolators 40 ist aus Materialien gebildet, die Kohlenstoff und/oder Metallfilme und/oder Polymere und/oder Halbleitermaterial umfassen. Beispielhafte leitfähige Elemente umfassen die Wicklung 32 und den benachbarten radialen Abschnitt 37 jedes der Polstücke 36, die analog wie die Platten eines Kondensators aufgefasst werden können. Die isolierende Eigenschaft des verlustbehafteten Isolators 40 kann so gewählt sein, dass sie den Luftwiderstand in der Schaltung überwindet und sie kann das Hochfrequenzklingeln auf eine niedrige Amplitude dämpfen, wenn sie so gewählt ist, dass sie zu dem Systemwiderstand passt.
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Der verlustbehaftete Isolator 40 weist vorzugsweise einen speziellen Massenwiderstand auf, der einen äquivalenten elektrischen Schwingkreis, der durch die Induktivität und Kapazität der Schaltung erzeugt wird, auf einen kritisch gedämpften oder überdämpften Zustand auflädt. Daher liegt der Massenwiderstand bei einer Ausführungsform in dem Bereich von weniger als einem Ohm bis fünfzig Ohm in einem System, das einen Bereich für die parasitäre Kapazität aufweist, der zwischen weniger als einhundert Picofarad (pF) und 3000 Picofarad liegt. Der Effekt des verlustbehafteten Isolators 40 besteht darin, dass ein Klingeln verringert wird, das aufgrund des vom Umrichter induzierten Schaltens auftritt, das veranlasst, dass sich die Kapazität zwischen der Wicklung und dem Polstück auflädt oder entlädt. Folglich verringert der verlustbehaftete Isolator 40 eine elektromagnetische Störung, die durch ein Motorklingeln verursacht wird, das aufgrund des Schaltens auftritt. Die Größe des Nebenschluß-Widerstands, der durch den verlustbehafteten Isolator 40 bereitgestellt wird, wird vorzugsweise bestimmt, indem ein in eine Zielanwendung induziertes Klingeln überwacht wird und die Antwort des Systems aufgrund seiner Geometrie überwacht wird.
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2 veranschaulicht auf schematische Weise einen äquivalenten elektrischen Schwingkreis 200, der beim Modellieren elektrischer Eigenschaften eines Elektromotors verwendet werden kann, um bevorzugte elektrische Eigenschaften des verlustbehafteten isolierenden Materials für eine Zielanwendung zu bestimmen. Der elektrische Schwingkreis 200 beinhaltet eine elektrische Interaktion in einem Elektromotor, der eine parasitäre Kapazität 239 zwischen einem Polstück 236 eines Stators und einer benachbarten Wicklung 232 umfasst, die ein Drahtisoliermaterial 234 umfasst. Die Wicklung 232 und der elektrisch verbundene Motorcontroller, eine Energiequelle und ein elektrisches Filtersystem verhalten sich wie eine Kombination aus einem Widerstand, einer Kapazität und einer Induktivität, und diese ist anfällig für eine elektrische Gleichtaktschwingung, wenn sie durch einen Strom durch die parasitäre Kapazität 239 hindurch erregt wird. Das Polstück 236 enthält das verlustbehaftete isolierende Material 240, das mithilfe eines Widerstands 245 parallel zu einer Kapazität 246 gekennzeichnet ist. Die parasitäre Kapazität 239 zwischen der Wicklung 232 und dem Polstück 236 verursacht elektrische Leistungsverluste, die resistiver Natur sind, aufgrund eines Spannungsabfalls des Leitungsstroms oder Versatzstroms in dem elektrischen Feld. Folglich wird der Widerstand des verlustbehafteten isolierenden Materials 240 vorzugsweise so gewählt, dass die elektrischen Leistungsverluste bei kritischen Frequenzen minimiert werden, welche mit einer Systemarbeitsfrequenz oder einer maximal erreichbaren Frequenz in Beziehung stehen können.
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Der elektrische Schwingkreis 200 in Verbindung mit elektrischen Komponenten des Motorcontrollers und des Motormontagegehäuses bilden eine serielle RLC-Gleichtaktschaltung, die ein Resonanzspannungspotenzial an einem Gleichspannungsbus verursacht, der elektrische Leistung an den Controller liefert. Es kann ein Widerstandswert des verlustbehafteten Materials bestimmt werden, der ein Theorem zur maximalen Leistungsübertragung verwendet. Das Theorem zur maximalen Leistungsübertragung sagt aus, dass zum Erhalten einer maximalen externen Leistung von einer Quelle mit einem endlichen Innenwiderstand der Widerstand der Last gleich dem Widerstand der Quelle an deren Ausgabeanschlüssen sein muss. Daher muss der Widerstandswert des verlustbehafteten Materials äquivalent zu der Impedanz des Elektromotors sein, um die meiste Leistung in der Schaltung 200 zu dissipieren, sodass nicht gewollte elektrische Energie im Gleichtakt in Wärme statt in Geräuschsignale überführt wird, die durch die räumliche Nähe im Nahfeld als schwingende magnetische oder elektrische Felder gekoppelt werden können oder als elektromagnetische Wellen ins Fernfeld ausgestrahlt werden können. Dieses Verfahren kann in der Praxis angewendet werden, indem eine Motorgesamtimpedanz bestimmt wird, die während eines Betriebs eines repräsentativen Motors erzeugt wird, der bei Hauptfrequenz ohne den Widerstand des verlustbehafteten Materials betrieben wird, und die ermittelte Gesamtimpedanz verwendet wird. Alternativ kann der Widerstandswert des verlustbehafteten Materials bestimmt werden, indem bei Ausführungsformen, bei denen die charakteristische Impedanz der Schaltung über die gesamte elektrische Strecke gleich bleibt, ein Impedanzabgleich verwendet wird, um elektrische Reflektionen zu verhindern. Dieses Verfahren wird in der Praxis angewendet, wenn eine einzige charakteristische Impedanz existiert, die nicht frequenzabhängig ist.
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Folglich wird eine parasitäre Kapazität ausgebildet, wenn Drähte oder Wicklungen über die Motorpolstücke gewickelt werden. Diese parasitäre Kapazität entnimmt Strom, der zum Klingeln und leitenden Störungen beiträgt. Das Hinzufügen eines seriellen Widerstands in der Form eines verlustbehafteten Isolators zum Erhöhen des Verlusts der Kapazität verringert das Klingeln und Störungen. Das Hinzufügen des seriellen Widerstands kann bewirkt werden, indem ein verlustbehaftetes Material auf die Oberfläche des Drahts aufgebracht wird, der die Wicklungen bildet, und/oder auf das Polstück, was den Strom aufgrund der parasitären Wicklungskapazität verringert. Der verlustbehaftete Isolator ist mit Bezug auf die Anwendung bei einem Elektromotor beschrieben. Andere geeignete Anwendungen umfassen als Beispiel Solenoide, Relais, Linearmotoren und andere elektrische Vorrichtungen/Anwendungen, die eine Streukapazität zwischen einer Drahtspule und einem Polstück aufweisen.
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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 begegnen. Es ist daher beabsichtigt, dass die Offenbarung nicht auf die speziellen offenbarten Ausführungsformen begrenzt ist, die als die beste Art betrachtet werden, um diese Offenbarung auszuführen, sondern dass die Offenbarung alle Ausführungsformen umfassen wird, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.
