DE102015117728A1

DE102015117728A1 - Permanentmagnetmotor

Info

Publication number: DE102015117728A1
Application number: DE102015117728.5A
Authority: DE
Inventors: Mohammad Faizul Momen; Khwaja M. Rahman
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2014-10-31
Filing date: 2015-10-19
Publication date: 2016-05-04
Also published as: US20160126789A1; CN105576925A; KR20160051580A

Abstract

Ein Permanentmagnetmotor (PM-Motor) enthält einen Stator, der eine Statorinnenöffnung definiert. Die Statorinnenöffnung erstreckt sich entlang einer Statorachse. Der PM-Motor enthält ferner einen Rotor, der innerhalb des Stators angeordnet ist. Der Stator enthält eine Vielzahl von Kernblechsegmenten, die entlang der Statorachse aneinander gestapelt sind. Jedes Kernblechsegment enthält einen kreisringförmigen Statorkörper und Zähne, die sich von dem kreisringförmigen Statorkörper aus zu der Statorachse hin erstrecken. Die Zähne sind voneinander beabstandet, um eine Vielzahl von Nuten zu definieren, die kreisringförmig um die Statorachse herum angeordnet sind. Der Stator definiert Nutöffnungen, die kreisringförmig um die Statorachse herum angeordnet sind. Mindestens eines der Kernblechsegmente ist relativ zu einem anderen Kernblechsegment rotatorisch verschoben, so dass mindestens eine der Nutöffnungen zu einer anderen Nutöffnung in dem anderen Kernblechsegment in Umfangsrichtung verschoben ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Permanentmagnetmotor.
HINTERGRUND
Elektromotoren, etwa diejenigen, die typischerweise in hybriden elektromechanischen Antriebssträngen für Kraftfahrzeuge verwendet werden, weisen einen Rotor und einen Stator, der den Rotor umgibt, auf. Der Rotor kann sich relativ zum Stator drehen und der Stator ist an einem stationären Element, etwa einem Getriebegehäuse oder einer Getriebeverkleidung befestigt. Durch den radialen Zwischenraum zwischen dem Rotor und dem Stator wird ein Luftspalt hergestellt.
ZUSAMMENFASSUNG
Es ist nützlich, die Drehmomentwelligkeit und die radiale Kraft in einem Permanentmagnetmotor (PM-Motor) zu minimieren, um dessen Wirkungsgrad zu maximieren und um Geräusche, Vibrationen und Rauigkeiten (NVH) im Betrieb zu minimieren. In der vorliegenden Offenbarung bezeichnet ”Drehmomentwelligkeit” eine periodische Zunahme oder Abnahme des Ausgabedrehmoments von Elektromotoren. Die Konstruktion des vorliegend offenbarten PM-Motors minimiert die Drehmomentwelligkeit und die radiale Kraft im Betrieb, wodurch der Wirkungsgrad maximiert wird.
In einer Ausführungsform umfasst der vorliegend offenbarte PM-Motor einen Stator, der eine Statorinnenöffnung definiert. Die Statorinnenöffnung erstreckt sich entlang einer Statorachse. Der PM-Motor enthält ferner einen Rotor, der innerhalb des Stators angeordnet ist. Der Rotor kann um die Statorachse herum relativ zu dem Stator rotieren. Der Stator enthält eine Vielzahl von Kernblechsegmenten, die entlang der Statorachse aneinander gestapelt sind. Jedes Kernblechsegment enthält einen kreisringförmigen Statorkörper und Zähne, die sich von dem kreisringförmigen Statorkörper aus zu der Statorachse hin erstrecken. Der kreisringförmige Statorkörper wird üblicherweise als das Jocheisen bezeichnet. Die Zähne sind voneinander beabstandet, um eine Vielzahl von Nuten zu definieren, die kreisringförmig um die Statorachse herum angeordnet sind. Jede Nut ist zwischen zwei Zähnen definiert. Der Stator definiert Nutöffnungen, die um die Statorachse herum kreisringförmig angeordnet sind. Mindestens eines der Kernblechsegmente ist relativ zu den anderen Kernblechsegmenten rotatorisch verschoben, so dass mindestens eine der Nutöffnungen zu anderen Nutöffnungen in dem anderen Kernblechsegment in Umfangsrichtung verschoben ist.
Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehren ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der besten Arten, um die Lehren auszuführen, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Querschnittsfrontansicht eines PM-Motors, welcher Teil eines Fahrzeugs ist;
2 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Stators des PM-Motors;
3 ist eine schematische fragmentarische Frontansicht eines Kernblechsegments des Stators;
4 ist eine schematische fragmentarische Seitenansicht des Stators von dessen Mittelpunkt aus betrachtet; und
5 ist eine schematische fragmentarische Seitenansicht des Stators um eine Sektion 5 von 4 herum.
GENAUE BESCHREIBUNG
Mit Bezug auf die Zeichnungen, bei denen gleiche Bezugszeichen gleichen oder ähnlichen Komponenten in den mehreren Figuren entsprechen und mit 1 beginnend, kann ein Permanentmagnetmotor (PM-Motor) 10 Teil eines Fahrzeugs 8, etwa eines Automobils sein und er kann elektrische Energie in mechanische Energie (beispielsweise in der Form von Drehmoment) umwandeln. Der PM-Motor 10 kann verwendet werden, um das Fahrzeug 8 anzutreiben, welches ein Kraftfahrzeug oder ein Nichtkraftfahrzeug sein kann. Beispielsweise kann das Fahrzeug 8 ein Lastwagen oder ein Boot sein.
In der dargestellten Ausführungsform enthält der PM-Motor 10 einen Stator 12 und einen Rotor 14, der innerhalb des Stators 12 angeordnet ist, und er kann als ein Motor mit innenliegenden Permanentmagneten ausgestaltet sein. Wenn der PM-Motor 10 elektrische Energie von einer Stromversorgung empfängt, kann der Rotor 14 relativ zu dem Stator 12 rotieren, um das Fahrzeug 8 voranzutreiben. Ein Luftspalt 16 ist zwischen dem Stator 12 und dem Rotor 14 definiert. Der Rotor 14 kann eine im Wesentlichen kreisringförmige Gestalt aufweisen und er enthält eine Vielzahl von Permanentmagneten 18. Der Stator 12 kann ebenfalls eine im Wesentlichen kreisringförmige Gestalt aufweisen und er definiert eine Statorinnenöffnung 21, die so ausgestaltet, geformt und dimensioniert ist, dass sie den Rotor 14 aufnehmen kann. Die Statorinnenöffnung 21 erstreckt sich entlang einer Statorachse Z (siehe auch 2). Der Rotor 14 kann um die Statorachse Z herum relativ zu dem Stator 12 rotieren, wenn der PM-Motor 10 elektrische Energie von einer Stromversorgung empfängt.
Mit Bezug auf 1 und 2 enthält der Stator 12 eine Vielzahl von Kernblechsegmenten 22, die entlang der Statorachse Z aneinander gestapelt sind. Jedes Kernblechsegment 22 enthält einen kreisringförmigen Statorkörper 24 (d. h. das Jocheisen) und eine Vielzahl von Zähnen 26, die sich von dem kreisringförmigen Statorkörper 24 aus zu der Statorachse Z hin erstrecken. Die Zähne 26 sind kreisringförmig um die Statorachse Z herum angeordnet. Ferner sind die Zähne 26 voneinander beabstandet, um eine Vielzahl von Nuten 28 zu definieren, die kreisringförmig um die Statorachse Z herum angeordnet sind. Jeder Zahn 26 enthält eine Zahnspitze 20. Jede Nut 28 ist zwischen zwei Zähnen 26 definiert. Der Stator 12 enthält ferner eine Vielzahl von Montagenasen 13, die sich von dem kreisringförmigen Statorkörper 24 aus nach außen erstrecken. Die Montagenasen 13 können verwendet werden, um den Stator 12 mit einem stationären Gehäuse zu koppeln.
Mit Bezug auf 3 ist jede Nut 28 so ausgestaltet, geformt und dimensioniert, dass sie mindestens einen elektrischen Leiter 32, etwa eine Wicklung, aufnehmen kann. Jede Nut 28 erstreckt sich entlang einer Nutmittelachse S. Die Nutmittelachse S erstreckt sich durch den Mittelpunkt C1 der Nut 28 hindurch entlang einer radialen Richtung. Die elektrischen Leiter 32 sind in den Nuten 28 angeordnet und sie sind mit einem Antrieb (beispielsweise mit einem Umrichter, der mit einer Batterie verbunden ist) elektrisch verbunden, um elektrische Energie zu empfangen. Beim Empfangen von elektrischer Energie magnetisieren die elektrischen Leiter 32 den Statorkern (das Statoreisen) und letzterer interagiert mit den Permanentmagneten 18, wodurch der Rotor 14 veranlasst wird, relativ zum Stator 12 zu rotieren. Wenn die Zufuhr von elektrischer Energie an die elektrischen Leiter 32 aufhört, endet die magnetische Interaktion zwischen den Permanentmagneten 18 des Rotors 14 und dem Stator 12, wodurch veranlasst wird, dass der Rotor 14 seine Geschwindigkeit reduziert.
Der Stator 12 definiert ferner eine Vielzahl von Nutöffnungen 30, die kreisringförmig um die Statorachse Z herum (2) angeordnet sind. Die Nuten 28 trennen die Zähne 26 voneinander. Jede Nutöffnung 30 ist mit einer der Nuten 28 verbunden und weist eine Nutöffnungsbreite W auf. Die Nutöffnungsbreite W ist möglicherweise nicht für alle Nutöffnungen 30 gleich. Beispielsweise können alle Nutöffnungen 30 unterschiedliche Nutöffnungsbreiten W aufweisen. Alternativ kann die Nutöffnungsbreite W von einigen Nutöffnungen 30 gleich sein, während andere unterschiedlich sein können. Außerdem wird in Betracht gezogen, dass alle Nutöffnungen 30 die gleiche Nutöffnungsbreite W aufweisen können. Die Nuten 28 von allen Kernblechsegmenten 22 sind entlang der axialen Richtung A (4) axial ausgerichtet.
Zudem weist jede Nutöffnung 30 einen Mittelpunkt C2 in der Mitte der Nutöffnungsbreite W auf. Eine Öffnungsmittelachse O erstreckt sich entlang der Nutöffnung 30 in die radiale Richtung und schneidet den Mittelpunkt C2 der Nutöffnung 30. Alle oder einige der Nutöffnungen 30 können in Umfangsrichtung zu der Nutmittelachse S verschoben sein, um die Drehmomentwelligkeit zu minimieren. Mit anderen Worten kann der Mittelpunkt C2 der Nutöffnung 30 in Umfangsrichtung zu dem Mittelpunkt C1 der Nut 28 um eine Öffnungsversatzdistanz D verschoben sein. Die Öffnungsversatzdistanz D in Umfangsrichtung ist von der Öffnungsmittelachse O zu der Nutmittelachse S definiert. Jede der Kombinationen aus Nut 28 und Nutöffnung 30 (d. h. die Nut/Öffnungs-Kombinationen) kann eine andere Öffnungsversatzdistanz D aufweisen. Die Kombination aus Nut 28 und Nutöffnung 30 bezieht sich auf die Nut 28 und die Nutöffnung 30, die miteinander in Verbindung stehen. Einige Kombinationen aus Nuten 28 und Nutöffnungen 30 können die gleiche Versatzdistanz D aufweisen. Außerdem wird in Betracht gezogen, dass möglicherweise keine der Nuten 28 und der Nutöffnungen 30 in Umfangsrichtung relativ zueinander verschoben sind. Mindestens zwei der Kombinationen aus Nut und Nutöffnung weisen unterschiedliche Versatzdistanzen B in Umfangsrichtung auf.
Mit Bezug auf 4 und 5 ist mindestens eines der Kernblechsegmente 22 relativ zu einem anderen Kernblechsegment 22 in Umfangsrichtung verschoben, so dass mindestens eine der Nutöffnungen 30 relativ zu einer anderen Nutöffnung 30 entlang einer axialen Richtung A axial fehlausgerichtet ist, um die Drehmomentwelligkeit und die radiale Kraft während eines Betriebs des PM-Motors 10 zu minimieren. Das Minimieren der Drehmomentwelligkeit und der radialen Kraft kann dazu beitragen, den Wirkungsgrad des PM-Motors 10 zu maximieren und die Geräusche, Vibrationen und Rauigkeiten zu minimieren. Während der Montage des Stators 12 kann mindestens eines der Kernblechsegmente 22 relativ zu einem anderen Kernblechsegment 22 um einen Drehwinkel θ gedreht werden, der zwischen der Montagenase 13 (1) eines Kernblechsegments 22 und einer anderen Montagenase 13 eines anderen Kernblechsegments 22 definiert ist. Der Drehwinkel θ kann 360/n für jedes 1/n-Kernblechsegment sein, wobei n drei (3), vier (4) oder eine andere Zahl sein kann.
Mit Bezug auf 4 und 5 erstreckt sich jede Nutöffnung 30 in axiale Richtung entlang einer Öffnungslängsachse L. Jede Öffnungslängsachse L erstreckt sich entlang der axialen Richtung A. Ferner kann jede Öffnungslängsachse L parallel zu der Statorachse Z (2) sein und sie erstreckt sich entlang der Länge E jeder Nutöffnung 30. Da die Nutöffnungen 30 in axialer Richtung aufeinander fehlausgerichtet sind, können die Öffnungslängsachsen L von verschiedenen Nutöffnungen 30 um eine Versatzdistanz B in Umfangsrichtung beabstandet sein. Alle oder einige der Öffnungslängsachsen L können von mindestens einer weiteren Öffnungslängsachse L um die Versatzdistanz B in Umfangsrichtung beabstandet sein. Die Versatzdistanz B in Umfangsrichtung zwischen benachbarten Nutöffnungen 30 kann für jedes Kernblechsegment 22 verschieden oder gleich sein. Beispielsweise kann ein erstes Kernblechsegment 22 zu einem zweiten Kernblechsegment 22 rotatorisch verschoben sein, so dass die Öffnungslängsachse L von einer Nutöffnung 30 in dem ersten Kernblechsegment 22 zu einer weiteren Nutöffnung 30 in dem zweiten Kernblechsegment 22 um eine Versatzdistanz B in Umfangsrichtung umlaufend verschoben ist.
Der PM-Motor 10 kann hergestellt werden, indem zunächst alle Kernblechsegmente 22 so gestapelt und ausgerichtet werden, dass die Statoröffnungen 30 aller Kernblechsegmente 22 entlang der axialen Richtung A im Wesentlichen aufeinander ausgerichtet sind. Dann wird mindestens eines der Kernblechsegmente 22 relativ zu einem anderen Kernblechsegment 22 um die Statorachse Z herum gedreht, um zumindest einige der Nutöffnungen 30 entlang der axialen Richtung A fehlauszurichten. An dieser Verbindungsstelle ist eines der Kernblechsegmente 22 zu mindestens einem anderen Kernblechsegment 22 rotatorisch verschoben, so dass mindestens eine der Nutöffnungen 30 von einem Kernblechsegment 22 relativ zu der Nutöffnung 30 eines anderen Kernblechsegments 22 axial fehlausgerichtet ist. Als Nächstes werden die gestapelten Kernblechsegmente 22 miteinander gekoppelt. Zum Beispiel können die Kernblechsegmente 22 miteinander verklebt werden.
Obwohl die besten Arten zum Ausführen der Lehren im Detail beschrieben worden sind, wird der Fachmann auf dem Gebiet, das diese Offenbarung betrifft, verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen erkennen, um die Lehren innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche in die Praxis umzusetzen.

Claims

Permanentmagnetmotor (PM-Motor), der umfasst: einen Stator, der eine Statorinnenöffnung definiert, wobei sich die Statorinnenöffnung entlang einer Statorachse in eine axiale Richtung erstreckt; einen Rotor, der innerhalb des Stators angeordnet ist, wobei der Rotor um die Statorachse herum relativ zu dem Stator drehbar ist; und wobei der Stator umfasst: eine Vielzahl von Kernblechsegmenten, die entlang der Statorachse aneinander gestapelt sind, wobei jedes der Kernblechsegmente umfasst: einen kreisringförmigen Statorkörper; eine Vielzahl von Zähnen, die sich von dem kreisringförmigen Statorkörper aus zu der Statorachse hin erstrecken, wobei die Vielzahl der Zähne voneinander beabstandet sind, um eine Vielzahl von Nuten zu definieren, die kreisringförmig um die Statorachse herum angeordnet sind, wobei jede der Nuten zwischen zwei der Zähne definiert ist, wobei der Stator eine Vielzahl von Nutöffnungen definiert, die kreisringförmig um die Statorachse herum angeordnet sind, wobei jede der Nutöffnungen mit einer der Nuten in Verbindung steht, um eine Kombination aus Nut und Öffnung zu definieren, und wobei sich jede der Nutöffnungen entlang einer Öffnungslängsachse in die axiale Richtung erstreckt; wobei sich jede der Nuten entlang einer Nutmittelachse erstreckt, wobei sich jede Nutmittelachse durch einen Mittelpunkt einer der Nuten in eine radiale Richtung erstreckt, wobei sich jede der Nutöffnungen entlang einer Öffnungsmittelachse in die radiale Richtung erstreckt, wobei sich jede Öffnungsmittelachse durch einen Mittelpunkt einer der Nutöffnungen entlang der radialen Richtung erstreckt; wobei in mindestens einer Kombination aus Nut und Öffnung die Nutmittelachse einer der Nuten zu der Öffnungsmittelachse einer der Nutöffnungen in der Kombination aus Nut und Öffnung um eine Öffnungsversatzdistanz in Umfangsrichtung umlaufend verschoben ist; und wobei ein erstes Kernblechsegment der Vielzahl von Kernblechsegmenten relativ zu einem zweiten Kernblechsegment der Vielzahl von Kernblechsegmenten rotatorisch so verschoben ist, dass die Öffnungslängsachse von mindestens einer der Nutöffnungen in dem ersten Kernblechsegment zu der Öffnungslängsachse mindestens einer der Nutöffnungen in dem zweiten Kernblechsegment um eine Versatzdistanz in Umfangsrichtung umlaufend verschoben ist.
PM-Motor nach Anspruch 1, wobei jede der Nutöffnungen eine Nutöffnungsbreite aufweist und sich die Nutöffnungsbreite von mindestens einer der Nutöffnungen von der Nutöffnungsbreite von mindestens einer anderen Nutöffnung unterscheidet.
PM-Motor nach Anspruch 1, wobei jede Nut einen Mittelpunkt definiert, jede Nutöffnung einen Mittelpunkt definiert und der Mittelpunkt von mindestens einer der Nutöffnungen zu dem Mittelpunkt mindestens einer der Nuten in der Kombination aus Nut und Öffnung in Umfangsrichtung verschoben ist.
PM-Motor nach Anspruch 1, wobei sich die Öffnungsversatzdistanz in Umfangsrichtung in einer Kombination aus Nut und Öffnung von der Öffnungsversatzdistanz in Umfangsrichtung in einer anderen Kombination aus Nut und Öffnung unterscheiden kann.
PM-Motor nach Anspruch 1, wobei die Nuten in einem der Kernblechsegmente mit den Nuten in einem anderen der Kernblechsegmente axial ausgerichtet sind.
PM-Motor nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der Nutöffnungen in dem ersten Kernblechsegment zu der Öffnungslängsachse mindestens einer der Nutöffnungen in dem zweiten Kernblechsegment um eine Versatzdistanz in Umfangsrichtung umlaufend verschoben ist.
PM-Motor nach Anspruch 1, wobei die Öffnungslängsachse parallel zu der Statorachse ist.
PM-Motor nach Anspruch 1, der ferner eine Vielzahl von elektrischen Leitern umfasst, die jeweils in einer der Nuten angeordnet sind.
PM-Motor nach Anspruch 8, wobei der Rotor eine Vielzahl von Permanentmagneten enthält.
Fahrzeug, das umfasst: einen Permanentmagnetmotor (PM-Motor), der ausgestaltet ist, um das Fahrzeug voranzutreiben, wobei der PM-Motor umfasst: einen Stator, der eine Statorinnenöffnung definiert, wobei sich die Statorinnenöffnung entlang einer Statorachse in eine axiale Richtung erstreckt; einen Rotor, der innerhalb des Stators angeordnet ist, wobei der Rotor um die Statorachse herum relativ zu dem Stator drehbar ist; und wobei der Stator enthält: eine Vielzahl von Kernblechsegmenten, die entlang der Statorachse aneinander gestapelt sind, wobei jedes der Kernblechsegmente umfasst: einen kreisringförmigen Statorkörper; eine Vielzahl von Zähnen, die sich von dem kreisringförmigen Statorkörper aus zu der Statorachse hin erstrecken, wobei die Vielzahl der Zähne voneinander beabstandet sind, um eine Vielzahl von Nuten zu definieren, die um die Statorachse herum kreisringförmig angeordnet sind, wobei jede der Nuten zwischen zwei der Zähnen definiert ist, wobei der Stator eine Vielzahl von Nutöffnungen definiert, die kreisringförmig um die Statorachse herum angeordnet sind, wobei jede der Nutöffnungen mit einer der Nuten in Verbindung steht, um eine Kombination aus Nut und Öffnung zu definieren, und wobei sich jede der Nutöffnungen entlang einer Öffnungslängsachse in die axiale Richtung erstreckt; wobei sich jede der Nuten entlang einer Nutmittelachse erstreckt, wobei sich jede Nutmittelachse durch einen Mittelpunkt einer der Nuten in eine radiale Richtung erstreckt, wobei sich jede der Nutöffnungen entlang einer Öffnungsmittelachse in die radiale Richtung erstreckt, wobei sich jede Öffnungsmittelachse durch einen Mittelpunkt einer der Nutöffnungen entlang der radialen Richtung erstreckt; wobei in mindestens einer Kombination aus Nut und Öffnung die Nutmittelachse einer der Nuten von der Öffnungsmittelachse einer der Nutöffnungen in der Kombination aus Nut und Öffnung um eine Öffnungsversatzdistanz in Umfangsrichtung umlaufend verschoben ist; und wobei ein erstes Kernblechsegment der Vielzahl von Kernblechsegmenten relativ zu einem zweiten Kernblechsegment der Vielzahl von Kernblechsegmenten rotatorisch so verschoben ist, dass die Öffnungslängsachse mindestens einer der Nutöffnungen in dem ersten Kernblechsegment zu der Öffnungslängsachse mindestens einer der Nutöffnungen in dem zweiten Kernblechsegment um eine Versatzdistanz in Umfangsrichtung umlaufend verschoben ist.