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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Offenbarung betrifft generell interne Elektromaschinen mit Permanentmagneten und insbesondere Rotoren für interne Elektromaschinen mit Permanentmagneten.
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HINTERGRUND
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Eine Elektromaschine nutzt elektrische Potenzialenergie zur Erzeugung von mechanischer Energie durch das Zusammenwirken von Magnetfeldern und stromführenden Leitern. Der Umschaltvorgang mittels mechanischer Energie zur Erzeugung von elektrischer Energie erfolgt über einen Generator oder eine Lichtmaschine. Andere Elektromaschinen, wie Motoren/Generatoren, kombinieren verschiedene Eigenschaften von sowohl Motoren als auch Generatoren.
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Elektrische Maschinen können ein Element beinhalten, das sich um eine zentrale Achse dreht. Das drehbare Element, das als Rotor bezeichnet werden kann, kann sich zu einem statischen Element koaxial verhalten, das als Stator bezeichnet werden kann. Die Elektromaschine verwendet die relative Drehung zwischen Rotor und Stator, um mechanische Energie, elektrische Energie oder Kombinationen davon zu erzeugen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es wird in Rotor bereitgestellt, drehbar um eine Achse und verwendbar innerhalb einer Elektromaschine. Der Rotor beinhaltet eine Vielzahl von Magneten und eine Vielzahl von Blechlamellen, die entlang der Achse gestapelt werden.
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Die Blechlamellen haben einen Körper mit einer von der Achse distalen Außenfläche und einer von der Achse proximalen Innenfläche. Eine Vielzahl von Magnetschlitzen entsteht zwischen Außen- und Innenfläche und kann in einem Winkel stehen zwischen einer äußeren Sperre nahe der Außenfläche und einer inneren Sperre nahe der Innenfläche. Die Magneten sind innerhalb der Magnetschlitze zwischen der äußeren Sperre und der inneren Sperre so angeordnet, dass ein erstes Ende des Magneten neben der äußeren Sperre und ein zweites Ende des Magneten neben der inneren Sperre liegen.
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Ein Innenanschlag verläuft in die Magnetschlitze an der inneren Sperre und liegt am zweiten Ende des Magneten an. Der innere Rückhalteanschlag wird auf der Seite des Magnetschlitzes gebildet, der sich näher an der Außenfläche der inneren Sperre befindet.
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Die oben genannten Merkmale und Vorteile, sowie andere Merkmale und Vorteile des vorliegenden Gegenstands sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung einiger bevorzugter Modi und anderer Ausführungsformen zur Ausführung der offenbarten Strukturen, Verfahren oder beiden, ersichtlich.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Darstellung einer Elektromaschine mit einem Rotor aus mehreren Blechlamellen.
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2 ist eine schematische Stirnansicht einer der Blechlamellen des Rotors, wie dargestellt und beschrieben in 1.
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3 ist eine schematische Detailansicht eines Abschnitts der Rotorblechlamelle aus 1, der einen inneren Magnetanschlag darstellt.
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4 ist eine schematische Detailansicht eines Abschnitts einer anderen Rotorblechlamelle, ähnlich wie in 1 dargestellt, mit einem inneren Magnetanschlag mit modifizierter Geometrie.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Bezugnehmend auf die Zeichnungen, worin sich dieselben Bezugszahlen wann immer möglich auf ähnliche Komponenten beziehen, ist 1 eine schematische Darstellung einer Elektromaschine 10. 1 zeigt die allgemeinen Bauteile und die Ausrichtung der Elektromaschine 10, einschließlich eines Stators 12, der ein fester Bestandteil ist, und eines Rotors 14, der um eine Achse 16 drehbar ist.
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Wie in 1 skizziert, beinhaltet der Rotor 14 eine Vielzahl an Blechlamellen oder Blechen 20. Jede der Blechlamellen 20 ist vorzugsweise aus Stahl gefertigt, wie beispielsweise aus nicht kornorientiertem Elektrostahl, ohne darauf beschränkt zu sein. Die Blechlamellen 20 werden gestapelt oder nebeneinander entlang der Achse 16 angeordnet, um einen Kern des Rotors 14 zu definieren. In vielen Konfigurationen sind die Blechlamellen 20 aneinander befestigt – durch Kleben, Schweißen, Befestigungselemente, mechanische Verbindung (Verrastung) oder dergleichen – um den Kern zu bilden.
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Eine Vielzahl von Magneten 22 befindet sich im Rotor 14. Die Magneten 22 sind Dauermagnete, so dass die Elektromaschine 10 als Elektromaschine 10 mit einem internen Dauermagneten bezeichnet werden kann.
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Obwohl sich die vorliegende Erfindung auf spezifische Anwendungen oder Branchen bezieht, können Sachkundige auf dem betreffenden Fachgebiet die weitergehenden Anwendungsmöglichkeiten dieser Erfindung erkennen. Mit einfachen Kenntnissen auf dem Fachgebiet erkennt man, dass Bezeichnungen, wie „über“, „unter“, „aufwärts“, „abwärts“ usw., nur beschreibend in den Figuren verwendet werden und keine Einschränkungen des Umfangs der Erfindung darstellen, wie er in den angefügten Patentansprüchen festgelegt ist. Alle nummerischen Bezeichnungen, wie „erstens“ oder „zweitens“, sind rein illustrativ und schränken den Umfang der Erfindung in keiner Weise ein.
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Eigenschaften, die in einer Figur gezeigt werden, können mit in anderen Figuren angegebenen Eigenschaften kombiniert, sowie durch diese ersetzt oder geändert werden. Soweit nicht anders angegeben, schließen sich keine Eigenschaften, Elemente oder Einschränkungen gegenseitig durch andere Eigenschaften, Elemente oder Einschränkungen aus. Außerdem sind keine der Eigenschaften, Elemente oder Einschränkungen für den Betrieb unbedingt erforderlich. Alle spezifischen in den Figuren dargestellten Konfigurationen sind rein illustrativ und schränken die Patentansprüche oder Beschreibung in keiner Weise ein.
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In 2 wird eine Stirnansicht des Rotors 14 dargestellt, die eine der Blechlamellen 20 und die Magneten 22 veranschaulicht. Wie in 2 dargestellt, definiert jede Blechlamelle 20 mindestens eine, vorzugsweise mehrere, Öffnungen oder Magnetschlitze 24.
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Es kann ein Öffnungsstempel verwendet werden, um die Magnetschlitze 24 in den Blechlamellen 20 zu bilden, so dass die Blechlamellen 20 in einem Herstellungsverfahren mit einem Werkzeug oder mit einem Folgewerkzeug hergestellt werden können. Wenn die Blechlamellen 20 entlang der Achse 16 angeordnet und zueinander ausgerichtet sind, ist die Vielzahl der Magnetschlitze 24 in den Blechlamellen 20 aneinander ausgerichtet sind, um axiale Schlitze zu definieren, innerhalb derer die Magneten 22 angeordnet sind. Die Magnetschlitze 24 im dargestellten Rotor 14 liegen im Wesentlichen parallel zur Achse 16.
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Die dargestellten Blechlamellen 20 werden aus einem einteiligen Körper 32 gebildet. Es können jedoch auch andere Blechlamellen 20 aus Segmenten gebildet werden, die zusammengesetzt oder zusammengefügt werden. Der Körper 32 hat einen Außendurchmesser bzw. eine Außenfläche 34, die distal zur Achse 16 und eine Innenfläche 36, die proximal zur Achse 16 liegt. Die Außenfläche 34 und die Innenfläche 36 sind Oberflächen oder Ränder, die in im Wesentlichen gleichen Abständen von der Achse 16 definiert werden. Die Außenfläche 34 kann auch aus Außenkante, Außendurchmesser oder AD bezeichnet werden, und die Innenfläche 36 kann auch als Innenkante, Innendurchmesser oder ID bezeichnet werden.
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Die Magnetschlitze 24 werden zwischen der Außenfläche 34 und der Innenfläche 36 der Blechlamellen 20 definiert. In dieser Beschreibung geht es weitgehend um die größeren Magnetpaare 22 des Rotors 14. Ähnliche Prinzipien können aber auch für die kleineren Magnetpaare gelten, die näher an der Außenfläche 34 liegen.
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3 ist eine Detailansicht eines Abschnitts des Rotors 14. In der dargestellten Konfiguration in 2 und 3 liegen die Magnetschlitze 24 in einem Winkel zwischen einer Außensperre 42 am Ende der Magnetschlitze 24 näher an der Außenfläche 34 und einer Innensperre 44 am Ende der Magnetschlitze 24 näher an der Innenfläche 36. Die Außensperre 42 und die Innensperre 44 können alternativ als erste und zweite Sperre bezeichnet werden.
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Die Magneten 22 befinden sich in den Magnetschlitzen 24 zwischen der Außensperre 42 und der Innensperre 44. Ein erstes Ende 46 der Magneten 22 befindet sich an der Außensperre 42, und ein zweites Ende 48 der Magneten 22 an der Innensperre 44. Zu beachten ist, dass die Bezeichnung der Magnetenden 22 als erstes oder zweites austauschbar ist. In anderen Ausführungsformen können die Magnetschlitze 24 im Wesentlichen parallel verlaufen, so dass das erste Ende 46 und der zweite 48 der Magneten 22 und die Sperren der Magnetschlitze 24 weitgehend im gleichen Abstand von Achse 16 liegen.
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Die Magneten 22 werden durch eine oder mehrere Halterungen in den Magnetschlitzen 24 gehalten. Wenn sich daher der Rotor 14 dreht und die Magneten 22 elektromagnetischen Kräften ausgesetzt sind, bewegen sich die Magneten 22 nicht innerhalb der Magnetschlitze 24.
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Ein äußerer Halterungsanschlag 50 wird am Körper 32 geformt und verläuft in die Magnetschlitze 24 an der Außensperre 42. Der äußere Halterungsanschlag 50 liegt am ersten Ende 46 des Magneten 22. Ein innerer Halterungsanschlag 52 wird am Körper 32 geformt und verläuft in die Magnetschlitze 24 an der Innensperre 44. Der innere Halterungsanschlag 52 liegt am zweiten Ende 48 des Magneten 22. Der äußere Halterungsanschlag 50 und der innere Halterungsanschlag 52 kann alternativ auch als erster oder zweiter Halterungsanschlag bezeichnet werden.
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In der dargestellten Konfiguration liegen die Magneten 22 am äußeren Halterungsanschlag 50 und am inneren Halterungsanschlag 52. Andere Konfigurationen können jedoch andere Arten und Positionen von Halterungselementen oder Anschlägen haben.
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In der in 2 und 3 dargestellten Konfiguration wird der äußere Halterungsanschlag 50 auf der Seite der äußeren Sperre 42 gebildet, der näher an der Innenfläche 36 liegt. Der innere Halterungsanschlag 52 dagegen wird auf der Seite der inneren Sperre 44 gebildet, die näher an der Außenfläche 34 als an der Innenfläche 36 liegt.
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Ein alternativer Innenanschlag 54 wird in 3 in gestrichelten Linien dargestellt. Der alternative Innenanschlag 54 befindet sich näher an der Innenfläche 36 in der inneren Sperre 44 und wird dargestellt, um ihn der Lage des inneren Halterungsanschlags 52 gegenüberzustellen und die Differenzen zwischen beiden zu veranschaulichen.
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Beim Betrieb der Elektromaschine 10 dreht der Rotor 14 bei hohen Drehzahlen, und die Magneten 22 sind elektromagnetischen Kräften ausgesetzt. 3 zeigt einen Belastungsbereich 56 infolge des Betriebs der Elektromaschine 10.
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Der Vergleich der Blechlamellen 20 sowie Prüfung und Analyse zeigen, dass die Maximalbelastung mit dem inneren Halterungsanschlag 52 gegenüber dem alternativen Innenanschlag 54 im Belastungsbereich 56 bei einer relativ hohen Bediendrehzahl um 20–25 Prozent verringert werden kann. Das heißt, die Verlagerung des Anschlagelements vom Ort des alternativen Innenanschlags 54 zum inneren Halterungsanschlag 52 kann die tatsächliche Belastung zumindest der inneren Sperre 44 der Blechlamellen 20 verringern.
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Zusätzlich konnte die maximal zulässige Betriebsdrehzahl des Rotors 14, und damit der Elektromaschine 10, durch Reduzierung des Belastungsgrads der Blechlamellen 20 aufgrund der Verwendung des inneren Halterungsanschlags 52 anstelle des alternativen Innenanschlags 54 nachweislich um 10–15 Prozent erhöht werden. Prüfungen und Analysen haben auch gezeigt, dass ein weiterer Vorteil der Positionierung des Anschlagelements am inneren Halterungsanschlag 52, im Gegensatz zum alternativen Innenanschlag 54, eine Verringerung der Drehmomentwelligkeit zwischen 20–25 Prozent ist.
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Die Figuren zeigen den Kern des Rotors 14, zusammengesetzt aus gestapelten Blechlamellen 20. Ähnliche Konstruktionsprinzipien gelten auch für feste, im Gegensatz zu laminierten, Rotorkernen, wie beispielsweise solche, die aus Rohlingen hergestellt oder als Gussteile geformt werden. Daher können die Magnet Schlitze 24 eines festen Kerns auch von der Verwendung des inneren Halterungsanschlags 52 anstelle der alternativen Innenanschlag 54 profitieren.
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4 ist eine weitere Teilansicht eines Teils des Rotors 14 mit einer alternativen Geometrie. Ein geglätteter Innenanschlag 60 mit geringfügig unterschiedlicher Geometrie im Vergleich zum inneren Halterungsanschlag 52 wie in 2 und 3 dargestellt, ist in 4 zu sehen. Der geglättete Innenanschlag 60 reduziert weiter die Belastungskonzentration durch Reduzierung der scharfen Winkel, im Vergleich zum inneren Halterungsanschlag 52 der 2 und 3.
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Die detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen und Figuren unterstützen und beschreiben den hierin behandelten Gegenstand. Während einige der besten Modi und andere Ausführungsformen ausführlich beschrieben wurden, existieren verschiedene alternative Entwürfe, Konfigurationen und Ausführungsformen.
