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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft die Nutzung von magnetischen Feldern für einen Rotor einer elektrischen Maschine.
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HINTERGRUND
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Elektrische Maschinen verwenden zur Produktion von Drehmoment typischerweise einen Rotor und Stator. Elektrischer Strom fließt durch die Statorwicklungen, um ein magnetisches Feld zu produzieren. Das durch den Stator erzeugte magnetische Feld kann mit Permanentmagneten auf dem Rotor zusammenwirken, um Drehmoment zu erzeugen.
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KURZFASSUNG
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Eine elektrische Maschine kann eine Vielzahl von Laminaten umfassen. Die Laminate können gestapelt sein, um einen Rotor zu bilden. Ein Stator kann den Rotor umgeben. Die Rotorlaminate können axial in Abschnitte unterteilt sein, von denen jeder darin eingerichtete Permanentmagnete zur Schaffung von Magnetpolen umfasst. Die Abschnitte können so eingerichtet sein, dass die magnetische Achse der entsprechenden Pole nicht fluchtend sondern schräg ist, um ein glattes mechanisches Drehmoment zu erhalten. Eine nicht magnetisch durchlässige Schicht kann zwischen mindestens einem benachbarten Paar der Abschnitte, das schräge Magnetpole aufweist, eingeschoben sein.
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Die Dicke der Schicht kann auf einem Luftspaltabstand zwischen dem Rotor und dem Stator basieren. Zum Beispiel kann die Dicke mehr als das Zweifache des Luftspaltabstands zwischen dem Rotor und dem Stator betragen. Die Dicke der Schicht kann weniger als ein Vielfaches von vier Mal ein Luftspaltabstand zwischen dem Rotor und dem Stator betragen. Die Schicht kann aus irgendeinem Material gebildet sein, das ein magnetisches Feld reduzieren kann. Zum Beispiel kann die Schicht aus Polytetrafluorethylen sein.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1A ist eine Draufsicht auf ein Rotorlaminat;
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1B ist eine Seitenansicht des Rotorabschnitts, der einem Stapel von Laminaten für die elektrische Maschine umfasst, die in der 1A gezeigt ist;
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2A ist eine schematische Ansicht einer elektrischen Maschine mit einem mehrere Pole umfassenden Rotor, in dem Flusslinien allein durch einen Permanentmagnet erzeugt werden;
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2B ist eine schematische Ansicht einer elektrischen Maschine mit einem mehrere bestromte Wicklungen umfassenden Stator, in dem die Flusslinien allein durch Statorwicklungen erzeugt werden;
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3A ist eine perspektivische Ansicht eines Maschinenrotors mit einer Schicht aus einem Stoff mit geringer magnetischer Durchlässigkeit, die zwischen zwei schrägen Abschnitten angeordnet ist;
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3B ist eine perspektivische Ansicht eines Paares schräger, benachbarter Abschnitte mit einer Schicht aus einem Stoff mit geringer magnetischer Durchlässigkeit, die auf einem der Abschnitte angeordnet ist;
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4 ist eine perspektivische Ansicht eines Rotors mit einer ABBA-Konfiguration und einer Stoffschicht zwischen den Abschnitten AB; und
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5 ist ein Schaubild, das die Steigerung des spezifischen Drehmoments in Bezug auf die Dicke einer Schicht mit niedriger magnetischer Durchlässigkeit darstellt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden hierin beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Einzelheiten bestimmter Komponenten zu zeigen. Deshalb sind hierin offenbarte spezifische strukturelle und funktionelle Einzelheiten nicht als beschränkend auszulegen, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um einen Fachmann zu lehren, die vorliegende Erfindung in verschiedener Art und Weise zu benutzen. Der Durchschnittsfachmann wird verstehen, dass verschiedene Merkmale, die anhand irgendeiner der Figuren dargestellt und beschrieben sind, mit Merkmalen kombiniert werden können, die in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben sind. Die Kombinationen von dargestellten Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Es können jedoch für bestimmte Anwendungen oder Implementierungen verschiedene Kombinationen und Abwandlungen der Merkmale, die den Lehren der vorliegenden Offenbarung entsprechen, erwünscht sein.
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Elektrische Maschinen sind durch eine unerwünschte Schwingung im Drehmoment gekennzeichnet, was durch im Luftspaltfluss und im Luftspaltleitwert vorliegende Harmonische verursacht wird. Die meisten elektrischen Maschinen, und insbesondere elektrische Permanentmagnet(PM)-Maschinen, sind mit Rotorschrägung ausgestaltet, d. h. die Laminate von aktivem Rotormaterial können entlang der Achse des Rotors schräg oder versetzt angeordnet sein. Die Schrägung kann versetzt angeordnete Permanentmagnete und Magnetpole entlang der Achse des Rotors zur Folge haben. Schräge Abschnitte können eine Gesamtreduzierung des Durchschnittsdrehmoments der Maschine in allen verfügbaren Geschwindigkeiten verursachen, weil die magnetischen Komponenten nicht mehr ausgerichtet sind, Schrägung hilft jedoch bei der Minimierung der Harmonischen, wie oben besprochen.
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Zum Beispiel beträgt im Falle einer 8-poligen Maschine mit zwei Rotorabschnitten, einem Stator mit 48 Nuten, ein typischer Schrägungswinkel 3,75°. Die Schrägung des Rotors soll ein glatteres mechanisches Drehmoment produzieren, als es ansonsten unter Verwendung eines Rotors mit fluchtenden Permanentmagneten erreicht würde. Eine Schrägung kann eine unerwünschte, durch Harmonische verursachte Drehmomentwelligkeit beseitigen, und viele unterschiedliche Schrägungswinkel können zur Erreichung dieses Ergebnisses verwendet werden. Eine Schrägung zieht jedoch nicht zwei Pole in Betracht, die durch ihre Ausgestaltung fluchtend sein sollen, sondern aufgrund von Fertigungstoleranzen nicht genau fluchtend sind.
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Das über alle Geschwindigkeiten der elektrischen Maschine erzeugte Durchschnittsdrehmoment kann durch Schrägung teilweise reduziert werden, da magnetische Feldstreuung zwischen schrägen Permanentmagneten auftreten kann. Diese Streuung kann eine kleine Reduzierung im verfügbaren Drehmoment der Maschine verursachen, und die Streuung ist auf nicht schrägen Maschinen möglicherweise nicht vorhanden.
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Des Weiteren kann eine Schrägung einen Pfad für den Magnetfluss zum Streuen von einem Laminatabschnitt zum benachbarten eröffnen, ohne Drehmoment hinzuzufügen. Da magnetische Felder allgemein dem Pfad des geringsten Widerstandes zwischen entgegengesetzten Polen folgen, kann das Schrägen und Versetzen von Permanentmagneten zur Reduzierung von Drehmomentwelligkeit folglich das Auftreten einer zusätzlichen Magnetflussstreuung verursachen. Ein Abschnitt des Rotors kann ein Laminat oder eine Vielzahl von zusammen gestapelten Laminaten umfassen. Die Laminate eines Abschnitts können relativ zu anderen Laminaten im Abschnitt schräg oder relativ zu anderen Abschnitten des Rotors gemeinsam schräg sein. Das bedeutet, dass ein Abschnitt des Rotors aus irgendeiner Anzahl von zusammen gestapelten Laminaten oder einem einzigen Block aus Verbundmaterial gebildet sein kann.
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Um das magnetische Feld und das resultierende Drehmoment zu maximieren, wird die Menge an aktivem Rotormaterial typischerweise maximiert. Aktives Rotormaterial kann ein Material umfassen, das zum Erzeugen oder Tragen eines magnetischen oder elektrischen Feldes in der Lage ist. Die Maximierung dieses Materials erzeugt in der Theorie das meiste Drehmoment. Rotormaterialien mit der höchsten magnetischen Durchlässigkeit werden gewählt. Eine Einführung von Materialien ohne hohe magnetische Durchlässigkeit würde vermutlich die Drehmomenterzeugung der elektrischen Maschine verringern, da der Rotor vergeudeten Raum aufweisen würde (d. h. Material, das kein Drehmoment erzeugt). Materialien mit hoher magnetischer Durchlässigkeit können allgemein als ferromagnetisch oder ferrimagnetisch bezeichnet werden. Vermutlich würde ein aus vollständig aktivem Rotormaterial gebildeter Rotor ein wirksameres magnetisches Feld schaffen als ein aus teilweise aktivem Rotormaterial gebildeter Rotor.
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Die Einführung einer magnetisch widerstandsfähigen Schicht oder Schichten, der oder die nicht aktives Rotormaterial ist oder sind, erhöht unerwarteterweise die Nutzung von Permanentmagneten im Rotor und erhöht die Drehmomentabgabe der elektrischen Maschine. Zum Beispiel kann die Einführung einer widerstandsfähigen Schicht mit einer Dicke, die das Zweifache der Luftspaltdicke zwischen dem Stator und Rotor beträgt, eine spezifische Drehmomentzunahme bereitstellen, die größer ist als 0,25 %. Diese Menge, die zwar äußerst gering erscheint, kann jedoch die Kosten von elektrischen Maschinen begründbar verringern, da durch die verbesserte Nutzung von Permanentmagneten die Größe der Permanentmagneten reduziert werden kann. Die Steigerung des spezifischen Drehmoments der elektrischen Maschine kann von der Dicke der Schicht relativ zum Luftspalt und dem durch den Stator fließenden elektrischen Strom abhängen.
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Eine widerstandsfähige Schicht mit niedriger magnetischer Durchlässigkeit kann zwischen benachbarten Abschnitten, die schräge Magnetpole aufweisen, eingesetzt werden. Die Schicht kann eine feste, flüssige oder gasförmige Phase aufweisen. Die Schicht kann das magnetische Feld der Permanentmagnete in einen wünschenswerteren Verlauf umlenken und die Streuung zwischen Permanentmagneten reduzieren. Die Schicht kann ein diamagnetisches oder paramagnetisches Material (z.B. Wasser, Kupfer, Bismut, Supraleiter, Holz, Luft, Polytetrafluorethylen oder Vakuum) sein. Viele unterschiedliche Stoffarten sind in der Lage, ähnliche Ergebnisse zu erhalten und können unter diese Bezeichnungen fallen. Materialien mit einer niedrigen magnetischen Durchlässigkeit können in der Lage sein, die Feldstreuung zwischen Abschnitten mit schrägen Polen zu reduzieren oder das Feld in einen wünschenswerteren Verlauf umzulenken. Richtig geleitete Magnetflusspfade können das erzeugte Drehmoment der Maschine erhöhen.
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Permanentmagnete können, wenn sie auf oder innerhalb der Abschnitte angeordnet sind, vielfache Ausrichtungen aufweisen. Zum Beispiel können Permanentmagnete in einer V-Form-Position eingerichtet sein, wobei Pole an jedem V bereitgestellt werden. Permanentmagnete können auch so ausgerichtet sein, dass einer der Magnetpole radial nach außen gerichtet ist. Die Ausrichtung und Position der Magnete kann eine direkte Wirkung auf die Effizienz der elektrischen Maschine haben, und jede schräge Ausrichtung oder Position kann eine magnetische Feldstreuung zwischen den Permanentmagneten verursachen.
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Die Pole der Permanentmagnete können einzeln oder zusammenwirkend Magnetpole des Rotors bilden. Viele Rotoren weisen eine Vielzahl von Permanentmagneten auf, die eingerichtet sind, um mit dem magnetischen Feld des Stators zusammenzuwirken, um Drehmoment zu erzeugen. Die Pole können unter Verwendung von Permanentmagneten, induzierten Feldern, erregten Spulen oder einer Kombination daraus erzeugt werden.
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Laminate sind allgemein aus Materialien mit hoher magnetischer Durchlässigkeit gemacht. Durch diese hohe magnetische Durchlässigkeit kann der Magnetfluss durch die Laminate fließen, ohne an Stärke zu verlieren. Materialien mit hoher magnetischer Durchlässigkeit können Eisen, Elektrostahl, Ferrit oder viele andere Legierungen umfassen. Rotoren mit Laminaten können auch einen elektrisch leitenden Käfig oder eine elektrisch leitende Wicklung unterstützen, um ein induziertes magnetisches Feld zu schaffen. Ein Rotor mit vier Laminaten oder Abschnitten von Laminaten kann die in einer ABBA-Ausrichtung konfigurierten Abschnitte aufweisen. Die ABBA-Ausrichtung bedeutet, dass die Abschnitte „A“ relativ zu den Abschnitten „B“ im selben Maße schräg sind. Der Rotor kann andere Laminatkonfigurationen (z.B. ABC oder ABAB) aufweisen.
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Mit Bezug auf 1A wird ein Abschnitt 10 für einen Rotor gezeigt. Der Abschnitt 10 kann eine Vielzahl von Fächern oder Hohlräume 12 definieren, die zum Fassen von Permanentmagneten angepasst sind. Die Mitte des Abschnitts 10 kann eine kreisförmige mittige Öffnung 14 zum Aufnehmen einer Antriebswelle mit einer Keilnut 16, die eine Mitnahmefeder (nicht gezeigt) empfangen kann, definieren. Die Hohlräume können so ausgerichtet sein, dass die in den Fächern oder Hohlräumen 12 untergebrachten Permanentmagnete (nicht gezeigt) acht abwechselnde Magnetpole 30, 32 bilden. Es ist weithin bekannt, dass eine elektrische Maschine verschiedene Anzahlen von Polen aufweisen kann. Die Magnetpole 30 können als Nordpole konfiguriert sein. Die Magnetpole 32 können als Südpole konfiguriert sein. Die Permanentmagnete können auch mit unterschiedlichen Mustern eingerichtet sein. Wie in 1A gezeigt, sind die Fächer oder Hohlräume 12, die Permanentmagnete fassen, in einer V-Form 34 eingerichtet. Mit Bezug auf 1B kann eine Vielzahl von Abschnitten 10 einen Rotor 8 bilden. Der Rotor weist eine kreisförmige mittige Öffnung 14 zum Aufnehmen einer Antriebswelle (nicht gezeigt) auf.
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Mit Bezug auf 2A wird ein Teil des Abschnitts 10 innerhalb eines Stators 40 gezeigt. Der Abschnitt 10 definiert Fächer oder Hohlräume 12, die dazu angepasst sind, Permanentmagnete 20 zu fassen. Die Permanentmagnete 20 sind in einer V-Form eingerichtet, wobei sie gemeinsam Pole bilden. Vom Permanentmagneten 20 ausgehende Flusslinien 24 sind gezeigt. Die Flusslinien 24 können durch den Abschnitt 10 und über den Luftspalt 22 in den Stator 40 dringen. Im Allgemeinen weist ein Magnetfluss eine größere Felddichte auf, wenn die Flusslinien 24 näher zusammen sind. Die Umlenkung der Flusslinien 24 kann an bestimmten Stellen eine erhöhte magnetische Felddichte verursachen, wie in 2A gezeigt. Der Stator 40 weist Wicklungen 42 auf, die nicht bestromt sind.
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Mit Bezug auf 2B wird ein Abschnitt des Abschnitts 10 innerhalb des Stators 40 gezeigt. Der Stator 40 kann Wicklungen 42 aufweisen, die bestromt sind. Flusslinien 44 können von den Wicklungen 42 ausgehen. Die Flusslinien 44 können durch den Stator 40 und über den Luftspalt 22 in den Abschnitt 10 dringen. Ein Drehstrommotor kann die Wicklungen A, B und C aufweisen. Die Flusslinien 44 und Flusslinien 24 können bei Position 46 auf bekannte Weise zumindest teilweise interagieren, um Drehmoment zu erzeugen.
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Mit Bezug auf 3A, kann ein schräges, benachbartes Paar von Laminatabschnitten 10, 80 Hohlräume 12, 84 aufweisen, die zum Fassen von Permanentmagneten 20, 82 angepasst sind. Die Permanentmagnete 20, 82 können so magnetisiert sein, dass die Nordpole 26 in eine radial nach außen gerichtete Richtung mit Bezug auf den Rotor gewandt sind. Die Permanentmagnete 20, 82 können so magnetisiert sein, dass der Südpol 28 in eine im Allgemeinen nach innen gerichtete Richtung gewandt ist. Die Permanentmagnete 20, 82 können zum Bilden von Magnetpolen 30, 88 eingerichtet sein. Die Magnetpole 30, 88 können schräg oder versetzt angeordnet sein. Eine Schicht 86 mit niedriger magnetischer Durchlässigkeit kann zwischen den Laminatabschnitten 10, 80 angeordnet sein. Der äußere Durchmesser der Schicht kann bündig mit dem Außendurchmesser der Abschnitte 10, 80 abschließen, oder der äußere Durchmesser der Schicht kann kurz vor dem Außendurchmesser der Abschnitte 10, 80 aufhören. Wie in 3B gezeigt, können die Permanentmagnete 20 relativ zu den Permanentmagneten 82 verschoben sein, um einen schrägen Rotor zu bilden. Eine Schicht 86 mit niedriger magnetischer Durchlässigkeit kann zwischen den Abschnitten 10, 80 positioniert sein.
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Mit Bezug auf 4 kann ein schräger Rotor 8 eine Vielzahl von Laminatabschnitten 10, 80 aufweisen. Die Vielzahl von Laminatabschnitten kann in einem ABBA-Muster schräg sein, wobei die Buchstaben auf die Schrägung und Position der Abschnitte im Stapel des Rotors 8 verweisen. Die Schichten 86 können zwischen den benachbarten Laminatabschnitten AB eingeschoben sein.
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Mit Bezug auf 6 wird eine mögliche Beziehung zwischen der spezifischen Drehmomentabgabe der elektrischen Maschine, der Dicke der Schichten und dem angelegten Strom dargestellt. Eine Schicht kann dieselbe Dicke wie der Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator aufweisen. Typischerweise kann ein Luftspaltabstand für eine elektrische Maschine zwischen 0,5 mm zu 1,0 mm betragen. Zum Beispiel kann ein Luftspalt eine Dicke von 0,7 mm aufweisen. Eine niedrige magnetische Durchlässigkeit aufweisende Schicht kann 0,85 mm dick sein. Wie in 6 gezeigt, kann die Dicke von Schichten, die eine niedrige magnetische Durchlässigkeit aufweisen, vergrößert oder verringert werden, um für eine bestimmte elektrische Maschine Nutzen zu bringen. Ein Rotor mit einer widerstandsfähigen Schicht, die eine Dicke von 1,7 mm aufweist, kann ein höheres Drehmoment erzeugen als ein Rotor ohne eine widerstandsfähige Schicht.
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Die in der Beschreibung verwendeten Worte sind beschreibende und nicht einschränkende Worte, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne dass vom Wesen und Schutzbereich der Offenbarung abgewichen wird. Wie oben beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die möglicherweise nicht explizit beschrieben oder dargestellt sind. Obwohl möglicherweise verschiedene Ausführungsformen als Vorteile bietend oder gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen des Standes der Technik in Bezug auf eine oder mehrere erwünschte Eigenschaften bevorzugt beschrieben wurden, erkennt der Durchschnittsfachmann, dass ein Kompromiss zwischen einem (einer) und mehreren Merkmalen und Eigenschaften geschlossen werden könnte, um gewünschte Gesamtsystemattribute zu erreichen, die von der speziellen Anwendung und Implementierung abhängen. Zu diesen Attributen können unter anderem Kosten, Festigkeit, Haltbarkeit, Lebenszykluskosten, Vermarktbarkeit, Aussehen, Verpackung, Größe, Wartungsfähigkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Einfachheit der Montage usw. gehören. Insofern liegen Ausführungsformen, die als bezüglich einer oder mehrerer Eigenschaften weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Implementierungen nach dem Stand der Technik beschrieben wurden, nicht außerhalb des Schutzbereichs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.
