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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft einen elektrischen Dauermagnetmaschinenrotor.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Elektrische Maschinen setzen typischerweise einen Rotor und einen Stator ein, um Drehmoment zu erzeugen. Elektrischer Strom strömt durch die Wicklungen des Stators, um ein Magnetfeld zu erzeugen. Das vom Stator erzeugte Magnetfeld kann mit Dauermagneten, die an dem Rotor befestigt sind, zusammenwirken, um Drehmoment zu erzeugen.
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KURZDARSTELLUNG
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Gemäß einer Ausführungsform dieser Offenbarung beinhaltet eine elektrische Maschine einen Rotor, der einen Hohlraum, der einen Magneten enthält, einen äußeren Rand und eine obere Brücke dazwischen definiert. Die obere Brücke definiert mindestens zwei Segmente, die jeweils eine Breite aufweisen, die an ihrem Minimum einer Q-Achse am nächsten ist, an ihrem Maximum einer D-Achse am nächsten ist und derart monoton vom Minimum zum Maximum zunimmt, dass während des Betriebs eine Änderungsgeschwindigkeit der Luftspaltflussdichte des Rotors, die dem jeweiligen Segment zugeordnet ist, variiert.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform dieser Offenbarung beinhaltet eine elektrische Maschine einen Rotor, der einen äußeren Rand aufweist und eine Vielzahl von Hohlräumen definiert. Der Hohlraum besteht aus einem ersten und einem zweiten Schenkel, die um eine Entfernung Wc beabstandet sind und entlang eines Winkels α ausgerichtet sind. Der erste und der zweite Schenkel schließen den Hohlraum durch ein Segment L
1 und ein Segment L
2. L
1 ist um W
1 und W
2 beabstandet und Segment L
2 ist um W
2 und W
3 beabstandet und
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Gemäß noch einer anderen Ausführungsform dieser Offenbarung weist eine elektrische Maschine einen Rotor auf. Der Rotor definiert einen Hohlraum, der einen Magneten enthält, und weist einen äußeren Rand und eine obere Brücke dazwischen auf. Die obere Brücke weist mindestens zwei Segmente auf. Jedes Segment weist eine Entfernung zwischen dem äußeren Rand und der oberen Brücke auf, die an ihrem Minimum einer Q-Achse am nächsten ist, an ihrem Maximum einer D-Achse am nächsten ist und derart monoton vom Minimum zum Maximum zunimmt, dass während des Betriebs eine Änderungsgeschwindigkeit der magnetomotorischen Kraft des Rotors, die dem jeweiligen Segment zugeordnet ist, variiert.
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Figurenliste
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- 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Blechpakets eines Rotors einer elektrischen Maschine.
- 2 ist eine Draufsicht einer Blechung.
- 2A ist eine detaillierte Ansicht des in 2 eingekreisten Details.
- 3 ist eine detaillierte Ansicht der oberen Brücke des Rotors.
- 4 ist eine Kurve der magnetomotorischen Kraft im Verhältnis zum Winkel für das Attribut und die herkömmliche flache Brücke.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Dauermagnetmaschinen verfügen über Magnete, die auf einem Rotor, der von einem Stator umgeben ist, montiert oder in ihn eingebettet sind. Die Magnete, die auf dem Rotor montiert oder in ihn eingebettet sind, sind an die strominduzierten internen Magnetfelder des Motors gekoppelt, die durch elektrische Eingabe an den Stator erzeugt werden. Ähnlich wie bei anderen Wechselstrom-(AC-)Induktionsmotoren wird elektrischer Strom durch die Statorwicklungen zugeführt.
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Getrennte Gruppen von Statorzähnen und die Statorwicklungen bilden mehrere Magnetpole, die ein Flussstrommuster erzeugen, wenn die Statorspulen mit einer mehrphasigen Sinusspannung gespeist sind. Eine dreiphasige elektrische Maschine hätte beispielsweise insgesamt 8 Pole und 48 Schlitze. Eine Gruppe von 6 Schlitzen wäre charakteristisch für jeden Pol der hier offenbarten bestimmten Beispiele einer elektrischen Maschine mit 48 Schlitzen. Der magnetische Fluss, der von den Statorwicklungen erzeugt wurde, wirkt derart mit dem Rotorfluss zusammen, der von den Dauermagneten in einem Rotor einer Dauermagnetmaschine erzeugt wurde, dass ein Rotordrehmoment erzeugt wird, wenn die Statorwicklungen mit einer mehrphasigen Spannung gespeist werden.
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Dauermagnete des Rotors können auf unterschiedliche Weisen positioniert oder ausgerichtet sein, um gewünschte Magnetfelder zu erzeugen. Jeder der Pole kann durch einen einzelnen Dauermagnet gebildet sein, der mit einem Pol (d. h.„ Nord oder Süd) in der radial nach außen verlaufenden Richtung ausgerichtet ist. Die Pole des Rotors können durch Gruppen von Dauermagneten gebildet sein, die so angeordnet sind, dass sie kooperativ Magnetpole bilden. Eine derartige Anordnung richtet die Magneten in einem V-förmigen Muster aus. Der innere Abschnitt des „Vs“ weist ähnliche magnetische Pole auf, die kooperieren, um einen magnetischen Pol des Rotors zu bilden. Jeder der Dauermagneten kann in Taschen oder Hohlräumen angeordnet sein, um die Dauermagneten festzuhalten. Diese Taschen oder Hohlräume sind typischerweise rechteckig und zum Aufnehmen der Dauermagneten bemessen. Die Hohlräume können an gegenüberliegenden Enden leicht überdimensioniert sein, um magnetischen Streufluss zwischen Nord- und Südpolen der individuellen Dauermagneten zu beschränken. Leerräume oder Hohlräume im Rotorkern behindern den Magnetfluss, da ein Vakuum eine relativ niedrige magnetische Durchlässigkeit im Vergleich zum Rotorkernmaterial aufweist (z. B., elektrischer Stahl).
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Das von den Statorwicklungen erzeugte Drehmoment und das Rotorflussfeld entwickeln eine gleichmäßige Drehmomentkomponente und eine variierende Drehmomentkomponente. Das Gesamtausgangsdrehmoment der elektrischen Maschine ist eine Kombination aus beiden Komponenten. Aufgrund der variablen Drehmomentkomponente wird ein Drehmomentwelligkeitsphänomen erzeugt, was zu Geschwindigkeitsschwingungen des Motordrehmomentausgangs führt, wenn die elektrische Maschine als ein Motor wirkt. Drehmomentwelligkeit wird in Elektromotoren durch das Zusammenwirken zwischen den harmonischen Magnetflüssen, die von den Dauermagneten erzeugt werden, und dem Strom in den Statorwicklungen verursacht. Eine Reduzierung des harmonischen Flusses, der von dem Dauermagneten erzeugt wird, führt zu einer Reduzierung der Drehmomentwelligkeit sowie der Eisenverluste.
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Für die meisten Anwendungen muss die Drehmomentwelligkeit auf einen kontrollierbaren Pegel reduziert werden, besonders im Fall von Hybridelektrofahrzeugantriebsstranganwendungen, bei denen die Drehmomentwelligkeitskomponenten bei variablen Frequenzen proportional zur Ausgangswellengeschwindigkeit eines Elektroantriebsmotors auftreten. Hohe Frequenzen können üblicherweise durch eine beschränkte Bandbreite in den mechanischen Komponenten des Antriebsstrangs herausgefiltert werden. Niedrigere Frequenzen verursachen jedoch mechanische Schwingungen, die nicht leicht gefiltert werden können. Derartige Schwingungen sind in einem Hybridelektrofahrzeugantriebsstrang nicht annehmbar. Anwesenheit von Drehmomentwelligkeit vom Motor bei niedrigen Frequenzen kann den Motor dazu veranlassen, unerwünschte Vibrationen und Geräusche zu erzeugen.
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Im Allgemeinen können Rotorblechungen Taschen oder Hohlräume aufweisen, die entlang des Rands des Rotors angeordnet sind, um Dauermagneten aufzunehmen. Die Dauermagneten können derart angebracht sein, dass sie mit dem Magnetfeld, das von den Statorwicklungen erzeugt wird, zusammenwirken. Diese Taschen oder Hohlräume können flussbeschränkende Bereiche beinhalten, um ungewünschten Streufluss zwischen Magneten zu minimieren.
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Die Form des Rotors und dessen zugehörigen Hohlräumen hat Auswirkungen auf die Flussverteilung entlang der Oberfläche des Rotors. Die Flussverteilung beeinflusst die Drehmomentwelligkeit und die Eisenverluste der elektrischen Maschinen. Die Form des Rotors weist eine sich allmählich ändernde Breite der oberen Brücke auf. Die allmähliche Änderung der Breite der oberen Brücke führt zu einer glatten Änderung der Reluktanz entlang der Brücke. Dies reduziert die Rotorflussharmonischen derart wirksam, dass eine Reduzierung der Drehmomentwelligkeit und der Eisenverluste erreicht wird. Die Größe und Form der Hohlräume innerhalb des Rotors gemäß den Ansprüchen zielen auf das Reduzieren der Eisenverluste in Dauermagnetmotoren ab.
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Unter Bezugnahme auf die 1—2 ist ein Rotor 26 einer elektrischen Maschine veranschaulicht. Der Rotor 26 beinhaltet einen Mittelpunkt 28, der eine Drehachse des Rotors definiert. Eine D-Achse 30 erstreckt sich von dem Mittelpunkt 28 weg und verläuft senkrecht zur Drehachse. Eine Q-Achse 29 ist bei 22,5 mechanischen Grad von der D-Achse 30 dargestellt und wird durch 90 elektrische Grad getrennt.
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Unter Bezugnahme auf 2A ist ein Rotor 26 veranschaulicht, der einen Magnethohlraum 24 und einen Magneten 20 definiert. Der Rotor 26 ist vorzugsweise ein rundes Blatt aus elektromagnetisch-durchlässigem Metall. Der Rotor 26 beinhaltet einen Mittelpunkt 28, der vom äußeren Rand 22 des Rotors 26 umgeben ist. Eine oder mehrere Magnethohlräume 24 sind im Rotor 26 verteilt positioniert. Eine Gleichstromachse (D-Achse) 30 halbiert zwei der Magnethohlräume 24, die voneinander beabstandet sind. Die D-Achse 30 ist die Achse der Feldwicklung in Richtung des Direktstromfelds. Eine Quadraturachse (Q-Achse) 29 erstreckt sich in der Darstellung vom Mittelpunkt 28 weg entlang eines Winkels von etwa 22,5 ° relativ zur D-Achse 30. Während die Q-Achse 29 bei 22,5 mechanischen Grad von der D-Achse 30 dargestellt ist, ist sie durch 90 elektrische Grad getrennt.
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Nachstehend wird auf die Hohlräume 24 im Singular Bezug genommen. Es versteht sich, dass die Hohlräume eine beliebige Größe oder Form aufweisen können, solange die obere Brücke 16 des Rotors sich monoton vergrößernde Abschnitte beinhaltet. Mindestens einer der Magnethohlräume 24 innerhalb des Rotors 26 weist die Größe, Form und Lage wie nachstehend beschrieben auf. Der Magnethohlraum 24 ist V-förmig und der breitere obere Abschnitt des Vs ist in der Nähe des äußeren Rands 22 des Rotors 26 angeordnet. Der untere Abschnitt des Vs ist zum Aufnehmen eines Magneten 20 bemessen und weist eine Breite von WC auf. Ein erster Schenkel 10 und ein zweiter Schenkel 18 bilden den unteren Teil des V-förmigen Hohlraums. Der obere Abschnitt des V-förmigen Hohlraums 24 verbindet den ersten Schenkel 10 und den zweiten Schenkel 18. Der obere Abschnitt des V-förmigen Hohlraums besteht aus einem ersten Segment 12 und einem zweiten Segment 14, die den Hohlraum zwischen dem ersten Schenkel 10 und dem zweiten Schenkel 18 schließen. Ein Abschnitt des ersten Schenkels 10 und des zweiten Schenkels 18 ist durch einen Winkel α relativ zur D-Achse 30 ausgerichtet. Das erste Segment 12 verläuft vom ersten Schenkel 10 aus in eine Richtung, die quer zum ersten Schenkel 10 verläuft, und weist eine Länge von L1 auf. Das erste Segment 12 ist um eine Entfernung W1 vom äußeren Rand 22 des Rotors 26 beabstandet. Das erste Segment 12 liegt der Q-Achse 29 am nächsten. Das zweite Segment 14 weist eine Länge L2 auf, die einer Entfernung in gerader Linie zwischen dem ersten Abschnitt 12 und dem Ende des zweiten Schenkels 18 entspricht. Die Segmente 12 und 14 bestehen aus geraden Linien. Die Breite zwischen dem Punkt, an dem L1 endet und L2 beginnt, ist um eine Entfernung W2 vom äußeren Rand 22 des Rotors 26 beabstandet. Die Länge L1 beträgt weniger als 1/3 der Breite Wc geteilt durch den Sinus von α. Die Länge L2 beträgt mehr als 2/3 der Breite Wc geteilt durch den Sinus von α. Die Entfernung W1 kann geringer oder gleich der Entfernung W2 sein. Der äußere Rand 22 und der Punkt, an dem das zweite Segment 14 endet, sind um eine Entfernung W3 beabstandet. Die Entfernung W3 ist größer als die Entfernung W2.
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Unter Bezugnahme auf 3 ist eine detaillierte Ansicht eines beispielhaften Rotors veranschaulicht. Der Rotor 26 ist in Umfangsrichtung von einem Stator 32 umgeben. Wie in 2 beschrieben, ist ein Hohlraum 24 von dem Rotor 26 definiert. Der Hohlraum weist einen oberen Abschnitt auf, der von zwei Segmenten definiert ist. Die obere Brücke ist von dem oberen Abschnitt des Hohlraums und dem äußeren Rand 22 des Rotors 26 definiert. Richtungspfeile 34 veranschaulichen die Bewegung des Magnetfelds durch den Rotor 26.
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Wie vorstehend erwähnt, hat die Form des Rotors und dessen zugehörigen Hohlräumen Auswirkungen auf die Flussverteilung entlang der Oberfläche des Rotors. Da sich das Magnetfeld unter Bezugnahme auf 3 von rechts nach links bewegt, ist das Magnetfeld in der Nähe des breitesten Abschnitts der oberen Brücke 16 am stärksten. Da sich die obere Brücke 16 an seinem breitesten Punkt befindet, ist sie dazu fähig, den stärkeren Abschnitt des Magnetfelds über einen größeren Oberflächenbereich zu verteilen. Die Verteilung des Magnetfelds über einen Oberflächenbereich verändert die Luftspaltflussdichte, während sich die Form des Hohlraums verengt. Die Luftspaltflussverteilung beeinflusst die Drehmomentwelligkeit und die Eisenverluste der elektrischen Maschinen. Wie erwähnt, erzeugt die Form des Hohlraums eine allmähliche Änderung der Breite der oberen Brücke 16. Die allmähliche Änderung der Breite der oberen Brücken 16 führt zu einer glatten Änderung der Reluktanz entlang der Brücke. Dies reduziert die Rotorflussharmonischen derart wirksam, dass eine Reduzierung der Drehmomentwelligkeit und der Eisenverluste erreicht wird. Die Größe und Form der Hohlräume innerhalb des Rotors gemäß den Ansprüchen zielen auf das Reduzieren der Eisenverluste in Dauermagnetmotoren ab. Die allmähliche Reduzierung der Breite der oberen Brücke 16 ermöglicht eine gleichmäßigere Verteilung der Luftspaltflussdichte.
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Unter Bezugnahme auf
4 ist ein Diagramm der magnetomotorischen Kraft [Amperewindungen] im Verhältnis zum Winkel [elektrische Grad] veranschaulicht. Eine gestrichelte Linie S1 gibt die herkömmliche Gestaltung mit flacher Brücke wieder. Die herkömmliche flache Brücke S1 weist eine im Wesentlichen quadratische Form auf. Eine durchgezogene Linie, S2, gibt die Gestaltung gemäß den Ansprüchen des Rotors gemäß den Ansprüchen wieder. Während sich die Flussdichte dem Spitzenwert von etwa 0,6 [Amperewindungen] nähert, erhöht sich die Flussdichte allmählich über zwei Segmente, Segment
1 und Segment
2. Wie die Tabelle 1 belegt, führt die stufenweise Änderung der magnetomotorischen Kraft vor der Annäherung an einen Sättigungspunkt des Rotors
26 zu einer Verringerung der Drehmomentwelligkeit und der Eisenverluste.
TABELLE 1
Attribut | Verringerung von der Basislinie der herkömmlichen flachen Brücke |
Drehmomentwelligkeit | -70 % |
Eisenverluste bei Feldschwächbedingung | -18 % |
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Je nach Bedarf werden hier detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart; dabei versteht es sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Demnach sind hier offenbarte konkrete strukturelle und funktionelle Details nicht als einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachmann die vielfältige Verwendung der vorliegenden Erfindung zu lehren.
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Obwohl vorstehend Ausführungsbeispiele beschrieben sind, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke sind vielmehr beschreibende Ausdrücke als einschränkende Ausdrücke, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können die Merkmale verschiedener Umsetzungsausführungsformen miteinander kombiniert werden, um weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen zu bilden.