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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 den Rotor befestigt sind, kooperieren, um Drehmoment zu erzeugen.
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KURZDARSTELLUNG
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Gemäß einer Ausführungsform dieser Offenbarung ist eine elektrische Maschine, die einen Rotor aufweist, offenbart. Der Rotor definiert einen Hohlraum, der einen Magneten enthält, einen äußeren Umfang und eine obere Brücke dazwischen, die mindestens jeweils zwei Schlitze beinhalten, die eine Länge in einer radialen Richtung aufweisen. Ein Höchstwert der Längen befindet sich am nächsten zu einer Q-Achse und ein Mindestwert der Längen befindet sich am nächsten zu einer D-Achse. Während des Betriebs der elektrischen Maschine variiert eine Änderungsgeschwindigkeit von Luftspaltflussdichte durch die obere Brücke.
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Eine Wellenform, die mit der Luftspaltdichte verbunden ist, kann sich stufenweise erhöhen oder verringern.
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Die Änderungsgeschwindigkeit der Rotorluftspaltflussdichte kann zu einer Verringerung von Drehmomentwelligkeit und Eisenverlusten führen.
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Die elektrische Maschine kann ebenfalls einen Stator beinhalten, der den Rotor in Umfangsrichtung umgibt. Der Rotor und der Stator können jeweils ein Magnetfeld erzeugen, die zusammenwirken, um einen Pegel der Harmonischen zu definieren. Beim Erhöhen des Pegels der Harmonischen erhöhen sich Drehmomentwelligkeit und Eisenverluste. Der Pegel der Harmonischen kann auf der Luftspaltflussdichte basieren.
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Ein erster von den mindestens zwei Schlitzen, der sich am nächsten zu der Q-Achse befindet, kann vom Außenrand um eine erste Entfernung beabstandet sein und ein zweiter der mindestens zwei Schlitze ist um eine zweite Entfernung vom Außenrand beabstandet. Die erste Entfernung kann kleiner sein als die zweite Entfernung.
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Eine Hauptachse von jedem der mindestens zwei Schlitze kann radial im Verhältnis zu einer Rotationsachse des Rotors angeordnet sein.
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Die mindestens zwei Schlitze können eine rechteckige Form mit abgerundeten Ecken aufweisen.
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Die mindestens zwei Schlitze können eine ovale, rautenförmige, hexagonale oder andere unregelmäßige Form aufweisen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform dieser Offenbarung ist eine elektrische Maschine, die einen Rotor aufweist, offenbart. Der Rotor definiert einen Hohlraum, der einen Magneten enthält, einen Außenrand und eine obere Brücke dazwischen. Der Rotor beinhaltet mindestens zwei Schlitze, die jeweils eine Breite aufweisen. Der Höchstwert der Breiten befindet sich am nächsten zu einer D-Achse, ein Mindestwert der Breiten befindet sich am nächsten zu einer Q-Achse, und jede Breite verringert sich monoton vom Höchstwert zum Mindestwert.
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Die sich monoton verringernde Breiten der mindestens zwei Schlitze kann bei Betrieb zu einer gestuften Änderungsgeschwindigkeit der Luftspaltflussdichte durch die obere Brücke führen.
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Die gestufte Änderungsgeschwindigkeit kann derart wirken, dass ein von der elektrischen Maschine definierter Pegel der Harmonischen aufgehoben wird, um Drehmomentwelligkeit und Eisenverluste zu reduzieren.
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Die zwei Schlitze können eine rechteckige Form mit abgerundeten Ecken aufweisen.
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Der Rotor kann zudem einen dritten Schlitz beinhalten. Der erste von den mindestens zwei Schlitzen und ein zweiter Schlitz der mindestens zwei Schlitze können um eine erste Entfernung voneinander beabstandet sein, und ein zweiter der mindestens zwei Schlitze und der dritte Schlitz können durch eine zweite Entfernung getrennt sein. Die erste Entfernung kann größer als oder gleich sein wie die zweite Entfernung.
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Ein erster von den mindestens zwei Schlitzen, der sich am nächsten zu der D-Achse befindet, kann vom Außenrand um eine erste Entfernung beabstandet sein und ein zweiter der mindestens zwei Schlitze kann um eine zweite Entfernung vom Außenrand beabstandet sein. Die erste Entfernung kann größer sein als die zweite Entfernung.
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Der Schlitz, der sich am nächsten zu der D-Achse befindet, weist eine Länge H1 und eine Breite W1 auf, und H1 ist größer als oder gleich wie W1, und wobei der Schlitz, der sich am nächsten zu der Q-Achse befindet, eine Länge H3 und eine Breite W3 aufweist, und W3 weniger ist als H3.
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Jeder der mindestens zwei Schlitze kann eine Hauptachse aufweisen, die im Wesentlichen senkrecht zum Außenrand des Rotors angeordnet ist.
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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 der Blechung.
- 3 ist ein Diagramm der Luftspaltflussdichte verglichen mit einem Winkel für das Attribut.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Dauermagnetmaschinen verfügen über Magnete, die auf einem Rotor, der von einem Stator umgeben ist, montiert oder in ihn eingelagert sind. Die Magnete, die auf dem Rotor montiert oder in ihn eingelagert sind, sind an die strominduzierten internen Magnetfelder des Motors gekoppelt, die von elektrischer Eingabe an den Stator erzeugt sind. Ähnlich wie bei anderen Wechselstrom-(AC-)Induktionsmotoren wird elektrischer Strom durch die Statorwicklungen zugeführt.
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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 die radial nach außen verlaufende Richtung ausgerichtet ist. Die Pole des Rotors können durch Gruppen von Dauermagneten gebildet sein, die angeordnet sind, um kooperativ Magnetpole zu bilden. Eine derartige Anordnung richtet die Magneten in einem V-förmigen Muster aus. Der innere Abschnitt des „V“ 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 bemessen, um die Dauermagneten aufzunehmen. 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 magnetischen Fluss, da ein Vakuum eine relativ niedrige magnetische Durchlässigkeit im Vergleich zum Rotorkernmaterial aufweist (z. B., elektrischer Stahl).
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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 zum Beispiel 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 erstellt wurde, wirkt derart mit dem Rotorfluss zusammen, der von den Dauermagneten in einem Rotor einer Dauermagnetmaschine erstellt wurde, dass ein Rotordrehmoment erstellt wird, wenn die Statorwicklungen mit einer mehrphasigen Spannung gespeist werden.
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Das von den Statorwicklungen erstellte 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 erstellt, was zu Geschwindigkeitsschwingungen des Motordrehmomentausgangs führt, wenn die elektrische Maschine als ein Motor wirkt. Drehmomentwelligkeit wird in Elektromotoren durch ein 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 Ausgabewellengeschwindigkeit eines Elektroantriebsmotors erfolgen. 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 zu umschließen. 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 beeinträchtigt die Drehmomentwelligkeit und 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 von Reluktanz entlang der Brücke. Dies reduziert die Rotorflussharmonischen derart wirksam, dass eine Reduzierung von Drehmomentwelligkeit und Eisenverlusten erreicht wird. Die Größe und Form der Hohlräume innerhalb des Rotors zielen wie offenbart auf das Reduzieren von Eisenverlusten innerhalb von Dauermagnetmotoren ab.
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Magnetische Sättigung erfolgt, wenn ein größeres Magnetfeld angewendet wird. Es erfolgt keine weitere oder minimale Magnetisierung des Materials. In herkömmlichen Dauermagnetrotorauslegungen liegt die Breite der oberen Brücke im Wesentlichen gleichmäßig dazwischen. Als Folge erhöht sich die Flussdichte in den Bereichen an beiden Enden der Brücke schnell, was zu Flüssen von Harmonischen im Luftspalt führt. Die schnelle Flussänderung kann durch Einführen von Hohlräumen in die Brücke reduziert werden, um die Reluktanzänderung entlang der Brücke zu glätten. Diese Reduzierung der Flussänderungsgeschwindigkeit ist dazu in der Lage, Drehmomentwelligkeit um 20 % bis 30 % zu reduzieren. Eisenverluste können ebenfalls um über 10 % bis 15 % reduziert werden.
Tabelle 1
| Attribut | Verringerung von herkömmlicher flacher Ausgangswert - Brücke |
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| Drehmomentwelligkeit | -20 % - 30 % |
| Eisenverluste bei Feldschwächbedingung | -10 % - 15 % |
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Unter Bezugnahme auf 2 wird eine Draufsicht eines Rotors 26 für eine Achtpol-Maschine, der von einem Stator 32 umgeben ist, veranschaulicht. Das Rotor 26 beinhaltet einen Magnethohlraum 24. Der Rotor 26 ist vorzugsweise ein rundes Blatt aus elektromagnetisch-durchlässigem Metall. Eine direkte Achse (D-Achse) 30 halbiert zwei der Hohlräume 24 (2A), die voneinander entfernt sind. Eine Quadraturachse (Q-Achse) 29 wird als sich vom Mittelpunkt 28 entlang eines elektrischen Winkels von ungefähr 90 ° erstreckend gezeigt (in Bezug auf die D-Achse, wobei die Q-Achse als 22,5 mechanische Grade für den gezeigten Beispielrotor gezeigt ist).
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In Bezug auf 2A wird eine detaillierte Ansicht entlang des umkreisten Bereichs 2A dargestellt. Ein Stator 32 umgibt einen Rotor 26 in Umfangsrichtung. Der Rotor 26 definiert einen Magnethohlraum 24. Der Magnethohlraum 24 besteht aus einem ersten Schenkel 10 und einen zweiten Schenkel 18. Der erste Schenkel 10 und der zweite Schenkel 18 sind derart voneinander beabstandet, dass der Magnethohlraum 24 bemessen ist, um einen Magneten 20 aufzunehmen. Der erste Schenkel 10 und der zweite Schenkel 18 sind zusammen über einen ersten Teil 12 verbunden. Eine obere Brücke 16 ist ein Bereich zwischen dem äußeren Rand 22 des Hohlraums 24 und des ersten Teils 12 des Hohlraums 24. Ein erster Schlitz 40 ist innerhalb der oberen Brücke 16 angeordnet und ist am nächsten zu der D-Achse 30 angeordnet. Der erste Schlitz 40 weist vorzugsweise eine Breite W1 und eine radiale Länge H1 auf. Der erste Schlitz 40 ist in der oberen Brücke 16 und am nächsten zu der D-Achse 30 im Vergleich zum zweiten Schlitz 50 und dritten Schlitz 60 positioniert. Ein zweiter Schlitz 50 ist innerhalb der oberen Brücke 16 angeordnet. Der zweite Schlitz 50 ist zwischen dem Hohlraum 24 und dem äußeren Umfang 22 angeordnet. Der zweite Schlitz 50 weist eine radiale Länge H2 und eine Breite W2 auf. Die Höhe H2 ist größer als die Höhe des ersten Schlitzes H1. Ein dritter Schlitz 60 ist innerhalb der oberen Brücke 16 zwischen dem äußeren Umfang 22 und dem Hohlraum 24 positioniert. Der dritte Schlitz 60 weist eine Breite W3 und eine Höhe H3 auf. Die radiale Länge H3 des dritten Schlitzes 60 ist größer als die radiale Länge H2 des zweiten Schlitzes 50. Die Schlitze können jegliche Form annehmen, vorausgesetzt die Höhe der Schlitze verringert sich gemäß deren Position relativ zur D-Achse 30. Je näher sich der Schlitz an der Q-Achse 29 in Bezug auf die anderen Hohlräume befindet, desto größer ist die radiale Länge des Schlitzes.
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Die Schlitze können um eine vorbestimmte Entfernung voneinander beabstandet sein. Zum Beispiel können der erste Schlitz 40 und der zweite Schlitz 50 um eine Entfernung a voneinander beabstandet sein. Der zweite Schlitz 50 und der dritte Schlitz 60 sind voneinander um eine Entfernung b beabstandet. Die Entfernung a ist größer als oder gleich wie die Entfernung b.
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Unter Bezugnahme auf 3 ist ein Diagramm gezeigt, das eine Messung von Luftspaltflussdichte, gemessen in Tesla [T] verglichen mit Winkelgrad, gemessen in elektrischen Grad, darstellt. Die Form und Größe der Schlitze erstellt eine gestufte oder allmähliche Änderung der Luftspaltflussdichte, wenn sich die Flussdichte dem Spitzenwert nähert. Der erste Abschnitt des Diagramms zeigt eine Erhöhung der Luftspaltflussdichte und eine allmähliche Verringerung. Diese Erhöhung und allmähliche Verringerung beruht auf dem ersten Schlitz 40. Dasselbe trifft auf den zweiten und den dritten Abschnitt des Diagramms zu. Jeder der Schlitze führt zu einer Erhöhung und allmählichen Verringerung der Luftspaltflussdichte, bevor er den Spitzenwert erreicht. Die allmähliche Änderung zwischen null Grad und 25 Grad ist für den Rotor 26, der wie vorstehend erläutert drei Schlitze aufweist, festgelegt. Diese allmähliche Änderung der Luftspaltflussdichte führt zu einer niedrigeren Flussdichte der Harmonischen, was zu einer Verringerung der Drehmomentwelligkeit führt.
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Je nach Bedarf werden hier detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart; dabei versteht es sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen für die Erfindung, die in zahlreichen und alternativen Formen ausgeführt werden können, lediglich beispielhaft sind. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind die hier offenbarten konkreten strukturellen und funktionellen Einzelheiten nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachmann die vielseitige Verwendung der vorliegenden Erfindung zu lehren.
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Zwar wurden vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben, doch erfolgte dies nicht mit der Absicht, dass diese Ausführungsformen 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.
