DE102018113266A1

DE102018113266A1 - Elektromotor mit eingebettetem dauermagnet

Info

Publication number: DE102018113266A1
Application number: DE102018113266.2A
Authority: DE
Inventors: Alireza Fatemi; Lei Hao; Thomas W. Nehl; Chandra S. Namuduri; Norman K. Bucknor
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-06-07
Filing date: 2018-06-04
Publication date: 2018-12-13
Also published as: CN109004780B; US10622875B2; US20180358876A1; CN109004780A

Abstract

Eine IPM-Elektromaschine umfasst einen Rotor, einen Rotorwellenstator und Permanentmagnete. Der Rotor enthält Seltenerd-Permanentmagnete, die in Aussparungen angeordnet sind. Der Rotor, die Aussparungen und die Permanentmagnete entsprechen einem ersten Satz geometrischer Designparameter. Der Stator enthält radial nach innen vorstehenden Zähnen, die Schlitze zwischen Paaren der Zähne bilden. Elektrische Wicklungen sind innerhalb der Schlitze des Laminatstapels angeordnet. Die Zähne und Schlitze entsprechen einem zweiten Satz geometrischer Designparameter. Die Anzahl von Schlitzen liegt zwischen 60 und 96, die Anzahl von elektrischen Polen liegt zwischen 6 und 12, die Anzahl von elektrischen Phasen liegt zwischen 3 und 6 und die elektrischen Wicklungen beinhalten eine Anzahl von Windungen zwischen 8 und 20 pro Phase. Ein Verhältnis eines Außendurchmessers des Stators zu einer aktiven Länge des Rotors liegt zwischen 2 und 3,5.

Description

EINLEITUNG
Elektrische Motoren/Generatoren, z. B. Maschinen mit Innenpermanentmagnet (IPM-Motoren), können als drehmomenterzeugende Vorrichtungen an Fahrzeugen verwendet werden.
KURZDARSTELLUNG
Ein mehrphasiger mehrpoliger Innenpermanentmagnetmotor/-generator (IPM-Elektromaschine) wird beschrieben und umfasst einen Rotor, der auf einer Rotorwelle innerhalb eines ringförmigen Stators angeordnet ist, und eine Vielzahl von Permanentmagneten, die in dem Rotor angeordnet sind, wobei der Stator einen Statorkern und elektrische Wicklungen umfasst, die in einer verteilten Wicklungskonfiguration angeordnet sind. Der Rotor umfasst eine Vielzahl von Aussparungen, die nahe einem äußeren Umfang des Rotors angeordnet sind, und die Permanentmagnete sind in den Aussparungen angeordnet. Die Permanentmagnete bestehen aus Seltenerdmaterialien. Der Rotor, die Aussparungen und die Permanentmagnete entsprechen einem ersten Satz geometrischer Designparameter. Der Stator umfasst eine Vielzahl von radial nach innen vorstehenden Zähnen, die so konfiguriert sind, dass sie nach innen öffnende Schlitze zwischen benachbarten Paaren der Zähne bilden. Die Zähne und Schlitze entsprechen einem zweiten Satz geometrischer Designparameter. Die elektrischen Wicklungen sind innerhalb der Schlitze des Laminatstapels angeordnet. Der erste und der zweite Satz von geometrischen Designparametern werden ausgewählt, um Motorbetriebsparameter zu erzielen, die einen hohen Fahrzykluswirkungsgrad über einen weiten Betriebsbereich, eine hohe Drehmomentdichte, einen breiten Spitzenleistungsbereich, eine maximale Drehzahl von 18.000 U/min und ein Minimieren der Magnetmaterialmasse umfassen.
Ein Aspekt der Offenbarung umfasst eine Anzahl von Schlitzen, die zwischen 60 und 96 liegt, die Anzahl von elektrischen Polen liegt zwischen 6 und 12, wobei die Anzahl von elektrischen Phasen zwischen 3 und 6 liegt und die elektrischen Wicklungen eine Anzahl von Windungen zwischen 8 und 20 pro Phase umfassen. Ein normierter charakteristischer Strom jeder Phase der verteilten Wicklungskonfiguration liegt zwischen 0,35 und 0,7 in Bezug auf den Spitzenstrom. Eine magnetische Restinduktion der Permanentmagnete ist größer als 0,1 T und ein Verhältnis eines Außendurchmessers des Stators zu einer aktiven Länge des Rotors liegt zwischen 2 und 3,5.
Ein Aspekt der Offenbarung beinhaltet, dass der erste und der zweite Satz von geometrischen Designparametern ausgewählt werden, um Motorbetriebsparameter zu erzielen, die einen hohen Fahrzykluswirkungsgrad über einen weiten Betriebsbereich, eine hohe Drehmomentdichte, einen breiten Spitzenleistungsbereich und eine maximale Geschwindigkeit von 18.000 U/min und ein minimieren der Magnetmaterialmasse umfassen.
Ein anderer Aspekt der Offenbarung beinhaltet den zweiten Satz geometrischer Designparameter, die mit dem Stator assoziiert sind, einschließlich eines Aufteilungsverhältnisses, eines Zahnbreitenverhältnisses, eines Zahnspitzenlängenverhältnisses und eines Jochverhältnisses, das mit radial nach innen ragenden Zähnen des Stators assoziiert ist.
Ein anderer Aspekt der Offenbarung beinhaltet das Aufteilungsverhältnis mit einer Größe zwischen 0,60 und 0,67, wobei das Zahnbreitenverhältnis eine Größe zwischen 0,53 und 0,60 aufweist, wobei das Zahnspitzenlängenverhältnis eine Größe zwischen 0,11 und 0,45 aufweist und das Jochverhältnis eine Größe zwischen 0,08 und 0,14 aufweist.
Ein anderer Aspekt der Offenbarung beinhaltet, dass jeder der Permanentmagneten ein rechteckiges Prisma mit einer Längsachse und einer rechteckigen Querschnittsfläche mit einer Hauptachse und einer Nebenachse ist, wobei jede der Vielzahl von Aussparungen orthogonal zu einer radialen Linie des Rotors angeordnet ist sowie angeordnet ist, um einen der Permanentmagnete aufzunehmen, und wobei jeder der Permanentmagneten in einer jeweiligen der Aussparungen derart angeordnet ist, dass seine Hauptachse orthogonal zu der Radiallinie des Rotors ist.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet den ersten Satz geometrischer Designparameter, die dem Rotor zugeordnet sind, einschließlich eines Permanentmagnet-Bestückungsverhältnisses, eines q-Achsbreitenverhältnisses, eines Permanentmagnethöhenverhältnisses und eines Polbelegungsverhältnisses.
Ein anderer Aspekt der Offenbarung beinhaltet das Permanentmagnet-Bestückungsverhältnis zwischen 1,75 und 6,67, wobei das q-Achsbreitenverhältnis zwischen 0,5 und 0,69 liegt, das Permanentmagnethöhenverhältnis zwischen 0,21 und 0,30 liegt und das Polbelegungsverhältnis zwischen 0,57 und 0,73 liegt, wenn die IPM-Elektromaschine als eine 8-polige Vorrichtung angeordnet ist und der Stator 96 Schlitze enthält.
Ein anderer Aspekt der Offenbarung beinhaltet das Permanentmagnet-Bestückungsverhältnis zwischen 1,86 und 7,10, wobei das q-Achsbreitenverhältnis zwischen 0,52 und 0,74 liegt, das Permanentmagnethöhenverhältnis zwischen 0,35 und 0,62 liegt und das Polbelegungsverhältnis zwischen 0,63 und 0,68 liegt, wenn die IPM-Elektromaschine als eine 12-polige Vorrichtung angeordnet ist und der Stator 72 Schlitze enthält.
Ein anderer Aspekt der Offenbarung beinhaltet das Permanentmagnet-Bestückungsverhältnis zwischen 1,70 und 9,67, wobei das q-Achsbreitenverhältnis zwischen 0,51 und 0,72 liegt, wobei das Permanentmagnethöhenverhältnis zwischen 0,27 und 0,59 liegt und das Polbelegungsverhältnis zwischen 0,61 und 0,67 liegt, wenn die IPM-Elektromaschine als eine 10-polige Vorrichtung angeordnet ist und der Stator 60 Schlitze enthält.
Ein anderer Aspekt der Offenbarung beinhaltet, dass die Permanentmagnete in einer V-Konfiguration derart angeordnet sind, dass ein Scheitelpunkt der V-Konfiguration auf einer radialen Linie des Rotors angeordnet ist und wobei die Hauptachse des Permanentmagneten in einem spitzen Winkel relativ zu der radialen Linie und dem äußeren Umfang des Rotors angeordnet ist.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet den ersten Satz geometrischer Designparameter, die dem Rotor zugeordnet sind, einschließlich eines Permanentmagnet-Bestückungsverhältnisses, eines Permanentmagnetbreitenverhältnisses, eines q-Achsbreitenverhältnisses, eines Permanentmagnethöhenverhältnisses und eines Polbelegungsverhältnisses, wobei das Permanentmagnet-Bestückungsverhältnis zwischen 0,25 und 0,48 liegt, das Permanentmagnetbreitenverhältnis zwischen 0,85 und 0,93 liegt, das q-Achsbreitenverhältnis zwischen 0,52 und 0,87 liegt, das Permanentmagnethöhenverhältnis zwischen 8,73 und 14,10 liegt und das Polbelegungsverhältnis zwischen 0,63 und 0,75 liegt, wenn die IPM-Elektromaschine als eine 8-polige Vorrichtung angeordnet ist und der Stator 96 Schlitze enthält.
Ein anderer Aspekt der Offenbarung beinhaltet, dass die IPM-Elektromaschine als eine 12-polige Vorrichtung angeordnet ist und der Stator 72 Schlitze enthält, und wobei der erste Satz geometrischer Designparameter, der dem Rotor zugeordnet ist, ein Permanentmagnet-Bestückungsverhältnis zwischen 0,30 und 0,44 aufweist, das Permanentmagnetbreitenverhältnis zwischen 0,83 und 0,92 liegt, das q-Achsbreitenverhältnis zwischen 0,50 und 0,88 liegt, das Permanentmagnethöhenverhältnis zwischen 8,76 und 12,54 liegt und das Polbelegungsverhältnis zwischen 0,61 und 0,66 liegt.
Ein anderer Aspekt der Offenbarung beinhaltet, dass die IPM-Elektromaschine als eine 10-polige Vorrichtung angeordnet ist und der Stator 60 Schlitze enthält, und wobei der erste Satz geometrischer Designparameter, der dem Rotor zugeordnet ist, ein Permanentmagnet-Bestückungsverhältnis zwischen 0,31 und 0,44 aufweist, das Permanentmagnetbreitenverhältnis zwischen 0,88 und 0,93 liegt, das q-Achsbreitenverhältnis zwischen 0,52 und 0,89 liegt, das Permanentmagnethöhenverhältnis zwischen 8,66 und 13,34 liegt und das Polbelegungsverhältnis zwischen 0,62 und 0,67 liegt.
Ein anderer Aspekt der Offenbarung beinhaltet, dass die Schlitze zwischen benachbarten Zähnen in dem Stator rechteckig geformt sind.
Ein anderer Aspekt der Offenbarung beinhaltet, dass die Schlitze zwischen benachbarten Zähnen in dem Stator trapezförmig geformt sind.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet, dass die IPM-Elektromaschine ein Salienzverhältnis innerhalb eines Bereichs zwischen 1,5 und 3,0 aufweist.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet, dass der Rotor eine Vielzahl von Laminatblechen umfasst, die auf der Rotorwelle angeordnet sind, wobei die Vielzahl von Laminatblechen eine Vielzahl von Hohlräumen umfasst, die nahe einem äußeren Umfang des Rotors angeordnet sind, und wobei die Hohlräume die Vielzahl von Aussparungen bilden.
Ein anderer Aspekt der Offenbarung beinhaltet, dass die Aussparungen eine Vielzahl von parabolisch geformten Hohlräumen angrenzend zu Kantenabschnitten des darin angeordneten Permanentmagneten enthalten, wobei jeder der Hohlräume eine Tiefe aufweist, die 10-20 % der Nebenachsenlänge des Magneten beträgt, und eine Länge, die 15-30 % der Hauptachsenlänge des Permanentmagneten beträgt.
Die genannten Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehren, gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von einigen der besten Arten und anderen Ausführungsformen zur Ausführung der vorliegenden Lehren, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert sind, unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen deutlich hervor.
Figurenliste
Im Folgenden werden exemplarisch eine oder mehrere Ausführungsformen mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, in welchen:

1 zeigt schematisch eine abgeschnittene Endansicht einer Ausführungsform eines Innenpermanentmagnet(IPM) -Elektromotors/-generators (Elektromaschine) gemäß der Offenbarung;
2 zeigt schematisch eine abgeschnittene Querschnittsseitenansicht einer Ausführungsform einer IPM-Elektromaschine gemäß der Offenbarung;
3 ist eine schematische abgeschnittene Querschnittendansicht eines Fragments einer Ausführungsform der IPM-Elektromaschine gemäß der Offenbarung;
4A und 4B sind schematische abgeschnittene Querschnittendansichten eines Fragments eines Stators für eine Ausführungsform der IPM-Elektromaschine gemäß der Offenbarung;
5 ist eine schematische abgeschnittene Querschnittendansicht eines Fragments einer Ausführungsform eines Rotors für die IPM-Elektromaschine gemäß der Offenbarung;
6 ist eine schematische abgeschnittene Querschnittendansicht eines Fragments einer anderen Ausführungsform eines Rotors für die IPM-Elektromaschine gemäß der Offenbarung; und
7 ist eine schematische abgeschnittene Querschnittendansicht eines Fragments eines Rotors mit einem darin aufgenommenen Magneten für die IPM-Elektromaschine gemäß der Offenbarung.

Die beigefügten Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu und stellen eine etwas vereinfachte Darstellung verschiedener ausgewählten Merkmale der vorliegenden Offenbarung, wie hierin offenbart, einschließlich beispielsweise spezifischer Dimensionen, Orientierungen, Orte und Formen, dar. Details, die zu solchen Merkmalen gehören, werden teilweise durch die bestimmte beabsichtigte Anwendungs- und Verwendungsumgebung ermittelt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die Komponenten der offenbarten Ausführungsformen, die hierin beschrieben und veranschaulicht sind, können in einer Vielfalt von verschiedenen Konfigurationen angeordnet und konstruiert sein. Daher ist die folgende ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen nicht dazu gedacht, den Umfang der Offenbarung, wie beansprucht, einzuschränken, sondern sie ist lediglich repräsentativ für mögliche Ausführungsformen davon. Obwohl zahlreiche spezielle Einzelheiten in der folgenden Beschreibung dargelegt werden, um ein gründliches Verständnis der hierin offenbarten Ausführungsformen bereitzustellen, können zudem einige Ausführungsformen ohne einige dieser Details in die Praxis umgesetzt werden. Darüber hinaus wurde zum Zwecke der Klarheit bestimmtes technisches Material, das im entsprechenden Stand der Technik verstanden wird, nicht ausführlich beschrieben, um ein unnötiges Verschleiern der Offenbarung zu vermeiden. Des Weiteren sind die Zeichnungen vereinfacht und nicht im exakten Maßstab dargestellt. Zum Zweck der Einfachheit und Klarheit können richtungsbezogene Begriffe mit Bezug auf die Zeichnungen verwendet werden. Richtungsweisende Begriffe sind nicht so auszulegen, um den Umfang der Offenbarung zu beschränken. Darüber hinaus kann die Offenbarung, wie hierin veranschaulicht und beschrieben, in Abwesenheit eines Elements ausgeführt werden, das hierin nicht ausdrücklich offenbart ist.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszahlen in den verschiedenen Figuren gleichen oder ähnlichen Komponenten entsprechen, zeigen die 1 und 2 in Übereinstimmung mit hierin offenbarten Ausführungsformen einen Innenpermanentmagnet (IPM) -Elektromotor/-generator (Elektromaschine) 10, der als Teil eines Antriebsstrangsystems verwendet werden kann, das eine Zugkraft in einem Fahrzeug bereitstellt. Das Fahrzeug kann, ohne darauf eingeschränkt zu sein, eine mobile Plattform in Form eines Nutzfahrzeuges, Industriefahrzeuges, landwirtschaftlichen Fahrzeugs, Personenkraftwagens, Flugzeugs, Wasserfahrzeugs, Zugs, Geländefahrzeugs, einer persönlichen Bewegungsvorrichtung, Roboters und dergleichen beinhalten, um die Zwecke der vorliegenden Offenbarung zu erfüllen. Die schematischen Ansichten der IPM-Elektromaschine 10 werden unter Bezugnahme auf eine Elevationsachse 11, einer Längsachse 12 und einer Radialachse 13 beschrieben.
Die IPM-Elektromaschine 10 umfasst einen zylinderförmigen Rotor 20, der in einem ringförmig ausgebildeten Stator 50 angeordnet ist, wobei der Rotor 20 koaxial zu einer in dem Stator 50 ausgebildeten Rotoröffnung 60 ist. Andere Elemente der IPM-Elektromaschine 10, z. B. Endkappen, Wellenlager, elektrische Verbindungen usw. sind enthalten, aber nicht gezeigt.
Der Rotor 20 umfasst eine Vielzahl von gestanzten, eisenhaltigen Laminatblechen (nicht dargestellt), die in einem Stapel angeordnet und auf einer Rotorwelle 16 montiert sind, die eine zu der Längsachse 12 parallele Drehachse 14 umfasst. Jedes der Laminatbleche ist eine scheibenförmige Vorrichtung, die mit einer gleichförmigen Dicke und einem konstanten Durchmesser ausgebildet ist und eine zentral angeordnete Wellenöffnung 26 und eine Vielzahl von Hohlräumen 24 aufweist, die äquidistant um einen Umfang in der Nähe eines äußeren Umfangs 27 verteilt sind. Die Laminatbleche sind in einem Stapel angeordnet, sodass die Wellenöffnungen 26 ausgerichtet sind und die Hohlräume 24 ausgerichtet sind. Die ausgerichteten Hohlräume 24 bilden mehrere Aussparungen 25, die parallel zu der Längsachse 12 ausgerichtet sind. Zusätzliche Einzelheiten, die sich auf die Hohlräume 24 und die Aussparungen 25 beziehen, werden unter Bezugnahme auf die 5, 6 und 7 detaillierter beschrieben. Die Rotorwelle 16 wird in die ausgerichteten Wellenöffnungen 26 eingesetzt, um einen Rotorkörper zu bilden.
Der Rotor 20 enthält auch eine Vielzahl von Permanentmagneten 40, wobei einer der Permanentmagneten 40 in jeder der Aussparungen 25 angeordnet ist. Jeder der Permanentmagneten 40 ist vorzugsweise ein Seltenerdmagnet, der als ein rechteckiges Prisma konfiguriert wurde, das in Bezug auf eine Längsachse und eine rechteckige Querschnittsfläche mit einer Hauptachse und einer Nebenachse beschrieben werden kann. Ein Seltenerdmagnet wird aus Legierungen von Seltenerdmaterialien, wie Dysprosiumreduziertem Material oder einem anderen geeigneten Material gebildet. Andere Seltenerdmaterialien können Neomydium und Samarium enthalten.
Äußere Abmessungen, die dem Rotor 20 zugeordnet sind, umfassen einen Außendurchmesser 29 und eine aktive Rotorlänge 30. Der Außendurchmesser 29 ist dem äußeren Umfang 27 zugeordnet und wird in Bezug auf die Radialachse 13 gemessen, und die aktive Rotorlänge 30 ist einer Länge des Stapels von Laminatblechen zugeordnet, gemessen in Bezug auf die Längsachse 12.
Paare von Permanentmagneten 40, wie sie in den Aussparungen 25 angeordnet sind, sind in einer V-Konfiguration angeordnet und in dieser Ausführungsform symmetrisch zu und in gleichen Winkeln zu einer Polachse 28 angeordnet. Wie gezeigt ist der Rotor 20 als eine 8-polige Vorrichtung mit sechzehn Permanentmagneten 40 angeordnet, die in 8 Polpaaren angeordnet sind, die in Bezug auf acht Polachsen 28 angeordnet sind, von denen eine einzige gezeigt ist.
Der Stator 50 enthält eine Vielzahl von gestanzten eisenhaltigen Laminatblechen 52. Jedes der Laminatbleche 52 ist eine scheibenförmige Vorrichtung, die mit einer gleichmäßigen Dicke ausgebildet ist, und jede hat eine mittig angeordnete innere Öffnung 51, die so ausgebildet ist, dass sie den Außendurchmesser 29 des Rotors 20 maßlich aufnimmt. Jedes der Laminatbleche 52 enthält auch eine Vielzahl von radial ausgerichteten, nach innen vorstehenden Zähnen 56. Die Laminatbleche 52 sind in einem Stapel angeordnet, sodass die inneren Öffnungen 51 ausgerichtet sind und die nach innen vorstehenden Zähne 56 ausgerichtet sind. Die gestapelten Laminatbleche 52 werden zu einer einheitlichen Vorrichtung zusammengesetzt. Eine Rotoröffnung 60 ist durch die ausgerichteten inneren Öffnungen 51 der gestapelten Laminatbleche 52 gebildet, und eine Vielzahl von in Längsrichtung orientierten Schlitzen 58 ist zwischen den ausgerichteten nach innen vorstehenden Zähnen 56 der gestapelten Laminatbleche 52 ausgebildet. Zusätzliche Details, die sich auf die Vielzahl von in Längsrichtung ausgerichteten Schlitzen 58 beziehen, werden detaillierter unter Bezugnahme auf Ausführungsformen beschrieben, die in den 3, 4A und 4B gezeigt sind.
Die Schlitze 58 sind konfiguriert, um elektrische Wicklungen 54 aufzunehmen, die in einer verteilten elektrischen Wicklungsanordnung 70 angeordnet sind, die mit einem leitfähigen Litzendraht hergestellt ist. Der leitfähige Litzendraht kann aus einem geeigneten Material, z. B. Kupfer, hergestellt sein. Äußere Abmessungen in Verbindung mit dem Stator 50 umfassen einen Außendurchmesser 59, der vorzugsweise als ein Außendurchmesser der gestapelten Laminatbleche 52 gemessen wird. Ein Luftspalt 32 ist zwischen einer äußeren Umfangsfläche des Rotors 20 und einer inneren Umfangsfläche des Stators 50 ausgebildet.
Die elektrischen Wicklungen 54 in dem Stator 50 sind vorzugsweise in einer verteilten Wicklungskonfiguration angeordnet, um eine umlaufende elektrische Feldanordnung bereitzustellen, die in dem Stator 50 durch Anlegen eines dreiphasigen Wechselstroms, der von einem Wechselrichter geliefert werden kann, der in einer Ausführungsform in das Gehäuse der IPM-Elektromaschine 10 integriert ist, ein rotierendes Magnetfeld bereitstellt. Während des Betriebs führen elektromagnetische Kräfte, die in den elektrischen Wicklungen 54 induziert werden, einen magnetischen Fluss ein, der auf die in dem Rotor 20 eingebetteten Permanentmagnete 40 einwirkt, wodurch ein Drehmoment ausgeübt wird, um den Rotor 20 um die Rotorwelle 16 zu drehen. Wechselstrom-Motoren (AC-Motoren) können allgemein in Wechselstrom-Induktionsmotoren und Wechselstrom-Synchronmotoren unterteilt werden. Bei einem Drehfeldtyp eines Wechselstromsynchronmotors, bei dem ein Stator mit Ankerwicklungen und ein Rotor mit Magnetwicklungen versehen ist, wird der Rotor durch Erregung der Magnetwicklungen des Rotors in einen Elektromagneten geändert, und der Rotor dreht sich durch Anlegen eines dreiphasigen Wechselstroms an den Stator. Bei Anwendungen, bei denen die elektrische Energie von einer Gleichstromversorgung stammt, wird der Dreiphasenwechselstrom durch den Wechselrichter erzeugt.
Die elektrischen Wicklungen des Stators 50 sind mit einer ausgewählten Anzahl von elektrischen Phasen und einer ausgewählten Anzahl elektrischer Wicklungen pro Phase angeordnet. Abhängig von der spezifischen Anordnung liegt die ausgewählte Anzahl an elektrischen Phasen zwischen 3 und 6 und die ausgewählte Anzahl von Windungen pro Phase liegt zwischen 8 und 20.
Spezifische geometrische Konstruktionsparameter, die dem Rotor 20 und dem Stator 50 der IPM-Elektromaschine 10 zugeordnet sind, werden identifiziert, einschließlich eines ersten Satzes geometrischer Designparameter, die dem Rotor 20 zugeordnet sind, und eines zweiten Satzes geometrischer Designparameter, die dem Stator 50 zugeordnet sind. Die Bereich für die ersten und der zweiten Sätze von geometrischen Designparametern werden ausgewählt, um Motorbetriebsparameter zu erzielen, die einen hohen Fahrzykluswirkungsgrad, z. B. mehr als 90 % Spitzenwirkungsgrad über einen weiten Betriebsbereich, eine hohe Drehmomentdichte, einen breiten Spitzenleistungsbereich, eine maximale Drehzahl von bis zu 18.000 U/min und einen geringen aktiven Materialverbrauch, d. h. ein Minimieren der Seltenerdmagnetmasse umfassen.
Die IPM-Elektromaschine 10 umfasst vorzugsweise eine Motorgeneratoreinheit (MGU) mit inneren Permanentmagneten, wobei die MGU durch den Wechselrichter angetrieben wird, der von einer Gleichstromquelle mit Gleichstrom versorgt wird. In einer Ausführungsform ist die Gleichstromquelle eine 48 V DC-Vorrichtung; alternativ kann die Gleichstromquelle ein geeigneter Spannungspegel sein, z. B. zwischen 12 V und 100 V. Ein ausgewählter Bereich von elektrischen Phasen ist 3 bis 6. Ein ausgewählter Bereich von Verhältnissen des Außendurchmessers 59 des Stators 50 zu der aktiven Länge des Rotors 20 liegt zwischen 2 und 3,5, um Verpackungsbeschränkungen zu erreichen. In einer Ausführungsform überschreitet der Außendurchmesser 59 des Stators 50 nicht 144 mm und die Stapellänge der Lamellen des Rotors 20 überschreitet nicht 60 mm. Eine ausgewählte Anzahl von Windungen pro Phase liegt zwischen 8 und 20, eine ausgewählte Anzahl von Schlitzen 58 in dem Stator 50 liegt zwischen 60 und 96 und eine ausgewählte Anzahl von Statorwicklungsschichten liegt zwischen 1 und 2. Eine ausgewählte Anzahl von Polen liegt zwischen 6 und 12. Ein ausgewählter normierter charakteristischer Strom in Bezug auf den Spitzenstrom liegt zwischen 0,35 und 0,7. Ein ausgewähltes Salienzverhältnis ξ, das als q-Achsen-Induktivität/d-Achsen-Induktivität bei einem Nenndrehmomentpunkt definiert ist, liegt zwischen 1,5 und 3. Um eine permanente Entmagnetisierung zu verhindern, ist die magnetische Restinduktion der Permanentmagnete bei einem Erregerstrom gleich dem Dreifachen des Kurzschlussstroms größer als 0,1 T. Leistungsparameter von Interesse umfassen die Maximierung der Drehmomentqualität, d. h. Minimierung von Verzahnung und Welligkeit, insbesondere um eine Drehmomentwelligkeit zu erreichen, die in einer Ausführungsform weniger als 15 % beträgt. Zu den weiteren Leistungsparametern gehören die Minimierung von Antriebszyklusverlusten und die Maximierung der Effizienz, und die Minimierung der Permanentmagnet-Entmagnetisierung, die weniger als 75 % beträgt, und die Minimierung der mit Eisen und Kupfer verbundenen Verluste.
3 ist eine schematische abgeschnittene Querschnittendansicht eines Fragments einer Ausführungsform der IPM-Elektromaschine 310, die einen einzelnen Pol 322 eines an einer Rotorwelle 316 montierten Rotors 320 und einen entsprechenden Abschnitt eines Stators 350 zeigt, mit einem dazwischen angeordneten Luftspalt 332. Die dargestellte IPM-Elektromaschine 310 ist als eine 8-polige 96-Schlitz-Vorrichtung konfiguriert. Eine Polachse 315 ist dargestellt und ist eine radiale Linie, die durch eine geometrische Mitte des einzelnen Pols des Rotors 320 und einen Rotormittelpunkt 314 sowie auch durch den äußeren Umfang 325 verläuft. Der Stator 350 umfasst eine Vielzahl von radial nach innen vorstehenden Zähnen 356, die angeordnet sind, um nach innen weisende, in Längsrichtung ausgerichtete Schlitze 358 zwischen benachbarten Paaren der Zähne zu bilden, und elektrische Wicklungen 354, die in einer verteilten elektrischen Wicklungsanordnung angeordnet sind (nicht im Detail dargestellt), die mit einem leitfähigen Litzendraht hergestellt und in die Schlitze 358 eingeführt wurde. Die sich nach innen öffnenden Schlitze 358 zwischen benachbarten Zähnen 356 sind in einer Ausführungsform rechteckig geformt. Alternativ sind die sich nach innen öffnenden Schlitze 358 zwischen benachbarten Zähnen 356 trapezförmig geformt. Die Form der Zähne 356 bestimmt die Form der Schlitze 358. Zusätzliche Details, die sich auf den Stator 350 beziehen, sind unter Bezugnahme auf die 4A und 4B dargestellt und beschrieben.
Der Rotor 320 beinhaltet erste und zweite Aussparungen 326 bzw. 328, die jeweils entlang der Hauptachsen 327, 329 orientiert sind. Die ersten und zweiten Aussparungen 326, 328 sind in Bezug auf die Polachse 315 derart ausgerichtet, dass entsprechende Winkel 330, 331 zwischen der Polachse 315 und den Hauptachsen 327, 329 jeweils in Bezug auf den äußeren Umfang 325 des Rotors 320 spitzwinklig sind. In einer Ausführungsform und wie gezeigt, sind die ersten und die zweiten Aussparungen 326, 328 als Spiegelbilder in Bezug auf die Polachse 315 ausgerichtet. Der erste und der zweite Permanentmagnet 340, 342 sind in die jeweiligen ersten und zweiten Aussparungen 326, 328 eingesetzt und somit in einer V-Konfiguration angeordnet. Der erste und der zweite Permanentmagnet 340, 342 befinden sich symmetrisch zu und mit gleichen Winkeln zu der Polachse 315. Weitere Einzelheiten im Zusammenhang mit dem Rotor 320 werden unter Bezugnahme auf 5 beschrieben. Wie gezeigt, ist der Rotor 320 als eine 8-polige Vorrichtung angeordnet, von der eine einzelne dargestellt ist.
Der erste und der zweite Satz geometrischer Designparameter, die dem Rotor 20 und dem Stator 50 der IPM-Elektromaschine 10 zugeordnet sind, sind ausführlich beschrieben.
4A und 4B veranschaulichen eine schematische abgeschnittene Querschnittendansicht eines Fragments des Stators 350, der unter Bezugnahme auf 3 beschrieben wurde, und sind vorgesehen, um den zweiten Satz geometrischer Designparameter zu veranschaulichen, die mit einer Ausführungsform des Stators 350 verbunden sind. Ein einzelner Schlitz 358 ist zwischen benachbarten Zähnen 356 ausgebildet, und Abschnitte sind dargestellt. Eine einzelne radiale Linie 352 ist angegeben.
Zu den kritischen Abmessungen des Schlitzes 358 und der Zähne 356 gehören:

r_so, welches ein Statoraußenradius 360 ist;
r_si, welches ein Statorinnenradius 361 ist;
w_t, welches eine Zahnkörperbreite 362 ist;
α_s, welches ein Schlitzwinkel 363 ist;
w_tip, welches eine Zahnspitzenbreite 364 ist;
w_so, welches eine Zahnspitzenschlitzbreite 365 ist; und
h_y, welche ein eine Stator-Jochlänge 366 ist.

Wie gezeigt, sind die angezeigte Zahnkörperbreite 362 und die Zahnspitzenbreite 364 Halbbreiten.
Zu den ausgewählten Designparametern, die dem Stator 350 zugeordnet sind, gehören:

ein Aufteilungsverhältnis k_si, das ist ein Verhältnis des Statorinnenradius 361 und des Statoraußenradius 360 ist;
ein Zahnbreitenverhältnis k_wt, das ein Verhältnis der Zahnkörperbreite 362 und des Schlitzwinkels 363 ist; und
ein Zahnspitzenlängenverhältnis k_wtt, das ein Verhältnis der Zahnspitzenbreite 364 in Bezug auf die Schlitzbreite ist, die eine Summe der Zahnspitzenbreite 364 und der Zahnspitzenschlitzbreite 365 ist.

5 zeigt eine schematische abgeschnittene Querschnittendansicht eines Fragments des Rotors 320, der unter Bezugnahme auf 3 beschrieben wurde, und wird bereitgestellt, um den ersten Satz geometrischer Designparameter zu veranschaulichen, die mit dieser Ausführungsform des Rotors 320 assoziiert sind. Eine schematische abgeschnittene Querschnittendansicht eines Fragments des Rotors 320, der unter Bezugnahme auf 3 beschrieben wurde, ist gezeigt, einschließlich eines einzigen der Pole 322. Wie zuvor beschrieben, umfasst der Rotor 320 erste und zweite Aussparungen 326 bzw. 328, die jeweils entlang der Hauptachsen 327, 329 ausgerichtet sind. Die ersten und zweiten Aussparungen 326, 328 sind in Bezug auf die Polachse 315 derart ausgerichtet, dass entsprechende Winkel 330, 331 zwischen der Polachse 315 und den Hauptachsen 327, 329 jeweils in Bezug auf den äußeren Umfang 325 des Rotors 320 spitzwinklig sind. In einer Ausführungsform und wie gezeigt, sind die ersten und die zweiten Aussparungen 326, 328 als Spiegelbilder in Bezug auf die Polachse 315 ausgerichtet. Der erste und der zweite Permanentmagnet 340, 342 sind in die jeweiligen ersten und zweiten Aussparungen 326, 328 eingesetzt und somit in einer V-Konfiguration angeordnet. Der erste und der zweite Permanentmagnet 340, 342 befinden sich symmetrisch zu und mit gleichen Winkeln zu der Polachse 315.
Lufteinschlüsse können um Permanentmagnetschlitze herum eingeführt werden, um die Entmagnetisierung der Permanentmagneten 340, 342 zu verringern. Beispielhafte Lufteinschlüsse werden unter Bezugnahme auf 7 beschrieben. Rotorausschnitte können vorgenommen werden, um das Rotorgewicht und die Trägheit zu reduzieren. Eine zentrale Bohrung kann hinzugefügt werden, um den Permanentmagnetflussverlust zu reduzieren. Scharfe Kanten können verrundet werden, um die Konzentration von mechanischer Beanspruchung insbesondere auf die Brücken und den zentralen Pfosten zu verringern.
Zu den mit dem Pol 322 verbundenen Dimensionsparameter gehören:

d_pm, welches die Permanentmagnettiefe 370 ist;
d_pm, _max, welches maximale Permanentmagnettiefe 371 ist;
w_q, welches eine Breite zwischen benachbarten Magneten unterschiedlicher Pole 372 ist;
w_q, _max, welche eine maximale Breite zwischen benachbarten Magneten unterschiedlicher Pole 373 ist;
h_pm, welches eine Höhe eines Permanentmagneten ist, d. h. eine Nebenachsenlänge 374;
w_pm, welches eine Länge des Permanentmagneten ist, d. h. eine Hauptachsenlänge 375;
α_pm, welches eine Polbelegung durch den Permanentmagneten 376 anzeigt; und
α_p, welches die Gesamtpolbelegung 377 ist.

Zu den geometrischen Designparametern, die dem Rotor 320 zugeordnet sind, gehören:

k_dpm, welches ein Permanentmagnet-Bestückungsverhältnis ist;
w_dpm, welches ein Permanentmagnetbreitenverhältnis ist;
k_wq, welches ein q-Achsbreitenverhältnis ist;
h_g, welches eine Höhe des Luftspalts 332 ist, gemessen als radialer Abstand zwischen einem Rotoraußenradius 323 und einem Statorinnenradius 361; und
α _pm, welches eine Permanentmagnet-Polbelegung 376 anzeigt.

Wie gezeigt, ist die angezeigte Breite zwischen benachbarten Magneten unterschiedlicher Pole 372 eine halbe Breite.

Tabelle 1 zeigt ausgewählte Bereiche einschließlich minimaler und maximaler Zustände (Min.-Max.) für den ersten Satz geometrischer Designparameter, die dem Rotor zugeordnet sind (Rotorparameter), und den zweiten Satz geometrischer Designparameter, die dem Stator (Statorparameter) zugeordnet sind für Ausführungsformen im Zusammenhang mit 4A, 4B und 5, die den ersten und den zweiten Permanentmagneten 340, 342 umfassen, die in Bezug auf eine jeweilige Polachse 315 in einer V-Konfiguration angeordnet sind. Die Ausführungsformen umfassen eine V-Konfiguration mit 96 Schlitzen, 8 Polen (96S8P-V), eine V-Konfiguration mit 72 Schlitzen, 12 Polen (72S12P-V) und eine V-Konfiguration mit 60 Schlitzen, 10 Polen (60S10P-V). Tabelle 1

Stator parameter	Beschreibung	Berechnung	96S8P-V	72S12P-V	60S10P-V
Bereich			Min. - Max.	Min. - Max.	Min. - Max.
k_si	Aufteilungsver hältnis	r_si/r_so	0, 60-0,64	0,6 0-0,65	0,60-0,62
k_wt	Zahnbreitenver hältnis	W_t/α_s	0, 56-0,60	0,5 3-0,60	0,60-0,6
k_wt _t	Zahnspitzenlän genverhältni s	W_tip/ (w_so +w_tip)	0, 11-0,21	0,2 0-0,43	0,31-0,44
k_hy	Jochverhältnis	h_y/ r_so	0, 12-0,15	0,0 7-0,14	0,07-0,14

Rotorpara meter
k_dp _m	Permanentmag net-Bestückungsve rhältnis	d_pm/ d_pm,max	0, 25-0,48	0,3 0-0,44	0,31-0,44
k_wp _m	Permanentmag netbreitenverhä ltnis	w_pm/ w_pm, _max	0, 85-0,93	0,8 3-0,92	0,88-0,93
k_wq	q-Achsbreitenver hältnis	w_q/ w_q, _max	0, 52-0,87	0,5 0-0,88	0,52-0,89
rh_p _m	Verhältnis des Permanentmag	h_pm/h _g	8, 73-14,10	8,7 6-12,54	8,66-13,34
	neten
kα _pm (deg.)	Polbelegungsv erhältnis	α_pm/α _p	0, 63-0,75	0,6 1-0,66	0,62-0,67

6 zeigt eine schematische abgeschnittene Querschnittendansicht einer anderen Ausführungsform des Rotors 620 und wird bereitgestellt, um den ersten Satz geometrischer Designparameter zu veranschaulichen, die mit dieser Ausführungsform des Rotors 620 assoziiert sind. Die schematische abgeschnittene Querschnittendansicht enthält ein Fragment des Rotors 620, einschließlich eines Fragments des Rotors 620, das einem einzelnen Pol zugeordnet ist. In dieser Ausführungsform umfasst der Rotor 620 eine einzelne Aussparung 626, die einen einzelnen Permanentmagneten 640 aufnimmt, wobei eine Hauptachse 675 des Permanentmagneten 640 orthogonal zu einer Polachse 615 ist. Der äußere Umfang 625 ist angegeben. Wie gezeigt, ist der Rotor 620 als eine 8-polige Vorrichtung angeordnet, von der eine einzelne dargestellt ist.
Zu den kritischen Dimensionen, die mit dem einzelnen Pol verbunden sind, gehören:

d_pm, welches die Permanentmagnettiefe 670 ist;
d_pm, _max, welches maximale Permanentmagnettiefe 671 ist;
w_q, welches eine Breite zwischen benachbarten Magneten unterschiedlicher Pole 672 ist;
w_q, _max, welche eine maximale Breite zwischen benachbarten Magneten unterschiedlicher Pole 673 ist;
h_pm, welches eine Höhe eines Permanentmagneten ist, d. h. eine Nebenachsenlänge 674;
w_pm, welches eine Länge des Permanentmagneten ist, d. h. eine Hauptachsenlänge 675;
α_pm, welches eine Polbelegung durch den Permanentmagneten 676 anzeigt; und
α_p, welches die Gesamtpolbelegung 677 ist.

Zu den ausgewählten Designparametern, die dem Rotor 620 zugeordnet sind, gehören:

d_pm, welches die Permanentmagnet-Bestückungstiefe ist;
k_wq, welches ein q-Achsbreitenverhältnis ist;
rh_pm, welches ein Permanentmagnethöhenverhältnis ist; und
α_pm, welches eine Polbelegung durch den Permanentmagneten 676 anzeigt.

Wie gezeigt, ist die angezeigte Breite zwischen benachbarten Magneten unterschiedlicher Pole 672 eine halbe Breite.

Die Bereiche für den ersten und zweiten Satz geometrischer Designparameter wurden durch eine groß angelegte Optimierungsanalyse identifiziert. Tabelle 2 zeigt ausgewählte Bereiche einschließlich minimaler und maximaler Zustände (Min.-Max.) für den ersten Satz geometrischer Designparameter, die dem Rotor zugeordnet sind (Rotorparameter), und den zweiten Satz geometrischer Designparameter, die dem Stator zugeordnet sind (Statorparameter) für Ausführungsformen im Zusammengang mit 4A, 4B und 6, wobei die Permanentmagnete 640 orthogonal zu einer jeweiligen Polachse 615 ausgerichtet sind. Die Ausführungsformen umfassen eine Flachmagnetkonfiguration mit 96 Schlitzen, 8 Polen (96S8P-V), eine Flachmagnetkonfiguration mit 72 Schlitzen, 12 Polen (72S12P-V) und eine Flachmagnetkonfiguration mit 60 Schlitzen, 10 Polen (60S10P-V). Tabelle 2

Statorpara meter	Beschreibung	Berechnung	96S8P-Flach	72S12P-Flach	60S10P-Flach
			M in. - Max.	M in. - Max.	Min. - Max.
k_si	Aufteilungsverhä ltnis	r_si/r_so	0, 60-0,63	0, 60-0,67	0,60-0,67
k_wt	Zahnbreitenverh ältnis	w_t/a_s	0, 54-0,60	0, 55-0,60	0,53-0,60
k_wtt	Zahnspitzenläng enverhältnis	w_tip/( w_so+w_tip)	0, 12-0,23	0, 20-0,39	0,32-0,45
k_hy	Jochverhältni s	h_y/r_so	0, 11-0,13	0, 08-0,13	0,09-0,13

Rotorpara meter
k_dp m	Permanentmagne t-Bestückungsverh ältnis	d_pm/h_g	1, 75-6,67	1, 86-7,10	1,70-9,67
k_wq	q-Achsbreitenverh	w_q/ w_q, _max	0, 50-0,69	0, 52-0,74	0,51-0,72
	ältnis
rh_p _m	Permanentmagne thöhenverhältnis	h_pm/h_p _m,max	0, 21-0,30	0, 35-0,62	0,27-0,59
kα_p _m	Polbelegungsver hältnis	α_pm/ α_p	0, 57-0,73	0, 63-0,68	0,61-0,67

In einer Ausführungsform können Kerben 680 in der Form von Hohlräumen in den Rotor 620 zwischen dem Magneten 640 und dem äußeren Umfang 625 des Rotors 620 eingeführt werden. Die Kerben 680 sind vorzugsweise symmetrisch paarweise um die Polachse 615 angeordnet und weisen Parameter der Breite w_n 681, Höhe h_n 682 und Winkel α_n 683 auf. Die Kerben werden eingeführt, um die Drehmomentwelligkeit zu verringern. In einer Ausführungsform ist ein ausgewählter Minimum-Maximum-Bereich für ein Verhältnis zwischen der Höhe h_n 682 und einer radialen Höhe des Luftspaltes h_g 1,65 - 2,85, ein ausgewählter Minimum-Maximum-Bereich für ein Verhältnis zwischen der Breite w_n 681 und der radialen Höhe des Luftspaltes h_g ist 2,65 - 7,50 und ein ausgewählter Minimum-Maximum-Bereich für ein Verhältnis zwischen dem Kerbwinkel α_n 683 und dem Polwinkel α_p 677 ist 0,11 - 0,24.
7 zeigt schematisch eine abgeschnittene Endschnittansicht eines Fragments eines Rotors 720 einschließlich eines darin aufgenommenen einzelnen Permanentmagneten 740 für eine Ausführungsform der hierin beschriebenen IPM-Elektromaschine. Eine Aussparung 726 ist in dem Rotor 720 ausgebildet, und der Permanentmagnet 740 ist darin angeordnet. Der Permanentmagnet 740 ist als ein rechteckiges Prisma konfiguriert, das hinsichtlich einer Hauptachsenlänge 775, einer Nebenachsenlänge 774 und einer Längsachse (nicht dargestellt) beschrieben werden kann. Die Aussparung 726 ist derart ausgebildet, dass sie eine Vielzahl von parabolisch geformten Hohlräumen 730 umfasst, die angrenzend an Kantenabschnitten des Permanentmagneten 740 sind, die eingeführt sind, um einen Schutz gegen lokalisierte Entmagnetisierung des Permanentmagneten 740 bereitzustellen. Jeder der parabolisch geformten Hohlräume 730 hat eine Tiefe 732 und eine Länge 734. Die Tiefe 732 jedes der Hohlräume 730 ist vorzugsweise auf 10-20 % der Nebenachsenlänge 774 eingestellt, und die Länge 734 jedes der Hohlräume 730 ist vorzugsweise auf 15-30 % der Hauptachsenlänge 775 eingestellt. In einer Ausführungsform können die Hohlräume 730 mit einem nichtmagnetischen Material gefüllt sein.
Ausführungsformen der hierin beschriebenen Elektromaschine sind so konfiguriert, dass sie gleichzeitig Betriebsparameter in Bezug auf Drehmoment, Drehzahl, Leistung, Effizienz, Gehäuse und andere Einschränkungen erzielen, einschließlich des Betriebs mit einer Gleichstromquelle von 12 V bis 100 V. Die ausgewählten geometrischen Designparameter, die mit der Effizienz des Antriebszyklus und den Kosten des aktiven Materials der Permanentmagneten in dem Rotor verbunden sind, weisen die folgenden Merkmale auf. Die Rotorpermanentmagneten sind als eine einfache V-Anordnung oder eine flache Bauart konfiguriert, um entweder die Masse des Magneten zu verringern oder um die Anzahl der in dem Rotor verwendeten Permanentmagnetstücke zu reduzieren. Die ausgewählten Zustände für den ersten und zweiten Satz geometrischer Designparameter werden identifiziert, um eine minimale Verwendung von Permanentmagneten zu gewährleisten, während andere Leistungskriterien wie Drehmomentdichte, hohe Antriebszykluseffizienz, Schutz gegen permanente Entmagnetisierung und minimale Drehmomentwelligkeit erfüllt werden.
Die Dicke der Rotorbrücke liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,8 mm und 1,5 mm, um das Austreten des Magnetflusses zu minimieren, den Leistungsfaktor zu erhöhen, die Magnetnutzung zu minimieren und gleichzeitig die Beanspruchungsanforderung bei maximaler Betriebsdrehzahl von 18.000 bis 25.000 U/min zu erfüllen. Gegebenenfalls, z. B. bei V-Bauartlayout, kann zur Erhöhung der mechanischen Robustheit ein zentraler Pfosten in den Rotorkörper eingebracht werden.
Mehrere Funktionen werden eingeführt, um die Motorleistung zu verbessern. Diese beinhalten, dass die Statorkonstruktion als verteilte Wicklungskonfiguration konfiguriert ist, im Gegensatz zu einer fraktionalen schlitzkonzentrierten Wicklung, für eine verbesserte Feldschwächungsleistung, verringerte Kernverluste und für eine bessere thermische Überlastfähigkeit. Die Bereiche der geometrischen Designparameter werden identifiziert, um niedrige Kupfer- und Kernverluste, eine hohe Drehmomentdichte, eine hohe Antriebszykluseffizienz und eine minimale Drehmomentwelligkeit zu erreichen.
Der Begriff „Steuerung“ und verwandte Begriffe wie Steuermodul, Modul, Steuerung, Steuereinheit, Prozessor und ähnliche Begriffe beziehen sich auf eine oder verschiedene Kombinationen von anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASIC), elektronische Schaltung(en), Zentralrechnereinheit(en), z. B. Mikroprozessor(en) und zugehörige nichttransitorische Speicherkomponente(n) in Form von Speicher und Speichergeräten (Lesespeicher, programmierbarer Lesespeicher, Direktzugriff, Festplatte usw.). Die nichttransitorische Speicherkomponente ist in der Lage, maschinenlesbare Befehle in der Form einer oder mehrerer Software- oder Firmware-Programme oder -Routinen, kombinatorischen Logikschaltung(en), Eingabe-/Ausgabeschaltung(en) und -vorrichtungen, Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen und anderen Komponenten zu speichern, auf die durch einen oder mehrere Prozessoren zugegriffen werden kann, um eine beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Antriebs-/Abtriebsschaltung(en) und Vorrichtungen beinhalten Analog-/Digitalwandler-verwandte Geräte, die Sensoreingaben mit einer vorgegebenen Abruffrequenz oder in Reaktion auf ein Auslöseereignis überwachen. Software, Firmware, Programme, Befehle, Steuerroutinen, Code, Algorithmen und ähnliche Begriffe beziehen sich auf von einer Steuereinheit ausführbaren Befehlssätze, wie z. B. Kalibrierungen und Wertetabellen. Ein Parameter ist definiert als eine messbare Größe, die eine physikalische Eigenschaft einer Vorrichtung oder eines anderen Elements darstellt, die durch einen oder mehrere Sensoren und/oder ein physikalisches Modell erkennbar ist. Ein Parameter kann einen diskreten Wert aufweisen, z. B. „1“ oder „0“, oder kann stufenlos eingestellt werden.
Während die ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren die vorliegenden Lehren unterstützen und beschreiben, wird der Umfang der vorliegenden Lehren jedoch einzig und allein durch die Ansprüche definiert. Während einige der besten Ausführungsformen und anderen Arten zur Ausführung der vorliegenden Lehren ausführlich beschrieben wurden, sind verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur Umsetzung der vorliegenden Lehren, die in den hinzugefügten Ansprüchen definiert sind, möglich.

Claims

Mehrphasiger, mehrpoliger elektrischer Innenpermanentmagnetmotor (IPM-Elektromaschine), umfassend: einen Rotor, der auf einer Rotorwelle und in einem ringförmigen Stator angeordnet ist, und eine Vielzahl von Permanentmagneten, die in dem Rotor angeordnet sind, wobei der Stator einen Statorkern und elektrische Wicklungen aufweist, die in einer verteilten Wicklungskonfiguration angeordnet sind; wobei der Rotor eine Vielzahl von Aussparungen umfasst, die nahe einem äußeren Umfang des Rotors angeordnet sind, und wobei die Permanentmagnete innerhalb der Aussparungen angeordnet sind; worin der Rotor, die Aussparungen und die Permanentmagnete einem ersten Satz geometrischer Designparameter entsprechen; worin die Permanentmagnete aus Seltenerdmaterialien bestehen; worin der Stator eine Vielzahl von radial nach innen vorstehenden Zähnen umfasst, die so konfiguriert sind, dass sie nach innen öffnende Schlitze zwischen benachbarten Paaren der Zähne bilden; wobei die Zähne und Schlitze einem zweiten Satz geometrischer Designparameter entsprechen; wobei das Verhältnis eines Außendurchmessers des Stators zu einer aktiven Länge des Rotors zwischen 2 und 3,5 liegt; und worin der erste und der zweite Satz von geometrischen Designparametern ausgewählt werden, um Motorbetriebsparameter zu erzielen, die einen hohen Fahrzykluswirkungsgrad über einen weiten Betriebsbereich, eine hohe Drehmomentdichte, einen breiten Spitzenleistungsbereich, eine maximale Drehzahl von 18.000 U/min und ein Minimieren der Magnetmaterialmasse umfassen.
IPM-Elektromaschine nach Anspruch 1: wobei die Anzahl der Schlitze zwischen 60 und 96 liegt; wobei die elektrischen Wicklungen innerhalb der Schlitze des Laminatstapels angeordnet sind; wobei die Anzahl der elektrischen Pole zwischen 6 und 12 liegt; wobei die Anzahl an elektrischen Phasen zwischen 3 und 6 liegt; wobei die elektrischen Wicklungen eine Anzahl von Windungen pro Phase umfassen, die zwischen 8 und 20 liegt; worin ein normierter charakteristischer Strom jeder Phase der verteilten Wicklungskonfiguration zwischen 0,35 und 0,7 in Bezug auf den Spitzenstrom liegt; und wobei eine magnetische Restinduktion der Permanentmagnete größer als 0,1 T ist.
IPM-Elektromaschine nach Anspruch 1, wobei der zweite Satz geometrischer Designparameter, die dem Stator zugeordnet sind, ein Spaltungsverhältnis, ein Zahnbreitenverhältnis, ein Zahnspitzenlängenverhältnis und ein Jochverhältnis aufweist, das mit radial nach innen vorstehenden Zähnen des Stators assoziiert ist, wobei das Aufteilungsverhältnis eine Größenordnung zwischen 0,60 und 0,67 aufweist, wobei das Zahnbreitenverhältnis eine Größenordnung zwischen 0,53 und 0,60 aufweist, wobei das Zahnspitzenlängenverhältnis eine Größenordnung zwischen 0,11 und 0,45 aufweist und wobei das Jochverhältnis eine Größenordnung zwischen 0,08 und 0,14 aufweist.
IPM-Elektromaschine nach Anspruch 1, worin jeder der Permanentmagneten ein rechteckiges Prisma mit einer Längsachse und einer rechteckigen Querschnittsfläche mit einer Hauptachse und einer Nebenachse ist; worin jede der Vielzahl von Aussparungen orthogonal zu einer radialen Linie des Rotors angeordnet ist sowie angeordnet ist, um einen der Permanentmagnete aufzunehmen; und worin jeder der Permanentmagneten in einer jeweiligen der Aussparungen derart angeordnet ist, dass seine Hauptachse orthogonal zu der Radiallinie des Rotors ist.
IPM-Elektromaschine nach Anspruch 4, worin die IPM-Elektromaschine als eine 8-polige Vorrichtung angeordnet ist und der Stator 96 Schlitze enthält, und worin der erste Satz geometrischer Designparameter, die dem Rotor zugeordnet sind, ein Permanentmagnet-Bestückungsverhältnis, ein q-Achsbreitenverhältnis, eines Permanentmagnethöhenverhältnis und ein Polbelegungsverhältnis umfasst, wobei das Permanentmagnet-Bestückungsverhältnis zwischen 1,75 und 6,67 liegt, das q-Achsbreitenverhältnis zwischen 0,5 und 0,69 liegt, das Permanentmagnethöhenverhältnis zwischen 0,21 und 0,30 liegt und das Polbelegungsverhältnis zwischen 0,57 und 0,73 liegt.
IPM-Elektromaschine nach Anspruch 4, worin die IPM-Elektromaschine als eine 12-polige Vorrichtung angeordnet ist und der Stator 72 Schlitze enthält, und worin der erste Satz geometrischer Designparameter, die dem Rotor zugeordnet sind, ein Permanentmagnet-Bestückungsverhältnis, ein q-Achsbreitenverhältnis, eines Permanentmagnethöhenverhältnis und ein Polbelegungsverhältnis umfasst, wobei das Permanentmagnet-Bestückungsverhältnis zwischen 1,86 und 7,10 liegt, das q-Achsbreitenverhältnis zwischen 0,52 und 0,74 liegt, das Permanentmagnethöhenverhältnis zwischen 0,35 und 0,62 liegt und das Polbelegungsverhältnis zwischen 0,63 und 0,68 liegt.
IPM-Elektromaschine nach Anspruch 4, worin die IPM-Elektromaschine als eine 10-polige Vorrichtung angeordnet ist und der Stator 60 Schlitze enthält, und worin der erste Satz geometrischer Designparameter, die dem Rotor zugeordnet sind, ein Permanentmagnet-Bestückungsverhältnis, ein q-Achsbreitenverhältnis, eines Permanentmagnethöhenverhältnis und ein Polbelegungsverhältnis umfasst, wobei das Permanentmagnet-Bestückungsverhältnis zwischen 1,70 und 9,67 liegt, das q-Achsbreitenverhältnis zwischen 0,51 und 0,72 liegt, das Permanentmagnethöhenverhältnis zwischen 0,27 und 0,59 liegt und das Polbelegungsverhältnis zwischen 0,61 und 0,67 liegt.
IPM-Elektromaschine nach Anspruch 1, worin jeder der Permanentmagneten ein rechteckiges Prisma mit einer Längsachse und einer rechteckigen Querschnittsfläche mit einer Hauptachse und einer Nebenachse ist; wobei jede der Vielzahl von Aussparungen angeordnet ist, um einen der Permanentmagnete aufzunehmen; worin aneinander angrenzende Paare von Permanentmagneten in einer V-Konfiguration derart angeordnet sind, dass ein Scheitelpunkt der V-Konfiguration auf einer radialen Linie des Rotors angeordnet ist und worin die Hauptachse des Permanentmagneten in einem spitzen Winkel relativ zu der radialen Linie und dem äußeren Umfang des Rotors angeordnet ist.
IPM-Elektromaschine nach Anspruch 8, worin die IPM-Elektromaschine als eine 8-polige Vorrichtung angeordnet ist und der Stator 96 Schlitze umfasst, wobei der erste Satz geometrischer Designparameter, die dem Rotor zugeordnet sind, ein Permanentmagnet-Bestückungsverhältnis, ein Permanentmagnetbreitenverhältnis, ein q-Achsbreitenverhältnis, ein Permanentmagnethöhenverhältnis und ein Polbelegungsverhältnis umfasst, wobei das Permanentmagnet-Bestückungsverhältnis zwischen 0,25 und 0,48 liegt, das Permanentmagnetbreitenverhältnis zwischen 0,85 und 0,93 liegt, das q-Achsbreitenverhältnis zwischen 0,52 und 0,87 liegt, das Permanentmagnethöhenverhältnis zwischen 8,73 und 14,10 liegt und das Polbelegungsverhältnis zwischen 0,63 und 0,75 liegt.
IPM-Elektromaschine nach Anspruch 8, worin die IPM-Elektromaschine als eine 12-polige Vorrichtung angeordnet ist und der Stator 72 Schlitze umfasst, wobei der erste Satz geometrischer Designparameter, die dem Rotor zugeordnet sind, ein Permanentmagnet-Bestückungsverhältnis, ein Permanentmagnetbreitenverhältnis, ein q-Achsbreitenverhältnis, ein Permanentmagnethöhenverhältnis und ein Polbelegungsverhältnis umfasst, wobei das Permanentmagnet-Bestückungsverhältnis zwischen 0,30 und 0,44 liegt, das Permanentmagnetbreitenverhältnis zwischen 0,83 und 0,92 liegt, das q-Achsbreitenverhältnis zwischen 0,50 und 0,88 liegt, das Permanentmagnethöhenverhältnis zwischen 8,76 und 12,54 liegt und das Polbelegungsverhältnis zwischen 0,61 und 0,66 liegt.