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EINFÜHRUNG
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf elektrische Maschinen. Insbesondere beziehen sich die Aspekte dieser Offenbarung auf Permanentmagnete für elektromechanische Motor-Generator-Einheiten (MGE) von hybrid-elektrischen und vollelektrischen Fahrzeugantrieben.
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Aktuelle Serienfahrzeuge, wie das moderne Automobil, sind ursprünglich mit einem Antriebsstrang ausgestattet, der das Fahrzeug antreibt und die Bordelektronik des Fahrzeugs antreibt. In Automobilanwendungen beispielsweise wird der Fahrzeugantriebsstrang im Allgemeinen durch einen Antriebsmotor charakterisiert, der die Antriebskraft über ein manuell oder automatisch geschaltetes Mehrganggetriebe an das Achsantriebssystem des Fahrzeugs (z.B. Differential, Achswellen, Straßenräder usw.) abgibt. Automobile wurden in der Vergangenheit aufgrund ihrer hohen Verfügbarkeit und der relativ günstigen Kosten, des geringen Gewichts und des Gesamtwirkungsgrades von einer Hubkolben-Verbrennungsmotor („internal combustion engine“ ICE) Baugruppe () angetrieben. Zu diesen Motoren gehören Zwei- und Viertakt-Dieselmotoren mit Kompressionszündung („compression ignited“ CI), Viertakt-Ottomotoren mit Fremdzündung („spark ignited“ SI), Sechstaktarchitekturen und Drehmotoren als einige nicht einschränkende Beispiele. Hybrid- und Vollelektrofahrzeuge hingegen nutzen alternative Energiequellen, um das Fahrzeug anzutreiben und so die Abhängigkeit von einem Motor auf Basis fossiler Brennstoffe für die Zugkraft zu minimieren oder zu eliminieren.
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Ein vollelektrisches Fahrzeug („füll electric vehicle“ FEV) - umgangssprachlich als „Elektroauto“ bezeichnet - ist eine Art von elektrisch angetriebener Fahrzeugkonfiguration, die den Verbrennungsmotor und die dazugehörigen peripheren Komponenten vollständig aus dem Antriebsstrang entfernt und sich ausschließlich auf elektrische Traktionsmotoren für den Antrieb und die Aufnahme von Zusatzlasten stützt. Motor, Kraftstoffsystem und Abgassystem eines ICEbasierten Fahrzeugs werden durch einen Elektrische Fahrmotor, ein Traktionsbatteriepack sowie eine Batteriekühl- und Ladeelektronik in einem FEV ersetzt. Hybridfahrzeugantriebe hingegen nutzen mehrere Zugkraftquellen zum Antreiben des Fahrzeugs und betreiben meist eine Verbrennungsmotoranordnung in Verbindung mit einem batteriebetriebenen oder brennstoffzellenbetriebenen Elektrische Fahrmotor. So ist beispielsweise ein Hybrid-Elektrofahrzeug („hybrid electric vehicle“ HEV) im Allgemeinen mit einer ICE-Baugruppe und einer Elektromaschine (E-Maschine), oft in Form einer Motor-Generator-Einheit (MGE), ausgestattet, die einzeln oder kooperativ zur Erzeugung von Zugkraft arbeiten. Da Hybridfahrzeuge in der Lage sind, ihre Leistung aus anderen Quellen als dem Motor zu beziehen, können Motoren in HEVs ganz oder teilweise abgeschaltet werden, während das Fahrzeug von den Elektrische Fahrmotoren angetrieben wird.
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Während unzählige Optionen zur Verfügung stehen, gibt es drei Haupttypen von elektrischen Maschinen, die für Fahrmotoren in modernen, elektrisch angetriebenen Fahrzeugantrieben verwendet werden: bürstenbehaftete Gleichstrommotoren (DC), bürstenlose Permanentmagnetmotoren (PM) und Mehrphasen-Wechselstrommotoren (AC). Permanentmagnetmotoren weisen eine Reihe von Betriebseigenschaften auf, die sie im Vergleich zu ihren verfügbaren Gegenstücken für den Einsatz in Fahrzeugantriebsanwendungen attraktiver machen, darunter einen hohen Wirkungsgrad, ein hohes Drehmoment, hohe Leistungsdichten und einen langen Betriebsbereich mit konstanter Leistung. Ein PM-Motor ist eine elektrische Maschine, die elektrische Energie in mechanische Rotationsenergie umwandelt, indem sie einen Stator mit mehrphasigen elektromagnetischen Wicklungen und einen drehbaren Rotor verwendet, der eine Anordnung von Permanentmagneten trägt. Permanentmagnetmotoren können in DC oder AC, rotierend oder linear, und Radialfluss oder Axialfluss eingeteilt werden. Bei Radialfluss-PM-Motoren kann der magnetgelagerte Rotor im Stator verschachtelt oder außerhalb des Stators angeordnet sein. Alternativ kann ein PM-Motor auch eine axiale Flussanordnung übernehmen, bei der Stator und Rotor einander zugewandt sind, also koaxiale Scheiben sind. Der Rotor, der aus mehreren oberflächenmontierten oder innenmontierten Permanentmagneten besteht, ist durch einen kleinen Luftspalt vom Stator getrennt. Ein Magnetfeld, das durch den Stromfluss durch die Statorwicklungen erzeugt wird, interagiert mit einem Magnetfeld, das von den PMs des Rotors erzeugt wird, wodurch sich der Rotor dreht.
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BESCHREIBUNG
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Hierin offenbart sind geschlitzte Permanentmagnete (PM) für elektrische Maschinen, elektromechanische Motoren und Generatoreneinheiten, die solche geschlitzten PMs verwenden, Verfahren zur Herstellung und Verfahren zur Verwendung solcher geschlitzten PMs und Kraftfahrzeuge, die mit einem elektrischen Fahrmotor unter Verwendung solcher geschlitzten PMs ausgestattet sind. Als Beispiel, und nicht nur als Einschränkung, werden Fertigungssysteme und -verfahren zur Herstellung des Festkörpers eines Permanentmagneten mit einem vorgewählten Muster von Oberflächennuten vorgestellt, die so konstruiert sind, dass sie Wirbelstromverluste während des Betriebs einer zugehörigen elektrischen Maschine reduzieren. Diese Nuten können durch Präzisionswerkzeuge, Extrusion, Stanzen oder durch Hinzufügen der Merkmale während eines Sinterprozesses erzeugt werden. Die Oberflächennuten können eine erste Reihe von zueinander parallelen, geradlinigen Nuten umfassen, der orthogonal ist, mit einer zweiten Reihe von zueinander parallelen, geradlinigen Nuten. Jede langgestreckte Nut kann einen polygonalen oder ovalen Querschnitt mit einer Tiefe aufweisen, die größer als ihre Breite ist (z.B. mindestens ein Verhältnis von Tiefe zu Breite von 3:1). Die Nuttiefe ist kleiner als die Dicke des Permanentmagneten, so dass sich die Nuten nicht durch den PM-Körper erstrecken. Das Werkzeug zur Erzeugung der Oberflächennuten kann eine Vielzahl von geometrischen Formen und Größen annehmen, wobei der Werkzeugweg (Nuttiefe) in Ebenen parallel zur Richtung des auftreffenden Magnetfeldes erfolgt. Diese Nuten können auf einer Seite, gegenüberliegenden Seiten, mehreren ausgewählten Seiten oder allen Seiten des PM-Körpers eingebracht werden. Bei einigen Implementierungen ist der PM-Körper ein rechteckiges Polyeder mit vertieften Nuten, die in die gegenüberliegenden Hauptflächen mit den größten Oberflächenbereichen eingeformt sind, wobei jede Seite ein eigenes Nutenmuster aufweist.
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Der feste PM-Körper kann unzählige Formen und Größen annehmen, darunter rechteckige Blockmagnete, Ringmagnete, Brotmagnete, gebogene Fliesenmagnete usw. Darüber hinaus kann die Richtung der PM-Magnetisierung während des Betriebs der elektrischen Maschine radial, parallel oder eine beliebige Kombination aus beiden beinhalten. Eine vorhersehbare Anwendung für einen der offenbarten geschlitzten Permanentmagnete beinhaltet mehrphasige synchrone PM-Fahrmotor-Generator-Einheiten (MGE) für elektrisch angetriebene Fahrzeuge. Zu den Anwendungen für permanentmagnetische Synchronmotoren gehören Radial- und Axialflussmaschinen mit innen- oder außenliegenden PMs. Es ist jedoch vorgesehen, dass offenbarte geschlitzte PMs auf jede elektrische Maschine angewendet werden können, die Permanentmagnete verwendet. Optional können die Oberflächennuten mit hochohmigen Verbundmagneten oder anderen Füllstoffen gefüllt werden, die zur Erhöhung der Magnetfelddichte und Verbesserung der mechanischen Festigkeit entwickelt wurden. Als weitere Option können die PM-Oberflächennuten mit einem hochohmigen Epoxidharz gefüllt werden, um die Reduzierung der Wirbelstromverluste weiter zu verbessern. Zusätzlich zur Verlustreduzierung können die oberflächlichen Rillen so ausgelegt sein, dass die Magnete mechanisch an einem komplementären Stützkörper, wie beispielsweise einem Rotor einer PM-Elektromaschine, befestigt werden, um zusätzliche Haltekraft zu erhalten. Zur Befestigung des PM-Körpers am Rotor können hochfeste Bänder oder Klammern verwendet werden; alternativ kann der Rotor mit komplementären Verriegelungselementen hergestellt werden, die in die Oberflächennuten des PM gleiten oder mit diesen interferieren.
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Aspekte dieser Offenbarung beziehen sich auf elektrische Maschinen wie Motoren, Generatoren, Transformatoren usw., die geschlitzte Permanentmagnete zur Erzeugung von Magnetfeldern verwenden. Hierin ist zum Beispiel eine elektrische Maschine mit einem Stator mit einem Hohlkern und einer oder mehreren Nuten dargestellt. Eine oder mehrere elektrisch leitfähige Wicklungen sind in der/den Statoraussparung(en) angeordnet. Die elektrische Maschine beinhaltet auch einen Rotor, der in Bezug auf den Stator beweglich ist, und einen oder mehrere Permanentmagnete, die auf oder in den Rotor montiert sind. Für einige Anwendungen kann der Rotor drehbar im Hohlkern des Stators angeordnet sein. Jeder Permanentmagnet beinhaltet einen starren, einteiligen PM-Körper mit gegenüberliegenden ersten und zweiten Flächen. Eine erste Reihe länglicher Nuten ist in die erste Fläche vertieft, und eine optionale zweite Reihe länglicher Nuten ist in die zweite Fläche vertieft. Jede Nut weist eine Tiefe auf, die im Wesentlichen parallel zu einer Richtung eines zeitvariablen Magnetfeldes ist, das von der/den elektrisch leitenden Wicklung(en) erzeugt wird. Für zumindest einige Anwendungen können die oberflächlichen Rillen alle eine gemeinsame Tiefe und Form aufweisen; alternativ kann eine oder mehrere der Rillen eine unterschiedliche Form und/oder Größe aufweisen.
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Andere Aspekte der Offenbarung richten sich an elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge, die mit einem Fahrmotor ausgestattet sind, der geschlitzte Permanentmagnete zur Erzeugung von Magnetfeldern verwendet. Wie hierin verwendet, kann der Begriff „Kraftfahrzeug“ jede relevante Fahrzeugplattform umfassen, wie z.B. Personenkraftwagen (HEV, BEV, PHEV, FEV, etc.), Nutzfahrzeuge, Industriefahrzeuge, Kettenfahrzeuge, Gelände- und Geländefahrzeuge („all terrain vehicle“ ATV), Motorräder, landwirtschaftliche Geräte, Boote, Flugzeuge, etc. In einem Beispiel beinhaltet ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug eine Fahrzeugkarosserie mit mehreren Straßenrädern, die funktionsfähig an der Fahrzeugkarosserie befestigt sind. Ein elektrische Fahrmotor ist auf der Fahrzeugkarosserie montiert und elektrisch mit einem fahrzeugseitigen Batteriepack verbunden. Der Fahrmotor kann allein (z.B. in einer vollelektrischen Fahrzeug-(FEV)-Anwendung) oder in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor (z.B. in einer Hybrid-Elektrofahrzeug-(HEV)-Anwendung) betrieben werden, um eines oder mehrere der Fahrzeugräder anzutreiben und dadurch das Fahrzeug anzutreiben.
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Der elektrische Fahrmotor im obigen Beispiel beinhaltet einen ringförmigen Stator, der mit einem Hohlkern und mehreren Statoraussparungen gefertigt ist. In diesen Statoraussparungen sind mehrere elektrisch leitende Wicklungen angeordnet. Der Fahrmotor beinhaltet auch einen zylindrischen Rotor, der drehbar im Hohlkern des Stators angeordnet ist, und mehrere Permanentmagnete, die an der Außenfläche des Rotors oder in komplementären Schlitzen im Rotor montiert sind. Jeder Permanentmagnet besteht aus einem starren, einteiligen PM-Körper mit gegenüberliegenden Hauptflächen (größte Oberflächenbereiche) und gegenüberliegenden Nebenflächen (kleinere Oberflächenbereiche). Eine erste Reihe von länglichen Nuten , die in einem Kreuzschlitzmuster angeordnet sind, wird in die erste Hauptfläche vertieft, und eine zweite Reihe von länglichen Nuten, die in einem Kreuzschlitzmuster angeordnet sind, wird in die zweite Hauptfläche vertieft. Jede Nuttiefe ist im Wesentlichen parallel zur Richtung des zeitvariablen Magnetfeldes, das durch die elektrifizierten Wicklungen erzeugt wird.
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Zusätzliche Aspekte der Offenbarung sind auf Verfahren zur Herstellung und Verwendung eines der offenbarten geschlitzten Permanentmagnete, elektrische Maschinen, Motor-Generator-Einheiten und Fahrzeuge ausgerichtet. In einem Beispiel wird ein Verfahren zum Zusammenbau einer elektrischen Maschine vorgestellt. Dieses repräsentative Verfahren beinhaltet in beliebiger Reihenfolge und in beliebiger Kombination mit einer der oben und unten offenbarten Optionen und Merkmale: Bereitstellen eines Stators mit einem Hohlkern und Definieren eines Statorschlitzes; Positionieren einer elektrisch leitfähigen Wicklung in dem Statorschlitz; Positionieren eines Rotors benachbart zum Stand (z.B. innerhalb des Hohlkerns des Stators); und Befestigen eines Permanentmagneten am Rotor. Der Permanentmagnet hat einen starren, einteiligen PM-Körper mit gegenüberliegenden ersten und zweiten Flächen. Eine erste Reihe länglicher Nuten wird in die erste Fläche eingelassen. Jede der Nuten weist eine Tiefe auf, die im Wesentlichen parallel zu einer Richtung eines zeitvariablen Magnetfeldes ist, das durch die elektrisch leitfähige Wicklung erzeugt wird.
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Die obige Zusammenfassung soll nicht jede Ausführungsform oder jeden Aspekt der vorliegenden Offenbarung darstellen. Vielmehr stellt die vorstehende Zusammenfassung lediglich eine Veranschaulichung einiger der hierin dargestellten neuen Konzepte und Merkmale dar. Die vorgenannten Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und damit verbundene Vorteile dieser Offenbarung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der veranschaulichten Beispiele und repräsentativen Ausführungsformen für die Durchführung der vorliegenden Offenbarung im Zusammenhang mit den beigefügten Figuren und den beigefügten Ansprüchen. Darüber hinaus beinhaltet diese Offenbarung ausdrücklich alle Kombinationen und Unterzusammenstellungen der oben und unten dargestellten Elemente und Merkmale.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische Darstellung eines repräsentativen Elektrofahrzeugs mit einem Hybrid-Elektroantrieb mit einer elektrischen Fahrmotor-Generator-Einheit (MGE) mit geschlitzten Permanentmagneten gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
- 2 ist eine schematische Seitenansicht einer repräsentativen elektrischen Maschine mit einer Rotoranordnung, die mehrere geschlitzte Permanentmagnete gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung trägt.
- 3 ist eine perspektivische Darstellung eines repräsentativen geschlitzten Permanentmagneten (PM) gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
- 4 ist eine perspektivische Darstellung eines anderen repräsentativen geschlitzten PMs gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
- 5 ist eine perspektivische Darstellung eines repräsentativen Rotors mit mehreren oberflächenmontierten geschlitzten PMs gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
- 6 ist eine perspektivische Darstellung eines repräsentativen Rotors mit mehreren innenliegenden geschlitzten PMs gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
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Die vorliegende Offenbarung ist für verschiedene Änderungen und alternative Formen zugänglich, und einige repräsentative Ausführungsformen sind exemplarisch in den Figuren dargestellt und werden hierin ausführlich beschrieben. Es ist jedoch zu verstehen, dass sich die neuen Aspekte dieser Offenbarung nicht auf die in den oben aufgeführten Figuren dargestellten besonderen Formen beschränken. Vielmehr soll die Offenbarung alle Änderungen, Äquivalente, Kombinationen, Subkombinationen, Permutationen, Gruppierungen und Alternativen umfassen, die in den Geltungsbereich dieser Offenbarung fallen und von den beigefügten Ansprüchen erfasst werden.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Diese Offenbarung ist anfällig für Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen. Repräsentative Ausführungsformen der Offenbarung sind in den Figuren dargestellt und werden hierin ausführlich beschrieben, mit dem Verständnis, dass diese Ausführungsformen als Beispiel für die offenbarten Prinzipien und nicht für Einschränkungen der allgemeinen Aspekte der Offenbarung dienen. Insofern sollten Elemente und Einschränkungen, die beispielsweise in den Abschnitten Zusammenfassung, Einleitung, Beschreibung und detaillierte Beschreibung beschrieben, aber nicht ausdrücklich in den Ansprüchen dargelegt sind, nicht einzeln oder gemeinsam durch Implikation, Schlussfolgerung oder anderweitig in die Ansprüche aufgenommen werden.
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Für die Zwecke der vorliegenden detaillierten Beschreibung, sofern nicht ausdrücklich abgelehnt: Das Singular beinhaltet den Plural und umgekehrt; die Worte „und“ und „oder“ sollen sowohl konjunktiv als auch disjunktiv sein; die Worte „irgendeine“ und „alle“ sollen beide „irgendeine und alle“ bedeuten; und die Worte „inkludierend“, „beinhaltend“, „umfassend“, „hat“ und dergleichen sollen jeweils „beinhaltend ohne Begrenzung“ bedeuten. Darüber hinaus können hierin Wörter der Annäherung, wie „über“, „fast“, „im Wesentlichen“, „ungefähr“ und dergleichen, im Sinne von „bei, nahe, nahe bei “ oder „innerhalb von 0-5%“ oder „ innerhalb akzeptabler Fertigungstoleranzen “, oder jede logische Kombination davon, zum Beispiel, verwendet werden. Schließlich können Richtungsadjektive und Adverbien, wie z.B. vorne, hinten, innen, außen, steuerbord, backbord, vertikal, horizontal, oben, unten, nach oben, nach unten, links, rechts, usw., in Bezug auf ein Kraftfahrzeug stehen, wie z.B. eine Vorwärtsfahrtrichtung eines Kraftfahrzeugs, wenn das Fahrzeug funktionell auf eine normale Fahrfläche ausgerichtet ist.
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, wobei sich ähnliche Referenznummern auf ähnliche Merkmale in den verschiedenen Ansichten beziehen, ist in 1 eine schematische Darstellung eines repräsentativen Automobils dargestellt, das im Allgemeinen bei 10 bezeichnet und hierin zum Zwecke der Diskussion als Personenkraftwagen mit einem parallelen P2-Hybrid-Elektroantriebsstrang dargestellt ist. Insbesondere besteht der veranschaulichte Antriebsstrang im Allgemeinen aus einem einzelnen Motor 12 und einem einzelnen Motor 14, die einzeln und gemeinsam arbeiten, um die Zugkraft auf ein mehrstufiges Kraftgetriebe 16 über einen hydrokinetischen Drehmomentwandler („torque converter“ TC) 18 zum Antreiben eines oder mehrerer Straßenräder 20 des Achsantriebssystems 11 des Fahrzeugs zu übertragen. Das abgebildete Automobil 10 - im Folgenden auch kurz „Kraftfahrzeug“ oder „Fahrzeug“ genannt - ist nur eine exemplarische Anwendung, mit der neue Aspekte und Merkmale dieser Offenbarung geübt werden können. In gleicher Weise ist die Umsetzung der vorliegenden Konzepte in eine mehrphasige, synchrone Permanentmagnet-(PM)-Motor-Generator-Einheit (MGE) auch als exemplarische Anwendung der hierin offenbarten neuen Konzepte zu werten. Daher wird davon ausgegangen, dass Aspekte und Merkmale der Offenbarung auf andere Konfigurationen elektrischer Maschinen angewendet und für jeden logisch relevanten Kraftfahrzeugtyp verwendet werden können. Schließlich wurden nur ausgewählte Komponenten gezeigt und werden hierin näher beschrieben. Dennoch können die nachfolgend erläuterten Fahrzeuge und Elektromaschinen zahlreiche zusätzliche und alternative Merkmale und andere bekannte Peripheriekomponenten beinhalten, z.B. zur Durchführung der verschiedenen Methoden und Funktionen dieser Offenbarung.
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Das repräsentative Fahrzeug-Antriebsstrangsystem ist in 1 mit einer Antriebsmaschine, wie beispielsweise einer wiederaufsetzbaren Verbrennungsmotor-(ICE)-Anordnung 12, dargestellt, die über ein mehrstufiges automatisches Leistungsgetriebe 16 mit einer Antriebswelle 15 eines Achsgetriebes 11 angetrieben verbunden ist. Der Motor 12 überträgt die Leistung, vorzugsweise durch Drehmoment über eine Motorkurbelwelle 13 (oder „Motorausgangselement“), auf eine Eingangsseite des Getriebes 16. Gemäß dem veranschaulichten Beispiel dreht die ICE-Anordnung 12 eine motorgetriebene (erste) Torsionsdämpferanordnung 26 und durch die Torsionsdämpferanordnung 26 eine Motorausrückkupplung 28. Diese Motorausrückkupplung 28 überträgt beim Einkuppeln das von der ICE-Anordnung 12 über den Dämpfer 26 aufgenommene Drehmoment auf die Eingangsstruktur des TC 18. Das Getriebe 16 wiederum ist angepasst, um die Zugkraft des Motors 12 auf das Achsantriebssystem 11 des Fahrzeugs - hier dargestellt durch eine Antriebswelle 15, ein hinteres Differential 22 und ein Paar Hinterräder 20 - zu empfangen, selektiv zu manipulieren und zu verteilen und dadurch das Hybridfahrzeug 10 anzutreiben. Das Kraftgetriebe 16 und der hydrokinetische Drehmomentwandler 18 von 1 teilen sich eine gemeinsame Getriebeölwanne oder „Sumpf“ 32 zur Versorgung mit Getriebeöl sowie eine gemeinsame Getriebepumpe 34 für ausreichenden Hydraulikdruck, um die Elemente des Getriebes 16, TC 18 und Kupplung 28 zu aktivieren.
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Die ICE-Anordnung 12 treibt das Fahrzeug 10 unabhängig vom Motor 14 an, z.B. in einer „reinen“ Motorbetriebsart oder in Zusammenarbeit mit dem Motor 14, z.B. in einer „Motor-Boost“-Betriebsart. In dem in 1 dargestellten Beispiel kann die ICE-Anordnung 12 ein beliebiger verfügbarer oder nachträglich entwickelter Motor sein, wie beispielsweise ein Zwei- oder Viertakt-Dieselmotor oder ein Viertakt-Otto- oder Flex-Fuel-Motor, der leicht angepasst ist, um seine verfügbare Leistung typischerweise bei einer Reihe von Umdrehungen pro Minute (U/min) bereitzustellen. Obwohl in 1 nicht explizit dargestellt, ist zu beachten, dass das Achsantriebssystem 11 jede verfügbare Konfiguration annehmen kann, einschließlich der Layouts für Vorderradantrieb (FWD), Hinterradantrieb (RWD), Allradantrieb (4WD), Allradantrieb (AWD), Allradantrieb (AWD), etc.
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1 stellt auch eine elektrische Fahrmotor/Generator-Einheit 14 oder einen anderen geeigneten Fahrmotor dar, der über eine Motorträgernabe 29 (oder „Motorausgangselement“) und einen Drehmomentwandler 18 funktionsfähig mit einer Eingangswelle 17 (oder „Getriebeeingangselement“) des elektrohydraulischen Getriebes 16 verbunden ist. Die Motor-Generator-Einheit 14 kann direkt auf eine TC-Eingangswelle gekoppelt oder starr an einem Gehäuseabschnitt des Drehmomentwandlers 18 montiert werden. Die Elektrische Fahrmotor-Generator-Einheit 14 besteht aus einem ringförmigen Stator 21, der mit einem zylindrischen PM-Lagerrotor 23 umschrieben und konzentrisch ist. Die elektrische Energieversorgung des Stators 21 erfolgt über elektrische Leiter oder Kabel 27, die das Motorgehäuse in geeigneten Dicht- und Isolierdurchführungen durchlaufen (nicht dargestellt). Umgekehrt kann die elektrische Energieversorgung vom MGE 14 zu einem fahrzeugseitigen Traktionsbatteriepack 30 erfolgen, z.B. durch regenerative Bremsung. Der Betrieb einer der dargestellten Antriebsstrangkomponenten kann durch eine fahrzeugseitige oder ferngesteuerte Steuerung, wie beispielsweise eine programmierbare elektronische Steuereinheit („electronic control unit“ ECU) 25, gesteuert werden. Obwohl als P2-Hybrid-Elektroarchitektur mit einem einzelnen Motor in paralleler Leistungsfluss-Kommunikation mit einer einzelnen Motorbaugruppe dargestellt, kann das Fahrzeug 10 andere Antriebsstrangkonfigurationen wie PS, P1, P3 und P4-Hybridantriebe verwenden, von denen jeder für ein HEV-, PHEV-, bereichserweitertes Hybridfahrzeug, Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug usw. angepasst werden kann.
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Das Kraftübertragung 16 kann ein Differentialgetriebe 24 verwenden, um selektiv variable Drehmoment- und Drehzahlverhältnisse zwischen den Eingangs- und Ausgangswellen 17 und 19 des Getriebes zu erreichen, z.B. während es seine Leistung ganz oder teilweise über die variablen Elemente abgibt. Eine Form der Differentialverzahnung ist die epizyklische Planetengetriebeanordnung. Das Planetengetriebe bietet den Vorteil der Kompaktheit und der unterschiedlichen Drehmoment- und Drehzahlverhältnisse aller Elemente des Teilsatzes Planetengetriebe. Traditionell sind hydraulisch betätigte Drehmomentaufnahmevorrichtungen, wie Kupplungen und Bremsen (der Begriff „Kupplung“, der sowohl Kupplungen als auch Bremsen bezeichnet), selektiv einrastbar, um die vorgenannten Getriebeelemente zu aktivieren und so die gewünschten Vorwärts- und Rückwärtsübersetzungen zwischen der Eingangs- und Ausgangswelle des Getriebes festzulegen. Während es sich um ein 8-Gang-Automatikgetriebe handelt, kann das Kraftgetriebe 16 optional andere geeignete Konfigurationen übernehmen, einschließlich CVT-Architekturen (Continuously Variable Transmission), automatisierte manuelle Getriebe usw.
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Wie vorstehend angegeben, ist die ECU 25 so konstruiert und programmiert, dass sie unter anderem den Betrieb von Motor 12, Motor 14, Getriebe 16, TC 18 und Kupplung 28 steuert. Steuermodul, Modul, Steuerung, Steuereinheit, Prozessor und alle Permutationen davon können so definiert sein, dass sie eine oder mehrere Kombinationen einer oder mehrerer logischer Schaltungen, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASIC), elektronische Schaltungen, Zentraleinheit(en) (z.B, Mikroprozessoren)) und zugehöriger Speicher und Speicher (z.B. nur lesend, programmierbar nur lesend, wahlfrei, Festplatte, greifbar, etc.)), kombinatorische Logikschaltung(en), Ein-/Ausgabeschaltung(en) und Vorrichtungen, etc., unabhängig davon, ob sie resident, fern oder eine Kombination aus beidem sind. Die vorgenannte Hardware kann konfiguriert werden, um eine oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme oder Routinen auszuführen, z.B. unter Verwendung geeigneter Signalkonditionierungs- und Pufferschaltungen und anderer Komponenten, um die beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Software, Firmware, Programme, Anweisungen, Routinen, Code, Algorithmen und ähnliche Begriffe können definiert werden, um alle vom Controller ausführbaren Befehlssätze, einschließlich Kalibrierungen und Nachschlagetabellen, zu verstehen. Ein Steuergerät kann mit einer Reihe von Steuerroutinen entworfen werden, die ausgeführt werden, um die gewünschten Funktionen bereitzustellen. Steuerroutinen werden beispielsweise von einer zentralen Verarbeitungseinheit ausgeführt und sind betreibbar, um Eingänge von Abtastgeräten und anderen vernetzten Steuermodulen zu überwachen und Steuer- und Diagnoseroutinen auszuführen, um den Betrieb von Geräten und Stellgliedern zu steuern. Routinen können in Echtzeit, kontinuierlich, systematisch, sporadisch und/oder in regelmäßigen Abständen ausgeführt werden, z.B. alle 100 Mikrosekunden, 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden usw. während des laufenden Fahrzeugbetriebs. Alternativ können Routinen als Reaktion auf das Auftreten eines Ereignisses während des Betriebs des Fahrzeugs 10 ausgeführt werden.
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2 veranschaulicht ein weiteres Beispiel für eine elektrische Maschine vom Typ PM 114, die geschlitzte Permanentmagnete verwendet, um elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln und umgekehrt. Wie hierin besprochen, weist die elektrische Maschine 114 eine mehrphasige Statoranordnung 116 auf, die darin verschachtelt ist und eine innere PM-gestützte synchrone Reluktanzrotoranordnung 118 umschreibt. Die elektrische Maschine 114 ist zwar sowohl für den Einsatz im Automobil- als auch im Nichtautomobilbereich erhältlich, kann aber besonders geeignet sein für den Einsatz in einem hybriden elektrischen Antriebsstrang als Fahrmotor (z.B. Motor 14 1) mit einem Motor (z.B. ICE-Anordnung 12) und für den Betrieb in mindestens einem Motoranlasser-Modus, einem Regenerativ-Lademodus und einem Drehmomentassistenzmodus. Die elektrische Maschine 114 kann so ausgelegt sein, dass sie Folgendes erreicht: einen relativ hohen Wirkungsgrad, wie beispielsweise einen Wirkungsgrad von etwa 85 % über einen kalibrierten Ausgangsleistungs- und Drehzahlbereich; eine relativ hohe Leistungsdichte (z.B. mehr als etwa 1500 Watt pro Liter) und Drehmomentdichte (z.B. mehr als etwa 5 Newtonmeter pro Liter); einen relativ großen Spitzenleistungsbereich (z.B, etwa 4 bis 6 Kilowatt oder mehr); eine maximale Drehzahl von mindestens etwa 18.000 U/min; reduzierte Kosten (z.B. durch Minimierung der Anzahl der Permanentmagnete); eine reduzierte Masse und Trägheit (z.B. für eine schnelle dynamische Reaktion auf Benutzerleistungsanforderungen); und um in einen relativ kleinen Bauraum zu passen. Verschiedene alternative Ausführungsformen, einschließlich alternativer Rotorbauweise und/oder alternativer Statorbauweise, können von der elektrischen Maschine 114 verwendet werden, um ähnliche oder alternative Betriebsparameter zu erfüllen.
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Mit weiterem Bezug auf 2 ist die Statoranordnung 116 koaxial zu der Rotoranordnung 118 und umgibt diese unter Beibehaltung eines kleinen Luftspalts 115 dazwischen. Gemäß dem veranschaulichten Beispiel darf dieser Luftspalt 115 nicht weniger als etwa 0,2 Millimeter (mm) und nicht mehr als etwa 1,0 mm betragen, um beispielsweise die Leistungsabgabe zu maximieren und die Anzahl der geschlitzten Permanentmagnete 120 zu minimieren, die von der Rotorbaugruppe 118 getragen werden, um die gewünschte Leistungsabgabe zu erbringen. Die repräsentativen Stator- und Rotorbaugruppen 116, 118 von 2, die beide als rechtsrunden Zylinder mit einer im Allgemeinen ringförmigen Form dargestellt sind, sind konzentrisch um eine Längsmittelachse A der elektrischen Maschine 114 ausgerichtet. Die Statoranordnung 116 weist einen hohlen Statorkern 122 auf, der darin die Rotoranordnung 118 einschachtelt; die Rotoranordnung 118 weist einen hohlen Rotorkern 124 auf, der z.B. mit einer Motorwelle verbunden ist (nicht dargestellt). Es ist zu beachten, dass ein Motorschutzgehäuse (ebenfalls nicht dargestellt) einen Außenumfang des Statorgehäuses 126 umschließen und die Motorwelle der elektrischen Maschine 114 tragen kann.
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Die Rotoranordnung 118 aus 2 ist mit einem Rotorkörper 128 hergestellt, der mehrere Permanentmagnete 120 trägt, die in Umfangsrichtung um den Rotorkern 124 herum angeordnet sind. Insbesondere ist der Rotorkörper 128 präzise bearbeitet, wobei mehrere Rotorschlitze 130 in radial beabstandeten Sperrschichten (z.B. vier verschiedene Sperrschichten) angeordnet sind. Eine erste Barriereschicht 130A aus Schlitzen 130 kann am nächsten an einem Innenumfang des Rotorkörpers 128 positioniert werden, während eine vierte Barriereschicht 130D aus Schlitzen 130 am weitesten vom Innenumfang des Rotorkörpers entfernt als die Barriereschichten positioniert werden kann. Eine zweite Barriereschicht 130B aus Schlitzen 130 kann radial zwischen den ersten und dritten Barriereschichten 130A, 130C angeordnet sein, während die dritte Barriereschicht 130C aus Schlitzen 130 radial zwischen den zweiten und vierten Barriereschichten 130B, 130D angeordnet sein kann. Für zumindest einige Ausführungsformen können nur ausgewählte Barriereschichten (z.B. die ersten und dritten Barriereschichten 130A, 130C) Magnete 120 aufnehmen, während andere ausgewählte Barriereschichten (z.B. die zweiten und vierten Barriereschichten 130B, 130D) keine Magnete 120 aufnehmen und somit als Luftbarrieren wirken. In anderen Ausführungsformen können nur eine oder alle Barriereschichten Schlitze aufweisen, in denen Permanentmagnete gelagert sind. So können beispielsweise die drei radial innersten Barriereschichten 130A-130C mit Magneten 120 gefüllt werden, während die radial äußerste Barriereschicht 130D keine Magnete 120 beinhaltet. Der Rotorkörper 128 kann aus einem metallischen Material, einschließlich eines Edelstahlmaterials, hergestellt werden, das so konstruiert ist, dass es die hohe Drehzahlspannung innerhalb vorgegebener Grenzen hält.
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Die Statoranordnung 116 aus 2 ist mit einem Statorkörper 126 hergestellt, der mehrere radial verlängerte, in Umfangsrichtung beabstandete Statoraussparungen 132 (z.B. 60 Gesamtnuten) aufweist. Diese Statoraussparungen 132 erstrecken sich in Längsrichtung durch den Statorkörper 126 entlang der Achse A. Die Statoraussparungen 132 sind konfiguriert, um elektrisch leitfähige, mehrphasige Statorwicklungen 134 aufzunehmen. Die Statorwicklungen 134 können in verschiedene Gruppen zusammengefasst werden, von denen jede eine identische Anzahl von Phasen des elektrischen Stroms tragen kann, wie beispielsweise drei, fünf, sechs oder sieben Phasen. Darüber hinaus können sich die Statorwicklungen 134 axial über die Längsenden des Statorkörpers 126 hinaus erstrecken. Ein Verhältnis eines Außendurchmessers des Statorkörpers 126 zu einer axialen Länge der Statorbaugruppe 116 (d.h. der Abstand entlang der Achse A zwischen den Längsenden des Körpers, der keinen verlängerten Abschnitt der Wicklungen 134 beinhaltet) kann beispielsweise nicht weniger als 1,5 und nicht mehr als 3,5 betragen, um beispielsweise vorgegebene Bauraumbegrenzungen für eine bestimmte Anwendung der elektrischen Maschine 114, wie im Fahrzeugantrieb von 1, zu erfüllen.
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Um die Herstellung zu erleichtern, die Montage zu vereinfachen und die Kosten zu senken, kann es wünschenswert sein, dass alle Permanentmagnete 120 eine identische, rechteckige Polyederform aufweisen. Es ist jedoch zu beachten, dass einer oder mehrere oder alle PM-Körper unzählige Formen und Größen annehmen können, einschließlich anderer polyedrischer Blockmagnete, ringförmiger (kranzförmiger) Magnete, Brotmagnete (Querschnitt mit vierseitigem Querschnitt an den halbovalen Querschnitt angrenzend), gebogener Fliesenmagnete usw. In einem nicht einschränkenden Beispiel kann jeder Permanentmagnet 120 eine Dicke von etwa 1,5 mm bis 2,5 mm aufweisen, um in einen Schlitz 130 mit komplementären Abmessungen zu passen. In mindestens einigen Ausführungsformen kann eine Gesamtmasse des von der elektrischen Maschine 114 verwendeten Magnetmaterials (d.h. die Masse aller Magnete 120) etwa 150 Gramm bis etwa 250 Gramm betragen. Durch den Einsatz von weniger Magnetmaterial bei gleichzeitiger Einhaltung vorgegebener Betriebsparameter werden die Kosten reduziert. Die Permanentmagnete 120 der elektrischen Maschine 114 können alle aus dem gleichen Material hergestellt werden, wie beispielsweise Neodym-Eisen-Bor (NdFeB); alternativ kann jeder einzelne oder mehrere oder alle der Magnete 120 verschiedene Materialien verwenden, wie Samarium-Kobalt (SmCo), Aluminium-Nickel-Kobalt (AlNiCo) oder jede Kombination von Seltenerdmagnetmateriali en.
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Während des Betriebs der elektrischen Maschine 114, z.B. in einem regenerativen Ladebetrieb, wird die Rotoranordnung 118 über die Motorwelle gedreht, während die Statoranordnung 116 relativ stationär gehalten wird. Dabei werden die Permanentmagnete 120 an den mehrphasigen Statorwicklungen 134 vorbeigeführt; das von den Permanentmagneten 120 emittierte Magnetfeld erzeugt durch elektromagnetische Induktion einen elektrischen Strom in den Wicklungen 134. Dieser induzierte elektrische Strom kann zur Versorgung einer Last verwendet werden (z.B. Traktionsbatterie 30 aus 1). Umgekehrt wird während des Betriebs der elektrischen Maschine 114, z.B. in einem Motorkranz- oder Drehmomentunterstützungsmodus, den Statorwicklungen 134 durch eine geeignete Stromquelle (z.B. Traktionsbatteriepack 30) ein elektrischer Strom zugeführt. Das Leiten des zugeführten Stroms durch die mehrphasigen Statorwicklungen 134 erzeugt ein Magnetfeld an den Statorzähnen 136. Das von den Statorzähnen 136 abgegebene Magnetfeld interagiert mit den Permanentmagneten 120 in der Rotoranordnung 118, so dass sich der Rotorkörper 128 und die angebrachte Motorwelle drehen, um eine Drehantriebskraft zu erzeugen.
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Die 3 und 4 veranschaulichen zwei Beispiele für geschlitzte Permanentmagnete 220 und 320, die beispielsweise am Rotor 23 von 1, dem Rotor 118 von 2 oder einem der Rotoren 418 und 518 von 4 und 518 montiert werden können. Jeder Permanentmagnet 220, 320 beinhaltet einen starren, einteiligen PM-Körper 222, 322, der aus jedem geeigneten Permanentmagnetmaterial nach einem geeigneten Herstellungsverfahren hergestellt werden kann. Die repräsentativen PM-Körper 222, 322 der 3 und 4 sind als rechteckige Quader mit sechs (6) rechteckigen Flächen dargestellt: gegenüberliegende erste und zweite Hauptflächen 221, 321 und 223, 323 (d.h, die Flächen mit den größten Oberflächen), gegenüberliegende erste und zweite Nebenflächen 225, 325 und 227, 327 (d.h. die Flächen mit den kleinsten Oberflächen) und gegenüberliegende erste und zweite Zwischenflächen 229, 329 und 231, 331 (d.h. die Flächen mit weder den größten noch den kleinsten Oberflächen). Als rechteckiger Quader sind die Hauptflächen 221, 321, 321, 223, 323, 323 im Wesentlichen parallel zueinander und im Wesentlichen orthogonal zu den anderen PM-Körperflächen. Wie bereits in der Erläuterung zu 2 angedeutet, kann jeder PM-Körper 222, 322 der 3 und 4 ein Sortiment unterschiedlicher Formen und Größen annehmen; der Permanentmagnet 220 der 3 ist beispielsweise in 5 als oberflächenmontierter, gebogener Fliesenmagnet dargestellt, bei dem die Hauptflächen 221, 223 bogenförmige Oberflächen aufweisen. In diesem Zusammenhang ist vorgesehen, dass alle Merkmale und Optionen, die in Bezug auf die geschlitzte PM 220 von 3 offenbart werden, einzeln oder in beliebiger Kombination in die geschlitzten PMs 120 von 2 und/oder die geschlitzte PM 320 von 4 integriert werden können und umgekehrt. Für zumindest einige Anwendungen kann jede geschlitzte PM 220, 320 mit einer feldstabilisierenden Beschichtung, einer korrosionsbeständigen Beschichtung, einem hochohmigen Epoxy-Spaltfüller, verschiedenen Oberflächenbehandlungen usw. versehen werden.
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Beide PM-Körper 222, 322 der 3 und 4 sind mit vorgewählten Mustern oberflächlicher Rillen hergestellt, die so konstruiert sind, dass sie die Wirbelstromverluste in den Permanentmagneten 220, 320 reduzieren, wenn sie während des Betriebs der zugehörigen elektrischen Maschine einem zeitlich variierenden elektromagnetischen Feld ausgesetzt sind. In mindestens den veranschaulichten Beispielen ermöglichen die geschlitzten PMs 220, 320 eine Reduzierung des Feststoffverlustes (Watt) um mindestens 70-95% im Vergleich zu einem ungeschlitzten PM, das auf einer dreidimensionalen (3D) elektromagnetischen Finite-Elemente-Analyse (FE) basiert. Die Magnetsegmentierung, bei der jeder Magnetbereich (z.B. Rotorschlitz 130 von 2) eher diskrete, isolierte PM-Segmente als ein einteilige PM enthält, ist eine herkömmliche Technik zur Reduzierung von Rotorverlusten, da sie die Maschinenleistung nur minimal einschränkt. Die Segmentierung erhöht jedoch die Gesamtzahl der Maschinenteile, was eine zusätzliche Fertigungsbearbeitung und eine reduzierte mechanische Integrität des Systems erfordert. Die Verwendung von technischen Oberflächennuten, wie hierin beschrieben, bietet vergleichbare Vorteile wie die Segmentierung und vermeidet gleichzeitig die mit der Segmentierung verbundenen zusätzlichen Teile, Kosten und Fertigungsschritte. Diese Nuten sind nicht als Durchgangsbohrungen konfiguriert und erstrecken sich daher nicht durch den PM-Körper.
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Eine optional geschlitzte PM-Konfiguration verwendet ein kreuzförmiges Nutmuster, das auf beide Hauptflächen des einteiligen PM-Körpers aufgebracht wird. Der Permanentmagnet 220 von 3 weist beispielsweise eine erste Reihe länglicher Nuten 250 auf, die in die Oberfläche der ersten Hauptfläche 221 eingelassen sind, und eine zweite Reihe länglicher Nuten 251 ( 5), die in die Oberfläche der zweiten Hauptfläche 223 eingelassen sind. In diesem Beispiel besteht die erste Reihe von länglichen Nuten 250 aus zwei zueinander orthogonalen, miteinander verbundenen geradlinigen Nuten 252 und 253, und die zweite Reihe von länglichen Nuten 251 besteht ebenfalls aus zwei zueinander orthogonalen, miteinander verbundenen geradlinigen Nuten 254 und 255. Die Rillen 252 und 254 sind zueinander parallel und koplanar, länglich in Längsrichtung zum Permanentmagneten 220. Beide Nuten 252, 254 sind über die gesamte Länge des PM-Körpers 222 dargestellt und durch zwei Endnuten 256 und 257 miteinander verbunden, die in die Nebenflächen 225, 227 eingelassen sind. Im Vergleich dazu sind die Nuten 253 und 255 zueinander parallel und koplanar, seitlich gegenüber dem Permanentmagneten 220 verlängert. Diese Nuten 253, 255 sind über die gesamte Breite des PM-Körpers 222 dargestellt und durch zwei Endnuten 258 und 259 miteinander verbunden, die in die Zwischenflächen 229, 231 eingelassen sind. Es kann für mindestens einige Ausführungsformen wünschenswert sein, dass das Nutmuster im Wesentlichen aus zwei (2) bis sechs (6) geradlinigen Nuten pro Hauptfläche besteht. Während die Darstellung die gesamte Länge und Breite des PM-Körpers 222 umfasst, kann sich eine oder mehrere der geradlinigen Nuten 253-255 nur teilweise über den PM-Körper 222 erstrecken. In diesem Zusammenhang können die Endnuten 256-259 optional eliminiert werden.
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Eine weitere optionale geschlitzte PM-Konfiguration verwendet ein ausgeprägtes Nutmuster für jede Hauptfläche des einteiligen PM-Körpers. Der Permanentmagnet 320 von 4 weist beispielsweise eine erste Reihe länglicher Nuten 350 auf, die in die erste Hauptfläche 321 eingelassen sind, und einer diskreten zweiten Reihe länglicher Nuten 351, der in die zweite Hauptfläche 323 eingelassen ist. In diesem Beispiel besteht die erste Reihe von länglichen Nuten 350 aus einer ersten Reihe von drei zueinander parallelen, geradlinigen Nuten 352, die sich jeweils quer über die gesamte Breite des PM-Körpers 322 erstrecken und von benachbarten Querrillen 352 entlang der Länge des PM-Körpers 322 beabstandet sind. Die erste Reihe von länglicher Nuten 350 beinhaltet auch eine einzige geradlinige Nut 353, die sich in Längsrichtung über die gesamte Länge des PM-Körpers 322 erstreckt. Diese Längsnut 353 ist senkrecht zu allen drei Querrillen 352.
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Im Gegensatz zur ersten Reihe besteht die zweite Reihe von länglichen Nuten 351 aus einer zweiten Reihe von vier zueinander parallelen, geradlinigen Nuten 354, die sich jeweils quer über die gesamte Breite des PM-Körpers 322 erstrecken und von benachbarten Querrillen 354 entlang der Länge des PM-Körpers 322 beabstandet sind. Die erste Reihe von länglicher Nuten 350 beinhaltet auch eine zweite Reihe von zwei zueinander parallelen, geradlinigen Nuten 355, die sich jeweils in Längsrichtung über die gesamte Länge des PM-Körpers 322 erstrecken und von benachbarten Längsnuten 355 entlang der Breite des PM-Körpers 322 beabstandet sind. Diese Längsnuten 355 sind orthogonal zu den Querrillen 354 ausgerichtet. Während die erste Reihe von Nuten 350 mit einer ersten Anzahl von geradlinigen Nuten (z.B. insgesamt vier) und die zweite Reihe von Nuten 351 mit einer unterschiedlichen, zweiten Anzahl von geradlinigen Nuten (z.B. insgesamt sechs) dargestellt wird, ist vorgesehen, dass die erste und zweite Reihe von Nuten 350, 351 die gleiche Anzahl von Nuten aufweisen kann, die größer oder kleiner sein kann als die in den Zeichnungen gezeigten Zahlen.
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Die Querrillen 352 in der ersten Reihe von geradlinigen Nuten 350 der ersten Hauptfläche 321 sind in Längsrichtung versetzt zu den Querrillen 354 in der zweiten Reihe von geradlinigen Nuten 351 der zweiten Hauptfläche 323, so dass die Nuten 352 mit den Nuten 351 entlang der Länge des PM-Körpers 322 verschränkt sind. In gleicher Weise ist die Längsnut 353 in der ersten Reihe von geradlinigen Nuten 350 der ersten Hauptfläche 321 seitlich versetzt zu den Längsnuten 355 in der zweiten Reihe von geradlinigen Nuten 351 der zweiten Hauptfläche 323, sodass die Nuten 353, 355 entlang der Breite des PM-Körpers 322 miteinander verschachtelt sind. Alternativ können eine oder mehrere der Querrillen 352 koplanar mit einer oder mehreren der Querrillen 354 und die Längsnut 353 optional koplanar mit einer der Längsrillen 355 sein. In einer der vorgenannten optionalen Konfigurationen können eine oder mehrere oder alle der in die erste Hauptfläche 321 eingelassenen Nuten mit einer oder mehreren oder allen Nuten, die in die zweite Hauptfläche 321 eingelassen sind, verbunden werden, z.B. um eine oder mehrere Ringnuten zu bilden, die sich kontinuierlich um den PM-Körper 322 erstrecken.
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Für zumindest einige Konfigurationen kann es wünschenswert sein, dass der Werkzeugbau zur Herstellung eines geschlitzten Permanentmagneten in Ebenen parallel zur Richtung des Auftrefffeldes durchgeführt wird. Beim Betrieb einer elektrischen Maschine wird über die Statorwicklungen ein induziertes elektromagnetisches Feld mit einer Vektorfelddichte B (z.B. gemessen in Newton pro Meter und Ampere) erzeugt. Beim Durchlaufen eines leitenden Körpers, wie beispielsweise eines Seltenerdpermanentmagneten, kann die Magnetfelddichte B Wirbelströme in Ebenen senkrecht zur Richtung des Vektors induzieren. Um den Widerstand im Weg der induzierten Wirbelströme zu erhöhen, erstrecken sich die Tiefen der oberflächlichen Nuten in Ebenen parallel zur Richtung der Magnetfelddichte B. Anders ausgedrückt, jede Nut hat eine Tiefe D1 (siehe Einsatzansicht von 4), die im Wesentlichen parallel zu einer Richtung des Magnetfeldes B ist, das durch die elektrisch leitenden Wicklungen der elektrischen Maschine erzeugt wird. Zur Reduzierung der Wirbelstromverluste kann jede Nut verschiedene geometrische Formen annehmen, wie beispielsweise einen dreieckigen, ovalen oder rechteckigen Querschnitt. Aus magnetischer Sicht kann es wünschenswert sein, dass die Tiefe D1 der Nut deutlich größer ist als die Breite W1 der Nut (z.B. mindestens ein Verhältnis von Tiefe zu Breite von 3:1). Es ist auch vorgesehen, dass eine oder mehrere der Nuten eine ausgeprägte Form, Größe und/oder Ausrichtung von einer oder mehreren der anderen Nuten aufweisen. Die Oberflächennuten in den PM-Körpern 222, 322 können mit hochohmigen Verbundmagneten (z.B. Verbundmagneteinsätzen 260 aus 4) gefüllt werden, um die magnetische und mechanische Festigkeit der geschlitzten PMs 220, 320 zu erhöhen.
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Durch Drehen neben den 5 und 6 kann jeder der hierin beschriebenen geschlitzten Permanentmagnete oberflächenmontiert oder innen an einem komplementären Tragkörper einer elektrischen Maschine montiert werden. 5 stellt beispielsweise vier geschlitzte PMs 220 dar, die auf einer Oberfläche mit Außendurchmesser (OD) einer Rotoranordnung 418 montiert sind, die um den äußeren Umfang des Rotorkörpers 428 herum in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind. Im Gegensatz dazu veranschaulicht 6 acht geschlitzte PMs 320, die in vier komplementären Rotorschlitzen 530 montiert sind, die in Umfangsrichtung um den inneren Umfang des Rotorkörpers 528 herum voneinander beabstandet sind. Die Oberflächennuten können auch konfiguriert werden, um eine erhöhte mechanische Rückhaltung zwischen den geschlitzten PMs und ihrer tragenden Grundstruktur zu gewährleisten. 5 veranschaulicht beispielsweise jeden PM-Körper 222, der mit hochfesten Bindern am Rotorkörper 428 befestigt ist, wie beispielsweise Kohlefaserbänder 460, die durch die geradlinigen Nuten 254, 257 und 258 verlaufen. Als weitere Option veranschaulicht 6 jeden PM-Körper 222, der gleitend mit der Rotorbaugruppe 518 in Eingriff steht und mit ihren jeweiligen Schlitzen 530 mit komplementären Zähnen 560 ausgerichtet ist, die in die Schlitze 530 vom Rotorkörper 528 und in die Längsnut 353 und 355 ragen. Obwohl sie einen im Allgemeinen rechteckigen Querschnitt aufweisen, können diese Zähne 560 und ihre Aufnahmeflächennut 353 und 355 die Form einer T-Nut, Schwalbenschwanz-Verbindung usw. annehmen. Die Abmessungen der Nuten 353 und 355 und der Zähne 560 können basierend auf den gewünschten mechanischen Anforderungen bestimmt werden, um allen entgegenwirkenden mechanischen Kräften standzuhalten.
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Aspekte der vorliegenden Offenbarung wurden mit Bezug auf die veranschaulichten Ausführungsformen ausführlich beschrieben; die Fachkräfte werden jedoch erkennen, dass viele Änderungen daran vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Die vorliegende Offenbarung beschränkt sich nicht auf die hierin offenbarte genaue Konstruktion und Zusammensetzung; alle Änderungen, Veränderungen und Abweichungen, die sich aus den vorstehenden Beschreibungen ergeben, sind im Rahmen der Offenbarung im Sinne der beigefügten Ansprüche. Darüber hinaus beinhalten die vorliegenden Konzepte ausdrücklich alle Kombinationen und Subkombinationen der vorhergehenden Elemente und Merkmale.
