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HINTERGRUND
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Elektrische Maschinen werden in Kraftfahrzeugsystemen, Präzisionswerkzeugen oder industriellen Antrieben eingesetzt und können spezielle Anforderungen an einen geräusch- und vibrationsarmen Betrieb aufweisen. Einige Quellen für Geräusche, Vibrationen oder Rauigkeit in der elektrischen Maschine können neben anderen aerodynamischen oder mechanischen Quellen auch Nutrastmoment, Drehmomentwelligkeit und elektromagnetische Radialkräfte sein. Eine elektrische Maschine mit hoher Drehmomentdichte weist im Allgemeinen ein höheres Potential für Geräusche und Vibrationen auf, das als inakzeptabel angesehen werden kann. Zwar wurden verschiedene Methoden verwendet, um die Geräusche und Vibrationen der elektrischen Maschine abzuschwächen; da jedoch die Anforderungen an eine höhere Drehmomentdichte steigen, müssen neue Strategien oder Konfigurationen zur Abschwächung von Geräuschen und Vibrationen der elektrischen Maschine entwickelt werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Offengelegt wird ein Stator, der mit einer Permanentmagnetmaschine bereitgestellt wird. Der Stator enthält einen um eine zentrale Längsachse herum angeordneten Statorkern. Der Statorkern weist eine Außenfläche, eine zu der Außenfläche entgegengesetzt orientierte Innenfläche, wobei sich die Außenfläche und die Innenfläche jeweils zwischen einer ersten und einer zweiten Stirnseite entlang der zentralen Längsachse erstrecken, und eine Vielzahl von Statorzähnen auf, die sich radial von der Innenfläche in Richtung auf die zentrale Längsachse erstrecken. Der Statorkern definiert eine Öffnung, die sich von der ersten Stirnseite zur zweiten Stirnseite hin erstreckt und angrenzend an einen ersten Statorzahn der Vielzahl der Statorzähne angeordnet ist.
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Ebenfalls offengelegt wird eine Permanentmagnetmaschine, die ein Maschinengehäuse und einen in dem Maschinengehäuse angeordneten Stator umfasst. Das Maschinengehäuse hat eine Innenfläche, die sich zwischen einem ersten Gehäuseende und einem zweiten Gehäuseende entlang einer zentralen Längsachse erstreckt. Der Stator weist einen Statorkern mit einer Außenfläche und einer Innenfläche auf, die sich jeweils zwischen einer ersten Stirnseite und einer zweiten Stirnseite entlang der zentralen Längsachse erstrecken. Der Statorkern definiert eine Vielzahl von Öffnungen, die sich von der ersten Stirnseite zu der zweiten Stirnseite hin erstrecken.
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Diese und andere Vorteile und Merkmale werden in der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen deutlicher werden.
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Figurenliste
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Der Gegenstand, der als Erfindung gilt, wird genau offengelegt und in den Ansprüchen am Ende der Beschreibung separat beansprucht. Die vorstehenden und weiteren Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen:
- 1A eine perspektivische Teilansicht eines in einem elektrischen Maschinengehäuse angeordneten Stators ist;
- 1B eine perspektivische Teilansicht eines Stators ist, der sich innerhalb eines elektrischen Maschinengehäuses befindet und einen diskontinuierlichen Bereich definiert;
- 2A und 2B Ansichten eines Stators mit Öffnungen sind;
- 3A und 3B Ansichten eines Stators mit Öffnungen sind;
- 4A und 4B Ansichten eines Stators mit Öffnungen sind; und
- 5A und 5B Ansichten eines Stators mit Öffnungen sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Unter Bezugnahme nun auf die Figuren, in denen die Erfindung mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben wird, ohne sie einzuschränken, ist zu verstehen, dass die offengelegten Ausführungsformen lediglich zur Veranschaulichung der vorliegenden Offenbarung dienen, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt sein kann. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale können hervorgehoben oder minimiert sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind bestimmte strukturelle und funktionelle Details, die hier offengelegt werden, nicht als Einschränkung zu verstehen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage für die Unterrichtung des Fachmanns darüber, wie die vorliegende Offenbarung unterschiedlich angewendet werden kann.
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Unter Bezugnahme auf 1A und 1B ist eine elektrische Maschine, wie z.B. eine Permanentmagnetmaschine 10, dargestellt. Die Permanentmagnetmaschine 10 beinhaltet ein Maschinengehäuse 12 und einen Stator 14, der eingerichtet ist, um innerhalb des Maschinengehäuses 12 angeordnet zu werden.
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Das Maschinengehäuse 12 ist um eine zentrale Längsachse 20 herum angeordnet. Das Maschinengehäuse 12 enthält eine Innenfläche 22, die sich zwischen einem ersten Gehäuseende 24 und einem zweiten Gehäuseende 26 entlang der zentralen Längsachse 20 erstreckt. Das erste Gehäuseende 24 kann ein offenes und das zweite Gehäuseende 26 kann ein geschlossenes Ende sein. Das zweite Gehäuseende 26 definiert eine allgemein entlang der zentralen Längsachse 20 ausgerichtete Öffnung 28, durch die hindurch sich eine Welle oder ähnliches erstrecken kann.
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Der Stator 14 ist in dem Maschinengehäuse 12 angeordnet und ist an der Innenfläche 22 des Maschinengehäuses 12 befestigt. Der Stator 14 enthält einen Statorkern 30, der um die zentrale Längsachse 20 herum angeordnet ist.
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Mit Bezug auf die Figuren beinhaltet der Statorkern 30 eine Außenfläche 32, eine entgegengesetzt zu der Außenfläche 32 angeordnete Innenfläche 34 und eine Vielzahl von Statorzähnen 36. Die Außenfläche 32 und die Innenfläche 34 erstrecken sich zwischen einer ersten Stirnseite 40 und einer zweiten Stirnseite 42 entlang der zentralen Längsachse 20. Die Außenfläche 32 ist der Innenfläche 22 des Maschinengehäuses 12 zugewandt. Die Außenfläche 32 des Statorkerns 30 kann allgemein als das Rückeisen des Stators 14 bezeichnet werden. Die Vielzahl von Statorzähnen 36 erstreckt sich radial von der Innenfläche 34 in Richtung der zentralen Längsachse. Eine Nut 44 ist zwischen benachbarten Statorzähnen der Vielzahl von Statorzähnen 36 definiert, so dass die Nut 44 zwischen einem ersten Statorzahn 46 und einem zweiten Statorzahn 48 definiert ist, der benachbart zu dem ersten Statorzahn 46 der Vielzahl von Statorzähnen 36 angeordnet ist. Bei einer solchen Anordnung ist die Nut 44 in Umfangsrichtung zwischen dem ersten Statorzahn 46 und dem zweiten Statorzahn 48 angeordnet.
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Der Stator 14 kann verschiedene fraktionierte Nut-Topologien [engl.: fractional slot topologies] verwenden, z.B. verschiedene Verhältnisse zwischen einer Anzahl von Nuten und einer Anzahl von Polen, die dem Stator 14 zugeordnet sind. Die fraktionierten Nut-Topologien wirken sich auf einen Wicklungsfaktor um einen Statorzahn der Vielzahl von Statorzähnen 36 aus und beeinflussen somit die Drehmomentdichte. Je höher der Wicklungsfaktor zwischen diesen ist, desto höher ist die Drehmomentdichte. Die höhere Drehmomentdichte kann zu Schwingungsmodi niedriger Ordnung führen. Der Modus niedriger Ordnung ergibt sich aus der Wechselwirkung des Radialfeldes n-ter Ordnung aufgrund der Magnetpole und des Radialfeldes n+2-ter Ordnung aufgrund der Ankerreaktion. Der Modus niedriger Ordnung führt zu einer Statorverformung, die zu Vibrationen der elektrischen Maschine führt, die als Geräusch wahrgenommen werden.
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In der vorliegenden Offenlegung wird versucht, die als Geräusche wahrgenommenen Maschinenvibrationen durch Bereitstellen von Öffnungen 60 im Maschinengehäuse 12 und/oder im Stator 14 anzusprechen, die zur Dämpfung von Radialkräften eingerichtet sind, die durch einen Statorzahn der Vielzahl von Statorzähnen 36 übertragen werden.
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Gemäß 1A kann ein diskontinuierlicher Bereich durch einen ersten erhöhten Bereich 62 und einen zweiten erhöhten Bereich 64 der Außenfläche 32 des Stators 14 definiert werden. Der erste erhöhte Bereich 62 ist in der Nähe der ersten Stirnseite 40 angeordnet. Der zweite erhöhte Bereich 64 ist in Umfangsrichtung und axial von dem ersten erhöhten Bereich 62 beabstandet. Der zweite erhöhte Bereich 64 ist in der Nähe der zweiten Stirnseite 42 angeordnet. Der erste erhöhte Bereich 62 und/oder der zweite erhöhte Bereich 64 sind eingerichtet, um in die Innenfläche 22 des Maschinengehäuses 12 einzugreifen. Der erste erhöhte Bereich 62 und der zweite erhöhte Bereich 64 sind eingerichtet, um die Anzahl der Kontaktpunkte zwischen der Außenfläche 32 des Stators 14 und der Innenfläche 22 des Maschinengehäuses 12 zu reduzieren.
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Gemäß 1B kann ein diskontinuierlicher Bereich durch die Innenfläche 22 des Maschinengehäuses 12 definiert werden. Der diskontinuierliche Bereich kann durch vertiefte Bereiche 66 der Innenfläche 22 des Maschinengehäuses 12 definiert sein. Die vertieften Bereiche 64 können sich von der Innenfläche 22 in Richtung auf eine Außenfläche des Maschinengehäuses 12 entlang einer quer zur zentralen Längsachse 20 angeordneten Achse erstrecken.
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Der diskontinuierliche Bereich, der durch die vertieften Bereiche 66 der Innenfläche 22 des Maschinengehäuses 12 und/oder durch die ersten und zweiten erhöhten Bereiche 62, 64 der Außenfläche 32 des Stators definiert ist, kann Kontaktpunkte zwischen der Außenfläche 32 des Stators 14 und der Innenfläche 22 des Maschinengehäuses 12 reduzieren, um die Kraftübertragung durch einen Statorzahn der Vielzahl von Statorzähnen 36 auf das Maschinengehäuse 12 zu reduzieren und er reduziert somit abgestrahlte Geräusche und Vibrationen durch die Verringerung der Verformung des Stators 14, ohne die Motordrehmomentdichte zu beeinträchtigen. Durch die Implementierung der vertieften Bereiche 66 auf der Innenfläche 22 des Maschinengehäuses 12 und die Beibehaltung einer gleichmäßigen oder im Wesentlichen gleichmäßigen Außenfläche 32 des Stators 14 kann das Potential für magnetische Verluste der Permanentmagnetmaschine 10 durch Diskontinuitäten auf der Außenfläche 32 des Stators 14 minimiert werden.
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Die Öffnungen 60 des Statorkerns 30 und/oder des Maschinengehäuses 12 wirken als Federn, die die Radialkräfte dämpfen und die Verformung des Statorkerns 30 oder des Maschinengehäuses 12 reduzieren, um abgestrahlte Geräusche und Vibrationen zu reduzieren. Die Öffnungen 60 können sich jeweils von einer Stirnseite des Maschinengehäuses 12, die am ersten Gehäuseende 24 angeordnet ist, zum zweiten Gehäuseende 26 hin entlang der zentralen Längsachse 20 erstrecken. Die Öffnungen 60 können zwischen der Außenfläche 32 und der Innenfläche 34 des Statorkerns 30 angeordnet sein. Die Öffnungen 60 können näher an der Außenfläche 32 als an der Innenfläche 34 angeordnet sein, um die elektromagnetische Leistung der elektrischen Maschine nicht oder nur minimal zu beeinflussen.
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Die Öffnungen 60 können jeweils eine Breite in Umfangsrichtung aufweisen, die im Wesentlichen gleich einer Breite in Umfangsrichtung des ersten Statorzahns 46 und/oder des zweiten Statorzahns 48 der Vielzahl von Statorzähnen 36 ist. Die Öffnungen 60 können jeweils eine Breite in Umfangsrichtung aufweisen, die im Wesentlichen gleich der Breite in Umfangsrichtung der Nut 44 ist, die zwischen dem ersten Statorzahn 46 und dem zweiten Statorzahn 48 der Vielzahl von Statorzähnen 36 definiert ist. In anderen Ausführungsformen können die Öffnungen 60 eine Breite in Umfangsrichtung aufweisen, die wesentlich kleiner als die Breite in Umfangsrichtung eines Zahnes der Vielzahl von Statorzähnen 36 oder als eine Breite der Nut 44 ist.
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Die Öffnungen 60 können als Einkerbungen, Vertiefungen, Rillen o.ä. eingerichtet sein, die von der ersten Stirnseite 40 zur zweiten Stirnseite 42 hin verlaufen, ohne den Statorkern 30 vollständig zu durchdringen. Die Öffnungen 60 können als Nuten eingerichtet sein, die sich von der ersten Stirnseite 40 bis zur zweiten Stirnseite 42 erstrecken, so dass sich die Öffnungen 60 vollständig durch den Statorkern 30 hindurch erstrecken. In mindestens einer Ausführung können die Öffnungen 60 stattdessen Knollen, Vorsprünge oder ähnliches mit einer Masse sein, die sich axial von der ersten Stirnseite 40 weg entlang der zentralen Längsachse 20 erstrecken. Die Öffnungen 60 können unterschiedliche Tiefen aufweisen, die von der ersten Stirnseite 40 zur zweiten Stirnseite 42 hin gemessen werden, so dass eine erste Öffnung eine erste Tiefe und eine zweite, von der ersten Öffnung in Umfangsrichtung beabstandete Öffnung eine zweite Tiefe aufweisen kann, die größer oder kleiner als die erste Tiefe ist. Die Öffnungen 60 können in Umfangsrichtung um den Statorkern 30 verteilt sein und unterschiedliche Verteilungswinkel oder unterschiedliche Abstände in Umfangsrichtung zwischen benachbarten Öffnungen aufweisen, so dass ein erster Winkel (z.B. relativ zur zentralen Längsachse) oder ein erster Abstand in Umfangsrichtung zwischen einer ersten Öffnung und einer zweiten Öffnung, die benachbart zu der ersten Öffnung angeordnet ist, von einem zweiten Winkel oder einem zweiten Abstand in Umfangsrichtung zwischen der zweiten Öffnung und einer dritten Öffnung, die benachbart zu der zweiten Öffnung angeordnet ist, verschieden (z.B. größer oder kleiner) sein kann. Die unterschiedliche Tiefe der Öffnungen 60 oder die unterschiedlichen Winkel oder Abstände zwischen benachbarten Öffnungen kann/können das Dämpfungsverhalten des Statorkerns 30 verändern.
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Gemäß 2A können die Öffnungen 60 als eine allgemein elliptische Nut eingerichtet sein, die in Umfangsrichtung mit dem ersten Statorzahn 46 und/oder dem zweiten Statorzahn 48 der Vielzahl von Statorzähnen 36 ausgerichtet ist. Gemäß 2B kann die Öffnung 60 als eine allgemein elliptische Nut eingerichtet sein, die in Umfangsrichtung mit der Nut 44 ausgerichtet ist, die zwischen dem ersten Statorzahn 46 und dem zweiten Statorzahn 48 der Vielzahl von Statorzähnen 36 angeordnet oder definiert ist.
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Gemäß 3A können die Öffnungen 60 als eine allgemein kreisförmige Öffnung eingerichtet sein, die in Umfangsrichtung mit dem ersten Statorzahn 46 und/oder dem zweiten Statorzahn 48 der Vielzahl von Statorzähnen 36 ausgerichtet ist. Gemäß 3B kann die Öffnung 60 als eine allgemein kreisförmige Öffnung eingerichtet sein, die in Umfangsrichtung mit der Nut 44 ausgerichtet ist, die zwischen dem ersten Statorzahn 46 und dem zweiten Statorzahn 48 der Vielzahl von Statorzähnen 36 angeordnet oder definiert ist.
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Gemäß 4A können die Öffnungen 60 als bohnenförmige oder eiförmige Öffnung eingerichtet sein, die in Umfangsrichtung mit dem ersten Statorzahn 46 und/oder dem zweiten Statorzahn 48 der Vielzahl von Statorzähnen 36 ausgerichtet ist. Gemäß 4B kann die Öffnung 60 als bohnenförmige oder eiförmige Öffnung eingerichtet sein, die in Umfangsrichtung mit der Nut 44 ausgerichtet ist, die zwischen dem ersten Statorzahn 46 und dem zweiten Statorzahn 48 der Vielzahl von Statorzähnen 36 angeordnet oder definiert ist.
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Gemäß 5A können die Öffnungen 60 als rechteckige Öffnung mit abgerundeten Ecken eingerichtet sein, die in Umfangsrichtung mit dem ersten Statorzahn 46 und/oder dem zweiten Statorzahn 48 der Vielzahl von Statorzähnen 36 ausgerichtet ist. Gemäß 5B kann die Öffnung 60 als rechteckige Öffnung mit abgerundeten Ecken eingerichtet sein, die in Umfangsrichtung mit der Nut 44 ausgerichtet ist, die zwischen dem ersten Statorzahn 46 und dem zweiten Statorzahn 48 der Vielzahl von Statorzähnen 36 angeordnet oder definiert ist.
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Die in der Nähe des Außenumfangs des Stators 14 angeordneten Öffnungen 60 haben keinen Einfluss auf das Drehmoment oder eine andere elektromagnetische Leistung der Permanentmagnetmaschine 10. Die Öffnungen 60 können in Anzahl, Größe, Form und Lage um den Statorkern 30 des Stators 14 variieren. Unabhängig von der Anzahl, Form oder Lage der Öffnungen 60 reduzieren die Öffnungen 60 die Kraftübertragung durch einen Statorzahn der Vielzahl von Statorzähnen 36 auf das Maschinengehäuse 12, um abgestrahlte Geräusche und Vibrationen durch die Reduzierung der Verformung des Stators 14 zu reduzieren, ohne die Motordrehmomentdichte zu beeinträchtigen.
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Obwohl die Erfindung nur in einer begrenzten Anzahl von Ausführungsformen detailliert beschrieben wurde, sollte leicht verständlich sein, dass die Erfindung nicht auf diese offenbaren Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr kann die Erfindung so modifiziert werden, dass sie eine beliebige Anzahl von Variationen, Änderungen, Substitutionen oder gleichwertigen Anordnungen enthält, die bisher nicht beschrieben wurden, die aber dem Geist und dem Umfang der Erfindung angemessen sind. Darüber hinaus sind zwar verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden, es ist jedoch zu verstehen, dass Aspekte der Erfindung nur einige der beschriebenen Ausführungsformen umfassen können. Die Erfindung ist daher nicht als durch die vorstehende Beschreibung beschränkt anzusehen.
