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TECHNISCHES GEBIET
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In der vorliegenden Schrift werden Statorbefestigungsmechanismen offenbart.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Elektrische Maschinen, einschließlich elektrischer Generatoren, Motoren, Sirenen usw., können einen Stator beinhalten, der einen Rotor umgibt. Der Stator kann an einem Gehäuse befestigt sein und Energie kann zu dem Rotor oder ausgehend von diesem durch den Stator fließen. Eine starke Befestigung zwischen dem Stator und dem Gehäuse ist wichtig, damit das System den Rotationskräften standhalten kann, die von dem Rotor erzeugt werden. Weiterhin können Spannungen, die dem Stator auferlegt werden, den Wirkungsgrad bestimmter Elektrofahrzeugmotoren beeinträchtigen.
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KURZDARSTELLUNG
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Ein Statorsystem für einen Elektrofahrzeugmotor kann einen Stator beinhalten, der einen Rückschluss und eine Vielzahl von Zähnen, die sich davon nach innen erstrecken, bildet. Der Stator kann eine Vielzahl von Befestigungspunkten, die radial nach außen aus dem Rückschluss herausragen, und ein Gehäuse beinhalten, das dazu konfiguriert ist, den Stator unterzubringen und eine Vielzahl von Gehäuseöffnungen definiert, von denen jede dazu konfiguriert ist, einen der Befestigungspunkte aufnehmen, wobei jeder Befestigungspunkt mindestens einen T-Schlitz definiert, der dazu konfiguriert ist, eine Mutter aufzunehmen, die mit einer Schraube zusammenarbeitet, die sich durch das Gehäuse erstreckt, um das Gehäuse mit dem Stator zu verbinden.
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Ein Statorsystem für ein Elektrofahrzeug kann einen Stator, der einen Rückschluss und eine Vielzahl von Zähnen, die sich davon nach innen erstrecken, bildet, und mindestens einen Befestigungspunkt, der axial nach außen aus dem Rückschluss herausragt und dazu konfiguriert ist, in ein Gehäuse einzugreifen, beinhalten, wobei der Befestigungspunkt mindestens einen Schlitz definiert, der dazu konfiguriert ist, eine Schraube aufzunehmen, um das Gehäuse mit dem Stator zu verbinden.
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Ein Statorsystem für ein Elektrofahrzeug kann einen Stator, der einen Rückschluss und eine Vielzahl von Zähnen, die sich davon nach innen erstrecken, bildet, und mindestens einen Befestigungspunkt, der radial nach außen aus dem Rückschluss herausragt und dazu konfiguriert ist, in ein Gehäuse einzugreifen, beinhalten, wobei der Befestigungspunkt mindestens einen Schlitz definiert, der dazu konfiguriert ist, eine Mutter aufzunehmen, die mit einer Schraube zusammenarbeitet, um das Gehäuse mit dem Stator zu verbinden.
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Figurenliste
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Die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden besonders in den beigefügten Patentansprüchen hervorgehoben. Andere Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen werden jedoch durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher und am besten verstanden, in denen Folgendes gilt:
- 1 veranschaulicht ein beispielhaftes Statorsystem;
- 2 veranschaulicht das beispielhafte Statorsystem aus 1, das einen beispielhaften Befestigungsmechanismus beinhaltet;
- 3 veranschaulicht eine vergrößerte Ansicht des Befestigungsmechanismus;
- 4 veranschaulicht ein beispielhaftes Diagramm einer Druckspannung im Verhältnis zu einer Temperatur;
- 5 veranschaulicht ein beispielhaftes Diagramm eines Druckkraftverlusts in Abhängigkeit von einem Fluss; und
- 6 veranschaulicht ein Erhöhen eines Energieverlusts in Abhängigkeit von einer Druckspannung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Nach Bedarf werden in dieser Schrift detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart; es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen rein beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen umgesetzt werden kann. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale können stark vergrößert oder verkleinert sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Demnach sind die in vorliegenden Zusammenhang offenbarten konkreten strukturellen und funktionellen Details nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachmann den vielfältigen Gebrauch der vorliegenden Erfindung zu lehren.
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Statoren für elektrische Maschinen arbeiten mit einem Rotor zusammen und sind an einem Gehäuse befestigt. Häufig ist der Stator in das Gehäuse pressgepasst, um den Stator darin festzuhalten und den Stator davon abzuhalten, sich zu drehen, wenn er während des Betriebs Rotorkräften ausgesetzt wird. Eine solche Presspassung kann jedoch Druckspannungen in den Rückschluss des Stators einbringen. Derartige Spannungen beeinflussen die magnetischen Eigenschaften des Stators und können zu einem Wirkungsgradverlust des Motors führen. Andererseits verleiht die Presspassung dem Gehäuse eine erhebliche strukturelle Festigkeit. Somit würde ein Beibehalten der Festigkeit, die durch die Presspassung bereitgestellt ist, bei einem gleichzeitigen Verringern der Spannung, die diese erzeugt, einen Wirkungsgrad erhöhen, während eine Haltbarkeit aufrechterhalten wird.
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In dieser Schrift wird ebenfalls ein Verbindungsmechanismus offenbart, der dazu konfiguriert ist, Statorlamellen auf eine starre Weise mit einem Gehäuse zu verbinden, ohne jedoch Druckspannungen in den Rückschluss des Stators einzubringen. Die Lamellen können eingestanzte T-Schlitze aufweisen. Das T-Schlitze können entweder an Schraubenösen des Stators angrenzen oder anstelle davon vorhanden sein. T-Muttern können dann in die T-Schlitze eingefügt werden. Schrauben können sich durch die Gehäusewände in die T-Muttern erstrecken. Beim Festziehen verankern diese Verbindungsstellen das Gehäuse strukturell an dem Rückschluss des Stators, ohne Druckspannungen in den Rückschluss einzubringen.
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Typischerweise erhöht sich die in den Rückschluss eingebrachte Druckspannung, wenn die Temperatur sich erhöht. Je höher die Druckspannung ist, desto weniger wirkungsvoll ist der Elektromotor.
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1 veranschaulicht ein beispielhaftes Statorsystem 100 mit einem Stator 105 und einem Gehäuse 110 für einen Elektromotor eines Kraftfahrzeugs. Bei dem Kraftfahrzeug kann es sich um ein Elektrofahrzeug (EV), einschließlich eines Hybrid-Elektrofahrzeugs (HEV), das sowohl mit Kraftstoff als auch mit Elektrizität betrieben wird, eines Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeugs (PHEV) und eines Elektrofahrzeugs mit einer Batterie (BEV), handeln. Bei Elektrofahrzeugen kann der Wirkungsgrad des Motors sehr wichtig sein und Ineffizienzen des Motors können eine Verringerung der Reichweite verursachen.
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Der Stator 105 kann dazu konfiguriert sein, als Magnet zu fungieren, damit sich in einem Elektromotor Energie bilden und durch diesen fließen kann. Der Stator 105 kann aus Eisen, Aluminium, Stahl, Kupfer usw. bestehen. Der Stator 105 kann aus einer Vielzahl von Lamellen 115 bestehen, die nebeneinander angeordnet und gestapelt sind, um die scheibenartige Kreisform des Stators 105 zu bilden. Die Lamellen 115 können einen Rückschluss 120 des Stators 105 bilden. Bei dem Rückschluss 120 kann es sich um einen massiven Abschnitt um den Außenumfang des Stators 105 handeln. Jede Lamelle 115 kann ebenfalls Zähne 125 bilden, die sich von dem Rückschluss radial nach innen in die Mitte des Stators 105 erstrecken. Wenn sie ausgerichtet und gestapelt sind, erstrecken sich die Zähne 125 axial entlang einer Länge des Stators. Die Statorzähne 125 können dazu konfiguriert sein, Spulen dazwischen festzuhalten (nicht gezeigt).
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Das Gehäuse 110 kann dazu konfiguriert sein, den Stator 105 zu umgeben und unterzubringen. Das Gehäuse 110 kann derartig an dem Stator 105 fixiert sein, dass das Gehäuse den Stator 105 in einer feststehenden Position festhalten kann, während sich der Rotor (nicht gezeigt) relativ zu dem Stator 105 drehen kann. Das Gehäuse 110 kann den Rückschluss 120 des Stators 105 umgeben.
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Mindestens einige der Lamellen 115 des Stators 105 können verschiedene axiale Befestigungspunkte 135 bilden, die entlang des Außenumfangs des Rückschlusses 120 radial nach außen herausragen. Diese axialen Befestigungspunkte 135 können dazu konfiguriert sein, mindestens teilweise in Öffnungen 160 aufgenommen zu werden, die durch das Gehäuse 110 definiert sind. Alternativ können die axialen Befestigungspunkte 135 dazu konfiguriert sein, an das Gehäuse anzustoßen und sich an einer Stelle befinden, an der der Stator 105 an dem Gehäuse 110 befestigt oder fixiert ist. Bei den axialen Befestigungspunkten 135 kann es sich um axiale Schraubenösen handeln, die durch die Lamellen 115 gebildet werden. Ein Loch 130 kann in die Lamellen gestanzt sein, um einen Stift oder eine Schraube (in 1 nicht gezeigt) aufzunehmen, um den Stator 105 an dem Gehäuse 110 zu sichern. Presspassende Gegenstände, wie ein Stift, können eine starre Befestigung des Gehäuses 110 an dem Stator 105 ermöglichen.
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Das Beispiel aus 1 veranschaulicht vier Befestigungspunkte 135. Es lässt sich jedoch erkennen, dass mehr oder weniger Befestigungspunkte 135 radial und axial entlang des Stators 105 beinhaltet sein können. Die Befestigungspunkte 135 können an einer oder mehreren axialen Stellen äquidistant um den Rückschluss beabstandet sein. In einem Beispiel können acht Befestigungspunkte beinhaltet sein, vier radiale Befestigungspunkte an 2 axialen Stellen entlang des Stators. Es können mehr oder weniger Befestigungspunkte an verschiedenen axialen und radialen Stellen an dem Stator 105 angeordnet sein. Das Gehäuse 110 kann eine Öffnung oder Kontur 160 definieren, die jedem Befestigungspunkt 135 entspricht und mit diesem ausgerichtet ist.
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Wie zuvor beschrieben, kann eine Druckspannung, die durch ein Presspassen des Stators 105 in das Gehäuse 110 verursacht wird, die magnetischen Merkmale des Stators beeinflussen und den Wirkungsgrad des Motors verringern. In einigen Situationen kann, insbesondere bei Elektrofahrzeugen, die Reichweite um 6-7 Meilen sinken. Demzufolge stellt eine Verwendung von Klemmschrauben, die sich durch das Gehäuse 110 erstrecken, um Befestigungspunkte 135 in Eingriff zu nehmen, die sich gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung von dem Rückschluss des Stators 105 erstrecken, eine ähnliche strukturelle Stabilität für das Gehäuse 110 bereit, wie ein Presspassen des Stators, verringert oder beseitigt jedoch die Druckspannung und den damit assoziierten reduzierten Wirkungsgrad des Motors.
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2 veranschaulicht ein beispielhaftes Statorsystem 100, das einen beispielhaften Befestigungsmechanismus 140 beinhaltet. Die Befestigungsmechanismen 140 können dazu konfiguriert sein, den Stator 105 an dem Gehäuse 110 zu befestigen, ohne Druckkräfte auf den Rückschluss 120 des Stators 105 zu erzeugen. Während der Herstellung können Öffnungen in die Lamellen 115 gestanzt werden, die entweder an die Schraubenösen angrenzen oder anstelle dieser vorhanden sind. Bei den Öffnungen kann es sich um einen T-Schlitz 150 handeln, der eine T-artige Öffnung bildet, die einen inneren oder proximalen Abschnitt 153 (gezeigt in 3) des T-Schlitzes 150 mit einer größeren Abmessung als ein distaler Abschnitt 152 (in 3 gezeigt) des T-Schlitzes 150 aufweist. Der größer bemessene proximale Abschnitt 153 kann eine würfelartige oder eine Öffnung von der Art eines rechtwinkligen Prismas definieren. Der distale Abschnitt 152 des T-Schlitzes 150 kann dazu konfiguriert sein, eine Statorschraube 145 aufzunehmen. Bei der Statorschraube 145 kann es sich um einen Zuganker, der ein Gewinde aufweist, handeln.
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Das Gehäuse 110 kann die Gehäuseöffnung oder Gehäusekontur 160 definieren, die dazu konfiguriert ist, die Befestigungspunkte 135 des Stators aufzunehmen. Das Gehäuse 110 kann ferner eine Schraubenöffnung 165 definieren, die dazu konfiguriert ist, sich mit dem distalen Abschnitt 152 des T-Schlitzes 150 auszurichten und die Statorschraube 145 aufzunehmen. Die Statorschraube 145 kann einen Schraubenkopf 175 beinhalten, der dazu konfiguriert ist, an der Schraubenöffnung 165 an eine Außenfläche des Gehäuses 110 anzustoßen.
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Eine Mutter 155 oder eine andere Rückhaltevorrichtung, die eine Gewindeöffnung aufweist, kann innerhalb des proximalen Abschnitts 153 des T-Schlitzes 150 festgehalten werden. Da der Radius des distalen Abschnitts 152 kleiner ist als der des proximalen Abschnitts 153, kann die Mutter 155 innerhalb des proximalen Abschnitts 153 festgehalten werden, sobald sie installiert ist. Die Mutter 155 kann Gewinde aufweisen, die denen der Statorschraube 145 entsprechen. Die Schraube 145 kann dazu konfiguriert sein, sich während der Installation über die Schraubenöffnung 165 radial durch das Gehäuse 110 und anschließend durch den T-Schlitz 150 zu erstrecken, sodass die Schraube 145 die Mutter 155 in Eingriff nimmt. Beim Einschrauben der Statorschraube 145 in die Mutter 155 kann die Statorschraube 145 in die Mutter 155 eingreifen, die in dem proximalen Abschnitt 153 des T-Schlitzes 150 festgehalten wird, sowie über den Schraubenkopf 175 in das Gehäuse 110 eingreifen. Somit erzeugt das Festziehen der Statorschraube 145 über die Mutter 155 eine Klemmkraft an einer Oberfläche, die an den distalen Abschnitt 152 des T-Schlitzes 150 und den Schraubenkopf 175 angrenzt, die das Gehäuse 110 und der Stator 105 zwingt, aufeinander zu zu ziehen und die beiden Teile miteinander fixiert. Die würfelartige Form des proximalen Abschnitts 153 des T-Schlitzes 150 kann verhindern, dass die Mutter 155 sich dreht. Die Mutter 155 kann ein geschlossenes Ende, wie in den Figuren gezeigt, aufweisen oder kann ein offenes Ende aufweisen, das der Schraube 145 ermöglicht, sich dadurch zu erstrecken.
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Der Schraubenkopf 175 kann innerhalb der Gehäusekontur 160 ruhen. Darüber hinaus oder alternativ kann sich der Schraubenkopf 175 in einem Beispiel nach außerhalb des Stators 105 erstrecken, sodass ein Abschnitt der Schraube innerhalb der Gehäuseöffnung 160 exponiert ist. Eine Klammer (nicht gezeigt) kann mindestens um den exponierten Abschnitt der Schraube 145 angeordnet sein. Die Klammer kann außerhalb des Gehäuses 110 oder in einigen Situationen innerhalb der Gehäusekontur 160 angeordnet sein.
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3 veranschaulicht eine vergrößerte Ansicht des Befestigungsmechanismus 140. Wie vorstehend erläutert, können die Befestigungspunkte 135 des Stators 105 von jeweiligen Gehäuseöffnungen 160 aufgenommen werden, die durch das Gehäuse 110 definiert sind. Sobald das Gehäuse 110 die Befestigungspunkte 135 oder Ösen aufnimmt, kann die Mutter 155 in den T-Schlitz 150 jedes Befestigungsmechanismus 140 einfügt werden. Die Schraube 145 kann durch das Gehäuse 110 und durch den T-Schlitz 150, der in dem Befestigungspunkt 135 des Stators 105 definiert ist, eingefügt werden. Die Schraube 145 kann an der Mutter 155 festgezogen werden, wobei das Gehäuse 110 an den Stator 105 geklemmt wird.
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Die 4-6 veranschaulichen die Wirkung der Druckspannung in dem Statorrückschluss eines repräsentativen Stators und die daraus resultierende Auswirkung auf den Wirkungsgrad, wie er durch Computermodelle erzeugt wird. Die Daten wurden für eine BEV-Anwendung mit einem Stator erzeugt, der in dem Gehäuse pressgepasst ist. Demzufolge demonstrieren die Daten die potentielle Erhöhung des Motorwirkungsgrads, die mit dem Reduzieren oder Eliminieren der Druckspannung assoziiert ist, das mit dem Sichern des Stators innerhalb des Gehäuses unter Verwendung einer oder mehrerer Ausführungsformen eines Statorbefestigungsmechanismus gemäß der vorliegenden Offenbarung assoziiert ist.
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4 veranschaulicht ein beispielhaftes Diagramm einer Druckspannung in Verhältnis zu einer Temperatur. Die Druckkräfte, die in Megapascal (MPa) gemessen werden, können sich erhöhen, während die Temperatur sich erhöht. In diesem Diagramm kann das Gehäuse 110 einen angenommenen durchschnittlichen Temperaturbereich von 20 bis 80 Grad Celsius aufweisen, wie bei 410 dargestellt. Es kann vorausgesagt werden, dass die Druckspannung auf den Rückschluss 120 ungefähr -48 MPa bis -34 MPa beträgt, wie bei 420 angegeben. Dies kann auf Grundlage von durchschnittlichen minimalen Hauptspannungen bei verschiedenen Radien des Stators 105 und durch ein Anwenden einer linearen Anpassung, wie durch die Linie 430 dargestellt, bestimmt werden. Die veranschaulichten Daten basieren auf einer Nennpresspassung und berücksichtigen keine minimale/maximale Toleranz. Da der Statorbefestigungsmechanismus gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung eine Spielpassung zwischen dem Stator und dem Gehäuse bereitstellt (anders als an den Befestigungspunkten), können Temperaturänderungen eine geringeren Wirkung auf die Druckspannung in dem Rückschluss 120 aufweisen und zu einer geringeren Auswirkung auf die magnetischen Merkmale und den damit assoziierten Motorwirkungsgrad führen.
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5 veranschaulicht ein beispielhaftes Diagramm eines Kernverlusts in Abhängigkeit eines Flusses bei einer Frequenz von 50 Hz für unterschiedliche Druckspannungen. 5 definiert einen Grundwert eines Kernverlusts von 100 % für eine Druckkraft von 0 MPa. Bei höheren Druckkräften kann der relative Kernverlustprozentsatz sich verringern, während die Flussdichte sich erhöht. Zudem kann der Kernverlustprozentsatz umso mehr beeinflusst sein, je höher die Druckkraft ist. Niedrigere Druckkräfte, wie etwa -5 MPa und -10 MPa, hielten zum Beispiel einen Grundwert eines Kernverlusts aufrecht, selbst wenn die Flussdichte sich erhöhte. Höhere Druckkräfte, wie etwa -30 MPa und -50 MPa, wiesen jedoch eine wesentliche Erhöhung des Kernverlusts auf, insbesondere bei niedrigeren Flussdichten, wobei der Kernverlust sich verringerte, während die Flussdichte sich erhöhte.
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6 veranschaulicht ein beispielhaftes Diagramm eines Energieverlusts des Antriebssystems im Verhältnis zu einer Druckspannung des Rückschlusses 120 des Stators 105 als Ergebnis des in 5 veranschaulichten damit assoziierten Kernverlusts. In diesem Diagramm manifestieren sich höhere Druckspannungen als ein höherer Energieverlust des Systems. Die Linie 610 stellt den Verlust des eDrive-Systems als Prozentsatz relativ zu einem Grundwert von 100 % dar. Der Bereich 620 stellt eMotor-Betriebstemperaturen von 20°-80°C dar, die einer Druckspannung des Statorrückschlusses zwischen -48 MPa bis -34 MPa entsprechen, wie in 4 veranschaulicht. Der daraus resultierende Systemverlust beträgt zwischen 7 %-9 %, wie bei 630 dargestellt. Falls Presspassungstoleranzen berücksichtigt werden, kann eine Standardabweichung von plus/minus Eins einer Änderung von 4 MPa entsprechen und zu einer Änderung des Systemverlusts von 0,3 % führen, wie bei 640 dargestellt. Wie ebenfalls in 6 gezeigt, betrug die prozentuale Erhöhung des Verlusts bei einer hohen Spannung (z. B. -50 MPa) ungefähr 109 %. Bei einer niedrigeren Spannung (z. B. -5 MPa) lag die prozentuale Erhöhung des Verlusts knapp über dem Grundwert von 100%.
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Dementsprechend wird in der vorliegenden Schrift ein Befestigungsmechanismus 140 offenbart, der dazu konfiguriert ist, die Druckspannung auf den Stator 105 zu reduzieren und somit den Wirkungsgrad des Motors zu erhöhen, während die strukturelle Stabilität des Motorgehäuses oder der Motorhülle aufrechterhalten wird.
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Obwohl vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke sind vielmehr beschreibende Ausdrücke als einschränkende Ausdrücke, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können die Merkmale verschiedener umgesetzter Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.
