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EINLEITUNG
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Elektrische Traktionsmotoren, elektrische Generatoren und Motor-Generator-Einheiten werden in der Fachsprache kollektiv als rotierende elektrische Maschinen bezeichnet. Elektrische Maschinen umfassen typischerweise einen Stator, der durch einen radialen oder axialen Luftspalt in geringem Abstand von einem Rotor angeordnet ist. Insbesondere bei einer Radialflussmaschine ragen die gleichmäßig beabstandeten Statorzähne radial nach innen zum Rotor hin vor. Benachbarte Statorzähne sind durch eine entsprechende Statornut voneinander getrennt. Statorwicklungen werden durch Wickeln der Statorzähne mit leitfähigen Drähten oder durch Ausfüllen der Statornuten mit massiven Stableitern gebildet. In einer mehrphasigen elektrischen Maschine wird eine Wechselstrom-Eingangsspannung an die Phasenleiter der Statorwicklungen angelegt, um den Stator zu erregen und dadurch ein rotierendes Statormagnetfeld zu erzeugen.
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Der Rotor einer elektrischen Maschine vom Typ Innen-Permanentmagnet (IPM) enthält einen eingebetteten Satz starker Permanentmagnete. Im Gegensatz zu den Stator-Elektromagneten, die aus der sequentiellen Erregung der oben erwähnten Statorwicklungen resultieren, bauen die eingebetteten Permanentmagnete des Rotors gemeinsam ein zeitinvariantes Magnetfeld auf. Die Magnetfelder von Stator und Rotor interagieren miteinander, um Bewegungskräfte innerhalb des Stator-Rotor-Luftspalts zu erzeugen und aufrechtzuerhalten. Diese Kräfte verleihen schließlich dem Rotor und einer damit verbundenen Rotorwelle eine Rotation. Das Drehmoment von Rotor und Rotorwelle wird dann auf eine gekoppelte Last geleitet. Andere elektrische Maschinen, wie z.B. synchrone Reluktanzmotoren, verzichten auf die Verwendung von Permanentmagneten im Rotor, arbeiten aber mit ähnlicher Wirkung auf die gekoppelte Last.
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Ein typischer Rotor einer elektrischen Maschine umfasst ein zylindrisches Rotorpaket, das aus einem Stapel dünner Schichten aus Stahl oder einem anderen magnetisch durchlässigen Material besteht. Jede einzelne Schicht wird in der Fachsprache allgemein als Rotorschichtung bezeichnet. Die verschiedenen Rotorschichtungen definieren eine Reihe von Öffnungen. Wenn die Rotorschichtungen übereinander gestapelt werden, bilden sich aus den Öffnungen Hohlräume, wobei die Öffnungen einer ISB-Konfiguration des Rotors einen entsprechenden Permanentmagneten aufnehmen. Eine IPM-Rotorkonfiguration kann ihre Rotormagnetpole mit Hilfe einer „Einfach-V“- oder einer „Doppel-V“-Anordnung aus massiven Stabmagneten bilden, die sich neben der Oberfläche des Rotors mit Außendurchmesser befinden. Die Winkelausrichtung oder der „V-Winkel“ der angeordneten Rotormagnete kann sich in einer typischen Magnetkonfiguration zur Außenfläche des Rotors hin öffnen.
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Die oben erwähnten Rotoröffnungen der einzelnen Rotorschichtungen, ob der IPM- oder Synchron-Reluktanzrotor-Varianten, sind durch schmale Streifen Blechmaterial getrennt, die als „Brücken“ und „Streben“ bezeichnet werden, wobei die Brücken und Streben eines bestimmten Rotorpols hier zusammen als „Magnetbahnbereich“ bezeichnet werden. Die Brücken erstrecken sich um den äußeren Umfang der ringförmigen Schichtungen und sind daher in ihrer Draufsichtform bogenförmig und in ihrer Lage in Bezug auf die Schichtungen peripher, während die Streben radial zwischen den inneren distalen Enden der Rotoröffnungen verlaufen. Zusammen bieten die Brücken und Streben die erforderliche strukturelle Unterstützung um die Rotoröffnungen herum. Die Brücken und Streben können jedoch auch vorteilhafte Flusspfade innerhalb des Rotors kurzschließen, was wiederum die Betriebseffizienz der elektrischen Maschine reduzieren kann. Um die Stärke der Magnetbahnbereiche zu erhöhen, beinhalten die Rotorherstellungstechniken manchmal, dass einzelne Rotorschichtungen vor der Konstruktion des Rotorstapels einem Wärmebehandlungsprozess unterzogen werden. Ein solcher Prozess hat auch den Vorteil, dass die magnetische Reluktanz der bogenförmigen peripheren Brücken und Radialstreben verringert wird, was wiederum dazu beiträgt, das oben erwähnte Kurzschlussproblem im Flusspfad zu lösen. Während der Wärmebehandlung kann die Oberfläche der Schichtungen mit Ausnahme der Stegbereiche mit einem geeigneten Abdeckmaterial abgedeckt werden, so dass die Brücken und Streben hohen Temperaturen und einer gasförmigen Wärmebehandlungsatmosphäre ausgesetzt sind. Das Abdeckmaterial wird dann nach Abschluss des Wärmebehandlungsprozesses vorsichtig entfernt. Die so entstandenen Rotorschichtungen werden anschließend gestapelt und mit einer Rotorwelle und Endringen verbunden, um die Montage des Rotors abzuschließen.
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BESCHREIBUNG
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine verbesserte Methodik zur selektiven Wärmebehandlung der Brücken und Streben eines Rotors zur Verwendung in einer rotierenden elektrischen Maschine. Jeder Magnetbahnbereich eines gegebenen Rotorblechs entspricht einem Magnetpol des Rotors, wie es in dem Fachgebiet gut verstanden wird. Zusammen definieren die Brücken und Streben einzelne Rotoröffnungen, die an eine Oberfläche des Rotors mit Außendurchmesser angrenzen. Als Teil des offenbarten Verfahren werden die Rotorschichtungen so zu einem Rotorstapel zusammengebaut, dass die Brücken und/oder Streben benachbarter Schichtungen oder Teile davon bei Betrachtung entlang der Mittelachse des Rotorstapels gegeneinander versetzt sind. Das heißt, wenn ein Rotorstapel entlang seiner Mittelachse betrachtet wird, maskiert die versetzte Geometrie effektiv den Oberflächenbereich der Schichtungen, der außerhalb der Magnetbahnbereiche liegt, während gleichzeitig die Brücken und/oder Streben freigelegt bleiben. Folglich werden die freiliegenden Brücken und/oder Streben, je nach Ausführung, während eines nachfolgenden Wärmebehandlungsprozesses des montierten Rotorstapels einer Wärmebehandlungsatmosphäre ausgesetzt. Mit dem vorliegenden Ansatz entfällt somit der zusätzliche Zeitaufwand für das Aufbringen und Entfernen von Abdeckmaterial auf die Rotorschichtungen sowie die damit verbundenen Herstellungskosten.
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Der offenbarte Ansatz kann dazu beitragen, sicherzustellen, dass die Brücken und/oder Streben durch Wärmebehandlung des Rotorstapels vor oder nach dem Verbinden einer Rotorwelle ausreichend und effektiv gehärtet werden, ohne die magnetische Permeabilität der verbleibenden Struktur der Rotorschichtungen zu verringern. Die verstärkten Stegbereiche können dazu beitragen, einen Betrieb des Rotors bei höheren Drehzahlen zu ermöglichen, ohne dass eine entsprechende Erhöhung der Dicke der Brücken und/oder Streben erforderlich ist.
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In einer beispielhaften Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zur Konstruktion einer Rotoranordnung zur Verwendung mit einer rotierenden elektrischen Maschine das Formen ringförmiger Rotorschichtungen aus Metallrohlingen, z.B. 0,25 mm Stahlblechrohlingen. Jede Schichtung hat eine radiale Achse und eine Außendurchmesserfläche und definiert mehrere beabstandete Magnetbahnbereiche in der Nähe der Außendurchmesserfläche, d.h. des kreisförmigen Außenumfangs der Rotorschichtungen. Die Magnetbahnbereiche entsprechen jeweils einem Magnetpol des Rotors.
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Jeder der Magnetbahnbereiche enthält mehrere asymmetrische Rotoröffnungen mit inneren und äußeren distalen Enden, wobei sich „außen“ und „innen“ auf die relative Nähe zur Oberfläche des Außen- bzw. Innendurchmessers der Schichtung beziehen. Die gegenüberliegenden inneren und äußeren distalen Enden sind jeweils durch eine radiale Strebe und eine bogenförmige Brücke definiert, wobei die Rotoröffnungen auch durch transversale Reluktanzbahnen definiert sind. Somit umfassen die hier beschriebenen Magnetbahnbereiche die Streben, Brücken und Reluktanzbahnen.
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Das Verfahren gemäß dieser besonderen Ausführung umfasst das koaxiale Stapeln der Rotorschichtungen zur Bildung eines Rotorstapels, einschließlich des Drehens oder anderweitigen Positionierens jedes anderen der Schichtungen um eine Achse davon um einen vorbestimmten Winkel in bezug auf ein benachbartes der Schichtungen . Dies dient dazu, die Brücken und/oder Streben zu demaskieren und den verbleibenden Oberflächenbereich der Schichtungen zu maskieren, wobei die oben erwähnte Asymmetrie eine solche Maskierung ermöglicht. Bei Betrachtung entlang der Mittelachse/Drehachse des Rotors sind abwechselnd Brücken und/oder Streben gegeneinander versetzt und durch die Rotoröffnungen sichtbar. Die jeweilige Achse, um die die oben erwähnte Drehung erfolgt, kann eine radiale Achse oder die Mittelachse des Schichtung-/Rotorstapels in verschiedenen Ausführungsformen sein, je nachdem, welche Teile der Stegbereiche während des Wärmebehandlungsprozesses freigelegt werden sollen.
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Das hier beschriebene Verfahren kann die Verbindung einer Rotorwelle mit dem Rotorpaket umfassen, um die Rotoranordnung zu konstruieren, bevor oder nachdem das Rotorpaket dem Wärmebehandlungsprozess unterzogen wird. Ein solcher Prozess härtet die nicht maskierten Brücken und/oder Streben, ohne den verbleibenden Oberflächenbereich der Schichtungen zu härten.
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Das Formen der ringförmigen Rotorschichtungen kann das Stanzen oder Lochen asymmetrischer Rotoröffnungen in jedem der Schichtungen umfassen. In einer solchen Ausführung können die asymmetrischen Rotoröffnungen optional einen oder mehrere V-förmige Sätze von Rotoröffnungen enthalten, die durch eine entsprechende Strebe getrennt sind, wobei jede Öffnung einen V-Winkel definiert, der sich zur Oberfläche des Außendurchmessers hin öffnet.
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Die Metallrohlinge können mit einem Isoliermaterial beschichtet werden. Das Verfahren in einer solchen Ausführung kann das Entfernen des Isoliermaterials von den Stegbereichen umfassen, bevor die Rotoranordnung dem Wärmebehandlungsprozess unterzogen wird.
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Das Verfahren kann ferner das Stapeln der Schichtung in einem vorbestimmten Stapelmuster vor der Bildung des Rotorstapels, so dass sich die Streben eines benachbarten Paares der Schichtung nicht überlappen, und das anschließende Ätzen des Isoliermaterials von den Stegbereichen umfassen.
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Der Wärmebehandlungsprozess in verschiedenen nicht einschränkenden exemplarischen Ausführungsformen kann ein ferritisches Nitrocarburierverfahren, ein Gasnitrierverfahren, ein Plasmanitrierverfahren oder ein Salzbadnitrierverfahren sein.
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Zu den möglichen Ausführungsformen der vorliegenden Verfahren gehört auch die radiale Positionierung der Rotoranordnung innerhalb einer Statorbaugruppe, um die rotierende elektrische Maschine zu konstruieren. Die rotierende elektrische Maschine kann in einigen Ausführungsformen verwendet werden, um ein Drehmoment auf ein Getriebe eines Kraftfahrzeugs zu übertragen.
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Hier wird auch eine rotierende elektrische Maschine vorgestellt, bei der eine Rotoranordnung radial innerhalb einer Statorbaugruppe angeordnet ist. Die Rotoranordnung enthält ein Rotorpaket, das aus koaxial gestapelten, ringförmigen Rotorschichtungen besteht, von denen jedes eine radiale Achse und eine Oberfläche mit Außendurchmesser aufweist. Jede Schichtung definiert außerdem mehrere beabstandete, asymmetrische, wärmebehandelte Magnetbahnbereiche in der Nähe der Oberfläche des Außendurchmessers. Die Magnetbahnbereiche umfassen mehrere Rotoröffnungen, die durch eine sich radial erstreckende Strebe und eine oder mehrere bogenförmige Umfangsbrücken definiert sind, wobei die Öffnungen jeweils möglicherweise einen Permanentmagneten in einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen enthalten. Jedes andere der Schichtungen wird um einen vorbestimmten Winkel in Bezug auf die Radial- oder Mittelachse gedreht. Ein Paar Endplatten ist mit einem entsprechenden axialen Ende des Rotorstapels verbunden. Eine Rotorwelle ist mit einer Innendurchmesserfläche der Schichtungen verbunden. Die Magnetbahnbereiche entsprechen einem entsprechenden Magnetpol der Rotoranordnung.
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Eine beispielhafte Verfahren für den Bau einer rotierenden elektrischen Maschine beinhaltet das Formen ringförmiger Rotorschichtungen aus Metallrohlingen. Jedes der Rotorschichtungen hat eine radiale Achse und eine Außendurchmesserfläche und definiert mehrere beabstandete Magnetbahnbereiche in der Nähe der Außendurchmesserfläche. Jeder der Magnetbahnbereiche enthält ein Paar asymmetrischer V-förmiger Rotoröffnungen, die durch eine sich radial erstreckende Strebe und eine bogenförmige Umfangsbrücke definiert sind, wobei die Rotoröffnungen eine V-Winkel-Öffnung zur Außendurchmesserfläche hin aufweisen.
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Das Verfahren in dieser speziellen Ausführung umfasst das koaxiale Stapeln der ringförmigen Rotorschichtungen zur Bildung eines Rotorstapels, einschließlich der Positionierung jedes anderen der Schichtungen in einem vorbestimmten Winkel in Bezug auf die Radial- oder Mittelachse, um die Brücken und/oder Streben zu demaskieren und einen verbleibenden Oberflächenbereich der Schichtungen zu maskieren. Die Magnetbahnbereiche entsprechen jeweils einem Magnetpol des Rotors. Das Verfahren kann das Entfernen eines Isoliermaterials von den Stegbereichen, das Unterziehen des Rotorstapels als Ganzes einem vorbestimmten Wärmebehandlungsprozess, um nur die unmaskierten peripheren Brücken und/oder radialen Streben zu härten, und dann das radiale Positionieren der Rotoranordnung innerhalb einer Statorbaugruppe umfassen, um dadurch die rotierende elektrische Maschine zu konstruieren. Das Verfahren kann das Verbinden einer Rotorwelle mit dem Rotorstapel umfassen, um die Rotoranordnung entweder vor oder nach der Durchführung des Wärmebehandlungsprozesses zu konstruieren.
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Die obige Zusammenfassung ist nicht dazu gedacht, jede mögliche Ausführungsform oder jeden Aspekt der vorliegenden Offenbarung darzustellen. Vielmehr soll die vorstehende Zusammenfassung einige der neuartigen Aspekte und Merkmale, die hier offenbart wurden, veranschaulichen. Die oben genannten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der repräsentativen Ausführungsformen und Modalitäten für die Durchführung der vorliegenden Offenbarung leicht ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen genommen wird.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische, perspektivische Explosionsdarstellung eines Teils eines Rotorstapels nach dem Stand der Technik, dessen Konstruktion wie hier dargestellt geändert wurde.
- 2 ist eine schematische perspektivische Darstellung einer Stator- und einer Rotoranordnung, wobei die Rotoranordnung ein Rotorpaket aufweist, das wie hier dargestellt konstruiert ist.
- 3 ist eine schematische Querschnitts-Seitenansicht von Teilen der in 2 dargestellten Rotoranordnung.
- 3A ist eine schematische Draufsichtdarstellung von Offsetrotorschichtungen gemäß der Offenbarung.
- 4 und 5 sind schematische Querschnittsdarstellungen von zwei möglichen Treppenstapelmustern, die zur Optimierung eines Ätzpfades zur Entfernung von Isoliermaterial von den Rotorschichtungen verwendet werden können.
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Die vorliegende Offenbarung ist anfällig für Änderungen und alternative Formen, wobei in den Zeichnungen repräsentative Ausführungsformen beispielhaft gezeigt und im Folgenden ausführlich beschrieben werden.
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Die erfinderischen Aspekte dieser Offenbarung sind nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr soll die vorliegende Offenbarung Modifikationen, Äquivalente, Kombinationen und Alternativen abdecken, die in den Anwendungsbereich der Offenbarung fallen, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Unter Bezugnahme auf die Figuren, wobei sich die Bezugsziffern auf die gleichen oder ähnliche Komponenten in den verschiedenen Abbildungen beziehen, ist ein Teil eines dem Stand der Technik entsprechenden Rotorstapels 10A mit einer Längsmittelachse 11 in 1 schematisch dargestellt. Wenn das Rotorpaket 10A in eine Rotoranordnung eingebaut wird, wird die Mittelachse 11 zur Drehachse der Rotoranordnung. Wie von einem gewöhnlichen Handwerker geschätzt wird, kann das Rotorpaket 10A aus einer anwendungsgerechten Anzahl von dünnen ringförmigen Rotorschichtungen 12A hergestellt werden, wobei jede Schichtung 12A in einer typischen Ausführung eine Dicke von etwa 0,20-0,30 mm hat. Da es sich um ringförmige Schichtungen handelt, hat jede Schichtung 12A eine kreisförmige Außenfläche 14 und eine kreisförmige Innenfläche 16. Die Schichtung 12A können radiale Zähne oder Keilnuten 15 definieren, die in eine Rotorwelle eingreifen. Wie weiter unten im Detail beschrieben wird, werden die in 1 gezeigten Schichtungen 12A wie hier beschrieben modifiziert, um die Schichtungen 12 von 3A so zu konstruieren, dass eine gezielte Wärmebehandlung der Magnetbahnbereiche 22 davon möglich ist. Solche Magnetbahnbereiche 22 der Schichtungen 12A sind in 1 ohne die Offset-Geometrie der Schichtungen 12 der vorliegenden Offenbarung dargestellt, wobei die Struktur der Schichtungen 12A und 12 ansonsten identisch ist.
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Bei einem typischen Rotorpaket 10A ist die axiale Ausrichtung der verschiedenen Rotorschichtungen 12A über die gesamte Länge der Mittelachse 11 identisch. Wie bereits erwähnt, werden die einzelnen Rotorschichtungen 12A vor der Konstruktion des Rotorstapels 10A manchmal einer Wärmebehandlung unterzogen, nachdem die Magnetbahnbereiche 22 mit einem geeigneten Abdeckmaterial sorgfältig abgedeckt wurden. Die Magnetbahnbereiche 22 eines typischen Rotorblechs 12A und die Schichtungen 12 der vorliegenden Offenbarung können ein oder mehrere Paare von V-förmigen Rotoröffnungen 18 enthalten. In einer nicht begrenzenden inneren Permanentmagnet-Ausführung kann jede Öffnung 18 so konfiguriert werden, dass sie einen entsprechenden Permanentmagneten 20 aufnimmt, d.h. einen relativ großen Stab-Permanentmagneten 20L oder einen relativ kleinen Stab-Permanentmagneten 20S, wie rechts in 1 dargestellt. Es sind auch andere Konfigurationen denkbar, bei denen auf die Verwendung der Permanentmagnete 20 verzichtet wird, z.B. synchrone Reluktanzmaschinen, und daher können die Permanentmagnete 20 in die Konstruktion des Rotorstapels 10A einbezogen werden oder auch nicht. Zur Veranschaulichung werden die Öffnungen 18 im Folgenden jedoch als Magnetöffnungen 18 bezeichnet, unabhängig davon, ob darin Dauermagnete 20 vorhanden sind oder nicht.
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Jede Magnetöffnung 18 erstreckt sich zwischen den radial inneren und äußeren distalen Enden 181 und 180, wobei das äußere distale Ende 180 an die Außendurchmesserfläche 14 angrenzt und von dieser durch einen dünnen bogenförmigen Streifen aus Laminiermaterial, hier als Brücke 50 bezeichnet, getrennt ist. Die inneren distalen Enden 181 sind voneinander durch einen dünnen, sich radial erstreckenden Streifen aus Laminierungsmaterial getrennt, der hier als Strebe 52 bezeichnet wird. Der Rest der Magnetöffnungen 18 wird durch umgebendes Material definiert, das als transversale Reluktanzbahnen 53 bezeichnet wird, wobei die Streben 52 entweder von einer der transversalen Reluktanzbahnen 53 geschnitten werden oder in einer dieser Bahnen enden, wie gezeigt und wie in dem Fachgebiet geschätzt.
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Wie im Folgenden mit Bezug auf die 2-5 beschrieben wird, modifiziert der vorliegende Ansatz die dargestellte Konstruktion der Schichtung 10A von 1, zusammen mit einer Abfolge von Montage und Wärmebehandlung, um die Ausrichtung der benachbarten Schichtung 12 ( 3 und 3A) entlang der Mittelachse 11 zu verändern. Die abwechselnde Orientierung der Schichtungen 12 entlang der Mittelachse 11 ermöglicht es schließlich, die Brücken 50 und/oder die Streben 52 der Magnetbahnbereiche 22 einer Wärmebehandlungsatmosphäre auszusetzen/nicht zu maskieren, während gleichzeitig der verbleibende Oberflächenbereich der Schichtungen 12 durch die angrenzenden Schichtungen 12 effektiv vor einer solchen Atmosphäre geschützt wird.
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Die Rotorschichtungen 12 der vorliegenden Offenbarung können einzeln aus dünnen Blechzuschnitten, z.B. Maschinenstahl oder einem anderen magnetisch permeablen Material, gestanzt oder gelocht werden. Solche Rohlinge können vor oder nach dem Stanzen mit einem dielektrischen Isolierstoff, z.B. Isolierlack, beschichtet werden. Wie bei den Schichtungen 12A von 1 gezeigt, sind die Schichtungen 12 der vorliegenden Offenbarung ringförmig, haben also ebenfalls kreisförmige Außen- und Innenflächen 14 bzw. 16. Wenn eine ausreichende Anzahl der Schichtungen 12 übereinander gestapelt wird, nimmt das Rotorpaket 10 eine zylindrische Form an, wie sie in 2 für die Aufnahme in eine Rotoranordnung 26 dargestellt ist.
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Unter kurzer Bezugnahme auf 3A kann das Rotorpaket 10 von 2 für die Verwendung in einer rotierenden elektrischen Maschine mit innenliegendem Permanentmagnet (IPM) konstruiert werden. Zu diesem Zweck sind die Magnetöffnungen 18 der einzelnen Schichtungen 12 asymmetrisch. Jede Magnetöffnung 18 in der nicht begrenzenden IPM-Ausführung ist so konfiguriert, dass sie darin einen entsprechenden Permanentmagneten 20 aufnimmt, z.B. einen massiven rechteckigen Stabmagneten 20L oder 20S, wie in 1 dargestellt. Der Begriff „asymmetrisch“, wie er hier verwendet wird, bedeutet in Bezug auf eine imaginäre Achse, die einen gegebenen Rotorpol halbiert, dass die Magnetöffnungen 18 auf einer Seite einer solchen Achse etwas größer sind als auf der gegenüberliegenden Seite. Dies kann zu unterschiedlichen Größen auf beiden Seiten der Achsen X, Y, YX oder XY von 3A führen, z.B. so, dass die Streben 52 nicht auf der Achse X, Y, YX oder XY zentriert sind und/oder die Brücken 50 in einer ähnlich asymmetrischen Weise bilden, so dass ein Wenden der Schichtung 12 um eine geeignete Achse den gewünschten Effekt hat, die Brücken 50 von zwei benachbarten Schichtung 12 zu versetzen. Ein solches geometrisches Merkmal ermöglicht es, die Brücken 50 und/oder Streben 52 der verschiedenen Stegbereiche 22 einer Wärmebehandlungsatmosphäre auszusetzen, während die restliche Oberfläche der Schichtung 12 durch eine überlappende Struktur benachbarter oder nächst benachbarter Schichtung 12 abgeschirmt wird.
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Die Magnetpole der aus dem Rotorstapel 10 gebildeten Rotoranordnung 26 von 2 können wahlweise unter Verwendung einer asymmetrischen „Einfach-V“- oder „Doppel-V“-Anordnung von vier solchen Permanentmagneten 20 konstruiert werden, wobei die Permanentmagnete 20 neben der Außendurchmesserfläche 14 angeordnet sind. Die ersten und zweiten Paare kleiner und großer Magnete 20S und 20L können durchgehend V-förmig angeordnet werden, wobei „S“ und „L“ Abkürzungen für „klein“ bzw. „groß“ sind und anzeigen, dass die kleinen Magnete 20S kleiner als die großen Magnete 20L sind (siehe 1). Das erste und das zweite Paar bzw. die kleinen und großen Magnete 20S und 20L sind in einem Winkel angeordnet, der in dem Fachgebiet als V-Winkel bezeichnet wird, der sich in der abgebildeten Ausführung zur äußeren Durchmesserfläche 14 hin öffnet. Die oben notierten Magnetöffnungen 18 sind durch schmale Streifen aus Schichtmaterial voneinander getrennt, die die Magnetbahnbereiche 22 bilden, wobei die verschiedenen Bahnbereiche 22 angeordnet und selektiv wärmebehandelt sind, wie unten in Bezug auf 3-5 dargestellt.
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Die Dauermagnete 20 in verschiedenen nicht einschränkenden Beispielausführungen können aus Stabmagneten aus Neodym-Eisen-Bor (NdFeB), Samarium-Kobalt (SmCo), Ferrit oder einem anderen anwendungsgerechten Magnetmaterial hergestellt werden. Eine beispielhafte 8-polige Ausführungsform ist in 1 bzw. 3A dargestellt, wobei die vorliegenden Lehren leicht auf diese und andere Polkonfigurationen erweitert werden können. Jede asymmetrische Magnetöffnung 18 nimmt darin jeweils einen der Permanentmagnete 20 aus 1 auf, und deshalb sind die Magnetöffnungen 18 so dimensioniert und geformt, dass sie das Einführen der Permanentmagnete 20 in axialer Richtung in den Rotorstapel 10 erleichtern.
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Nochmals Bezug nehmend auf 2, sobald das Rotorpaket 10 nach der unten mit Bezug auf 3-5 dargestellten Methodik vollständig konstruiert ist und bevor oder nachdem das Rotorpaket 10 einem Wärmebehandlungsprozess unterzogen wurde, wird das Rotorpaket 10 gelagert, verzahnt oder anderweitig fest mit einer Rotorwelle 24 verbunden. Das Rotorpaket 10 wird dann zwischen einem Paar ringförmiger Endplatten 25 eingelegt, die an gegenüberliegenden axialen Enden des Rotorpakets 10 angeordnet sind, um dadurch die Rotoranordnung 26 zu bilden. Zur Konstruktion der rotierenden elektrischen Maschine 28 kann die Rotoranordnung 26 mit einer Statorbaugruppe 30 gepaart werden, z.B. durch radiale Positionierung der Rotoranordnung 26 innerhalb der Statorbaugruppe 30, so dass die Statorbaugruppe 30 die Rotoranordnung 26 umgibt bzw. umschließt. Mehrere Statorzähne 32, deren distale Enden aus der Perspektive von 2 sichtbar sind, ragen radial aus einem zylindrischen Statorkern oder -gehäuse 34 heraus, wobei benachbarte Statorzähne 32 durch einen entsprechenden, mit Statorwicklungen 36 gefüllten Statornutenschlitz (nicht dargestellt) voneinander getrennt sind.
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In einer mehrphasigen Ausführung einer solchen rotierenden elektrischen Maschine 28 wird eine Wechselstrom-Eingangsspannung (VAC) an die Klemmen der Phasenleiter 38 der Statorwicklungen 36 angelegt, um dadurch die Statorbaugruppe 30 zu erregen und dadurch ein rotierendes Statormagnetfeld zu erzeugen. Wie oben erwähnt, bauen die Permanentmagnete 20, die in 1 zu sehen sind, gemeinsam ein zeitinvariantes Rotormagnetfeld auf. Die Magnetfelder des Stators und des Rotors interagieren gegenseitig, um Bewegungskräfte innerhalb eines Stator-Rotor-Luftspalts zu erzeugen und aufrechtzuerhalten, wobei diese Kräfte schließlich die Rotoranordnung 26 aus 2 in Rotation versetzen, wenn sie als Teil der elektrischen Maschine 28 verwendet werden. Die sich daraus ergebende Drehung der Rotoranordnung 26 um ihre Achse 11 kann zur Ausführung von Arbeiten in einer Vielzahl von elektromechanischen Systemen genutzt werden.
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Ein nicht einschränkendes Beispielsystem, das von einer solchen Rotation profitiert, ist ein elektrischer Antriebsstrang 31 des abgebildeten Kraftfahrzeugs 40, der auf verschiedene Weise als Hybrid- oder Batterie-Elektrofahrzeug ausgeführt sein kann. Das Motordrehmoment (Pfeil TM) von der elektrischen Maschine 28 kann entweder allein oder in Verbindung mit dem Motordrehmoment eines Verbrennungsmotors (nicht dargestellt) auf ein Getriebe (T) 42 des Kraftfahrzeugs 40 übertragen werden. Das Ausgangsdrehmoment (Pfeil TO) von der Kraftübertragung 42 kann auf ein oder mehrere Laufräder 44 des Kraftfahrzeugs 40 übertragen werden, um das Kraftfahrzeug 40 entlang einer Fahrbahn 46 anzutreiben. Andere Anwendungen können von der Rotoranordnung 26 und der elektrischen Maschine 28 profitieren, wenn sie wie hier dargelegt konstruiert sind, einschließlich anderer Fahrzeugtypen wie Seeschiffe, Flugzeuge und Züge. Auch mobile Plattformen und Roboter können von den vorliegenden Lehren profitieren, ebenso wie stationäre Anwendungen wie Kraftwerke, Hebezeuge usw.
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Unter erneuter Bezugnahme auf 3 und 3A ist eine schematische Seitenansicht der auf der Mittelachse 11 angeordneten Rotoranordnung 26 von 2 dargestellt, wobei die ringförmigen Endplatten 25 der Einfachheit halber weggelassen wurden. Die Rotorwelle 24 ist an der Innendurchmesserfläche 16 mit dem Rotorpaket 10 gekoppelt (siehe 3A), wobei sich das Rotorpaket 10 und die Rotorwelle 24 gemeinsam um die Achse 11 drehen, wenn die Statorbaugruppe 30 aus 2 in einer fertigen Konstruktion der rotierenden elektrischen Maschine 28 unter Spannung gesetzt wird. Die in der Draufsicht in 3A gezeigten Schichtungen 12, die entlang der Schnittlinie 3A-3A von 3 aufgenommen wurde, haben entweder eine Vorwärtsorientierung („F-O“) 12F oder eine Rückwärtsorientierung („R-O“) 12R. Jede Schichtung 12 ist identisch konfiguriert, aber entgegengesetzt orientiert, d.h. die Begriffe „vorwärts“ und „rückwärts“ sind nominale Richtungen, die vermitteln, dass jede aufeinanderfolgende Schichtung 12, die sich entlang der Achse 11 befindet, um 180° um ihre radiale/vertikale Achse Y oder X oder in einigen Ausführungsformen um die Mittelachse 11 gedreht ist. Unter Verwendung einer Analogie der Kopf-/Schwanzseite einer Münze kann die Vorwärtsorientierung 12F als die „Kopf“-Seite einer Münze und die Rückwärtsorientierung als die „Schwanz“-Seite angesehen werden, wobei die analoge Kopf- oder Schwanzorientierung einer bestimmten Laminierung 12 abwechselnd von links nach rechts entlang der Achse 11 verläuft, wie man in 3 sieht. Ein solches progressives Umdrehen oder eine alternative Vorwärts-Rückwärts-Orientierung der Schichtungen 12 ermöglicht eine selektive und isolierte Wärmebehandlung der Magnetbahnbereiche 22, sobald das Rotorpaket 10 vollständig aufgebaut ist.
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Wie in 3A am besten dargestellt, enthält jeder Magnetbahnbereich 22 einer bestimmten Schichtung 12 die oben erwähnten Brücken 50 und Streben 52, die zusammen mit den transversalen Reluktanzwegen 53 aus 1 die einzelnen Magnetöffnungen 18 neben der Außendurchmesserfläche 14 der Schichtung 12 definieren. Als Teil der offenbarten Verfahren sind die lateralen Seiten eines gegebenen Magnetbahnbereichs 22 leicht von der Mitte versetzt, d.h. die Achsen Y, X, XY oder YX in der illustrierten 8-poligen Ausführungsform von 3A. Infolgedessen legt der Versatzverlauf der Stegbereiche 22 bei Betrachtung entlang der Achse 11 die Brücken 50 und/oder Streben 52 benachbarter Schichtungen 12 frei, während gleichzeitig die verbleibende Fläche der nächst benachbarten Schichtungen 12 verdeckt wird. Bestimmte Teile der Magnetbahnbereiche 22 werden dadurch unbedeckt gelassen und vollständig einer Gasatmosphäre ausgesetzt, die bei der nachfolgenden Wärmebehandlung des zusammengebauten Rotorstapels 10 verwendet wird. Auf diese Weise kann das gesamte Rotorpaket 10 wärmebehandelt werden, wobei die wechselnde Ausrichtung der Schichtungen 12 Teile des Rotorpakets 10 abdeckt, die nicht wärmebehandelt werden sollen.
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Das vorliegende Verfahren ermöglicht eine isolierte Wärmebehandlung und Verstärkung der Brücken 50 und/oder Streben 52 des Magnetbahnbereichs 22 nach Abschluss der Konstruktion des Rotorstapels 10. Zu diesem Zweck ist jeder Stegbereich 22 asymmetrisch um eine Mittelachse Y, X, XY oder YX der acht beispielhaften Doppel-V-Magnetkonfigurationen. Das heißt, jede Magnetöffnung 18 ist geringfügig von ihrer jeweiligen Mittelachse versetzt, mit dem Effekt, dass die Magnetöffnungen 18, die sich auf einer Seite der entsprechenden Achse befinden, geringfügig größer sind als die Magnetöffnungen 18, die sich auf der gegenüberliegenden Seite der Mittelachse befinden.
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Wie oben erwähnt, werden die Schichtungen 12 typischerweise aus dünnen Metallrohlingen oder Schichtungen aus Stahl oder einem anderen eisenhaltigen Material gestanzt und dann vor dem Zusammenbau zu einem Rotorpaket einzeln wärmebehandelt. Eine individuelle Wärmebehandlung der Schichtungen 12 kann jedoch den unerwünschten Effekt haben, die magnetische Reluktanz von Bereichen der Schichtungen 12 zu erhöhen, die außerhalb der Brücken 50 und Streben 52 liegen, und kann auch die Zykluszeit verlängern und möglicherweise das Problem des Verziehens mit sich bringen. Ebenso erhöht das Aufbringen und Entfernen von Abdeckmaterial die Kosten und den Zeitaufwand für den Herstellungsprozess. Im Gegensatz dazu werden bei dem vorliegenden Verfahren die Schichtungen 12 gestempelt und dann das Isoliermaterial von den Brücken 50 und den Streben 52, falls vorhanden, entfernt. Danach umfasst das Verfahren den Bau des Rotorstapels 10 durch abwechselndes Ausrichten der Schichtungen 12 in einem versetzten Muster, wie oben erläutert und in den und gezeigt. Das Rotorpaket 10 als Ganzes wird dann einem Wärmebehandlungsprozess im Gegensatz zur Wärmebehandlung einzelner Schichtungen unterzogen.
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Beispielsweise können blanke Schichtungen gerollt und gleichmäßig mit Isoliermaterial beschichtet werden. Die beschichteten Rohschichtungen werden dann gestanzt oder geprägt, um die in 3A gezeigten Schichtung 12 herzustellen. Die Schichtungen 12 werden dann auf der Rotorwelle 24 von 3 angeordnet, um die Zykluszeit zu reduzieren, einen maximalen Stapelfaktor zu gewährleisten und die Möglichkeit des Stapelns verzogener Schichtungen 12 auszuschließen. Bei der Montage kann ein Muster oder eine Baugruppe verwendet werden, so dass sich die Brücken 50 und Streben 52 benachbarter Schichtungen 12 nicht überlappen. Das Isoliermaterial wird dann vor der Wärmebehandlung, z.B. durch ein mechanisches Verfahren wie Abschleifen oder ein chemisches Verfahren wie Ätzen, vom Stegbereich 22 entfernt. Das Rotorpaket 10 wird dann einem vorbestimmten Wärmebehandlungsprozess unterzogen, wobei nicht einschränkende beispielhafte Wärmebehandlungsprozesse, die mit dem Rotorpaket 10 anwendbar sind, das Nitrocarburieren, Gasnitrieren, Plasmanitrieren, Salzbadnitrieren oder andere Hochtemperatur-Wärmebehandlungsprozesse, bei denen eine Maskierung der Schichtungen 12 möglich ist, umfassen.
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Aufgrund dieser Änderung der Fertigungsreihenfolge der Rotoranordnung 26 im Vergleich zu konventionellen Ansätzen, die, wenn überhaupt, die einzelnen Schichtungen 12A von 1 vor dem Zusammenbau eines Rotorpakets wärmebehandeln, kann es notwendig sein, die Isoliermaterialien gezielt um die Magnetbahnbereiche 22 herum aufzutragen, um eine Beschichtung der Brücken 50 und Streben 52 zu vermeiden. Alternativ kann man die gesamte Schichtung 12 beschichten und danach das Isoliermaterial von den Brücken 50 und den Streben 52 entfernen. Beim gezielten Auftragen von Isoliermaterial kann die vorliegende Verfahren das Aufrollen des Isoliermaterials auf die Hauptoberflächen der Schichtungen mit einem gemusterten Pinsel oder Applikator umfassen, wobei der Pinsel oder Applikator mit erhabenen oder gemusterten Oberflächen konfiguriert ist, die nicht mit den Stegbereichen 22 in Kontakt kommen, wenn der Pinsel/Applikator über die Schichtung 12 geführt wird. Ein solcher Ansatz würde die Notwendigkeit des Auftragens von Maskierungsmaterialien über die Bahnbereiche 22 und die damit einhergehende Notwendigkeit, solche Maskierungsmaterialien zu entfernen, vermeiden.
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Alternativ und unter Bezugnahme auf 4 und 5 können freiliegende Oberflächen der Schichtungen 12 gleichmäßig mit Isoliermaterial beschichtet werden, wobei die Stegbereiche 22 danach durch ein mechanisches oder chemisches Verfahren von diesem Material befreit werden. Zum Beispiel, wenn die oben erwähnten Isoliermaterialien von den Stegbereichen 22 mit einem geeigneten Ätzmittel, z.B. einer Salpetersäurelösung, chemisch entfernt werden sollen. So können z.B. Laminierungen 12 vor der Bildung des Rotorstapels 10 aus 1 und 3 in zwei möglichen „Treppen“-Stapelmustern angeordnet werden, um optimierte Ätzmittel-Fließwege zu erhalten.
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Das Muster 60 von 4 kann die Bildung von mehreren Schichtung 12 mit vorderer und hinterer Ausrichtung 12F und 12R, wie in 3 gezeigt, sowie von Schichtung 12 mit symmetrischer Ausrichtung, d.h. bei denen die oben erwähnten Magnetöffnungen 18 symmetrisch („S“) sind, beinhalten. D.h. Streben 52S mit symmetrischer Ausrichtung dürfen zwischen jeweils einer der Magnetöffnungen 18 aus 3A zentriert sein. Das Ätzmittel könnte dann frei über die freiliegenden Streben 52S, 52F und 52R fließen, wobei die Streben 52F und 52R jeweils eine vordere und eine hintere Orientierung haben. Wie von denjenigen mit gewöhnlichem handwerklichem Geschick geschätzt wird, kann ein ähnliches Muster 60 für die Ätzung der Brücken 50 verwendet werden. Das Muster 62 von 5 zeigt sechs Streben 52, die in einem alternierenden Muster so angeordnet sind, dass aus den Streben 52 ein allgemeines Stufenprofil gebildet wird, das es der Ätzflüssigkeit ermöglichen würde, auf unterschiedliche Weise über die Streben 52 zu fließen.
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Die vorliegenden Lehren ermöglichen eine Verfahren zur Konstruktion der Rotoranordnung 26, die mit der rotierenden elektrischen Maschine 28 von 2 verwendet wird. Wie von denjenigen mit gewöhnlichem handwerklichem Geschick im Hinblick auf die Offenbarung geschätzt werden wird, besteht eine mögliche Ausführungsform des Verfahrens darin, eine Vielzahl der ringförmigen Rotorschichtungen 12 aus Metallrohlingen zu formen, wobei jede Schichtung 12 eine radiale Achse, z.B. Achse Y von 3A, und die äußere Durchmesserfläche 14 aufweist. Eine solche Formgebung definiert mehrere beabstandete Magnetbahnbereiche 22 in der Nähe der Außendurchmesserfläche 14. Jeder der Magnetbahnbereiche enthält mehrere Magnetöffnungen 18, die durch eine sich radial erstreckende Strebe 52 und eine oder mehrere Brücken 50 definiert sind, sowie die transversalen Reluktanzpfade 53 von 1.
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Das Verfahren in dieser Ausführung kann das koaxiale Stapeln der ringförmigen Rotorschichtungen 12 zur Bildung des Rotorstapels 10 umfassen, einschließlich des Drehens oder Positionierens jeder zweiten der Schichtungen 12 um oder in Bezug auf eine seiner radialen Achsen um einen vorbestimmten Winkelabstand. Zum Beispiel kann jedes Blech 12 um 180° in Bezug auf eine radiale Achse in Bezug auf seinen/seine benachbarten Nachbarn gedreht werden, um die Streben 52 zu demaskieren und den verbleibenden Oberflächenbereich der Schichtungen 12 abzudecken. Andere Rotationsmuster können mit ähnlicher Wirkung verwendet werden, z.B. Rotation einer ersten Schichtung 12, um die Brücken 50 einer unmittelbar benachbarten zweiten Schichtung 12 durch die Magnetöffnungen 18 der ersten Schichtung 12 hindurch freizulegen, wie durch Pfeil B in 3A angegeben, oder durch Verwendung von mehr als zwei Orientierungsstufen oder -mustern entlang der Mittelachse 11, um die Brücken 50 und/oder Streben 52 in einer gewünschten Weise freizulegen.
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Das Verfahren kann die Verbindung der Rotorwelle 24 aus 2 und 3 mit dem Rotorstapel 10 umfassen, um die Rotoranordnung 26 vor oder nach der Wärmebehandlung des Rotorstapels 10 zu konstruieren, wobei die Magnetbahnbereiche 22 einem entsprechenden Magnetpol der Rotoranordnung 26 entsprechen. Danach kann die Rotoranordnung 26 einem vorbestimmten Wärmebehandlungsprozess unterzogen werden, um nur die nicht maskierten Magnetbahnbereiche 22 zu härten, z.B. einem ferritischen Nitrocarburierverfahren, einem Gasnitrierungsverfahren oder einem Salzbadnitrierungsverfahren.
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Bei verschiedenen Implementierungen des vorliegenden Verfahrens kann das Formen der ringförmigen Rotorschichtungen 12 das Stanzen oder Lochen asymmetrischer V-förmiger Magnetöffnungen 18 in jeder der Schichtungen 12 umfassen. Die asymmetrischen V-förmigen Magnetöffnungen 18 können eine Doppel-V-Konfiguration mit ersten und zweiten V-förmigen Sätzen von Magnetöffnungen 18 enthalten, wie in 1 und 3A gezeigt, die jeweils durch eine der Streben 52 getrennt sind und jeweils einen V-Winkel definieren, der sich zur Oberfläche 14 des Außendurchmessers hin öffnet.
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Die oben erwähnten Metallrohlinge können mit einem Isoliermaterial beschichtet sein. In einem solchen Fall kann das Verfahren das Entfernen des Isoliermaterials von den Stegbereichen 22 umfassen, bevor die Rotoranordnung 26 dem vorgegebenen Wärmebehandlungsprozess unterzogen wird. Das Stapeln der Schichtungen 12 kann in einem vorbestimmten Treppenmuster erfolgen, z.B. in den Mustern 60 oder 62 von 4 bzw. 5, so dass die Streben 52 benachbarter Schichtungen 12 einander nicht überlappen. Das Verfahren kann danach das Ätzen des Isoliermaterials von den Stegbereichen 22 umfassen, bevor die Rotoranordnung 26 dem vorgegebenen Wärmebehandlungsprozess unterzogen wird.
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Nach dem Formen der ringförmigen Rotorschichtungen 12 und bevor die Rotoranordnung 26 dem vorgegebenen Wärmebehandlungsprozess unterzogen wird, kann das Verfahren die Beschichtung der Schichtungen mit einem Isoliermaterial ohne Beschichtung der Stegbereiche 22 umfassen.
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Die Oberflächen der oben erwähnten Metallrohlinge können gleichmäßig mit einem Isoliermaterial beschichtet werden. In diesem Fall kann das Verfahren das Entfernen des Isoliermaterials von den Stegbereichen 22 umfassen, bevor die Rotoranordnung 26 dem vorgegebenen Wärmebehandlungsprozess unterzogen wird.
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Ausführungsformen des Verfahrens können die radiale Positionierung der Rotoranordnung 26 aus 2 innerhalb einer Statorbaugruppe 30 umfassen, um dadurch die rotierende elektrische Maschine 28 zu konstruieren. Die elektrische Maschine 28 kann verwendet werden, um ein Drehmoment auf das Getriebe 42 des in 2 schematisch dargestellten Kraftfahrzeugs 40 zu übertragen.
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Die vorliegende Methodik nutzt daher gezielt gegenläufige Orientierungen benachbarter Schichtungen 12, um die Brücken 50 und Streben 52 von 3A einer Wärmebehandlungsatmosphäre auszusetzen und gleichzeitig die restliche Oberfläche der benachbarten Schichtung 12 zu maskieren. Dieser Ansatz verhindert auch, dass die Brücken 50 und Streben 52 Elektrizität leiten, selbst wenn die isolierende Beschichtung vollständig entfernt ist. Die Magnetbahnbereiche 22 werden dadurch ausreichend und effektiv gehärtet, ohne die magnetische Permeabilität der außerhalb des Magnetbahnbereichs 22 liegenden Eisenbereiche der Rotorschichtungen 12 zu verringern. Zusätzlich kann der verstärkte Magnetbandbereich 22 dazu beitragen, eine höhere Betriebsgeschwindigkeit zu ermöglichen und andere strukturelle Vorteile zu bieten, ohne dass eine entsprechende Erhöhung der Dicke des Magnetbandbereichs 22 erforderlich ist. Diese und andere Vorteile werden von denjenigen, die über gewöhnliches Fachwissen verfügen, im Hinblick auf die vorstehende Offenbarung leicht zu schätzen wissen.
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Während einige der bevorzugten Ausführungsformen und andere Ausführungsformen ausführlich beschrieben wurden, gibt es verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen für die Ausübung der in den beigefügten Ansprüchen definierten gegenwärtigen Lehren. Diejenigen, die sich in dem Fachgebiet auskennen, werden erkennen, dass Änderungen an den offenbarten Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Darüber hinaus schließen die vorliegenden Konzepte ausdrücklich Kombinationen und Unterkombinationen der beschriebenen Elemente und Merkmale ein. Die detaillierte Beschreibung und die Figuren sind unterstützend und beschreibend für die vorliegenden Lehren, wobei der Geltungsbereich der vorliegenden Lehren allein durch die Ansprüche definiert wird.
