DE102021133769A1

DE102021133769A1 - Statorbaugruppenflussausrichtung

Info

Publication number: DE102021133769A1
Application number: DE102021133769.0A
Authority: DE
Inventors: Tom HILLMAN; Richard Phillips; Ryan Potter; Tim Woolmer
Original assignee: Yasa Ltd
Current assignee: Yasa Ltd
Priority date: 2021-01-22
Filing date: 2021-12-18
Publication date: 2022-07-28
Also published as: GB2605560B; US20220239177A1; CN114785004A; GB202100872D0; GB2605560A

Abstract

Eine Statorbaugruppe für eine Axialfluss-Permanentmagnetmaschine. Die Statorbaugruppe kann Folgendes umfassen: einen Satz von Statorstäben und einen Satz von Schuhen für die Statorstäbe. Ein Schuh kann an einem oder jedem Ende eines Statorstabes bereitgestellt werden. Die Statorbaugruppe kann ferner einen Satz von Wicklungen umfassen, die jeweils um einen jeweiligen Statorstab gewickelt sind. Jeder Schuh weist eine Innenfläche angrenzend an das Ende eines der Statorstäbe auf. Das Ende jedes Statorstabes weist einen Rand auf, und jede Innenfläche weist einen weggeschnittenen Bereich über einen Teil des Randes auf, um eine Komponente eines magnetischen Flusses an dem Ende des Statorstabes zu verringern.

Description

GEBIET
Diese Beschreibung betrifft Statorbaugruppen für Axialfluss-Permanentmagnetmaschinen mit verringertem Leistungsverlust und Verfahren zum Herstellen derselben.
HINTERGRUND
Wie hierin beschrieben, kann eine Axialfluss-Permanentmagnetmaschine ein Motor oder ein Generator sein. Typischerweise weist eine solche Maschine typischerweise scheiben- oder ringförmige Rotor- und Statorstrukturen auf, die um eine Achse angeordnet sind. Der Stator umfasst einen Satz von Wicklungen jeweils parallel zu der Achse, und der Rotor trägt einen Satz von Permanentmagneten und ist auf einem Lager angebracht, so dass er sich, angetrieben durch Felder von den Statorwicklungen, um die Achse drehen kann.
1a zeigt die allgemeine Konfiguration einer beispielhaften Axialflussmaschine mit einem Paar von Rotoren R1, R2 auf beiden Seiten eines Stators S, obwohl eine einfache Struktur einen der Rotoren weglassen könnte. Es gibt einen Luftspalt G zwischen dem/den Rotor(en) und dem Stator, und in einer Axialflussmaschine ist die Flussrichtung durch den Luftspalt im Wesentlichen axial. Eine andere Konfiguration (nicht gezeigt) erweitert diese Anordnung und weist drei Statoren und zwei Rotoren auf. 1b zeigt eine beispielhafte Konfiguration mit einem einzigen Rotor (der auf beiden Seiten Permanentmagneten aufweisen kann) und zwei Statoren auf beiden Seiten des Rotors. Es sind andere Varianten möglich.
Es sind ebenfalls verschiedene Konfigurationen einer Axialfluss-Permanentmagnetmaschine möglich, zum Beispiel abhängig von der Anordnung von Nord- und Südpolen an dem/den Rotor(en). 1c illustriert die grundlegenden Konfigurationen (von links nach rechts) einer Torus-NS-Maschine, einer Torus-NN-Maschine (die ein dickeres Joch aufweist, weil die NN-Polanordnung erfordert, dass der Fluss durch die Dicke des Jochs fließt), einer Torus-NS-Maschine mit zwei Statoren und einem Rotor und einer YASA- (Yokeless and Segmented Armature - ohne Joch und mit segmentiertem Anker) Topologie. Die Illustration der YASA-Topologie zeigt Querschnitte durch zwei Spulen, wobei der schraffierte Bereich die Wicklungen um jede Spule zeigt. Hier gewährleistet das Verzichten auf das Statorjoch eine bedeutende Einsparung bei Gewicht und Eisenverlusten, aber es gibt Nachteile. Einer ist der Verlust an struktureller Festigkeit für den Stator, die das Eisen bereitstellte, obwohl es möglicherweise gesteigerten Bedarf an Festigkeit gibt, weil die YASA-Topologie kompakt ist und zu sehr hohen Beanspruchungen führen kann. Ein anderer ist der Verlust eines Weges, damit Wärme von Statorspulen entweichen kann, und daher kann Kühlmittel durch die Maschine umgewälzt werden.
In solchen Maschinen besteht eine Notwendigkeit, übermäßige Wärmeerzeugung zu minimieren. Insbesondere sollte, wie aus 1c zu ersehen ist, für einen effizienten Betrieb, das heißt, minimalen Verlust in dem Luftspalt mit hohem magnetischen Widerstand, der Spalt zwischen dem Rotor und dem Stator so klein wie möglich sein. Dies ist jedoch ein Problem, weil es die Wärmeabgabe aus diesem Bereich hemmt. Dieses Problem kann in der YASA-Topologie besonders akut sein. Es gibt ebenfalls einen allgemeinen Bedarf an Gestaltungen mit verringerten Verlusten und verbessertem elektrischem Wirkungsgrad. Hintergrundinformationen zum Stand der Technik werden in EP2760112A , JPH04169205A, JP2003/303728A , US5382853 , KR101123676B und WO2020/072734 beschrieben.
KURZDARSTELLUNG
Ein Weg, um dem Kühlungsproblem zu begegnen, ist es, die Erzeugung von Wärme in dem Stator selbst zu verringern. Dies kann durch Verringern der Wirbelströme in jedem der Statorstäbe getan werden, die typischerweise aus einem elektrisch leitenden Material, wie beispielsweise Eisen oder einem Material oder eine Legierung auf Eisengrundlage oder einem weichmagnetischen Verbundwerkstoff hergestellt sind.
Im Allgemeinen wird jeglicher Fluss durch die Statorstäbe zu ungewollten Wirbelströmen innerhalb der Statorstäbe führen, wodurch Widerstandsverluste verursacht werden. Ein Verfahren zum Verringern dieser Wirbelströme ist es, einen geschichteten Statorstab zu fertigen. Ein geschichteter Statorstab ist ein Statorstab, der aus einer Reihe von gestapelten Schichten oder Lagen geformt ist. Die geschichtete Beschaffenheit des Statorstabes verhindert Wirbelströme, die sich senkrecht zu der Ebene der Schichten (d. h., parallel zu der Richtung des Stapelns der Schichten) bewegen. Jedoch können in einem geschichteten Statorstab Wirbelströme innerhalb der Ebene der Schichtung durch Komponenten eines Flusses induziert werden, die sich senkrecht zu der Ebene der Schichtung bewegen. Daher ist es ein Verfahren zum Verringern von Widerstandsverlusten in dem Stator, eine Komponente des Flusses innerhalb der Statorstäbe, die sich parallel zu der Richtung des Stapelns der Schichten bewegt, zu verringern oder zu minimieren.
Nach einem ersten Aspekt beschreiben wir hierin eine Statorbaugruppe für eine Axialfluss-Permanentmagnetmaschine. Die Statorbaugruppe kann Folgendes umfassen: einen Satz von Statorstäben (oder äquivalent -zähnen) und einen Satz von Schuhen für die Statorstäbe. Ein Schuh kann an einem oder jedem Ende eines Statorstabes bereitgestellt werden. Die Statorbaugruppe kann ferner einen Satz von Wicklungen umfassen, die jeweils um einen jeweiligen Statorstab (oder -zahn) gewickelt sind. Jeder Schuh weist eine Innenfläche angrenzend an das Ende eines der Statorstäbe auf. Das Ende jedes Statorstabes (oder -zahns) weist einen Rand auf, und jede Schuh-Innenfläche weist einen weggeschnittenen Bereich über einen Teil des Randes auf, um eine Komponente eines magnetischen Flusses an dem Ende des Statorstabes (oder -zahns) zu verringern.
Der Begriff „weggeschnittener Bereich“ ist nicht dafür vorgesehen, ein Verfahren für die Bildung dieser Bereiche zu implizieren, und bezieht sich stattdessen nur auf einen Bereich der Innenfläche des Statorschuhs, von dem Material entfernt oder auf andere Weise davon eingeschränkt worden ist (z. B. in einem Formungsvorgang).
Im zusammengebauten Zustand wird die Innenfläche des Statorschuhs im Allgemeinen angrenzend an ein Ende eines gegebenen Statorstabes angeordnet sein. Daher bezieht sich der „Rand“ des Statorstabes im Allgemeinen auf eine Kante oder einen Umfang des angrenzenden Endes des Statorstabes.
Die Statorstäbe können geschichtete Statorstäbe sein. Die Schichten sind in einer Stapelrichtung gestapelt, die senkrecht zu einer Richtung zwischen den Schuhen entlang der Statorstäbe, z. B. senkrecht zu einer Achse der Statorstäbe (oder -zähne) sein können. In einigen Umsetzungen sind die Schichten flach, aber wahlweise können die Schichten um die Achse der Statorstäbe (oder -zähne) gewunden sein. In Umsetzungen weist jede Innenfläche einen weggeschnittenen Bereich über einen Teil des Randes auf, um die Komponente des magnetischen Flusses an dem Ende des Statorstabes in einer Richtung, parallel zu der Stapelrichtung, zu verringern.
Wie oben erörtert, kann in einem geschichteten Statorstab der weggeschnittene Bereich eine Komponente des Flusses, die sich parallel zu der Schichtstapelrichtung (d. h., senkrecht zu der Ebene der Schichtungslagen) bewegt, verringern. In einigen Ausführungsformen kann die Schichtstapelrichtung senkrecht zu einer Achse des Statorstabes sein. Außerdem oder alternativ kann die Schichtstapelrichtung senkrecht zu der Richtung der Trennung der Statorschuhe eines Statorstabes sein.
In Umsetzungen kann der weggeschnittene Bereich einen Kanal, einen Graben oder eine Kerbe in der Innenfläche definieren. Im Allgemeinen kann ein solcher Kanal annähernd parallel zu einer Kante der Innenfläche sein. Außerdem oder alternativ kann der Kanal so geformt sein, dass er annähernd der Form des Randes des Statorstabes entspricht. Ein solcher Kanal kann eine veränderliche Breite und/oder Tiefe aufweisen und/oder kann sich bis zu der Kante der Innenfläche des Schuhs erstrecken.
Der weggeschnittene Bereich kann eine deutliche Änderung bei der Höhe der Innenfläche definieren. Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsformen der weggeschnittene Bereich ein Graben mit Wänden, annähernd senkrecht zu der Innenfläche, sein. In einigen Ausführungsformen kann die Änderung bei der Höhe des weggeschnittenen Bereichs im Verhältnis zu der Innenfläche allmählich sein.
In einigen Ausführungsformen umfasst jede Innenfläche des Satzes von Schuhen ferner einen zweiten weggeschnittenen Bereich über einen zweiten Teil des Randes des Statorstabes. Der zweite weggeschnittene Bereich kann die gleichen Abmessungen aufweisen wie der erste weggeschnittene Bereich, oder alternativ können die weggeschnittenen Bereiche unterschiedliche Abmessungen aufweisen. Zum Beispiel kann ein weggeschnittener Bereich einen Kanal mit einer Breite von 1 mm bilden, während sich der zweite weggeschnittene Bereich bis zu der Kante der Innenfläche erstrecken kann. In einem spezifischen Beispiel kann ein Kanal eines oder mehreres von einer Breite von 2 mm, einer Tiefe von 0,5 mm aufweisen und kann eine Überlappung von 1 mm mit dem Rand des Endes des Statorstabes bilden.
Wahlweise können sich die weggeschnittenen Bereiche einer Innenfläche mit gegenüberliegenden Teilen des Randes des Statorstabes überlappen. Zum Beispiel kann ein erster weggeschnittener Bereich an einem in Radialrichtung innersten Abschnitt der Innenfläche des Endschuhs angeordnet sein, während der zweite weggeschnittene Bereich an einem in Radialrichtung äußersten Abschnitt des Endschuhs angeordnet sein kann.
Im Allgemeinen wird jeder Statorstab mit einem Paar von Endschuhen verknüpft sein, wobei die Schuhe an entgegengesetzten Enden des Statorstabes angeordnet sind. In einigen Ausführungsformen kann jeder Schuh mit einem oder mehreren weggeschnittenen Bereichen versehen sein. Die weggeschnittenen Bereiche der Schuhe können identisch sein, oder jeder Schuh des Paares von Endschuhen kann (einen) unterschiedliche(n) weggeschnittene(n) Bereich(e) aufweisen. Alternativ kann in einigen Ausführungsformen nur ein Schuh jedes Paares einen weggeschnittenen Bereich aufweisen. Daher kann der Satz von Schuhen einen ersten Satz von Schuhen an einem ersten Ende jedes Statorstabes und einen zweiten Satz von Schuhen an einem zweiten Ende jedes der Statorstäbe umfassen, wobei das erste Ende und das zweite Ende entgegengesetzte Enden des Statorstabes sind.
In einigen Ausführungsformen kann sich die Innenfläche jedes Schuhs über den Rand des Statorstabes hinaus erstrecken. Alternativ kann die Innenfläche der Endschuhe dem benachbarten Ende des Statorstabes in der Form annähernd gleich sein. Vorteilhafterweise kann ein Verringern eines Überhangs des Statorschuhs Wirbelströme (und daher Widerstandsverluste) innerhalb des Statorstabes weiter verringern. Jedoch kann ein Überhang verwendet werden, um zu helfen Kühlkanäle innerhalb des Stators zu definieren und die Windungen um den Statorstab zu befestigen.
In einem zweiten Aspekt beschreiben wir hierin ein Verfahren zum Steuern einer Richtung eines magnetischen Flusses in einer Statorbaugruppe für eine Axialfluss-Permanentmagnetmaschine, wobei die Statorbaugruppe Folgendes umfasst: einen Satz von Statorstäben, einen Satz von Schuhen für die Statorstäbe jeweils an einem Ende eines der Statorstäbe, wobei jeder Schuh eine Innenfläche angrenzend an das Ende eines der Statorstäbe aufweist, und einen Satz von Wicklungen, die jeweils um einen jeweiligen Statorstab gewickelt sind, wobei das Verfahren das Formen der Innenfläche der Statorschuhe umfasst, um eine Richtung eines magnetischen Flusses, der aus den Enden der Statorstäbe austritt, zu steuern.
In einer Ausführungsform können die Statorstäbe geschichtete Statorstäbe sein. Die Schichten können eine Stapelrichtung aufweisen, und das Formen der Innenfläche der Statorstäbe, um die Richtung eines magnetischen Flusses, der aus den Enden der Statorstäbe austritt, zu steuern, kann das Formen der Innenfläche der Statorstäbe, um eine Komponente eines magnetischen Flusses an dem Ende des Statorstabes in einer Richtung, parallel zu der Stapelrichtung, zu verringern, umfassen.
Durch Verringern einer Komponente des Flusses, parallel zu einer Stapelrichtung, kann die Richtung des Flusses, der aus einem Statorstab austritt, gesteuert werden. In einigen Ausführungsformen ist die Stapelrichtung senkrecht zu einer Achse des Statorstabes. Außerdem oder alternativ kann die Stapelrichtung senkrecht zu einer Richtung der Trennung der Schuhe sein.
In einem dritten Aspekt beschreiben wir hierin ein Verfahren zum Herstellen einer Axialfluss-Permanentmagnetmaschine, welches das Bestimmen einer Form der Innenfläche der Statorschuhe der Maschine nach dem zweiten Aspekt und das Herstellen einer Axialfluss-Permanentmagnetmaschine mit Statorschuhen der bestimmten Form umfasst.
Figurenliste
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden nun weiter beschrieben werden, nur als Beispiel, unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren, in denen:

1a bis 1c jeweils eine allgemeine Konfiguration einer Axialflussmaschine mit zwei Rotoren und einem Stator, eine allgemeine Konfiguration einer Axialflussmaschine mit zwei Statoren und einem Rotor und beispielhafte Konfigurationen für Axialfluss-Permanentmagnetmaschinen zeigen,
2a und 2b schematische Seitenansichten einer Maschine ohne Joch und mit segmentiertem Anker (YASA) zeigen,
3 ein Schema eines geschichteten Statorstabes und von Statorschuhen zeigt,
4 ein Schema des geschichteten Statorstabes von 3 in der Schichtungsebene zeigt,
5 ein Schema eines Statorschuhs des Standes der Technik zeigt,
6a und 6b schematische Ansichten von Statorschuhen nach Ausführungsformen zeigen,
7 eine graphische Darstellung ist, welche die Flussrichtungen in dem Statorschuh von 5 zeigt,
8 eine graphische Darstellung ist, welche die Flussrichtungen in dem Statorschuh nach einer Ausführungsform zeigt,
9 eine Säulendarstellung zeigt, die das Volumenintegral des quadrierten radialen Flusses in den Statorstäben einer Axialflussmaschine für verschiedene Modifikationen der Schuhgestaltung zeigt.

Gleiche Elemente werden durch gleiche Bezugszahlen angezeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
2a und 2b, die aus WO2012/022974 entnommen sind, zeigen schematische Illustrationen einer beispielhaften Maschine 10 ohne Joch und mit segmentiertem Anker (YASA). Die Maschine 10 kann entweder als ein Motor oder als ein Generator fungieren.
Die Maschine 10 umfasst einen Stator 12 und, in diesem Beispiel, zwei Rotoren 14a,b. Der Stator 12 umfasst eine Sammlung von gesonderten Statorstäben 16, die in Umfangsrichtung um eine Maschinenachse 20 beabstandet sind, die ebenfalls eine Achse der Rotoren 14a,b definiert. Jeder Stab 16 trägt eine Statorwicklung 22 und weist eine Achse auf, die typischerweise parallel zu der Drehachse 20 angeordnet ist. Jedes Ende 18 a,b des Statorstabes ist mit einem Schuh 27 versehen, der hilft, Wicklungen der Statorwicklung 22 einzugrenzen, und ebenfalls das Magnetfeld verbreiten kann, das durch die Statorwicklung erzeugt wird. Die Statorwicklung 22 kann aus isoliertem Draht mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt geformt sein, so dass ein hoher Füllfaktor erreicht werden kann. In einem Motor sind die Statorwicklungen 22 mit einem elektrischen Schaltkreis (nicht gezeigt) verbunden, der die Wicklungen so erregt, dass Pole der Magnetfelder, die durch Ströme erzeugt werden, die in den Statorwicklungen fließen, in benachbarten Statorwicklungen 22 entgegengesetzt sind.
Die zwei Rotoren 14a,b tragen Permanentmagneten 24a,b, die einander gegenüberliegen, mit der Statorwicklung 22 dazwischen. Wenn die Statorstäbe geneigt sind (nicht wie gezeigt), sind die Magnete gleichfalls geneigt. Spalte 26a,b sind zwischen jeweiligen Paaren von Schuh und Magnet 17/24a, 27/24b vorhanden; diese können Luftspalte oder mit Kühlmittel gefüllt sein. In einem beispielhaften Motor werden die Statorwicklungen 22 so erregt, dass sich ihre Polarität abwechselt, um zu bewirken, dass sich Wicklungen zu unterschiedlichen Zeiten mit unterschiedlichen Magnetpaaren ausrichten, was zu einem Drehmoment führt, das zwischen dem Rotor und dem Stator angelegt wird.
Die Rotoren 14a,b sind im Allgemeinen miteinander verbunden, zum Beispiel durch eine Welle (nicht gezeigt) und drehen sich zusammen um die Maschinenachse 20 im Verhältnis zu dem Stator 12. In dem illustrierten Beispiel wird ein Magnetkreis 30 durch zwei benachbarte Statorstäbe 16, zwei Magnetpaare 24a,b und zwei hintere Platten 32a,b, eine für jeden Rotor, gebildet, die den Fluss zwischen den Rückseiten jedes Magnetpaares 24a,b, die von den jeweiligen Wicklungen 22 weg zeigen, verbinden. Die hinteren Platten 32a,b können als Eisenrückschluss bezeichnet werden und umfassen ein magnetisches Material, typischerweise ein ferromagnetisches Material, wenn auch nicht notwendigerweise Eisen. Es ist nicht erforderlich, dass dieses Material ein Permanentmagnet ist. Die Statorwicklungen 16 sind innerhalb eines Gehäuses eingeschlossen, das eine Kammer für die Rotoren und den Stator definiert und das mit einem Kühlmittel versorgt werden kann.
Die Statorstäbe eines Stators können aus geschichteten Stapeln bestehen. Das heißt, jeder Statorstab kann eine Reihe von Lagen oder Schichten umfassen, die aufeinander gestapelt sind.
3 zeigt eine Stab-Schuh-Baugruppe 300, die einen solchen geschichteten Statorstab 302 und Schuhe 304 umfasst. Der Statorstab 302 umfasst eine Reihe von Schichten 306, die in einer horizontalen Schichtstapelrichtung 308 gestapelt sind. Jedoch wird es sich verstehen, dass der Stab 302 allgemeiner aus Schichten 306 geformt sein kann, die in einer beliebigen Richtung geschichtet sind. Während unten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Schichten beschrieben werden, die senkrecht zu der Trennung zwischen den Endschuhen und mancher Komponente eines willkürlichen Flusses, der sich parallel zu dieser Stapelrichtung (d. h., in 3 in Horizontalrichtung von rechts nach links) bewegt, wird es sich verstehen, dass die beschriebenen Techniken allgemeiner auf Schichten angewendet werden können die in einer beliebigen Richtung gestapelt sind, wobei sich mindestens eine Komponente eines Flusses parallel zu der Schichtstapelrichtung bewegt.
Die Lagenstruktur geschichteter Statorstäbe (wie beispielsweise des Statorstabes 302) begrenzt die Fähigkeit von Wirbelströmen, sich in einer einzelnen Richtung zu bewegen, der Richtung, in der die Schichten gestapelt sind (z. B. der Stapelrichtung 308). Jedoch können Komponenten von Flüssen, die sich parallel zu der Richtung bewegen, in der die Schichten gestapelt sind, Wirbelströme in der Ebene, senkrecht zu der Richtung, in der die Schichten gestapelt sind, induzieren. Daher induzieren Flusskomponenten 310, parallel zu der Richtung der Schichtstapelrichtung 308, Wirbelströme in der Ebene der Schichtungslagen 306.
4 zeigt einen geschichteten Statorstab 302 von 3 in der Schichtungsebene 402. Wirbelströme 404 in dieser Ebene werden durch Komponenten von Flüssen induziert, die sich parallel zu der Schichtstapelrichtung bewegen. Die Wirbelströme in der Schichtungsebene können zu Widerstandsverlusten und niedrigeren Wirkungsgraden führen. Das Quadrat des gesamten Flusses, der sich in der Richtung, parallel zu der Schichtstapelrichtung in einem Stab bewegt, gibt einen Hinweis auf die gesamten Wirbelströme, j, in demselben Stab. Für einen Stab, der geschichtet ist, wie in 3 gezeigt, entspricht dies dem radialen Fluss, B_r. Daher: $\int j d V a \int B_{r}^{2} d V$
Die momentanen Widerstandsleistungsverluste, P, auf Grund der Wirbelströme in einem solchen Stab sind daher gleich dem Volumenintegral des quadrierten radialen Flusses: $P = \frac{1}{σ} {\int | J |}^{2} d V,$
wobei σ die Leitfähigkeit des Materials der Schichten ist und das Integral über Volumenelemente dV ist. Daher ist es vorteilhaft, die Wirbelströme 404 in der Schichtungsebene 502 zu minimieren, um Widerstandsleistungsverluste zu minimieren.
5 zeigt eine schematische Draufsicht eines typischen Endschuhs 500 zur Verwendung in einer Stab-Schuh-Baugruppe. 6a und 6b zeigen beispielhafte Schuhe 600 und 610 nach Ausführungsformen. Jede von 5, 6a und 6b zeigt eine Innenfläche oder Innenseite eines Statorschuhs, die, im zusammengebauten Zustand, angrenzend an ein Ende eines Statorstabes angeordnet ist. Verglichen mit Schuh 500, schließen die Schuhe 600 und 610 weggeschnittene Bereiche 602, 604, 612 und 614 ein. Es wird sich verstehen, dass der Ausdruck „weggeschnittener Bereich“ weder ein Konstruktionsverfahren impliziert, noch sollte er als eine Beschränkung auf ein spezifisches Verfahren zum Formen solcher weggeschnittenen Bereiche ausgelegt werden. Stattdessen bezieht sich ein weggeschnittener Bereich nur auf einen Bereich einer Fläche des Schuhs mit einer unterschiedlichen Höhe im Verhältnis zu dem Rest der Innenfläche des Schuhs. Zum Beispiel können die weggeschnittenen Bereiche 602, 604, 612 und 614 jeweils einen Kanal, eine Kerbe, eine Rille, einen Graben, eine Stufe oder eine andere ähnliche Formation umfassen, und es wird sich verstehen, dass diese Formationen durch ein beliebiges Verfahren geformt sein können, das einer Person vom Fach bekannt ist. Es wird sich ferner verstehen, dass, während die in 6a und 6b gezeigten weggeschnittenen Bereiche 602, 604, 612 und 614 für einen Statorstab optimiert sind, der geschichtet ist, wie in 3 gezeigt, die Schuhe 600 und 610 und ihre jeweiligen weggeschnittenen Bereiche im Allgemeinen geformt sein können, um die Komponenten von Flüssen für eine beliebige Schichtstapelrichtung zu verringern. Die genaue Form und Beschaffenheit der weggeschnittenen Bereiche wird in Abhängigkeit von der Richtung variieren, in der die Schichten in dem Stab gestapelt sind, um die Flusskomponenten, parallel zu der Richtung, in der die Schichten gestapelt sind, zu verringern.
Die weggeschnittenen Bereiche 602 und 604 bilden jeweils einen Kanal oder eine Kerbe, der/die annähernd dem Umfang des Schuhs 600 folgt. In einem nicht-beschränkenden Beispiel können diese Kanäle jeweils ungefähr 2 mm breit und ungefähr 0,5 mm tief sein. Allgemeiner kann jeder Kanal zwischen 0,5 mm und 10 mm breit und zwischen 0,1 mm und 2 mm tief sein. Im zusammengebauten Zustand können sich die Kanäle vollständig oder teilweise mit dem Statorstab überlappen. In einem anderen nicht-beschränkenden Beispiel kann jeder Kanal im zusammengebauten Zustand eine Überlappung von ungefähr 1 mm mit dem Statorstab aufweisen. Allgemeiner kann die Überlappung zwischen jedem weggeschnittenen Bereich und dem Statorstab zwischen 0,1 mm und der vollen Breite des weggeschnittenen Bereichs betragen. Es wird sich verstehen, dass die weggeschnittenen Bereiche 602 und 604 jeweils unterschiedliche Breiten, Tiefen und/oder Überlappungen mit dem Statorstab aufweisen können oder alternativ, dass der Statorschuh 600 nur einen weggeschnittenen Bereich einschließen kann.
In einer weiteren Ausführungsform erstrecken sich die weggeschnittenen Bereiche 612 und 614 von 6b bis zu dem Umfang oder der Kante der Innenfläche des Statorschuhs 610. Wie bei den weggeschnittenen Bereichen 602 und 604 können sich, wenn zu einer Schuh-Stab-Baugruppe zusammengebaut, die weggeschnittenen Abschnitte 612 und 614 vollständig oder teilweise mit dem Statorstab überlappen. Im Prinzip kann in einigen Umsetzungen die Innenfläche der Schuhe 600 und 610 in der Form und wahlweise der Fläche annähernd gleich dem benachbarten Ende des Statorstabes sein. Zum Beispiel kann die Innenfläche an der in Radialrichtung inneren oder äußeren Kante des Schuhs oder beiden oder keiner im Wesentlichen keinen Überhang aufweisen (d. h., sie kann sich nicht über einen Rand des Statorstabes hinaus erstrecken). Die Innenfläche kann den Statorstab an Umfangskanten des Schuhs überlappen, muss sie aber nicht. Es wird zu erkennen sein, dass, obwohl sich eine oder mehrere Kanten des Schuhs mit einer oder mehreren Kanten des Statorstabes ausrichten können, es doch einen weggeschnittenen Abschnitt, wie beschrieben, geben kann. In einigen Umsetzungen kann der Schuh ein Merkmal aufweisen, das faktisch eine Erweiterung des Statorstabes ist, d. h., die weggeschnittenen Abschnitte 612 und 614 können Kanten aufweisen, die sich mit einer Kante oder einem Rand ausrichten, die/der durch das Ende des Statorstabes, der den Schuh trägt, definiert wird.
7 zeigt eine graphische Darstellung 700 der Richtung von Flusslinien in einem Querschnitt einer Stab-Schuh-Baugruppe, die einen Schuh ohne weggeschnittenen Bereich umfasst, zum Beispiel der Stab-Schuh-Baugruppe 300 von 3. Die graphische Darstellung zeigt die Richtung von Flusslinien in einem geschichteten Statorstab 702 und einem Statorschuh 704. Die Y-Achse zeigt eine Höhe Z der Baugruppe (entsprechend der Abmessung Y von 3), während die X-Achse eine Breite R der Baugruppe (entsprechend der Abmessung X von 3) zeigt, beide in Einheiten von mm. In diesem Beispiel ist die Schichtungsrichtung entlang der X-Achse (d. h., horizontal). Die gepunktete Fläche zeigt einen Bereich der höchsten Intensität der Flusskomponente, die sich parallel zu der Richtung bewegt, in der Schichten gestapelt sind, in Einheiten von Tesla pro mm² (in der Figur horizontal) an. Im Allgemeinen weist der Schuh 704 eine größere Flussintensität in der Stapelrichtung auf. Jedoch sind, da der Schuh 704 eine nicht geschichtete Komponente ist, die Verluste auf Grund dieser Flusskomponente im Verhältnis zu dem Statorstab 702 niedriger. In Ergebnis ergibt sich ein verhältnismäßig großer Anteil der Widerstandsverluste des Systems aus den Komponenten eines horizontalen Flusses an Punkt 706 des Statorstabes 702.
8 zeigt eine graphische Darstellung 800 der Richtung von Flusslinien in einem Querschnitt einer Stab-Schuh-Baugruppe. Die X- und die Y-Achse von 8 sind die gleichen wie in 7; die gepunktete Fläche zeigt einen Bereich einer verhältnismäßig höheren horizontalen Flusskomponente an. Der Statorstab 802 kann zum Beispiel der gleiche Statorstab, wie in 7 gezeigt, sein. Jedoch umfasst der Statorschuh 804 einen weggeschnittenen Bereich 808. In diesem Beispiel umfasst der weggeschnittene Bereich 808 einen Kanal mit einer Breite (R) von 2 mm und einer Tiefe (Z) von 0,5 mm. Der weggeschnittene Bereich 808 umfasst ebenfalls eine Überlappung von 1 mm mit dem Statorstab 802. Wie in 8 gezeigt wird, ist die Intensität des Flusses, der sich parallel zu der Schichtstapelrichtung (d. h., in diesem Beispiel der X-Achse) bewegt, an Punkt 806 des Statorstabes 802, verglichen mit Punkt 706 des Statorstabes 702, der in 7 gezeigt wird, bedeutend verringert.
Unter Benutzung von Gleichung (2) oben und durch Vergleichen der integrierten radialen Flüsse von 7 und 8 ist es möglich, eine konservative Schätzung für die Widerstandsleistungsverluste zu berechnen, die in den graphischen Darstellungen 700 und 800 gezeigt wird.
9 zeigt einen Vergleich dieser Verluste an, in dem die Y-Achse, in Einheiten von Tesla², eine Vertretung für Widerstandsleistungsverlust zeigt. Im Einzelnen zeigt 9 einen Vergleich zwischen einer Vertretung für die Widerstandsverluste 902 in einer Basis-Schuh-Stab-Baugruppe ohne weggeschnittenen Bereich und einer Vertretung für die Widerstandsverluste 904 in einer Basis-Schuh-Stab-Baugruppe mit einem 2 mm breiten, 0,5 mm tiefen weggeschnittenen Bereich, der eine Überlappung von 1 mm mit dem Statorstab aufweist. Wie in 9 zu sehen ist, können Schuhe, die so gestaltet sind, wie hierin beschrieben, verglichen mit einem Basiswert, die Widerstandsverluste in einer Schuh-Stab-Baugruppe um mehr als 75 % verringern.
Ohne Zweifel werden der Person vom Fach viele andere wirksame Alternativen einfallen. Es wird sich verstehen, dass die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen begrenzt ist und für die Fachleute offensichtliche Modifikationen umfasst, die innerhalb des Rahmens der hieran angefügten Ansprüche liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2760112 A [0005]
JP 2003303728 A [0005]
US 5382853 [0005]
KR 101123676 B [0005]
WO 2020/072734 [0005]
WO 2012/022974 [0025]

Claims

Statorbaugruppe für eine Axialfluss-Permanentmagnetmaschine, wobei die Statorbaugruppe Folgendes umfasst: einen Satz von Statorstäben, einen Satz von Schuhen für die Statorstäbe, jeweils an einem Ende eines der Statorstäbe, und einen Satz von Wicklungen, die jeweils um einen jeweiligen Statorstab gewickelt sind, wobei jeder Schuh eine Innenfläche angrenzend an das Ende eines der Statorstäbe aufweist, das Ende jedes Statorstabes einen Rand aufweist und jede Innenfläche einen weggeschnittenen Bereich über einen Teil des Randes aufweist, um eine Komponente eines magnetischen Flusses an dem Ende des Statorstabes zu verringern.
Statorbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die Statorstäbe geschichtete Statorstäbe sind, wobei die Schichten in einer Stapelrichtung gestapelt sind und wobei die Stapelrichtung senkrecht zu einer Richtung zwischen den Schuhen entlang der Statorstäbe ist und wobei jede Innenfläche einen weggeschnittenen Bereich über einen Teil des Randes aufweist, um die Komponente des magnetischen Flusses an dem Ende des Statorstabes in einer Richtung, parallel zu der Stapelrichtung, zu verringern.
Statorbaugruppe nach Anspruch 1 oder 2, wobei der weggeschnittene Bereich einen Kanal in der Innenfläche definiert.
Statorbaugruppe nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der weggeschnittene Bereich eine deutliche Änderung bei der Höhe der Innenfläche definiert.
Statorbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Innenfläche des Satzes von Schuhen ferner einen zweiten weggeschnittenen Bereich über einen zweiten Teil des Randes des Statorstabes umfasst.
Statorbaugruppe nach Anspruch 5, wobei sich weggeschnittene Bereiche mit gegenüberliegenden Teilen des Statorstabes überlappen.
Statorbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Satz von Schuhen einen ersten Satz von Schuhen an einem ersten Ende jedes Statorstabes und einen zweiten Satz von Schuhen an einem zweiten Ende jedes der Statorstäbe umfasst, wobei das erste Ende und das zweite Ende entgegengesetzte Enden des Statorstabes sind.
Statorbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Innenfläche jedes Schuhs über den Rand des Statorstabes hinaus erstreckt.
Statorbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Überlappung zwischen dem weggeschnittenen Bereich und dem Statorstab mindestens etwa 1 mm beträgt.
Statorbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der weggeschnittene Bereich mindestens eines von (i) einer Breite von etwa 2 mm und (ii) einer Tiefe von etwa 0,5 mm aufweist.
Statorbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei sich der weggeschnittene Bereich bis zu einer Kante der Innenfläche des Schuhs erstreckt.
Verfahren zum Steuern einer Richtung eines magnetischen Flusses in einer Statorbaugruppe für eine Axialfluss-Permanentmagnetmaschine, wobei die Statorbaugruppe Folgendes umfasst: einen Satz von Statorstäben, einen Satz von Schuhen für die Statorstäbe, jeweils an einem Ende eines der Statorstäbe, wobei jeder Schuh eine Innenfläche angrenzend an das Ende eines der Statorstäbe aufweist, und einen Satz von Wicklungen, die jeweils um einen jeweiligen Statorstab gewickelt sind, wobei das Verfahren das Formen der Innenfläche der Schuhe umfasst, um eine Richtung eines magnetischen Flusses, der aus den Enden der Statorstäbe austritt, zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Statorstäbe geschichtet sind, wobei die Schichten eine Stapelrichtung aufweisen und wobei das Formen der Innenfläche der Schuhe, um die Richtung eines magnetischen Flusses, der aus den Enden der Statorstäbe austritt, zu steuern, das Formen der Innenfläche der Schuhe, um eine Komponente eines magnetischen Flusses an dem Ende des Statorstabes in einer Richtung, parallel zu der Stapelrichtung, zu verringern, umfasst.
Verfahren zum Herstellen einer Axialfluss-Permanentmagnetmaschine, welches das Bestimmen einer Form der Innenfläche der Schuhe der Maschine nach Anspruch 12 oder 13 und das Herstellen einer Axialfluss-Permanentmagnetmaschine mit Schuhen der bestimmten Form umfasst.