DE102022103146A1

DE102022103146A1 - Hybridstatorkernsegmente für Axialflussmotoren

Info

Publication number: DE102022103146A1
Application number: DE102022103146.2A
Authority: DE
Inventors: Jian Yao; Chengwu Duan
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2021-07-16
Filing date: 2022-02-10
Publication date: 2023-01-19
Also published as: US20230018438A1; CN115700965A

Abstract

Es wird ein Axialflussmotor geschaffen und dieser enthält eine Welle, wenigstens einen Rotor und einen Stator. Der Stator enthält einen Statorkern und einen elektrisch leitfähigen Draht. Der Statorkern ist segmentiert und ringförmig und enthält eine mittige Öffnung, durch die die Welle zu dem wenigstens einen Rotor verläuft. Der Statorkern enthält ein Hybridsegment. Der Hybridsegment enthält weichmagnetische Verbundmaterialkomponenten und lamellierte geschichtete Blöcke. Die lamellierten geschichteten Blöcke enthalten zwei geneigte lamellierte geschichtete Blöcke, wobei ein Abstand zwischen den zwei geneigten lamellierten geschichteten Blöcken radial entlang einer radial verlaufenden Mittellinie des Hybridsegments zunimmt. Der elektrisch leitfähige Draht ist auf das Hybridsegment gewickelt.

Description

EINLEITUNG
Die in diesem Abschnitt gegebenen Informationen dienen der allgemeinen Darstellung des Kontexts der Offenbarung. Arbeit der hier genannten Erfinder in dem Umfang, in dem sie in diesem Abschnitt beschrieben ist, sowie Aspekte der Beschreibung, die nicht auf andere Weise als Stand der Technik zum Zeitpunkt der Einreichung berechtigen können, sind weder explizit noch implizit als Stand der Technik gegenüber der vorliegenden Offenbarung anerkannt.
Die vorliegende Offenbarung betrifft Statoren von Axialflussmotoren und insbesondere Segmente von Statorkernen in Axialflussmotoren.
Elektromotoren wandeln elektrische Energie durch die Erzeugung eines Drehmoments in mechanische Arbeit um, während elektrische Generatoren mechanische Arbeit in elektrische Energie umwandeln. Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge nutzen Elektromotoren/Elektrogeneratoren wie etwa Induktions- und Permanentmagnetmotoren/Induktions- und Permanentmagnetgeneratoren für den Vortrieb und zum Aufnehmen von Bremsenergie. Obwohl hier hauptsächlich auf Motoren Bezug genommen wird, sind die hier beschriebenen Prinzipien ebenfalls auf Generatoren anwendbar.
Ein Elektromotor kann einen Rotor und einen Stator enthalten. Der Rotor enthält Permanentmagneten und dreht sich relativ zu dem Stator. Der Stator ist mit einer Rotorwelle, die sich mit dem Rotor dreht, verbunden. Der Rotor ist durch einen Luftspalt von dem Stator getrennt. Der Stator enthält Leiter in Form von Drahtwicklungen. Wenn durch die Drahtwicklungen elektrischer Strom geleitet wird, wird ein Magnetfeld mit einem zugeordneten magnetischen Fluss erzeugt. Im Ergebnis dessen, dass das Magnetfeld auf die Permanentmagneten des Rotors wirkt, wird über den Luftspalt Leistung übertragen. Im Ergebnis wird elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt, um die Rotorwelle zu drehen. In einem Elektrofahrzeug wird der Rotor zum Übertragen von Drehmoment über die rotierende Welle durch einen Zahnradsatz zum Antreiben von Rädern des Fahrzeugs verwendet.
Zwei Typen von Elektromotoren sind Radialflussmotoren und Axialflussmotoren. In einem Radialflussmotor befinden sich der Rotor und der Stator üblicherweise in einer konzentrischen oder ineinandergreifenden Konfiguration, so dass, wenn an den Stator eine Spannung angelegt wird, ein magnetischer Fluss erzeugt wird, der radial von dem Stator zu dem Rotor verläuft. Leitfähige Wicklungen des Stators sind üblicherweise parallel zu einer Drehachse angeordnet, so dass ein Magnetfeld erzeugt wird, das in einer Radialrichtung von der Drehachse entlang der Rotorwelle orientiert ist. In einem Axialflussmotor wird durch die elektrisch leitfähigen Drahtwicklungen des entsprechenden Stators ein Magnetfeld parallel zu einer Drehachse erzeugt. Der in dem Axialflussmotor erzeugte magnetische Fluss verläuft parallel zu einer Drehachse der Rotorwelle. Axialflussmotoren zeigen die Tendenz, kleiner, leichter als Radialflussmotoren zu sein und mehr Leistung zu erzeugen als diese.
ZUSAMMENFASSUNG
Es wird ein Axialflussmotor geschaffen und dieser enthält eine Welle, wenigstens einen Rotor und einen Stator. Der Stator enthält einen Statorkern und einen elektrisch leitfähigen Draht. Der Statorkern ist segmentiert und ringförmig und enthält eine mittige Öffnung, durch die die Welle zu dem wenigstens einen Rotor verläuft. Der Statorkern enthält ein Hybridsegment. Der Hybridsegment enthält weichmagnetische Verbundmaterialkomponenten und lamellierte geschichtete Blöcke. Die lamellierten geschichteten Blöcke enthalten zwei geneigte lamellierte geschichtete Blöcke, wobei ein Abstand zwischen den zwei geneigten lamellierten geschichteten Blöcken radial entlang einer radial verlaufenden Mittellinie des Hybridsegments zunimmt. Der elektrisch leitfähige Draht ist auf das Hybridsegment gewickelt.
Gemäß anderen Merkmalen ist das Hybridsegment ein erstes Hybridsegment. Der Statorkern enthält Hybridsegmente. Die Hybridsegmente enthalten das erste Hybridsegment. Jedes der Hybridsegmente enthält weichmagnetische Verbundmaterialkomponenten und lamellierte geschichtete Blöcke.
Gemäß anderen Merkmalen enthalten die lamellierten geschichteten Blöcke jedes der Hybridsegmente zwei geneigte lamellierte geschichtete Blöcke, wobei ein Abstand zwischen den zwei geneigten lamellierten geschichteten Blöcken jedes der Hybridsegmente radial entlang einer jeweils radial verlaufenden Mittellinie des ersten Hybridsegments zunimmt.
Gemäß anderen Merkmalen enthält das Hybridsegment einen oder mehrere nicht geneigte lamellierte geschichtete Blöcke, die parallel und/oder radial entlang der radial verlaufenden Mittellinie verlaufen.
Gemäß anderen Merkmalen enthalten der eine oder die mehreren nicht geneigten lamellierten geschichteten Blöcke einen einzelnen nicht geneigten lamellierten geschichteten Block, der von einem radial äußersten Rand des Hybridsegments entlang der radial verlaufenden Mittellinie radial nach innen zu den zwei geneigten lamellierten geschichteten Blöcken verläuft.
Gemäß anderen Merkmalen sind die axialen Breiten der Schichten der zwei geneigten lamellierten geschichteten Blöcke dieselben wie die axialen Breiten der
Schichten der einen oder mehreren nicht geneigten lamellierten geschichteten Blöcke.
Gemäß anderen Merkmalen enthält das Hybridsegment nicht geneigte lamellierte geschichtete Blöcke, die parallel und/oder radial entlang der radial verlaufenden Mittellinie verlaufen.
Gemäß anderen Merkmalen sind die axialen Breiten der Schichten der zwei geneigten lamellierten geschichteten Blöcke dieselben wie die axialen Breiten der Schichten des einen oder der mehreren nicht geneigten lamellierten geschichteten Blöcke.
Gemäß anderen Merkmalen enthalten die nicht geneigten lamellierten geschichteten Blöcke: zwei nicht geneigte lamellierte geschichtete Blöcke, die zu einem radial äußersten Rand des Hybridsegments verlaufen; und einen einzelnen nicht geneigten lamellierten geschichteten Block, der von den zwei nicht geneigten lamellierten geschichteten Blöcken in Richtung der zwei geneigten lamellierten geschichteten Blöcke radial nach innen verläuft.
Gemäß anderen Merkmalen sind die axialen Breiten der Schichten der zwei geneigten lamellierten geschichteten Blöcke dieselben.
Gemäß anderen Merkmalen wird ein Axialflussmotor geschaffen und dieser enthält eine Welle, wenigstens einen Rotor und einen Stator. Der wenigstens eine Rotor ist mit der Welle verbunden. Der Stator enthält einen Statorkern und einen elektrisch leitfähigen Draht. Der Statorkern ist segmentiert und ringförmig und enthält eine mittige Öffnung, durch die die Welle zu dem wenigstens einen Rotor verläuft. Der Statorkern enthält ein Hybridsegment. Der Hybridsegment enthält weichmagnetische Verbundmaterialkomponenten und einen lamellierten geschichteten Einsatz, der lamellierte geschichtete Blöcke enthält. Ein radial innerster der lamellierten geschichteten Blöcke verläuft zu einem radial innersten Rand des Hybridsegments. Ein radial äußerster der lamellierten geschichteten Blöcke verläuft zu einem radial äußersten Rand des Hybridsegments. Auf das Hybridsegment ist ein elektrisch leitfähiger Draht gewickelt.
Gemäß anderen Merkmalen ist das Hybridsegment ein erstes Hybridsegment. Der Statorkern enthält Hybridsegmente. Die Hybridsegmente enthalten das erste Hybridsegment. Jedes der Hybridsegmente enthält weichmagnetische Verbundmaterialkomponenten und lamellierte geschichtete Blöcke.
Gemäß anderen Merkmalen enthält das Hybridsegment einen oder mehrere lamellierte geschichtete Blöcke, die zwischen dem radial innersten der lamellierten geschichteten Blöcke und dem radial äußersten der lamellierten geschichteten Blöcke angeordnet sind.
Gemäß anderen Merkmalen enthält das Hybridsegment zwei lamellierte geschichtete Blöcke, die zwischen dem radial innersten der lamellierten geschichteten Blöcke und dem radial äußersten der lamellierten geschichteten Blöcke angeordnet sind.
Gemäß anderen Merkmalen sind die axialen Breiten der lamellierten Schichten des einen der lamellierten geschichteten Blöcke dieselben.
Gemäß anderen Merkmalen sind die axialen Breiten der lamellierten Schichten jedes der lamellierten geschichteten Blöcke dieselben.
Gemäß anderen Merkmalen sind die axialen Breiten der lamellierten geschichteten Blöcke verschieden.
Gemäß anderen Merkmalen verläuft einer der lamellierten geschichteten Blöcke axial zu den axial äußersten Rändern des Hybridsegments.
Gemäß anderen Merkmalen sind die lamellierten geschichteten Blöcke in einer abgestuften Konfiguration angeordnet. Die weichmagnetischen Verbundmaterialkomponenten weisen abgestufte axial innerste Oberflächen auf, die an Dimensionen der axial äußersten Oberflächendimensionen der lamellierten geschichteten Blöcke angepasst sind.
Gemäß anderen Merkmalen ist eine axiale Breite des radial innersten der lamellierten geschichteten Blöcke kleiner als eine axiale Breite des lamellierten geschichteten Blocks, der zwischen dem radial innersten der lamellierten geschichteten Blöcke und dem radial äußersten der lamellierten geschichteten Blöcke angeordnet ist. Eine axiale Breite des äußersten der lamellierten geschichteten Blöcke ist größer als die axiale Breite eines lamellierten geschichteten Blocks, der zwischen dem radial innersten der lamellierten geschichteten Blöcke und dem radial äußersten der lamellierten geschichteten Blöcke angeordnet ist.
Weitere Bereiche der Anwendbarkeit der vorliegenden Offenbarung gehen aus der ausführlichen Beschreibung, aus den Ansprüchen und aus den Zeichnungen hervor. Die ausführliche Beschreibung und die spezifischen Beispiele sind nur zu Veranschaulichungszwecken bestimmt und sollen den Schutzumfang der Offenbarung nicht einschränken.
Figurenliste
Die vorliegende Offenbarung wird umfassender verständlich aus der ausführlichen Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen; es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Axialflussmotors, der einen Statorkern und zwei Rotoren enthält;
2 eine perspektivische Ansicht eines Beispiels eines segmentierten Statorkerns;
3 eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Statorkernsegments mit einem Zahn und Polschuhen, die aus weichmagnetischem Verbundmaterial (SMC) geformt sind;
4 eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Statorkernzahns, der gestapelte lamellierte Schichten mit veränderlichen Breiten enthält;
5 eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Statorkernsegments mit einer Hybridstruktur, wobei ein Zahn und Polschuhe SMC-Material und entsprechende Abschnitte lamellierter geschichteter Blöcke enthalten;
6 eine Seitenansicht eines Beispiels eines Statorkernsegments, das geneigte lamellierte geschichtete Blöcke und einen nicht geneigten lamellierten geschichteten Block gemäß der vorliegenden Offenbarung enthält;
7 eine Seitenansicht eines Beispiels eines Statorkernsegments, das geneigte lamellierte geschichtete Blöcke und nicht geneigte lamellierte geschichtete Blöcke gemäß der vorliegenden Offenbarung enthält;
8 eine Seitenansicht eines Beispiels eines Statorkernsegments, das gestapelte lamellierte geschichtete Blöcke mit jeweiligen Breiten und die zusammen bis zum radialen Innen- und Außenumfangsrand verlaufen gemäß der vorliegenden Offenbarung enthält;
9 eine grafische Darstellung des Wirkungsgrads, die Differenzen des Wirkungsgrads zwischen einem ersten Motor, der allein aus SMC-Material gebildete Statorkernsegmente enthält, und einem zweiten Motor, der Hybridstatorkernsegmente enthält, darstellt;
10 eine Draufsicht eines Abschnitts eines Fahrzeugs, das Axialflussmotoren gemäß der vorliegenden Offenbarung enthält; und
11 einen Funktionsblockschaltplan eines Fahrzeugsystems, das Axialflussmotoren gemäß der vorliegenden Offenbarung enthält.

In den Zeichnungen können Bezugszeichen mehrfach verwendet sein, um ähnliche und/oder gleiche Elemente zu bezeichnen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
In 1 ist ein Beispiel eines Axialflussmotors 100 gezeigt. Der Axialflussmotor 100 weist einen ersten Rotor 110 und einen zweiten Rotor 120, die beide mit einer Rotorwelle 130 verbunden sind und dafür konfiguriert sind, sich um diese zu drehen, auf. Die hier offenbarten Beispiele sind auf einen Axialflussmotor dieses Stils und auf andere Axialflussmotoren anwendbar. Obwohl zwei Rotoren gezeigt sind, kann ein Axialflussmotor z. B. einen oder mehr Rotoren enthalten. Sowohl der erste als auch der zweite Rotor 110, 120 sind ringförmig mit einer mittig angeordneten Öffnung 118. Die Rotorwelle 130 geht durch die mittig angeordnete Öffnung 118 und definiert eine Drehachse 132, um die sich die Rotoren 110, 120 drehen. Die Drehachse 132 kann entlang einer Längsmittellinie der Rotorwelle 130 verlaufen und/oder sie enthalten.
Ein Stator 140 ist axial zwischen den Rotoren 140, 120 angeordnet und ist ringförmig. Der Stator 140 ist feststehend und ortsfest, während sich der erste und der zweite Rotor 110, 120 während des Betriebs mit der Rotorwelle 130 drehen. Der erste Rotor 110 ist einer ersten Seite 142 des Stators 140 zugewandt und definiert dazwischen einen ersten Luftspalt 144. Der zweite Rotor 120 ist einer zweiten Seite 146 des Stators 140 zugewandt und definiert dazwischen einen zweiten Luftspalt 148.
Obwohl der Axialflussmotor 100 mit einem mittigen einzelnen Stator 140 und mit zwei äußeren Rotoren 110, 120 gezeigt ist, sind die hier offenbarten Beispiele ebenfalls auf andere Konfigurationen anwendbar. Einige beispielhafte Axialflussmotorkonfigurationen enthalten (i) zwei Statoren und einen einzelnen Rotor oder (ii) einen einzelnen Stator und zwei oder mehr Rotoren. Die Axialmotoren können jeweilige Gehäuse enthalten und die entsprechenden Rotoren, Statoren und Wellen können innerhalb der Gehäuse angeordnet sein. Die Gehäuse können an einem Fahrzeugrahmen feststehend sein und die Welle kann mit einer oder mehreren Achsen, einem Getriebe (z. B. einem Untersetzungsgetriebe), einer weiteren Welle usw. eines entsprechenden Fahrzeugs gekoppelt sein.
Jeder der Rotoren 110, 120 kann einen selben Entwurf aufweisen und sie können dem Stator 140 in entgegengesetzten Richtungen zugewandt sein. Jeder der Rotoren 110, 120 enthält Permanentmagneten 112, die an einem Rotorkörper 114 befestigt sind. Die Permanentmagneten 112 können abwechselnde Polarität aufweisen. Jeder Permanentmagnet 112 definiert dazwischen einen Kanal 116, der radial entlang einer Fläche des jeweiligen Rotors verlaufen kann. Auf diese Weise können die Permanentmagneten 112 und der Kanal 116 zusammen mehrere Magnetpole definieren.
Der Stator 140 enthält einen Statorkern, der Statorkernsegmente (hier als „Segmente“ bezeichnet) 150 enthält, um die elektrisch leitfähige Wicklungen (oder ein gewickelter leitfähiger Draht) 152 gewickelt sind. Der Stator 140 definiert zwischen benachbarten der Statorkernsegmente 150 Nuten 156. Der Stator 140 kann feststehend und ortsfest sein. Die Nuten 156 können dafür konfiguriert sein, die elektrisch leitfähigen Wicklungen 152 aufzunehmen, die in den und durch die Nuten 156 gewickelt sein können. Als ein Beispiel können die Wicklungen 152 Kupfer und/oder Kupferlegierungen enthalten.
Die Rotorwelle 130 kann durch eine mittig angeordnete Öffnung 154 in dem Stator 140 gehen und kann durch Lager, die die Rotoren 110, 120 in Bezug auf den Stator 140 ausrichten, während sie die Drehung der Rotorwelle 130 zulassen, gestützt sein. Die elektrisch leitfähigen Wicklungen 152 des Stators 140 können aus Kupfer und/oder aus anderen leitfähigen Materialien gebildet sein. Die elektrisch leitfähigen Wicklungen 152 sind dafür konfiguriert, ein Magnetfeld zu erzeugen, wenn Strom angelegt ist, um mit den Magnetfeldern der Permanentmagneten 112 in Wechselwirkung zu treten. An verschiedene Gebiete des Stators 140 kann wahlweise Spannung angelegt werden, um den Rotoren 110, 120 eine Drehkraft zu erteilen, die veranlasst, dass sich die Rotoren 110, 120 und die Rotorwelle 130 in Bezug auf die Drehachse 132 drehen.
Der Axialflussmotor 100 stellt eine hohe Drehmomentausgabe bereit und ist somit auf Anwendungen mit hohem Drehmoment einschließlich zur Verwendung in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug anwendbar. Gemäß einer derartigen Variante kann ein Gehäuse, das den Motor 100 ummantelt, an dem Fahrzeugrahmen angebracht sein und kann wenigstens eine Ausgabe von einem Ende der Rotorwelle 130 mit einem Untersetzungsgetriebe oder direkt mit Fahrzeugantriebsrädern gekoppelt sein.
2 zeigt ein Beispiel eines segmentierten Statorkerns 200, der Segmente 220 enthält, die an einer Statorscheibe 230 angeordnet sind. Der segmentierte Statorkern 200 kann den Stator 140 aus 1 ersetzen und eine Rotorwelle 202 umgeben. Die Segmente 220 sind allgemein trapezförmig und wenigstens teilweise aus weichmagnetischem Verbundmaterial (SMC-Material) gebildet. Eines oder mehrere der Segmente 220 können wie in 3-5 gezeigt konfiguriert sein. Gemäß einigen Ausführungsformen sind die Segmente 220 jeweils wie in einer oder mehreren von 3-5 gezeigt konfiguriert. Spalte zwischen den Segmenten 220 sind als Kanäle 232 bezeichnet und sind durch Seiten der Segmente 220 definiert. Wie gezeigt ist, können die Segmente 220 ausgesparte Gebiete 226 enthalten, die dafür konfiguriert sind, wenigstens einen elektrisch leitfähigen Draht aufzunehmen, der um die Segmente 220 gewickelt ist, um Wicklungen 234 bereitzustellen. Der Draht kann wenigstens um einen Abschnitt eines Äußeren 236 jedes der Segmente 220 gewickelt sein. Das SMC-Material kann leicht in einer Vielzahl komplexer Formen hergestellt werden, um wenigstens Abschnitte der Segmente 220 bereitzustellen. Die Segmente 220 können Polschuhe 224 enthalten.
Die 3-8 zeigen Statorkernsegmente und Abschnitte davon, die eines oder mehrere der Segmente 150, 220 aus 1-2 ersetzen können. 3 zeigt ein beispielhaftes Statorkernsegment 300 mit einem aus SMC geformten Zahn 302 und Polschuhen 304, 306. Das Statorkernsegment 300 kann aus zwei Komponenten, z. B. aus (i) einer ersten Komponente 308, die einen ersten Polschuh 304 und einen ersten axialen Abschnitt 310 des Zahns 302 enthält, und aus (ii) einer zweiten Komponente 312, die einen zweiten Polschuh 306 und einen zweiten axialen Abschnitt 314 des Zahns 302 enthält, gebildet sein. Die erste Komponente 308 kann an der zweiten Komponente 312 angehaftet sein. Genauer kann der erste axiale Abschnitt 310 an dem zweiten axialen Abschnitt 314 angehaftet sein. Das gesamte Statorkernsegment kann aus SMC gebildet sein oder alternativ kann ein erster Abschnitt des Statorkernsegments 300 aus SMC gebildet sein und kann ein anderer Abschnitt aus lamellierten Metallschichten und/oder aus einem oder mehreren lamellierten geschichteten Blöcken gebildet sein und/oder sie enthalten.
4 zeigt einen beispielhaften Statorkernzahn 400, der gestapelte lamellierte Schichten 410 mit veränderlichen Breiten enthält. Die lamellierten Schichten 410 des magnetischen Materials können jeweils ein ferromagnetisches Material wie etwa Magnetstahl enthalten. Das ferromagnetische Material jeder der Schichten 410 kann von dem jeder anderen durch isolierende Beschichtungen isoliert sein. Als ein Beispiel kann jede der Schichten 410 eine magnetische Materialschicht enthalten, die mit einem isolierenden und/oder dielektrischem Material beschichtet ist. Zwischen zwei benachbarten magnetischen Materialschichten ist ein isolierendes Material angeordnet. Die lamellierten Schichten 410 können lamellierte Stahlbleche sein, die während eines Herstellungsprozesses gestapelt, gepresst, gestanzt, geglüht und/oder aneinander angehaftet wurden, um einen wie gezeigten lamellierten Statorkernzahn zu bilden. Wenn mehrere lamellierte Statorkernzähne zusammengesetzt werden, stellen die Zähne magnetisierbare Pole bereit.
Jede der Schichten 410 des Zahns 400 weist einen jeweiligen und anderen Satz von Dimensionen auf, wobei jeder Satz eine andere Länge und Breite enthält. Jede der Schichten 410 kann eine selbe Dicke aufweisen. Als ein Beispiel weist eine erste Schicht 412 eine erste Größe auf, die durch ihre Länge, Breite und Höhe (z. B. Dicke) definiert ist, während eine zweite Schicht 414 eine zweite Größe aufweist, die durch ihre Länge, Breite und Höhe definiert ist. Die zweite Größe der zweiten Schicht 414 ist kleiner als die erste Größe der ersten Schicht 412. Wegen der verschiedenen Größen jeder der Schichten 400 erfordert die Herstellung des Zahns 400 einen wesentlich komplizierteren Herstellungsprozess als einen Herstellungsprozess, der zum Bilden des Segments 300 aus 3 und/oder eines vollständig aus SMC-Material gebildeten Zahns verwendet wird.
Für einen Axialflussmotor ist es leichter, Statorkernsegmente unter Verwendung von SMC-Material herzustellen, als Statorkernsegmente unter Verwendung lamellierter Schichten herzustellen. Allerdings leidet der Motorwirkungsgrad, da SMC höhere Kernverluste als lamellierte Magnetstahlschichten zeigt. Die Drehmomentfähigkeit ist für einen Axialflussmotor, der einen Statorkern mit aus SMC gebildeten Zähnen enthält, im Gegensatz zu einem Axialflussmotor, der einen Statorkern mit aus lamelliertem Magnetstahl geschichteten Zähnen enthält, ebenfalls niedriger.
5 zeigt ein beispielhaftes Statorkernsegment 500 mit einer Hybridstruktur, wobei ein Zahn 502 und Polschuhe 504, 506 SMC und einen lamellierten geschichteten Stapel 508 enthalten. Der Zahn 502 enthält einen ersten axialen Abschnitt 510 und einen zweiten axialen Abschnitt 512. Der lamellierte geschichtete Stapel 508 enthält lamellierte geschichtete Blöcke, wobei jeder lamellierte geschichtete Block einen Stapel lamellierter Schichten enthält. Jede lamellierte Schicht eines lamellierten geschichteten Blocks weist dieselben oder ähnliche Dimensionen wie jede andere lamellierte Schicht in dem lamellierten geschichteten Block auf. In dem gezeigten Beispiel weist jeder lamellierte geschichtete Block eine andere Breite auf. Für einen der lamellierten geschichteten Blöcke ist eine beispielhafte Breite W gezeigt. Dadurch, dass der lamellierte geschichtete Stapel 508 enthalten ist, zeigt das Segment 500 gegenüber dem Segment 300 aus 3 weniger Verlust und einen erhöhten Wirkungsgrad. Als ein Beispiel kann der Prozentsatz des Gesamtvolumens des Segments 500, das lamellierte geschichtete Blöcke enthält, 45 % sein.
Die hier dargelegten Beispiele enthalten Axialflussmotoren, die Statorkerne mit Hybridsegmenten enthalten. Die Hybridsegmente enthalten sowohl SMC-Material als auch lamellierte gestapelte Magnetstahlschichten, die als lamellierte geschichtete Blöcke bezeichnet sind. In 6-8 sind mehrere Hybridbeispiele gezeigt. Je höher der lamellierte Inhalt jedes Segments ist, desto kleiner ist der Kernverlust und desto besser ist der betriebliche Wirkungsgrad des Motors. Die Hybridbeispiele sind dafür ausgelegt, die Menge des geschichteten Inhalts für eine gegebene Einhüllende eines Segments zu maximieren und im Ergebnis den betrieblichen Wirkungsgrad zu maximieren.
6 zeigt ein Beispiel eines Statorkernsegments 600, das geneigte lamellierte Blöcke 602, 604 und einen nicht geneigten (oder in der Mittellinie verlaufenden) lamellierten Block 606 enthält. Die geneigten lamellierten Blöcke 602, 604 sind relativ zu einer Mittellinie 608 angewinkelt. Die Mittellinie 608 verläuft radial und durch eine Mitte des Segments 600. Jeder der geneigten lamellierten Blöcke 602, 604 verläuft zu einem ringförmigen Außenrand und teilt ihn somit mit einem ringförmigen Außenrand des Segments. Zum Beispiel ist der ringförmige Außenrand 610 des geneigten lamellierten Blocks 602 ein ringförmiger Außenrand des Segments 600. Ähnlich ist ein ringförmiger Außenrand 612 des geneigten lamellierten Blocks 604 ein anderer ringförmiger Außenrand des Segments 600. Der nicht geneigte lamellierte Block 606 verläuft entlang der Mittellinie 608 und ist in einer Ringrichtung auf der Mittellinie 608 zentriert. Der nicht geneigte lamellierte Block 606 verläuft von einem radialen Außenrand 620 des Segments 600 zu ringförmigen Innenrändern 622, 624 der geneigten lamellierten Blöcke 602, 604.
Die Breiten jedes der Blöcke 602, 604 und 606 können dieselben sein. Die Längen jedes der Blöcke 602, 604 können dieselben sein und können länger als eine Länge des Blocks 606 sein. Die Breiten werden in einer Ringrichtung gemessen. Die Längen werden radial gemessen. Als ein Beispiel sind eine Breite W und eine Länge L des geneigten lamellierten geschichteten Blocks 604 gezeigt. Die Tiefen der Blöcke 602, 604 und 606 können ebenfalls dieselben sein. Die Tiefen werden in einer Axialrichtung gemessen. Um die Herstellungskomplexität zu verringern, können die Breiten und die Tiefen der Blöcke 602, 604 und 606 dieselben sein.
Außerdem enthält das Segment 600 SMC-Komponenten 630, 632, 634. Die SMC-Komponenten 630, 632, 634 sind dreieckförmig. Die SMC-Komponente 630 ist zwischen einem radialen Innenrand 636 des nicht geneigten lamellierten Blocks 606 und den ringförmigen Innenrändern 622, 624 angeordnet. Die SMC-Komponenten 632, 634 sind zwischen den ringförmigen Innenrändern 622, 624 angeordnet. Die SMC-Komponenten 632, 634 weisen radiale Außenränder 640, 642, die entlang des radialen Außenrands 620 verlaufen, auf. Jede der SMC-Komponenten 630, 632, 634 kann aus SMC-Material gebildet und wie hier beschrieben sein. Der radiale Außenrand (oder Außenumfangsrand) 620 kann bogenförmige Ränder und/oder, wie gezeigt ist, mehrere lineare Ränder aufweisen. Jeder der lamellierten geschichteten Blöcke 602, 604, 606 verläuft zu den linearen Rändern. Die lamellierten geschichteten Blöcke 602, 604, 606 können radiale Außenränder aufweisen, die so geformt sind, dass sie an den Rand entsprechender Abschnitte des radialen Außenrands 720 angepasst sind.
SMC-Komponenten, auf die hier Bezug genommen ist, können aus SMC-Pulvern gebildet sein, deren Oberfläche mit einer elektrisch isolierenden Schicht bedeckt sein kann. Das SMC-Pulver kann ein Eisenpulver mit kleinen Partikeln enthalten, die unter Verwendung eines Drucks geschmolzen werden können, um eine vorgegebene Form bereitzustellen. Die Partikel können mit Isoliermaterial beschichtet sein. Der Druck von der Presse veranlasst, dass sich die Partikel miteinander verbinden. Diese Pulver werden mittels Pressen oder Verdichtung verdichtet, um weichmagnetische Komponenten zu bilden. Somit kann ein derartiges SMC-Material leicht zu einer Vielzahl verschiedener und komplexer Formen wie den in 5-8 gezeigten im Wesentlichen Trapez- und Dreieckformen gebildet werden.
Die Größen und Formen des Segments 600, der Blöcke 602, 604, 606 und der SMC-Komponenten 630, 632, 634 können in Abhängigkeit von der Anwendung variieren. Die Größen und Formen der Blöcke 602, 604, 606 und der SMC-Komponenten 630, 632, 634 können variiert werden, um ein Verhältnis zwischen einem Gesamtvolumen der Blöcke 602, 604, 606 und einem Gesamtvolumen der SMC-Komponenten 630, 632, 634 zu maximieren. Als ein Beispiel kann der Prozentsatz des lamellierten geschichteten Materials, bezogen auf ein Gesamtvolumen der Segmente 600, 76 % oder ein anderer Prozentsatz sein.
Das Segment 600 kann keine Polschuhe enthalten. Gemäß einer Ausführungsform ist ein Statorkernzahn ähnlich dem Segment 600 gebildet und enthält er axial angeordnete Polschuhe. Die Polschuhe können teilweise aus SMC-Material gebildet sein. Die Blöcke 602, 604, 606 können ähnlich dem Beispiel aus 5 axial in die Polschuhe verlaufen. Obwohl das Segment 600 in der Weise gezeigt ist, dass es nur zwei geneigte lamellierte geschichtete Blöcke und nur einen nicht geneigten lamellierten geschichteten Block enthält, kann das Segment 600 mehr geneigte lamellierte geschichtete Blöcke und/oder mehr nicht geneigte lamellierte geschichtete Blöcke enthalten.
7 zeigt ein Beispiel eines Statorkernsegments 700, das ähnlich dem Statorkernsegment aus 6 ist, aber stattdessen zwei geneigte lamellierte geschichtete Blöcke und einen einzelnen nicht geneigten lamellierten geschichteten Block enthält, wobei das Statorkernsegment 700 zwei geneigte lamellierte geschichtete Blöcke 702, 704 und mehrere nicht geneigte lamellierte geschichtete Blöcke 706, 708, 710 enthält. Eine Mittellinie verläuft zwischen den lamellierten geschichteten Blöcken 708, 710 und durch eine Mitte des lamellierten geschichteten Blocks 706, der zwischen den geneigten lamellierten geschichteten Blöcken 702, 704 und den nicht geneigten lamellierten geschichteten Blöcken 708, 710 angeordnet ist und sie berührt. Die lamellierten geschichteten Blöcke 708, 710 stehen miteinander und jeweils mit den lamellierten geschichteten Blöcken 702, 704 in Kontakt und können durch einen einzelnen lamellierten geschichteten Block ersetzt sein.
Die Breiten jedes der Blöcke 702, 704, 706, 708 und 710 können dieselben sein. Die Längen jedes der Blöcke 702, 704 können dieselben und länger als die Längen der Blöcke 706, 708 und 710 sein. Die Längen der Blöcke 706, 708 und 710 können dieselben sein. Die Tiefen von 702, 704, 706, 708 und 710 können dieselben sein. Die Breiten werden in einer Ringrichtung gemessen. Die Längen werden radial gemessen. Die Tiefen werden in einer Axialrichtung gemessen. Um die Herstellungskomplexität zu verringern, können die Breiten und Tiefen der Blöcke 702, 704, 706, 708 und 710 dieselben sein.
Jeder der lamellierten geschichteten Blöcke 702, 704, 708, 710 verläuft zu linearen Rändern eines radialen Außenrands (oder Außenumfangsrands) 720 des Segments 700. Der radiale Außenrand 720 kann bogenförmig sein. Die lamellierten geschichteten Blöcke 702, 704, 708, 710 können radiale Außenränder aufweisen, die in der Weise geformt sind, dass sie an die Form entsprechender Abschnitte des radialen Außenrands 720 angepasst sind.
Außerdem enthält das Segment 700 SMC-Komponenten 730, 732, 734, 736, 738. Die SMC-Komponenten 730, 732, 734, 736, 738 sind dreieckförmig. Die SMC-Komponente 730 ist zwischen den geneigten lamellierten beschichteten Blöcken 702, 704 und dem nicht geneigten lamellierten geschichteten Block 706 angeordnet und daran angehaftet. Die SMC-Komponenten 732, 734 sind zwischen den geneigten lamellierten geschichteten Blöcken 702, 704 und den nicht geneigten lamellierten geschichteten Blöcken 706, 708, 710 angeordnet und daran angehaftet. Die SMC-Komponenten 736, 738 sind zwischen den geneigten lamellierten geschichteten Blöcken 702, 704 und den nicht geneigten lamellierten geschichteten Blöcken 708, 710 angeordnet und daran angehaftet. Die SMC-Komponenten 736, 738 weisen radiale Außenränder 740, 742, die entlang des radialen Außenrands 720 verlaufen, auf. Jede der SMC-Komponenten 730, 732, 734, 736, 738 kann aus SMC-Material gebildet und wie hier beschrieben sein. Als ein Beispiel kann der Prozentsatz des lamellierten geschichteten Materials, bezogen auf ein Gesamtvolumen des Segments 700, 86 % oder ein anderer Prozentsatz sein.
Das Segment 700 kann keine Polschuhe enthalten. Gemäß einer Ausführungsform ist ein Statorkernzahn ähnlich dem Segment 700 gebildet und enthält er axial angeordnete Polschuhe. Die Polschuhe können teilweise aus SMC-Material gebildet sein. Die Blöcke 702, 704, 706, 708, 710 können ähnlich dem Beispiel aus 5 axial in die Polschuhe verlaufen. Obwohl das Segment 700 in der Weise gezeigt ist, dass es nur zwei geneigte lamellierte geschichtete Blöcke und nur drei nicht geneigte lamellierte geschichtete Blöcke enthält, kann das Segment 700 mehr geneigte lamellierte geschichtete Blöcke und/oder mehr nicht geneigte lamellierte geschichtete Blöcke enthalten.
8 zeigt ein Beispiel eines Statorkernsegments 600, das gestapelte lamellierte geschichtete Blöcke 802, 804, 806, 808 mit jeweiligen Breiten und die zusammen zu radialen Innen- und Außenumfangsrändern 810, 812 verlaufen enthält. Die lamellierten geschichteten Blöcke 802, 804, 806, 808 sind dafür konfiguriert, eine wie gezeigte abgestufte Struktur bereitzustellen. Für die lamellierten Blöcke 802, 804, 806, 808 sind jeweils die Breiten W1-W4 gezeigt. Wie gezeigt ist, ist die Breite W1 des Blocks 802 kleiner als die Breite W2 des Blocks 804, die kleiner als die Breite W3 des Blocks 806 ist. Die Breite W4 des Blocks 808 ist größer als die Breite W3. Obwohl die Blöcke 802, 804, 806, 808 relativ zu den ringförmigen geneigten Außenrändern 820, 822 des Segments 800 mit bestimmten Breiten gezeigt sind, können die Breiten der Blöcke 802, 804, 806, 808 relativ zu den Abständen zwischen den geneigten Rändern 820, 822 kleiner oder größer als gezeigt sein. Gemäß einer Ausführungsform sind die Breiten W1-W4 erhöht, so dass die lamellierten geschichteten Blöcke zu den geneigten Rändern 820, 822 verlaufen.
Die radialen Innen- und Außenumfangsränder 810, 812 können jeweils linear, bogenförmig und/oder wie gezeigt lineare Ränder sein. Der radiale Innenrand des lamellierten geschichteten Blocks 802 kann an die Form des radialen Innenumfangsrands 810 angepasst sein. Der radiale Außenrand des lamellierten geschichteten Blocks 808 kann an die Form des radialen Außenumfangsrands 812 angepasst sein. Als ein Beispiel kann der Prozentsatz des lamellierten geschichteten Materials, bezogen auf ein Gesamtvolumen des Segments 800, 75 % oder ein anderer Prozentsatz sein.
Das Segment 800 enthält zwei SMC-Komponenten 830, 832. Die SMC-Komponenten 830, 832 enthalten linear axiale äußerste Ränder und abgestufte axial innerste Ränder, die an angestufte axiale Außendimensionen der lamellierten geschichteten Blöcke 802, 804, 806, 808 angepasst sind. Die SMC-Komponenten 830, 832 sind an die axial äußersten Oberflächen der lamellierten geschichteten Blöcke 802, 804, 806, 808 angehaftet.
Das Segment 800 kann keine Polschuhe enthalten. Gemäß einer Ausführungsform ist ein Statorkernzahn ähnlich dem Segment 800 gebildet und enthält er axial angeordnete Polschuhe. Die Polschuhe können teilweise aus SMC-Material gebildet sein. Die Blöcke 802, 804, 806, 808 können ähnlich dem Beispiel aus 5 axial in die Polschuhe verlaufen. Obwohl das Segment 800 in der Weise gezeigt ist, dass es vier lamellierte geschichtete Blöcke enthält, kann das Segment mehr oder weniger lamellierte geschichtete Blöcke enthalten.
9 zeigt eine grafische Darstellung des Wirkungsgrads, die einen erhöhten Wirkungsgrad darstellt, wenn Hybridsegmente mit erhöhtem Verhältnis des lamellierten Strukturvolumens, bezogen auf das Gesamtstrukturvolumen, verwendet sind. Die grafische Darstellung enthält eine erste Kurve 900 und eine zweite Kurve 902. Die erste Kurve 900 ist eine beispielhafte Wirkungsgradkurve für einen ersten Motor, der einen ersten Statorkern enthält, der mit SMC-Material gebildete Segmente enthält, wobei die Segmente keine lamellierten geschichteten Blöcke enthalten. Ein Beispiel des ersten Statorkerns ist einer, der mit ähnlichen Segmenten wie den in 3 gezeigten gebildet ist. Die zweite Kurve 902 ist eine beispielhafte Wirkungsgradkurve für einen zweiten Motor, der einen zweiten Statorkern enthält, der Hybridsegmente enthält. Die Hybridsegmente enthalten sowohl SMC-Material als auch lamellierte geschichtete Blöcke. Ein Beispiel des zweiten Statorkerns ist einer, der mit ähnlichen Segmenten wie den in 5 gezeigten gebildet ist. Jede der Wirkungsgradkurven 900, 902 setzt Wirkungsgradprozentsätze relativ zum Drehmoment, z. B. gemessen in Newtonmetern (Nm), in Beziehung. Die Wirkungsgradkurven 900, 902 sind für eine bestimmte Motordrehzahl (z. B. 3500 Umdrehungen pro Minute (min^-1)). Je höher der Wirkungsgrad des Statorkerns ist, desto höher ist für einen selben zugeführten Spannungspegel und Strompegel das Ausgangsdrehmoment. Statorkerne, die mit Segmenten gebildet sind, wie sie in 6-8 gezeigt sind, sind effizienter als die Statorkerne, die in 3 und 5 gezeigt sind.
Die oben beschriebenen Beispiele enthalten das Minimieren der Anzahl von Lamellierungsschichten mit unterschiedlichen Seiten in Segmenten eines Statorkerns. Dies wird erreicht, während die Volumina lamellierter geschichteter Blöcke, die in gegebenen Gesamtvolumina der Segmente enthalten sind, maximiert werden, was den betrieblichen Wirkungsgrad maximiert.
Jeder der lamellierten geschichteten Blöcke aus 6-8 enthält Schichten (oder Bleche). Die Bleche können ein ferromagnetisches Material enthalten und können jeweils wenigstens eine Isolierschicht oder isolierende Beschichtung, die dazwischen angeordnet ist, aufweisen. Geeignete ferromagnetische Materialien für lamellierte Statorkernsegmente enthalten Magnetstahl. Die isolierenden Materialien, die zwischen benachbarten Schichten ineinandergreifen, können nichtmagnetische Materialien enthalten. Die isolierenden Materialien können (i) ein Material auf Siloxangrundlage wie etwa Silikonharz-Einbrennlack und/oder (ii) ein metallorganisches und/oder anorganisches isolierendes Material, das eine Silikatschicht, eine Oxidschicht, eine Phosphatschicht und Äquivalente und/oder Kombinationen davon enthalten kann, enthalten.
Wie gezeigt ist, weist jedes Blech jedes lamellierten geschichteten Blocks im Wesentlichen denselben Grundriss wie die anderen Bleche derselben lamellierten geschichteten Blöcke auf. Zum Beispiel kann jedes Blech jedes lamellierten geschichteten Blocks im Wesentlichen dieselben Dimensionen einschließlich derselben Breite, Länge und Dicke aufweisen, während Herstellungsabweichungen und Herstellungstoleranzen berücksichtigt werden. Die Bleche können rechteckförmige ringförmige Querschnitte aufweisen. Als ein Beispiel kann jedes Blech eine Dicke im Bereich von größer oder gleich 0,1 mm bis kleiner oder gleich etwa 0,5 mm aufweisen. Als ein Beispiel kann das Gesamtvolumen des mit lamellierten geschichteten Blöcken gefüllten Hybridsegments im Bereich von größer oder gleich etwa 10 Volumen-% bis kleiner oder gleich etwa 90 Volumen-% sein.
Als ein Beispiel können die lamellierten geschichteten Blöcke eines Segments parallel mit der Bildung der entsprechenden SMC-Komponenten gebildet werden. Daraufhin können die lamellierten geschichteten Blöcke an den SMC-Komponenten angehaftet werden. Als ein weiteres Beispiel können die lamellierten geschichteten Blöcke eines Segments relativ zueinander gebildet und angeordnet werden und können daraufhin die SMC-Komponenten darum gebildet werden, um Lücken zwischen den lamellierten geschichteten Blöcken und den Bereichen innerhalb einer Außeneinhüllenden des Segments, die nicht mit den lamellierten geschichteten Blöcken gefüllt sind, zu füllen.
Die Bildung jeder der SMC-Komponenten aus 6-8 kann die Verwendung eines oder mehrerer Vorgänger aus SMC-Material enthalten. Die Vorgänger können z. B. ferromagnetische Pulverpartikel und optionale Matrixmaterialien wie etwa Polymerharz enthalten. Die Vorläufer können in eine Form eingeführt werden und Gebiete zwischen und/oder um lamellierte geschichtete Blöcke, die darin angeordnet sind, füllen. Die Vorgänger können z. B. durch Ausüben einer Kompressionskraft auf die Form verdichtet werden. Gemäß bestimmten Aspekten kann der ausgeübte Druck größer oder gleich 1000 Megapascal (MPa) sein. Um die Matrixmaterialien reagieren zu lassen, z. B. zu polymerisieren oder zu vernetzen, können zusätzliche Wärme und/oder aktinische Strahlung angewendet werden. Zum Beispiel kann gemäß bestimmten Varianten ein Haftmittel oder Klebstoff an einer Grenzfläche dazwischen verwendet werden, um die Haftung des lamellierten Einsatzes an dem geformten SMC-Material zu verbessern.
Die Vorgänger können Partikel enthalten, die einen Magnetkern definieren, der von einer oder mehreren isolierenden Mantelschichten in einem Mantelgebiet umgeben ist. Das magnetische Material in dem Kern kann ferromagnetisch sein und Eisen (z. B. Eisen- oder Ferritpulver) oder andere magnetisierbare Materialien oder Legierungen, einschließlich z. B. Eisenlegierungen, die Silicium, Nickel und/oder Phosphor enthalten, enthalten. Andere Beispiele enthalten Seltenerdmetallverbindungen wie etwa jene, die Samarium (Sm), Neodym (Nd), Samarium-Kobalt (SmCo 1:5), Samarium-Kobalt (SmCo 2:17) und Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) enthalten. Andere Beispiele geeigneter magnetischer Partikel enthalten Aluminium-Nickel-Kobalt-Legierungen (AlNiCo-Legierungen). Ein durchschnittlicher Partikeldurchmesser der magnetischen Partikel kann größer oder gleich 50 Mikrometer bis kleiner oder gleich 250 Mikrometer sein. Als ein Beispiel kann der Partikeldurchmesser 100 Mikrometer sein. Das Kerngebiet, das das magnetische Material enthält, kann von einer oder mehreren Isolierschichten umgeben sein. Die Isolierschichten können ein nichtmagnetisches Material wie etwa ein Material auf Siloxangrundlage, ein Silikonharz-Einbrennlackmaterial oder ein metallorganisches oder anorganisches Isoliermaterial enthalten. Das anorganische Isoliermaterial kann z. B. eine Silikatschicht, eine Oxidschicht, eine Phosphatschicht und Äquivalente und Kombinationen davon enthalten. Die isolierenden Mantelschichten können eine Gesamtdicke größer oder gleich 10 Nanometer (nm) bis kleiner oder gleich etwa 1 Millimeter (mm) aufweisen. Als ein Beispiel können die isolierenden Mantelschichten eine Gesamtdicke größer oder gleich 10 nm bis kleiner oder gleich 800 Mikrometer aufweisen.
Ferner kann nach Bedarf eine Bindemittelschicht als eine Matrix dienen, um einzelne Partikel aneinander anhaften zu helfen. Das Bindemittel oder die Matrix kann beispielhaft einen Duroplast oder Thermoplast wie etwa Elastomere oder Polytetrafluorethylen oder alternativ ein Wachs enthalten.
Um die Vorgänger-SMC-Pulver zu pressen, um das geformte SMC-Material zu bilden, werden verhältnismäßig hohe Pressdrücke verwendet. Obwohl es verdichtet und komprimiert wird, wird angemerkt, dass das geformte SMC-Material nicht gesintert wird.
Auf diese Weise kann um einen lamellierten Einsatz, der mehrere lamellierte geschichtete Blöcke enthält, ein geformtes SMC-Material einteilig gebildet werden, das in dem geformten SMC-Material unlösbar sitzt. Somit bilden der lamellierte Einsatz und das geformte SMC-Material zusammen einen einheitlichen einzelnen Hybridzahn und/oder ein einheitliches einzelnes Hybridsegment. Es ist vorteilhaft, dass es möglich ist, einen äußeren Abschnitt des Hybridzahns und/oder Hybridsegments zu formen, um z. B. eine komplexe Form, wie sie in 5-8 gezeigt ist, (z. B. eine Form mit im Wesentlichen trapezförmigen Querschnitt) zu bilden. Wie gezeigt ist, kann das Hybridsegment eine Außenoberfläche definieren und zwei Polschuhe enthalten, die zusammen ringförmige ausgesparte Außengebiete definieren. Wie oben angemerkt ist, sind die ausgesparten Abschnitte dafür konfiguriert, gewickelte Drahtleiter (oder Wicklungen) aufzunehmen. Der Hybridzahn und/oder das Hybridsegment können eine Vielzahl anderer Formen und Konfigurationen aufweisen, um wenigstens einen Abschnitt einer oder mehrerer Drahtwicklungen aufzunehmen. Der Hybridzahn und die Hybridsegmente eines Statorkerns, die wie hier offenbart konfiguriert sind, können komplexe Formen aufweisen, während vorteilhaft durch Verringern von Wirbelströmen und der Hysterese wegen der Anwesenheit integrierter lamellierter Kerneinsätze eine verbesserte Leistungsfähigkeit bereitgestellt wird.
Obwohl im Folgenden ein Fahrzeugbeispiel beschrieben ist, ist die vorliegende Anmeldung ebenfalls auf Nicht-Fahrzeug-Implementierungen anwendbar. Die vorliegende Anmeldung ist auf andere Axialflussmotoranwendungen anwendbar. Es wird gewürdigt werden, dass die Konzepte nicht nur auf elektrische Axialflussmotoren, die aus elektrischer Energie mechanische Energie erzeugen, sondern auch auf Axialflussgeneratoren, die aus mechanischer Energie elektrische Energie erzeugen, anwendbar sind.
10 zeigt einen Abschnitt 1000 eines Fahrzeugs 1001 (als ein Fahrzeugsystem bezeichnet), das Axialflussmotoren 1004, 1005 enthält. Das Fahrzeugsystem enthält ein Steuermodul 1002, mehrere Axialflussmotoren 1004, 1005, eine Vorderachse 1006, Hinterachsen 1008, 1009, eine Benutzereingabevorrichtung 1010 und eine Lenkvorrichtung (z. B. ein Lenkrad) 1012. Das Steuermodul 1002 steuert auf der Grundlage von Drehmomentanforderungen die Verteilung des Ausgangsdrehmoments auf die Achsen 1006, 1008. Als ein Beispiel können die Drehmomentanforderungen durch einen Fahrer über eine Benutzereingabevorrichtung 1010 (z. B. ein Fahrpedal) oder über eine andere Eingabevorrichtung wie etwa einen Lenkwinkel (z. B. Winkel eines Lenkrads) bereitgestellt werden. Die Verteilung des Ausgangsdrehmoments ist durch eine Strichlinie 1016 dargestellt und Eingaben von der Benutzereingabevorrichtung 1010 und von der Lenkvorrichtung 1012 sind durch Pfeile 1017, 1018 dargestellt. Das Steuermodul 1002 kann die hier offenbarten Algorithmen implementieren. Gemäß dem gezeigten Beispiel ist der Axialflussmotor 1005 über ein Differentialverteilergetriebe 1020 mit den Hinterachsen 1008, 1009 verbunden. Die Achsen 1006, 1008, 1009 sind mit Antriebsreifen 1030 verbunden.
11 zeigt ein Fahrzeugsystem 1100 eines Fahrzeugs 1102, das einen oder mehrere Axialflussmotoren 1103 enthält. Das Fahrzeugsystem 1100 kann ähnlich wie das Fahrzeugsystem 10 arbeiten und/oder konfiguriert sein. Das Fahrzeugsystem 1100 kann ein Fahrwerksteuermodul 1104 und Drehmomentquellen wie etwa einen oder mehrere Axialflussmotoren 1103 und eine oder mehrere Kraftmaschinen (wobei eine Kraftmaschine 1108 gezeigt ist) enthalten. Ferner kann das Fahrzeugsystem 1100 Fahrzeugsensoren 1110 und Speicher 1112 enthalten. Das Fahrwerksteuermodul 1104 kann die Verteilung des Ausgangsdrehmoments auf die Achsen des Fahrzeugs 1102 über die Drehmomentquellen steuern. Das Fahrwerksteuermodul 1104 kann den Betrieb eines Vortriebssystems 1113, das die Axialflussmotoren 1103 und die Kraftmaschine(n) 1108 enthält, steuern.
Die Sensoren 1110 können einen Lenkungssensor 1120 (z. B. einen Lenkradsensor), einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 1122, Beschleunigungsmesser 1124, einen Fahrpedalsensor 1126, einen Gierratensensor 1128 und andere Sensoren 1130 enthalten. Das Fahrwerksteuermodul 1104 steuert die Drehmomentquellen auf der Grundlage von Ausgaben der Sensoren 1110.
Der Speicher 1112 kann Fahrzeugzustände 1140, Reifenkräfte 1142, Fahrereingaben 1144, Aktuatorbeschränkungen 1146 und andere Parameter und Daten 1148 speichern. Die Fahrzeugzustände 1140 können Längs-, Quer- und vertikale Kräfte enthalten. Die Reifenkräfte 1142 können Reifenkapazitätsniveaus angeben. Fahrereingaben 1144 können sich auf Fahrpedalpositionen, Lenkradeinschlagwinkel und/oder andere Fahrereingaben beziehen. Die Aktuatorbeschränkungen 1146 können maximale Ausgangsdrehmomente der Drehmomentquellen (oder wieviel Ausgangsdrehmoment jede Drehmomentquelle zu erzeugen in der Lage ist) enthalten. Die Kraftmaschine 1108 kann einen Startermotor 1150, ein Kraftstoffsystem 1152, ein Zündungssystem 1154 und ein Drosselsystem 1156 enthalten.
Ferner kann das Fahrzeug 1102 ein Karosseriesteuermodul (BCM) 1160, ein Telematikmodul 1162, ein Bremssystem 1163, ein Navigationssystem 1164, ein Infotainmentsystem 1166 und ein Klimatisierungssystem 1170 und andere Aktuatoren 1172, andere Vorrichtungen 1174 und andere Fahrzeugsysteme und Fahrzeugmodule 1176 enthalten. Die Module und Systeme 1104, 1160, 1162, 1164, 1166, 1170, 1176 können über einen Controller-Area-Network-Bus (CAN-Bus) 1178 und/oder über eine andere geeignete Kommunikationsschnittstelle miteinander kommunizieren. Es kann eine Leistungsquelle 1180 enthalten sein und das BCM 1160 und andere Systeme, Module, Vorrichtungen und/oder Komponenten mit Leistung versorgen. Die Leistungsquelle 1180 kann eine oder mehrere Batterien und/oder andere Leistungsquellen enthalten.
Das Telematikmodul 1162 kann Transceiver 1182 und ein Telematiksteuermodul 1184 enthalten. Das BCM 1160 kann die Module und Systeme 1162, 1163, 1164, 1166, 1170, 1176 und andere Aktuatoren, Vorrichtungen und Systeme (z. B. die Aktuatoren 1172 und die Vorrichtungen 1174) steuern. Diese Steuerung kann auf Daten von den Sensoren 1110 beruhen.
Die vorstehende Beschreibung ist dem Wesen nach lediglich veranschaulichend und soll die Offenbarung, ihre Anwendung oder Verwendungen in keiner Weise einschränken. Die umfassenden Lehren der Offenbarung können in einer Vielzahl von Formen implementiert werden. Obwohl diese Offenbarung bestimmte Beispiele enthält, soll der wahre Schutzumfang der Offenbarung somit nicht darauf beschränkt sein, da andere Änderungen bei einem Studium der Zeichnungen, der Beschreibung und der folgenden Ansprüche hervorgehen. Selbstverständlich können ein oder mehrere Schritte innerhalb eines Verfahrens in einer anderen Reihenfolge (oder gleichzeitig) ausgeführt werden, ohne die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung zu ändern. Obwohl jede der Ausführungsformen oben als mit bestimmten Merkmalen beschrieben worden ist, können ferner ein oder mehrere dieser in Bezug auf irgendeine Ausführungsform der Offenbarung beschriebenen Merkmale in und/oder zusammen mit Merkmalen irgendeiner der anderen Ausführungsformen implementiert werden, selbst wenn diese Kombination nicht explizit beschrieben ist. Mit anderen Worten, die beschriebenen Ausführungsformen schließen sich nicht gegenseitig aus und Vertauschungen einer oder mehrerer Ausführungsformen miteinander bleiben im Schutzumfang dieser Offenbarung.
Räumliche und funktionale Beziehungen zwischen Elementen (z. B. zwischen Modulen, Schaltungselementen, Halbleiterschichten usw.) sind unter Verwendung verschiedener Begriffe einschließlich „verbunden“, „in Eingriff“, „gekoppelt“, „benachbart“, „neben“, „auf“, „über“, „unter“ und „angeordnet“ beschrieben. Wenn eine Beziehung zwischen einem ersten und einem zweiten Element in der obigen Offenbarung nicht explizit als „direkt“ beschrieben ist, kann diese Beziehung eine direkte Beziehung sein, bei der zwischen dem ersten und dem zweiten Element keine anderen dazwischenliegenden Elemente vorhanden sind, kann sie aber ebenfalls eine indirekte Beziehung sein, bei der zwischen dem ersten und dem zweiten Element ein oder mehrere (entweder räumlich oder funktional) dazwischenliegende Elemente vorhanden sind. Wie die Formulierung wenigstens eines von A, B und C hier verwendet ist, soll sie ein logisches (A ODER B ODER C) unter Verwendung eines nicht ausschließenden logischen ODER bedeuten und ist sie nicht in der Bedeutung „wenigstens eines von A, wenigstens eines von B und wenigstens eines von C“ zu verstehen.
In den Figuren veranschaulicht die Richtung eines Pfeils, wie sie durch die Pfeilspitze angegeben ist, allgemein den Informationsfluss (wie etwa von Daten oder Anweisungen), der für die Darstellung von Interesse ist. Wenn z. B. ein Element A und ein Element B eine Vielzahl von Informationen austauschen, für die Darstellung aber von dem Element A zu dem Element B übertragene Informationen relevant sind, kann der Pfeil von dem Element A zu dem Element B weisen. Dieser einfachgerichtete Pfeil bedeutet nicht, dass keine anderen Informationen von dem Element B zu dem Element A übertragen werden. Ferner kann für von dem Element A zu dem Element B gesendete Informationen das Element B Anforderungen für die Informationen an das Element A senden oder deren Quittierungen empfangen.
In dieser Anmeldung einschließlich in den folgenden Definitionen kann der Begriff „Modul“ oder der Begriff „Controller“ durch den Begriff „Schaltung“ ersetzt werden.
Der Begriff „Modul“ kann sich auf: eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC); eine digitale, analoge oder gemischt analog/digitale diskrete Schaltung; eine digitale, analoge oder gemischt analog/digitale integrierte Schaltung; eine Kombinationslogikschaltung; eine frei programmierbare logische Anordnung (FPGA); eine Prozessorschaltung (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe), die Code ausführt; eine Speicherschaltung (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe), die durch die Prozessorschaltung ausgeführten Code speichert; andere geeignete Hardwarekomponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen; oder eine Kombination einiger oder aller der Obigen wie etwa in einem Ein-Chip-System beziehen, ein Teil davon sein oder sie enthalten.
Das Modul kann eine oder mehrere Schnittstellenschaltungen enthalten. Gemäß einigen Beispielen können die Schnittstellenschaltungen verdrahtete oder drahtlose Schnittstellen enthalten, die mit einem lokalen Netz (LAN), mit dem Internet, mit einem Weitverkehrsnetz (WAN) oder mit Kombinationen davon verbunden sind. Die Funktionalität irgendeines gegebenen Moduls der vorliegenden Offenbarung kann auf mehrere Module, die über Schnittstellenschaltungen verbunden sind, verteilt sein. Zum Beispiel können mehrere Module einen Lastausgleich ermöglichen. Gemäß einem weiteren Beispiel kann ein Servermodul (auch als entferntes Modul oder Cloud-Modul bekannt) einige Funktionalität im Auftrag eines Client-Moduls ausführen.
Der Begriff Code, wie er oben verwendet ist, kann Software, Firmware und/oder Mikrocode enthalten und kann sich auf Programme, Routinen, Funktionen, Klassen, Datenstrukturen und/oder Objekte beziehen. Der Begriff gemeinsam genutzte Prozessorschaltung umfasst eine einzelne Prozessorschaltung, die einen Teil des Codes oder allen Code von mehreren Modulen ausführt. Der Begriff Gruppenprozessorschaltung umfasst eine Prozessorschaltung, die einen Teil oder allen Code von einem oder von mehreren Modulen zusammen mit zusätzlichen Prozessorschaltungen ausführt. Bezugnahmen auf mehrere Prozessorschaltungen umfassen mehrere Prozessorschaltungen auf diskreten Chipplättchen, mehrere Prozessorschaltungen auf einem einzelnen Chipplättchen, mehrere Kerne einer einzelnen Prozessorschaltung, mehrere Threads einer einzelnen Prozessorschaltung oder eine Kombination der Obigen. Der Begriff gemeinsam genutzte Speicherschaltung umfasst eine einzelne Speicherschaltung, die einen Teil von oder allen Code von mehreren Modulen speichert. Der Begriff Gruppenspeicherschaltung umfasst eine Speicherschaltung, die einen Teil oder allen Code von einem oder mehreren Modulen zusammen mit zusätzlichen Speichern speichert.
Der Begriff Speicherschaltung ist eine Teilmenge des Begriffs computerlesbares Medium. Der Begriff computerlesbares Medium, wie er hier verwendet ist, umfasst keine transitorischen elektrischen oder elektromagnetischen Signale, die sich (wie etwa in einer Trägerwelle) durch ein Medium ausbreiten; somit kann der Begriff computerlesbares Medium als konkret und nichttransitorisch angesehen werden. Nicht einschränkende Beispiele eines nichttransitorischen, konkreten computerlesbaren Mediums sind nichtflüchtige Speicherschaltungen (wie etwa eine Flash-Speicherschaltung, eine löschbare, programmierbarere Nur-Lese-Speicherschaltung oder eine Masken-Nur-Lese-Speicherschaltung), flüchtige Speicherschaltungen (wie etwa eine statische Schreib-Lese-Speicherschaltung oder eine dynamische Schreib-Lese-Speicherschaltung), magnetische Ablagespeichermedien (wie etwa ein analoges oder digitales Magnetband oder ein Festplattenlaufwerk) und optische Ablagespeichermedien (wie etwa eine CD, eine DVD oder eine Blu-Ray-Disc).
Die in dieser Anmeldung beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren können teilweise oder vollständig durch einen durch Konfigurieren eines Universalcomputers zum Ausführen einer oder mehrerer bestimmter Funktionen, die in Computerprogrammen verkörpert sind, erzeugten Spezialcomputer implementiert werden. Die Funktionsblöcke, Ablaufplankomponenten und anderen Elemente, die oben beschrieben sind, dienen als Softwarespezifikationen, die durch die Routinearbeit eines erfahrenen Technikers oder Programmierers in die Computerprogramme übersetzt werden können.
Die Computerprogramme enthalten durch einen Prozessor ausführbare Anweisungen, die in wenigstens einem nichttransitorischen, konkreten computerlesbaren Medium gespeichert sind. Außerdem können die Computerprogramme gespeicherte Daten enthalten oder sich auf sie stützen. Die Computerprogramme können ein Basis-Eingabe/Ausgabe-System (BIOS), das mit Hardware des Spezialcomputers zusammenwirkt, Vorrichtungstreiber, die mit bestimmten Vorrichtungen des Spezialcomputers zusammenwirken, ein oder mehrere Betriebssysteme, Benutzeranwendungen, Hintergrunddienste, Hintergrundanwendungen usw. umfassen.
Die Computerprogramme können enthalten: (i) beschreibenden Text, der zu parsen ist, wie etwa HTML (Hypertext Markup Language), XML (Extensible Markup Language) oder JSON (JavaScript Object Notation), (ii) Assemblercode, (iii) Objektcode, der durch einen Compiler aus Quellcode erzeugt wird, (iv) Quellcode zur Ausführung durch einen Interpreter, (v) Quellcode zur Compilierung und Ausführung durch einen Just-in-time-Compiler usw. Nur als Beispiele kann Quellcode unter Verwendung einer Syntax aus Sprachen einschließlich C, C++, C#, Objective-C, Swift, Haskell, Go, SQL, R, Lisp, Java®, Fortran, Perl, Pascal, Curl, OCaml, Javascript®, HTML5 (Hypertext Markup Language, 5. Revision), Ada, ASP (Active Server Pages), PHP (PHP: Hypertext-Präprozessor), Scala, Eiffel, Smalltalk, Erlang, Ruby, Flash®, Visual Basic®, Lua, MATLAB, SIMULINK und Python® geschrieben sein.

Claims

Axialflussmotor, der umfasst: eine Welle; wenigstens einen Rotor, der mit der Welle verbunden ist; und einen Stator, der umfasst: einen Statorkern, wobei der Statorkern segmentiert und ringförmig ist und eine mittige Öffnung enthält, durch die die Welle zu dem wenigstens einen Rotor verläuft, der Statorkern ein Hybridsegment umfasst, das Hybridsegment mehrere weichmagnetische Verbundmaterialkomponenten und mehrere lamellierte geschichtete Blöcke umfasst, und die mehreren lamellierten geschichteten Blöcke zwei geneigte lamellierte geschichtete Blöcke enthalten, wobei ein Abstand zwischen den zwei geneigten lamellierten geschichteten Blöcken radial entlang einer radial verlaufenden Mittellinie des Hybridsegments zunimmt, und einen elektrisch leitfähigen Draht, der auf das Hybridsegment gewickelt ist.
Axialflussmotor nach Anspruch 1, wobei: das Hybridsegment ein erstes Hybridsegment ist; der Statorkern mehrere Hybridsegmente enthält; die mehreren Hybridsegmente das erste Hybridsegment enthalten; und jedes der mehreren Hybridsegmente mehrere weichmagnetische Verbundmaterialkomponenten und mehrere lamellierte geschichtete Blöcke umfasst.
Axialflussmotor nach Anspruch 2, wobei die mehreren lamellierten geschichteten Blöcke jedes der mehreren Hybridsegmente zwei geneigte lamellierte geschichtete Blöcke enthalten, wobei ein Abstand zwischen den zwei geneigten lamellierten geschichteten Blöcken jedes der mehreren Hybridsegmente radial entlang einer jeweils radial verlaufenden Mittellinie des ersten Hybridsegments zunimmt.
Axialflussmotor nach Anspruch 1, wobei das Hybridsegment einen oder mehrere nicht geneigte lamellierte geschichtete Blöcke enthält, die parallel und/oder radial entlang der radial verlaufenden Mittellinie verlaufen.
Axialflussmotor nach Anspruch 4, wobei der eine oder die mehreren nicht geneigten lamellierten geschichteten Blöcke einen einzelnen nicht geneigten lamellierten geschichteten Block enthalten, der von einem radial äußersten Rand des Hybridsegments entlang der radial verlaufenden Mittellinie radial nach innen zu den zwei geneigten lamellierten geschichteten Blöcken verläuft.
Axialflussmotor nach Anspruch 4, wobei die axialen Breiten der Schichten der zwei geneigten lamellierten geschichteten Blöcke dieselben wie die axialen Breiten der Schichten der einen oder mehreren nicht geneigten lamellierten geschichteten Blöcke sind.
Axialflussmotor nach Anspruch 1, wobei das Hybridsegment mehrere nicht geneigte lamellierte geschichtete Blöcke enthält, die parallel und/oder radial entlang der radial verlaufenden Mittellinie verlaufen.
Axialflussmotor nach Anspruch 7, wobei die axialen Breiten der Schichten der zwei geneigten lamellierten geschichteten Blöcke dieselben wie die axialen Breiten der Schichten des einen oder der mehreren nicht geneigten lamellierten geschichteten Blöcke sind.
Axialflussmotor nach Anspruch 7, wobei die mehreren nicht geneigten lamellierten geschichteten Blöcke umfassen: zwei nicht geneigte lamellierte geschichtete Blöcke, die zu einem radial äußersten Rand des Hybridsegments verlaufen; und einen einzelnen nicht geneigten lamellierten geschichteten Block, der von den zwei nicht geneigten lamellierten geschichteten Blöcken in Richtung der zwei geneigten lamellierten geschichteten Blöcke radial nach innen verläuft.
Axialflussmotor nach Anspruch 1, wobei die axialen Breiten der Schichten der zwei geneigten lamellierten geschichteten Blöcke dieselben sind.