DE102022111689A1

DE102022111689A1 - Rotorkerndesign

Info

Publication number: DE102022111689A1
Application number: DE102022111689.1A
Authority: DE
Inventors: Jian Yao; Chengwu Duan; Yusheng Zou
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2021-08-13
Filing date: 2022-05-10
Publication date: 2023-02-16
Also published as: US11689073B2; CN115912712A; US20230048820A1

Abstract

Ein Axialfluss-Elektromotor für ein Kraftfahrzeug umfasst eine Statorbaugruppe und eine Rotorbaugruppe, wobei die Rotorbaugruppe eine Vielzahl von Blechblöcken, die in einem ringförmigen Muster angeordnet sind, eine Vielzahl von leitenden Keilen, wobei ein leitender Keil zwischen jedem benachbarten Paar von Blechblöcken positioniert ist, wobei die Vielzahl von Blechblöcken und die Vielzahl von leitenden Keilen eine Rotorkernscheibe mit einem Innendurchmesser und einem Außendurchmesser und gegenüberliegenden axialen Flächen definieren, und eine Vielzahl von Permanentmagneten, die an einer der gegenüberliegenden axialen Flächen der Rotorkernscheibe befestigt sind, umfasst.

Description

EINFUHRUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen Axialfluss-Elektromotor zur Verwendung in einem Automobil und insbesondere auf einen Rotorkern für einen Axialfluss-Elektromotor, der sowohl weichmagnetisches Verbundmaterial (SMC) als auch Blechstapel enthält.
Ein Elektromotor ist eine Maschine, die elektrische Energie durch die Wirkung der in ihren Spulen erzeugten Magnetfelder in mechanische Energie umwandelt. Ein Elektromotor erzeugt eine Rotations- oder Kreisbewegung. Der zentrale Teil des Motors ist ein Zylinder, der Anker oder Rotor genannt wird. Der Rotor ist der Teil des Motors, der sich dreht. Ein Axialflussmotor (auch bekannt als Axialspaltmotor oder Pancake-Motor) ist eine Motorkonstruktion, bei der der Spalt zwischen Rotor und Stator und damit die Richtung des magnetischen Flusses zwischen den beiden parallel zur Rotationsachse ausgerichtet ist und nicht radial wie bei der konzentrischen zylindrischen Geometrie des häufigeren Radialspaltmotors. Bei einem Elektromotor mit axialem Fluss befindet sich der Stator neben dem Rotor und enthält isolierte Drahtspulen, in der Regel aus Kupfer. Wenn ein Strom an den Motor angelegt wird, erzeugt der Stator ein Magnetfeld, das den Rotor antreibt.
Rotorkerne, die vollständig aus Blechpaketen bestehen, die sich aus Lagen von Laminierstahl zusammensetzen, bieten eine gute Flussdurchlässigkeit und führen zu geringen Kernverlusten. Die Formung von Rotorkernen aus einem Blechpaket ist komplex und führt zu Herstellungs- und Kostenproblemen. Anstelle eines Blechpakets können weichmagnetische Verbundwerkstoffe verwendet werden. SMC-Materialien lassen sich leichter herstellen, bieten j edoch im Vergleich zu Blechpaketen eine geringere Flusspermeabilität und höhere Kernverluste. Rotorkerne enthalten Permanentmagnete, die in Umfangsrichtung auf dem Kern angeordnet sind. Flussströme fließen zwischen den Dauermagneten durch die Kernscheibe, was zu Bereichen führt, in denen die Flussströme hoch konzentriert sind, und zu Bereichen, in denen die Flussströme weniger konzentriert sind.
Während die derzeitigen Axialfluss-Elektromotorrotoren ihren Zweck erfüllen, besteht ein Bedarf an einem neuen und verbesserten Rotor und Axialfluss-Elektromotor mit einem Kern, der sowohl SMC-Materialien als auch Blechpakete umfasst, wobei die Blechpakete dort positioniert werden, wo die magnetische Flussdichte am höchsten ist, und SMC-Material dort verwendet wird, wo die Flussstromdichte geringer ist.
BESCHREIBUNG
Gemäß mehreren Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Axialfluss-Elektromotor für ein Kraftfahrzeug eine Statorbaugruppe und eine Rotorbaugruppe, wobei die Rotorbaugruppe eine Vielzahl von Blechblöcken, die in einem ringförmigen Muster angeordnet sind, eine Vielzahl von leitenden Keilen, wobei ein leitender Keil zwischen jedem benachbarten Paar von Blechblöcken positioniert ist, wobei die Vielzahl von Blechblöcken und die Vielzahl von leitenden Keilen eine Rotorkernscheibe mit einem Innendurchmesser und einem Außendurchmesser und gegenüberliegenden axialen Flächen definieren, und eine Vielzahl von Permanentmagneten, die an einer der gegenüberliegenden axialen Flächen der Rotorkernscheibe angebracht sind, umfasst. Gemäß mehreren Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Rotorkern für einen Axialfluss-Elektromotor für ein Kraftfahrzeug eine Vielzahl von Blechblöcken, die in einem ringförmigen Muster angeordnet sind, eine Vielzahl von leitenden Keilen, wobei ein leitender Keil zwischen jedem benachbarten Paar von Blechblöcken positioniert ist, wobei die Vielzahl von Blechblöcken und die Vielzahl von leitenden Keilen eine Rotorkernscheibe mit einem Innendurchmesser und einem Außendurchmesser und gegenüberliegenden axialen Flächen definieren, und eine Vielzahl von Permanentmagneten, die an einer der gegenüberliegenden axialen Flächen der Rotorkernscheibe befestigt sind.
Ein weiterer Aspekt ist, dass die Blechblöcke aus Lagen von Laminierstahl bestehen.
Ein weiterer Aspekt ist, dass die Blechblöcke im Allgemeinen eine rechteckige Form haben.
Nach einem anderen Aspekt sind die Blechblöcke gestuft.
Ein weiterer Aspekt ist, dass es sich bei dem Laminierstahl um einen kornorientierten Laminierstahl handelt.
Ein weiterer Aspekt ist, dass es sich bei dem Laminierstahl um einen nicht kornorientierten Laminierstahl handelt.
Ein weiterer Aspekt ist, dass die leitfähigen Keile aus einem weichmagnetischen Verbundmaterial bestehen.
Gemäß einem anderen Aspekt umfasst der Rotorkern außerdem eine Rückplatte, die aus weichmagnetischem Verbundmaterial besteht und einstückig mit der Vielzahl von leitenden Keilen ausgebildet ist, wobei die Rückplatte und die Vielzahl von leitenden Keilen einen Rahmen definieren und die Vielzahl von Blechblöcken von dem Rahmen getragen wird.
Weitere Anwendungsbereiche werden sich aus der vorliegenden Beschreibung ergeben. Es sollte verstanden werden, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur zur Veranschaulichung dienen und den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken sollen.
Figurenliste
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.

1 ist eine Explosionszeichnung eines Axialfluss-Elektromotors gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
2 ist eine perspektivische Ansicht einer Rotorkernscheibe gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
3 ist eine perspektivische Ansicht eines Rotorkerns gemäß einer beispielhaften Ausführungsform, die allgemein rechteckige Blechblöcke enthält;
4 ist eine Draufsicht auf den in 3 dargestellten Rotorkern;
5 ist eine Draufsicht auf einen Rotorkern gemäß einer beispielhaften Ausführungsform, die gestufte Blechblöcke enthält; und
6 ist eine perspektivische Ansicht eines Statorkerns gemäß einer beispielhaften Ausführungsform, einschließlich einer Rückplatte.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhaft und soll die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Verwendung nicht einschränken.
Bezug nehmend auf 1 umfasst ein Axialfluss-Elektromotor 10 für ein Kraftfahrzeug eine Rotorbaugruppe 12 und eine Statorkernbaugruppe 14. Die Rotorbaugruppe 12 kann einen einzelnen Rotor 12 umfassen, der neben der Statorkernbaugruppe 14 positioniert ist, oder alternativ kann die Rotorbaugruppe 12 zwei Rotoren 12 umfassen, von denen einer auf jeder Seite der Statorkernbaugruppe 14 positioniert ist, wie in 1 gezeigt.
Wie in 2 dargestellt, umfasst der Rotorkern 12 eine Vielzahl von ringförmig angeordneten Blechblöcken 16 und eine Vielzahl von leitenden Keilen 18. Ein leitender Keil 18 ist zwischen jedem benachbarten Paar von Blechblöcken 16 angeordnet. Die mehreren Blechblöcke 16 und die mehreren leitenden Keile 18 bilden eine Rotorkernscheibe 20 mit einem Innendurchmesser 22 und einem Außendurchmesser 24 und gegenüberliegenden axialen Flächen 26. Mehrere Permanentmagnete 28 sind an einer der gegenüberliegenden axialen Flächen 26 der Rotorkernscheibe 20 befestigt. Die Dauermagnete 28 sind an der axialen Fläche 26 des Rotorkerns 12 angeordnet, die dem Stator 14 zugewandt ist.
Die Blechblöcke 16 werden aus Lagen von Laminierstahl gebildet. Der Laminierstahl ist entweder kornorientiert oder nicht kornorientiert. Die Materialeigenschaften von kornorientiertem Laminierstahl sorgen für eine effiziente Leitung von Magnetfeldern 30 durch den Laminierstahl in einer bestimmten Richtung. Die Blechblöcke 16 werden mit Schichten aus kornorientiertem Laminierstahl gebildet, und die Blechblöcke 16 werden innerhalb des Rotorkerns 12 auf eine bestimmte Weise ausgerichtet, um eine effiziente Leitung der Magnetfelder 30 während des Betriebs des Elektromotors 10 zu fördern. Zur Berücksichtigung spezifischer Konstruktionserwägungen des Elektromotors 10 können die Blechblöcke 16 Lagen aus Laminierstahl mit einer geeigneten Dicke oder eine Kombination von Lagen aus Laminierstahl mit unterschiedlicher Dicke umfassen. Darüber hinaus können die Blechblöcke 16 aus verschiedenen Kombinationen von kornorientiertem und nicht kornorientiertem Laminierstahl gebildet werden.
Die leitenden Keile 18 sind aus einem weichmagnetischen Verbundmaterial geformt. Wie in 2 dargestellt, fließen Magnetfelder 30 zwischen benachbarten Dauermagneten 28, die um die axiale Fläche 26 des Rotorkerns 12 herum beabstandet sind. Die Blechblöcke 16 sind zwischen benachbarten Paaren von Dauermagneten 28 positioniert, um die Magnetfelder höherer Dichte 30 aufzunehmen, die durch diese Position fließen, wie bei 32 angegeben. Weichmagnetische Verbundwerkstoffe werden verwendet, um die leitfähigen Keile 18 zu bilden, die unmittelbar neben den Dauermagneten 28 angeordnet sind, wo die Dichte der Magnetfelder 30 geringer ist, wie bei 34 angegeben. Die höhere magnetische Permeabilität der Blechblöcke 16 wird an den Stellen 32 benötigt, an denen Magnetfelder hoher Dichte 30 fließen. Die geringere magnetische Permeabilität des weichmagnetischen Verbundmaterials der leitfähigen Keile 18 eignet sich für den Einsatz an den Stellen 34, an denen Magnetfelder geringerer Dichte 30 fließen.
Wie in 3 und 4 dargestellt, sind die Blechblöcke 16 in einer beispielhaften Ausführungsform im Allgemeinen rechteckig. Die Blechblöcke 16 sorgen für eine höhere Dichte der Magnetfelder 30. Wenn der Rotorkern 12 ein höheres Verhältnis von Blechblöcken 16 zu weichmagnetischem Verbundmaterial aufweist, ist das Drehmoment, das der Elektromotor 10 erzeugen kann, höher. Wie in 5 dargestellt, sind die Blechblöcke 16' in einer beispielhaften Ausführungsform gestuft. Durch die Verwendung von gestuften Blechblöcken 16' wird der Anteil des Blechblocks 16' am weichmagnetischen Verbundwerkstoff erhöht, wodurch die Drehmomenterzeugungskapazität des Elektromotors 10 gesteigert wird. Die Verwendung von Blechblöcken 16, 16' mit höherer magnetischer Permeabilität ermöglicht es auch, die Rotorkernscheibe 20 dünner zu gestalten als einen Rotorkern 12 mit einem geringeren Anteil an Blechblöcken 16 oder überhaupt keinen Blechblöcken 16.
Die in 3, 4 und 5 dargestellten Rotorkerne 12 umfassen zehn Blechblöcke 16, 16' und zehn leitende Keile 18. Der Fachmann sollte verstehen, dass jede geeignete Anzahl von abwechselnd angeordneten Blechblöcken 16, 16' und leitenden Keilen 18 verwendet werden kann, ohne dass dies vom Anwendungsbereich der vorliegenden Offenbarung abweicht.
Wie in 5 gezeigt, umfasst jeder Blechblock 16' einen ersten Abschnitt 36, der eine erste Breite 38 aufweist, und einen zweiten Abschnitt 40, der eine zweite Breite 42 aufweist, wobei die zweite Breite 42 geringer ist als die erste Breite 38. Es versteht sich, dass jeder Blechblock 16' eine beliebige Anzahl von Abschnitten mit allmählich kleineren Breiten näher am Innendurchmesser 22 des Rotorkerns 12 umfassen kann.
In einer anderen beispielhaften Ausführungsform (siehe 6) umfasst der Rotorkern 12 eine Rückplatte 44 aus weichmagnetischem Verbundmaterial. Die Rückplatte 44 und die Vielzahl der leitenden Keile 18 sind einstückig ausgebildet und bilden einen Rahmen 46. Dies bietet eine zusätzliche Struktur, um die Blechblöcke 16 zu stützen und die Blechblöcke 16 und die leitenden Keile 18 miteinander zu verbinden. Wie in 2 dargestellt, werden die Blechblöcke 16 und die leitenden Keile 18 ohne die Rückplatte 44 zusammengeklebt. Die Rückplatte 44 sorgt für deutlich mehr Steifigkeit, wenn die Blechblöcke 16 darauf geklebt werden. Darüber hinaus reduziert ein Rotorkern 12 mit einer Rückplatte 44 die Komplexität des Zusammenbaus des Rotorkerns 12 und verbessert die mechanischen Toleranzen des Rotorkerns 12.
Ein Rotorkern 12 und ein Axialfluss-Elektromotor 10 mit einem Rotorkern 12 gemäß der vorliegenden Offenbarung bietet mehrere Vorteile. Durch die Verwendung der höheren magnetischen Permeabilität der Blechblöcke 16 an den Stellen 32, an denen Magnetfelder hoher Dichte 30 fließen, kann eine höhere Drehmomentkapazität des Elektromotors 10 mit geringeren Kernverlusten erreicht werden. Durch die Verwendung der geringeren Flusspermeabilität des weichmagnetischen Verbundmaterials der leitfähigen Keile 18 an Positionen 34, an denen Magnetfelder geringerer Dichte 30 fließen, kann die Herstellbarkeit des Rotorkerns 12 vereinfacht werden, ohne die Leistung des Elektromotors 10 zu beeinträchtigen.
Die Beschreibung der vorliegenden Offenbarung ist lediglich beispielhaft, und Variationen, die nicht vom Kern der vorliegenden Offenbarung abweichen, sollen in den Anwendungsbereich der vorliegenden Offenbarung fallen. Solche Variationen sind nicht als Abweichung von Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung zu betrachten.

Claims

Ein Rotorkern für einen Axialfluss-Elektromotor, aufweisend: eine Vielzahl von Blechblöcken, die in einem ringförmigen Muster angeordnet sind; eine Vielzahl von leitenden Keilen, wobei ein leitender Keil zwischen jedem benachbarten Paar von Blechblöcken angeordnet ist, wobei die Vielzahl von Blechblöcken und die Vielzahl von leitenden Keilen eine Rotorkernscheibe mit einem Innendurchmesser und einem Außendurchmesser und gegenüberliegenden axialen Flächen definieren; und eine Vielzahl von Permanentmagneten, die an einer der gegenüberliegenden axialen Flächen der Rotorkernscheibe befestigt sind.
Rotorkern nach Anspruch 1, wobei die Blechblöcke aus Lagen von Laminierstahl gebildet sind.
Rotorkern nach Anspruch 2, wobei die Blechblöcke im Allgemeinen eine rechteckige Form haben.
Rotorkern nach Anspruch 2, wobei die Blechblöcke abgestuft sind.
Rotorkern nach Anspruch 2, wobei es sich bei dem Laminierstahl um einen kornorientierten Laminierstahl handelt.
Rotorkern nach Anspruch 2, wobei es sich bei dem Laminierstahl um einen nicht kornorientierten Laminierstahl handelt.
Rotorkern nach Anspruch 2, wobei die leitenden Keile aus einem weichmagnetischen Verbundmaterial gebildet sind.
Rotorkern nach Anspruch 7, der ferner eine Rückplatte aus weichmagnetischem Verbundmaterial aufweist, die einstückig mit der Mehrzahl von leitenden Keilen ausgebildet ist, wobei die Rückplatte und die Mehrzahl von leitenden Keilen einen Rahmen bilden und die Mehrzahl von Blechblöcken von dem Rahmen getragen wird.
Ein Axialfluss-Elektromotor, umfassend: eine Statorbaugruppe; und eine Rotorbaugruppe, wobei die Rotorbaugruppe umfasst: eine Vielzahl von Blechblöcken, die in einem ringförmigen Muster angeordnet sind; eine Vielzahl von leitenden Keilen, wobei ein leitender Keil zwischen jedem benachbarten Paar von Blechblöcken angeordnet ist, wobei die Vielzahl von Blechblöcken und die Vielzahl von leitenden Keilen eine Rotorkernscheibe mit einem Innendurchmesser und einem Außendurchmesser und gegenüberliegenden axialen Flächen definieren; und eine Vielzahl von Permanentmagneten, die an einer der gegenüberliegenden axialen Flächen der Rotorkernscheibe befestigt sind.
Axialfluss-Elektromotor nach Anspruch 9, wobei die Blechblöcke aus Lagen von Laminierstahl gebildet sind.