DE102022120479A1

DE102022120479A1 - Elektrische maschinen mit einem radial eingebetteten permanentmagnet-rotor und verfahren dazu

Info

Publication number: DE102022120479A1
Application number: DE102022120479.0A
Authority: DE
Inventors: Mark Thiele; Greg Heins; Dean James Patterson
Original assignee: Regal Beloit Australia Pty Ltd
Current assignee: Regal Beloit Australia Pty Ltd
Priority date: 2021-08-16
Filing date: 2022-08-12
Publication date: 2023-02-16
Also published as: US20230052600A1; CN115706466A

Abstract

Eine Rotorbaugruppe zur Verwendung in einer Radialfluss-Elektromotorbaugruppe umfasst einen Rotorkern mit einer Vielzahl von Rotorpolen, die in Umfangsrichtung um eine Mittelachse herum beabstandet sind, wobei der Rotorkern ein erstes Ende und ein gegenüberliegendes zweites Ende umfasst. Die Rotorbaugruppe umfasst ferner eine Vielzahl von Kernmagneten, die abwechselnd mit der Vielzahl von Rotorpolen beabstandet sind. Die mehreren Rotorpole definieren eine radiale Öffnung zwischen jedem Paar von in Umfangsrichtung benachbarten Rotorpolen, und jede radiale Öffnung ist so konfiguriert, dass sie mindestens einen Kernmagneten der mehreren Kernmagneten darin aufnimmt. Eine Vielzahl von Endmagneten ist mit mindestens einem von dem ersten Ende und dem zweiten Ende gekoppelt, und mindestens eine Endplatte ist mit der Vielzahl von Endmagneten gekoppelt.

Description

HINTERGRUND
Das Gebiet der Offenbarung bezieht sich allgemein auf Elektromotoren und insbesondere auf radial eingebettete Permanentmagnet-Rotoren und Verfahren zur Geräuschminderung während des Betriebs.
Radialfluss-Elektromaschinen enthalten im Allgemeinen Permanentmagnete, die in einem Rotorkern angeordnet sind, der gemeinhin als Innenrotor mit Permanentmagneten bezeichnet wird. Der Rotor ist aus mehreren Blechen und in Umfangsrichtung beabstandeten Polen gebildet. Zwischen benachbarten Polen werden Schlitze gebildet, in die Magnete eingesetzt werden. In einigen bekannten Radialfluss-Elektromaschinen kann jedoch der Fluss über die Blechpole entweichen und aus dem Rotor herausstrahlen, was in der nahe gelegenen leitenden Struktur Wirbelströme induzieren kann. Der Streufluss ist zwar relativ gering, kann aber erhebliche Wirbelstromverluste verursachen, die sich sowohl auf das Drehmoment als auch auf den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine im Betrieb nachteilig auswirken.
Zumindest bei einigen Radialfluss-Elektromaschinen wird die axiale Länge des Rotors vergrößert, d. h. es werden zusätzliche Lamellen verwendet, um den aus dem Streufluss resultierenden Drehmomentverlust auszugleichen. Zusätzliche Bleche erhöhen jedoch unerwünschterweise die Kosten und die Gesamtgröße der elektrischen Maschine und erfordern außerdem eine separate Werkzeugausstattung.
In ähnlicher Weise verwenden zumindest einige Radialfluss-Elektromaschinen eine Überformungstechnik, um die Robustheit der Rotorstruktur zu erhöhen. Das Umspritzen erfordert jedoch zusätzliche Werkzeuge und Fertigungsschritte, die die Kosten der elektrischen Maschine erhöhen.
KURZBESCHREIBUNG
In einer Ausführungsform ist eine Rotorbaugruppe zur Verwendung in einer Radialfluss-Elektromotorbaugruppe vorgesehen. Die Rotorbaugruppe umfasst einen Rotorkern mit einer Vielzahl von Rotorpolen, die in Umfangsrichtung um eine Mittelachse herum beabstandet sind, wobei der Rotorkern ein erstes Ende und ein gegenüberliegendes zweites Ende umfasst. Die Rotorbaugruppe umfasst ferner eine Vielzahl von Kernmagneten, die abwechselnd mit der Vielzahl von Rotorpolen beabstandet sind. Die mehreren Rotorpole definieren eine radiale Öffnung zwischen jedem Paar von in Umfangsrichtung benachbarten Rotorpolen, und jede radiale Öffnung ist so konfiguriert, dass sie mindestens einen Kernmagneten der mehreren Kernmagneten darin aufnimmt. Eine Vielzahl von Endmagneten ist mit mindestens einem von dem ersten Ende und dem zweiten Ende gekoppelt, und mindestens eine Endplatte ist mit der Vielzahl von Endmagneten gekoppelt.
In einer anderen Ausführungsform wird eine Elektromotorbaugruppe bereitgestellt. Die Elektromotorbaugruppe umfasst eine Statorbaugruppe mit einem Statorkern und einer Vielzahl von Wicklungen. Die Motorbaugruppe umfasst auch eine Rotorbaugruppe mit einem Rotorkern mit einer Vielzahl von Rotorpolen, die in Umfangsrichtung um eine Mittelachse herum beabstandet sind, wobei der Rotorkern ein erstes Ende und ein gegenüberliegendes zweites Ende umfasst. Die Rotorbaugruppe umfasst ferner eine Vielzahl von Kernmagneten, die abwechselnd mit der Vielzahl von Rotorpolen beabstandet sind. Die mehreren Rotorpole definieren eine radiale Öffnung zwischen jedem Paar von in Umfangsrichtung benachbarten Rotorpolen, und jede radiale Öffnung ist so konfiguriert, dass sie mindestens einen Kernmagneten der mehreren Kernmagneten darin aufnimmt. Mehrere Endmagnete der Rotorbaugruppe sind mit dem ersten und/oder dem zweiten Ende verbunden, und mindestens eine Stahlendplatte der Rotorbaugruppe ist mit den mehreren Endmagneten verbunden.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine Rotorbaugruppe zur Verwendung in einer Radialfluss-Elektromotorbaugruppe bereitgestellt. Die Rotorbaugruppe umfasst einen Rotorkern mit einer Vielzahl von Rotorpolen, die in Umfangsrichtung um eine Mittelachse herum beabstandet sind, wobei der Rotorkern ein erstes Ende und ein gegenüberliegendes zweites Ende umfasst. Die Rotorbaugruppe umfasst ferner eine Vielzahl von Kernmagneten, die abwechselnd mit der Vielzahl von Rotorpolen beabstandet sind. Die mehreren Rotorpole definieren eine radiale Öffnung zwischen jedem Paar von in Umfangsrichtung benachbarten Rotorpolen, und jede radiale Öffnung ist so konfiguriert, dass sie mindestens einen Kernmagneten der mehreren Kernmagneten darin aufnimmt. Die Rotorbaugruppe umfasst auch mindestens eine Stahlendplatte, die mit dem Rotorkern und den Kernmagneten verbunden ist.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Schnittansicht einer beispielhaften Elektromotorbaugruppe;
2 ist eine Endansicht einer Statorbaugruppe und einer Rotorbaugruppe der in 1 dargestellten Elektromotorbaugruppe;
3 ist eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Rotorkerns, der in die in 1 dargestellte Elektromotorbaugruppe eingebaut werden kann;
4 ist eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Rotorbaugruppe, die den in 3 gezeigten Rotorkern enthält und die in die in 1 gezeigte Elektromotorbaugruppe eingebaut werden kann;
5 ist eine teilweise Explosionsdarstellung der in 4 gezeigten Rotoreinheit;
6 ist eine Querschnittsansicht der in 4 dargestellten Rotoreinheit;
7 ist eine perspektivische Ansicht einer in 4 gezeigten, teilweise montierten Rotoreinheit; und
8 ist eine Querschnittsansicht einer alternativen Rotorbaugruppe, die den in 3 gezeigten Rotorkern enthält und die in die in 1 gezeigte Elektromotorbaugruppe eingebaut werden kann.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1 ist eine perspektivische Schnittdarstellung eines beispielhaften Elektromotors 10. Obwohl er hier als Elektromotor 10 bezeichnet wird, kann der Elektromotor 10 entweder als Generator oder als Motor betrieben werden. Der Elektromotor 10 umfasst ein erstes Ende 12, ein zweites Ende 14 und ein Motorbaugruppengehäuse 16. Der Elektromotor 10 umfasst auch eine Statoranordnung 18 und eine Rotorbaugruppe 20. Das Motorgehäuse 16 definiert einen Innenraum 22 und eine Außenseite 24 des Motors 10 und ist so gestaltet, dass es die Statorbaugruppe 18 und die Rotorbaugruppe 20 zumindest teilweise umschließt und schützt. Die Statorbaugruppe umfasst einen Statorkern 28, der eine Vielzahl von Zähnen 30 und eine Vielzahl von Wicklungen 32 umfasst, die um die Statorzähne 30 gewickelt sind. In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Statorbaugruppe 18 eine dreiphasige Statorbaugruppe mit ausgeprägten Polen, und der Statorkern 28 ist aus einem Stapel von Blechen aus hochmagnetisch permeablem Material gebildet. Alternativ ist die Statorbaugruppe 18 eine einphasige Statorbaugruppe mit ausgeprägten Polen. Die Statorbaugruppe 18 kann eine im Wesentlichen runde, segmentierte oder aufgerollte Statorkonstruktion sein, und die Wicklungen 32 sind auf dem Statorkern 28 in jeder geeigneten Weise gewickelt, die es dem Motor 10 ermöglicht, wie hier beschrieben zu funktionieren. Beispielsweise können die Wicklungen 32 als konzentrierte oder überlappende Wicklungen ausgeführt sein.
Die Rotorbaugruppe 20 umfasst einen Permanentmagnet-Rotorkern 36 und eine Welle 38. In der beispielhaften Ausführungsform wird der Rotorkern 36 aus einem Stapel von Lamellen aus magnetisch permeablem Material gebildet. Der Rotorkern 36 wird im Wesentlichen in einer zentralen Bohrung des Statorkerns 28 aufgenommen, um sich entlang einer Drehachse X zu drehen. In 1 sind der Einfachheit halber der Rotorkern 36 und der Statorkern 28 als Festkörper dargestellt. Während 1 eine Darstellung eines dreiphasigen Elektromotors ist, können die hier beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen in Motoren mit einer beliebigen Anzahl von Phasen, einschließlich einphasiger und mehrphasiger Elektromotoren, eingesetzt werden.
In der beispielhaften Ausführungsform ist der Elektromotor 10 mit einem Ventilator oder Zentrifugalgebläse (nicht dargestellt) gekoppelt, um Luft durch ein Luftaufbereitungssystem zu bewegen, um Luft über Kühl- oder Heizschlangen zu blasen und/oder um einen Kompressor in einem Klima-/Kältesystem anzutreiben. Genauer gesagt kann der Motor 10 in Luftbewegungsanwendungen in der Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagenindustrie (HVAC) eingesetzt werden, z. B. in Wohngebäuden, wo Motoren mit einer Leistung von 1/5 PS bis 1 PS verwendet werden. Alternativ kann der Motor 10 auch zum Pumpen von Flüssigkeiten eingesetzt werden. Der Motor 10 kann auch in gewerblichen und industriellen Anwendungen und/oder als hermetischer Kompressormotor in Klimaanlagen eingesetzt werden, wo der Motor 10 eine Leistung von mehr als 1 PS haben kann. Obwohl hier im Zusammenhang mit einem Luftaufbereitungssystem beschrieben, kann der Elektromotor 10 mit jeder geeigneten Arbeitskomponente in Eingriff kommen und so konfiguriert sein, dass er eine solche Arbeitskomponente antreibt.
2 ist eine Querschnittsendansicht eines beispielhaften Elektromotors 100 mit einer Mittelachse 102, der eine Statoranordnung 104 und eine Rotorbaugruppe 106 umfasst. Die Statorbaugruppe 104 umfasst einen ringförmigen Kern 108 mit einem Statorjoch oder einer Basis 110 und einer Vielzahl von Statorzähnen 112, die sich von der Basis 110 radial nach innen erstrecken. In der beispielhaften Ausführungsform ist eine Vielzahl von Wicklungen 114 um die Statorzähne 112 gewickelt, so dass jeder Zahn 112 eine einzelne Wicklung 114 enthält. In anderen Ausführungsformen umfasst die Statorbaugruppe 104 eine Wicklung 114 für jeden zweiten Zahn 112.
Die Statorbasis 110 umfasst eine Innenfläche 116 und eine Außenfläche 118. Die Innenfläche 116 und die Außenfläche 118 erstrecken sich um die Mittelachse 102 und sind radial voneinander beabstandet. Die Innenfläche 116 und die Außenfläche 118 definieren eine Dicke 120 der Basis 110 dazwischen. In alternativen Ausführungsformen umfasst die Statorbaugruppe 104 eine beliebige Basis 110, die es der Motorbaugruppe 100 ermöglicht, wie hier beschrieben zu arbeiten.
In der beispielhaften Ausführungsform hat die Statorbaugruppe 104 außerdem einen Außendurchmesser D1, der durch die Basis 110 definiert ist. In einigen Ausführungsformen liegt der Außendurchmesser D1 in einem Bereich von etwa 100 mm (4 Zoll (in.)) bis etwa 350 mm (14 in.). In einigen Ausführungsformen hat die Basis 110 beispielsweise einen Außendurchmesser von etwa 240 mm (9,5 Zoll) oder etwa 310 mm (12,2 Zoll). In alternativen Ausführungsformen hat die Statorbaugruppe 104 einen beliebigen Durchmesser, der den Betrieb der Motorbaugruppe 100 wie hier beschrieben ermöglicht.
Darüber hinaus erstrecken sich die Statorzähne 112 in der beispielhaften Ausführungsform radial von der Basis 110. In einigen Ausführungsformen sind die Statorzähne 112 fest mit der Basis 110 verbunden. In weiteren Ausführungsformen sind die Statorzähne 112 mit der Basis 110 verbunden. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst jeder Statorzahn 112 eine distale Spitze 122, die in der Nähe der Rotoreinheit 106 angeordnet ist.
Darüber hinaus sind in der beispielhaften Ausführungsform die Statorzähne 112 in Umfangsrichtung um die Basis 110 herum beabstandet und bilden dazwischen Schlitze 124. Die Statorzähne 112 sind so konfiguriert, dass sie die Leitspulen oder Wicklungen 114 aufnehmen, so dass sich die Wicklungen 114 um die Zähne 112 und durch die Schlitze 124 erstrecken. In einigen Ausführungsformen definieren die Statorzähne 112 nicht mehr als 24 Schlitze. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst die Statorbaugruppe 104 achtzehn Statorzähne 112, die achtzehn Schlitze 124 definieren. In alternativen Ausführungsformen umfasst die Motorbaugruppe 100 eine beliebige Anzahl von Statorzähnen 112, z. B. zwölf, die es der Motorbaugruppe 100 ermöglichen, wie hier beschrieben zu arbeiten.
In einigen Ausführungsformen wird die Statorbaugruppe 104 aus einer Vielzahl von Blechen zusammengesetzt. Jedes der mehreren Bleche wird in einer gewünschten Form und Dicke geformt. Die Bleche werden miteinander verbunden, um die Statorbaugruppe 104 mit der gewünschten Gesamtdicke zu bilden. In weiteren Ausführungsformen umfasst die Statorbaugruppe 104 eine erste Konfiguration, z. B. eine flache oder streifenförmige Konfiguration, und eine zweite Konfiguration, z. B. eine runde Konfiguration. Die Statorbaugruppe 104 wird von der ersten Konfiguration zur zweiten Konfiguration bewegt oder „gerollt“, um eine aufgerollte Statorbaugruppe 104 mit einer im Wesentlichen zylindrischen Form zu bilden. In alternativen Ausführungsformen wird die Statorbaugruppe 104 auf eine beliebige Weise zusammengebaut, die es der Statorbaugruppe 104 ermöglicht, wie hier beschrieben zu funktionieren.
In der beispielhaften Ausführungsform umfasst die Außenfläche 118 außerdem gebogene Abschnitte 126 und gerade Abschnitte 128. Die gekrümmten Abschnitte 126 erstrecken sich in Umfangsrichtung um die Basis 110. Die geraden Abschnitte 128 erstrecken sich entlang der Sehnen zwischen den gekrümmten Abschnitten 126. Darüber hinaus erstrecken sich die gekrümmten Abschnitte 126 und die geraden Abschnitte 128 in Längsrichtung relativ zur Mittelachse 102 von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende der Basis 110. Die gekrümmten Abschnitte 126 verleihen der Basis 110 eine erhöhte Festigkeit, um die Ringspannungskapazität zu erhöhen und der Verformung der Basis 110 zu widerstehen. In alternativen Ausführungsformen umfasst die Außenfläche 118 einen beliebigen Abschnitt, der es der Motorbaugruppe 100 ermöglicht, wie hier beschrieben zu funktionieren. In einigen Ausführungsformen ist die Außenfläche 118 beispielsweise um den gesamten Umfang der Basis 110 gekrümmt.
Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 3 umfasst die Rotorbaugruppe 106 einen Rotorkern 130 mit einem Nabenabschnitt 132 und einer Vielzahl von Rotorpolen 134, die in Umfangsrichtung um den Nabenabschnitt 132 herum angeordnet sind. Der Nabenabschnitt 132 enthält eine Öffnung, die so konfiguriert ist, dass sie eine drehbare Welle 136 aufnimmt, die mit einer Last verbunden ist. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst der Rotorkern 130 auch eine Vielzahl von Kernmagneten 138, die abwechselnd mit der Vielzahl von Rotorpolen 134 beabstandet sind. Die mehreren Rotorpole 134 definieren eine radiale Öffnung 140 zwischen jedem Paar von in Umfangsrichtung benachbarten Rotorpolen 134, und jede radiale Öffnung 140 ist so konfiguriert, dass sie mindestens einen Kernmagneten 138 darin aufnimmt.
Dementsprechend ist die Rotorbaugruppe 106 in der beispielhaften Ausführungsform ein Speichenrotor und so konfiguriert, dass sie im Vergleich zu zumindest einigen bekannten Rotorbaugruppen einen erhöhten magnetischen Fluss liefert. Die Statorbaugruppe 104 ist so konfiguriert, dass sie Kapazitäten für den erhöhten magnetischen Fluss und die erhöhte Ringspannung aufgrund des erhöhten magnetischen Flusses bereitstellt. In alternativen Ausführungsformen umfasst die Motorbaugruppe 100 eine beliebige Rotorbaugruppe 106, die es der Motorbaugruppe 100 ermöglicht, wie hier beschrieben zu arbeiten.
3 ist eine perspektivische Ansicht des Rotorkerns 130, die die Vielzahl von Rotorpolen 134 zeigt, die in der in 2 gezeigten Radialfluss-Elektromotorbaugruppe 100 enthalten sein können. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst die Rotorbaugruppe 106, die auch als radial eingebetteter Permanentmagnetrotor bezeichnet wird, den Rotorkern 130 und die Welle 136. Beispiele für Motoren, die radial eingebettete Dauermagnetrotoren enthalten können, sind unter anderem elektronisch kommutierte Motoren (ECM). ECMs können unter anderem bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC), bürstenlose Wechselstrommotoren (BLAC) und Motoren mit variabler Reluktanz umfassen. Darüber hinaus wird die Rotorbaugruppe 20 durch eine elektronische Steuerung (nicht abgebildet) angetrieben, z. B. eine sinusförmige oder trapezförmige elektronische Steuerung.
Der Rotorkern 130 ist im Wesentlichen zylindrisch und umfasst einen Außenumfang 142 und eine zentrale Wellenöffnung 144 mit einem Durchmesser, der dem Durchmesser der Welle 136 entspricht. Der Rotorkern 130 und die Welle 136 sind konzentrisch und so konfiguriert, dass sie sich um die Drehachse 102 drehen. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst der Rotorkern 130 eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Rotorpolen 134, die jeweils eine Außenwand 146 entlang des äußeren Rotorumfangs 142 aufweisen. Ferner umfasst der Rotorkern 130 einen Rotordurchmesser D2, der zwischen den Mittelpunkten der Außenwände 146 der gegenüberliegenden Rotorpole 134 definiert ist. Wie hier verwendet, soll der Begriff „im Wesentlichen zylindrisch“ beschreiben, dass der Rotorkern 130 einen allgemein kreisförmigen oder ovalen Querschnitt aufweist, aber nicht perfekt kreisförmig sein muss. Beispielsweise kann der Rotorkern 130 einen oder mehrere abgeflachte oder ebene Abschnitte aufweisen, die über den Außenumfang 142 verteilt sind, oder die Außenwände 146 der Rotorpole 134 können einen anderen Radius als der gesamte Rotorkern 130 oder sogar unterschiedliche Radien zwischen den Umfangsenden der einzelnen Pole 134 aufweisen. Obwohl in Bezug auf den Rotorkern 130 beschrieben, gilt der Begriff „im Wesentlichen zylindrisch“ für jeden Rotorkern der Offenbarung.
Wie in 3 gezeigt, ist in der beispielhaften Ausführungsform jeder Rotorpol 134 über einen Steg 148 mit dem Nabenteil 132 verbunden. Die Nabe 132 definiert die Wellenöffnung 144. In anderen Ausführungsformen können weniger als alle Rotorpole 134 mit der Nabe 132 verbunden sein. Darüber hinaus besteht der Rotorkern 130 und damit jeder Rotorpol 134 in der beispielhaften Ausführungsform aus einer Vielzahl von gestapelten Lamellen 150, die durch Verriegelung, Kleben, Schweißen, Verschrauben oder Nieten miteinander verbunden sind. Beispielsweise werden die Bleche 150 aus mehreren gestanzten Schichten aus gestanztem Metall wie Stahl hergestellt.
Darüber hinaus enthält der Rotorkern 130 in der beispielhaften Ausführungsform eine Vielzahl von radialen Öffnungen 140, die abwechselnd mit den Rotorpolen 134 beabstandet sind. Jede radiale Öffnung 140 ist so konfiguriert, dass sie einen oder mehrere Permanentmagnete 138 aufnimmt, so dass jeder Magnet 138 radial in den Rotorkern 130 eingebettet ist und sich zumindest teilweise von einem ersten Ende 152 des Rotors zu einem zweiten Ende 154 des Rotors erstreckt. In der beispielhaften Ausführungsform sind die radialen Öffnungen 140 im Allgemeinen rechteckig. Alternativ können die radialen Öffnungen 140 jede geeignete Form haben, die der Form der Permanentmagnete entspricht, die es dem Elektromotor ermöglicht, wie hier beschrieben zu funktionieren. In der beispielhaften Ausführungsform sind die Permanentmagnete 138 keramische Magnete, die in einer Richtung tangential zur Drehachse X magnetisiert sind. Der Magnet 116 kann jedoch aus jedem geeigneten Material hergestellt werden, das es dem Motor 10 ermöglicht, wie hier beschrieben zu funktionieren, z. B. gebundenes Neodym, AlNiCo, gesintertes Neodym, gebundenes und keramisches Ferrit und/oder Samariumkobalt.
In der beispielhaften Ausführungsform ist die Anzahl der radialen Öffnungen 140 gleich der Anzahl der Rotorpole 134, und ein Magnet 138 ist in jeder radialen Öffnung 140 zwischen einem Paar Rotorpole 134 angeordnet. Obwohl der Rotorkern 130 mit zehn Rotorpolen 134 dargestellt ist, kann er eine beliebige Anzahl von Polen haben, die es dem Motor 100 ermöglicht, wie hier beschrieben zu funktionieren, z. B. sechs, acht oder zwölf Pole.
In der beispielhaften Ausführungsform enthält jeder Rotorpol 134 ein oder mehrere Permanentmagnet-Halteelemente oder Vorsprünge 156. Zum Beispiel befindet sich ein erstes Paar von Vorsprüngen 158 in der Nähe der Polaußenwand 146 entlang der Rotoraußenkante 142 und erstreckt sich von den Umfangsendwänden 160 und 162 in benachbarte radiale Öffnungen 140. Jeder Vorsprung 156 des ersten Paares von Vorsprüngen 158 ist so konfiguriert, dass er den Halt des Magneten 138 in der radialen Öffnung 140 erleichtert, indem er im Wesentlichen eine Bewegung des Magneten 138 in radialer Richtung zur Außenkante 142 verhindert. Ferner befindet sich ein zweites Paar von Vorsprüngen 164 in der Nähe des Stegs 148 und erstreckt sich neben den radialen Öffnungen 140 von den Umfangsendwänden 160 und 162. Jeder Vorsprung 156 des zweiten Paares von Vorsprüngen 164 ist so konfiguriert, dass er den Halt des Magneten 138 in der radialen Öffnung 140 erleichtert, indem er im Wesentlichen eine Bewegung des Magneten 138 in radialer Richtung zur Welle 136 verhindert. Alternativ kann der Rotorkern 130 eine beliebige Anzahl und Position von Vorsprüngen 156 aufweisen, die es dem Rotorkern 130 ermöglichen, wie hier beschrieben zu funktionieren.
4 ist eine perspektivische Ansicht der Rotorbaugruppe 106, die den in 3 gezeigten Rotorkern 130 enthält und die in der in 1 gezeigten Elektromotorbaugruppe 100 enthalten sein kann. 5 ist eine teilweise Explosionsansicht der Rotorbaugruppe 106, und 6 ist eine Querschnittsansicht der Rotorbaugruppe 106. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst die Rotorbaugruppe 106 eine Vielzahl von Endmagneten 166, die mit dem ersten Ende 152 des Rotorkerns 130 und/oder dem zweiten Ende 154 des Rotorkerns 130 verbunden sind. Genauer gesagt, umfasst die Rotorbaugruppe 106 eine erste Mehrzahl 168 von Endmagneten 166, die mit dem ersten Ende 152 des Rotorkerns 130 gekoppelt sind, und eine zweite Mehrzahl 170 von Endmagneten 166, die mit dem zweiten Ende 154 des Rotorkerns 130 gekoppelt sind.
Darüber hinaus umfasst die Rotorbaugruppe 106 in der beispielhaften Ausführungsform mindestens eine Endplatte 172, die mit einer Vielzahl von Endmagneten 166 verbunden ist. Genauer gesagt, umfasst die Rotorbaugruppe 106 eine erste Endplatte 174, die mit einer ersten Mehrzahl 168 von Endmagneten 166 verbunden ist, und eine zweite Endplatte 176, die mit einer zweiten Mehrzahl 170 von Endmagneten 166 verbunden ist. Wirbelstromverluste in die umgebenden leitenden Strukturen können beseitigt oder reduziert werden, indem Streufluss von der axialen Fläche der radialen Speichenrotoren verhindert wird. Die Endplatten 174 und 176 stellen eine Barriere für den Fluss dar, der vom Rotorkern 130 in die umgebende Struktur der Motorbaugruppe 100 abstrahlt, und eliminieren daher Wirbelstromverluste. In der beispielhaften Ausführungsform sind die Endplatten 174 und 176 aus einem metallischen Material, wie z. B. ferritischem Stahl und magnetischem Edelstahl, gefertigt. Alternativ können die Endplatten 174 und 176 aus jedem beliebigen Material bestehen, das den Betrieb der Rotoreinheit 106, wie hier beschrieben, erleichtert. In einigen Ausführungsformen können die Endplatten 174 und 176 einen Kurzschluss des Flusses verursachen, was das Gesamtdrehmoment der Motorbaugruppe 100 verringern kann. In der beispielhaften Ausführungsform werden der Rotorbaugruppe 106 Endmagnete 166 hinzugefügt, um den Fluss wiederherzustellen, was zu einer erheblichen Steigerung sowohl des Drehmoments als auch des Wirkungsgrads führt. Genauer gesagt ist die erste Vielzahl 168 von Endmagneten 166 zwischen dem ersten Ende 152 des Rotorkerns 130 und der ersten Endplatte 174 angeordnet. In ähnlicher Weise ist die zweite Vielzahl 170 von Endmagneten 166 zwischen dem zweiten Ende 154 des Rotorkerns 130 und der zweiten Endplatte 176 angeordnet.
In der beispielhaften Ausführungsform umfasst die erste Mehrzahl 168 von Endmagneten 166 eine erste Teilmenge 178 mit einer ersten Polarität und eine zweite Teilmenge 180 mit einer zweiten, von der ersten Polarität verschiedenen Polarität. In ähnlicher Weise umfasst die zweite Vielzahl 170 von Endmagneten 166 eine erste Untergruppe 182 mit einer ersten Polarität und eine zweite Untergruppe 184 mit einer zweiten Polarität, die sich von der ersten Polarität unterscheidet. Wie in 5 dargestellt, ist die erste Teilmenge 182 abwechselnd mit der zweiten Teilmenge 184 der Endmagnete 166 beabstandet.
Was die Positionierung der Endmagnete 166 betrifft, so deckt in der beispielhaften Ausführungsform jeder Endmagnet 166 zumindest teilweise eine Schnittstelle 186 zwischen einem Rotorpol 134 und einem benachbarten Kernmagneten 138 ab. Genauer gesagt überlappt jeder Endmagnet 166 zumindest teilweise mit dem entsprechenden Rotorpol 134 und dem Kernmagneten 138, so dass die Endmagnete 166 einen Pfad für den Fluss zwischen dem Rotorpol 134 und dem Kernmagneten 138 bilden. Alternativ dazu kann in Fällen, in denen die Endmagnete 166 die Schnittstelle 186 nicht abdecken, eine Umfangskante der Endmagnete 166 mit einer Umfangskante des entsprechenden Rotorpols 134 bündig sein. In einer Ausführungsform werden die Endmagnete 166 mit einem Klebstoff am Rotorkern 130 befestigt. Alternativ können die Endmagnete 166 am Rotorkern 130 auf eine beliebige Weise befestigt werden, die den Betrieb der hier beschriebenen Rotorbaugruppe erleichtert.
In der beispielhaften Ausführungsform, wie in 5 gezeigt, stoßen die Endmagnete 166 des ersten Teilsatzes 182 und des zweiten Teilsatzes 184 ohne j egliche strukturelle Halterung aneinander. In einer anderen, in 7 dargestellten Ausführungsform umfasst die Rotorbaugruppe 106 ein Paar von Rahmen 188, die mit den jeweiligen Enden 152 und 154 des Rotorkerns 130 verbunden sind. Der Rahmen 188 umfasst eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Öffnungen 190, die so konfiguriert sind, dass sie die Vielzahl von Endmagneten 166 darin aufnehmen. In einer solchen Ausführungsform hat der Rahmen 188 einen im Wesentlichen ähnlichen Durchmesser wie der Rotorkern 130 und besteht aus einem nichtmagnetischen Material, wie z. B., aber nicht nur, aus Kunststoff, um den Fluss zwischen dem Rotorkern und den Endmagneten 166 nicht zu beeinträchtigen. Der Rahmen 188 ist an den Rotorpolen 134 und den Kernmagneten 138 mit Hilfe eines Klebstoffs 190 befestigt und gewährleistet die richtige Positionierung der Endmagnete 166 über der Schnittstelle 186 innerhalb der Rotorbaugruppe 106. Wie in den Ausführungsbeispielen der 5 und 7 gezeigt, können die Endmagnete 166 eine ähnliche Form haben wie die Lamellen der Rotorkerne 134, oder die Endmagnete 166 können eine andere Form haben. Im Allgemeinen können die Endmagnete 166 eine beliebige Form haben, die den Betrieb der hier beschriebenen Rotorbaugruppe erleichtert.
Wie in den 4 und 5 wird die Rotorbaugruppe 106 mit einer Vielzahl von Befestigungselementen 194 zusammengehalten, wie z. B. Nieten, Schrauben oder Bolzen und Muttern, ohne darauf beschränkt zu sein. Insbesondere in der beispielhaften Ausführungsform erstrecken sich die Befestigungselemente 194 durch Öffnungen in der ersten Endplatte 174, der ersten Vielzahl 168 von Endmagneten 166, den Rotorpolen 134, der zweiten Vielzahl von Endmagneten 170 und der zweiten Endplatte 176. In Ausführungsformen mit Rahmen 188 erstrecken sich die Befestigungselemente 194 durch den Rahmen 188 und nicht durch die Endmagnete 166. Die Befestigungselemente 194 ermöglichen die mechanische Verriegelung der Komponenten der Rotorbaugruppe 106 ohne die Verwendung von Vergussmaterial zum Umspritzen. Die Stellen, an denen sich die Befestigungselemente 194 erstrecken, sind Bereiche mit sehr geringer Flussdichte, und die Befestigungselemente 194 sind aus Aluminium, rostfreiem Stahl oder ferritischem Stahl gefertigt. Alternativ können die Befestigungselemente 194 aus jedem beliebigen Material hergestellt werden, das den Betrieb der hier beschriebenen Rotorbaugruppe erleichtert.
Unter besonderer Bezugnahme auf 6 führt das Hinzufügen von Endmagneten 166 und Endplatten 172 nicht zu einer wesentlichen Verlängerung der axialen Länge der Motorbaugruppe 100. Insbesondere hat die Statorbaugruppe 104 eine maximale axiale Länge L1 an den Wicklungen 114, und die Rotorbaugruppe 106 hat eine maximale axiale Länge L2 entweder an den Befestigungselementen 194 oder zwischen den Außenflächen der gegenüberliegenden Endplatten 172. In beiden Fällen sind die axialen Längen L1 und L2 im Wesentlichen gleich. In 6 ist auch das Gehäuse 196 dargestellt, das die Statorbaugruppe 104 und die Rotorbaugruppe 106 umgibt.
8 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Rotorbaugruppe 206 zur Verwendung in der in 1 dargestellten Elektromotorbaugruppe 100. Die Rotorbaugruppe 206 ähnelt in Betrieb und Zusammensetzung im Wesentlichen der Rotorbaugruppe 106, mit der Ausnahme, dass die Rotorbaugruppe 206 keine Endmagnete 166 der Rotorbaugruppe 106 enthält. Vielmehr sind die Endplatten 174 und 176 direkt mit den Rotorpolen 134 und den Kernmagneten 138 des Rotorkerns 130 verbunden. Daher sind die in 8 gezeigten Komponenten mit den gleichen Referenznummern wie in den 2-7 gekennzeichnet. Wie hierin beschrieben, stellen die Endplatten 174 und 176 eine Barriere für den vom Rotorkern 130 in die umgebende Struktur der Motorbaugruppe 100 abstrahlenden Fluss dar und eliminieren daher Wirbelstromverluste.
Hier werden beispielhafte Systeme und Vorrichtungen beschrieben, die Wirbelstromverluste reduzieren und das Drehmoment und den Wirkungsgrad eines Elektromotors erhöhen. Die hier beschriebenen Systeme und Vorrichtungen können in jeder geeigneten Anwendung eingesetzt werden. Sie sind jedoch besonders für HLK- und Pumpenanwendungen geeignet.
Insbesondere können Wirbelstromverluste in die umgebenden leitenden Strukturen beseitigt oder reduziert werden, indem der Streufluss von der axialen Fläche der radialen Speichenrotoren verhindert wird. Die hier beschriebenen Endplatten stellen eine Barriere für den Fluss dar, der vom Rotorkern in die umgebende Struktur der Motorbaugruppe abstrahlt, und eliminieren daher Wirbelstromverluste. Die Wirbelstromverluste werden z. B. von 146 W auf 10 W (93 %) reduziert. Das Hinzufügen von Axialmagneten und Rotorstahlendkappen zu Radialspeichenrotoren erhöht den Wirkungsgrad und das Drehmoment, da ein axialer Leckfluss verhindert wird, der in der umgebenden leitfähigen Struktur Wirbelströme induziert. Darüber hinaus ist die hier beschriebene Rotorbaugruppe im Vergleich zu anderen bekannten Rotorbaugruppen einfacher herzustellen, da die Komponenten der Rotorbaugruppe mit mechanischen Verbindungselementen zusammengehalten werden. In einer solchen Ausführungsform sind Werkzeuge und Prozesse, die zum Umspritzen des Rotors verwendet werden, nicht mehr erforderlich, was zu einer Verringerung der Herstellungszeit und -kosten führt.
Beispielhafte Ausführungsformen von Rotorkernen für elektrische Maschinen sind oben im Detail beschrieben. Der Elektromotor und seine Komponenten sind nicht auf die hier beschriebenen spezifischen Ausführungsformen beschränkt, sondern die Komponenten der Systeme können unabhängig und getrennt von anderen hier beschriebenen Komponenten verwendet werden. Zum Beispiel können die Komponenten auch in Kombination mit anderen Motorsystemen, Methoden und Vorrichtungen verwendet werden und sind nicht auf die Praxis mit nur den hier beschriebenen Systemen und Vorrichtungen beschränkt. Vielmehr können die beispielhaften Ausführungsformen in Verbindung mit vielen anderen Anwendungen implementiert und verwendet werden.
Auch wenn bestimmte Merkmale verschiedener Ausführungsformen der Offenbarung in einigen Zeichnungen gezeigt werden und in anderen nicht, dient dies nur der Übersichtlichkeit. In Übereinstimmung mit den Grundsätzen der Offenbarung kann auf jedes Merkmal einer Zeichnung Bezug genommen werden und/oder es kann in Kombination mit jedem Merkmal einer anderen Zeichnung beansprucht werden.
In dieser schriftlichen Beschreibung wird die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsform, anhand von Beispielen offenbart, um den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, einschließlich der Herstellung und Verwendung von Vorrichtungen oder Systemen und der Durchführung von integrierten Verfahren. Der patentierbare Umfang der Erfindung wird durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die dem Fachmann einfallen. Solche anderen Beispiele sollen in den Anwendungsbereich der Ansprüche fallen, wenn sie Strukturelemente aufweisen, die sich nicht vom wörtlichen Wortlaut der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie gleichwertige Strukturelemente mit unwesentlichen Unterschieden zum wörtlichen Wortlaut der Ansprüche enthalten.

Claims

Rotorbaugruppe zur Verwendung in einer Radialfluss-Elektromotorbaugruppe, wobei die Rotorbaugruppe umfasst: einen Rotorkern, der eine Vielzahl von Rotorpolen umfasst, die in Umfangsrichtung um eine Mittelachse herum beabstandet sind, wobei der Rotorkern ein erstes Ende und ein gegenüberliegendes zweites Ende umfasst; eine Mehrzahl von Kernmagneten, die abwechselnd mit der Vielzahl von Rotorpolen beabstandet sind, wobei die Vielzahl von Rotorpolen eine radiale Öffnung zwischen jedem Paar von in Umfangsrichtung benachbarten Rotorpolen definiert, und wobei jede radiale Öffnung so konfiguriert ist, dass sie mindestens einen Kernmagneten der Mehrzahl von Kernmagneten darin aufnimmt; eine Vielzahl von Endmagneten, die mit mindestens dem ersten Ende oder dem zweiten Ende gekoppelt sind; und mindestens eine Endplatte, die mit der Vielzahl von Endmagneten verbunden ist.
Rotorbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Endmagneten eine erste Vielzahl von Endmagneten umfasst, die mit dem ersten Ende gekoppelt sind, und eine zweite Vielzahl von Endmagneten, die mit dem zweiten Ende gekoppelt sind.
Rotorbaugruppe nach Anspruch 2, wobei die erste Vielzahl von Endmagneten eine erste Untergruppe von Endmagneten mit einer ersten Polarität und eine zweite Untergruppe von Endmagneten mit einer zweiten Polarität, die sich von der ersten Polarität unterscheidet, umfasst, und wobei die erste Untergruppe von Endmagneten abwechselnd mit der zweiten Untergruppe von Endmagneten beabstandet ist.
Rotorbaugruppe nach Anspruch 2 oder 3, wobei die mindestens eine Endplatte eine erste Endplatte umfasst, die mit der ersten Mehrzahl von Endmagneten verbunden ist, und eine zweite Endplatte, die mit der zweiten Mehrzahl von Endmagneten verbunden ist.
Rotorbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder Endmagnet eine Schnittstelle zwischen einem Rotorpol der mehreren Rotorpole und einem benachbarten Kernmagneten der mehreren Kernmagnete abdeckt.
Rotorbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner einen Klebstoff umfasst, der so konfiguriert ist, dass er die mehreren Endmagnete an den mehreren Rotorpolen befestigt.
Rotorbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Endplatte aus ferritischem Stahl oder magnetischem rostfreiem Stahl besteht.
Rotorbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner eine Vielzahl von Befestigungselementen umfasst, die sich durch die Vielzahl von Endmagneten, die mindestens eine Endplatte und den Rotorkern erstrecken.
Rotorbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner einen Rahmen umfasst, der mit den Rotorpolen und den Kernmagneten gekoppelt ist, wobei der Rahmen eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Öffnungen umfasst, die so konfiguriert sind, dass sie die Vielzahl von Endmagneten aufnehmen.
Rotorbaugruppe nach Anspruch 9, wobei der Rahmen aus einem nichtmagnetischen Material besteht.
Elektromotor-Baugruppe, die Folgendes umfasst: eine Statorbaugruppe mit einem Statorkern und einer Vielzahl von Wicklungen; und eine Rotoreinheit, aufweisend: einen Rotorkern, der eine Vielzahl von Rotorpolen umfasst, die in Umfangsrichtung um eine Mittelachse herum beabstandet sind, wobei der Rotorkern ein erstes Ende und ein gegenüberliegendes zweites Ende umfasst; eine Mehrzahl von Kernmagneten, die abwechselnd mit der Mehrzahl von Rotorpolen beabstandet sind, wobei die Mehrzahl von Rotorpolen eine radiale Öffnung zwischen jedem Paar von in Umfangsrichtung benachbarten Rotorpolen definiert, und wobei jede radiale Öffnung so konfiguriert ist, dass sie mindestens einen Kernmagneten der Mehrzahl von Kernmagneten darin aufnimmt; eine Vielzahl von Endmagneten, die mit mindestens dem ersten Ende oder dem zweiten Ende gekoppelt sind; und mindestens eine Stahlendplatte, die mit der Vielzahl von Endmagneten verbunden ist.
Motorbaugruppe nach Anspruch 11, wobei die Mehrzahl von Endmagneten eine erste Mehrzahl von Endmagneten umfasst, die mit dem ersten Ende gekoppelt sind, und eine zweite Mehrzahl von Endmagneten, die mit dem zweiten Ende gekoppelt sind.
Rotorbaugruppe nach Anspruch 12, wobei die erste Vielzahl von Endmagneten eine erste Untergruppe von Endmagneten mit einer ersten Polarität und eine zweite Untergruppe von Endmagneten mit einer zweiten, von der ersten Polarität verschiedenen Polarität umfasst, und wobei die erste Untergruppe von Endmagneten abwechselnd mit der zweiten Untergruppe von Endmagneten beabstandet ist.
Rotorbaugruppe nach Anspruch 12 oder 13, wobei die mindestens eine Endplatte eine erste Endplatte umfasst, die mit der ersten Mehrzahl von Endmagneten verbunden ist, und eine zweite Endplatte, die mit der zweiten Mehrzahl von Endmagneten verbunden ist.
Rotorbaugruppe nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei jeder Endmagnet eine Schnittstelle zwischen einem Rotorpol aus der Vielzahl von Rotorpolen und einem benachbarten Kernmagneten aus der Vielzahl von Kernmagneten abdeckt.
Rotorbaugruppe nach einem der Ansprüche 11 bis 15, die ferner ein Gehäuse umfasst, das die Statoranordnung und die Rotorbaugruppe umgibt.
Rotorbaugruppe nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei die Rotorbaugruppe eine erste axiale Länge definiert und wobei die Wicklungen eine zweite axiale Länge definieren, die im Wesentlichen der ersten axialen Länge entspricht.
Rotorbaugruppe zur Verwendung in einer Radialfluss-Elektromotorbaugruppe, wobei die Rotorbaugruppe umfasst: einen Rotorkern, der eine Vielzahl von Rotorpolen umfasst, die in Umfangsrichtung um eine Mittelachse herum beabstandet sind, wobei der Rotorkern ein erstes Ende und ein gegenüberliegendes zweites Ende umfasst; eine Mehrzahl von Kernmagneten, die abwechselnd mit der Mehrzahl von Rotorpolen beabstandet sind, wobei die Mehrzahl von Rotorpolen eine radiale Öffnung zwischen jedem Paar von in Umfangsrichtung benachbarten Rotorpolen definiert, und wobei jede radiale Öffnung so konfiguriert ist, dass sie mindestens einen Kernmagneten der Mehrzahl von Kernmagneten darin aufnimmt; und mindestens eine Stahlendplatte, die mit den Rotorpolen und den Kernmagneten verbunden ist.
Rotorbaugruppe nach Anspruch 18, wobei die mindestens eine Endplatte eine erste Endplatte umfasst, die mit dem ersten Ende verbunden ist, und eine zweite Endplatte, die mit dem zweiten Ende verbunden ist.
Rotorbaugruppe nach Anspruch 19, weiter umfassend eine Vielzahl von Befestigungselementen, die sich durch die erste Endplatte, den Rotorkern und die zweite Endplatte erstrecken.