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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Anwendung bezieht sich auf Elektromotoren und insbesondere auf Rotorbaugruppen, die in Elektromotoren verwendet werden.
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Stand der Technik
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Elektromotoren beinhalten im Allgemeinen eine Stator- und eine Rotorbaugruppe. Die Gestaltung und Herstellung der Bauteile der Rotorbaugruppe kann sehr unterschiedlich sein. Die Rotorbaugruppe kann beispielsweise einen Rahmen beinhalten, der Magnete sicher hält, die in winkelmäßig um eine Motorwelle herum beabstandet sind. Der Zusammenbau dieser Bauteile kann eine Herausforderung sein.
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Kurzdarstellung
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In einer Implementierung weist eine Rotorbaugruppe, die in einem Elektromotor beinhaltet ist, eine magnetische Schicht, einschließlich eines additiv hergestellten magnetischen Substrats, die mit einer Abtriebswelle eines Elektromotors gekoppelt ist; und eine isolierende Schicht, einschließlich eines additiv hergestellten isolierenden Substrats, die mit der Abtriebswelle axial neben der magnetischen Schicht gekoppelt ist.
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In einer weiteren Implementierung weist eine Rotorbaugruppe, die in einem Elektromotor beinhaltet ist, eine magnetische Schicht, einschließlich eines additiv hergestellten magnetischen Substrats, die mit einer Abtriebswelle eines Elektromotors gekoppelt ist; und eine isolierende Schicht, einschließlich eines additiv hergestellten isolierenden Substrats, die mit der Abtriebswelle derart gekoppelt sind, dass eine radiale Oberfläche der magnetischen Schicht an eine radiale Oberfläche der isolierenden Schicht angrenzt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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- 1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Implementierung einer elektrisch gesteuerten Turboladerbaugruppe darstellt;
- 2 ist eine Querschnittsansicht, die eine Implementierung einer elektrisch gesteuerten Turboladerbaugruppe darstellt;
- 3A ist eine perspektivische Ansicht, die eine Implementierung eines Abschnitts einer Rotorbaugruppe zeigt, die mit einer elektrisch gesteuerten Turboladerbaugruppe verwendet werden kann;
- 3B ist eine perspektivische Ansicht, die eine Implementierung eines Abschnitts einer Rotorbaugruppe zeigt, die mit einer elektrisch gesteuerten Turboladerbaugruppe verwendet werden kann;
- 4 ist eine teilweise explodierte Ansicht, die eine Implementierung einer Rotorbaugruppe zeigt, die mit einer elektrisch gesteuerten Turboladerbaugruppe verwendet werden kann;
- 5 ist eine Querschnittsansicht, die eine Implementierung einer Rotorbaugruppe zeigt, die mit einer elektrisch gesteuerten Turboladerbaugruppe verwendet werden kann;
- 6 ist eine Perspektivansicht, die eine weitere Implementierung einer Rotorbaugruppe zeigt, die mit einer elektrisch gesteuerten Turboladerbaugruppe verwendet werden kann; und
- 7 ist eine Perspektivansicht, die eine weitere Implementierung einer Rotorbaugruppe zeigt, die mit einer elektrisch gesteuerten Turboladerbaugruppe verwendet werden kann.
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Ausführliche Beschreibung
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Eine Rotorbaugruppe kann aus abwechselnden Schichten von magnetischen Schichten und isolierenden Schichten ausgebildet sein, die Materialien umfassen, die durch additive Fertigung (AM) ausgebildet werden. Die magnetische Schicht kann unter Verwendung eines magnetischen AM-Substrats ausgebildet werden und die isolierende Schicht kann unter Verwendung eines isolierenden AM-Substrats entlang einer axialen Richtung derart ausgebildet oder gedruckt werden, dass die radialen Oberflächen der magnetischen Schicht und der isolierenden Schicht aneinander angrenzen. Die AM-Fertigung kann auch als dreidimensionales (3D-) Drucken bezeichnet werden. In der Vergangenheit sind Rotorbaugruppen aus diskreten Magneten ausgebildet worden, die aus kleinen Segmenten bestehen und später mit nicht elektrisch leitendem Klebstoff zusammengebaut worden sind, die zwischen kleinen Segmenten positioniert werden. Ein solcher Vorgang kann zeitaufwendig und unübersichtlich sein. Im Gegensatz dazu kann eine Rotorbaugruppe, die abwechselnde magnetische und isolierende Schichten aus AM-Substrat beinhaltet, die mit einer AM-Maschine wie einem Laserstrahl oder einem Binderstrahl aufgebracht werden, schneller und einfacher ausgebildet werden. Die hierin beschriebene Rotorbaugruppe kann Wirbelströme reduzieren, die in den magnetischen Schichten fließen, insbesondere in Elektromotoren, die mit relativ hohen Frequenzen arbeiten, wie elektrisch gesteuerte Turbolader.
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In den 1-2 ist eine Implementierung einer elektrisch gesteuerten Turboladerbaugruppe 10 dargestellt, die einen elektrisch gesteuerten Turbolader 12 und eine Elektronikbaugruppe 14 beinhaltet, die eine von einem Gehäuse 16 aufgenommene PCB beinhaltet. Der elektrisch gesteuerte Turbolader 12 beinhaltet einen Verdichterabschnitt 18, einen Elektromotor 20 und einen Abgasabschnitt 22, die zusammengebaut sind, um eine Struktur auszubilden, die die Bauteile des Turboladers 12 aufnimmt. Eine Turbinenwelle 24 erstreckt sich durch den Verdichterabschnitt 18, den Elektromotor 20 und den Abgasabschnitt 22, wie in 2 zu erkennen ist. An einem Ende koppelt sich die Turbinenwelle 24 mit einer Verdichterturbine 26, der sich in dem Verdichterabschnitt 18 befindet und sich dreht, um Luft zu verdichten, die schließlich einem Einlassluftverteilerkasten (nicht gezeigt) eines Verbrennungsmotors (ICE) zugeführt wird. Ein anderer Abschnitt der Turbinenwelle 24, der axial von der Verdichterturbine 26 beabstandet ist und sich in dem Elektromotorabschnitt 20 befindet, koppelt sich mit einer Rotorbaugruppe 28 des Elektromotors 20. Die Turbinenwelle 24 kann auch als eine Abtriebswelle des Elektromotors 20 angesehen werden. Die Rotorbaugruppe 28 kann konzentrisch relativ zu einem Stator 32 positioniert sein, der in dem Elektromotor 20 beinhaltet ist. Ein oder mehrere Lager 34 sind in dem Elektromotor 20 beinhaltet und axial entlang der Turbinenwelle 24 beabstandet, um die Turbinenwelle 24, die Verdichterturbine 26, die Rotorbaugruppe 28 und eine Abgasturbine 36 zu stützen und zu stabilisieren, wenn sich diese Elemente während des Betriebs innerhalb des Turboladers 12 drehen. Die Abgasturbine 36 ist an ein Ende der Turbinenwelle 24 distal zu der Verdichterturbine 26 gekoppelt, der sich in dem Abgasabschnitt 22 befindet. Die Elektronikbaugruppe 14 ist mit dem Verdichterabschnitt 18 des elektrisch gesteuerten Turboladers 12 gekoppelt, wie in den 1-2 gezeigt.
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Der Verdichterabschnitt 18 beinhaltet eine Verdichterturbinenkammer, in der sich die Verdichterturbine 26 als Reaktion auf die Drehung der Turbinenwelle 24 dreht und Luft verdichtet, die schließlich dem Einlasskrümmer des ICE zugeführt wird. Die Verdichterturbine 26 ist mit der Turbinenwelle 24 gekoppelt, die sich von dem Verdichterabschnitt 18 in den Elektromotor 20 und den Abgasabschnitt 22 erstreckt. Die Rotorbaugruppe 28 ist an die Turbinenwelle 24 derart gekoppelt, dass die Rotorbaugruppe 28 und die Turbinenwelle 24 relativ zueinander nicht winkelmäßig versetzt sind. Wenn kombiniert, erstreckt sich die Rotorbaugruppe 28 axial relativ zu der Welle 24 in unmittelbarer Nähe des Stators 32. Der Stator 32 kann eine Mehrzahl von Wicklungen beinhalten, die elektrischen Strom von der Leistungselektronik übertragen und die Winkelverschiebung der Rotorbaugruppe 28 und der Turbinenwelle 24, die an die Rotorbaugruppe 28 gekoppelt ist, relativ zu dem Stator 32 induzieren. In einer Implementierung können der Stator 32 und der Rotor 28 als ein bürstenloser Gleichstrom- (DC-) Motor implementiert sein, der Gleichspannung von einer Fahrzeugbatterie empfängt. Die Menge an Gleichspannung, die an den Stator 32 angelegt wird, kann größer als 40 Volt (V) sein, wie durch eine moderne elektrische 48-V-Fahrzeuganlage bereitgestellt werden kann. Andere Implementierungen sind möglich, bei denen ein elektrisches Fahrzeugsystem höhere Spannungen, wie 400 V und 800 V, verwendet. Elektrische Verbinder 46 sind an dem elektrisch betätigten Turbolader 12 beinhaltet und übermitteln elektrische Leistung von einer elektrischen Quelle zu einer PCB, die elektrischen Strom reguliert, der dem Elektromotor des elektrisch gesteuerten Turboladers 12 zugeführt wird.
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Der Abgasabschnitt 22 steht in Fluidverbindung mit Abgasen, die durch den ICE erzeugt werden. Wenn die Umdrehungen pro Minute (RPMs) der Kurbelwelle des ICE zunehmen, erhöht sich das Volumen des durch den ICE erzeugten Abgases und erhöht entsprechend den Druck des Abgases in dem Abgasabschnitt 22. Diese Druckerhöhung kann ebenso die Winkelgeschwindigkeit der Abgasturbine 36 erhöhen, die eine Drehbewegung an die Verdichterturbine 26 durch die Turbinenwelle 24 übermittelt. In dieser Implementierung empfängt die Verdichterturbine 26 eine Drehkraft von der Abgasturbine 36 und dem Elektromotor 20. Insbesondere kann der Elektromotor 20, wenn der ICE bei einer niedrigeren RPM betrieben wird, eine Drehkraft an die Verdichterturbine 26 bereitstellen, obwohl der Abgasdruck innerhalb des Auslassabschnitts 22 relativ niedrig ist. Wenn der ICE die RPM der Kurbelwelle erhöht, kann der Abgasdruck innerhalb des Auslassabschnitts 22 die Drehkraft aufbauen und bereitstellen, die die Verdichterturbine 26 antreibt. Die Verdichterturbinenkammer 38 steht in Fluidverbindung mit einem Verdichtereinlass 40, der Luft aus der umgebenden Atmosphäre ansaugt und sie der Verdichterturbine 26 zuführt. Wenn die PCB den Wicklungen des Stators 32 selektiv Strom bereitstellt, wird die Rotorbaugruppe 28 induziert, sich zu drehen und diese Drehung auf die Turbinenwelle 24 und die Verdichterturbine 26 zu übertragen.
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Es versteht sich jedoch, dass die hierin beschriebenen Konzepte auf elektrisch betätigte Turbolader angewendet werden können, die auf unterschiedliche Weise konfiguriert sind. Beispielsweise kann der elektrisch betätigte Turbolader unter Verwendung eines Verdichterabschnitts und eines Elektromotors implementiert werden, während der Abgasabschnitt weggelassen wird. In einer solchen Implementierung beinhaltet der Turbolader eine Verdichterturbine, die über eine Turbinenwelle an den Elektromotor gekoppelt ist, ohne sich auf eine Abgasturbine zu verlassen, die ebenso an die Turbinenwelle gekoppelt ist. Diese Implementierung kann manchmal als ein elektrischer Lader mit mechanischem Antrieb bezeichnet werden, da die erzwungene Induktion in dieser Implementierung sich nur auf die Drehkraft verlässt, die von einem Elektromotor bereitgestellt wird, anstatt ebenso eine Abgasturbine zu verwenden, die von Abgasen drehend angetrieben wird. Die hierin beschriebenen Konzepte können ebenso auf Elektromotoren angewendet werden, die in nicht elektrisch gesteuerten Turboladeranwendungen verwendet werden. Die hierin beschriebenen Rotorbaugruppen können beispielsweise in einem elektrischen Fahrmotor verwendet werden, wie er in Hybrid- oder elektrischen Batteriefahrzeugen verwendet wird.
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Unter Bezugnahme auf die 3-5 wird eine Implementierung einer Rotorbaugruppe 28 gezeigt. Die Rotorbaugruppe 28 beinhaltet abwechselnde magnetische Schichten 50 und isolierende Schichten 52 aus einem durch eine AM-Maschine hergestellten Substrat für additive Fertigung (AM). Die Rotorbaugruppe 28 kann die Turbinenwelle 24 oder alternativ eine Abtriebswelle eines Elektromotors beinhalten. Die Rotorbaugruppe 28 kann einen axialen Stapel entlang einer Rotationsachse (x) beinhalten, der eine magnetische Schicht 50 umfasst, die unter Verwendung einer AM-Maschine hergestellt wird, die ein magnetisches additives Fertigungssubstrat mit magnetischen Eigenschaften aufweist. Die Baugruppe 28 kann ebenso eine isolierende Schicht 52 beinhalten, die axial an die magnetische Schicht 50 angrenzt und als ein elektrischer Isolator und optional als ein Wärmeleiter dient, die unter Verwendung eines AM-Substrats mit isolierenden Eigenschaften hergestellt wird, das unter Verwendung einer AM-Maschine angewendet wird. Die Rotorbaugruppe 28 kann abwechselnde magnetische Schichten 50 und isolierende Schichten 52 aufweisen, die sich in der axialen Richtung (x) derart erstrecken, dass eine radiale Oberfläche 54 der magnetischen Schichten 50 an eine radiale Oberfläche 56 der isolierenden Schichten 52 angrenzt, die unter Verwendung einer AM-Maschine hergestellt wurden. Additive Fertigungsmaschinen können ebenso herkömmlich als dreidimensionales (3D-) Drucken bekannt sein, wie vorstehend beschrieben. Die magnetische Schicht 50 und die isolierende Schicht 52 können aus einem Substrat ausgebildet werden, das mit einer AM-Maschine (nicht gezeigt) angewendet wird, wie einem 3D-Drucker, einem Laserstrahl oder einem Binderstrahl.
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In einem Beispiel kann das magnetische Substrat zunächst als ein Pulver aus Neodym, Eisen und Bor vorliegen, das von der AM-Maschine angewendet werden kann, um eine Neodym-Magnetschicht 50 auszubilden. In anderen Ausführungen können andere Materialien verwendet werden, um das magnetische Substrat auszubilden, wie Samariumkobalt. In einer Implementierung kann die magnetische Schicht 50 eine axiale Dicke von 1-2 Millimetern (mm) aufweisen, gemessen entlang der Turbinenwelle 26. Die AM-Maschine kann das magnetische Substrat in eine dreidimensional geformte magnetische Schicht 50 umwandeln, die mit der Turbinenwelle 26 gekoppelt ist oder gekoppelt werden kann. Die Isolierschicht 52 kann aus dem isolierenden Substrat ausgebildet werden, das von der AM-Maschine auf die radiale Oberfläche 54 der magnetischen Schicht 50 angewendet wird. Das isolierende Substrat kann zunächst als ein Pulver vorliegen, das einen elektrischen Isolator und optional einen Wärmeleiter umfasst. Ein Beispiel für ein isolierendes Substrat, das elektrisch isolieren und gleichzeitig thermisch leiten kann, ist Aluminiumnitrid. Die AM-Maschine kann das isolierende Substrat in eine dreidimensional geformte isolierende Schicht 52 umwandeln, die an die magnetische Schicht 50 angrenzt und mit der Turbinenwelle 26 gekoppelt ist oder gekoppelt werden kann. In einer Implementierung kann die isolierende Schicht 52 1-2 Mikrometer (µm) groß sein. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Dicke der isolierenden Schicht jedoch variieren kann, und im Allgemeinen ist die Isolierschicht so dick wie nötig, um die elektrische Isolierung bereitzustellen, jedoch nicht dicker. Beispielhafte Dicken der magnetischen Schichten und der isolierenden Schichten wurden bereitgestellt. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass diese Dicken je nach gewünschter Leistung der Rotorbaugruppe 28 variieren können. Die Dicken können beispielsweise je nach gewünschter Kühlung in der Mitte der Rotorbaugruppe 28 variieren. Die Rotorbaugruppe 28 kann je nach Anwendung gewünscht abwechselnde magnetische und isolierende Schichten 50, 52 umfassen. In dieser Implementierung wird gezeigt, dass die magnetischen Schichten 50 und die isolierenden Schichten 52 relativ kreisförmige Außen- und Innenabmessungen haben, jedoch wird darauf hingewiesen, dass die Schichten 50, 52 in verschiedenen Formen ausgebildet werden können, wie Schichten mit einem ovalen Außendurchmesser. Die Schichten 50, 52 können auf einer axialen Außenoberfläche 58 beschichtet werden, um die Wärmeabfuhr zu verbessern und eine elektrische Abschirmung bereitzustellen, die das Eindringen von Hochfrequenzfeldern reduzieren kann, wobei dadurch Wirbelströme in den magnetischen Schichten 50 reduziert werden. Die Beschichtung kann das Hinzufügen von einer oder mehreren Hülsen erleichtern, die konzentrisch zu den Schichten 50, 52 positioniert sind.
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Nachdem die Rotorbaugruppe 28 die gewünschte Menge an magnetischen Schichten 50 und isolierenden Schichten 52 beinhaltet, können die Schichten 50, 52 durch Sintern oder Hochisostatisches-Druck- (HIP-) Verfahren weiter verdichtet werden. Die Rotorbaugruppe 28 kann ebenso eine oder mehrere Hülsen 60 beinhalten, die mit der axialen Außenoberfläche 58 der magnetischen Schichten 50 und den isolierenden Schichten 52 in Eingriff stehen, um der Baugruppe 28 eine strukturelle Stütze bereitzustellen. Die axiale Außenoberfläche 58 der Hülsen 60 kann einen relativ niedrigen Reibungskoeffizienten beinhalten. Die Hülsen 60 können in einigen Anwendungen aus einer Metalllegierung ausgebildet werden, jedoch sind auch andere Materialien möglich, wie kohlenstoffverstärktes Polymer.
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6 stellt eine weitere Implementierung einer Rotorbaugruppe 28' dar. Die Rotorbaugruppe 28' beinhaltet magnetische Schichten 50' und isolierende Schichten 52' aus einem durch eine AM-Maschine hergestellten Substrat für additive Fertigung (AM). Die magnetischen Schichten 50' können wie vorstehend beschrieben ausgebildet sein, können aber ebenso derart geformt werden, dass sie länglich sind und sich axial entlang der Abtriebswelle 24 erstrecken. In einigen Implementierungen können sich die magnetischen Schichten 50' axial entlang der Abtriebswelle 24 von einem Ende des Rotors 28 zu einem gegenüberliegenden Ende des Rotors 28 erstrecken. Die isolierenden Schichten 52' können sich ebenso axial entlang der Abtriebswelle 24 erstrecken. Eine axiale Oberfläche 62 der magnetischen Schicht 50' kann an einer axialen Oberfläche 64 der isolierenden Schicht 52' angrenzen.
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7 stellt noch eine weitere Implementierung einer Rotorbaugruppe 28" dar. Die Rotorbaugruppe 28" kann eine Mehrzahl von magnetischen Schichten 50" und isolierenden Schichten 52 sowie sich axial erstreckenden isolierenden Schichten 52' beinhalten. In dieser Implementierung können die magnetischen Schichten 50" jeweils eine Mehrzahl einzelner magnetischer Segmente 66 umfassen, die winkelmäßig um den Umfang der Abtriebswelle 24 angeordnet sind. Abwechselnde magnetische Schichten 50" können durch die isolierenden Schichten 52 getrennt werden, sodass eine radiale Oberfläche 54 der magnetischen Schichten 50" an eine radiale Oberfläche 56 der isolierenden Schichten 52 angrenzt. Darüber hinaus können die einzelnen magnetischen Segmente 66 der einzelnen magnetischen Schichten 50" durch axial verlaufende isolierenden Schichten 52' getrennt werden.
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Es ist zu verstehen, dass es sich bei dem Vorstehenden um eine Beschreibung einer oder mehrerer Ausführungsformen der Erfindung handelt. Die Erfindung ist nicht auf die bestimmte(n) hierin offenbarte(n) Ausführungsform(en) beschränkt, sondern wird ausschließlich durch die nachstehenden Ansprüche definiert. Darüber hinaus beziehen sich die in der vorstehenden Beschreibung enthaltenen Aussagen auf bestimmte Ausführungsformen und sind nicht als Einschränkungen des Umfangs der Erfindung oder der Definition der in den Ansprüchen verwendeten Begriffe auszulegen, es sei denn, ein Begriff oder eine Phrase ist vorstehend ausdrücklich definiert. Verschiedene andere Ausführungsformen und verschiedene Änderungen und Modifikationen an der/den offenbarten Ausführungsform(en) werden für Fachleute ersichtlich. Alle anderen Ausführungsformen, Änderungen und Modifikationen dieser Art sollen in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.
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Wie in dieser Patentschrift und in den Ansprüchen verwendet, sind die Begriffe „z. B.“, „beispielsweise“, „wie“ und „ähnlich“ und die Verben „umfassend“, „aufweisend“, „beinhaltend“ und ihre anderen Verbformen, wenn sie in Verbindung mit einer Auflistung einer oder mehrerer Komponenten oder anderer Elemente verwendet werden, jeweils als unbegrenzt auszulegen, was bedeutet, dass die Auflistung nicht als Ausschluss anderer, zusätzlicher Komponenten oder Elemente zu betrachten ist. Andere Begriffe sind im weitesten Sinne des Wortes auszulegen, es sei denn, sie werden in einem Kontext verwendet, der eine andere Auslegung erfordert.
