DE102023114966A1

DE102023114966A1 - Konstante elektrische maschinen mit variablem drehmoment mit einem radialspeichenrotor mit axialfluss-magnetplatten und verfahren dazu

Info

Publication number: DE102023114966A1
Application number: DE102023114966.0A
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: 2022-06-09
Filing date: 2023-06-07
Publication date: 2023-12-14
Also published as: US20230402885A1; CN117220428A

Abstract

Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf eine Rotorbaugruppe zur Verwendung in einer Radialfluss-Elektromotorbaugruppe mit Kemmagneten, die relativ zu Endmagneten drehbar sind, so dass die Drehmomentkonstante der Rotorbaugruppe variiert. Die mehreren Endmagnete sind über den Kernmagneten positioniert, wenn sich die Rotorbaugruppe im Ruhezustand befindet und die Rotorbaugruppe im Ruhezustand eine erste Drehmomentkonstante aufweist. Die mehreren Endmagnete können sich relativ zu den Kernmagneten drehen, wenn ein Drehmoment auf die Rotorbaugruppe ausgeübt wird.

Description

HINTERGRUND
Das Gebiet der Offenbarung bezieht sich allgemein auf Konstantelektromotoren mit variablem Drehmoment und insbesondere auf radial eingebettete Permanentmagnetrotoren mit Axialfluss-Magnetplatten und Verfahren zur Erhöhung der Flussdichte und des spezifischen Drehmoments.
Radialfluss-Elektromaschinen enthalten im Allgemeinen Speichen-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 sind Schlitze ausgebildet, in die Speichenmagnete eingesetzt sind. Um den Wirkungsgrad des Motors weiter zu erhöhen und zu verhindern, dass der Fluss über die Bleche entweicht, kann der Rotor axiale Magnete enthalten, die über und unter den Speichenmagneten angeordnet sind. Der Fluss entweicht über die Blechpole und strahlt axial aus dem Rotor heraus, 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.
Konstantmotoren mit festem Drehmoment und einer festen Stromkapazität der elektronischen Steuerung sind üblicherweise so konfiguriert, dass sie entweder ein hohes Drehmoment bei niedriger Drehzahl oder ein niedriges Drehmoment bei hoher Drehzahl liefern, aber nicht beides. Diese Einschränkung macht es erforderlich, dass die Statorwicklungen für bestimmte Drehzahlen und Drehmomente angepasst werden, was die Herstellung komplexer macht, oder dass der elektronische Antrieb überdimensioniert wird, um mehr Strom für die Situationen mit hohem Drehmomentbedarf zu liefern, was zu höheren Kosten führt.
Herkömmliche Permanentmagnetmotoren sind so konfiguriert, dass sie Ausgangsdrehmomente für eine Reihe von Drehzahlen bis zu einer Grunddrehzahlgrenze erzeugen. Die Drehzahl steht in direktem Zusammenhang mit dem Aufbau elektrischer Gegen-EMK-Potenziale im Motor, wenn die Drehzahl steigt. Die Gegen-EMK wird also durch Eigenschaften wie die Flussdichte, die Wicklungskonfiguration und die Drehzahl begrenzt. Mit zunehmender Drehzahl eines Permanentmagnetmotors baut sich die Gegen-EMK immer mehr auf, bis eine maximale Gegen-EMK des Motors erreicht wird, bei der der Rotor nicht mehr schneller läuft. Somit begrenzen die Gegen-EMK und die Grunddrehzahl den dynamischen Drehzahlbereich.
Herkömmliche Motoren mit fester Drehmomentkonstante sind so konfiguriert und gewickelt, dass sie ein hohes Drehmoment bei niedriger Drehzahl oder eine hohe Drehzahl bei niedrigem Drehmoment liefern. Herkömmliche Motoren mit variabler Drehmomentkonstante verfügen über ein Mittel zur Änderung der Drehmomentkonstante, so dass höhere Drehmomente bei niedrigeren Drehzahlen erreicht werden können. Beispielsweise kann ein festes Untersetzungsverhältnis, das am Motor angebracht ist, so konfiguriert werden, dass beim Anfahren oder Beschleunigen ein hohes Drehmoment bei niedriger Drehzahl und im Normalbetrieb ein niedriges Drehmoment bei hoher Drehzahl erreicht wird. Solche Konfigurationen erfordern zusätzliche Teile, einen größeren Platzbedarf und höhere Kosten.
Daher besteht ein Bedarf an effizienten elektrischen Maschinen, die ein hohes Drehmoment über einen weiten Drehzahlbereich aufweisen.
KURZBESCHREIBUNG
In einer Ausführungsform wird eine Rotorbaugruppe zur Verwendung in einer Radialfluss-Elektromotorbaugruppe beschrieben. Die Rotorbaugruppe umfasst eine drehbare Rotorwelle, die mit einem Rotorkern gekoppelt ist, wobei der Rotorkern eine Vielzahl von Rotorpolen umfasst, die in Umfangsrichtung um eine Mittelachse der Rotorwelle beabstandet sind, wobei der Rotorkern eine Vielzahl von Kernmagneten umfasst, die abwechselnd mit der Vielzahl von Rotorpolen beabstandet sind; und mindestens eine Endplatte, die mit der drehbaren Rotorwelle verbunden ist, wobei die mindestens eine Endplatte über dem Rotorkern angeordnet ist, wobei die mindestens eine Endplatte eine Vielzahl von Endmagneten umfasst, die mit der mindestens einen Endplatte gekoppelt sind. Die Vielzahl von Endmagneten ist über den Kernmagneten positioniert, wenn die Rotorbaugruppe in Ruhe ist, wobei die Rotorbaugruppe eine erste Drehmomentkonstante in Ruhe hat, wobei die Vielzahl von Endmagneten relativ zu den Kernmagneten bei Anwendung eines Drehmoments auf die Rotorbaugruppe rotieren kann, wobei die Rotorbaugruppe eine mittlere Drehmomentkonstante bei Anwendung eines Drehmoments auf die Rotorbaugruppe hat.
In einer anderen Ausführungsform wird eine Elektromotorbaugruppe beschrieben. Die Elektromotorbaugruppe umfasst eine Statorbaugruppe, die einen Statorkern und eine Vielzahl von Wicklungen umfasst; und eine Rotorbaugruppe, die einen Rotorkern umfasst, der eine Vielzahl von Rotorpolen umfasst, die in Umfangsrichtung um eine Mittelachse einer drehbaren Welle beabstandet sind, wobei der Rotorkern eine Vielzahl von Kernmagneten umfasst, die abwechselnd mit der Vielzahl von Rotorpolen beabstandet sind; mindestens eine Endplatte, die mit der drehbaren Rotorwelle verbunden ist, wobei die mindestens eine Endplatte über dem Rotorkern angeordnet ist, wobei die mindestens eine Endplatte eine Vielzahl von Endmagneten umfasst, die mit der mindestens einen Endplatte gekoppelt sind. Die Vielzahl von Endmagneten ist über den Kernmagneten positioniert, wenn die Rotorbaugruppe in Ruhe ist, wobei die Rotorbaugruppe eine erste Drehmomentkonstante in Ruhe hat, wobei die Vielzahl von Endmagneten sich relativ zu den Kernmagneten bei Anwendung eines Drehmoments auf die Rotorbaugruppe drehen kann, wobei die Rotorbaugruppe eine mittlere Drehmomentkonstante bei Anwendung eines Drehmoments auf die Rotorbaugruppe hat.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine perspektivische Schnittansicht einer beispielhaften Elektromotoranordnung;
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 perspektivische Ansicht einer Nabenbaugruppe, die in die in 4 gezeigte Rotorbaugruppe eingebaut werden kann;
7 ist eine teilweise Explosionsdarstellung der Nabenbaugruppe von 6;
8 ist eine perspektivische Ansicht einer Nabenbaugruppe, die in die in 4 gezeigte Rotorbaugruppe eingebaut werden kann;
9 ist eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Trommel, die in die in 6 gezeigte Nabenbaugruppe eingebaut werden kann;
10 ist eine Querschnittsansicht der in 6 dargestellten Nabenbaugruppe;
11 ist eine Querschnittsansicht der in 4 dargestellten Rotoreinheit;
12 ist ein Diagramm der Drehmomentkonstante der in 4 gezeigten Rotoreinheit; und
13 ist eine Querschnittsansicht der in 4 dargestellten Rotoreinheit.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf eine Rotorbaugruppe zur Verwendung in einer Radialfluss-Elektromotorbaugruppe mit Kemmagneten, die relativ zu Endmagneten drehbar sind, so dass die Drehmomentkonstante der Rotorbaugruppe variiert. Die mehreren Endmagnete sind über den Kernmagneten positioniert, wenn sich die Rotorbaugruppe im Ruhezustand befindet und die Rotorbaugruppe eine erste Drehmomentkonstante im Ruhezustand aufweist. Die mehreren Endmagnete können sich relativ zu den Kernmagneten drehen, wenn ein Drehmoment auf die Rotorbaugruppe ausgeübt wird.
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 18 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 besteht aus einem Stapel von Blechen aus hochmagnetisch permeablem Material. 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 verteilte (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, Luft über Kühl- oder Heizschlangen zu blasen und/oder 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 mit Motoren von 1/5 PS bis 1 PS. Der Motor 10 kann auch in kommerziellen und industriellen Anwendungen und/oder hermetischen Kompressormotoren in Klimaanlagen eingesetzt werden, wo der Motor 10 eine Leistung von mehr als 1 PS haben kann. Obwohl hier im Zusammenhang mit einem Klimatisierungssystem 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 zentralen Achse 102 (wie in 3 dargestellt), der eine Statorbaugruppe 104 und eine Rotorbaugruppe 106 umfasst. Die Statorbaugruppe 104 umfasst einen ringförmigen Kern 136 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 (wie in 3 dargestellt) und sind radial voneinander beabstandet. Die Innenfläche 116 und die Außenfläche 126 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 400 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 Rotorbaugruppe 106 positioniert 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 des Sockels 110 gekrümmt.
Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 2 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 aufnehmen kann, 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-Motoren), bürstenlose Wechselstrommotoren (BLAC-Motoren) und permanentmagnetunterstützte variable Reluktanzmotoren umfassen. Darüber hinaus wird die Rotorbaugruppe 20 von einer elektronischen Steuerung (nicht abgebildet) angetrieben, z. B. einer elektronischen Sinus- oder Trapezsteuerung.
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 (die zentrale Achse 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 wird in der beispielhaften Ausführungsform der Rotorkern 130 und damit jeder Rotorpol 134 durch eine Vielzahl von gestapelten Lamellen 150 gebildet, die durch Verriegelung, Kleben, Schweißen, Verschrauben oder Nieten oder jede andere in der Technik bekannte Art von Verbindungstechnik miteinander verbunden sind. Die Lamellen 150 werden beispielsweise 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 Rotationsachse X magnetisiert sind. Der Magnet 138 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 zeigt eine perspektivische Ansicht der Rotorbaugruppe 106, die den in 2 gezeigten Rotorkern 130 enthält und die in der in 1 gezeigten Elektromotorbaugruppe 100 enthalten sein kann. 5 zeigt eine Explosionsansicht der Rotorbaugruppe 106 von 4. Die Rotorbaugruppe 106 umfasst eine erste Endplatte 174, die mit einer ersten Vielzahl von Endmagneten 166 verbunden ist, und eine zweite Endplatte 176, die mit einer zweiten Vielzahl 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 magnetischen 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 von Endmagneten 166 zwischen dem ersten Ende 152 des Rotorkerns 130 und der ersten Endplatte 174 angeordnet. In ähnlicher Weise ist die zweite Vielzahl von Endmagneten 166 zwischen dem zweiten Ende 154 des Rotorkerns 130 und der zweiten Endplatte 176 angeordnet.
Die Rotorbaugruppe 106 umfasst ferner ein Paar von Rahmen 188, die mit den Endplatten 174 und 176 verbunden sind. Jeder 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 definiert der Rahmen 188 einen im Wesentlichen ähnlichen Durchmesser wie die Endplatten 174 und 176 und besteht aus einem nichtmagnetischen Material, wie z. B., aber nicht beschränkt auf, Kunststoff, um den Fluss zwischen dem Rotorkern und den Endmagneten 166 nicht zu beeinträchtigen
In der beispielhaften Ausführungsform umfasst eine erste Vielzahl von Endmagneten 166 der ersten Endplatte 174 eine erste Teilmenge 178 mit einer ersten Polarität und eine zweite Teilmenge 180 mit einer zweiten Polarität, die sich von der ersten Polarität unterscheidet. In ähnlicher Weise umfasst die zweite Vielzahl von Endmagneten 166 der zweiten Endplatte 176 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. Anders ausgedrückt, die Vielzahl der Endmagnete 166 wechseln die Polarität zwischen benachbarten Endmagneten ab. In einigen Ausführungsformen stoßen die Endmagnete 166 der ersten Teilmenge 182 und der zweiten Teilmenge 184 ohne strukturelle Halterung aneinander.
Jeder Endmagnet 166 bedeckt zumindest teilweise eine Schnittstelle 186 zwischen einem Rotorpol 134 und einem benachbarten Kernmagneten 138. 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. Wie jedoch weiter unten näher erläutert, kann die Position jedes Endmagneten 166 relativ zum entsprechenden Rotorpol 134 und Kernmagneten 138 so eingestellt werden, dass der Weg für den Fluss zwischen dem Rotorpol 134 und dem Kernmagneten 138 variiert. Durch Einstellen der Position jedes Endmagneten 166 relativ zum Kernmagneten 138 kann die Drehmomentkonstante des Elektromotors 100 so verändert werden, dass der Motor 100 mit hohem Drehmoment oder mit niedrigem Drehmoment und hoher Drehzahl oder in einem Zustand dazwischen betrieben werden kann. Anders ausgedrückt, kann die Einstellung der Umfangsposition aller Endmagnete 166 relativ zu den Kernmagneten 138 die Funktion und den Wirkungsgrad des Motors 100 durch Änderung der Drehmomentkonstante des Motors optimieren. In einigen Ausführungsformen stößt jeder Endmagnet 166 an die Kernmagnete 138. In einigen Ausführungsformen ist jeder Endmagnet 166 in einem gewissen Abstand zu den Kernmagneten 138 angeordnet.
6 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Nabenbaugruppe 200 und 7 zeigt eine Explosionsansicht der Nabenbaugruppe 200. 8 zeigt die Nabenbaugruppe 200, die an einer der Endplatten (174, 176) befestigt ist. Die Nabenbaugruppe umfasst eine innere Nabe 210 und eine Trommel 250, die die innere Nabe 210 umgibt. Die innere Nabe 210 hat einen zylindrischen Körper mit einer Öffnung zur Aufnahme der drehbaren Welle 136, die mit einer Last gekoppelt ist und sich mit der drehbaren Welle 136 dreht. Eine erste Fläche 212 und eine zweite Fläche 214 gegenüber der ersten Fläche 212 sind mit den Endplatten (174, 176) verbunden. Die innere Nabe 210, die Endplatten (174, 176) und die Rahmen 188 drehen sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Welle 136 rotiert. In einigen Ausführungsformen umfasst die innere Nabe 210 mindestens eine Lasche 216, die sich von einer Außenfläche des zylindrischen Körpers aus erstreckt. Die mindestens eine Lasche 216 erstreckt sich in Längsrichtung auf der Außenfläche, und jede Lasche 216 ist um einen gleichen radialen Abstand zu einer benachbarten Lasche 216 beabstandet. Die mindestens eine Lasche 216 ist so konfiguriert, dass sie mit der Trommel 250 ineinandergreift.
9 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht der Trommel 250 der Nabenbaugruppe 200. 10 zeigt eine obere Querschnittsansicht der Nabenbaugruppe 200. 11 zeigt eine obere Querschnittsansicht der Rotorbaugruppe 106. Die Trommel 250 hat einen zylindrischen Körper mit einer ersten Oberfläche 254 und einer zweiten Oberfläche 256 gegenüber der ersten Oberfläche 254. Eine Außenfläche 280 der Trommel 250 umfasst eine Vielzahl von Kerben 280, die sich in die Außenfläche 280 erstrecken. Die mehreren Kerben 280 der Trommel 250 sind so konfiguriert, dass sie in eine entsprechende Vielzahl von Kerben 133 des Rotorkerns 130 eingreifen, die an einer Innenfläche 131 des Rotorkerns 130 angeordnet sind.
Eine Öffnung 252 erstreckt sich durch den Körper und bildet eine innere Seitenwand 260 mit einem ersten Abschnitt 262 und einem zweiten Abschnitt 264. Der erste Abschnitt 262 hat einen Durchmesser D1, der größer ist als der Durchmesser D2 des zweiten Abschnitts 264. Der erste Abschnitt 262 grenzt an die obere Fläche 254 und der zweite Abschnitt 264 grenzt an den ersten Abschnitt 262. In einigen Ausführungsformen grenzt ein dritter Abschnitt 266, der in der dargestellten Ausführungsform den gleichen Durchmesser wie der erste Abschnitt 262 hat, an den zweiten Abschnitt 264 und die zweite Oberfläche 256 der Trommel 250. Der Durchmesser D2 des zweiten Abschnitts 264 ist kleiner als ein Durchmesser der inneren Nabe 210, so dass die innere Nabe 210 in die Öffnung 252 der Trommel 250 eingeführt werden kann. In einigen Ausführungsformen ist die innere Nabe 210 innerhalb der Öffnung 252 der Trommel 250 durch Abstandsringe 218 gesichert, die an der ersten Oberfläche 212 und der zweiten Oberfläche 214 der inneren Nabe 210 anliegen. Die Abstandsringe 218 haben einen Durchmesser, der größer ist als der Durchmesser D2 des zweiten Teils 264, aber kleiner als der Durchmesser D1 des ersten Teils 262. Durch Einsetzen der inneren Nabe 210 in die Öffnung 252 der Trommel 250 und anschließendes Anbringen der Abstandsringe 218 an der inneren Nabe 210 wird die innere Nabe 210 somit abnehmbar in der Trommel 250 positioniert und kann sich relativ zur inneren Nabe 210 frei drehen. Die Abstandsringe 218 sind so konfiguriert, dass sie den Speichenmagneten und die Lamellenunterbaugruppe mit den äußeren Magneten und der Wellenunterbaugruppe zentralisieren.
Der zweite Abschnitt 264 umfasst mindestens eine radiale Tasche 270, die sich teilweise durch die innere Seitenwand 260 erstreckt. Die mindestens eine radiale Tasche 270 hat die Form eines Bogens mit einem Radius R und einem Bogenwinkel θ. Der Radius R der mindestens einen radialen Tasche 270 ist so bemessen und konfiguriert, dass er die mindestens eine Lasche 216 der inneren Nabe 210 aufnimmt, so dass die mindestens eine Lasche 216 (und damit die innere Nabe 210) innerhalb der mindestens einen radialen Tasche 270 rotieren kann. Anders ausgedrückt, der Radius R ist größer als ein Radius der mindestens einen Lasche 216 der inneren Nabe 210 relativ zur inneren Nabe 210. Wie in den 7 und 9 am besten dargestellt, umfasst der erste Abschnitt 262 der Trommel 250 eine Kerbe 268 mit einem Radius, der größer ist als der Radius der mindestens einen Lasche 216 der inneren Nabe 210, so dass die mindestens eine Lasche 216 und die innere Nabe 210 in die mindestens eine radiale Tasche 270 und die Trommel 250 eingeführt werden können Die anschließende Befestigung der Abstandsringe 218 an der inneren Nabe 210 positioniert die mindestens eine Lasche 216 entfernbar in der mindestens einen radialen Tasche 270. Außerdem sind die Abstandsringe 218 so konfiguriert, dass sie den Kernmagneten 138 relativ zu den Endmagneten 166 zentrieren. Der Bogenwinkel θ begrenzt die Drehung der mindestens einen Lasche 216 (und damit der inneren Nabe 210 innerhalb der mindestens einen radialen Tasche 270. Anders ausgedrückt, die mindestens eine radiale Tasche 270 definiert einen ersten Anschlag 272 und einen zweiten Anschlag 274 an den Enden der mindestens einen radialen Tasche 270. Die mindestens eine Lasche 216 kann sich zwischen dem ersten Anschlag 272 und dem zweiten Anschlag 274 bewegen, wodurch die Drehung der mindestens einen Lasche 216 innerhalb der mindestens einen radialen Tasche 270 um den Bogenwinkel θ begrenzt wird. Die Begriffe „Anschlag“ und „Ende“ in Bezug auf die mindestens eine radiale Tasche 270 werden austauschbar verwendet.
In einigen Ausführungsformen ist die mindestens eine Lasche 216 frei in der mindestens einen radialen Tasche 270 positioniert, wie in 10 gezeigt. Da die innere Nabe 210 mit den Endplatten 174 und 176 (und somit mit den Endmagneten 166) gekoppelt ist und die Trommel 250 mit dem Rotorkern 130 (und somit mit den Kernmagneten 138) gekoppelt ist, halten die zwischen den Endmagneten 166 und den Kernmagneten 138 ausgeübten magnetischen Kräfte die mindestens eine Lasche 216 in der Ruheposition, wenn die mindestens eine Lasche 216 frei in der mindestens einen radialen Tasche 270 positioniert ist. Insbesondere sind die mindestens eine Lasche 216, die mindestens eine Tasche 270, die Endmagnete 166 und die Kernmagnete 138 so konfiguriert und relativ zueinander positioniert, dass sie die mindestens eine Lasche 216 im Ruhezustand in Position halten. Wie hierin verwendet, bezeichnen die Begriffe „Ruhe“ und „in Ruhe“ ein Gleichgewicht der magnetischen Kräfte zwischen den Endmagneten 166 und den Kernmagneten 138, so dass die mindestens eine Lasche 216 in gleichem Abstand zwischen dem ersten Anschlag 272 und einem zweiten Anschlag 274 der mindestens einen radialen Tasche 270 positioniert ist, wie in 10 gezeigt.
Da das Gleichgewicht durch die Anwendung eines Drehmoments auf die Trommel 250 relativ zur inneren Nabe 210 gestört wird, wirkt das externe Drehmoment der magnetischen Abstoßung innerhalb des Rotors entgegen, was wiederum dazu führt, dass sich die mindestens eine Lasche 216 relativ zu der mindestens einen radialen Tasche 270 dreht. Die mindestens eine Lasche 216 kann sich aus dem Ruhezustand in beide Richtungen um einen Winkel innerhalb des Rotors drehen. Im Ruhezustand ist der Winkel innerhalb des Rotors Null, was bedeutet, dass die mindestens eine Lasche 216 in gleichem Abstand zwischen dem ersten Anschlag 272 und dem zweiten Anschlag 274 gehalten wird. Der Innenrotorwinkel ist die Hälfte des Winkels θ und wird in positiven Gradzahlen in beiden Drehrichtungen gemessen. Wenn beispielsweise die mindestens eine radiale Tasche 270 einen Winkel θ von 50 Grad hat, befindet sich die eine Lasche 216 in einem Abstand von 25 Grad von einem der Enden und die mindestens eine Lasche 216 ist um 25 Grad in beide Richtungen drehbar. In einigen Ausführungsformen beträgt der Bogenwinkel θ 25 Grad. In einigen Ausführungsformen beträgt der Bogenwinkel θ 50 Grad. In einigen Ausführungsformen liegt der Bogenwinkel θ im Bereich von 5 Grad bis 90 Grad. Der Gradbereich wird letztlich durch die Größe und die relative Position der Endmagnete 166 und der Kernmagnete 138 bestimmt. Der Winkel θ wird berechnet, indem 360 Grad durch die maximale Anzahl der Pole des Kernmagneten 138 geteilt wird. Bei einem 12-poligen Rotor beträgt der Winkel θ zum Beispiel 30 Grad. Ebenso beträgt der Winkel θ für einen 20-poligen Rotor 18 Grad. In einigen Ausführungsformen können Dämpfungselemente wie Vorspannelemente, Federn oder Gummibuchsen zwischen der mindestens einen Lasche 216 und der mindestens einen radialen Tasche 270 der Trommel 250 angeordnet werden. Dämpfungselemente können die auf die mindestens eine Lasche 216 und die mindestens eine radiale Tasche 270 ausgeübte Trägheit teilweise begrenzen.
Durch Einstellen oder Verschieben der Position jedes Endmagneten 166 relativ zum Kernmagneten 138 kann die Rück-EMK-Charakteristik des Motors 100 so eingestellt werden, dass sich die Drehmomentkonstante des Motors 100 für einen Zustand mit hohem Drehmoment, einen Zustand mit niedrigem Drehmoment und hoher Drehzahl oder für einen Zustand dazwischen ändert. Der Innenrotorwinkel definiert somit einen Winkel, um den sich die Endmagnete 166 relativ zu den Kernmagneten 138 verschieben, wodurch sich der Weg des Flusses zwischen den Endmagneten 166 und den Kernmagneten 138 ändert.
Die Drehmomentkonstante hat einen ersten Wert T1 im Ruhezustand, einen zweiten Wert T2, wenn sich die mindestens eine Lasche 216 entweder am ersten Anschlag 272 oder an einem zweiten Anschlag 274 befindet, und einen Zwischenwert Tx, wenn sich die mindestens eine Lasche 216 zwischen Ruhezustand und entweder dem ersten Anschlag 272 oder einem zweiten Anschlag 274 befindet. Der Wert der Drehmomentkonstante T1 ist kleiner als der Wert der Drehmomentkonstante T2, und der Wert der Drehmomentkonstante Tx ist größer als der Wert der Drehmomentkonstante T1 und kleiner als der Wert der Drehmomentkonstante T2. Der Drehmomentkonstantenwert T1 entspricht einem Zustand mit niedrigem Drehmoment und hoher Drehzahl, der Drehmomentkonstantenwert T2 entspricht einem Zustand mit hohem Drehmoment, und der Drehmomentkonstantenwert Tx entspricht einem Zwischenzustand. 12 zeigt ein beispielhaftes Motordrehmomentkonstantenprofil. Wie gezeigt, erhöht eine Vergrößerung des Innenrotorwinkels (Winkel 0) zwischen den Endmagneten 166 relativ zu den Kernmagneten 138 die Flusskonzentration der Endmagneten und Kernmagneten 138 und damit die Drehmomentkonstante des Motors 100.
Wenn der Innenrotorwinkel von 0 Grad vergrößert wird, werden die Endmagnete 166 aufgrund der magnetischen Kräfte gezwungen, zu einem Innenrotorwinkel von 0 Grad zurückzukehren. In einigen Ausführungsformen, wenn sich die innere Nabe 210 mit der Welle 136 bei der anfänglichen Inbetriebnahme dreht, übt die Trägheit des Systems ein Drehmoment auf die innere Nabe 210 relativ zur Trommel 250 aus, was dazu führt, dass die mindestens eine Lasche 216 zumindest teilweise die Magnetkraft überwindet und sich relativ zu der mindestens einen radialen Tasche 270 dreht, was zu einer Erhöhung der Drehmomentkonstante führt. Durch die Erhöhung der Drehmomentkonstante während des Starts wird der Wirkungsgrad des Motors 100 in einen Zustand mit hohem Drehmoment versetzt, in dem die Drehmomentkonstante größer als T1 ist (d. h. der Wert der Drehmomentkonstante T2 oder Tx). Wenn der Motor 100 mit einer nahezu konstanten Drehzahl läuft und das auf das System wirkende Drehmoment nachlässt, kehrt die mindestens eine Lasche 216 in den Ruhezustand oder nahezu in den Ruhezustand zurück (bei einem Innenrotorwinkel von 0), wodurch der Motor 100 in den Zustand mit niedrigem Drehmoment und hoher Drehzahl versetzt wird (d. h. mit dem Drehmomentkonstantenwert T1 oder Tx). Ebenso wird bei jeder Anwendung, bei der ein zusätzliches Drehmoment auf den Motor 100 ausgeübt wird (d. h. eine erhöhte Last auf den Motor), die mindestens eine Lasche 216 aufgrund des zusätzlichen Drehmoments, das auf das System ausgeübt wird, relativ zu der mindestens einen radialen Tasche 270 gedreht, was zu einem höheren Motorwirkungsgrad während eines Zustands mit hohem Drehmoment führt. Wenn das Drehmoment reduziert wird, wird der Motor 100 in einen konstanten Modus mit niedrigem Drehmoment versetzt, der eine höhere Geschwindigkeit und einen besseren Wirkungsgrad bietet.
In einigen Ausführungsformen wird die mindestens eine Lasche 216 mechanisch relativ zu der mindestens einen radialen Tasche 270 gehalten, wie in 13 gezeigt, so dass der Motor 100 mit einem der oben genannten Drehmomentkonstantenwerte arbeitet. Anders ausgedrückt, die Rotoreinheit hat eine feste Drehmomentkonstante von T1, T2 oder Tx. In einigen Ausführungsformen wird die mindestens eine Lasche mechanisch relativ zu der mindestens einen radialen Tasche 270 mit herkömmlichen, in der Technik bekannten Mitteln gehalten. In einigen Ausführungsformen weist mindestens eine der Endplatten (174, 176) einen radialen Schlitz 175 auf. Ein mit der Trommel 250 gekoppelter Stift 290 ist innerhalb des radialen Schlitzes 175 beweglich, so dass eine Bewegung des Stifts 290 innerhalb des radialen Schlitzes 175 auch die Trommel 250 relativ zu der inneren Nabe 210 bewegt. Wie in 10 und 13 am besten dargestellt, erstreckt sich der Stift 290 zumindest teilweise durch die Trommel 250. In einigen Ausführungsformen kann der Stift 290 mit einem sekundären Motor oder Aktuator gekoppelt sein, der so konfiguriert ist, dass er den Stift 290 relativ zu dem radialen Schlitz 175 bewegt. In einigen Ausführungsformen kann der Bolzen 290 mechanisch an mindestens einer der Endplatten (174, 176) befestigt werden. Beispielsweise kann der Bolzen 290 ein Gewindeende aufweisen, das auf mindestens eine der Endplatten (174, 176) geschraubt werden kann, wodurch die Trommel 250 relativ zur inneren Nabe in einem Winkel innerhalb des Rotors gehalten wird.
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.
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 Rotorstahlkappen zu Radialspeichenrotoren erhöht den Wirkungsgrad und das Drehmoment, da ein axialer Leckstrom verhindert wird, der in der umgebenden leitenden Struktur Wirbelströme induziert. Darüber hinaus lassen sich einige Elemente der hier beschriebenen Rotorbaugruppe im Vergleich zu anderen bekannten Rotorbaugruppen einfacher herstellen, da die Komponenten der Rotorbaugruppe mit mechanischen Verbindungselementen zusammengehalten werden. Bei einer solchen Ausführungsform sind Werkzeuge und Verfahren zum Umspritzen des Rotors 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: eine drehbare Rotorwelle, die mit einem Rotorkern gekoppelt ist, wobei der Rotorkern eine Vielzahl von Rotorpolen umfasst, die in Umfangsrichtung um eine Mittelachse der Rotorwelle beabstandet sind, wobei der Rotorkern eine Vielzahl von Kernmagneten umfasst, die abwechselnd mit der Vielzahl von Rotorpolen beabstandet sind; mindestens eine Endplatte, die mit der drehbaren Rotorwelle verbunden ist, wobei die mindestens eine Endplatte über dem Rotorkern angeordnet ist, wobei die mindestens eine Endplatte eine Vielzahl von Endmagneten umfasst, die mit der mindestens einen Endplatte gekoppelt sind; und wobei die Vielzahl von Endmagneten über den Kernmagneten positioniert ist, wenn die Rotorbaugruppe in Ruhe ist, wobei die Rotorbaugruppe eine erste Drehmomentkonstante in Ruhe hat, wobei die Vielzahl von Endmagneten von Endmagneten sich relativ zu den Kernmagneten bei Anwendung eines Drehmoments auf die Rotorbaugruppe drehen kann, wobei die Rotorbaugruppe eine mittlere Drehmomentkonstante bei Anwendung eines Drehmoments auf die Rotorbaugruppe hat.
Rotorbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Endmagneten eine erste Vielzahl von Endmagneten umfasst, die mit einer ersten Endplatte der mindestens einen Endplatte gekoppelt sind, und eine zweite Vielzahl von Endmagneten, die mit einer zweiten Endplatte der mindestens einen Endplatte 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, der ersten Polarität entgegengesetzten Polarität umfasst, und wobei die erste Untergruppe von Endmagneten abwechselnd mit der zweiten Untergruppe von Endmagneten beabstandet ist.
Rotorbaugruppe nach Anspruch 1, wobei jeder Endmagnet eine Schnittstelle zwischen einem Rotorpol der Vielzahl von Rotorpolen und einem benachbarten Kernmagneten der Vielzahl von Kernmagneten abdeckt.
Rotorbaugruppe nach Anspruch 1, die ferner eine Nabenbaugruppe mit einer inneren Nabe und einer die innere Nabe umgebenden Trommel umfasst, wobei die innere Nabe mit der drehbaren Welle gekoppelt und mit der drehbaren Welle drehbar ist und die Trommel relativ zu der inneren Nabe drehbar ist, wobei die innere Nabe mit der mindestens einen Endplatte verbunden ist und die Trommel mit dem Rotorkern verbunden ist.
Rotorbaugruppe nach Anspruch 5, wobei die Trommel relativ zur inneren Nabe um einen Innenrotorwinkel drehbar ist, der einen Winkel definiert, um den sich die mehreren Endmagnete relativ zu den Kernmagneten verschieben, wodurch sich der Weg für den Fluss zwischen den mehreren Endmagneten und den mehreren Kernmagneten ändert.
Rotorbaugruppe nach Anspruch 6, wobei die Rotorbaugruppe eine zweite Drehmomentkonstante bereitstellt, wenn sie die Trommel relativ zur inneren Nabe aus dem Ruhezustand um den Innenrotorwinkel dreht.
Rotorbaugruppe nach Anspruch 7, wobei die innere Nabe mindestens eine Lasche aufweist, die sich von einer Außenfläche der inneren Nabe aus erstreckt, und die Trommel mindestens eine radiale Tasche aufweist, die sich teilweise durch eine innere Seitenwand der Trommel erstreckt, wobei die mindestens eine Lasche so konfiguriert ist, dass sie sich innerhalb der mindestens einen radialen Tasche dreht, so dass sich die innere Nabe relativ zur Trommel dreht.
Rotorbaugruppe nach Anspruch 8, wobei die mindestens eine radiale Tasche ein Bogen mit einem Bogenwinkel ist, wobei der Innenrotorwinkel die Hälfte des Bogenwinkels beträgt.
Rotorbaugruppe nach Anspruch 9, wobei die mindestens eine radiale Tasche einen ersten Anschlag und einen zweiten Anschlag definiert, wobei die mindestens eine Lasche zwischen dem ersten Anschlag und dem zweiten Anschlag drehbar ist, wobei die mindestens eine Lasche im Ruhezustand in gleichem Abstand zwischen dem ersten Anschlag und dem zweiten Anschlag bleibt.
Rotorbaugruppe nach Anspruch 10, wobei sich die mindestens eine Lasche beim Aufbringen eines Drehmoments auf den drehbaren Rotor entweder in Richtung des ersten Anschlags oder des zweiten Anschlags dreht und wobei die mindestens eine Lasche beim Nachlassen des Drehmoments auf den drehbaren Rotor in die Ruhelage zurückkehrt.
Rotorbaugruppe nach Anspruch 11, wobei die Drehmomentkonstante von der ersten Drehmomentkonstante im Ruhezustand auf eine zweite Drehmomentkonstante oder eine dazwischenliegende Drehmomentkonstante ansteigt, wenn ein Drehmoment auf den drehbaren Rotor aufgebracht wird, wobei die zweite Drehmomentkonstante größer als die erste Drehmomentkonstante ist und die dazwischenliegende Drehmomentkonstante größer als die erste Drehmomentkonstante und kleiner als die zweite Drehmomentkonstante ist.
Rotorbaugruppe nach Anspruch 12, wobei die mindestens eine Lasche mechanisch relativ zu der mindestens einen radialen Tasche gehalten wird, so dass die Rotorbaugruppe eine feste Drehmomentkonstante aufweist.
Rotorbaugruppe nach Anspruch 13, bei der die Trommel durch einen mit der Trommel gekoppelten festen Stift mechanisch relativ zur inneren Nabe gehalten wird, wobei sich der feste Stift durch einen radialen Schlitz von mindestens einer der Endplatten erstreckt.
Rotorbaugruppe nach Anspruch 14, wobei der feste Stift mechanisch an mindestens einer der Endplatten befestigt ist.
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 einer drehbaren Welle beabstandet sind, wobei der Rotorkern eine Vielzahl von Kernmagneten umfasst, die abwechselnd mit der Vielzahl von Rotorpolen beabstandet sind; mindestens eine Endplatte, die mit der drehbaren Rotorwelle verbunden ist, wobei die mindestens eine Endplatte über dem Rotorkern angeordnet ist, wobei die mindestens eine Endplatte eine Vielzahl von Endmagneten umfasst, die mit der mindestens einen Endplatte gekoppelt sind; und wobei die Vielzahl von Endmagneten über den Kernmagneten positioniert ist, wenn die Rotorbaugruppe in Ruhe ist, wobei die Rotorbaugruppe eine erste Drehmomentkonstante in Ruhe hat, wobei die Vielzahl von Endmagneten sich relativ zu den Kernmagneten bei Anwendung eines Drehmoments auf die Rotorbaugruppe drehen kann, wobei die Rotorbaugruppe eine mittlere Drehmomentkonstante bei Anwendung eines Drehmoments auf die Rotorbaugruppe hat.
Elektromotorbaugruppe nach Anspruch 16, die ferner eine Nabenbaugruppe mit einer inneren Nabe und einer die innere Nabe umgebenden Trommel umfasst, wobei die innere Nabe mit der drehbaren Welle gekoppelt und mit der drehbaren Welle drehbar ist und die Trommel relativ zu der inneren Nabe drehbar ist, wobei die innere Nabe mit der mindestens einen Endplatte verbunden ist und die Trommel mit dem Rotorkern verbunden ist.
Elektromotorbaugruppe nach Anspruch 17, wobei die Trommel relativ zur inneren Nabe um einen Innenrotorwinkel drehbar ist, der einen Winkel definiert, um den sich die mehreren Endmagnete relativ zu den Kernmagneten verschieben, wodurch sich der Weg des Flusses zwischen den mehreren Endmagneten und den mehreren Kernmagneten ändert.
Elektromotorbaugruppe nach Anspruch 18, wobei die Rotorbaugruppe eine zweite Drehmomentkonstante aufweist, wenn die Trommel relativ zur inneren Nabe aus dem Ruhezustand um den Innenrotorwinkel gedreht wird.
Elektromotorbaugruppe nach Anspruch 19, wobei die innere Nabe mindestens eine Lasche aufweist, die sich von einer Außenfläche der inneren Nabe aus erstreckt, und die Trommel mindestens eine radiale Tasche aufweist, die sich teilweise durch eine innere Seitenwand der Trommel erstreckt, wobei die mindestens eine Lasche so konfiguriert ist, dass sie sich innerhalb der mindestens einen radialen Tasche dreht, so dass sich die innere Nabe relativ zur Trommel dreht, wobei der Winkel innerhalb des Rotors die Hälfte eines Bogenwinkels ist, wobei die mindestens eine Lasche im Ruhezustand in gleichem Abstand zwischen den Bogenwinkeln verbleibt, wobei sich die mindestens eine Lasche beim Anlegen eines Drehmoments an die Elektromotorbaugruppe aus dem Ruhezustand heraus dreht und wobei die mindestens eine Lasche beim Nachlassen des Drehmoments an den drehbaren Rotor in den Ruhezustand zurückkehrt.