-
HINTERGRUND
-
Elektromotoren werden in einer Anzahl unterschiedlicher Zusammenhänge verwendet. Im Allgemeinen besteht ein Elektromotor aus einem Rotor und einem Stator innerhalb eines Gehäuses. Sowohl der Rotor als auch der Stator können Kupfer oder ein anderes leitfähiges Material umfassen. Zum Beispiel kann der Stator Kupferendwindungen aufweisen, und der Rotor kann einen Kupferendring aufweisen. Diese beiden Kupferkomponenten erzeugen eine Erregung, wenn der Motor in Betrieb ist. Eine gewisse Menge an Magnetfluss von den Kupferteilen kann als Streufluss austreten, was bedeutet, dass sich die Magnetfeldlinien nicht innerhalb des aktiven Teils des Motors schließen. Feldlinien, welche sich in nicht aktiven Teilen des Motors schließen, tragen nicht zum Drehmoment des Motors bei. Insbesondere wenn der Motor mit hoher Drehzahl (d. h. einer hohen Frequenz) läuft, kann der Streufluss die Leistung des Motors beeinträchtigen. Vom elektromagnetischen Standpunkt aus ist der Streufluss nicht unbedingt als ein Verlust anzusehen, doch er bewirkt, dass der Motor faktisch kleiner wird, was nicht wünschenswert ist.
-
KURZDARSTELLUNG
-
In einem ersten Aspekt umfasst ein Elektromotor: einen Stator; eine Welle; einen auf der Welle angebrachten Rotor, wobei der Rotor einen Endring aufweist, welcher konzentrisch mit der Welle ist; und einen Flussschirm um die Welle herum innerhalb des Endringes.
-
Implementierungen können einige der folgenden oder alle folgenden Merkmale aufweisen. Der Flussschirm umfasst einen Zylinder, der die Welle innerhalb des Endringes umgibt. Der Flussschirm ist mit einem Gehäuse für den Elektromotor einstückig ausgebildet. Das Gehäuse weist ein Endelement auf, das einen Lagereinsatz für die Welle hält, wobei sich der Flussschirm von dem Endelement aus erstreckt. Der Flussschirm und wenigstens ein Teil des Gehäuses bilden eine Umhüllung von der Form eines Torus mit quadratischem Querschnitt, wobei der Endring und Endwindungen des Stators in der Umhüllung von der Form eines Torus mit quadratischem Querschnitt enthalten sind. Der Flussschirm umfasst wenigstens ein Material, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminium, Magnesium und passivem Kupfer besteht. Der Rotor umfasst einen Stapel von Lamellen, und der Endring ist von dem Stapel in einer axialen Richtung der Welle beabstandet, und der Flussschirm erstreckt sich an dem Endring vorbei in Richtung des Stapels. Der Elektromotor umfasst ferner ein Gehäuse für den Elektromotor und einen feststehenden Flussschirm des Stators zwischen einem Kern des Stators und Endwindungen des Stators. Der feststehende Flussschirm des Stators ist ringförmig. Der Flussschirm umfasst einen Flussschirm des Rotors, und der Flussschirm des Rotors ist aus demselben Material wie der feststehende Flussschirm des Stators hergestellt. Der Elektromotor umfasst ferner einen weiteren Endring auf einem gegenüberliegenden Ende des Rotors und einen weiteren Flussschirm um die Welle herum innerhalb des weiteren Endringes. Der Flussschirm umfasst einen feststehenden Flussschirm. Der feststehende Flussschirm umfasst einen zylinderförmigen Abschnitt. Der feststehende Flussschirm umfasst einen scheibenförmigen Abschnitt, der sich von dem zylinderförmigen Abschnitt aus erstreckt. Der Flussschirm umfasst einen rotierenden Flussschirm. Der rotierende Flussschirm erstreckt sich von einem Distanzstück auf einem Kern des Rotors aus, wobei das Distanzstück dazu dient, den Endring auf Abstand von dem Rotorkern zu halten. Der rotierende Flussschirm und das Distanzstück bilden ein L-Profil im Querschnitt.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 zeigt einen beispielhaften Querschnitt eines Elektromotors.
-
2–6 zeigen Beispiele von Flussschirmen.
-
7 zeigt ein beispielhaftes Diagramm eines Streuflusses eines Rotorendringes in Abhängigkeit von der Rotorfrequenz.
-
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
-
Diese Druckschrift beschreibt Beispiele von feststehenden Flussschirmen für Elektromotoren. Bei einigen Implementierungen ist der Flussschirm zwischen einem Rotorendring und der Welle des Motors angeordnet. Alternativ dazu oder zusätzlich kann ein Flussschirm zwischen dem Kern des Stators und seinen Endwindungen angeordnet sein. Der Flussschirm verringert den magnetischen Streufluss aus dem Motor, so dass sich mehr von den Magnetfeldlinien innerhalb und nicht außerhalb der aktiven Teile des Motors schließen. Im Allgemeinen induziert das Magnetfeld des Motors Wirbelströme im Material des Flussschirms, was hilft, die Menge der Magnetfeldlinien innerhalb des Flussschirms zu verringern. Die Verringerung des magnetischen Streuflusses kann mehr nützlichen Magnetfluss in den aktiven Teilen des Motors ermöglichen. Dies wiederum hilft dem Motor, mehr Drehmoment zu erzeugen, insbesondere wenn er im Feldschwächungsbereich betrieben wird (bei hoher Drehzahl/konstanter Spannung).
-
1 zeigt einen beispielhaften Querschnitt eines Elektromotors 100. Hierbei wird der Schnitt entlang der Achse der Welle 101 des Motors betrachtet, welche mit einem Getriebe oder mit einer anderen angetriebenen Komponente verbunden sein kann, die um der Klarheit willen nicht dargestellt ist. Der Motor ist in einem Gehäuse 102 enthalten, welches aus Aluminium oder einem anderen magnetisch durchlässigen Material, welches nicht leitfähig ist, hergestellt sein kann. Im Inneren des Gehäuses werden ein Stator 104 und ein Rotor 106 gehalten. Hier umfasst der Stator einen Abschnitt 104A, einen Kernabschnitt 104B und Endwindungen 104C. Der Rotor umfasst hier einen Abschnitt 106A, einen Kernabschnitt 106B, Endringe 106C und Einfassungsringe 106D. Die Kernabschnitte 104B und 106B sind aus einem in hohem Maße magnetisch durchlässigen Material wie etwa Stahl hergestellt. Die Abschnitte 104A und 106A können aus spärlich angeordnetem Eisen hergestellt sein, etwa indem Kupferstangen in Schlitzen angeordnet werden, die zwischen Zähnen aus Eisen ausgebildet sind. Zum Beispiel kann der Rotor 106 durch Bilden eines Stapels von Stahllamellen hergestellt sein.
-
Die Endwindungen 104C des Stators und die Rotorendringe 106C können zum Beispiel aus Kupfer hergestellt sein, oder aus einem anderen leitfähigen Material. Bei einigen Implementierungen ist der Einfassungsring 106D aus einem gehärteten Material hergestellt und kann dazu dienen, die Verformung des Rotorendringes 106C, die aufgrund der Zentrifugalkraft während der Rotation eintreten kann, zu verhindern oder zu verringern.
-
Der Rotor 104 ist auf der Welle angebracht, welche durch Lagereinsätze 108 aufgehängt ist, die in diesem Beispiel von einem Teil des Gehäuses 102 gehalten werden.
-
In diesem Beispiel stellen die Teile des Gehäuses 102, welche die Lagereinsätze 108 halten, außerdem Schirme 110 bereit, welche zwischen dem Rotorendring 106C und dem entsprechenden Abschnitt der Welle 101 positioniert sind. Bei dieser achsensymmetrischen Darstellung kann der Flussschirm 110 als eine Schale oder ein Zylinder angesehen werden, insofern als er sich rotationssymmetrisch um die Welle herum erstreckt. Bei einigen Implementierungen kann sich der Flussschirm vom Lagereinsatz aus im Wesentlichen nach oben bis zur Außenfläche des Rotors erstrecken. Bei Implementierungen, welche Rotorendringe auf beiden Enden des Rotors aufweisen, kann jeder der Endringe einen Flussschirm aufweisen.
-
Der Flussschirm kann aus einem Material hergestellt sein, welches magnetisch durchlässig, jedoch nichtleitend ist. Zum Beispiel kann ein oder können mehrere Flussschirme aus Aluminium, Magnesium und/oder passivem Kupfer hergestellt sein.
-
2–6 zeigen Beispiele von leitfähigen Flussschirmen. Jedes Beispiel zeigt einen Abschnitt des Gehäuses 102 und des Lagereinsatzes 108, welcher von einem Gehäuseelement 200 gehalten wird, sowie Teile des Rotors bzw. Stators. In 2 erstreckt sich ein Flussschirm 202 von dem Element 200 aus axial in Richtung des Kernabschnitts 106B des Rotors. Hierbei erstreckt sich der Flussschirm nahe am Rotorendring 106C vorbei. In diesem Beispiel endet der Flussschirm in der Nähe des Rotorkerns, das heißt in der Nähe der äußersten von den Lamellen, aus denen der Rotor besteht. Hierbei ist der Flussschirm 202 dort, wo er dem Endring gegenüberliegt, etwas dünner als dort, wo der Lagereinsatz befestigt ist. Bei anderen Implementierungen kann der Flussschirm von einer im Wesentlichen konstanten Dicke sein, oder er kann in der Nähe des Endringes dicker als in anderen Bereichen sein.
-
Hier ist in einem Bereich, wo sich der Flussschirm 202 näher am Rotorendring 106C befindet, der Flussschirm radial bezüglich anderer Bereiche versetzt. Anders ausgedrückt, der Teil des Flussschirms, welcher sich nahe dem Endring befindet, ist ein Zylinder mit größerem Durchmesser als der Teil des Flussschirms, welcher sich axial weiter entfernt vom Endring und näher am Lagereinsatz befindet. Bei anderen Implementierungen kann kein Versatz oder ein Versatz in der entgegengesetzten Richtung verwendet werden, so dass zum Beispiel der Flussschirm nahe dem Rotorendring ein schmalerer Zylinder sein und ansonsten einen größeren Durchmesser aufweisen kann.
-
Im Betrieb induzieren dann die Stromdichten, welche im Rotorendring und in den Endwindungen des Stators erzeugt werden, Wirbelströme in der Fläche des Flussschirms 202. Infolgedessen sind die Magnetfeldlinien stärker in die aktiven Teile des Motors hinein gerichtet, als es ansonsten der Fall wäre. Zum Beispiel kann gesagt werden, dass das Gehäuse 102, das Element 200 und der Flussschirm 202 eine Umhüllung 204 bilden, welche den Rotorendring und die Endwindungen des Stators enthält. Diese Umhüllung verstärkt die Tendenz der Magnetfeldlinien, sich im Inneren der aktiven Teile des Motors zu schließen, und hilft dadurch, das vom Motor verfügbare Drehmoment zu erhöhen, insbesondere bei hohen Drehzahlen.
-
Bei einigen Implementierungen können der Flussschirm 202 und/oder das Element 200 eng anliegend an den Endwindungen des Stators oder am Rotorendring oder an beidem angebracht sein. Zum Beispiel kann die Umhüllung 204 so gestaltet sein, dass der Flussschirm 202 in der Nähe der Grundfläche des Endringes beginnt (d. h. wie dargestellt) und sich dann ohne Kontakt nahe an der Außenseite des Endringes entlang erstreckt, bis er die Endwindungen erreicht. Von dieser Stelle an kann sich der Flussschirm nahe an der Außenseite der Endwindungen des Stators entlang erstrecken, bis er das Motorgehäuse erreicht. Da die Endwindungen und der Flussschirm feststehend sind, kann der Flussschirm näher bezüglich der Endwindungen positioniert sein (z. B. in direktem Kontakt), als er bezüglich des Rotorendringes positioniert ist, aufgrund der relativen Bewegung zwischen ihnen. In 3 ist ein Flussschirm 300 des Stators vorgesehen. Abgesehen von dem zusätzlich vorhandenen Flussschirm des Stators ist dieses Beispiel äquivalent zu dem von 2. Der Flussschirm des Stators ist zwischen dem Kern des Stators und den Endwindungen des Stators angeordnet und kann zum Beispiel im Wesentlichen eine Scheiben- oder Ringform aufweisen. Bei einigen Implementierungen besteht der Flussschirm des Stators aus zwei (oder mehr) Teilen, welche vor Ort zusammengebaut werden, bevor der Stator in das Motorgehäuse eingesetzt wird. Der Flussschirm des Stators kann am Stator angebracht werden, bevor oder nachdem die Endwindungen des Stators bedeckt werden, etwa mit einem Harz.
-
Bei einigen Implementierungen kann der Flussschirm 300 des Stators aus demselben Material wie das Gehäuse hergestellt sein. Zum Beispiel können der Flussschirm des Stators und der Flussschirm 202 aus demselben Material hergestellt sein.
-
Eine Umhüllung 204' wird von dem Gehäuse 102, dem Element 200, dem Flussschirm 202 und dem Flussschirm des Stators 300 gebildet. Zum Beispiel kann die Umhüllung helfen, die Magnetfeldlinien zurückzuhalten, so dass sich mehr von ihnen innerhalb des aktiven Teils schließen.
-
In den obigen Beispielen ist der Flussschirm des Rotors feststehend und dreht sich nicht zusammen mit dem Rotor. Dies bedeutet, dass der Schirm der absoluten Frequenz der Felder das Stators und des Rotors ausgesetzt ist (und nicht zum Beispiel der Schlupffrequenz). Die Menge an Wirbelströmen, die im Schirm induziert werden, kann von der Frequenz abhängen, welcher das Material ausgesetzt ist.
-
Bei anderen Implementierungen kann jedoch ein oder können mehrere rotierende Flussschirme verwendet werden. Ein rotierender Flussschirm kann zusätzlich zu einem feststehenden Flussschirm oder anstelle desselben verwendet werden. 4–6 zeigen Beispiele eines Flussschirms 400 des Rotors. Hier ist ein Distanzstück 402 auf dem Abschnitt 106B des Rotorkerns angeordnet. Der Motor weist hier einen Rotorendring 404 auf, welcher ein im Wesentlichen rechteckiges Profil hat. Bei einigen Implementierungen kann eine radiale Verformung des Rotorendringes beispielsweise durch einen Einfassungsring 406 verhindert oder verringert werden.
-
Der Flussschirm 400 des Rotors kann eine beliebige Form haben, zum Beispiel eine Zylinderform. Hier erstreckt sich der Flussschirm des Rotors von dem Distanzstück aus in einer axialen Richtung, so dass diese Komponenten im Querschnitt eine L-Form bilden. In Analogie zu Beispielen oben wird durch das Gehäuse 102, das Element 200 und den Flussschirm 400 des Rotors eine Umhüllung definiert.
-
In 5 ist ein feststehender Flussschirm 500 vorgesehen. Bei einigen Ausführungsformen wird der feststehende Flussschirm durch das Gehäuse des Motors bereitgestellt. Hier erstreckt sich der feststehende Flussschirm von dem Element 200 aus.
-
Der feststehende Flussschirm 500 umfasst einen ersten Abschnitt 500A, welcher hier im Wesentlichen zylinderförmig ist. Der feststehende Flussschirm umfasst einen zweiten Abschnitt 500B, welcher sich in diesem Beispiel vom ersten Abschnitt 500A aus erstreckt, an einem Ende desselben. Zum Beispiel kann der zweite Abschnitt im Wesentlichen scheibenförmig sein, so dass eine Fläche desselben dem Rotorendring 404 zugewandt ist. Hier überdeckt der zweite Abschnitt einen Teil des Oberflächenbereichs des Rotorendringes, welcher vom restlichen Teil des Rotors abgewandt ist; bei anderen Implementierungen kann der zweite Abschnitt einen kleineren oder größeren Flächenbereich des Endringes bedecken.
-
Ein feststehender Flussschirm kann zusammen mit einem Flussschirm des Stators verwendet werden. 6 zeigt ein Beispiel, wo der Flussschirm des Stators 300 zusammen mit dem Flussschirm des Rotors 400 und dem feststehenden Flussschirm 500 verwendet wird.
-
7 zeigt ein beispielhaftes Diagramm 700 eines Streuflusses eines Rotorendringes in Abhängigkeit von der Rotorfrequenz. Der Streufluss des Rotorendringes wird als eine Induktivität gemessen und ist auf der vertikalen Achse abgetragen. Dagegen ist die Frequenz auf der horizontalen Achse abgetragen.
-
Zunächst zeigt eine Linie 702 den Streufluss nur aus dem aktiven Teil. Das heißt, diese Zahl widerspiegelt keinen Streufluss, der auf den Rotorendring oder die Endwindungen des Stators zuzuführen ist. In gewissem Sinne kann die Linie 702 als ein minimaler Streufluss angesehen werden, welcher nicht vermieden werden kann, da er dem Betrieb des aktiven Teils selbst von Natur aus innewohnt.
-
Als Nächstes zeigt dieses Diagramm Ergebnisse computerbasierter Simulationen für mehrere Konfigurationen, welche einen oder mehrere Flussschirme beinhalten, und auch für verschiedene Typen von Rotorendringen. Jedes Beispiel wird durch eine der Linien 704–710 repräsentiert. Die Linie 704 widerspiegelt den Streufluss, wenn der in 2 dargestellte Rotorendring 106C verwendet wird, jedoch ohne den Flussschirm 202, der im Hinblick auf diese Figur beschrieben wurde. Zum Beispiel kann der Endring 106C eine Form aufweisen und aus einem Material (z. B. Kupfer) bestehen, die es ermöglichen, den Endring durch Hartlöten am restlichen Teil des Rotors anzubringen. Die Linie 704 gehört hier zu denjenigen mit den größten Beträgen des Streuflusses unter den dargestellten Beispielen.
-
Die Linie 706 entspricht einem Rotorendring, welcher einen rechteckigen Querschnitt aufweist, wobei die Grundseite des Rechtecks (d. h. die dem Rotor zugewandte Seite) etwa 2,5 mal so lang wie seine Höhe ist. Aufgrund seiner Form und seines Materials kann ein solcher Endring geeignet sein, unter Verwendung eines Elektronenstrahls an den Rotor geschweißt zu werden (manchmal als Elektronenstrahlschweißen bezeichnet). Unter den dargestellten Beispielen entspricht die Linie 706 dem größten Streufluss.
-
Die Linien 708 und 710 beinhalten beide den in 2 dargestellten Rotorendring 106C. Im Falle der Linie 708 wird nur der Flussschirm 202 (2) verwendet, und im Falle der Linie 710 werden beide Flussschirme 202 und 300 (3) verwendet.
-
Es wurden einige Implementierungen als Beispiele beschrieben. Durch die nachfolgenden Ansprüche werden jedoch auch andere Implementierungen abgedeckt.
