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GEBIET
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Dieser Antrag bezieht sich auf den Bereich der elektrischen Maschinen und insbesondere auf den Einbau von Permanentmagneten auf den Polsegmenten von rotierenden elektrischen Maschinen des Klauenpoltyps.
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HINTERGRUND
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Generatoren werden zur Umwandlung mechanischer Energie von einem Fahrzeugmotor in elektrische Energie für das Fahrzeug verwendet. Die von dem Generator erzeugte elektrische Energie wird zum Laden der Fahrzeugbatterie verwendet und kann auch zum Antrieb elektrischer Verbraucher im Fahrzeug verwendet werden. Der Generator enthält im Allgemeinen eine drehbare Feldspule, die auf einem Rotor angeordnet ist. Der Rotor ist drehbar in einem Stator mit einer Vielzahl von Statorwicklungen angeordnet. Der Betrieb des Motors führt zur Rotation des Rotors und der Feldspule. Strom, der durch die rotierende Feldspule fließt, führt zu einem entsprechenden Strom, der in den Statorwicklungen induziert wird. Der durch die Statorwicklungen fließende Strom liefert eine Ausgangsspannung, die gleichgerichtet und an die Fahrzeugbatterie und/oder die elektrischen Lasten am Fahrzeug geliefert wird.
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Moderne Fahrzeug-Generatoren enthalten einen Regler, der den Strom durch die Feldspule steuert. Wenn der Feldspule mehr Strom zugeführt wird, erhöht sich die Ausgangsleistung des Generators. Wenn der Feldspule weniger Strom zugeführt wird, sinkt die Leistung des Generators. Es gibt mehrere verschiedene Konstruktionen rotierender elektromechanischer Maschinen. Eine gängige Konstruktion ist die Lundell- oder „Klauenpol“-Konstruktion. Die Klauenpolausführung wird häufig für dynamoelektrische Maschinen, wie z.B. Generatoren, verwendet. Bei einer Klauenpolmaschine umfasst der Rotor klauenförmige Polstücke (normalerweise ein Paar Polstücke), die um eine oder mehrere Feldwicklungen herum angeordnet sind. Die Polstücke haben jeweils mehrere klauenförmige Magnetpolsegmente mit Polsegmenten gegenüberliegender Polstücke, die ineinandergreifen.
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In einigen Generatoren sind Permanentmagnete hoher magnetischer Stärke zwischen den benachbarten Polsegmenten angeordnet, um das von der Feldspule erzeugte Magnetfeld zu ergänzen. Generatoren, bei denen sowohl Feldspulen- als auch Permanentmagnetflüsse mit einer Statorspule gekoppelt sind, werden als Hybrid-Generatoren bezeichnet. In einem Hybrid-Generator halten die Permanentmagnete einen permanenten Magnetfluss über Kanäle aufrecht, die sonst Luftspalte zwischen den Polsegmenten wären, die in einem Hybrid-Generator magnetisch mit den in den Kanälen angeordneten und vom Rotor getragenen Permanentmagneten und einem Teil der Statorstruktur verbunden sind, wodurch ein beträchtlicher Magnetfluss durch die Statorstruktur gekoppelt wird. Wenn die Feldspule erregt wird, trägt der von den Permanentmagneten entwickelte magnetische Fluss additiv zu dem elektromagnetisch erzeugten magnetischen Fluss bei, der aus der Erregung der Feldspule über den Stator/Rotor-Luftspalt resultiert.
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Konventionell werden die Seitenflächen jedes Polsegments, auf denen die Permanentmagnete ruhen, über die gesamte Länge des Polsegments und im Wesentlichen über die gesamte radiale Höhe des Polsegments bearbeitet. Diese umfangreiche Bearbeitung bildet eine große Vertiefung in jeder der Seitenflächen des Polsegments. Die jeweiligen Vertiefungen definieren jeweils radial obere und untere Lippen oder Leisten, die in Umfangsrichtung über die radial oberen und unteren Flächen eines benachbarten Permanentmagneten vorstehen. Ein dünner Halter aus rostfreiem Stahl wird zwischen dem Permanentmagneten und einer Unterseite der radial oberen Lippen zweier gegenüberliegender Polsegmente positioniert. Der Halter ist so konfiguriert, dass sie den Permanentmagneten mechanisch gegen die Zentrifugalkräfte abstützt, die durch die Rotation des Rotors auf den Magneten ausgeübt werden.
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Die erforderliche Breite der bearbeiteten radial oberen Lippe für den Halter und der erforderliche Umfangsabstand von Pol zu Pol, um Streuflüsse zu minimieren und einen angemessenen Abstand für den axialen Luftstrom durch die Rotorbaugruppe zu gewährleisten, bestimmen die Gesamtbreite der Magnete. Diese erforderliche Breite ist im Allgemeinen größer als die für den Entmagnetisierungsschutz der Permanentmagnete erforderliche Breite. Folglich sind die in konventionellen Hybrid-Generatoren verwendeten Permanentmagnete oft volumenmäßig größer als für elektromagnetische Zwecke erforderlich.
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Dementsprechend wäre es vorteilhaft, ein Polstück für einen Klauenpolrotor bereitzustellen, der eine Polsegmentkonfiguration aufweist, die die für ein gegebenes Leistungsniveau erforderliche Menge an Dauermagnetmaterial minimiert und die mit der Herstellung des Polstücks verbundenen Bearbeitungskosten verringert. Eine Polsegmentkonfiguration, die das Risiko der Entmagnetisierung des Permanentmagneten minimiert, wäre ebenfalls vorteilhaft.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein Rotor für eine rotierende elektrische Maschine in einer Ausführung enthält ein erstes Polstück mit einer Vielzahl von ersten Polsegmenten, die gleichmäßig um eine Drehachse verteilt sind, wobei die ersten Polsegmente jeweils mindestens eine erste Nut aufweisen, ein zweites Polstück mit einer Vielzahl von zweiten Polsegmenten, die gleichmäßig um die Drehachse verteilt sind und in einer beabstandeten, in Umfangsrichtung alternierenden Beziehung zu den ersten Polsegmenten verschachtelt sind, wobei die zweiten Polsegmente jeweils mindestens eine zweite Nut aufweisen, die ersten und zweiten Nuten, die in der Nähe der jeweiligen radial äußeren Oberflächen der ersten und zweiten Polsegmente positioniert sind, mindestens ein Halter, der mit den ersten und zweiten Nuten eines in Umfangsrichtung benachbarten Paares von ersten und zweiten Polsegmenten in Eingriff steht, und mindestens ein Permanentmagnet, der zwischen dem in Umfangsrichtung benachbarten Paar von ersten und zweiten Polsegmenten angeordnet ist und gegen eine radial innere Oberfläche des Halters abgestützt ist.
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Ein Polstück für einen Rotor einer rotierenden elektrischen Maschine in einer Ausführung umfasst einen magnetischen Nabenabschnitt, der so konfiguriert ist, dass er sich um eine zentrale Achse dreht, und eine Vielzahl von Magnetpolsegmenten, die gleichmäßig über einen Umfang des Nabenabschnitts verteilt sind, wobei jedes Polsegment eine mit dem Nabenabschnitt verbundene Basis und eine axial gegenüber der Basis angeordnete Spitze aufweist, wobei die Polsegmente jeweils in Umfangsrichtung gegenüberliegende Seitenflächen, die sich zwischen der Basis und der Spitze erstrecken, und radial gegenüberliegende Außen- und Innenflächen, die sich zwischen den Seitenflächen erstrecken, definieren, wobei jedes Polsegment mindestens eine Nut aufweist, die in der Seitenfläche ausgespart ist, wobei ein radial innerster Flächenabschnitt der mindestens einen Nut näher an der radial äußeren Fläche als an der radial inneren Fläche angeordnet ist.
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Ein Polstück für einen Rotor einer rotierenden elektrischen Maschine in einer anderen Ausführung enthält einen magnetischen Nabenabschnitt, der so konfiguriert ist, dass er an einer Welle des Rotors zur Drehung um eine Mittelachse angebracht werden kann, wobei der Nabenabschnitt einen ringförmigen ersten Körperabschnitt mit einem ersten Umfang und einen ringförmigen zweiten Körperabschnitt aufweist, der axial vom ersten Körperabschnitt vorsteht und einen zweiten Umfang aufweist, wobei der zweite Umfang diametral kleiner als der erste Umfang ist, und eine Vielzahl von Magnetpolsegmenten, die gleichmäßig über den ersten Umfang verteilt sind, wobei die Polsegmente jeweils eine mit dem ersten Umfang verbundene Basis und eine axial gegenüber der Basis angeordnete Spitze aufweisen, so dass die Polsegmente radial über den zweiten Umfang hinausragen und sich axial über den zweiten Körperabschnitt hinaus erstrecken, die Polsegmente jeweils in Umfangsrichtung gegenüberliegende Seitenflächen, die sich zwischen der Basis und der Spitze erstrecken, und radial gegenüberliegende Außen- und Innenflächen, die sich zwischen den Seitenflächen erstrecken, definieren, die Polsegmente jeweils eine Pyramidenform aufweisen, so dass die radial innere Fläche an der Basis näher an der Mittelachse liegt als an der Spitze und die Seitenflächen an der Basis in Umfangsrichtung breiter sind als an der Spitze, und entsprechende Nuten in den Seitenflächen jedes Polsegments ausgespart sind, wobei sich die Nuten linear von der Basis zur Spitze jedes Polsegments erstrecken und im Wesentlichen benachbart zu der radial äußeren Fläche des Polsegments positioniert sind.
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Figurenliste
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- 1 ist ein Seitenschnitt durch einen Generator mit einem Klauenpolrotor, der erfindungsgemäß erste und zweite Polstücke enthält;
- 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Umfangsschnitts des Klauenpolrotors von 1, die ein Polsegment des ersten Polstücks zeigt, das mit zwei Polsegmenten des zweiten Polstücks zusammen mit entsprechenden Haltern und Magneten, die zwischen die ineinandergreifenden Polsegmente eingefügt sind, ineinandergreift;
- 3 ist eine Draufsicht auf eines der Polstücke von 1 mit einer Vielzahl von Polsegmenten, die mit einem Nabenteil des Polstücks verbunden sind, in Richtung einer Mittelachse des Generators gesehen;
- 4 ist eine Schnittansicht des Polstücks von 3 entlang der Linie A-A;
- 5 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils des Polstücks von 3, die eines der mehreren Polsegmente mit in Umfangsrichtung gegenüberliegenden Rillen zeigt, die sich zu den jeweiligen Seitenflächen des Polsegments öffnen;
- 6 ist eine Hilfsansicht des Polsegments von 5 in der Richtung von Pfeil A;
- 7 und 8 sind seitenperspektivische Ansichten des Polsegments von 5, die in den Nuten des Polsegments positionierte Halter und mit den Haltern verbundene Magnete zeigen;
- 9 ist ein Schnitt durch den Umfangsschnitt des Rotors von 2 entlang der Linie B-B, wobei die Schnittebene nur durch die Polsegmente, die Halter und die Magnete verläuft;
- 10 zeigt ein Verfahren zur Bildung des Polsegments von 2;
- 11 ist eine perspektivische Ansicht eines annähernd netzförmigen Polsegments in einem Zwischenstadium nach einem Schmiedeprozess; und
- 12 ist eine perspektivische Ansicht des Polsegments von 11, wobei ein Schneidwerkzeug eine Nut in einer Seitenfläche des Polsegments bearbeitet.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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1 und 2 zeigen einen Rotor 100 für eine rotierende elektrische Maschine 20. Der Rotor 100 ist als Klauenpolrotor konfiguriert und umfasst ein klauenförmiges vorderes oder erstes Polstück 102 und ein klauenförmiges hinteres oder zweites Polstück 202, wobei jedes Polstück 102, 202 zur Drehung um eine Achse 60 montiert ist. Die Polstücke 102, 202 haben jeweils eine erste und eine zweite Vielzahl von länglichen Polsegmenten (auch als Finger oder Klauen bekannt) 106, 206, die gleichmäßig um die jeweiligen Nabenabschnitte 104, 204 verteilt sind. Die ersten Polsegmente 106 erstrecken sich axial in Richtung des zweiten Polstücks 202 und die zweiten Polsegmente 206 erstrecken sich axial in Richtung des ersten Polstücks 102, so dass die Polsegmente 106 des einen Polstücks 102 in einer berührungsfreien, beabstandeten Beziehung mit den Polsegmenten 206 des anderen Polstücks 202 verschachtelt sind, wie in 2 dargestellt.
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Die verschachtelte, beabstandete Beziehung zwischen dem ersten und zweiten Polsegment 106, 206 definiert Luftspalte oder Kanäle 150 zwischen in Umfangsrichtung benachbarten Polsegmenten 106, 206. Die in 1 dargestellte rotierende elektrische Maschine 20 ist ein Hybridgenerator und enthält Permanentmagnete 158, die in den Kanälen 150 angeordnet sind, um das von einer Feldspule 64 des Generators 20 erzeugte Magnetfeld zu ergänzen. Um die Permanentmagnete 158 gegen die durch die Drehung des Rotors 100 ausgeübten Zentrifugalkräfte zu halten, haben die in Umfangsrichtung benachbarten Polsegmente 106, 206 jeweils eine Nut 130, 132, 230, 232, in der ein Halter 160 radial befestigt ist, um den Permanentmagneten 158 zu halten.
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Polsegmente
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3-6 illustrieren ein einzelnes Polstück des Rotors 100, um die Merkmale der hier beschriebenen Polsegmente 106, 206 besser zu veranschaulichen. Obwohl ein einzelnes Polstück in 3-6 dargestellt ist, werden die Merkmale oft mit mehreren Bezugszeichen identifiziert, da das erste und das zweite Polstück 102, 202 im Wesentlichen identisch sind. In dieser Veröffentlichung entsprechen die Bezugszeichen in den Hundertern (d.h. 104, 106 usw.) im Allgemeinen den Merkmalen des ersten Polstücks 102, während die Bezugszeichen in den Zweihundertern (d.h. 204, 206 usw.) im Allgemeinen den Merkmalen des zweiten Polstücks 202 entsprechen.
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Die Polsegmente 106, 206 haben jeweils eine Basis oder ein proximales Ende 116, 216, das mit dem jeweiligen Nabenteil 104, 204 an Stellen zwischen den Hohlräumen 108 verbunden ist. Jedes Polsegment 106, 206 hat auch eine Spitze oder ein distales Ende 118, 218, das axial gegenüber seiner jeweiligen Basis 116, 216 angeordnet ist. Wenn das erste und zweite Polstück 102, 202 am Schaft 28 montiert sind, befinden sich die Spitzen 118, 218 der Polsegmente 106, 206 des einen Polstücks 102, 202 in der Nähe der Basis 116, 216 der Polsegmente 106, 206 des anderen Polstücks 102, 202, wie in 2 dargestellt.
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Jedes Polsegment 106, 206 definiert eine vordere Seitenfläche 120, 220 und eine in Umfangsrichtung gegenüberliegende hintere Seitenfläche 122, 222, die sich jeweils zwischen der Basis 116, 216 und der Spitze 118, 218 des Polsegments erstrecken. Die Bezeichnung einer Fläche 120, 122, 220, 222 als voreilend oder nacheilend bezieht sich auf die Bewegungsrichtung des Polsegments relativ zum Stator 52, wie durch Pfeil 114 angegeben. Wie in 3 am besten dargestellt, zeigen die vorderen Seitenflächen 120, 220 jedes Polsegments 106, 206 im wesentlichen in die gleiche Richtung, in die sich das Polstück 102, 202 bewegt, wenn es sich um die Mittelachse 60 dreht. Im Gegensatz dazu weisen die hinteren Seitenflächen 122, 222 jedes Polsegments 106, 206 im wesentlichen in eine Richtung, die der Richtung entgegengesetzt ist, in der sich das Polstück 102, 202 bewegt, wenn er sich um die Mittelachse 60 dreht.
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Jedes Polsegment 106, 206 definiert auch eine radial äußere Fläche 124, 224 und eine radial innere Fläche 126, 226, die sich jeweils in Umfangsrichtung zwischen ihrer vorderen Seitenfläche 120, 220 und der hinteren Seitenfläche 122, 222 erstrecken. Wie in 2 und 4 dargestellt, liegt jede radial äußere Fläche 124, 224 entlang einer entsprechenden Flächenlinie 128, die im wesentlichen parallel zur Mittelachse 60 verläuft. Somit definieren die radial äußeren Flächen 124, 224 der Vielzahl von alternierenden Polsegmenten 106, 206 die im wesentlichen zylindrische äußere Umfangsfläche des Rotors 100.
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Die Polsegmente 106, 206 in der in den Abbildungen dargestellten Ausführung haben eine allgemein pyramidenförmige Gestalt, so dass die jeweilige radial innere Fläche 126, 226 näher an der Mittelachse 60 in der Nähe ihrer Basis 116, 216 liegt, während die jeweilige radial innere Fläche 126, 226 weiter von der Mittelachse 60 in der Nähe ihrer Spitze 118, 218 entfernt ist. Somit ist jedes pyramidenförmige Polsegment 106, 206 zwischen seiner radial äußeren Oberfläche 124, 224 und seiner radial inneren Oberfläche 126, 226 an seiner Basis 116, 216 radial dicker, bezogen auf die Achse 60, als an seiner Spitze 118, 218.
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In radialer Richtung gesehen verjüngt sich jedes pyramidenförmige Polsegment 106, 206, wenn sich das Polsegment von seinem jeweiligen Nabenteil 104, 204 weg erstreckt und daher zwischen seiner vorderen und hinteren Seitenfläche 120, 122, 220, 222 an seiner Basis 116, 216 in Umfangsrichtung breiter und an seiner Spitze 118, 218 schmaler ist. Dementsprechend ist jedes Polsegment 106, 206 in der dargestellten Ausführung allgemein V-förmig, sowohl in radialer Richtung relativ zur Mittelachse 60 als auch in einer Richtung senkrecht zu einer imaginären Ebene, in der die jeweilige Oberflächenlinie 128 und die Mittelachse 60 liegen. Mit anderen Worten, jedes im allgemeinen pyramidenförmige Polsegment 106, 206 ist im wesentlichen hexaedrisch, wenn es an seiner Basis 116, 216 durch eine senkrecht zur Mittelachse 60 orientierte und an seiner Spitze abgeflachte imaginäre Ebene geschnitten wird.
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Bei Betrachtung in Schnittebenen senkrecht zur Mittelachse in verschiedenen Abständen entlang jedes pyramidenförmigen Polsegments 106, 206 ist die jeweilige Dicke jedes Polsegments zwischen seiner radial äußeren Oberfläche 124, 224 und seiner radial inneren Oberfläche 126, 226 zwischen seiner vorderen und hinteren Seitenfläche 120, 122, 220, 222 im wesentlichen gleichförmig. Diese im wesentlichen gleichmäßige Dicke ergibt sich, weil die radial äußeren und inneren Flächen 124, 126, 224, 226 im allgemeinen flach und ohne Merkmale zwischen ihren jeweiligen Vorder- und Hinterseitenflächen 120, 122, 220, 222 sind, obwohl in einigen Ausführungsformen die radial äußeren und inneren Flächen 124, 126, 224, 226 leichte Krümmungen um die Mittelachse 60 aufweisen können, die der zylindrischen Form des Rotors 100 entsprechen.
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Nuten in den Polsegmenten
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In Bezug auf 5 und 6 hat jedes Polsegment 106, 206 in Umfangsrichtung gegenüberliegende Rillen 130, 132, 230, 232, die in die vorderen und hinteren Seitenflächen 120, 122, 220, 222 des Polsegments eingelassen (oder anderweitig offen) sind. Die Rillen 130, 132, 230, 232 erstrecken sich im Allgemeinen entlang einer linearen Bahn zwischen der Basis 116, 216 und der Spitze 118, 218 jedes Polsegments 106, 206. Wie in 6 am besten dargestellt, haben die Nuten 130, 132, 230, 232 jeweils einen radial äußersten Oberflächenabschnitt 134, 234, einen radial innersten Oberflächenabschnitt 136, 236, der von dem radial äußersten Oberflächenabschnitt 134, 234 beabstandet ist, und einen Verbindungsoberflächenabschnitt 138, 238, der die radial äußersten und innersten Oberflächenabschnitte 134, 136, 234, 236 verbindet. Der radial innerste Oberflächenabschnitt 136, 236 jeder Nut 130, 132, 230, 232 ist näher an der radial äußeren Oberfläche 124, 224 als an der radial inneren Oberfläche 126, 226 entlang der gesamten axialen Ausdehnung 140 (4) des Polsegments 106, 206 zwischen der Basis 116, 216 und der Spitze 118, 218 angeordnet. Eine radiale Tiefe 142 (9) des radial innersten Oberflächenabschnitts 136, 236 jeder Nut 130, 132, 230, 232 von der radial äußeren Oberfläche 124, 224 ist weniger als 3,5 mm.
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Die Öffnung zu den Rillen 130, 132, 230, 232 an den vorderen und hinteren Seitenflächen 120, 122, 220, 222 jedes Polsegments 106, 206 hat eine radiale Dicke 144 (9) von etwa 0,5 mm, gemessen zwischen den radial äußersten und innersten Flächenabschnitten 134, 136, 234, 236. Die radiale Dicke der vorderen und hinteren Seitenflächen 120, 122, 220, 222 ist wesentlich größer als die radiale Dicke der Öffnung zu den Nuten. Zum Beispiel kann die radiale Dicke der vorderen und hinteren Seitenflächen 120, 122, 220, 222 in der Größenordnung von 3 mm liegen, so dass das Verhältnis der radialen Dicken der Seitenflächen 120, 122, 220, 222 sechs (6) Mal so groß ist wie die radiale Dicke der Öffnung zu den Rillen 130, 132, 230, 232. In einigen Ausführungsformen definiert jede Rille 130, 132, 230, 232 eine C-Form in einer senkrecht zur Seitenfläche 120, 122, 220, 222 orientierten Querschnittsebene, zum Beispiel wie in 9 dargestellt.
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Unter Bezugnahme auf 9 veranschaulicht nun ein Ausschnitt aus dem Umfangsschnitt des Rotors 100 von 2 die räumliche Beziehung zwischen einem einzelnen Polsegment 106 des ersten Polstücks 102, wenn es mit zwei Polsegmenten 206 des zweiten Polstücks 202 verschachtelt ist. Nur für die Zwecke der folgenden Beschreibung werden die Polsegmente 106, 206 zusätzlich als Segment A, das dem ersten Polstück 102 zugeordnet ist, und als Segmente B und C, die dem zweiten Polstück 202 zugeordnet sind, identifiziert. Um die räumliche Beziehung zwischen den Polsegmenten 106, 206 besser darzustellen, ist die Linie B-B, entlang der der Schnitt in 2 genommen wird, eine zusammengesetzte Linie mit einem ersten Linienabschnitt, der ungefähr senkrecht zu den entsprechenden Vorder- und Rückseitenflächen 122, 220 der Segmente A und B orientiert ist, und einem zweiten Linienabschnitt, der ungefähr senkrecht zu den entsprechenden Vorder- und Rückseitenflächen 120, 222 der Segmente A und C orientiert ist. Die in 9 dargestellte Mittelachse 60 ist nur vorgesehen, um der durch Pfeil 114 angezeigten Drehrichtung Bedeutung zu geben, und ist nicht maßstabsgerecht positioniert.
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Wenn Segment A mit den Segmenten B und C verschachtelt ist, zeigt die hintere Seitenfläche 122 von Segment A zur vorderen Seitenfläche 220 von Segment B, während die vordere Seitenfläche 120 von Segment A zur hinteren Seitenfläche 222 von Segment C zeigt. Mit anderen Worten, jedes in Umfangsrichtung benachbarte Paar von ersten und zweiten Polsegmenten 106, 206 hat entsprechende vordere und hintere Seitenflächen (Flächen 122 und 220 oder Flächen 120 und 222), die einander zugewandt sind (im folgenden als „Verbindungsflächen“ bezeichnet). Die aneinandergrenzenden vorderen und hinteren Seitenflächen 122, 220 der Segmente A und B begrenzen dazwischen jeweils einen Luftspalt oder Kanal 150, wie in 2 und 9 dargestellt. In ähnlicher Weise begrenzen die Vorder- und Rückseitenflächen 120, 222 der Segmente A und C einen entsprechenden Luftspalt oder Kanal 150 dazwischen, wie in 2 und 9 dargestellt. Die Kanäle 150 in der gezeigten Ausführung haben eine konstante Breite aufgrund der Ausrichtung und Ebenheit der vorderen und hinteren Seitenflächen 120, 122, 220, 222. In anderen Ausführungsformen kann die Breite der Kanäle 150 zwischen einer oder mehreren der radial äußeren und inneren Oberflächen 124, 126, 224, 226 und zwischen der Basis und der Spitze 116, 118, 216, 218 jedes benachbarten Paares von Polsegmenten 106, 206 variieren. Die Kanäle 150 sind typischerweise länglich und erstrecken sich linear zwischen den aneinandergrenzenden vorderen und hinteren Seitenflächen 120, 122, 220, 222 der benachbarten Polsegmente 106, 206.
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Der Einfachheit halber werden die Rillen ferner als vordere Rillen 130, 230 und hintere Rillen 132, 232 bezeichnet, so wie die vorderen und hinteren Seitenflächen 120, 122, 220, 222 so bezeichnet werden. Wenn Segment A mit den Segmenten B und C verschachtelt ist, steht die hintere Rille 132 von Segment A der vorderen Rille 230 von Segment B gegenüber. In ähnlicher Weise steht die vordere Rille 130 von Segment A der hinteren Rille 232 von Segment C gegenüber. Somit hat jedes Paar von in Umfangsrichtung benachbarten ersten und zweiten Polsegmenten 106, 206 ein entsprechendes Paar von vorderen und hinteren Rillen 130, 132, 230, 232, die einander gegenüberliegen (im folgenden als „Verbindungsrillen“ bezeichnet).
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Die verbindenden vorderen und hinteren Nuten 132, 230 der Segmente A und B sind radial zueinander ausgerichtet und in der Nähe der entsprechenden radial äußeren Flächen 124, 224 der Polsegmente angeordnet. Die verbindenden vorderen und hinteren Nuten 130, 232 der Segmente A und C sind ebenfalls radial zueinander ausgerichtet und in der Nähe der entsprechenden radial äußeren Flächen 124, 224 der Polsegmente 106, 206 angeordnet. Wie hier im Zusammenhang mit der radialen Position der jeweiligen vorlaufenden und nachlaufenden Nuten verwendet, bedeutet der Begriff „in der Nähe“, dass die Nuten 130, 132, 230, 232 von einem radialen Mittelpunkt 154 (siehe Segment B) zwischen den radial äußeren und inneren Flächen 124, 126, 224, 226 jedes Polsegments 106, 206 vollständig radial nach außen positioniert sind. In einigen Ausführungsformen sind die miteinander verbundenen vorderen und hinteren Rillen 130, 132, 230, 232 der Polsegmente 106, 206 so angeordnet, dass die Rillen fast an die radial äußeren Flächen 124, 224 der Polsegmente angrenzen.
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Die Polsegmente 106, 206 haben jeweils in Umfangsrichtung gegenüberliegende Lippen 146, 246, die durch den radial äußersten Oberflächenabschnitt 134, 234 jeder Nut 130, 132, 230, 232 und die radial äußere Oberfläche 124, 224 begrenzt werden. Die Lippen 146, 246 erstrecken sich in Umfangsrichtung von den Polsegmenten 106, 206 weg, so daß ein distaler Teil jeder Lippe 146, 246 über die jeweilige der vorderen und hinteren Seitenflächen 120, 122, 220, 222 hinausragt, zu denen sich die Nut 130, 132, 230, 233 in radialer Richtung 148 gesehen öffnet. Die Lippen 146, 246 haben jeweils eine Lippenlänge 156, die sich in Umfangsrichtung vom Verbindungsflächenteil 138, 238 bis zum distalen Teil der Lippe 146, 246 erstreckt. Zum Beispiel hat Segment B eine Lippe 246, die durch den radial äußersten Oberflächenabschnitt 234 der Führungsnut 230 begrenzt wird. Diese Lippe 246 hat eine Lippenlänge 156, die sich in Umfangsrichtung vom Verbindungsflächenabschnitt 238 bis zum distalen Abschnitt der Lippe 246 erstreckt. Wie in 9 am besten dargestellt, überragt der distale Teil der Lippe 246 von Segment B die vordere Seitenfläche 220. Die Lippen 146, 246 jedes Polsegments 106, 206 haben ebenfalls eine radiale Dicke (nicht dargestellt), gemessen zwischen den radial äußersten Oberflächenabschnitten 134, 234 der Nuten 130, 132, 230, 232 und den radial äußeren Oberflächen 124, 224 der jeweiligen Segmente 106, 206. Die radiale Dicke der Lippen 146, 246 in mindestens einer Ausführungsform beträgt weniger als 1,5 mm.
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Dauermagnete
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Unter Bezugnahme auf 2 und 7-9 enthält der Rotor 100 auch eine Vielzahl von Permanentmagneten 158 hoher magnetischer Stärke, die innerhalb der Kanäle 150 zwischen den benachbarten Polsegmenten 106, 206 angeordnet sind, um das von der Erregerspule 64 erzeugte Magnetfeld zu ergänzen. Für die Dauermagnete 158 kann eine Vielzahl von Dauermagnetmaterialien wie Neodym-Eisen-Bor, Samarium-Kobalt oder Ferrit verwendet werden. Die Ausrichtung und Form der Permanentmagnete 158 ist ähnlich wie die Ausrichtung und Form der Kanäle 150. In der gezeigten Ausführung sind die Permanentmagnete 158 im Allgemeinen prismenförmig mit sechs im Wesentlichen flachen Flächen. Die Prismenform der Permanentmagnete 158 bietet im wesentlichen symmetrische Anschlagflächen an ihren jeweiligen Grenzflächen mit den vorderen und hinteren Seitenflächen 120, 122, 220, 222 der Polsegmente 106, 206. Die prismenförmigen Permanentmagnete 158 sind hier als Beispielform dargestellt, wobei davon auszugehen ist, dass andere Formen für die Permanentmagnete für den geschickten Handwerker erkennbar sind. Wie in 9 am besten dargestellt, ist eine Breite 152 der jeweiligen Kanäle 150 zwischen den vorderen und hinteren Seitenflächen 120, 122, 220, 222 der benachbarten Polsegmente 106, 206 größer als eine Breite 159 der in den Kanälen 150 angeordneten Magnete 158.
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Jeder Permanentmagnet 158 hat ein Paar in Umfangsrichtung gegenüberliegender Polflächen, wobei die polarisierten Flächen jeweils den magnetischen Polaritäten N und S entsprechen. Die Polaritäten der Permanentmagnete 158 wechseln sich so ab, dass benachbarte Magnete entgegengesetzte Polarität haben. Daher kann man davon ausgehen, dass Polsegmente 106 an Polflächen von Dauermagneten mit einer ersten gemeinsamen Polarität (d.h. N) und Polsegmente 206 an Polflächen von Dauermagneten mit einer zweiten gemeinsamen Polarität (d.h. S) anliegen. Die Polflächen der Magnete 158 liegen unmittelbar neben den jeweiligen vorderen und hinteren Seitenflächen 120, 122, 220, 222 auf den Polsegmenten 106, 206. Unter der Annahme, daß alle Polsegmente 106 die magnetische Polarität N und alle Polsegmente 206 die magnetische Polarität S haben, liegen die N-polarisierten Magnetflächen neben den Seitenflächen jedes N-Polsegments 106 und die S-polarisierten Magnetflächen neben den Seitenflächen jedes S-Polsegments 206.
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Halter
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Der Rotor 100 enthält außerdem eine Vielzahl von Haltern 160, die so konfiguriert sind, dass sie die Permanentmagnete 158 mechanisch gegen die Zentrifugalkräfte abstützen, die durch die Drehung des Rotors 100 auf die Magnete 158 ausgeübt werden. Wie in 7 am besten dargestellt, hat jeder Halter 160 einen ebenen Körperabschnitt 162 und einen Laschenabschnitt 164, der sich an einem Ende des Halters 160 senkrecht vom Körperabschnitt 162 aus erstreckt. Der Halter 160 besteht aus rostfreiem Stahl und hat eine Dicke von etwa 0,5 mm. Wie in den Abbildungen veranschaulicht, ist jeder Halter 160 mit den angrenzenden vorderen und hinteren Nuten 130 132, 230, 232 benachbarter Polsegmente 106, 206 in Eingriff, um den Halter 160 in einer radialen Position zu fixieren. Die Halter 160 erstrecken sich vollständig zwischen den Kanälen 150 benachbarter Polsegmente 106, 206, da die Halter 160 in die vorderen und hinteren Nuten 130 132, 230, 232 der Polsegmente 106, 206 eingreifen.
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Jeder Magnet 158 ist neben und radial innerhalb einer radial nach innen weisenden Fläche eines entsprechenden Halters 160 positioniert, um so eine radiale Auswärtsbewegung des Magneten 158 während der Drehung des ersten und zweiten Polstücks 102, 202 zu verhindern. Die miteinander verbundenen vorderen und hinteren Nuten 130 132, 230, 232 benachbarter Polsegmente 106, 206 definieren einen linearen Weg, entlang dessen die Halter 160 so konfiguriert sind, dass sie sich während der Montage zum Rotor 100 bewegen. Der Laschenabschnitt 164 jedes Halters 160 definiert eine Kontaktfläche, die senkrecht zur linearen Bahn ausgerichtet ist und es dem Benutzer ermöglicht, die Position des Halters 160 und des Magneten 158 zu manipulieren, ohne den Magneten 158 physisch zu berühren. Wenn die Halter 160 und die Magnete 158 mit dem Rotor 100 zusammengebaut werden, sind die Lippen 146, 246 jedes Polsegments 106, 206 so konfiguriert, dass sie die Magnete 158 bis zu einem gewissen Grad überragen, obwohl der Betrag des Überhangs wesentlich geringer ist als bei herkömmlichen Polsegmenten.
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Leisten
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Erneut Bezug nehmend auf 3 und 5-8, haben die vorderen und hinteren Seitenflächen 120, 122, 220, 222 jedes Polsegments 106, 206 Vorsprünge 166, die jeweils radial nach außen gerichtete Leisten 168 definieren. Die Vorsprünge 168 sind in der Nähe der Basis 116, 216 jedes Polsegments 106, 206 angeordnet und erstrecken sich nicht mehr als die Hälfte der axialen Ausdehnung 140 (4) des Polsegments 106, 206 zwischen der Basis 116, 216 und der Spitze 118, 218. Wie in 8 am besten dargestellt, ist jede Leiste 168 so konfiguriert, dass sie eine radial nach innen gerichtete Position eines entsprechenden Magneten 158 festlegt, wenn der Magnet 158 mit dem Polsegment 106, 206 zusammengebaut wird. Die vorderen und hinteren Seitenflächen 120, 122, 220, 222 benachbarter Polsegmente 106, 206 bieten somit zwei Leisten 168, die diagonal voneinander beabstandet sind, um den entsprechenden Magneten 158, der zwischen den Flächen angeordnet ist, zu tragen.
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Verfahren zum Bilden von Polsegmenten
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10 zeigt ein Verfahren 300 zum Formen der Polstücke 102, 202 der 1-9. Das verfahren 300 wird unter Bezugnahme auf die in 11 und 12 gezeigten Zwischen-Polsegmentstrukturen beschrieben. Das Verfahren 300 beginnt mit dem Warmschmieden eines Rohlings (nicht dargestellt), um die grobe Geometrie des Polstücks 102, 202 (Block 302) zu formen. Das warmgeschmiedete Polstück 102, 202 wird dann einem Prägevorgang unterzogen, um die Merkmale der Polsegmente 106, 206 innerhalb einer vorbestimmten Toleranz zu bringen und die in 11 (Block 304) dargestellte endformnahe Form des Polsegments zu erzeugen. Wie in 11 dargestellt, sind in den Polsegmenten 106, 206 in diesem Stadium des Verfahrens 300 noch keine Rillen ausgebildet. Die endformnahe Form der Polsegmente 106, 206 enthält jedoch relativ dünne, in Umfangsrichtung gegenüberliegende Vorsprünge 170 nahe der radial äußeren Oberfläche 124, 224 der Polsegmente 106, 206. Diese Vorsprünge 170 bilden schließlich den distalen Teil der Lippen 146, 246 jedes Polsegments. Sobald die Warmschmiede- und Prägeprozesse abgeschlossen sind, werden in die vorderen und hinteren Seitenflächen 120, 122, 220, 222 jedes Polsegments 106, 206 (Block 306) in Umfangsrichtung gegenüberliegende Nuten 130, 132, 230, 232 eingearbeitet. Der radial innerste Flächenabschnitt 136, 236 der jeweiligen Nuten 130, 132, 230, 232 ist näher an der radial äußeren Fläche 124, 224 der Polsegmente 106, 206 angeordnet als an der radial inneren Fläche 126, 226. In einigen Ausführungsformen werden die Nuten 130, 132, 230, 232 der Polsegmente 106, 206 einzeln mit einem Schneidwerkzeug 172 bearbeitet, wie in 11 dargestellt. In anderen Ausführungsformen können die Polstücke 102, 202 in einer Vorrichtung befestigt werden, die die Polstücke in eine Ausrichtung bringt, die ihrer Ausrichtung bei der Montage auf der Welle 28 des Rotors 100 entspricht. Wenn die Polstücke 102, 202 auf diese Weise aneinander befestigt werden, können die miteinander verbundenen vorderen und hinteren Nuten 130, 132, 230, 232 von Paaren benachbarter Polsegmente 106, 206 gleichzeitig mit einem einzigen Durchgang des Schneidwerkzeugs 172 bearbeitet werden.
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Allgemeine Rotorkonstruktion mit genuteten Polsegmenten
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Unter erneutem Verweis auf 1 und 2 wird der Hybridgenerator 20 mit den hier beschriebenen ersten und zweiten Polstücken 102, 202 gezeigt. Der Generator 20 hat ein Gehäuse 24 und eine Rotorwelle 28, die innerhalb des Gehäuses 24 durch vordere und hintere Wälzlager 32 bzw. 36 gelagert ist. Eine riemengetriebene Riemenscheibe 40 ist an einem hervorstehenden vorderen Ende der Rotorwelle 28 befestigt. Der Generator 20 umfasst den Rotor 100 mit dem ersten und zweiten Polstück 102, 202, die an der Welle 28 montiert und mit dieser drehbar sind. Die ersten und zweiten Polsegmente 106, 206, die in einer beabstandeten, in Umfangsrichtung alternierenden Beziehung ineinander verschachtelt sind, definieren die Kanäle 150 zwischen den in Umfangsrichtung benachbarten Polsegmenten 106, 206. Die Permanentmagnete 158 sind innerhalb der Kanäle 150 angeordnet, um das von der Feldspule 64 erzeugte Magnetfeld zu ergänzen. Um die Permanentmagnete 158 gegen die durch die Drehung des Rotors 100 ausgeübten Zentrifugalkräfte zu halten, sind die Halter 160 in die entsprechenden Nuten 130, 132, 230, 232 der in Umfangsrichtung benachbarten Polsegmente 106, 206 eingreifen.
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Der Generator 20 enthält einen Stator 52, der den Rotor 100 umgibt und am Gehäuse 24 befestigt ist. Die Drehung des Rotors 100 um die Mittelachse 60 des Generators bewirkt, dass in einer Statorwicklung 62 des Stators 52 ein Wechselstrom induziert wird. Die Erregerfeldspule 64 ist auf einen elektrisch isolierenden Spulenkörper 66 gewickelt und die Spule 64 und der Spulenkörper 66 sind zwischen den axial nach innen gerichteten Flächen 110, 210 der Nabenteile 104, 204 angeordnet. In der gezeigten Ausführung sind die Erregerfeldspule 64 und ihr Spulenkörper 66 um die axial nach innen weisenden Flächen 112 der Polstücke 102 angeordnet. 202. In anderen Ausführungsformen sind die Feldspule 64 und ihr Spulenkörper 66 um einen zylindrischen Rotorkern (nicht abgebildet) angeordnet, der um die Mittelachse 60 herum und zwischen den Polstücken 102, 202 angeordnet ist. Ein Gleichstrom (DC) wird über ein Paar Schleifringe 68 und zugehörige Kontaktbürsten 70 an die Erregerspule 64 angelegt. Die Schleifringe 68 sind auf der Welle 28 befestigt und koppeln im Betrieb die Erregerspule 64 über die Kontaktbürsten 70 an eine geregelte Gleichstromquelle. Ein als Spannungsregler (nicht abgebildet) bezeichnetes Steuersystem wird verwendet, um der Erregerspule 64 eine Gleichspannung in geeigneter Höhe zuzuführen.
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Das erste und zweite Polstück 102, 202 und die erregte Feldspule 64 erzeugen ein Magnetfeld wechselnder Polarität, das sich mit dem Rotor 100 um die Mittelachse 60 dreht. Obwohl ein Gleichstrom-Erregerstrom an die Feldspule 88 angelegt wird, erzeugt die Verschachtelung der alternierenden Polstücke 106, 206 eine Magnetflussverknüpfung wechselnder Polarität. Diese Magnetflussverknüpfung wird den Wicklungsleitern 63 des stationären Stators 52 präsentiert, der den Rotor 100 umgibt. Die Bewegung der Magnetflussverknüpfung abwechselnder Polarität, die vom Rotor 100 über die Wicklungsleiter 63 erzeugt wird, erzeugt elektrischen Dreiphasen-Wechselstrom (AC).
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Die elektrische Wechselstromleistung des Generators 20 wird zu einem Gleichrichter 74 geleitet, der sich auf der Rückseite des Gehäuses 24 befinden kann. Der Generator 20 kann auch weitere Filter- und Leistungsaufbereitungsvorrichtungen enthalten, durch die die elektrische Leistung geleitet wird, bevor sie als elektrische Gleichstromleistung zum Pluspol der Fahrzeugbatterie (nicht abgebildet) oder zu einem elektrischen Verteilerbus (nicht abgebildet) geleitet wird. Der gewünschte Effektivwert des von dem Generator 20 abgegebenen Wechselstroms hängt von der Höhe der Gleichspannung ab, die vom Spannungsregler an die Erregerspule 64 angelegt wird. Der Generator umfasst auch vordere und hintere Luftumwälzlüfter 76, 78, die sich an gegenüberliegenden axial äußeren Seiten der Polstücke 102, 202 befinden. Die Lüfter 76, 78 sind mit dem Rotor 100 gekoppelt und drehen sich im Gleichklang mit diesem. Der Kühlluftstrom wird in der Regel axial nach innen aus dem Gehäuse 24 angesaugt und von den Lüftern 76, 78 radial nach außen aus dem Gehäuse 24 ausgestoßen. Der hintere Lüfter 78 lenkt den Kühlluftstrom typischerweise über den Gleichrichter 74 und andere elektronische Komponenten des Generators 20. Wenn ein Luftstrompfad vorhanden ist, können die Lüfter 76, 78 auch eine gewisse Menge Kühlluftstrom um die Polsegmente 106, 206 und die Erregerwicklung 64 leiten.
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Die Drehrichtung des Rotors 100 relativ zum Stator 52 und damit die Bewegungsrichtung der Polsegmente 106, 206 ist durch Pfeil 114 dargestellt. Bei Erregung der Erregerspule 64 mit einem geregelten Gleichstrom wird der Rotor 100 magnetisiert, wobei die benachbarten Polsegmente 106, 206 in Umfangsrichtung zwischen den magnetischen Polaritäten Nord (N) und Süd (S) wechseln. Mit anderen Worten, alle ersten Polsegmente 106 haben die magnetische Polarität N und alle zweiten Polsegmente 206 haben die magnetische Polarität S. Dementsprechend wird erkannt, dass bei Drehung des Rotors 100 die abwechselnden magnetischen Polaritäten der Polsegmente 106, 206 nacheinander um den Stator 52 verlaufen, wodurch ein Ausgangsstrom in der Statorwicklung 62 induziert wird. Diejenigen mit gewöhnlichem Geschick werden erkennen, dass die jeweiligen magnetischen N- und S-Polaritäten des ersten und zweiten Polstücks 102, 202 in Abhängigkeit von der gewählten Richtung des Gleichstromflusses durch die Erregerfeldspule 64 bestimmt werden.
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Die Polsegmente 106, 206, die unter Bezugnahme auf 1-12 beschrieben sind, bieten viele Vorteile gegenüber konventionellen Polsegmenten. Mit den hier beschriebenen Polsegmenten 106, 206 mit verbesserter Geometrie wird die Breite des Magneten deutlich reduziert, was das Volumen und damit die Materialkosten der Magnete erheblich verringert. Diese Volumenreduzierung wird durch die Bearbeitung einer Nut oder eines Schlitzes erreicht, anstatt eine große Aussparung in die gesamte Seitenfläche zu fräsen, um eine Lippe für den Magnethalter zu schaffen. Da die Nut in das Segment gefräst wird und die gesamte Seitenfläche des Segments nicht aus der Bearbeitung ausgespart wird, wird die Magnetüberlappung verringert und die Magnetbreite in ähnlicher Weise minimiert. Da die Magnetbreite geringer ist, ist die Umfangsbreite des Polsegments größer, was die magnetische Reluktanz des Pols verringert (verringert die Flussdichte im Pol), was wiederum zu einem höheren Maschinenfluss und einer höheren Leistung führt.
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Da nur die schmale Nut mit den Polsegmenten 106, 206 mit verbesserter Geometrie bearbeitet wird, wird die abgetragene Materialmenge stark reduziert und der Bearbeitungsvorschub kann erhöht werden, was die Bearbeitungskosten reduziert. Außerdem führt die Bearbeitung der Nut zu einer Polsegment-Außenkantengeometrie, die vorteilhaft für die elektromagnetische Maschinenkonstruktion ist. Wenn die Nut durch ein typisches Schmiede- und Prägeverfahren geformt würde, wäre die radiale Tiefe der Nut wegen des bei diesen Verfahren erforderlichen Mindestradius von ca. 0,75 mm an allen Kanten viel größer. Dieser minimale Radius würde zu einer minimalen radialen Tiefe von 3,5 mm bis zum Boden der Nut führen, wo der Magnet zeigen würde, wodurch sich der Magnet nach innen verschieben würde, was zu einer Verringerung des Raums für die Feldspule oder zu einer Verringerung der radialen Tiefe des Magneten führen würde. Beide Änderungen führen zu einer verminderten Leistung. Durch die Bearbeitung der Nut wird jedoch die radiale Tiefe bis zum Nutgrund verringert. Diese verbesserte Geometrie ist wünschenswert, um die oben beschriebene Verschiebung des Magneten nach innen zu verhindern.
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Die Bearbeitung der Nut im Vergleich zum Schmieden hat auch den sekundären Vorteil, dass die Dicke der resultierenden Lippe des Polsegments nach dem Bearbeitungsprozess minimiert wird. Dieses Ergebnis ist vorteilhaft, um das Risiko der Entmagnetisierung des Magneten zu minimieren. Aufgrund der Ankerreaktion weist die Hinterkante des Polsegments eine hohe Flusskonzentration auf. Unter einer potentiellen Entmagnetisierungsbedingung, wie z.B. einem Kurzschluss, ist der Bereich, der für den Magneten von Belang ist, seine äußerste Kante, wo der Magnet der Hinterkante des Polsegments zugewandt ist. Wenn die radiale Tiefe oder Dicke des Lippenbereichs abnimmt, verringert sich der Effektivwert der Ankerreaktion und reduziert das Entmagnetisierungspotential. Da die Gefahr der Entmagnetisierung verringert wird, kann die Breite des Magneten reduziert werden, was die Kosten weiter senkt.
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Die vorstehende detaillierte Beschreibung einer oder mehrerer Ausführungsformen des Statorkerns wurde hier nur als Beispiel und nicht als Einschränkung dargestellt. Es wird anerkannt, dass bestimmte hier beschriebene individuelle Merkmale und Funktionen Vorteile haben, die ohne die Einbeziehung anderer hier beschriebener Merkmale und Funktionen erreicht werden können. Darüber hinaus wird anerkannt, dass verschiedene Alternativen, Modifikationen, Variationen oder Verbesserungen der oben genannten Ausführungsformen und andere Merkmale und Funktionen oder Alternativen davon in vielen anderen Ausführungsformen, Systemen oder Anwendungen wünschenswert kombiniert werden können. Gegenwärtig unvorhergesehene oder unvorhergesehene AIternativen, Modifikationen, Variationen oder Verbesserungen darin können später von Fachleuten vorgenommen werden, die auch von den beigefügten Ansprüchen erfasst werden sollen. Daher sollten Geist und Umfang der beigefügten Ansprüche nicht auf die Beschreibung der hierin enthaltenen Ausführungsformen beschränkt werden.
