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Bezugnahme auf verwandte Anmeldungen
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der US-Anmeldung Nr.
16/242,515 , die am 08. Januar 2019 mit dem Titel Elektrische Maschine mit innenliegenden Permanentmagneten und flussverteilenden Hohlräumen eingereicht wurde, deren Offenbarung durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.
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Hintergrund
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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Maschinen, genauer gesagt elektrische Maschinen, die Permanentmagnete nutzen.
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Beschreibung von entsprechendem Stand der Technik
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Elektrische Maschinen mit innenliegenden Permanentmagneten werden oft in Hybridfahrzeugen eingesetzt, unter anderem wegen ihrer relativ hohen Drehmomentdichte und Effizienz. Solche elektrischen Maschinen mit innenliegenden Permanentmagneten nutzen einen Rotor, der darin eingebettete Permanentmagneten aufweist, um das Rotorfeld zu erzeugen.
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Ein Problem, das sich beim Einsatz solcher elektrischen Maschinen mit innenliegenden Permanentmagneten stellt, ist ein als Rastmoment bezeichnetes Phänomen. Rastmoment, manchmal auch als „kein Strom“-Drehmoment bezeichnet, ist eine Auswirkung von Lage und Anzahl der magnetischen Pole des Rotors und des Stators sowie deren Zusammenwirken und führt zu Drehmoment- und Geschwindigkeitswelligkeit.
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Obwohl bekannte elektrische Maschinen mit innenliegenden Permanentmagneten effizient sind, sind weitere Verbesserungen wünschenswert.
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Kurzfassung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine elektrische Maschine mit innenliegenden Permanentmagneten und einer Rotorkonfiguration, welche die Leistung der elektrischen Maschine verbessert.
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Die Erfindung betrifft in einer ihrer Ausgestaltungen eine elektrische Maschine, die einen Stator aufweist, der betriebsfähig mit einem Rotor gekoppelt ist, wobei der Rotor um eine Drehachse drehbar ist. Der Rotor hat einen Rotorkern, der aus magnetisch permeablem Material gebildet ist und mehrere Pole definiert. Jeder Pol hat mehrere voneinander getrennte sich in axialer Richtung erstreckende Magnetschlitze, die in dem Rotorkern gebildet sind, wobei wenigstens ein Permanentmagnet in jedem der getrennten Magnetschlitze angeordnet ist. Jeder der Pole definiert eine entsprechende radiale Mittellinie und enthält mehrere Hohlräume, die durch den Rotorkern definiert sind. Für jeden der Pole gilt: von den Magnetschlitzen sind wenigstens einer ein zentraler Magnetschlitz, ein erster und ein zweiter äußerer Magnetschlitz, wobei die ersten und zweiten äußeren Magnetschlitze in Umfangsrichtung gesehen auf gegenüberliegenden Seiten der radialen Mittellinie der Pole angeordnet sind und der radiale Abstand von einem radial äußeren Umfang des Rotorkerns zu dem ersten und dem zweiten Magnetschlitz kleiner als der radiale Abstand von dem radial äußeren Umfang des Rotorkerns zu dem radial äußersten Rand des wenigstens einen zentralen Magnetschlitzes ist. Jeder der Hohlräume ist in einem Abstand von jedem der Magnetschlitze angeordnet und in Umfangsrichtung zwischen dem ersten und zweiten äußeren Magnetschlitz radial auswärts von dem wenigstens einen zentralen Magnetschlitz angeordnet.
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Bei manchen Ausführungsformen der elektrischen Maschine hat der wenigstens eine zentrale Magnetschlitz zwei getrennte zentrale Magnetschlitze, wobei in jedem der zentralen Magnetschlitze wenigstens ein Permanentmagnet angeordnet ist.
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Bei manchen Ausgestaltungen der elektrischen Maschine hat jeder der Hohlräume eine radiale Länge und eine Breite in Umfangsrichtung, wobei die radiale Länge größer ist als die Breite in Umfangsrichtung.
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Bei manchen Ausgestaltungen haben alle Hohlräume eine gemeinsame Breite in Umfangsrichtung. Alternativ oder zusätzlich kann jeder der Hohlräume von dem äußeren radialen Rand des Rotorkerns einen radialen Abstand haben, der wenigstens das Doppelte der Breite des Hohlraums in Umfangsrichtung beträgt.
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Bei manchen Ausgestaltungen hat jeder der Hohlräume von einem äußeren radialen Rand des Rotorkerns einen ersten radialen Abstand, der größer als ein radialer Mindestabstand ist, der die ersten und zweiten äußeren Magnetschlitze von dem äußeren radialen Umfang des Rotorkerns trennt. Bei einer solchen Ausgestaltung kann jeder der Hohlräume von einem radial äußeren Kante des wenigstens einen zentralen Schlitzes einen zweiten radialen Abstand haben, der wenigstens so groß wie der erste radiale Abstand ist.
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Bei manchen Ausgestaltungen ist jeder der Hohlräume von einem in Umfangsrichtung benachbarten Hohlraum oder Magnetschlitz in Umfangsrichtung durch einen Abstand getrennt, der wenigstens dreimal so groß ist, wie die Breite des Hohlraums in Umfangsrichtung, oder durch einen Abstand in Umfangsrichtung, der wenigstens sechsmal so groß ist wie die Breite des Hohlraums in Umfangsrichtung.
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Bei manchen Ausgestaltungen weist jeder der Hohlräume gegenüberliegende sich radial erstreckende Kanten auf, wobei die sich radial erstreckenden Kanten von jedem Hohlraum geradlinig und parallel sind. Bei einer solchen Ausgestaltung können die sich radial erstreckenden Ränder jedes Hohlraums parallel zu einer radialen Linie verlaufen, die den Hohlraum halbiert.
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Bei manchen Ausgestaltungen haben alle Hohlräume dieselbe Breite in Umfangsrichtung. Bei derartigen Ausgestaltungen können die Hohlräume symmetrisch um eine Mittellinie der Pole angeordnet sein und die radiale Länge der Hohlräume kann variieren, wobei Hohlräume, die kleinere radiale Längen haben, in Umfangsrichtung auswärts von Hohlräumen liegen, die größere radiale Längen haben. Solche Ausgestaltungen können zudem dafür ausgelegt sein, wenigstens zwei Hohlräume auf jeder Umfangsseite der Mittellinie des Poles zu haben, die eine gemeinsame radiale Länge haben, wobei wenigstens ein Hohlraum, der eine kleinere radiale Länge als die gemeinsame radiale Länge hat, auf jeder Umfangsseite der Mittellinie der Pole angeordnet und in Umfangsrichtung auswärts von den wenigstens zwei Hohlräumen angeordnet ist, die eine gemeinsame radiale Länge haben.
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Die Erfindung betrifft in einer anderen Ausgestaltung eine elektrische Maschine, die einen Stator aufweist, der betriebsfähig mit einem Rotor gekoppelt ist, wobei der Rotor um eine Drehachse drehbar ist. Der Rotor hat einen Rotorkern, der aus magnetisch permeablem Material gebildet ist und mehrere Pole definiert. Jeder Pol weist mehrere voneinander getrennte sich in axialer Richtung erstreckende Magnetschlitze auf, die in dem Rotorkern ausgebildet sind, wobei wenigstens ein Permanentmagnet in jedem der separaten Magnetschlitze angeordnet ist. Jeder der Pole definiert zudem eine entsprechende radiale Mittellinie und weist mehrere Hohlräume auf, die durch den Rotorkern definiert sind, wobei jeder der Pole eine Ausgestaltung hat, die symmetrisch zu der entsprechenden radialen Mittellinie ist. Für jeden der Pole sind von den Magnetschlitzen wenigstens ein zentraler Magnetschlitz sowie eine erster und ein zweiter äußerer Magnetschlitz, wobei die ersten und zweiten äußeren Magnetschlitze auf gegenüberliegenden Umfangsseiten der radialen Mittellinie des Pols angeordnet und zumindest teilweise radial außerhalb von dem radial äußersten Rand des wenigstens einen zentralen Magnetschlitzes angeordnet sind. Bei allen Polen erstrecken sich alle Hohlräume axial durch den Rotorkern und sind in einem Abstand von jedem der Magnetschlitze angeordnet und in Umfangsrichtung zwischen den ersten und zweiten äußeren Magnetschlitzen und radial auswärts von dem wenigstens einen zentralen Magnetschlitz angeordnet. Dabei hat jeder der Hohlräume eine radiale Länge und eine Breite in Umfangsrichtung, wobei die radiale Länge größer als die Breite in Umfangsrichtung ist, und wobei jeder der Hohlräume von einem äußeren radialen Rand des Rotorkerns einen ersten radialen Abstand hat, der wenigstens das Doppelte der Breite des Hohlraums in Umfangsrichtung beträgt und von einer radial äußeren Kante des wenigstens einen zentralen Magnetschlitzes wenigstens einen zweiten radialen Abstand hat, der mindestens so groß ist wie der erste radiale Abstand, und wobei jede der Hohlräume von einem in Umfangsrichtung angrenzenden Hohlraum oder Magnetschlitz einen Abstand in Umfangsrichtung hat, der wenigstens so groß ist wie die Breite des Hohlraums in Umfangsrichtung.
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Bei manchen Ausgestaltungen einer solchen elektrischen Maschine hat alle Hohlräume eine gemeinsame Breite in Umfangsrichtung.
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Solche Ausgestaltungen können zudem dahingehend ausgelegt sein, dass der erste radiale Abstand größer als ein radialer Mindestabstand ist, der die ersten und zweiten äußeren Magnetschlitze von dem äußeren radialen Rand des Rotorkerns trennt.
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Solche Ausgestaltungen können zudem dahingehend ausgelegt sein, dass jeder der Hohlräume von einem in Umfangsrichtung angrenzenden Hohlraum oder Magnetschlitz durch einen Abstand in Umfangsrichtung getrennt ist, der wenigstens dreimal so groß ist wie die Breite des Hohlraums in Umfangsrichtung.
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Solche Ausgestaltungen können zudem dahingehend ausgelegt sein, dass die radiale Länge der Hohlräume variiert, wobei Hohlräume, die eine kleinere radiale Länge haben, in Umfangsrichtung auswärts von Hohlräumen angeordnet sind, die größere radiale Längen haben.
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Solche Ausgestaltungen können zudem dahingehend ausgelegt sein, dass wenigstens zwei Hohlräume auf jeder Umfangsseite der Mittellinie des Pols eine gemeinsame radiale Länge haben und wenigstens ein Hohlraum, der eine kleinere radiale Länge als die gemeinsame radiale Länge hat, auf jeder Umfangsseite der Mittellinie des Pols angeordnet ist und in Umfangsrichtung auswärts von den wenigstens zwei Hohlräumen, die eine gemeinsame radiale Länge haben, liegt.
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Bei jeder der vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen können die Hohlräume symmetrisch zur Mittellinie des Pols angeordnet sein, wobei die radiale Länge der Hohlräume variiert und Hohlräume, die kleinere radiale Längen haben, in Umfangsrichtung auswärts von Hohlräumen angeordnet sind, die größere radiale Längen haben. Die elektrische Maschine kann zudem dahingehend ausgelegt sein, dass jeder der Hohlräume von einem äußeren radialen Rand des Rotorkerns einen ersten radialen Abstand hat, der größer als ein radialer Mindestabstand ist, der den ersten und den zweiten Magnetschlitz von dem äußeren radialen Umfang des Rotorkerns trennt. Dabei hat jeder der Hohlräume von einer radial äußeren Kante des wenigstens einen zentralen Magnetschlitzes einen zweiten radialen Abstand, der wenigstens so groß wie der erste radiale Abstand ist, und jeder der Hohlräume ist von einem in Umfangsrichtung angrenzenden Hohlraum oder Magnetschlitz durch einen Abstand in Umfangsrichtung getrennt, der wenigstens dreimal so groß wie die Breite des Hohlraums in Umfangsrichtung ist.
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Figurenliste
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Die vorstehend beschriebenen und anderen Merkmale der Erfindung sowie die Art und Weise diese zu erreichen, werden deutlicher und die Erfindung selbst besser verständlich durch Bezugnahme auf die nachstehende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
- 1 eine schematische Schnittansicht einer elektrischen Maschine,
- 2 eine teilweise geschnittene Endansicht eines Rotors,
- 3 eine teilweise geschnittene Endansicht eines Rotors, die einen einzigen Pol zeigt,
- 4 eine teilweise geschnittene Endansicht eines Rotors ohne Hohlräume, welche die Flussdichte im Leerlauf zeigt,
- 5 eine teilweise geschnittene Endansicht des Rotors der 1 bis 3, welche die Flussdichte im Leerlauf zeigt,
- 6 eine teilweise geschnittene Endansicht eines Rotors ohne Hohlräume, welche die Flussdichte bei Volllast zeigt,
- 7 eine teilweise geschnittene Endansicht des Rotors der 1 bis 3, welche die Flussdichte bei Volllast zeigt,
- 8 ein Schaubild, das die durch einen Rotor ohne Hohlräume erzeugte Drehmomentwelligkeit mit der Drehmomentwelligkeit des Rotor der 1 bis 3 bei 50 Arms Ankerstrom vergleicht,
- 9 ein Schaubild, das die durch einen Rotor ohne Hohlräume erzeugte Drehmomentwelligkeit mit der Drehmomentwelligkeit des Rotor der 1 bis 3 bei 150 Arms Ankerstrom vergleicht,
- 10 ein Schaubild, das die durch einen Rotor ohne Hohlräume erzeugte Drehmomentwelligkeit mit der Drehmomentwelligkeit des Rotor der 1 bis 3 bei 250 Arms Ankerstrom vergleicht,
- 11 ein Schaubild, das die durch einen Rotor ohne Hohlräume erzeugte Drehmomentwelligkeit mit der Drehmomentwelligkeit des Rotor der 1 bis 3 bei 350 Arms Ankerstrom vergleicht,
- 12 ein Schaubild, das die durch einen Rotor ohne Hohlräume erzeugte Drehmomentwelligkeit mit der Drehmomentwelligkeit des Rotor der 1 bis 3 bei 450 Arms Ankerstrom (Volllast) vergleicht.
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Einander entsprechende Bezugszeichen bezeichnen in den verschiedenen Ansichten einander entsprechende Teile. Obwohl das hier dargestellte Beispiel eine Ausführungsform der Erfindung in einer einzigen Ausgestaltung veranschaulicht, soll die nachstehend beschriebene Ausführungsform weder erschöpfend sein noch als Beschränkung des Umfangs der Erfindung auf genau die dargestellte Form verstanden werden.
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Detaillierte Beschreibung
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1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer elektrischen Maschine 20. Die elektrische Maschine 20 hat einen Stator 22, der einen Statorkern und mehrere Wicklungen aufweist. Ein Rotor 24 ist betriebsfähig mit dem Stator 22 gekoppelt und hat eine daran befestigte Welle 26. Der Rotor 24 und die Welle 26 drehen sich relativ zu dem Stator 22 um eine Drehachse 28. Die elektrische Maschine 20 ist eine Synchronmaschine mit innenliegenden Permanentmagneten (INTERIOR PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MACHINE - IPMSM) und kann als Motor/Generator in einem Hybridfahrzeug eingesetzt werden, wobei sie selektiv entweder als Motor oder als Generator arbeitet.
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Der Rotor 24 hat einen Rotorkern 30 und definiert mehrere Magnetpole 32, die im Betrieb der elektrischen Maschine 20 mit dem Stator 22 zusammenwirken. Die dargestellte elektrische Maschine 20 ist eine elektrische Maschine mit innenliegenden Permanentmagneten und jeder der Pole 32 des Rotors 24 hat mehrere sich in axialer Richtung erstreckende Schlitze, die in dem Rotorkern 30 gebildet sind, wobei in jedem der Magnetschlitze wenigstens ein Permanentmagnet angeordnet ist. Die Magnete können in den Schlitzen mittels einer Presspassung, mittels Klebstoff, auf andere Weise oder durch eine Kombination anderer Mittel gehalten werden.
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Der Rotorkern 30 ist aus magnetisch permeablem Material gebildet. Beispielsweise kann der Rotorkern 30 von einem Blechstapel gebildet werden, wobei jedes einzelne Blech aus Elektrostahl ist. Die Verwendung von gestapelten Blechen aus Elektrostahl zur Bildung eines Rotorkerns ist Fachleuten wohl bekannt. Elektrostahl hat oft eine relative magnetische Permeabilität von etwa 4.000. Vakuum hat definitionsgemäß eine relative magnetische Permeabilität von 1.
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Wie nachstehend näher erläutert wird, definieren die in dem Rotorkern 30 gebildeten Schlitze Lücken und Hohlräume an ausgewählten Stellen in jedem Pool 32. Diese Lücken und Hohlräume haben eine relative magnetische Permeabilität, die kleiner als die des Rotorkerns 30 ist. Beispielsweise können diese Lücken mit Luft gefüllt sein. Luft hat eine relative magnetische Permeabilität von 1,00000037. Für Zwecke der vorliegenden Offenbarung kann dies auf die nächste natürliche Zahl gerundet werden, d.h. auf 1. Statt die Lücken und Hohlräume als luftgefüllten Raum zu belassen, ist es auch möglich, diese Lücken und Hohlräume mit einem Polymer und/oder klebenden Material zu füllen, das dazu genutzt werden kann, die Magnete zusätzlich in den Schlitzen zu sichern, oder einfach die Lücken/Hohlräume zu füllen. Vorteilhafterweise hat das zum Füllen der Lücken/Hohlräume verwendete Material eine relative magnetische Permeabilität von 1.
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Jeder der Rotorpole 32 definiert eine radiale Mittellinie 34, welche die Drehachse 28 schneidet. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Pole 32 symmetrisch zur Mittellinie 34. Alternative Ausgestaltungen können jedoch auch asymmetrische Merkmale haben. In dieser Hinsicht ist zu beachten, dass die dargestellte elektrische Maschine in beiden Drehrichtungen betrieben werden kann, jedoch alternative Ausgestaltungen für Anwendungen eingesetzt werden können, bei denen elektrische Maschinen nur in einer Drehrichtung arbeitet. Die dargestellte Ausführungsform hat 10 Rotorpole 32. Alternative Ausgestaltungen können jedoch auch eine andere Anzahl Pole haben.
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Die einzelnen Pole 32 weisen mehrere getrennte Magnetschlitze auf, unter denen wenigstens ein zentraler Magnetschlitz 36 und zwei äußere Magnetschlitze 38 sind. In diesem Sinn ist ein getrennter Magnetschlitz ein Schlitz, der durch das magnetisch permeable Material, das den Rotorkern bildet, von den anderen Magnetschlitzen getrennt ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel haben alle Pole 32 dieselbe Ausgestaltung und weisen jeweils zwei zentrale Magnetschlitze 36 auf, wobei jeweils einer der zentralen Magnetschlitze 36 auf jeder Seite der radialen Mittellinie 34 angeordnet ist. Äußere Magnetschlitze 38 sind auf gegenüberliegenden Umfangsseiten der radialen Mittellinie 34 angeordnet und vorteilhaft zumindest teilweise in Umfangsrichtung auswärts von der radial äußersten Kante 34 des zentralen Magnetschlitzes 36. Bei der dargestellten Ausgestaltung sind die Permanentmagnete 42 in den äußeren Magnetschlitzen 38 vollständig in Umfangsrichtung auswärts der Permanentmagnete 40 angeordnet, die in den zentralen Magnetschlitze 36 angeordnet sind.
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In jedem der Schlitze 36, 38 ist wenigstens ein Permanentmagnet 40, 42 angeordnet. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist in jedem Schlitz 36, 38 nur ein einziger Magnet 40, 42 angeordnet. Bei alternativen Ausgestaltungen können jedoch mehr als ein Magnet in einem oder mehreren der Magnetschlitze angeordnet sein.
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Wie man in den Figuren sehen kann, sind die in den äußeren Magnetschlitzen 38 angeordneten Magnete 42 kleiner als die Magnete 40, die in den zentralen Magnetschlitzen 36 angeordnet sind. Alle in den äußeren Magnetschlitzen 38 angeordneten Magnete 42 haben dieselben Abmessungen und alle in den zentralen Magnetschlitzen 36 angeordneten Magnete 40 haben dieselben Abmessungen.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Permanentmagnete 40 42 Parallelepipede, wobei jede Seitenfläche der Permanentmagnete 40, 42 rechteckig ist. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass die Seitenflächen nicht perfekt rechteckig sind, sondern leicht gerundete Ecken und Kanten haben.
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Alle Magnete 40, 42 haben dieselbe axiale Länge. Die in den zentralen Magnetschlitzen 36 angeordneten Magnete 40 haben eine größere Länge 50 und eine kleinere Breite 46 als die Länge 52 und Breite 48 der in den äußeren Magnetschlitzen 38 angeordneten Magnete 42.
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Die Verwendung eines rechteckigen Querschnitts und einer gemeinsamen axialen Länge sorgen für Herstellungseffizienz. Die axiale Länge der Magnete entspricht der axialen Länge des Rotorkerns 30. Die dargestellten Magnete sind alle aus demselben Material. Jedes geeignete permanentmagnetische Material kann verwendet werden. Beispielsweise können die Magnete 40, 42 Seltenerdmagnete oder Ferritmagnete sein.
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Es wird zudem angemerkt, dass zwar bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in jedem Schlitz ein einziger Magnet angeordnet ist und zwei verschieden große Magnete verwendet werden, es unter Umständen effizienter sein kann, mehrere Magnete in einigen oder allen Magnetschlitzen einzusetzen. Beispielsweise kann es möglich sein, nur eine einzige Magnetgröße zu verwenden und drei dieser Magnete in den zentralen Schlitzen und zwei dieser Magnete in den äußeren Schlitzen einzusetzen, wenn die elektrische Maschine 20 dafür ausgelegt ist, dass alle Magnete eine gemeinsame Breite haben.
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Die Magnetschlitze 36, 38 jedes Pols 32 sind so angeordnet, dass sie eine U-förmige Anordnung definieren, wobei Magnete 40, die in zentralen Schlitze 36 angeordnet sind, so ausgerichtet sind, dass sie sich in Umfangsrichtung weiter als in radialer Richtung erstrecken. In dieser Hinsicht ist zu beachten, dass die Magnete 40 so angeordnet sind, dass die Länge 50 im Wesentlichen der Strecke in Umfangsrichtung, über die sich die Magnete 40 erstrecken, entspricht und die Breite 46 im Wesentlichen der radialen Strecke entspricht, über die sich die Magnete 40 erstrecken. Die Magnete 42, die in den äußeren Magnetschlitzen 38 angeordnet sind, sind so orientiert, dass sie sich über eine größere radiale Strecke, die im Wesentlichen der Länge 52 entspricht, als eine Strecke in Umfangsrichtung, die im allgemeinen der Breite 48 entspricht, erstrecken.
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Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen sind die zentralen Magnetschlitze 36 linear mit den radial inneren Kanten 58 der beiden Schlitze ausgerichtet, die kollinear sind, und die radial äußeren Kanten 60 sind ebenfalls kollinear. Die äußeren Magnetschlitze 38 sind durch einen Abstand in Umfangsrichtung voneinander getrennt, der mit Annäherung der äußeren Magnetschlitze 38 an den äußeren radialen Rand 64 des Rotorkerns 30 zunimmt. Mit anderen Worten, fächern die äußeren Magnetschlitze 38 in ihrem Verlauf nach radial außen auf.
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Die äußeren Magnetschlitze
38 definieren jeweils eine Materialbrücke
66, die zwischen dem äußeren Magnetschlitz
38 und dem radial äußeren Rand
64 des Rotorkerns
30 angeordnet ist. Materialbrücken
66 sind sich verjüngende Brücken, die eine sich ändernde radiale Dicke definieren. Wie man in den Figuren sehen kann, haben die Materialbrücken
66 eine radiale Dicke, die mit zunehmendem Abstand in Umfangsrichtung von der radialen Mittellinie
34 abnimmt. Der Einsatz einer solchen sich verjüngenden Materialbrücke
66 hat gewisse Vorteile, die genauer in der US-Patentanmeldung Nr.
16/242,340 (Anwaltsakte Nr.
22888-0329 ) erläutert werden, die am 08. Januar 2019 eingereicht wurde und den Titel „ INTERIOR PERMANENT MAGNET ELECTRIC MACHINE WITH TAPERED BRIDGE STRUCTURE‟ haben, die durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.
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In jedem äußeren Magnetschlitz 38 ist zwischen dem Permanentmagnet 42 und der Materialbrücke 66 ein Spalt 70 gebildet. Jeder der Pole 32 ist dafür ausgelegt, zwei zusätzliche Spalten in den Magnetschlitzen zu definieren. An der radial inneren Kante 76 des äußeren Magnetschlitzes 38 ist der Magnet 42 angeordnet, um einen Spalt 78 zwischen den Magnet 42 und der radial inneren Kante 76 zu definieren. In den zentralen Magnetschlitzen 36 ist ein Spalt 80 zwischen dem Permanentmagnet 40 und der äußeren umfangsseitigen Kante 82 des zentralen Magnetschlitzes 36 gebildet. Der Permanentmagnet 40 ist direkt angrenzend an die innere umfangsseitige Kante 84 des zentralen Magnetschlitzes 36 angeordnet, wodurch an dieser Kante kein Spalt gebildet wird. In dieser Hinsicht ist zu beachten, dass eine dünne Schicht eines Klebstoffs oder anderen Materials zwischen den Magneten 40 und dem inneren umfangsseitigen Kante 84 vorhanden sein kann. Zusätzlich oder alternativ können kleine Hohlräume auf Grund von Fertigungstoleranzen zwischen den Magneten 40 und der inneren umfangsseitigen Kante 84 vorhanden sein, ohne dass dadurch ein Spalt in dem zentralen Magnetschlitz 36 gebildet wird, der im Betrieb den elektromagnetischen Fluss an dieser Stelle wie die Spalten 70, 78, 80 merklich beeinträchtigen würde. Wie vorstehend erwähnt, können die Spalten 70, 78, 80 luftgefüllte Räume sein oder mit einem polymeren und/oder klebenden Material gefüllt sein, das dafür verwendet werden kann, die Magnete in den Schlitzen zu halten. Wenn die Spalten mit einem festen Material gefüllt sind, ist es im Allgemeinen wünschenswert, ein Material zu verwenden, das eine relative magnetische Permeabilität von 1 hat.
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Jeder der Pole 32 enthält zudem mehrere Hohlräume 86, 88, 90, die in einem Abstand von jedem der Magnetschlitze 36, 38 und voneinander angeordnet sind, wobei das magnetisch permeable Material, das den Rotorkern 30 bildet, jeden der einzelnen Hohlräume 86, 88, 90 voneinander und von den Magnetschlitzen 36, 38 trennt. Die Hohlräume 86, 88, 90 sind in Umfangsrichtung zwischen den beiden äußeren Magnetschlitzen 38 und radial auswärts von den zentralen Magnetschlitzen 36 angeordnet.
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Die Hohlräume können mit Luft oder, wie vorstehend erörtert, mit einem festen Material, etwa einem polymeren Material, gefüllt sein, das eine magnetische Permeabilität hat, die wesentlich kleiner als die des Materials ist, aus dem der Rotorkern gebildet ist, beispielsweise aus einem Material, das eine relative magnetische Permeabilität von etwa 1 hat. Bei Ausgestaltungen, deren Hohlräume mit festem Material ausgefüllt sind, werden diese hier weiterhin als Hohlräume bezeichnet, da sie frei sind von Material, das eine magnetische Permeabilität hat, die mit der des zur Ausbildung des Rotorkerns 30 verwendeten Materials vergleichbar wäre.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat jeder Pol 32 sechs Hohlräume, wobei drei Hohlräume auf jeder Seite der Mittellinie 34 angeordnet sind. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind nicht nur die Hohlräume symmetrisch um die Mittellinie 34 angeordnet, sondern der gesamte Aufbau des Pols 32 ist symmetrisch zur Mittellinie 34. Bei diesem Ausführungsbeispiel haben die in Umfangsrichtung innersten Hohlräume 86 und die mittleren Hohlräume 88 dieselben Abmessungen und der in Umfangsrichtung äußere Hohlraum 90 eine kürzere radiale Länge.
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Jeder der dargestellten Hohlräume hat eine radiale Länge L, die größer als seine Breite in Umfangsrichtung W ist. Bei den dargestellten Hohlräumen haben alle Hohlräume dieselbe Breite in Umfangsrichtung d.h. eine gemeinsame Breite in Umfangsrichtung. Jeder dieser Hohlräume ist von dem äußeren radialen Rand 64 des Rotorkerns 30 durch einen radialen Abstand 92 getrennt, der wenigstens das Doppelte der Breite in Umfangsrichtung W der Hohlräume beträgt.
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Die radialen Abstände 92 sind alle größer als ein radialer Mindestabstand 94, der die äußeren Magnetschlitze 38 von den äußeren radialen Rand 64 des Motorkerns 30 trennt. Bei manchen Ausgestaltungen sind die radialen Abstände nicht größer als ein radialer Mindestabstand 96, der die Permanentmagnete 42, die in den Schlitzen 38 angeordnet sind, von dem äußeren radialen Rand 64 trennt.
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Jeder der Hohlräume 86, 88, 90 ist von der radial äußeren Kante 60 der zentralen Schlitze 36 durch einen radialen Abstand 98 getrennt, der wenigstens so groß wie der radiale Abstand 92 des Hohlraums von dem radialen Rand 64 ist.
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Jeder der Hohlräume ist zudem von einem in Umfangsrichtung angrenzenden Hohlraum oder Magnetschlitz 38 in Umfangsrichtung durch einen Abstand 100 getrennt, der wenigstens so groß wie die Breite W des Hohlraums in Umfangsrichtung ist. Vorteilhaft ist dieser Abstand in Umfangsrichtung wenigsten dreimal so groß wie die Breite in Umfangsrichtung W der unmittelbar angrenzenden Hohlräume oder, wie bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel, wenigstens sechsmal so groß wie die Breite W in Umfangsrichtung von eventuell unmittelbar angrenzenden Hohlräumen. In dieser Hinsicht ist zu beachten, dass die dargestellte Anordnung von Hohlräumen 86, 88, 90 eine erhebliche Menge des magnetisch permeablen Materials des Rotorkerns um die Hohlräume herum übrig lässt. Wie vorstehend erörtert, sind die Hohlräume ausreichend, um erhebliche Vorteile zu bewirken. Ihre relativ kleine Größe erlaubt es dem Rotorkern aber, eine erhebliche mechanische Stärke und strukturelle Belastbarkeit zu behalten, was bei elektrischen Maschinen mit hoher Leistungsdichte und hohen Rotationsgeschwindigkeiten bedeutsam sein kann.
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Alle Hohlräume haben eine ähnliche Form, wenn auch nicht unbedingt dieselben Abmessungen. Genauer gesagt haben bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel alle Hohlräume gegenüberliegende sich radial erstreckende Kanten 102, die geradlinig sind, d.h. durch eine gerade Linie gebildet sind, und zueinander parallel sind. Die Kanten 102 von allen Hohlräumen sind zudem parallel zu einer radialen Linie 104, welche die Hohlräume halbiert.
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Wie vorstehend erwähnt, sind die Hohlräume 86, 88, 90 symmetrisch zur Mittellinie 34 angeordnet, wobei die einzelnen Hohlräume verschiedene Längen haben. Genauer gesagt, haben die Hohlräume 86, 88 alle dieselbe radiale Länge L, während die Hohlräume 90 eine kleinere radiale Länge L haben. Die Hohlräume sind so angeordnet, dass die Hohlräume, die eine kleinere radiale Länge haben, in Umfangsrichtung auswärts von den Hohlräumen, die eine größere radiale Länge haben, angeordnet sind. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei Hohlräume auf jeder Seite der Mittellinie 34 angeordnet, wobei die Hohlräume 86, 88 dieselbe radiale Länge haben und ein Hohlraum 90 auf jeder Seite der Mittellinie 34 angeordnet ist. Die Hohlräume 90 sind dabei in Umfangsrichtung auswärts von den Hohlräumen 86, 88 angeordnet.
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Ein Computermodell wurde verwendet, um eine elektrische Maschine, die Hohlräume 86, 88, 90 hat, mit einer elektrischen Maschine zu vergleichen, die abgesehen davon, dass sie keine Hohlräume 86, 88, 90 hat, identisch ist. 4 zeigt die berechnete Flussdichte eines Rotorpols einer elektrischen Maschine, die keine Hohlräume 86, 88, 90 hat, während 5 die berechnete Flussdichte für eine elektrische Maschine mit Hohlräumen 86, 88, 90 zeigt. In den 4 und 5 wird die elektrische Maschine als Motor im Leerlauf betrieben und der Rotor dreht sich mit 1.000 Upm in einer Richtung, die bei einer Betrachtung gemäß den 4 und 5 entgegen dem Uhrzeigersinn ist. Die berechnete Stärke des Magnetfelds B (gemessen in Tesla) in der elektrischen Maschine ist in den 4 und 5 dargestellt. Wie in der Legende gezeigt, stellen in den Figuren unterschiedliche Farben Werte zwischen 2,4 Tesla und 0 Tesla in Schritten von 2,0 x 10 -1 Tesla dar, auch wenn nicht alle derartigen Werte in jeder Figur vorhanden sind.
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Wie man an einem Vergleich der 4 und 5 sehen kann, gibt es nur sehr geringe Unterschiede in dem Magnetfeld B, das bei diesen beiden verschiedenen elektrischen Maschinen an dem Luftspalt zwischen Rotor und Stator erzeugt wird, wenn die Maschinen im Leerlauf betrieben werden.
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In ähnlicher Weise zeigt 6 die berechnete Flussdichte eines Rotorpols einer elektrischen Maschine, die keine Hohlräume 86, 88, 90 aufweist, während 7 die berechnete Flussdichte für eine elektrische Maschine mit Hohlräumen 86, 88, 90 unter verschiedenen Arbeitsbedingungen zeigt, In den 6 und 7 werden die elektrischen Maschinen als Motor unter Volllast betrieben und der Motor rotiert mit 1.000 Upm entgegen dem Uhrzeigersinn bei Betrachtung gemäß 6 und 7. Die berechnete Stärke des Magnetfelds B (gemessen in Tesla) in der elektrischen Maschine ist in den 6 und 7 dargestellt. Wie in der Legende gezeigt, stellen in den Figuren unterschiedliche Farben Werte zwischen 2,4 Tesla und 0 Tesla in Schritten von 2,0 x 10-1 Tesla dar, auch wenn nicht alle derartigen Werte in jeder Figur vorhanden sind.
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Wie man durch Vergleich der 6 und 7 sehen kann, hat die elektrische Maschine, die Hohlräume 86, 88, 90 aufweist, ein in dem Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator größeres Magnetfeld B, wenn diese beiden verschiedenen elektrischen Maschinen als Motor unter Volllast betrieben werden. Diese größere Verteilung der Flussdichte reduziert unerwünschte Drehmomentwelligkeiten.
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Die 8 bis 12 zeigen Schaubilder, welche die berechnete Drehmomentwelligkeit der elektrischen Maschine der 4 und 6 (ohne Hohlräume) mit der elektrischen Maschine der 5 und 7 (mit Hohlräumen) bei Betrieb als Motor über einen Bereich elektrischer Lasten vergleichen.
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In 8 vergleicht das Schaubild die berechneten Drehmomentwerte der elektrischen Maschine bei einer Stromaufnahme der Statorwicklungen von 50 Arms. Arms ist der Effektivwert des von der elektrischen Maschine gezogenen Stroms (root mean sqaure). Im konkreten Einsatz kann der gezogene Strom geringfügig abweichen und die Verwendung des Arms Strombedarfs liefert einen sinnvollen Mittelwert. Die Drehmomentwelligkeit kann aus diesen Daten berechnet werden. Bei dieser relativ geringen Last ist die Drehmomentwelligkeit der elektrischen Maschine ohne Hohlräume (Linie mit Punkten) nahezu identisch mit der Drehmomentwelligkeit der elektrischen Maschine mit Hohlräumen (Linie ohne Punkte), wobei diese beiden Linien im Wesentlichen übereinander liegen und die berechnete Drehmomentwelligkeit für die Maschine ohne Hohlräume 16,42% beträgt und die berechnete Drehmomentwelligkeit für die Maschine mit Hohlräumen 16,40%.
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9 liefert einen ähnlichen Vergleich bei 150 Arms. Bei dieser Last beträgt die berechnete Drehmomentwelligkeit für die Maschine ohne Hohlräume (Linie mit Punkten) 9,01% und die berechnete Drehmomentwelligkeit für die Maschine mit Hohlräumen (Linie ohne Punkte) 8,92%.
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10 zeigt einen ähnlichen Vergleich bei 250 Arms. Bei dieser Last beträgt die berechnete Drehmomentwelligkeit für die Maschine ohne Hohlräume (Linie mit Punkten) 6,41% und die berechnete Drehmomentwelligkeit für die Maschine mit Hohlräumen (Linie ohne Punkte) 4,88%.
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11 zeigt einen ähnlichen Vergleich bei 350 Arms. Bei dieser Last beträgt die berechnete Drehmomentwelligkeit für die Maschine ohne Hohlräume (Linie mit Punkten) 7,73% und die berechnete Drehmomentwelligkeit für die Maschine mit Hohlräumen (Linie ohne Punkte) 4,15%.
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12 zeigt einen ähnlichen Vergleich bei 450 Arms (Volllast). Bei dieser Last beträgt die berechnete Drehmomentwelligkeit für die Maschine ohne Hohlräume (Linie mit Punkten) 10,43% und die berechnete Drehmomentwelligkeit für die Maschine mit Hohlräumen (Linie ohne Punkte) 3,89%.
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Wie durch die in den Schaubildern der 8-12 gezeigten Daten dargelegt, sorgen die Hohlräume 86, 88, 90 bei zunehmender Last für eine zunehmende Verbesserung der Leistung der elektrischen Maschine.
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Obwohl diese Erfindung anhand eines beispielhaften Ausführungsbeispiels erläutert wurde, kann die vorliegende Erfindung im Geist und Rahmen dieser Offenbarung weiter modifiziert werden. Diese Anmeldung soll deshalb auch eine Abwandlung, Verwendungen oder Anpassungen der Erfindung unter Verwendung ihrer allgemeinen Prinzipien abdecken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 16/242515 [0001]
- US 16/242340 [0038]
- US 228880329 [0038]