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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Erfindung betrifft einen Elektromotor mit eingebettetem Dauermagnet, genauer mit einer Rotoreinheit für solche Elektromotoren.
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HINTERGRUND
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Ein Elektromotor mit eingebettetem Dauermagnet umfasst im Allgemeinen einen Rotor, der innerhalb eines Stators gelagert ist, worin der Rotor eine Vielzahl von Magneten mit wechselnder Polarität hat, die um einen Außenumfang des Rotors angeordnet sind. Der Stator umfasst im Allgemeinen eine Vielzahl von Wicklungen, die elektromagnetische Pole von wechselnder Polarität erzeugen, wenn diese mit elektrischem Strom erregt werden. Elektromotoren mit Dauermagneten können ein relativ hohes Drehmoment/eine relativ hohe Leistungsdichte und andere Eigenschaften aufweisen, wodurch sie gegenüber anderen Geräten, wie Synchronmotoren mit Feldwicklung mit bürstenlosen Erregern und Erregern mit Bürsten bevorzugt werden. Elektromotoren mit Dauermagneten können jedoch große Mengen an magnetischem Material benötigen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein Elektromotor mit eingebettetem Dauermagnet wird beschrieben und beinhaltet einen Stator mit einer Vielzahl elektrischer Wicklungen sowie einen Rotor, der in einem zylinderförmigen Hohlraum innerhalb des Stators angeordnet ist. Der Rotor beinhaltet eine Vielzahl von Stahllamellen, die an eine Welle montiert sind, wobei die Welle eine Längsachse definiert. Jede der Stahllamellen beinhaltet eine Vielzahl von Polen und jeder der Pole beinhaltet eine Vielzahl von Schlitzen in der Nähe eines Außenumfangs. Die Schlitze der Stahllamellen sind longitudinal ausgerichtet. Eine Vielzahl von Dauermagneten ist in einer ersten Teilmenge der Schlitze angeordnet, und eine Vielzahl von Paketen, die aus einem anisotropen Material zusammengesetzt sind, ist in einer zweiten Teilmenge der Schlitze angeordnet.
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Die genannten Merkmale und Vorteile, sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehren, gehen deutlich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von einigen der besten Arten und weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Lehren unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen hervor.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Im Folgenden werden exemplarisch eine oder mehrere Ausführungen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Elektromotors mit Dauermagnet, der einen ringförmigen Stator beinhaltet, der einen zylindrisch geformten Hohlraum bildet, in den ein koaxialer Rotor eingesetzt ist, in Übereinstimmung mit der Offenbarung;
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2 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines einzelnen Polabschnitts einer einzelnen Lamelle des Dauermagneten des Elektromotors, der beschrieben wird mit Bezug auf 1 und eine Polanordnung beinhaltet, die eine Vielzahl von Schlitzen beinhaltet, die in der Nähe eines äußeren Umfangs angeordnet sind, worin Dauermagnete oder anisotrope Pakete in Teilmengen der Schlitze eingeführt werden, in Übereinstimmung mit der Offenbarung;
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3 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform des anisotropen Pakets, das einen Blechlamellenstapel beinhaltet, der aus einer Mehrzahl anisotroper Blechlamellen mit dazwischen liegenden, nichtmagnetischen Abstandshaltern zusammengesetzt ist, in Übereinstimmung mit der Offenbarung;
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4 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform des anisotropen Pakets, das einen Blechlamellenstapel beinhaltet, der aus einer Vielzahl anisotroper Blechlamellen mit dazwischen liegenden Hohlräumen zusammengesetzt ist, die als Flussmittelbarrieren dienen, in Übereinstimmung mit der Offenbarung; und
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5 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform des anisotropen Pakets, das einen Blechlamellenstapel beinhaltet, der aus einer Vielzahl anisotroper Blechlamellen zusammengesetzt ist, in Übereinstimmung mit der Offenbarung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Der folgende Text bezieht sich auf die Zeichnungen, die lediglich zur Veranschaulichung bestimmter exemplarischer Ausführungen dienen und den Umfang der Erfindung nicht beschränken sollen. 1 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Elektromotors mit Dauermagnet 10, der einen ringförmigen Stator 12 beinhaltet, der einen zylindrisch geformten Hohlraum bildet, in den ein koaxialer Rotor 20 eingesetzt ist, wobei sich zwischen dem Stator 12 und dem Rotor 20 ein Luftspalt 14 bildet. Der Rotor 20 beinhaltet eine drehbare Welle 26, deren Enden durch die in den Endkappen des Stators 12 gebildeten Öffnungen herausragen, wobei geeignete Montage- und Lagereinrichtungen darin angeordnet sind. Die Welle 26 definiert eine Längsachse mit radialen Linien, die sich orthogonal zur Längsachse erstrecken. Der Stator 12 enthält eine Vielzahl von elektrischen Wicklungen (nicht dargestellt), die um den Umfang angeordnet sind. Die elektrischen Wicklungen sind elektrisch mit einer geeigneten Vorrichtung verbunden, beispielsweise einem Inverter, der zur Erzeugung rotierender elektrischer Felder durch eine Steuerung geregelt wird, die neben dem Rotor 20 magnetische Felder induzieren und mit dem Magnetfeld des Dauermagneten in Wechselwirkung treten, um im Rotor 20 ein mechanisches Drehmoment zu erzeugen. Der Elektromotor 10 kann gesteuert werden, um als Drehmomentmotor und/oder Stromgenerator zu arbeiten. Einzelheiten im Zusammenhang mit einem physikalischen Aufbau und dem Betrieb eines Elektromotors mit Dauermagnet 10 sind dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt, und werden daher nicht detailliert beschrieben.
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Der Rotor 20 ist aus einer Vielzahl scheibenförmiger Blechlamellen 22 zusammengesetzt, die aus isotropem Stahl oder einem anderen ferromagnetischen Material hergestellt worden sind, wie zum Beispiel komprimiertem Eisenpulver. Die Vielzahl von Blechlamellen wird gestapelt und durch Presspassung oder anderweitig auf der Welle 26 montiert, um sich zusammen mit dieser zu drehen. Der Rotor 20 beinhaltet eine Vielzahl von Polabschnitten 25, die kreisförmig um die Rotorwelle 26 angeordnet sind, vorzugsweise in vordefinierten, gleichen Abständen. Ein Polabschnitt 25 einer einzelnen Blechlamelle 22 wird mit Bezug auf 1 dargestellt und schematisch mit zusätzlichem Detail mit Bezug auf 2 gezeigt. Ausführungsformen des Rotors 20 können zwei Polabschnitte 25, vier Polabschnitte 25, sechs Polabschnitte 25, acht Polabschnitte 25, oder jede andere geeignete Menge an Polabschnitten 25 haben.
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Der Polabschnitt 25 der einzelnen Blechlamelle 22 des Rotors 20 beinhaltet eine Polanordnung 30, die eine Vielzahl von Schlitzen 31 beinhaltet, die, wie gezeigt, in Schichten 31a, 31b, 31c und 31d angeordnet sind, die in der Nähe des äußeren Umfangs 24 angeordnet sind, wobei die Schichten 31a, 31b, 31c und 31d in Bezug zum äußeren Umfang 24 definiert sind. Vier Schichten sind dargestellt, es kann aber jede Anzahl an Schichten verwendet werden. Wenn die Vielzahl von Blechlamellen auf der Welle 26 montiert sind, werden die Schlitze 31 ausgerichtet und parallel zur Längsachse der Welle 26 angeordnet. In einige oder alle der Schlitze 31 können Vorrichtungen eingesetzt werden kann, und eine Teilmenge der Vielzahl von Schlitzen 31 kann ungefüllt sein und somit als Flussbarriere dienen.
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Wenn der Rotor 20 auf dem Elektromotor mit Dauermagnet 10 eingesetzt wird, können die Dauermagnete 34 in eine Teilmenge der Schlitze 31 eingesetzt werden, beispielsweise, in die Schlitze in den Schichten 31c und 31d, wie gezeigt, und definieren damit die Pole jeder der Polanordnungen 30. Jede der Polanordnungen 30 definiert eine direkte oder d-Achse 28 und eine Quadratur oder q-Achse 29, worin die d-Achse 28 mit der Mitte des magnetischen Pols ausgerichtet ist und die q-Achse 29 orthogonal zur d-Achse 28 ist und mit einem Mittelpunkt von zwei Magnetpolen des Rotors ausgerichtet ist. Die d-Achse 28 zeigt eine Ausrichtung mit der geringsten Induktivität an, und die q-Achse 29 zeigt eine Ausrichtung mit der höchsten Induktivität an. Demnach gibt es eine d-Achse 28 und eine q-Achse 29, die mit jeder der Polanordnungen 30 verbunden sind. Die Schenkeligkeit ist wie folgt definiert: ξ, = Lq/Ld worin
ξ, die Schenkeligkeit,
Lq die Induktivität entlang der d-Achse 28 und
Ld die Induktivität entlang der q-Achse 29 ist.
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Wie Fachleuten bekannt, verbessert sich die Leistungsfähigkeit eines Elektromotors mit Dauermagneten mit einer höheren Schenkeligkeit.
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In eine zweite Teilmenge der Schlitze 31 können anisotrope Einsätze 36 eingesetzt werden, beispielsweise, wie gezeigt, in die Schlitze der Schichten 31a und 31b. Ein Außenflächenabschnitt 38 einer der anisotropen Pakete 36 und eine Blechlamellen-Walzrichtung 40 sind markiert.
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Eine Teilmenge der Schlitze 31 kann in einer Ausführungsform leer bleiben. Alternativ können alle Schlitze 31 entweder einen Dauermagneten 34 oder ein anisotropes Paket 36 enthalten, und keiner der Schlitze 31 bleibt leer.
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3 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform des anisotropen Pakets 36, welches den Blechlamellenstapel 42 beinhaltet, der aus einer Vielzahl anisotroper Blechlamellen 44 mit dazwischen liegenden, nichtmagnetischen Abstandshaltern 46 zusammengesetzt ist, wobei die anisotropen Blechlamellen 44 axial geschichtet sind. Ein Außenflächenabschnitt 38 des anisotropen Pakets 36 wird identifiziert, und zeigt den Teil des anisotropen Pakets 36 an, der an einem Ende des Rotors 20 sichtbar ist. Ein anisotropes Material ist ein Material, das entlang verschiedener Achsen ungleiche physikalische Eigenschaften aufweist. Die hierin beschriebenen anisotropen Blechlamellen 44 weisen vorzugsweise magnetische Eigenschaften auf, die mit der magnetischen Permeabilität verbunden sind, die sich während der Verarbeitung des Materials je nach der Walzrichtung des Materials verändert. Insbesondere weisen die hierin beschriebenen anisotropen Blechlamellen 44 im Vergleich zu den orthogonalen Richtungen des Materials vorzugsweise eine erhöhte magnetische Permeabilität, erhöhte Magnetisierung und eine erhöhte Flussdichte in Walzrichtung auf. Die Vielzahl der anisotropen Blechlamellen 44 kann in einer Ausführungsform aus einem kornorientierten Stahlmaterial hergestellt sein. In einer Ausführungsform beinhaltet das kornorientierte Stahlmaterial eine magnetische Eisen-Silicium-Legierung, die durch Kaltwalzen hergestellt wurde, um die bevorzugten magnetischen Eigenschaften hinsichtlich der magnetischen Permeabilität, der Magnetisierung und einer erhöhten Flussdichte zu erzielen. Alternativ kann die Vielzahl der anisotropen Blechlamellen 44 aus einer amorphen Metalllegierung hergestellt werden, die mithilfe eines Rascherstarrungsverfahrens gebildet wurde.
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Die Blechlamellen-Walzrichtung 40 ist für die Vielzahl der anisotropen Blechlamellen 44 markiert, analog zu der bevorzugten, vorherrschenden d-Achse 28 und q-Achse 29 des Rotors 20, wenn das anisotrope Paket 36 in den Rotor 20 eingesetzt wird. Die nichtmagnetischen Abstandshalter 46 können durch Oxidabscheidung auf den Oberflächen der anisotropen Blechlamellen 44 hergestellt werden, oder können aus Aluminium oder Aluminiumoxid hergestellt werden, oder beides beinhalten, je nach der erforderlichen Dicke. Die Dicken der anisotropen Pakete 36 und der nicht-magnetischen Abstandshalter 46 werden bevorzugt durch Motorsimulation unter simulierten Motorlastbedingungen ermittelt, unter Berücksichtigung der magnetischen Eigenschaften, der Permeabilität, Temperatur, der Drehmomententwicklung und anderen Faktoren. Es wird auch eine Tiefe 50 des anisotropen Pakets 36 dargestellt, die die Länge anzeigt, mit der das anisotrope Paket 36 in den Schlitz 31 des Rotors 20 ragt. Vorzugsweise, und wie gezeigt, ist die Achse des niedrigen Magnetwiderstandes des anisotropen Pakets 36 mit der q-Achse 29 des Rotors 20 ausgerichtet und entspricht der Kaltwalzrichtung 40 der Vielzahl der anisotropen Blechlamellen 44. Die Tiefe 50 des anisotropen Pakets 36 kann begrenzt werden, um Wirbelströme zu reduzieren und das Einführen zu erleichtern.
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Alternativ kann die erste Ausführungsform des anisotropen Pakets 36 den Blechlamellenstapel 42 beinhalten, der aus einer Vielzahl anisotroper Blechlamellen 44 besteht, worin die anisotropen Blechlamellen 44 axial geschichtet sind, ohne dazwischen angeordnete nichtmagnetische Abstandshalter.
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4 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform des anisotropen Pakets 136, das einen Blechlamellenstapel 142 beinhaltet, der aus einer Vielzahl anisotroper Blechlamellen 144 zusammengesetzt ist, die jeweils eine Vielzahl von Hohlräumen 146 beinhalten, die als Flussbarriere dienen, wobei die anisotropen Blechlamellen 144 radial geschichtet sind. Ein Außenflächenabschnitt 138 des anisotropen Pakets 136 wird identifiziert, und zeigt den Teil des anisotropen Pakets 136 an, der an einem Ende des Rotors 20 sichtbar ist. Die Hohlräume 146 können mithilfe einer geeigneten Technik hergestellt werden, z. B. durch Stanzen oder Laserschneiden. Jede der anisotropen Blechlamellen 144 hat eine ebene Oberfläche, in der Hohlräume 146 geschaffen werden. Die planaren Oberflächen der gestapelten, anisotropen Blechlamellen 144 weisen Formen auf, die analog zu einer Querschnittsform von mindestens einem Teil des zugeordneten Schlitzes 31 des Rotors 20 sind, in den das anisotrope Paket 136 eingebaut wird.
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Jede der Vielzahl anisotroper Blechlamellen 144 ist bevorzugt aus einem kornorientierten Stahlmaterial hergestellt. In einer Ausführungsform beinhaltet das kornorientierte Stahlmaterial eine magnetische Eisen-Silicium-Legierung, die durch Kaltwalzen hergestellt wurde, um die bevorzugten magnetischen Eigenschaften hinsichtlich der Permeabilität in der Walzrichtung zu erzielen. Alternativ kann die Vielzahl der anisotropen Blechlamellen 144 aus einer amorphen Metalllegierung hergestellt werden, die mithilfe eines Rascherstarrungsverfahrens gebildet wurde.
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Die Blechlamellen-Walzrichtung 40 ist für die Vielzahl der anisotropen Blechlamellen 144 markiert, analog zu der bevorzugten, vorherrschenden d-Achse 28 und q-Achse 29 des Rotors 20, wenn das anisotrope Paket 136 in den Rotor 20 eingesetzt wird. Die Dicke des anisotropen Pakets 136 wird bevorzugt durch Motorsimulation unter simulierten Motorlastbedingungen ermittelt, unter Berücksichtigung der magnetischen Eigenschaften, der Permeabilität, Temperatur, der Drehmomententwicklung und anderen Faktoren. Es wird auch eine Tiefe 50 des anisotropen Pakets 136 dargestellt, die die Länge anzeigt, mit der das anisotrope Paket 136 in den Schlitz 31 des Rotors 20 ragt. Vorzugsweise, und wie dargestellt, ist die q-Achse 29 des Rotors 20 mit der Achse des niedrigen Magnetwiderstandes des anisotropen Pakets 136 ausgerichtet, die der Vielzahl anisotroper Blechlamellen 144 der Kaltwalzrichtung 40 entspricht. Als solches beinhaltet diese Ausführungsform des anisotropen Pakets 136 einen Blechlamellenstapel 142, der aus einer Vielzahl anisotroper Blechlamellen 144 zusammengesetzt ist, die jeweils eine Vielzahl von Hohlräumen 146 enthalten, die als Flussbarriere dienen, wobei eine q-Achse 29 des Rotors 20 mit der Achse mit niedrigem Magnetwiderstand ausgerichtet ist, die der Kaltwalzrichtung des Materials entspricht. Zwischen den einzelnen anisotropen Blechlamellen 144 ist kein Abstandshalter erforderlich. Der Endabschnitt des Blechlamellenstapels 142 stellt jedoch keine Barrieren in der Bahn des d-Achsenflusses dar. Dieser Leckagepfad liegt in Richtung der niedrigen Materialpermeanz, senkrecht zur Walzrichtung, wodurch die Leckage relativ gering ist.
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5 zeigt schematisch eine dritte Ausführungsform des anisotropen Pakets 236, das einen Blechlamellenstapel 242 beinhaltet, der aus einer Vielzahl anisotroper Blechlamellen 242 zusammengesetzt ist, mit einer Vielzahl anisotroper Blechlamellen 244. In einer Ausführungsform können sich zwischen einer Vielzahl nichtmagnetischer Abstandshalter 246 die anisotropen Blechlamellen 244 befinden. Alternativ werden keine nichtmagnetischen Abstandshalter 246 verwendet. Ein Außenflächenabschnitt 238 des anisotropen Pakets 236 wird identifiziert, und zeigt den Teil des anisotropen Pakets 236 an, der an einem Ende des Rotors 20 sichtbar ist. Jede der anisotropen Blechlamellen 244 hat eine planare Oberfläche, mit einer Form, analog zu einer Querschnittsform von mindestens einem Teil des zugeordneten Schlitzes 31 des Rotors 20, in den das anisotrope Paket 236 eingebaut wird. Jede der Vielzahl der anisotropen Blechlamellen 244 ist bevorzugt aus einem kornorientierten Stahlmaterial hergestellt. In einer Ausführungsform beinhaltet das kornorientierte Stahlmaterial eine magnetische Eisen-Silicium-Legierung, die durch Kaltwalzen hergestellt wurde, um die bevorzugten magnetischen Eigenschaften hinsichtlich der Permeabilität in der Walzrichtung zu erzielen. Alternativ kann die Vielzahl der anisotropen Blechlamellen 244 aus einer amorphen Metalllegierung hergestellt werden, die mithilfe eines Rascherstarrungsverfahrens gebildet wurde.
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Die Blechlamellen-Walzrichtung 40 ist für die Vielzahl der anisotropen Blechlamellen 244 markiert, analog zu der bevorzugten, vorherrschenden d-Achse 28 und q-Achse 29 des Rotors 20, wenn das anisotrope Paket 236 in den Rotor 20 eingesetzt wird. Es wird auch eine Tiefe 50 des anisotropen Pakets 236 dargestellt, die die Länge anzeigt, mit der das anisotrope Paket 236 in den Schlitz 31 des Rotors 20 ragt. Vorzugsweise, und wie dargestellt, ist die q-Achse 29 des Rotors 20 mit der Achse des niedrigen Magnetwiderstandes des anisotropen Pakets 236 ausgerichtet, die der Vielzahl anisotroper Blechlamellen 244 der Kaltwalzrichtung 40 entspricht.
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Diese Erfindung verbessert die Schenkeligkeit des Rotors von einem Rotor mit eingebettetem Dauermagnet, die sich durch eine verringerte Abhängigkeit vom Dauermagnet bemerkbar macht, sodass eine Verringerung der Magnetmasse möglich ist, um in einigen Ausführungsformen eine ähnliche Leistungsfähigkeit zu erzielen. Alternativ kann die Leistungsfähigkeit des Elektromotors hinsichtlich des Drehmoments des Motors pro Ampere und des Wirkungsgrads verbessert werden. Darüber hinaus kann aufgrund der Verwendung von kornorientierten Stahllaminierungen, die axial in die Rotorschlitze eingesetzt werden, eine verbesserte Schenkeligkeit einer Ausführungsform eines in einen Elektromotor eingebetteten Dauermagneten vorliegen. Die kornorientierten Stahllaminierungen werden axial in die Rotorschlitze der radialen Blechlamellen eingesetzt, und ergeben eine Hybridstruktur mit axialen und radialen Blechlamellen. Eine hohe Schenkeligkeit (Lq> > Ld) kann das Drehmoment erhöhen und den Wirkungsgrad des Elektromotors verbessern. Erhöhte Schenkeligkeit verbessert auch die Hochgeschwindigkeitsleistung des Elektromotors. Die Erhöhung der Schenkeligkeit des Rotors wird durch Erhöhen der q-Achsen-Induktivität infolge der axialen Einführung der kornorientierten Blechlamelle erzielt, während die d-Achsen-Induktivität unbeeinflusst bleibt. Die Verwendung der radialen und axialen Blechlamellenpakete erleichtert eine durch eine größere Polzahl erhöhtes Drehmoment pro Ampere und höhere Drehmomentspitzen des Motors, oder eine Verringerung der Motorgröße und der Magnetmasse, um eine ähnliche Leistungsfähigkeit zu erreichen.
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Wie in dieser Spezifikation und den Patentansprüchen verwendet, sind die Begriffe „zum Beispiel“, „beispielsweise“, „zum Beispiel“, „wie z.°B.“ und „wie“ und die Verben „umfassend“, „einschließend“ „aufweisend“ und deren andere Verbformen, wenn sie in Verbindung mit einer Auflistung von einer oder mehreren Komponenten oder anderen Elementen verwendet werden, jeweils als offen auszulegen, was bedeutet, dass die Auflistung nicht als andere zusätzliche Komponenten oder Elemente ausschließend betrachtet werden soll. Andere Begriffe sind in deren weitesten vernünftigen Sinn auszulegen, es sei denn, diese werden in einem Kontext verwendet, der eine andere Auslegung erfordert. Weiterhin, ist beim Lesen der Ansprüche vorgesehen, dass wenn Worte wie „ein”, ”mindestens eins,” oder „mindestens ein Teil” verwendet werden, keine Absicht besteht, den Anspruch auf nur einen Punkt zu beschränken, soweit nicht ausdrücklich anders lautende Aussagen im Anspruch gemacht werden.
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Es sollte verstanden werden, dass, während die Verwendung von Begriffen wie bevorzugt, vorzugsweise, oder mehr bevorzugt in der obigen Beschreibung, anzeigen, dass die hiermit beschriebene Eigenschaft wünschenswerter sein kann, es dennoch nicht erforderlich sein muss, und Ausführungsformen ohne diesen Wortlaut als innerhalb des Umfangs der Offenbarung angesehen werden können, wobei der Umfang durch die nachfolgenden Ansprüche definiert wird.
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Die ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren unterstützen und beschreiben die vorliegenden Lehren, doch wird der Umfang der vorliegenden Lehren einzig und allein durch die Ansprüche definiert. Während ein paar der besten Arten und Weisen und weitere Ausführungsformen der vorliegenden Lehren ausführlich beschrieben wurden, gibt es verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur Umsetzung der vorliegenden Lehren in den angehängten Ansprüchen.
