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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf umlaufende Elektromotoren
und spezieller auf Motoren mit einer Vielzahl von Rotorelementen
und Statorelementen, welche eine Vielzahl von Polen aufweisen, die
in einer Richtung parallel zur Rotationsachse des Motors ausgerichtet
sind.
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Hintergrund
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Die
fortlaufende Verbesserung von elektronischen Systemen, wie beispielsweise
auf Mikrocontroller und Mikroprozessor basierenden Anwendungen für die Steuerung
von Motoren, ebenso wie die Verfügbarkeit
von verbesserten tragbaren Stromquellen hat die Entwicklung von
wirksamen elektrischen Motorantrieben für Fahrzeuge als eine gangbare
Alternative zu Verbrennungsmotoren zu einer unwiderstehlichen Herausforderung
gemacht. Die elektronisch gesteuerte gepulste Unterstromsetzung von
Windungen von Motoren bietet die Perspektive einer flexibleren Handhabung
der Motoreigenschaften. Durch Steuerung der Pulsbreiten, des Lastzyklus und
der geschalteten Anwendung von einer Batteriequelle auf geeignete
Statorwindungen kann eine funktionale Vielfalt erreicht werden,
die praktisch nicht unterscheidbar ist vom Betrieb als Synchronmotor
mit Wechselstrom. Die Verwendung von Permanentmagneten in Verbindung
mit solchen Windungen ist vorteilhaft bei der Begrenzung des Stromverbrauchs.
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Die
oben bezeichnete mitanhängige
dazu in Bezug stehende US-Patentanmeldung von Maslov et al., Seriennummer
09/826423 bezeichnet und richtet sich auf das Bedürfnis nach
einem verbesserten Motor, welcher der vereinfachten Herstellung
zugänglich ist
und in der Lage von wirksamen und flexiblen Betriebseigenschaften.
In einer Fahrzeugantriebsumgebung ist es höchst wünschenswert, einen reibungsfreien
Betrieb über
einen breiten Geschwindigkeitsbereich zu erreichen, während eine
Fähigkeit
zur Abgabe eines hohen Drehmoments bei minimaler Leistungsauf nahme
aufrechterhalten wird. Ein derartiger Motorantrieb eines Fahrzeugs
sollte vorteilhaft eine bereitwillige Zugänglichkeit zu den verschiedenen Bestandteilen
des Aufbaus zum Ersetzen von Teilen bei minimaler Unbequemlichkeit
bieten. Die mitanhängige
in Verbindung stehende US-Anmeldung beinhaltet Elektromagnetpole
als isolierte magnetisch permeable Strukturen, die in einem kranzförmigen Ring
aufgebaut sind, welche relativ dünn
in der radialen Richtung sind, um vorteilhafte Wirkungen zur Verfügung zu
stellen. Mit dieser Anordnung kann im Vergleich zu Ausführungsformen
des Standes der Technik der Fluss bei beinahe keinem Verlust oder schädlichen
Transformatorinterferenzeffekten in den Kernen der Elektromagneten
konzentriert werden. Während
Verbesserungen bei den Drehmomenteigenschaften und der Wirksamkeit
erreichbar sind mit dem Aufbau der bezeichneten mitanhängigen Anmeldung
verbleiben weitere Verbesserungen wünschenswert.
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Zu
diesem Zweck versucht die oben bezeichnete mitanhängige in
Beziehung stehende US-Patentanmeldung von Maslov et al. Seriennummer 09/826423
die Parameter des Rotors zu optimieren, wie beispielsweise die Qualität des Magneten,
die Energiedichte und die magnetischen Eigenschaften der Magnetqualität insgesamt,
die Größe und Abmessungen
des Magneten, welche die wirksame Arbeitspermeanz und die Gesamtbetriebsbedingungen des
Magneten einstellen können,
wenn er Teil des Rotors ist, die Temperaturstabilität des Magneten,
die Feinbearbeitung, die Beschichtung und die Nachbearbeitungsschritte,
die bei der Herstellung von Magneten für die beabsichtige Anwendung
durchgeführt werden,
die Stabilität
der Magnetisierung über
die gekrümmte
Oberfläche
des Magneten, die Einheitlichkeit der radialen Polasierung des Magneten,
den benachbarten Spalt zwischen zwei getrennten Magneten, die mechanischen
Merkmale der Kanten der Magneten, und den Rückkehrflusspfad des Magneten, welcher
durch den hinteren Eisenringabschnitt bereitgestellt wird.
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Die
Maslov et al. Anmeldungen erkennen, dass die Isolation der Elektromagnetgruppen
eine individuelle Konzentration von Flux in den magnetischen Kernen
der Gruppen bei nahezu keinem Fluxverlust oder schädlichen
Transformatorinterferenzeffekten mit anderen Elektromagnetbauteilen
erlauben. Betriebsvorteile können erreicht
werden, indem ein einziges Polpaar als eine isolierte Elektromagnetgruppe
aufgebaut wird. Die Isolation des magnetischen Pfades des individuellen
Polpaares von anderen Polgruppen eliminiert einen Fluxtransformatoreffekt
auf eine benachbarte Gruppe, wenn die Unterstromsetzung der Polpaarbindungen
umgeschaltet wird. Das Fehlen von zusätzlichen Polen innerhalb der
Gruppe vermeidet irgendwelche derartigen Effekte innerhalb einer
Gruppe.
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Während beträchtliche
Fortschritte aus den oben beschriebenen Anstrengungen abgeleitet
wurden, wurde es herausgefunden, dass ein möglicher Nutzen, der aus der
Verwendung der dreidimensionalen Aspekte des Motoraufbaus zu gewinnen
ist, nicht vollständig
realisiert wurde. Bei den Motoren der mitanhängigen Anmeldungen sind alle
Stator- und Rotorpole kranzförmig
um die Drehachse angeordnet und sie sind in der axialen Richtung
flächengleich.
Bei einem vorgegebenen Luftspaltdurchmesser ist die gesamte Polanzahl,
die doppelte Anzahl von Polpaaren durch die praktischen physikalischen Fähigkeiten
begrenzt. Der optimale aktive Oberflächenbereich der individuellen
Pole, welcher eine Fluxwechselwirkung zwischen dem Rotor und dem Stator
erzeugt, wird dadurch bestimmt, ebenso wie dies die Anzahl der Pole
wird, welche eine derartige Wechselwirkung erzeugen. Ein struktureller
Aufbau, bei dem die Fluxverteilung höher konzentriert wäre, während eine
größere Anzahl
von Polen bereitgestellt würde,
mit den gleichen individuellen aktiven Luftspaltoberflächenbereichen
und/oder größerem aktiven
Luftspaltoberflächenbereich
für einen
Motor mit dem gleichen Luftspaltdurchmesser würde höchst wünschenswert sein, um sogar
noch höhere Leistungsfähigkeit
zu erhalten.
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EP 0790695 offenbart eine
dynamoelektrische Maschine mit veränderbarem magnetischen Widerstand,
wie beispielsweise einen Motor oder einen Generator, der aus einem
Statormechanismus gebildet wird und einen beweglichen Mechanismus, welche
sich in Bezug aufeinander gemäß einer
Richtung von Bewegungen bewegen, wobei ein erster dieser drei Mechanismen
wenigstens einen ersten magnetischen Kreislauf enthält, der
wenigstens eine Gruppe von Bögen
enthält,
welche in einer Ebene quer zur Richtung der Bewegungen angeordnet
sind, die einander in der Richtung der Bewegung folgen und jede
zwei Arme haben, die in zwei ersten vor springenden Polen von konstantem
Abstand enden, angeregt durch Spulen, wobei der zweite der Mechanismen
einen zweiten magnetischen Kreislauf aufweist, welcher zweite Pole
mit konstantem Abstand enthält,
den sie mit den ersten Polen von zwei Reihen oder Spalten definieren.
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Ferner
beschreibt
US 5258697 einen
elektrischen Motor der Bauart, die einen Motor mit Permanentmagneten
enthält
und den Stator mit Elektromagneten, welcher als hochwirksamer arbeitet,
um ein hohes Verhältnis
von mechanischer Leistungsabgabe zu elektrischer Leistungszufuhr
zu produzieren. Während
der Motordrehung in einer ersten Richtung bewegt sich ein erster
Magnet weg von einer Ausrichtungsposition mit einem Kern von wenigstens
einem Elektromagneten, während
ein zweiter Permanentmagnet sich in Richtung einer Position der
Ausrichtung mit einem Kern eines nächsten Elektromagneten bewegt,
welcher sich annähert.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung fördert
die oben beschriebenen Bedürfnisse
des Standes der Technik und stellt zusätzliche Vorteile für solche
Aufbauten bereit, wie beispielsweise die isolierten individuellen Polpaaranordnungen,
welche in den oben bezeichneten Maslov et al. Anmeldungen offenbart
werden.
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Vorteile
der vorliegenden Erfindung werden wenigstens teilweise erzielt durch
Erstreckung der Wechselwirkung der radialen Fluxverteilung zwischen
den Stator- und
Rotorpolen entlang der axialen Richtung des Motors.
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Zusätzliche
Vorteile der vorliegenden Erfindung können aus der Verwendung von
Materialien erzielt werden, durch welche ein weich magnetisch permeables
Medium für
die Ausbildung von einer Vielzahl von speziellen Formen zugänglich wird.
Zum Beispiel kann das Kernmaterial aus Weichmagnetqualitäten von
Fe, SiFe, SiFeCo, SiFeP Pulvermaterial hergestellt werden, von denen
jedes einen einzigartigen Leistungsverlust, Durchlässigkeit
und Sättigungsniveau
hat. Die Kerngeometrien und Kernabmessungen von Statorelementen
mit relevanten Toleranzen können
ohne das Erfordernis gebildet werden, Laminierungen zu bilden und
optimieren folglich den Gradienten des magnetischen Potenzials,
der sich zwischen gekoppelten Polen von Rotorpermanentmagneten und
Statorelektromagneten ausbildet.
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Die
zuvor beschriebenen Vorteile manifestieren sich zumindest in strukturellen
Merkmalen der Erfindung, worin der Motor einen Rotor und einen Stator
aufweist, die jeweils in einem kranzförmigen Ringaufbau angeordnet
sind und voneinander durch einen kranzförmigen Luftspalt beabstandet
sind. Der Stator enthält
eine Vielzahl von magnetisch durchlässigen Kernsegmenten, auf die
Spulen gewickelt sind, wobei die Kernsegmente von direktem Kontakt
zueinander getrennt sind und angeordnet sind entlang dem radialen
Luftspalt. Jedes Statorsegment weist ein Paar von Polen auf, die
zueinander in einer Richtung parallel zur Rotationsachse ausgerichtet
sind. Der Stator hat folglich zwei Sätze von axial versetzten Polen,
wobei sich die Pole von jedem Satz in axialer Ausrichtung befinden.
Jedes Kernsegmentpolpaar weist folglich einen Pol von einem der
Sätze auf, die
strukturell mit einem entsprechenden Pol des anderen Satzes verbunden
sind. Bei dieser Anordnung ist die Gesamtanzahl der Polpaare gleich
der Anzahl der Anzahl von Polen in einem Satz. Die Pole von jedem
Statorkernsegment werden durch einen Verbindungsteil verbunden.
Die Statorwicklung kann auf dem Verbindungsteil gebildet werden,
wobei die Anwendung von Strom auf die Wicklung entgegengesetzte
magnetische Polaritäten
in den Polpaaren zur Folge hat. Alternativ kann die Wicklung zwei
Sätze von
Spulen aufweisen, welche jeweils in entgegengesetzten Richtungen
zueinander auf entsprechende Pole des Statorpolpaares gewickelt
sind und welche seriell oder parallel verbunden sein können, wobei die
Anwendung von Strom auf die verbundenen Spulensätze die Magnetisierung der
Pole des Statorkernsegmentes in entgegengesetzter magnetischer Polarität zur Folge
hat. In jeder Alternative wird die Umkehr des an die Wicklung angelegten
Stroms zu einer Umkehr der magnetischen Polarität der Statorpole führen.
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Der
Rotor weist bevorzugt eine Vielzahl von Permanentmagnetelementen
auf, welche aufeinanderfolgend ihre magnetische Polarität entlang
seiner inneren kranzförmigen
Oberfläche ändern. Jedes Rotorelement
weist ein Paar von Polen auf, die zueinander entlang dem Luftspalt
in einer Richtung parallel zur Rotationsachse ausgerichtet sind,
wobei die Pole entgegengesetzte magnetische Polaritäten haben.
Folglich hat der Rotor zwei Sätze
von axial versetzten Polen, wobei sich die Pole von jedem Satz in axialer
Ausrichtung befinden. Die Sätze
von Rotorpolen sind bevorzugt axial flächengleich und befinden sich
in axialer Ausrichtung mit entsprechenden Sätzen von Statorpolen.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung kann dem Rotoraufbau
zugeordnet werden, der so aufgebaut ist, um die Richtung des magnetischen Flusses
in der radialen Richtung über
den Luftspalt hinweg zu verstärken.
Zum Beispiel kann jeder Rotorpol magnetisiert sein, so dass er eine
magnetische Polarität
an dem Luftspalt an seiner inneren Poloberfläche aufzeigt und eine entgegengesetzte
magnetische Polarität
an seiner äußeren Poloberfläche, um den
magnetischen Fluss in radialer Richtung zu konzentrieren. Die Rotorelemente
können
aneinandergrenzend sein und auf einer ferromagnetischen kranzförmigen Rückplatte
montiert sein. Bevorzugt befinden sich die Rotorelemente nicht im
direkten Kontakt miteinander, um dadurch die Isolierung der magnetischen
Bahnen zu erhöhen.
Alternativ kann jedes Rotormagnetelement ferner einen magnetisch durchlässigen Abschnitt
aufweisen, der sich entlang der axialen Richtung erstreckt, als
eine magnetische Rückplatte,
wobei jeder Pol des Rotorelementes auf einem entsprechend axialen
Ende der Rückplatte montiert
ist. Bei dieser Anordnung des Rotors wird für jedes Element ein getrennter
Rückplattenteil
bereitgestellt, anstatt einer fortlaufenden kranzförmigen magnetischen
Rückplatte,
um so magnetische Streuverluste zu vermeiden. Bei jeder Ausführungsform
wird eine nicht ferromagnetische kranzförmige Rückplatte bereitgestellt, welche
die Rotorelemente umgibt.
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In
einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält jedes
Permanentmagnetelement des Rotors ferner einen zusätzlichen
Magnetteil zwischen den Polteilen des Elements, wobei der zusätzliche
Magnetteil den Fluss zwischen den Polteilen des Elements in axialer
Richtung ausrichtet, wodurch das aktive Flussverteilungsmuster weiter
verbessert wird.
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Zusätzliche
Vorteile der vorliegenden Erfindung werden bereitwillig für Fachleute
auf dem Gebiet aus der nachfolgenden Beschreibung im einzelnen klar
ersichtlich werden, worin nur die bevorzugte Ausführungsform
gezeigt und beschrieben wird, einfach nach Art einer Veranschaulichung
des besten Modus, der ausgedacht wurde zur Durchführung der Erfindung.
Wie erkannt werden wird, ist die Erfindung zu anderen und verschiedenen
Ausführungsformen in
der Lage und verschiedene Einzelheiten können Modifikationen in verschiedenen
offensichtlichen Richtungen unterzogen werden, dies alles ohne von der
Erfindung abzuweichen. Entsprechend sind die Zeichnungen und die
Beschreibung nur als von beschreibender Natur anzusehen und nicht
als einschränkend.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung wird als Beispiel veranschaulicht und nicht
zur Beschränkung,
in den Figuren der beigefügten
Zeichnung und in welchen gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche
Bestandteile beziehen und in welchen:
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1 ein
teilweise dreidimensionales perspektivisches Diagramm eines Motors
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist.
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2 eine
perspektivische Ansicht eines Statorkernsegmentes des Motors aus 1 ist,
worin Spulen um einen Verbindungsteil gewickelt sind, welcher die
Segmentpole verbindet.
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3 eine
perspektivische Ansicht eines Statorkernsegmentes der vorliegenden
Erfindung ist, worin Spulen um die Statorpole herumgewickelt sind.
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4a eine
perspektivische Ansicht eines Aspektes ist, der nützlich zum
Verständnis
der vorliegenden Erfindung ist.
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4b eine
perspektivische Ansicht eines Rotors der vorliegenden Erfindung
ist, in welchem axial ausgerichtete Polpaare strukturell voneinander getrennt
sind.
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5a eine
perspektivische Ansicht eines Aspektes ist, der nützlich für das Verständnis der
vorliegenden Erfindung ist.
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5b eine
perspektivische Ansicht eines Rotors der vorliegenden Erfindung
ist, worin axial magnetisierte Permanentmagnete zwischen den axial
ausgerichteten Rotorpolpaaren angeordnet sind.
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6a–6d Diagramme
sind, welche verschiedene Flussverteilungsmuster für entsprechende
Variationen von axialen Rotormagneteinheiten veranschaulichen.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Der
Motor der vorliegenden Erfindung ist geeignet zur Verwendung beim
Antrieb eines Fahrzeugrades eines Automobils, Motorrades, Fahrrades oder ähnlichem.
Die zeichnerischen Darstellungen veranschaulichen deswegen einen
Motoraufbau, der innerhalb eines Fahrzeugrades aufgenommen werden
kann, wobei der Stator starr auf eine stationäre Welle montiert ist und von
einem Rotor zum Antrieb des Rades umgeben wird. Es sollte jedoch
begrüßt werden,
dass der Fahrzeugkontext lediglich beispielhaft ist für eine Vielzahl
von speziellen Anwendungen, bei denen der Motor der vorliegenden
Erfindung eingesetzt werden kann.
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Wie
in der Schnittzeichnung in 1 gezeigt,
weist der Motor 10 einen kranzförmigen Permanentmagnetrotor 20 auf
und eine kranzförmige Statorstruktur 30,
welche durch einen radialen Luftspalt getrennt sind. Der Stator
weist eine Vielzahl von ferromagnetisch isolierten Elementen auf.
Kernsegmente 32, welche aus magnetisch durchlässigem Material
gebildet werden und von direktem Kontakt zueinander isoliert sind,
haben entsprechende Wicklungen 34, die darauf gebildet
werden. Der Rotor weist eine Vielzahl von Permanentmagneten 22 auf, die
kreisförmig
um den Luftspalt verteilt sind und an einer nicht-magnetischen kranzförmigen Rückplatte 24 befestigt
sind, welche aus Aluminium oder anderem nicht-magnetisch durchlässigem Material
gebildet wird. Die Flussverteilungen, welche durch die Rotormagnete
erzeugt werden, können
weiter verstärkt werden
durch Bereitstellung eines magnetisch durchlässigen Elements, das auf der
Rückseite
der Rotormagnete montiert wird. Obwohl nicht in der Ausführungsform
von 1 gezeigt, wird eine zusätzliche kranzförmige ferromagnetische
Rückschicht
für die Rotormagnete
in anderen Figuren veranschaulicht.
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Innerhalb
der zylindrischen kranzförmigen Rotorstruktur
sind die Statorkernsegmente starr durch zwei Platten 42 gesichert,
von denen nur eine in der Zeichnung gezeigt wird. Jede Platte ist
von starrem kreisförmigem
Aufbau mit einem äußeren Durchmesser
und einem kreisförmigen
Ausschnittteil in ihrer Mitte, welche einen inneren Durchmesser
bildet. Der innere Durchmesser ist so bemessen, das in ihn eine
stationäre
Welle 44 passt und dass er an einem Bauteil 46 befestigt
werden kann, das einstückig ist
mit der Welle. Entlang dem Plattenumfang ist die Platte mit Löchern versehen,
die nicht gezeigt sind, die geeignet beabstandet sind, so dass sie
mit entsprechenden Durchgangslöchern 48 in
den Statorkernsegmenten zusammenpassen. Jede der Platten ist an
der Welle gesichert und geeignet beabstandet voneinander, um gesichert
zu werden an und zwischen sich aufzunehmen die Statorkernsegmente
an jeder axialen Seite davon über
die zusammenpassenden Löcher.
Folglich wird ein kranzförmiger
Ring aus Statorkernsegmenten gebildet, welche flächengleich ausgerichtet sind
in der axialen Richtung über den
Luftspalt des Rotors hinweg.
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Die
stationäre
Welle, Platten und Statorstruktur werden innerhalb eines Gehäuses 50 aufgenommen,
an welchem die kranzförmige
Rotorrückplatte und
Permanentmagneten angebracht sind. Das Gehäuse ist mit der Welle an der
Außenseite
der Platten über
geeignete Buchsen und Lager verzapft. Es ist zu verstehen, dass
beliebige geeignete Mittel, die im Stand der Technik wohl bekannt
sind, für
den Zusammenbau der verschiedenen Elemente verwendet werden können. In
dem Fahrzeugbeispiel kann das Gehäuse Teile eines Fahrzeugrades
bilden, welches sich mit dem Motor um die Welle herumdreht. Der spezielle
Aufbau der Platten wird oben lediglich als Beispiel beschrieben
als irgendein Mittel zur Sicherung der Teile des Stators an der
Welle, während
eine kranzförmige
Anordnung geeignet wäre.
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Ein
Kernsegment des Stators wird im Einzelnen in 2 gezeigt.
Das Kernsegment ist von einheitlicher magnetischer Struktur, die
zwei Pole 35 aufweist, welche in der axialen Richtung durch
einen Verbindungsteil 36 verbunden sind, um welchen Statorwicklungen 34 gewickelt
sind. Die Pole haben konische Aufbauten, in welchen der Querschnittsbereich
in der radialen Richtung in Richtung des Luftspaltes anwächst, was
in vergrößerten Polstirnseitenoberflächen 37 gipfelt.
Dieser Aufbau optimiert die Flusskonzentration in dem Kern, so dass
maximaler Fluss in Richtung über
den Luftspalt hinweg gerichtet werden kann. Die dargestellte Kerngeometrie
ebenso wie Abwandlungen davon kann gebildet werden unter Verwendung
von Pu dermetalltechnologie aus Weichmagnetqualitäten, zum Beispiel aus Fe, SiFe,
SiFe-Co, oder SiFeP
Pudermaterial. Pudermetalltechnologie stellt eine Flexibilität im Aufbauentwurf
bereit, die nicht von herkömmlicher
Bildung von gestapelten Metallschichten zur Verfügung steht. Die Minimierung
von Wirbelstromverlusten, welche herkömmlich durch die Verwendung
von laminierten Kernen adressiert wird, wird durch Auswahl der geeigneten
Pulvermetallzusammensetzung in Übereinstimmung
mit dem bekannten hohen elektrischen Widerstand den Pulvermetallmaterialien
erhalten.
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Die
Unterstromsetzung der Statorwicklung 34 führt zur
Magnetisierung des Kernabschnittes 32 mit entgegengesetzter
magnetischer Polarität
bei den Polstirnseiten 37. Die Umkehr der Stromrichtung auf
bekannte Weise führt
zur Umkehr der magnetischen Polaritäten. Die Ausrichtung von jedem
Polpaar in der axialen Richtung anstatt kreisförmig um den Luftspalt in früheren Anordnungen
sorgt für
die doppelte Anzahl von Statorpolen, von denen jeder den gleichen
Oberflächenbereich
aufweist, weil die axiale Erstreckung des Statorkerns größer ist
bei der vorliegenden Erfindung. Der vollständige Stator enthält folglich
zwei Sätze
von axial flächengleichen
Polen, die axial zueinander versetzt sind durch Verbindungsteile
der Kernelemente.
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3 veranschaulicht
eine Abwandlung des in 2 gezeigten Statorkernsegments.
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Das
Kernsegment 32 weist spulenförmige Polabschnitte auf, von
denen jeder mit Spulen 34 umwickelt ist. Die Polabschnitte
haben vergrößerte Polstirnseitenoberflächen 37 an
dem Luftspalt und werden an den Enden gegenüber dem Luftspalt durch den
relativ flachen Verbindungsteil 36 verbunden. Die Polabschnitte,
Polstirnseiten und Verbindungsteile sind von einheitlichem Aufbau,
der bevorzugt aus Pulvermetallwerkstoff gebildet wird. Jeder Pol
des Polpaares wird entgegengesetzt gewickelt, um entgegengesetzte
magnetische Polaritäten
an den Polstirnseiten 37 bereitzustellen. Die zwei Wickelabschnitte
können
hintereinander oder parallel miteinander verbunden sein, abhängig von
den gewünschten
Leistungseigenschaften. Die Wickelabschnitte werden geeignet elektrisch
verbunden, so dass das Anlegen von speisendem Strom an die Wicklungen eine
entgegengesetzte magnetische Polarität bei den Polen des Kernsegmentes
herbeiführt.
Die Umkehr des Stroms wird die magnetischen Polaritäten auf
bekannte Weise umkehren.
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Der
Rotor 20 wird in größeren Einzelheiten
in 4a und 4b dargestellt. 4a veranschaulicht
eine fortlaufende magnetische Rückplatte 25, auf
welcher individuelle Permanentmagnete montiert sind. Die Magnete
bilden einen ersten Ring aus axial flächengleichen Magneten 22a und
einen zweiten Ring aus axialen flächengleichen Magneten 22b.
Jeder Magnet hat eine Orientierung in einer Nord-Süd-Magnetisierung in
der radialen Richtung, wobei die Polarität an der Oberfläche, welche
dem Luftspalt gegenüberliegt,
entgegengesetzt zur Polarität
der Oberfläche
ist, die in Kontakt mit der Rückplatte 25 steht.
Die Magnete von jedem Ring wechseln aufeinanderfolgend ihre magnetische
Polarität.
Magnete 22a sind flächengleich
mit Magneten 22b in der Kreisrichtung, wobei die Magnete
Seite an Seite zueinander eine entgegengesetzte Polarität aufweisen. Der
Abstand zwischen dem Ring von Magneten 22a und dem Ring
von Magneten 22b steht in Bezug, obwohl nicht notwendigerweise
gleich zu dem Abstand zwischen den Oberflächen des Statorpolpaares. Der Abstand
zwischen Magneten innerhalb jedem der Ringe ist einheitlich und
steht in Bezug zum Abstand zwischen Poloberflächen von benachbarten Statorkernelementen.
Die individuellen Magnete haben einen gleichförmigen Oberflächenbereich,
welcher zu dem Oberflächenbereich
der Statorpole in Bezug stehen kann. Jedes axial benachbarte Paar
von Magneten 22a und 22b kann folglich als Rotorpermanentmagnetpolpaar
betrachtet werden, das mit einem Statorkernelement wechselwirkt,
um eine Motordrehung herbeizuführen.
Die Wechselwirkung wird ein beträchtliches
Anwachsen in der wirksamen Flussdichte im Luftspalt bewirken, während sie
die Flusssättigung
im Rückeisen
verhindert. In der in 4b dargestellten Anordnung ist
die magnetische kranzförmige
Rückplatte 25 in
Streifen 27 segmentiert. An jedem Streifen ist ein axial
ausgerichtetes Permanentmagnetpaar angebracht. Der Abstand zwischen den
Streifen sorgt für
eine verbesserte magnetische Flussverteilung für die jeweiligen individuellen
Permanentmagnetpaare. Direkte Verluste von Streufluss und Interferenz
oder Übersprechen
zwischen aneinan dergrenzenden Einheiten werden minimiert, weil jede
axiale magnetische Einheit strukturell disjunkt ist.
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5a und 5b veranschaulichen
Abwandlungen des Rotors. Bei der Rotoranordnung von 5a sind
axial magnetisierte Permanentmagnete 26 zwischen den axial
ausgerichteten Rotorpaarmagneten 22a und 22b angeordnet.
Eine Nord-Süd-Magnetisierungsorientierung
der Magnete 22a und 22b liegt in der radialen
Richtung vor. Diese Struktur unterscheidet sich vom Rotor aus 4a darin,
dass sich der Magnet 22a und 22b jeweils in Kontakt
mit einem Ende des Magneten 26 befindet, um eine individuelle
axiale Rotoreinheit zu bilden, wohingegen die Magnete 22a und 22b aus 4a voneinander getrennt
sind. Der Magnet 26 ist in der axialen Richtung magnetisiert,
um die Konzentration des Flusses zwischen den Magneten 22a und 22b zu
unterstützen.
Wie in 4a ist die magnetische kranzförmige Rückplatte 25 fortlaufend.
Bei der Rotoranordnung aus 5b ist
die magnetische kranzförmige
Rückplatte 25 segmentiert.
Jeder Rückplattenstreifen 27, auf
dem eine axiale Rotoreinheit montiert ist, wird von einem benachbarten
Streifen getrennt, um die Flussverteilung zu begünstigen.
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Verschiedene
Flussverteilungsmuster werden in 6a–6d dargestellt.
Die Flussverteilung der 6a und 6b entspricht
Rotoranordnungen, worin die Permanentmagneten sich in direktem Kontakt
mit einer nicht ferromagnetischen Rückplatte 24 (nicht
gezeigt) befinden. 6a zeigt ein Flussverteilungsmuster
für beabstandete
individuelle Permanentmagnete von entgegengesetzter magnetischer
Polarität,
die direkt auf der nicht ferromagnetischen Rückplatte montiert sind. 6b zeigt
ein Flussverteilungsmuster für
eine axiale Dreimagneteinheit, worin ein axial magnetisierter Magnet
zwischen Magneten von entgegengesetzter magnetischer Polarität aufgenommen
wird, welche eine radiale magnetische Orientierung haben. 6c zeigt ein
Flussverteilungsmuster für
Rotoraufbauten, in welchen individuelle Permanentmagneten von entgegengesetzter
Polarität
zueinander beabstandet sind und auf magnetischen Rückeisenteilen
montiert sind, wie beispielsweise die Anordnungen der 4a und 4b. 6d zeigt
ein Flussverteilungsmuster für Rotoraufbauten,
in welchen axiale Dreimagneteinheiten auf Rück eisenteilen montiert sind,
wie beispielsweise die Anordnungen der 5a und 5b.
Wie aus diesen Diagrammen klar ersichtlich ist, stellt das Muster
für die
Dreimagnetanordnung eine Verbesserung in Bezug auf die Anordnung
von zwei separaten Magneten dar, und die Muster von beiden dieser
Anordnungen werden mit der Hinzufügung der magnetischen Rückeisenelemente
verbessert.
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Bei
dieser Offenbarung werden nur bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
gezeigt und beschrieben und lediglich wenige Beispiele von ihrer Vielfältigkeit.
Es ist zu verstehen, dass die Erfindung in verschiedenen anderen
Kombinationen und Umgebungen eingesetzt werden kann und Veränderungen
oder Abwandlungen innerhalb dem Bereich dieser Erfindung, wie vorgegeben
durch die angefügten Ansprüche, unterzogen
werden kann. Zum Beispiel kann, wie begrüßt werden kann, der Motor der
Erfindung in einem breiten Bereich von Anwendungen zusätzlich zu
Fahrzeugantrieben verwendet werden. Sie ist bevorzugt in der Implementierung
eines Fahrzeugantriebs, bei dem der Rotor den Stator umgibt.
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Während spezielle
geometrische Aufbauten der Statorkernelemente dargestellt wurden,
sollte es erkannt werden, dass das erfinderische Konzept hierin
eine Vielfalt von Abwandlungen umfasst, da nahezu für jede beliebige
Gestalt unter Verwendung der Pulvermetalltechnologie geformt werden
kann. Folglich können
spezielle Kernaufbauten für
die gewünschte
Flussverteilung maßgeschneidert
werden.
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Zusätzlich sind
die verschiedenen Poloberflächenbereiche
und Abstandsbeziehungen zwischen den Stator- und Rotorpoloberflächen Gegenstand
der Abwandlung in Abhängigkeit
von der gewünschten
Betriebsfunktionalität.
Zum Beispiel muss der Abstand zwischen den Elementen und den Elementoberflächenbereichen
nicht gleich sein. In den verschiedenen oben beschriebenen Ausführungsformen
können
verschiedene Rotormagnete weiter voneinander getrennt sein als angezeigt
oder dagegen in Kontakt miteinander gebildet werden. In der axialen Dreimagneteinheit
Anordnung der 5a und 5b kann
die magnetische Einheit aus einem einzigen integralen magnetischen
Block mit geeignet eingelassenen magnetischen Mustern hergestellt werden.