DE102008059347A1

DE102008059347A1 - Verfahren und Vorrichtungen für eine Permanentmagnetmaschine mit einer zusätzlichen Luftbarriere

Info

Publication number: DE102008059347A1
Application number: DE102008059347A
Authority: DE
Inventors: Khwaja M. Troy Rahman; Edward L. Orion Kaiser; Matthew D. Oakland Laba
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-11-30
Filing date: 2008-11-27
Publication date: 2009-06-25
Also published as: DE102009052477A1; US20090140593A1; US8138651B2; US20090140592A1

Abstract

Eine Maschine mit internen Permanentmagneten ("IPM-Maschine") des Typs, der beispielsweise bei Antriebsmotoren und Hybridelektrofahrzeugen verwendet wird, umfasst einen Rotor mit einer zusätzlichen Luftbarriere, die in der gleichen Rotornut über der ersten Magnetbarriere bereitgestellt ist. Jeder Magnet füllt nur einen Teil eines jeden Hohlraums aus, wodurch die Luftbarrieren definiert werden. Die über dem Permanentmagnet der ersten Schicht hinzugefügte Luftbarriere wirkt wie eine Barriere für den Magnet der ersten Schicht und verringert den Magnetfluss.

Description

QUERVERWEIS
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 60/991,310, die am 30. November 2007 eingereicht wurde.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein magnetische Einrichtungen, wie etwa Elektromotoren, und sie betrifft insbesondere Maschinen mit internen Permanentmagneten.
HINTERGRUND
Maschinen mit internen Permanentmagneten (IPM-Maschinen) werden aufgrund ihrer wünschenswerten Eigenschaften – d. h. gute Drehmomentdichte, guter Gesamtwirkungsgrad, guter Konstantleistungsbereich usw. – zum Betreiben von Brennstoffzellen- und Hybridelektrofahrzeugen favorisiert. Bei einer Permanentmagnetmaschine wird das Rotorfeld aufgrund seines Aufbaus erhalten, im Gegensatz zu anderen Maschinen, wie etwa Induktionsmaschinen oder Maschinen mit geschalteter oder synchroner Reluktanz, bei welchen das Feld durch einen Statorstrom erzeugt wird, der von einer Quelle bereitgestellt wird. Als Folge zeigen Permanentmag netmaschinen im Vergleich zu anderen derartigen Maschinen einen besseren Wirkungsgrad.
Jedoch ist eine IPM-Maschine wie auch Maschinen mit Oberflächenpermanentmagneten, durch die Tatsache belastet, dass das Permanentmagnetfeld auch dann vorhanden ist, wenn die Maschine nicht mit Leistung versorgt wird, was zu Verlusten führt, die durch das rotierende Permanentmagnetfeld des Rotors induziert werden. Außerdem induziert das Permanentmagnetfeld eine Spannung ("Gegen-EMK") in der Statorwicklung. Bei einer Maschine mit einem starken Permanentmagnet kann diese Gegen-EMK ziemlich wesentlich sein.
Bei einer IPM-Maschine wird manchmal eine zweite Rotorbarriere hinzugefügt und darin wird optional ein kleiner Magnet angeordnet (der verwendet wird, um die Brücke über der Rotorbarriere zu sättigen). Diese zweite Magnetschicht oder Lufttasche wirkt als eine Barriere für das Permanentmagnetfeld der tieferen primären Magnetschicht und verringert den Magnetfluss im Luftspalt, und sie verringert auch die Gegen-EMK der Maschine und durch das Permanentmagnetfeld induzierte Verluste. Bei einigen Maschinen ist es aufgrund des begrenzten Platzes nicht leicht, die zweite Barriere hinzuzufügen. Außerdem kann das Hinzufügen der zweiten Barriere die Rotorstruktur schwächen oder es kann sein, dass sie nicht den gesamten unteren Magnet abdeckt, was dazu führt, dass ein gewisser Anteil des unteren Barrieremagneten dem Luftspalt direkt ausgesetzt wird, was wiederum zu höheren Verlusten und einer höheren Gegen-EMK führt.
Folglich ist es wünschenswert, IPM-Maschinen bereitzustellen, die feldbezogene Verluste verringern, während sie eine Gegen-EMK und einen Magnetfluss im Luftspalt minimieren. Andere wünschenswerte Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden genauen Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen und dem voranstehenden technischen Gebiet und Hintergrund offenbar werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung kann durch Bezugnahme auf die genaue Beschreibung und die Ansprüche erreicht werden, wenn diese in Verbindung mit den folgenden Figuren betrachtet werden, in denen gleiche Bezugszeichen in allen Figuren ähnliche Elemente bezeichnen.
1 stellt im Querschnitt verschiedene Maschinen mit internen Permanentmagneten (IPM-Maschinen) dar;
2 stellt im Querschnitt eine IPM-Maschine gemäß einer Ausführungsform dar; und
3 und 4 sind Graphen, die beispielhafte empirische Ergebnisse einer IPM-Maschine gemäß einer Ausführungsform zeigen.
GENAUE BESCHREIBUNG
Die folgende genaue Beschreibung ist rein veranschaulichender Natur und ist nicht dazu gedacht, die Erfindung oder die Anwendung und Verwendungen der Erfindung zu beschränken. Darüber hinaus besteht nicht die Absicht, durch irgendeine explizite oder implizite Theorie gebunden zu sein, die in dem voranstehenden technischen Gebiet, dem Hintergrund, der Kurzzusammenfassung oder der folgenden genauen Beschreibung dargestellt ist. Die Erfindung kann hier mit Hilfe von funktionalen und/oder logischen Blockkomponenten und verschiedenen Verarbeitungsschritten beschrieben sein. Es ist festzustellen, dass derartige Blockkomponenten durch eine beliebige Anzahl von Hardware-, Softwareund/oder Firmwarekomponenten realisiert sein können, welche so ausgestaltet sind, dass sie die angegebenen Funktionen ausführen. Der Kürze halber werden herkömmliche Techniken und Systeme mit Bezug auf Elektromotoren, Magnetismus und dergleichen hier nicht im Detail beschrieben.
Die verschiedenen Ausführungsformen sind allgemein auf eine Permanentmagnetmaschine ("PM-Maschine) gerichtet, und insbesondere auf Maschine mit internen Permanentmagneten ("IPM-Maschine"), die einen Rotor mit einer zusätzlichen Luftbarriere über der ersten Magnetbarriere in der gleichen Rotornut umfasst. Als Folge wird keine zweite Barriere benötigt (d. h., um den Fluss im Luftspalt zu verringern). Die über dem Permanentmagnet der ersten Schicht hinzugefügte Luftbarriere wirkt als eine Barriere für den Magnet der ersten Schicht und verringert den Magnetfluss. Folglich werden die Gegen-EMK der Maschine und die vom Magnet induzierten Verluste (z. B. der Eisenverlust) verringert. Die über dem Magnet hinzugefügte Luftbarriere erhöht auch die Ausprägung bzw. Schenkelpolarisierung des Rotors (engl.: rotor saliency) auf eine Größe, die ähnlich ist wie bei einer Rotorgeometrie mit zwei Barrieren. Dies kompensiert teilweise die Verringerung beim Drehmoment aufgrund der Verringerung des Permanentmagnetfelds in dem Luftspalt.
Maschinen mit internen Permanentmagneten enthalten oft eine oder mehrere Rotorbarrieren (oder einfach "Barrieren"). Diese Barrieren bringen einen Widerstand (eine Reluktanz) gegen das Magnetfeld ein und bringen somit die Rotorausprägung ein. Diese Ausprägung ist eine Drehmomentquelle und ist allgemein als das Reluktanzmoment wohlbekannt. Je höher die Anzahl von Barrieren ist, desto höher ist normalerweise das Reluktanzmoment. 1(a)–(c) veranschaulichen beispielsweise Teilquerschnitte durch verschiedene beispielhafte IPM-Maschinen 100 mit Rotoren 106, die einfache und doppelte Barrieren aufweisen. Insbesondere veranschaulicht 1(a) einen Rotor 100 mit Magneten 110 und Rotornuten oder Hohlräumen (die Barriere) 125, die mit Bezug auf die Magnete 110 an verschiedenen Stellen in die Struktur eingebaut sind. Der IPM 100 umfasst auf herkömmliche Weise einen Stator 101 mit einer Vielzahl von Wicklungen 102, welche mit den Magneten 110 in dem Rotor 106 magnetisch interagieren. In einer Region 104 des Rotors 106 sind verschiedene Hohlräume vorgesehen, und in Abhängigkeit von der Anzahl von Schichten, welche in die Struktur eingebaut sind, sind alle oder ein Teil dieser Hohlräume auf herkömmliche Weise mit Permanentmagneten gefüllt.
1(b) stellt insbesondere einen PM-Rotor zwei mit Barrieren dar, wobei die zweite Barriere teilweise mit Magneten 110 gefüllt ist. Auf ähnliche Weise veranschaulicht 1(c) einen PM-Rotor mit zwei Barrieren ohne Magnete in der zweiten Schicht – d. h. die zweite Schicht umfasst nur einen luftgefüllten Hohlraum. Die in 1(b) und 1(c) gezeigte hinzugefügte zweite Barriere fügt der unteren Magnetbarriere einen Widerstand hinzu, wodurch der Magnetfluss im Luftspalt verringert wird. Wie voranstehend erwähnt wurde, kann jedoch das Hinzufügen der zweiten Barriere in dem Rotor den Rotor mechanisch schwächen. Zudem ist bei einigen Maschinen das Hinzufügen irgendeiner derartigen zweiten Barriere beispielsweise aufgrund von beschränktem Platz geometrisch nicht machbar (z. B. bei dem Rotor von 1(a)).
Es können auch Rotoren mit mehr als zwei Barrieren vorgesehen werden; derartige Entwürfe erhöhen jedoch die Komplexität bei der Herstellung auf ungewünschte Weise. Das Erhöhen der Anzahl von Barrieren verbessert die Rotorausprägung und verbessert somit das Maschinendrehmoment. Darüber hinaus wirkt die zweite Rotorbarriere oft als eine Barriere gegen die innere Magnetschicht und verringert folglich den Magnetfluss in dem Luftspalt. Das Verringern des Magnetflusses in dem Luftspalt verringert das magnetische Drehmoment, wird aber bis zu einem gewissen Grad durch die erhöhte Ausprägung des Rotors kompensiert, wie voranstehend erwähnt wurde.
Bei Hybridanwendungen, bei denen die PM-Maschine Teil eines Getriebes ist, dreht sich die Maschine sehr oft in Verbindung mit verschiedenen Zahnradsätzen, obwohl die Maschine kein Drehmoment oder ein sehr niedriges Drehmoment erzeugt. Wenn der Betrieb ohne Last oder mit leichter Last einen wesentlichen Anteil des Maschinenfahrzyklus darstellt, wird der Gesamtwirkungsgrad des Getriebes beeinflusst. Der Fluss eines rotierenden Magneten induziert auch eine Spannung in der Statorwicklung, welche allgemein als Gegen-EMK bezeichnet wird. Der hohe Magnetfluss eines Permanentmagnetrotors kann in dem Stator eine sehr hohe Spannung induzieren, insbesondere bei einem Betrieb der Maschine mit hoher Drehzahl. Daher ist bei derartigen Maschinen ein Verringern des Luftspaltflusses der Maschine sehr wünschenswert.
2 stellt eine IPM-Maschine 200 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, bei welcher eine Luftbarriere in den Hohlraum oder die Nut dort eingebaut ist, wo der Magnet angeordnet ist, statt dass eine zusätzliche Barriere hinzugefügt wird. Das heißt, dass wie gezeigt ein Paar Magnete 110 in jeweiligen Hohlräumen angeordnet sind, welche so ausgestaltet sind, dass sie größer als die Magnete selbst sind, wodurch es ermöglicht wird, dass Luftbarrieren benachbart zu den Magneten ausgebildet werden.
In der in 2 gezeigten Querschnittsansicht umfasst der Hohlraum die Vereinigung des Bereichs, der durch den Magnet 110 ausgefüllt ist, und des Bereichs, der durch die dazu benachbarten verschiedenen Lufttaschen definiert ist, d. h.: Lufttaschen 226, 225 und 227. Der Begriff "Hohlraum" wird daher verwendet, um eine Region zu bezeichnen, die so vor dem Einbringen des Magneten 110 definiert ist. Obwohl 2 eine Querschnittsansicht von Magneten 110 und Lufttaschen 225, 226 und 227 veranschaulicht, ist zu verstehen, dass sich der Hohlraum in die Region 104 des Rotors 106 hinein erstreckt und ein dreidimensionales Volumen definiert, das eine beliebige geeignete Gestalt aufweist.
Die Größe, der Ort und die Geometrie jeder Lufttasche 225, 226 und 227 kann so gewählt werden, dass die gewünschten Entwurfsziele erreicht werden. Bei der veranschaulichten Ausführungsform sind die Luftbarrieren 225 beispielsweise benachbart zu der "Oberseite" der Magnete 110 ausgestaltet (d. h. radial zu der Außenfläche des Rotors 101 hin). Diese Luftbarrieren 225 an der Oberseite sind allgemein dreieckig (oder dreiecksförmig) und erstrecken sich im Wesentlichen über die gesamte Länge eines jeden Magneten 110. Bei dieser Ausführungsform sind Paare rechtwinkliger Magnete zueinander gewinkelt ausgestaltet – d. h. sie definieren einen stumpfen Winkel, der zu dem Stator 101 nach außen weist, und der breiteste Abschnitt der Lufttaschen 225 (der jedem Scheitel entspricht) ist zu derjenigen Ecke des Magneten 110 benachbart, die dem Stator 101 am nächsten liegt.
Bei dieser Ausführungsform werden zusätzliche "untere" Luftbarrieren 227 an der den Luftspalten 225 gegenüberliegenden Seite des Magneten 110 definiert und weisen eine Querschnittsfläche auf, die wesentlich kleiner als diejenige der Luftspalte 225 ist. Bei der veranschaulichten Ausführungsform sind auch die unteren Luftspalte 227 im Allgemeinen dreieckig und sind einer Ecke des Magneten 110 benachbart.
Außerdem sind in 2 "Seiten"-Luftspalte 226 veranschaulicht, welche bei dieser Ausführungsform wie gezeigt benachbart zu einem Rand des Magneten 110 vorgesehen sind. Bei einer Ausführungsform erstrecken sich die Seitenluftspalte 226 über die volle Höhe (radial) der Magnete 110.
Wie veranschaulicht ist, kann auch eine zusätzliche herkömmliche Lufttasche (Rotornut) 125 (d. h. Lufttaschen, die mit den voranstehend definierten Hohlräumen nicht zusammenhängen) in dem Rotor 106 vorgesehen sein.
Die voranstehend beschriebenen Strukturen sind in mehrerer Hinsicht vorteilhaft. Insbesondere wirkt die über dem Permanentmagnet 110 hinzugefügte Luftbarriere 225 als eine Barriere für den Magnet der ersten Schicht und verringert den Magnetfluss, wodurch auch die Gegen-EMK der Maschine und magnetinduzierte Verluste verringert werden. Gleichzeitig wird aufgrund der Verringerung der d-Achseninduktivität (Magnetachsen-Induktivität) die Rotorausprägung erhöht.
Zum Beispiel ist 3 ein empirischer Graph, der den Eisenverlust (Drehverlust) ohne Last für den Rotor von 2 im Vergleich mit demjenigen für den Rotor von 1(a) (keine Luftbarriere) zeigt. Es ist ersichtlich, dass der Eisenverlust wesentlich verringert ist. Das Hinzufügen der Luftbarriere verringert auch die Gegen-EMK der Maschine. 4 stellt die Gegen-EMK der obigen zwei Rotoren dar. Es ist zu sehen, dass die Gegen-EMK der Maschine wesentlich verringert ist. Die Verringerung beim Ma schinendrehmoment aufgrund des Hinzufügens der Luftbarriere (niedrigerer Magnetfluss) ist minimal, da ein Teil des Drehmomentverlusts durch die erhöhte Ausprägung des Rotors (höheres Reluktanzmoment) kompensiert wird.
Obwohl mindestens eine beispielhafte Ausführungsform in der voranstehenden genauen Beschreibung dargestellt wurde, ist festzustellen, dass eine große Anzahl an Variationen existiert. Zum Beispiel können zusätzliche Barriereschichten zusätzlich zu der veranschaulichten einzelnen Schicht hinzugefügt werden. Es ist auch festzustellen, dass die beispielhafte Ausführungsform oder die Ausführungsformen, welche hierin beschrieben ist bzw. sind, nicht dazu gedacht ist bzw. sind, den Schutzumfang, die Anwendbarkeit oder die Ausgestaltung der Erfindung in irgendeiner Weise zu beschränken. Stattdessen wird die voranstehende genaue Beschreibung Fachleuten eine brauchbare Anleitung zur Implementierung der beschriebenen Ausführungsform oder Ausführungsformen bereitstellen. Es sollte verstanden sein, dass in der Funktion und Anordnung von Elementen verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne den Schutzumfang der Erfindung und dessen juristische Äquivalente zu verlassen.

Claims

Maschine mit internen Permanentmagneten, die umfasst: einen gewickelten Stator; einen Rotor, der so ausgestaltet ist, dass er mit dem gewickelten Stator magnetisch interagiert, wobei der Rotor eine Außenfläche aufweist; mehrere in dem Rotor bereitgestellte Hohlräume, wobei jeder Hohlraum ein Gesamtvolumen aufweist; und mehrere Magnete, die in den mehreren Hohlräumen derart bereitgestellt sind, dass das Gesamtvolumen eines jeden Hohlraums nur teilweise durch den jeweiligen Magnet ausgefüllt ist, und derart, dass Luftbarrieren benachbart zu jedem Magnet ausgebildet sind.
Maschine mit internen Permanentmagneten nach Anspruch 1, wobei die Luftbarrieren eine obere Luftbarriere zwischen dem Magnet und der Außenfläche des Rotors umfassen.
Maschine mit internen Permanentmagneten nach Anspruch 2, wobei die obere Luftbarriere allgemein dreiecksförmig ist.
Maschine mit internen Permanentmagneten nach Anspruch 3, wobei die mehreren Magnete in Paaren ausgestaltet sind, die einen konkaven Winkel zu der Außenfläche des Rotors hin definieren, und wobei die allgemein dreiecksförmige obere Luftbarriere einen Scheitel aufweist, der zu einer Ecke des Magneten benachbart ist, die der Außenfläche am nächsten liegt.
Maschine mit internen Permanentmagneten nach Anspruch 2, wobei die Luftbarrieren ferner eine Seitenluftbarriere benachbart zu der oberen Luftbarriere umfassen.
Maschine mit internen Permanentmagneten nach Anspruch 2, wobei die Luftbarrieren ferner eine untere Luftbarriere benachbart zu dem Magnet gegenüber der oberen Luftbarriere umfassen.
Maschine mit internen Permanentmagneten nach Anspruch 1, die ferner einen zweiten Satz von Luftbarrieren umfasst, welche nicht mit den Luftbarrieren zusammenhängen, die durch die Hohlräume ausgebildet sind.
Verfahren zum Herstellen einer Maschine mit internen Permanentmagneten, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein gewickelter Stator bereitgestellt wird; ein Rotor mit einer Außenfläche bereitgestellt wird; mehrere Hohlräume in dem Rotor ausgebildet werden, wobei jeder Hohlraum ein Gesamtvolumen aufweist; mehrere Magnete in den mehreren Hohlräumen derart angeordnet werden, dass das Gesamtvolumen jedes Hohlraums nur teilweise durch den jeweiligen Magnet ausgefüllt wird, und derart, dass Luftbarrieren benachbart zu jedem Magnet ausgebildet werden; und der gewickelte Stator in eine magnetische Verbindung mit dem Rotor gesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Luftbarrieren eine obere Luftbarriere zwischen dem Magnet und der Außenfläche des Rotors umfassen.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die obere Luftbarriere allgemein dreiecksförmig ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die mehreren Magnete in Paaren ausgestaltet sind, die einen konkaven Winkel zu der Außenfläche des Rotors hin definieren, und wobei die allgemein dreiecksförmige obere Luftbarriere einen Scheitel aufweist, der zu einer Ecke des Magneten benachbart ist, die der Außenfläche am nächsten liegt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Luftbarrieren ferner eine Seitenluftbarriere benachbart zu der oberen Luftbarriere umfassen.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Luftbarrieren ferner eine der oberen Luftbarriere gegenüberliegende, zu dem Magnet benachbarte untere Luftbarriere umfassen.
Verfahren nach Anspruch 8, das ferner einen zweiten Satz von Luftbarrieren umfasst, welche nicht mit den Luftbarrieren zusammenhängen, die durch die Hohlräume ausgebildet sind.
Antriebsmotor des Typs, der in Verbindung mit einem Hybridelektrofahrzeug verwendet wird, wobei der Antriebsmotor umfasst: einen gewickelten Stator; einen Rotor, der so ausgestaltet ist, dass er mit dem gewickelten Stator magnetisch interagiert, wobei der Rotor eine Außenfläche aufweist; mehrere in dem Rotor bereitgestellte Hohlräume, wobei jeder Hohlraum ein Gesamtvolumen aufweist; mehrere Magnete, die in den mehreren Hohlräumen derart bereitgestellt sind, dass das Gesamtvolumen eines jeden Hohlraums nur teilweise durch den jeweiligen Magnet ausgefüllt ist, und derart, dass Luftbarrieren benachbart zu jedem Magnet ausgebildet sind, wobei die Luftbarrieren eine obere Luftbarriere umfassen, die zwischen dem Magnet und der Außenfläche des Rotors angeordnet ist.
Antriebsmotor nach Anspruch 15, wobei die obere Luftbarriere allgemein dreiecksförmig ist.
Antriebsmotor nach Anspruch 16, wobei die mehreren Magnete in Paaren ausgestaltet sind, die einen konkaven Winkel zu der Außenfläche des Rotors hin definieren, und wobei die allgemein dreiecksförmige obere Luftbarriere einen Scheitel aufweist, der zu einer Ecke des Magneten benachbart ist, die der Außenfläche am nächsten liegt.
Antriebsmotor nach Anspruch 16, wobei die Luftbarrieren ferner eine Seitenluftbarriere benachbart zu der oberen Luftbarriere umfassen.
Antriebsmotor nach Anspruch 16, wobei die Luftbarrieren ferner eine untere Luftbarriere benachbart zu dem Magnet gegenüber der oberen Luftbarriere umfassen.
Antriebsmotor nach Anspruch 16, der ferner einen zweiten Satz von Luftbarrieren umfasst, welche nicht mit den Luftbarrieren zusammenhängen, die durch die Hohlräume ausgebildet sind.