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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein magnetische Vorrichtungen,
wie zum Beispiel Elektromotoren, und insbesondere Strukturen, welche verwendet
werden, um Wicklungen zu halten und einen Flusspfad für Rotoren
in solchen Vorrichtungen bereitzustellen.
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Hintergrund
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Elektromotoren
umfassen oft einen Rotorkern (zum Beispiel einen laminierten oder
Festkern-Rotor) einschließlich
einer Anzahl von Wicklungen und mit einer gewissen an dem äußeren Umfang der
Anordnung angebrachten Struktur zum Halten der Wicklungen und Bereitstellen
eines Rotor-Flusspfads.
Eine solche Struktur ist die sogenannte „Tooth-Top”-Struktur,
welche eine Komponente ist, die eine Kerbe trägt, um eine auf dem Äußeren des Rotorkerns
gebildete Zahn-Struktur aufzunehmen.
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Während solche
Tooth-Top-Strukturen in der Lage sind, einen geeigneten Rotor-Flusspfad
bereitzustellen, sind sie hinsichtlich einer Anzahl von Aspekten
nachteilig. Zum Beispiel sind ihre Haltefähigkeiten begrenzt, da sie
hauptsächlich
an den Tooth-Top-Strukturen befestigt sind, so dass sie keine starke
radiale Kompressionskraft bereitstellen. Weiterhin stellen sie,
da die Tooth-Top-Strukturen nicht untereinander verbunden sind,
im zusammengebauten Zustand keine „Ring-Stärke” (das heißt Widerstand gegen internen
radialen Druck) mit Bezug auf die Wicklungen und den Statorkern
bereit. Weiterhin sind solche Rotor-Flusspfad-Designs typischerweise als individuell
angefertigte Komponenten hergestellt, was in beträchtlichem
Materialausschuss resultieren kann.
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Dementsprechend
ist es wünschenswert, Halte-/Flusspfad-Strukturen
bereitzustellen, welche Ausschuss reduzieren, effektiver sind und
einfach herzustellen sind. Andere wünschenswerte Merkmale und Eigenschaften
der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten
Beschreibung und den angefügten
Ansprüchen
ersichtlich, und zwar in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen
und dem vorangegangenen technischen Gebiet und Hintergrund.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ein
vollständigeres
Verständnis
der vorliegenden Erfindung kann durch Bezug zu der detaillierten
Beschreibung und den Ansprüchen
in Verbindung mit den folgenden Figuren gewonnen werden, wobei gleiche
Bezugszeichen gleiche Elemente in den Figuren bedeuten.
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1 ist
eine Querschnittsansicht eines Rotordesigns gemäß einer Ausführungsform;
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2 ist
ein beispielhafter strukturierter Materialstreifen gemäß einer
Ausführungsform;
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3 zeigt
konzeptmäßig eine
durch eine polygonale Helix gebildete Laminatstruktur; und
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4 ist
eine perspektivische Ausschnittsansicht eines strukturierten Streifens
gemäß einer Ausführungsform.
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Detaillierte Beschreibung
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Im
Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung eine Rotor-Flusspfad-Struktur,
welche aus einem strukturierten Materialstreifen gebildet ist, welcher
in einer polygonalen Helix-Struktur gewickelt ist, um eine kontinuierliche
laminierte Ringstruktur zu bilden. In dieser Hinsicht ist die folgende
detaillierte Beschreibung lediglich von illustrativer Natur und
soll die Erfindung oder die Anwendung oder Verwendungen der Erfindung
nicht beschränken.
Weiterhin ist nicht beabsichtigt, durch eine ausdrücklich oder
implizit dargestellte Theorie in dem vorangegangenen technischen
Gebiet, Hintergrund, kurze Zusammenfassung oder der folgenden detaillierten
Beschreibung gebunden zu sein. Die Erfindung kann hierin hinsichtlich
funktionaler und/oder logischer Blockkomponenten und verschiedener
Bearbeitungsschritte beschrieben werden. Es wird bevorzugt, dass
solche Blockkomponenten durch eine beliebige Anzahl von Hardware-,
Software- und/oder Firmware-Komponenten ausgeführt werden können, welche
dazu eingerichtet sind, um die spezifizierten Funktionen auszuführen. Aus
Gründen
der Kürze
werden herkömmliche
Techniken und Systeme, welche sich auf Elektromotoren, Magnetismus,
und dergleichen beziehen, hier nicht im Detail beschrieben.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein kontinuierlicher laminierter Ring zum Halten
von Windungen verwendet und um einen Flusspfad in einem gewickelten
Elektromotor-Rotor bereitzustellen. Der laminierte Ring kann aus einem
einzelnen dünnen Materialstreifen
gebildet werden, wodurch Ausschuss reduziert wird und eine kräftige laminierte Struktur
gebildet wird.
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Mit
Bezug zu der in 1 dargestellten Querschnittsansicht
umfasst eine beispielhafte Rotoranordnung 100 im Allgemeinen
einen Rotorkern 106 (zum Beispiel eine laminierte oder
Festkern-Struktur, wie es im Stand der Technik bekannt ist) mit
einem äußeren Umfang,
eine Mehrzahl von Wicklungen 102 innerhalb des Umfangs
des Rotorkerns, sowie eine kontinuierliche laminierte Ringstruktur 120,
welche dazu dient, die Wicklungen 102 zu halten, während gleichzeitig
ein Flusspfad für den
Rotorkern 106 bereitgestellt wird. Die laminierte Ringstruktur
kann aus einer beliebigen Anzahl von Materialien bestehen, welche
typischerweise für Flusspfade
verwendet werden, einschließlich
beispielsweise Elektrostahl, wie zum Beispiel M15- oder M19-Stahl.
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Eine
geeignete Isolierschicht 104 kann zwischen den Wicklungen 102 und
der laminierten Ringstruktur 120 angeordnet sein, wie es
im Stand der Technik bekannt ist. Weiterhin kann das Äußere des
Rotorkerns 106 eine Reihe von Zähnen 108 umfassen,
welche sich radial nach außen
erstrecken. Solche Zähne 108 sind
allgemein in gleichen Abständen über das Äußere des
Rotorkerns 106 verteilt, wobei sie verwendet werden, um
die Befestigung der laminierten Ringstruktur 120 zu unterstützen (zum
Beispiel mittels passender Einkerbungen oder Kerben 124 auf
der Innenkante der Struktur). Die Ringstruktur 120 weist
einen äußeren Umfang 126 auf,
welcher durch relativ weite gebogene Bereiche und mit Scharnieren
versehenen Bereichen 122 gekennzeichnet ist, welche dazwischen
angeordnet sind, um ein Umhüllen
des strukturierten Streifens um den Kern 106 zu ermöglichen,
um die kontinuierliche Laminierung wie dargestellt zu bilden. Aus
Gründen
der Einfachheit wird Bezugszeichen 120 sowohl als ein „strukturierter
Streifen” als
auch „laminierte Ringstruktur” bezeichnet,
und zwar abhängig
davon, ob es in umschlingender Weise um den Rotorkern 106 gewickelt
ist.
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In
der dargestellten Ausführungsform
weist, wobei der Rotorkern 106 im Allgemeinen achteckig ist,
die äußere Oberfläche 126 des
laminierten Rings 120 einen äußeren Scharnierwinkel auf (definiert durch
Tangenten an den Scharnieren 122), welcher ungefähr 180–160° beträgt. Die
Form der äußeren Oberfläche des
laminierten Rings kann beispielsweise auf der Basis von Luftspalt-Flussdichte,
Stärke des
verbindenden Brückenelements
und/oder der Fähigkeit,
die Biegung an der „Brücke” zu bilden,
entwickelt werden. Es ist außerdem
zu beachten, dass es nicht notwendig ist, dass der Ring 120 achteckig ist
(zum Beispiel wie in der acht-poligen Konfiguration dargestellt);
hierbei kann jede geeignete Form verwendet werden. Die Anzahl von
Seiten wird typischerweise durch die Anzahl von Polen innerhalb
der Maschine bestimmt.
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Was
somit offenbart wurde, ist daher eine Struktur, welche unter Verwendung
eines strukturierten Materialstreifens mit einer im Wesentlichen
linearen Kante, einer Mehrzahl von gebogenen (zum Beispiel Kreisbogen-ähnlichen)
Bereichen sowie einer Mehrzahl von Scharnierbereichen 122 angrenzend an
die gebogenen Bereiche erzeugt wurde, wobei der strukturierte Materialstreifen
in einer polygonalen Helix-Struktur gewickelt ist, so dass die gebogenen
Bereiche an den Scharnierbereichen 122 angelenkt sind,
um eine kontinuierliche laminierte Ringstruktur 120 zu
bilden, welche dazu eingerichtet ist, den Rotorkern 106 und
die darin angeordneten Rotorwicklungen 102 zu umfassen.
Es wird bevorzugt, dass die resultierende laminierte Ringstruktur 120 dazu
dient, die Wicklungen 102 während Rotation von radialer Bewegung
zu halten, und außerdem
hinsichtlich des Rotorkerns 106 und der Wicklungen 102 während des
Betriebs als ein Flusspfad dient. Ein beispielhaftes Verfahren zum
Herstellen einer Rotoranordnung 100 wird nun beschrieben.
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Mit
Bezug auf 2 ist zunächst ein länglicher rechteckiger Materialstreifen 200 bereitgestellt. Streifen 200 weist
zwei gegenüberliegende
Kanten 220 und 222 auf, welche wie dargestellt
eine Breite w definieren. Die Breite kann in Abhängigkeit von jeweiligen Designvorgaben
und Formen der strukturierten Streifen variieren.
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Ein
geeignetes Zuschneiden, Ausstanzen oder ein anderer Material-Entfernungs-Arbeitsvorgang
wird ausgeführt,
um einen länglichen
rechteckigen Streifen 200 auszuschneiden, um einen ersten strukturierten
Streifen 120 mit einer der Kante 220 entsprechenden
linearen Seite zu bilden. Gleichzeitig kann ein zweiter strukturierter
Streifen 120 mit einer der Kante 220 entsprechenden
linearen Seite strukturiert werden. Im Ergebnis ist eine relativ
kleine Menge an Ausschussmaterial 202 produziert.
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Als
Nächstes
wird der strukturierte Streifen 120 in einer kreisförmigen,
Helix-artigen Weise um den Umfang des Rotorkerns 106 gewickelt,
so dass die erste Kante 220 an den Umfang des Rotorkerns 106 (und/oder
Isolierung 104) angrenzt und der strukturierte Streifen
eine kontinuierliche laminierte Ringstruktur 120 bildet.
Die einzelnen Laminatschichten könnten
mit Hilfe von Klebstoffen, Schweißen, Nieten, Heften oder irgendein
anderes geeignetes Verfahren befestigt werden.
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Wie
in 2 dargestellt ist, umfasst jeder strukturierte
Streifen 120 eine Mehrzahl von gebogenen Bereichen 204,
welche durch entsprechende Scharnierbereiche 122 getrennt
sind. Auf diese Weise umfasst der Wicklungsschritt ein Anlenken
der gebogenen Bereiche 204 an den Scharnierbereichen 122,
so dass die erste Kante 220 des strukturierten Streifens 120 eine
polygonale Helix bildet. Dies ist in 3 dargestellt,
wo eine konzeptmäßige isometrische
Ansicht der Wicklungsstruktur gezeigt ist, welche eine achteckige
Helixstruktur bildet. Es sei bemerkt, dass die vorliegende Erfindung
nicht auf besondere Formen und Scharnierdimensionen beschränkt ist.
Jede Streifenform, welche in eine laminierte Struktur wickelbar
ist, kann verwendet werden.
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Wie
in 4 dargestellt ist, weist der so gebildete Streifen 120 eine
Dicke t auf, sowie eine Scharnierbreite d. Beide diese Parameter
können ausgewählt werden,
um die gewünschten
mechanischen und magnetischen Eigenschaften zu erzielen.
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Während wenigstens
eine beispielhafte Ausführungsform
in der vorangegangenen detaillierten Beschreibung präsentiert
wurde, wird bevorzugt, dass eine große Anzahl von Variationen existiert.
Beispielsweise können
zusätzliche
Barriereschichten zusätzlich
zu der einzelnen dargestellten Schicht eingefügt werden. Es wird außerdem bevorzugt,
dass die beispielhafte Ausführungsform
oder Ausführungsformen,
welche hierin beschrieben sind, nicht den Umfang, Anwendbarkeit
oder Konfiguration der Erfindung in irgendeiner Weise beschränken sollen. Vielmehr
gibt die vorangegangene detaillierte Beschreibung dem Fachmann eine
nützliche
und lehrreiche Hilfe zum Implementieren der beschriebenen Ausführungsform
oder Ausführungsformen
an die Hand. Es wird darauf hingewiesen, dass verschiedene Änderungen
hinsichtlich Funktion und Anordnung der Elemente gemacht werden
können,
ohne den Umfang der Erfindung und seiner rechtlichen Äquivalente
davon zu verlassen.
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Weitere Ausführungsformen
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- 1. Verfahren zum Herstellen einer Rotoranordnung,
umfassend:
Bereitstellen eines Rotorkerns mit einem Umfang;
Anordnen
einer Mehrzahl von Windungen innerhalb des Umfangs des Rotorkerns;
Bereitstellen
eines länglichen
rechteckigen Materialstreifens mit einer ersten Kante und einer
zweiten Kante, welche eine Breite definieren;
Zurechtschneiden
des länglichen
rechteckigen Streifens, um einen ersten strukturierten Streifen mit
einer ersten Seite zu bilden, welche der ersten Kante entspricht;
Umwickeln
des ersten strukturierten Streifenabschnitts um den Umfang des Rotorkerns,
so dass die erste Kante gegenüber
dem Umfang ist und der strukturierte Streifenabschnitt eine kontinuierliche
laminierte Ringstruktur bildet.
- 2. Verfahren nach Ausführungsform
1, weiterhin umfassend Zurechtschneiden des länglichen rechteckigen Streifens,
um einen zweiten strukturierten Streifen mit einer ersten Seite
zu bilden, welche der zweiten Kante entspricht.
- 3. Verfahren nach Ausführungsform
1, wobei der erste strukturierte Streifen eine Mehrzahl von gebogenen
Bereichen umfasst, welche durch entsprechende Scharnierbereiche
getrennt sind, und wobei der Wicklungsschritt ein Anlenken der gebogenen
Bereiche an den Scharnierbereichen umfasst, so dass die erste Seite
des strukturierten Streifens eine polygonale Helix bildet.
- 4. Verfahren nach Ausführungsform
3, wobei der äußere Umfang
eine Mehrzahl von Zahn-Strukturen umfasst, und wobei die gebogenen
Bereiche jeweils eine Kerbe umfassen, welche dazu eingerichtet ist,
um eine der Zahn-Strukturen aufzunehmen.
- 5. Verfahren nach Ausführungsform
1, wobei der längliche
rechteckige Streifen ein Stahlmaterial umfasst.
- 6. Verfahren nach Ausführungsform
2, wobei die Summe der Volumina von dem ersten strukturierten Streifen
und dem zweiten strukturierten Streifen größer als etwa 50% des Gesamtvolumens des
länglichen
rechteckigen Streifens ist.
- 7. Verfahren nach Ausführungsform
3, wobei die kontinuierliche laminierte Ringstruktur dazu eingerichtet
ist, um die Wicklungen zu halten.
- 8. Verfahren nach Ausführungsform
3, wobei die kontinuierliche laminierte Ringstruktur einen Rotor-Flusspfad
bildet.
- 9. Verfahren nach Ausführungsform
5, wobei der längliche
rechteckige Streifen einen Elektrostahl umfasst.
- 10. Rotoranordnung, umfassend:
Einen Rotorkern mit einem
Umfang;
eine Mehrzahl von Wicklungen innerhalb des Umfangs
des Rotorkerns;
eine Wicklungs-Haltestruktur, welche einen
strukturierten Materialstreifen mit einer im Wesentlichen linearen
Kante umfasst, wobei der strukturierte Materialstreifen um den Umfang
des Rotorkerns in einer Helix-Struktur herumgewickelt ist, so dass
die im Wesentlichen lineare Kante gegenüber dem Umfang ist und der
strukturierte Streifenabschnitt eine kontinuierliche laminierte Ringstruktur
bildet.
- 11. Rotoranordnung nach Ausführungsform
10, wobei der strukturierte Streifen eine Mehrzahl von gebogenen
Bereichen umfasst, welche durch entsprechende Scharnierbereiche
getrennt sind.
- 12. Rotoranordnung nach Ausführungsform
11, wobei der Umfang eine Mehrzahl von Zahn-Strukturen umfasst,
und wobei die gebogenen Bereiche jeweils eine Kerbe umfassen, welche
dazu eingerichtet ist, um eine der Zahnstrukturen aufzunehmen.
- 14. Rotoranordnung nach Ausführungsform
10, wobei der strukturierte Streifen Stahl umfasst.
- 15. Rotoranordnung nach Ausführungsform
10, wobei die kontinuierliche laminierte Ringstruktur dazu eingerichtet
ist, um die Wicklungen zu halten.
- 16. Rotoranordnung nach Ausführungsform
10, wobei die kontinuierliche laminierte Ringstruktur einen Rotor-Flusspfad
bildet.
- 17. Rotoranordnung nach Ausführungsform
14, wobei der strukturierte Streifen Stahl umfasst, insbesondere
Elektrostahl.
- 18. Rotorwicklung-Haltestruktur, umfassend:
Einen strukturierten
Materialstreifen mit einer im Wesentlichen linearen Kante, eine
Mehrzahl von gebogenen Bereichen, sowie eine Mehrzahl von Scharnierbereichen,
welche gegenüber
den gebogenen Bereichen sind,
wobei der strukturierte Materialstreifen
in einer polygonalen Helix-Struktur herumgewickelt ist, so dass
die gebogenen Bereiche an den Scharnierbereichen angelenkt sind,
um eine kontinuierliche laminierte Ringstruktur zu bilden, welche
eingerichtet ist, um einen Rotorkern mit einer darin angeordneten
Rotorwicklung zu umschließen.
- 19. Rotorwicklung-Haltestruktur nach Ausführungsform 18, wobei der strukturierte
Materialstreifen ein Elektrostahl umfasst.
- 20. Rotorwicklung-Haltestruktur nach Anspruch 8 oder 9, wobei
die gebogenen Bereiche einen Ausschnitt-Bereich umfassen, welcher
dazu eingerichtet ist, um einen auf dem Rotorkern angeordneten Vorsprung
aufzunehmen.