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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE
ANMELDUNGEN
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Die
vorliegende Anmeldung bezieht sich auf und nimmt durch Bezugnahme
die
japanische Patentanmeldung
Nr. 2007-297866 , eingereicht am 16. November 2007, auf.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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(Technisches Gebiet)
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen IPM-(= Interior Permanent
Magnet = Innenpermanentmagnet)Typ einer Synchronmaschine und insbesondere
auf eine Synchronmaschine eines IPM-Typs, die ein Magnetdrehmoment
und ein Reluktanzdrehmoment bzw. synchrones Drehmoment erzeugt.
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(Verwandte Technik)
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Es
ist eine Synchronmaschine bekannt, die ein Magnetdrehmoment und
ein Reluktanzdrehmoment erzeugt (auf eine solche Synchronmaschine wird
im Folgenden als eine Reluktanz-Perallelverwendungs-Magnet-Synchronmaschine
Bezug genommen). Eine der geläufigsten Reluktanz-Perallelverwendungs-Magnet-Synchronmaschinen
ist ein Synchronmotor eines IPM-(Innenpermanentmagnet-)Typs.
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Das
Reluktanzdrehmoment Tr wird erhalten, wenn ein Unterschied zwischen
der q-Achsen-Induktivität Lq und der d-Achsen-Induktivität
Ld vorgesehen ist. Da der magnetische Widerstand eines Permanentmagneten
höher ist, ist die q-Achsen-Induktivität Lq üblicherweise
hinsichtlich der Stärke größer gemacht
als die d-Achsen-Induktivität Ld. Dies ist jedoch nicht
die einzige mögliche Struktur. Die d-Achsen-Induktivität
Ld kann hinsichtlich der Stärke größer
als die q-Achsen-Induktivität Lq gemacht sein.
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Bei
der normalerweise verwendeten Struktur, bei der die Intensität
der q-Achsen-Induktivität Lq größer als
dieselbe der d-Achsen-Induktivität Ld ist, sind ausgeprägte
magnetische Pole bei den q-Achsen-Positionen angeordnet, und Permanentmagnete sind
bei den d-Achsen-Positionen angeordnet, um die Intensität
der q-Achsen-Induktivität Lq zu erhöhen.
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Die
ausgeprägten magnetischen Pole können durch eine
Struktur realisiert sein, bei der die äußere Oberfläche
eines Rotors, der aus einem weichmagnetischen Material hergestellt
ist, in dem radial Äußeren bei jedem elektrischen
Winkel π räumlich ausgeprägt hergestellt
ist. Die ausgeprägten magnetischen Pole können
zusätzlich durch Einbetten von Flussbarrieren innerhalb
eines zylindrischen Stators, der aus einem weichmagnetischen Material
hergestellt ist, realisiert sein. Beispiele der Reluktanz-Parallelverwendungs-Magnet-Synchronmaschine
sind beispielsweise in den offengelegten
japanischen Patentanmeldungsveröffentlichungen
Nr. 2000-60038 ,
2001-339922 ,
2002-44920 und
2003-324875 gezeigt.
Es ist weit bekannt, dass die Reluktanz-Parallelverwendungs-Magnet-Synchronmaschine
die Fähigkeit sowohl eines Erzeugens eines Reluktanzdrehmoments
Tr als auch eines Magnetdrehmoments Tm hat, wodurch das Drehmoment, das
heißt, die Ausgangsleistung pro Körpergewicht, größer
ist.
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Die
herkömmliche Reluktanz-Parallelverwendungs-Magnet-Synchronmaschine
ist jedoch dahin gehend nicht ausreichend, dass die Maschine zum
Erhöhen des Ausgangsdrehmoments gezwungen ist, eine größere
Menge eines Seltenerdmagneten, der sehr teuer ist, zu verwenden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung der
vorhergehenden herkömmlichen Technik gemacht, und eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Synchronmaschine
zu schaffen, die in der Lage ist, ein Ausgangsdrehmoment zu erhöhen,
während unterdrückt wird, dass sich eine Verwendungsmenge
eines Magneten erhöht.
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Um
die Aufgabe zu lösen, weist eine Synchronmaschine der vorliegenden
Erfindung einen Stator, der eine zylindrische Form hat, die eine
axiale Richtung, eine radiale Richtung und eine Umfangsrichtung
hat, einen Rotor, der dem Stator gegenüberliegt und auf
einer Welle desselben in der Umfangsrichtung drehbar ist, wobei
der Rotor ausgeprägte magnetische Pole, die ein Reluktanzdrehmoment
erzeugen, und magnetentspringende magnetische Pole, die ein Magnetdrehmoment
durch Verwenden von Permanentmagneten, die in dem Rotor eingebettet sind,
erzeugen, hat, und eine Einrichtung zum Verschieben einer magnetisch
im Wesentlichen mittigen Position eines magnetischen Flusses, der
von dem Permanentmagneten in der Umfangsrichtung ausgeht, auf, um
einen elektrischen Winkel π/2 plus einem vorbestimmten
Winkel Δθ aus einer Bezugsposition, die als eine
mittige Position zwischen gepaarten ausgeprägten magnetischen
Polen, die jeden magnetischen Pol der Maschine bilden, unter den ausgeprägten
magnetischen Polen angenommen wird, wodurch eine maximale Amplitude
einer Summe zwischen einer harmonischen Komponente des Magnetdrehmoments
und des Reluktanzdrehmoments von einer maximalen Amplitude einer
Summe zwischen der harmonischen Komponente des Magnetdrehmoments
und des Reluktanzdrehmoments geändert wird, die beide bei
der Bezugsposition ohne die Verschiebung erhalten werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigen:
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1 eine
Teilquerschnittsansicht einer Synchronmaschine eines IPM-Typs (und
eines Innenrotortyps) gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, wobei die Ansicht in der axialen Richtung
der Maschine geschnitten ist.
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2A ein
Beispiel von sowohl einem Magnetdrehmoment als auch einem Reluktanzdrehmoment,
die aus einem in 1 gezeigten Rotor erhalten werden;
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2B durch
Beispiele erläuternd die Trapezform einer räumlichen
Verteilung eines magnetischen Flusses von Permanentmagneten, die
bei dem ersten Ausführungsbeispiel verwendet sind;
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3 eine
Teilquerschnittsansicht einer Synchronmaschine eines IPM-Typs gemäß einer
ersten Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels, wobei
die Ansicht in der axialen Richtung der Maschine geschnitten ist;
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4 eine
Teilquerschnittsansicht einer Synchronmaschine eines IPM-Typs gemäß einer zweiten
Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels, wobei die
Ansicht in der axialen Richtung der Maschine geschnitten ist;
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5 eine
teilgeschnittene perspektivische Ansicht des Rotors einer Synchronmaschine
eines IPM-Typs gemäß einer dritten Modifikation
des ersten Ausführungsbeispiels;
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6 Simulationsresultate,
die unterschiedliche synthetisierte Maxima eines Drehmoments, das durch
verschiedene Rotorproben, deren Magnetmengen geändert sind,
erzeugt wird;
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7–9 bildlich
die Strukturen von Rotorproben 1 bis 3, die bei
der Simulation verwendet werden;
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10 bildhaft
dargestellt die Struktur einer herkömmlichen Rotorprobe,
welche ebenfalls zum Vergleich bei der Simulation verwendet wird;
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11 eine
Teilquerschnittsansicht einer Synchronmaschine eines IPM-Typs (und
Außenrotortyps) gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, wobei die Ansicht in der axialen Richtung
der Maschine geschnitten ist;
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12 eine
Teilquerschnittsansicht einer Synchronmaschine eines IPM-Typs (und
Innenrotortyps) gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, wobei die Ansicht in der axialen Richtung
der Maschine geschnitten ist;
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13 eine
teilvergrößerte Ansicht, die einen Bereich, der
einen in
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12 gezeigten
vorderen Permanentmagneten aufweist, zeigt;
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14 eine
teilvergrößerte Ansicht, die einen Bereich, der
einen in
-
12 gezeigten
hinteren Permanentmagneten aufweist, zeigt; und
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15 eine
teilweise geschnittene perspektivische Ansicht des Rotors einer
Synchronmaschine des IPM-Typs gemäß der dritten
Modifikation.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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Im
Folgenden sind Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen
Synchronmaschinen eines IPM-Typs gemäß verschiedenen
Ausführungsbeispielen und Modifikationen der Erfindung
beschrieben.
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In
den folgenden Ausführungsbeispielen und Modifikationen
handelt es sich um ein Teilmodell pro magnetischem Pol des inneren
Rotors einer Synchronmaschine eines Mehrpol-Innenpermanentmagnet-Typs.
Dies ist jedoch nicht das einzige Beispiel, und der Rotor kann geeignet
hinsichtlich der Zahl von magnetischen Rotorpolen und/oder Rotortypen
abgeändert sein. Die Synchronmaschine ist als ein Synchronmotor
bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beschrieben, jedoch
nicht auf den Motor begrenzt.
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(Erstes Ausführungsbeispiel)
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Bezug
nehmend auf 1–2 ist
im Folgenden eine Synchronmaschine eines Innenpermanentmagnet-(IPM-)Typs
gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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1 ist
eine Teilschnittansicht des Rotors der Synchronmaschine, die in
der axialen Richtung derselben geschnitten ist, um die innere Teilstruktur des
Rotors zu zeigen.
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Bei
der in 1 gezeigten Struktur gibt es einen Rotor 1,
eine Drehungswelle 2 und einen Stator 3. Der Stator 3 ist
mit einem Statorkern versehen, wobei Schlitze und ein Zahn auf der
inneren Oberfläche desselben gebildet sind, und eine Statorspule
in den Schlitzen gewickelt ist. Da eine solche Statorkernstruktur
bekannt ist, ist deren detaillierte Beschreibung hier weggelassen.
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Der
Rotor 1 ist mit einem Rotorkern 10, der aus einem
weichmagnetischen Material hergestellt ist, vordere Permanentmagneten 11,
hintere Permanentmagneten 12 und Segmenten, die aus weichmagnetischem
Material hergestellt sind, hergestellt. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
sind „vordere(r, s), frontale(r, s) oder Frontalseiten..."
und „hintere(r, s) oder Hinterseiten..." in einer Drehrichtung
(einer Gegenuhrzeigerrichtung in 1) derart
definiert, dass auf den Kopf in der Drehrichtung als frontal Bezug
genommen ist.
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Der
Rotorkern 10 ist mit einem Jochabschnitt 14, der
in näherungsweise einen Zylinder, der an der Drehungswelle 2 festgemacht
ist und aus einem weichmagnetischen Material hergestellt ist, gebildet ist,
zusätzlich zu ausgeprägten magnetischen Polen 15,
Speichenabschnitten 16 und einem verbindenden Abschnitt 17 versehen.
Wie in 1 gezeigt ist, steht jeder ausgeprägte
magnetische Pol 15 von der äußeren Oberfläche
des zylindrischen Jochabschnitts 14 in einer radial nach
außen gerichteten Richtung hin zu dem Stator vor. Jeder
der Speichenabschnitte 16 verbindet den äußeren
Abschnitt des Jochabschnitts und jedes Segment 13 steif.
Jeder der verbindenden Abschnitte 17 verbindet sowohl vordere
als auch hintere Enden von jedem Segment 13 mit einer Seitenoberfläche
des äußersten Endes von jedem ausgeprägten
magnetischen Pol 15 steif. Jeder elektrische Winkel π,
eine Kombination eines ausgeprägten magnetischen Pols 15,
von zwei Speichenabschnitten 16, eines Segments 13 und
eines verbindenden Abschnitts 17 ist zusammen mit dem Jochanschnitt 14 vorgesehen.
Die Segmente 13, der Jochabschnitt 14, die Speichenabschnitte 16 sind aus
einer Mehrzahl von magnetischen Stahlblechen, die in eine vorbestimmte
Form gestanzt sind und auf einander laminiert sind, um ein vereinheitlichtes Glied
zu bilden, hergestellt.
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Jedes
Segment 13 ist zwischen zwei ausgeprägten magnetischen
Polen 15 positioniert, die durch einen elektrischen Winkel
von π voneinander in der Umfangsrichtung getrennt sind,
und liegt der inneren Umfangsoberfläche des Stators 3 mit
einem kleinen, zwischen denselben gebildeten Spalt gegenüber.
An einem mittigen Teil, jedoch näher zu der Umgangshinterseite
von jedem Segment 13 in der Drehrichtung, ist eine konkave
Nut 19, die sich in der axialen Richtung erstreckt, gebildet.
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Jeder
der vorderen Permanentmagnete 11 befindet sich auf der
radial inneren Seite des verbindenden Abschnitts 17 und
ist zwischen dem frontalen Ende eines Segments 13 in der
Drehrichtung und einer Seitenendfläche des ausgeprägten
magnetischen Pols 15, die dem frontalen Ende des Segments 13 gegenüberliegt,
angeordnet.
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Der
Jochabschnitt 14, die zwei ausgeprägten magnetischen
Pole 15, das Segment 13 und die zwei Permanentmagnete 11 und 12 sind
gelegen, um einen Raum zu zerschneiden, der einen nicht-magnetischen
Zwischensegment-/Joch-Abschnitt 18 bildet. Das heißt,
dieser Abschnitt 18 liegt zwischen den Basisabschnitten
eines Paars von ausgeprägten magnetischen Polen 15 und 15,
die in der Umfangsrichtung zueinander benachbart sind, um eine vorbestimmte
Breite W1 zwischen dem Segment 13 und der äußeren
Umgangsoberfläche des Jochabschnitts 14 in der
radialen Richtung zu haben.
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Dieser
nicht-magnetische Zwischensegment-/Joch-Abschnitt 18 kann
mit Harz oder einem nicht-magnetischen Metall gefüllt sein.
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Sowohl
vordere als auch hintere Permanentmagnete 11 und 12,
die dem Segment 13 gegenüberliegen, liefern magnetische
Flächen 11A und 12A, die den gleichen
magnetischen Pol haben. Der vordere Permanentmagnet 11 ist
hinsichtlich seiner äußeren Gestalt größer
als der hintere Permanentmagnet 12, derart, dass der Frontale 11 in
der Lage ist, dem Segment 13 eine größere
Menge eines magnetischen Flusses als der hintere Permanentmagnet 12 zu
geben. Die magnetische Fläche 11A des vorderen
Permanentmagneten 11, die dem Segment 13 gegenüberliegt,
ist hinsichtlich eines Bereichs A (A11, A12) und eines Anordnungswinkels θ (θ11, θ12)
größer als die magnetische Fläche 12A des
hinteren Permanentmagneten 12, die ebenfalls dem Segment 13 gegenüberliegt.
Der Anordnungswinkel All und A12 wird aus der radialen Richtung
der Synchronmaschine, die als eine Basis genommen wird, gemessen.
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Als
ein Resultat der äußeren Umfangsflächen
des Segments 13, das dem Stator 3 gegenüberliegt,
ist ein vorderer Umfangsabschnitt F stärker magnetisiert
als ein hinterer Umfangsabschnitt R. Aufgrund dieses Ungleichgewichts
der Magnetisierung gibt der vordere Umfangsabschnitt F dieses Segments
dem Stator 3 eine größere Menge eines
magnetischen Flusses als der hinterer Umfangsabschnitt R.
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Die
Speichenabschnitte 16 können aus einem weichmagnetischen
Material oder einem nicht-magnetischen Material hergestellt sein.
Die Speichenabschnitte 16 können ferner aus laminierten
magnetischen Stahlblechen hergestellt sein. Diese Speichenabschnitte 16 können
Glieder sein, die mit dem Jochabschnitt 14 und dem Segment 13 integriert
sind, oder können als Glieder, deren Enden an den Jochabschnitt 14 bzw.
das Segment 13 passen und die als voneinander getrennte
Glieder erzeugt werden, erzeugt werden. Dieses Paar von Speichenabschnitten 16 und 16 hat
in der Umfangsrichtung eine Breite W2 zwischen denselben, und diese
Breite W2 ist derart eingestellt, dass die Breite W2 bei einer axial äußeren
Position kleiner als dieselbe bei einer axial inneren Position ist.
Bei diesem Beispiel wird die Breite W2 allmählich kleiner,
so wie die Position nach außen in der axialen Richtung
fortschreitet.
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Bei
diesem Synchronmotor lässt wie bei der herkömmlichen
magnetischen Synchronmaschine ein Zuführen von Strömen
von Drehungsvektoren zu den Statorspulen zu, dass sich der Motor
in Synchronisation mit der magnetischen Drehungswinkelgeschwindigkeit
dreht.
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<Grundkonzept
der vorliegenden Erfindung>
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Im
Folgenden ist nun Bezug nehmend auf 2A das
Grundkonzept der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Die
Amplitude eines Magnetdrehmoments Tm, das durch die magnetentspringenden
magnetischen Pole erzeugt wird, ändert sich einen Zyklus, während
sich ein Phasenwinkel zwischen dem Vektor eines Statorstroms oder
eines sich drehenden magnetischen Felds, das durch den Statorstrom
erzeugt wird, und der mittigen Umfangsposition von magnetentspringenden
magnetischen Polen von –π nach +π ändert.
Diese Änderung ist bekannt und kann als eine Magnetdrehmomentwellenform
dargestellt sein. Ähnlicherweise ändert sich die
Amplitude eines Reluktanzdrehmoments Tr, das hauptsächlich erzeugt
wird, wenn die ausgeprägten magnetischen Pole hinsichtlich
ihres magnetischen Widerstands niedriger sind (das heißt
hinsichtlich ihrer Induktanz höher sind) zwei Zyklen, während
sich ein Phasenwinkel zwischen dem Vektor eines Statorstroms oder eines
sich drehenden magnetischen Felds, das durch den Statorstrom erzeugt
wird, und der mittigen Umfangsposition von ausgeprägten
magnetischen Polen von –π nach +π ändert.
Diese Änderung ist bekannt und kann als eine Reluktanzdrehmomentwellenform
dargestellt sein.
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Bei
dem herkömmlichen IPM wird die mittige Umfangsposition
von ausgeprägten magnetischen Polen normalerweise als eine
q-Achse genommen, während die mittige Umfangsposition von
magnetentspringenden magnetischen Polen normalerweise als eine d-Achse
genommen wird, die von der d-Achse um einen elektrischen Winkel
von π/2 getrennt ist. Das Drehmoment T (= Tm + tr), das
durch Synthetisieren des Magnet drehmoments Tm und des Reluktanzdrehmoments
Tr erzeugt wird, ist in 2A an Beispielen
erläutert, wobei das synthetisierte Drehmoment T durch
eine Wellenform 100 gezeigt ist. In 2A zeigt
eine Wellenform 101 eine Grundkomponente des Magnetdrehmoments
Tm, und eine Wellenform 102 zeigt eine Grundkomponente
des Reluktanzdrehmoments Tr. Die Grundkomponente des Magnetdrehmoments
Tm hat eine Frequenz erster Ordnung, während die Grundkomponente
des Reluktanzdrehmoments eine Frequenz zweiter Ordnung hat, das
heißt die zweiten Harmonischen hat.
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Wenn
die Tatsache berücksichtigt wird, dass das Reluktanzdrehmoment
Tr hauptsächlich aufgrund kleiner Mengen des magnetischen
Widerstands der ausgeprägten magnetischen Pole erzeugt wird,
ist es aus 2A bekannt, dass die Reluktanzdrehmomentwellenform
nach rechts oder links in 2A verschoben
wird, indem der Phasenwinkel der mittigen Umfangsposition der ausgeprägten
magnetischen Pole relativ zu dem Statorstromvektor geändert
wird. Dies bedeutet, dass in 2A ein
Verschieben der Reluktanzdrehmomentwellenform nach rechts oder links
relativ zu der Magnetdrehmomentwellenform in Änderungen
in der synthetisierten Wellenform der Reluktanz- und der Magnetdrehmomentwellenform
resultiert. Das heißt, ein Verschieben der mittigen Umfangsposition
von einem der magnetentspringenden magnetischen Pole und der ausgeprägten
magnetischen Pole zu dem anderen macht es möglich, die
Amplitude der synthetisierten Wellenform zu ändern. Es
wird bevorzugt, dass diese Verschiebung durchgeführt wird,
um das synthetisierte Drehmoment zu erhöhen.
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Die
Erfinder haben zwei Verfahren zum Erhöhen des synthetisierten
Drehmoments entworfen. Das erste Verfahren besteht darin, beide
Spitzen der Grundkomponentenwellenform (die zweiten Harmonischen) 102 des
Reluktanzdrehmoments Tr und die Grundkomponentenwellenform (die
Frequenz erster Ordnung) des Magnetdrehmoments Tm nahe zu einander
in 2A zu bringen. Um dieses Spitzenangleichen oder
diese Spitzennähe zu erreichen, zeigt 2A eine
Verschiebung der Wellenform 102 um einen elektrischen Winkel
von 45 Grad oder ungefähr 45 Grad zum Erhöhen
des synthetisierten Drehmoments nach rechts.
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Das
zweite Verfahren besteht darin, die Spitze einer Wellenform 103 der
dritten harmonischen Komponente des Magnetdrehmoments Tm so weit wie
möglich nahe zu derselben der Wellenform 102 der
Grundkomponente (den zweiten Harmonischen) des Reluktanzdrehmoments
Tr in dem Phasenbereich zu bringen. Bei dem in 2A gezeigten
Beispiel gibt es lediglich einen elektrischen Winkel von 15 Grad
oder ungefähr 15 Grad zwischen den Phasen dieser Wellenformen 103 und 102.
Eine leichte Änderung des Phasenwinkels zwischen dem magnetischen
Fluss von den magnetentspringenden magnetischen Polen und dem magnetischen
Fluss von den ausgeprägten magnetischen Polen resultiert
somit in einer exakten oder annähernden Übereinstimmung
der Spitzen von beiden Wellenformen 102 und 103.
Dieses zweite Verfahren ist ein Phasenverschiebungsverfahren, das
eine Erhöhung des synthetisierten Drehmoments liefert,
wobei die Erhöhungsmenge desselben nicht größer
als dieselbe, die durch das erste Verfahren gewonnen wird, ist.
Das zweite Verfahren ist jedoch gegenüber dem ersten dahin
gehend vorteilhaft, dass strukturelle Änderungen, die dem
Rotor vermittelt werden sollten, um den Phasenwinkel zwischen beiden
Polen zu ändern, aufgrund einer geringeren Menge einer
Phasenverschiebung (zum Beispiel 15 Grad bis 45 Grad) weniger sind.
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Es
wird davon ausgegangen, dass das technische Konzept, dass der Phasenwinkel
zwischen der mittigen Umfangsposition von ausgeprägten
magnetischen Polen und einer im Wesentlichen mittigen Umfangsposition
von magnetentspringenden magnetischen Polen von einem elektrischen
Winkel π/2 verschoben wird, in der Vergangenheit überhaupt nicht
bekannt war. Die Vorteile, die aus einer solchen Phasenverschiebung
resultieren, nämlich ein Ändern oder Erhöhen
des synthetisierten Drehmoments, waren natürlich nicht
bekannt. Nebenbei bemerkt bezieht sich die im Wesentlichen mittige
Umfangsposition von magnetentspringenden magnetischen Polen auf
eine magnetisch mittige Position eines magnetischen Flusses für
einen magnetischen Pol entlang des Umfangs des Rotors.
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Die
Merkmale des Rotors gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
sind im Folgenden beschrieben.
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Das
erste Markmal besteht darin, dass das weichmagnetische Segment 13 zwischen
den zwei ausgeprägten magnetischen Polen 15 angeordnet ist,
um einen magnetischen Fluss zu dem Stator 3 zu übertragen
und von demselben zu empfangen, und die Permanentmagnete 11 und 12 sind
vor und nach dem Segment 13 angeordnet. Diese Anordnung macht
es möglich, dass die Umfangsverteilung (die räumliche
Wellenform) eines Magnetfelds (Feld von den Magneten), das von der äußeren
Umfangsfläche des Magnets 13 ausgeht, zu dem Stator 3 eine
Trapezform annähert. Daher kann diese trapezförmige magnetische
Verteilung so viel wie möglich von der dritten harmonischen
Komponente haben. Wie in 2B gezeigt
ist, sind beide Enden dieser trapezförmigen magnetischen
Verteilung (räumlichen Wellenform) hinsichtlich der Amplitude
höher als der mittige Abschnitt derselben, da die Permanentmagnete 11 und 12 an
beiden Enden in der Umfangsrichtung angeordnet sind. Die Permanentmagnete 11 und 12 sind
zusätzlich relativ nahe zu der äußeren
Umfangsoberfläche des Rotors 1 angeordnet, wodurch
es möglich ist, die Menge eines Magneten (das heißt
die Menge eines verwendeten Magnetmaterials, um den Permanentmagneten
zu erzeugen), die zum Sicherstellen der Menge eines magnetischen
Flusses notwendig ist, verglichen mit einem herkömmlichen
Rotor eines Innenmagnettyps mit den gleichen Spezifikationen zu
reduzieren.
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Ein
zweites Merkmal besteht darin, die konkave Nut 19 dem mittigen
Abschnitt der dem Stator gegenüberliegenden Oberfläche
des Segments 13 zu geben, wobei der mittige Abschnitt fast
bei der Umfangsmitte zwischen den ausgeprägten magnetischen
Polen liegt. Diese konkave Nut 19 reduziert den Magnetfluss
bei dem mittigen Umfangsabschnitt des Segments 13 (diese
Umfangsposition entspricht der d-Achse des herkömmlichen
IPM), derart, dass der räumlichen Verteilung des Magnetflusses
eine steilere Trapezform gegeben wird, die die höheramplitudige
dritte harmonische Komponente umfasst. Die Menge eines Magnetflusses,
der von dem Segment 13 zu dem Stator 3 abgegeben
wird, ist bis zu einem bestimmten Ausmaß durch die Kapazitäten
der Permanentmagnete 11 und 12 bestimmt. Bei dem
vorliegenden Ausführungsbeispiel verteilt das Segment 13 diese
Menge eines Magnetflusses zu den frontalen und hinteren Umfangsabschnitten,
um der räumlichen Umfangsverteilung des Magnetflusses eine Trapezform
zu geben. Dies bedeutet, dass der Magnetfluss räumliche
harmonische Komponenten hat, die die dritte harmonische Komponente
einer höheren Amplitude umfassen. Durch Verwenden der Phasenverschiebung
kann daher das Drehmoment, das durch die Maschine erzeugt wird,
ohne weiteres geändert oder erhöht werden.
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Ein
drittes Merkmal besteht darin, dass der hintere Permanentmagnet 12 relativ
zu der radialen Richtung flacher als der vordere Permanentmagnet 11 ist.
Dies macht es möglich, dass der Magnetfluss, der von dem
vorderen Permanentmagneten 11 übertragen und durch
einen frontalen Umfangsabschnitt des Segments 13 empfangen
wird, hinsichtlich einer Menge größer ist, als
der Magnetfluss, der von dem hinteren Permanentmagneten 12 übertragen
und durch einen frontalen Umfangsabschnitt des Segments 13 empfangen
wird. Das heißt, was den Magnetfluss, der zu dem Stator 3 übertragen
wird, betrifft, ist der frontale Umfangsabschnitt größer
als der hintere Umfangsabschnitt. Dies bedeutet, dass die Umfangsposition,
durch die der Magnetfluss zu dem Stator 3 übertragen
wird, von der Umfangsmitte des Segments 13 im Wesentlichen
(das heißt magnetisch) nach vorne verschoben ist.
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Ein
viertes Merkmal besteht darin, dass der vordere Permanentmagnet 11 hinsichtlich
der Größe größer hergestellt
ist als der hintere Permanentmagnet 12, derart, dass der
vordere Permanentmagnet 11 eine größere
Menge eines Magnetflusses zu dem Segment 13 abgibt als
derselbe von dem hinteren Permanentmagnet 12. Dies lässt
ferner zu, dass die wesentliche (das heißt magnetische)
Umfangsposition des Magnetflusses in der Umfangsrichtung nach vorne
von der Umfangsmitte des Segments 13 verschoben ist.
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Als
ein Resultat der vorhergehenden Merkmale ist die Trapezverteilung
des magnetischen Flusses entlang der äußeren Umfangsoberfläche
des Rotors 2 um einen vorbestimmten Winkel Δθ in
der Umfangsrichtung, wie in 1 dargestellt
ist, aus der ursprünglichen d-Achsen-Position nach vorne
verschoben. In dieser Beschreibung ist die ursprüngliche d-Achsen-Position
als eine Position definiert, die in der Umfangsrichtung um einen
elektrischen Winkel von π/2 von der q-Achse verschoben
ist, die der Umfangsmitte zwischen den ausgeprägten magnetischen
Polen 15 wie bei der herkömmlichen IPM-Synchronmaschine
entspricht.
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<Vorteile>
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Auf
diese Weise ist verglichen mit der mittigen Umfangsposition zwischen
den ausgeprägten magnetischen Polen 15 aus der
Position, aus der das Reluktanzdrehmoment im Wesentlichen erzeugt wird,
die Umfangsposition, aus der das Magnetdrehmoment im Wesentlichen
erzeugt wird, aus der ursprünglichen d-Achsen-Position
nach vorne verschoben. Von dem Standpunkt der räumlichen
Wellenform kann daher die Spitze der dritten harmonischen Komponente
nahe zu der Spitze der Grundwellenkomponente (der zweiten Ordnung)
des Magnetdrehmoments sein oder dieselbe überlappen. Es
ist daher möglich, das synthetisierte Drehmoment zwischen dem
Magnetdrehmoment und dem Reluktanzdrehmoment durch Verschieben des
Phasenwinkels des Magnetdrehmoments um einen kleinen Winkel Δθ (der
beispielsweise 5–25 Grad ist, wie es im Folgenden detailliert
dargestellt ist) zu erhöhen. Obwohl die strukturellen Änderungen
und Erzeugungsschritte des Rotors für die Phasenwinkelverschiebung
geringer, vereinfacht oder bezüglich eines Erhöhens
unterdrückt sein können, kann das synthetisierte
Drehmoment erhöht werden.
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Wie
in 2A gezeigt ist, sind bei den räumlichen
Frequenzen sowohl die Grundkomponenten-(zweiter Ordnung)Wellenform 102 des
Reluktanzdrehmoments als auch die Grund-(erster Ordnung)Komponentenwellenform 101 des
Magnetdrehmoments nahe zueinander oder zur Überlappung miteinander
gebracht. Um eine solche nahe oder überlappende Beziehung
zwischen den Spitzen zu erreichen, wird die Wellenform 101 dritter
Ordnung des Magnetdrehmoments hin zu der Grundkomponentenwellenform 102 des
Reluktanzdrehmoments um einen elektrischen Winkel von 5–25
Grad (= Δθ), vorzugsweise nahezu 15 Grad, verschoben.
Dieser Winkelbereich von 5–25 Grad wird unter Berücksichtigung
der Tatsache bestimmt, dass der Phasenunterschied zwischen der zweiten
und der dritten Drehmomentspitze in dem Bereich von „15 ± 10
Grad" meistens anwesend ist.
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Bei
der in 1 gezeigten Struktur wirken die gepaarten Speichenabschnitte 16 und
die gepaarten verbindenden Abschnitte 17 gegenseitig beim
mechanischen Tragen jedes Segments von dem Jochabschnitt 14 und
den ausgeprägten magnetischen Polen 15 zusammen.
Das heißt, ein Teil des Segments 13, der zwischen
dem gepaarten verbindenden Abschnitten 17 ist, wird durch
die mehreren (zum Beispiel zwei) Speichenabschnitte 16 bei getrennten
Punkten in der Umfangsrichtung getragen, derart, dass eine Beanspruchung,
die auf die Speichenabschnitte 16 angewendet wird, in der
Umfangsrichtung verteilt wird. Es ist daher möglich, zu unterdrücken,
dass das Segment 13 den verbindenden Abschnitten 17 und
den Speichenabschnitten 16 eine Torsionskraft (die in dem
axialen Abschnitt erscheint) vermittelt, während sich der
Rotor 1 dreht. Es ist ferner möglich, die Vibrationswiderstandsfähigkeit
des Segments 13 anzuheben.
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Die
Umfangsbreite zwischen den gepaarten Speichenabschnitten 16 reduziert
sich, sowie der axiale Abstand axial nach Außen fortschreitet.
Der Rückprall des Segments 13 kann daher in der
Umfangsrichtung ferner durch Anheben der Steifigkeit gegen eine
Vibration reduziert werden.
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Nebenbei
bemerkt sind bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel
die Vorder- und Hinterpermanentmagnete 11 und 12 bei
den Positionen angeordnet, die in der axialen Richtung verglichen
mit dem herkömmlichen IPM näher zu dem äußeren
Umfang des Rotors 1 sind, und die in der Umfangsrichtung
zu den ausgeprägten magnetischen Polen 15 benachbart
sind. Es wurde herausgefunden, dass diese Magnetanordnung sowohl
die räumliche Grundkomponente als auch die räumliche
dritte harmonische Komponente des Magnetflusses, der zu dem Stator 3 zu
liefern ist, erhöht. Es wird angenommen, dass diese Erhöhung
dank einer Reduzierung von Leckkomponenten des Magnetflusses und
eines kurzgeschlossenen magnetischen Wegs, entlang dem der magnetische
Fluss läuft, verursacht wird.
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(Modifikationen)
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Verschiedene
Modifikationen des vorhergehenden Ausführungsbeispiels
sind im Folgenden beschrieben.
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Bezug
nehmend auf 3 ist im Folgenden eine erste
Modifikation beschrieben. Bei dieser Modifikation ist ein Ende 11A des
vorderen Permanentmagneten 11 abgefast, um eine abgeschnittene
Fläche zu haben, wobei das Ende 11A dem vorderen
der verbindenden Abschnitte 17 gegenüberliegt.
Zwischen der Endfläche 11A des vorderen Permanentmagneten 11 und
dem verbindenden Abschnitt 17 ist daher ein Luftspalt 20 gebildet,
der als eine Flussbarriere dient, um einen Leckfluss zu reduzieren.
Dieser Luftspalt 20 ist gebildet, um den vorderen Permanentmagneten 11 zu
befähigen, eine größere Menge eines Magnetflusses
zu dem Statur 3 zu speisen.
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Bezug
nehmend auf 4 ist im Folgenden ein zweites
Ausführungsbeispiel beschrieben. Bei dieser Modifikation
ist ein Ende 12A des hinteren Permanentmagneten 12 abgefast,
um eine abgeschnittene Fläche zu haben, wobei das Ende 12A dem
hinteren der verbindenden Abschnitte 17 gegenüberliegt.
Im Gegensatz zu der ersten Modifikation besteht kein Luftspalt zwischen
dem hinteren Permanentmagneten 12 und dem verbindenden
Abschnitt 17. Der Grund dafür besteht darin, dass
es keine Notwendigkeit gibt, den Magnetfluss zu dem Stator 3 so viel
von dem hinteren Permanentmagneten zu speisen. Der hintere verbindende
Abschnitt 17 kann daher um eine Dicke, die der abgefasten
Menge entspricht, verdickt sein, so, dass das Tragen des Segments 13 verstärkt
ist.
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Bezug
nehmend auf 5 ist im Folgenden ein drittes
Ausführungsbeispiel beschrieben. Bei dieser Modifikation
sind zwei nicht-magnetische Scheiben 21 auf beiden axialen
Enden des Rotors 1 ohne einen Spalt platziert, obwohl lediglich
eine Scheibe in 5 gezeigt ist. Jede Scheibe 21 hat
einen äußeren Durchmesser, der näherungsweise
gleich dem äußeren Durchmesser des Rotorkerns 10 ist.
Die Scheiben 21 tragen in der axialen Richtung die Permanentmagnete 11 und 12.
Die Scheiben 21 verhindern zusätzlich, dass der
Rotor eine große Menge eines Ungleichgewichts aufgrund
beispielsweise eines Kühlmediums, das teilweise in dem
nicht-magnetischen Abschnitt zwischen den Jochabschnitten gehalten wird,
hat.
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Bezug
nehmend auf 6 bis 10 sind im
Folgenden Simulationsresultate beschrieben, wobei die Simulationen
durch die Erfinder gemäß der vorliegenden Erfindung
betrieben wurden.
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Die
Simulationen wurden unter Verwendung von Rotorproben mit Permanentmagneten 11 und 12 verschiedener
Abmessungen ausgeführt. 6 zeigt die
Simulationsresultate. Bei der Simulation wurde den Rotorproben 1 bis 3,
die gemäß der vorliegenden Erfindung strukturiert
waren, die gleiche magnetische Restflussdichte zugewiesen, es wurden
jedoch Magnetmengen, die 33%, 50% bzw. 100% der Magnetmenge eines
herkömmlichen Rotors 4 entsprechen, zugewiesen. 7–9 stellen
jeweils die Strukturen der Rotorproben 1–3 gemäß der
vorliegenden Erfindung dar. 10 stellt
die Struktur der herkömmlichen Rotorprobe 4 dar,
bei der es zwei Flussbarrieren zwischen einem Jochabschnitt und
einem Segment, die zwischen einem Paar von ausgeprägten magnetischen
Polen und einem Segment positioniert sind, gibt, und zwei Permanentmagnete
jeweils in den Flussbarrieren angeordnet sind.
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Die
Simulationsresultate zeigen, dass die Rotorprobe 3 hinsichtlich
der Drehmomentwelligkeiten näherungsweise gleich der herkömmlichen
Rotorprobe 4 ist und hinsichtlich des Drehmoments höher
als die herkömmliche ist. Wenn daher das Drehmoment der
Rotorprobe 3 auf dem Niveau, das durch die herkömmliche
Rotorprobe 4 geliefert wird, gelassen wird, kann die Magnetmenge
der Rotorprobe 3 stärker reduziert werden. Verglichen
mit der herkömmlichen Rotorprobe 4 sind die Rotorproben 1 und 2 bezogen
auf das Drehmoment hinsichtlich der Tatsache vergleichsweise höher,
dass die Mengen der Magneten jeweils hinunter auf 33% und 50% des herkömmlichen
reduziert wurden. Als ein Resultat kann durch Anwenden der Struktur
der vorliegenden Erfindung die Menge des Magneten reduziert werden,
wenn das gleiche Drehmoment oder fast der gleiche Drehmomentwert
gewonnen wird. In dieser Hinsicht können die Rotorproben 1–3 „Rotoren
mit einer geringeren Magnetmenge" genannt werden.
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(Zweites Ausführungsbeispiel)
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Bezug
nehmend auf 11 ist im Folgenden ein zweites
Ausführungsbeispiel der Synchronmaschine gemäß der
vorliegenden Erfindung beschrieben. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
und einem anschließenden Ausführungsbeispiel sind identischen
oder ähnlichen Elementen zu denselben bei dem ersten Ausführungsbeispiel
die gleichen Bezugsziffern zum Vermeiden einer redundanten Beschreibung
gegeben.
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11 zeigt
eine Teilschnittansicht eines Rotors 2 gemäß dem
vorliegenden Ausführungsbeispiel. Dieser Rotor 2 ist
in einen äußeren Rotor strukturiert. Bei dieser äußeren
Rotorstruktur ist ein nicht-magnetischer Zwischensegment-/Joch-Abschnitt 180,
der innerhalb des Rotors 2 gebildet ist, mit einem Harz
gefüllt, das als ein nicht-magnetisches Material dient.
Dieses Füllverfahren lässt zu, dass der Abschnitt 180 selbst
das Segment 13 und die Permanentmagnete 11 und 12 trägt,
was stark die Tolerierbarkeit der Zentrifugalkraft verbessert.
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Das
heißt, bei der äußeren Rotorstruktur
ist es nicht notwendig, so stark die Toleranz gegenüber der
Zentrifugalkraft in Berücksichtigung zu ziehen, derart,
dass das Drehungsverhalten bei höheren Geschwindigkeiten
stark verbessert werden kann.
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(Drittes Ausführungsbeispiel)
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Bezug
nehmend auf 12–15 ist
im Folgenden ein drittes Ausführungsbeispiel der Synchronmaschine
gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Bei
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der hintere verbindende
Abschnitt aus der Struktur entfernt, derart, dass das hintere Ende
des Segments 3 in der Drehrichtung von der Seite des äußersten Endes
des hinteren ausgeprägten magnetischen Pols 15,
wie in 12 und 14 gezeigt
ist, getrennt ist.
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Diese
Trennungsstruktur verhindert, dass das Segment 13 eine
Zugbeanspruchung darin durch Ziehen des äußersten
bzw. des hinteren Endes des Segments 13 in jeweils entgegengesetzten
Richtungen wegen einer Kraft, die bei der Drehung verursacht wird,
erzeugt. Es ist somit möglich, die Breite des vorderen
verbindenden Abschnitts 17 in der radialen Richtung zu
reduzieren. Das Flussleck bei dem hinteren Ende des Segments 13 kann
reduziert werden, da sich dort kein verbindender Abschnitt befindet.
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Wie
in 13 und 14 gezeigt
ist, werden die vorderen und hinteren Permanentmagnete 11 und 12 derart
erzeugt, dass die Breiten der Magnete 11 und 12 in
der Um fangsrichtung nach und nach, sowie die Position in der axialen
Richtung fortschreitet, groß werden. Diese allmählich
eine Breite erhöhende Struktur kann die Permanent-Entmagnetisierung
von Magnetabschnitten verhindern, die nahe zu einem äußeren
Abschnitt von jedem ausgeprägten magnetischen Pol liegen,
wobei der äußere Abschnitt eine höhere
magnetische Flussdichte hat. Es ist außerdem möglich,
die Fläche von Magneten größer zu machen,
während ihre Volumina bei der gleichen Menge beibehalten
werden, so dass das Magnetdrehmoment erhöht wird.
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Wie
in 14 und 15 gezeigt
ist, ist zusätzlich eine nicht-magnetische Platte 100 an
dem Permanentmagneten 12 angebracht. Diese Platte 100 verhindert,
dass der Permanentmagnet 12 aufgrund der Zentrifugalkraft
aus dem Rotor fliegt.
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Die
vorliegende Erfindung kann in mehreren anderen Formen ausgeführt
sein, ohne von dem Geist derselben abzuweichen. Die bisher beschriebenen
Ausführungsbeispiele und Modifikationen sollen daher lediglich
darstellend und nicht einschränkend sein, da der Schutzbereich
der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche
und nicht durch die denselben vorhergehende Beschreibung definiert
sein soll. Alle Änderungen, die in die Grenzen und Schranken
der Ansprüche fallen oder Äquivalente solcher
Grenzen und Schranken sollen daher durch die Ansprüche
umfasst sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2007-297866 [0001]
- - JP 2000-60038 [0006]
- - JP 2001-339922 [0006]
- - JP 2002-44920 [0006]
- - JP 2003-324875 [0006]