DE102011050094A1

DE102011050094A1 - Rotor für eine drehende elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102011050094A1
Application number: DE201110050094
Authority: DE
Inventors: Ryosuke Utaka
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2010-05-12
Filing date: 2011-05-04
Publication date: 2011-12-15
Anticipated expiration: 2031-05-05
Also published as: DE102011050094B4; JP5708181B2; CN102244428B; JP2011259688A; CN102244428A; US8878410B2; US20110278977A1

Abstract

Ein Rotor enthält einen hohlzylindrischen Rotorkern und Permanentmagneten, die in den Rotorkern eingebettet sind, um eine Mehrzahl magnetischer Pole auf der radial äußeren Peripherie des Rotorkerns auszubilden. Der Rotorkern weist eine Mehrzahl von Öffnungen auf, welche sich jeweils in axialer Richtung des Rotorkerns erstrecken, um diesen zu durchdringen. Entlang der Axialrichtung betrachtet ist jede der Öffnungen bezüglich der Mittellinie eines entsprechenden der magnetischen Pole symmetrisch positioniert. Für jede der Öffnungen sind n Verstärkungsabschnitte vorgesehen, wobei n eine Ganzzahl ist, die nicht kleiner als 2 ist. Die n Verstärkungsabschnitte erstrecken sich derart, dass sie ein Paar radial innerer und radial äußerer Peripherabschnitte des Rotorkerns verbinden, wodurch die Öffnung in (n + 1) Teile partitioniert wird. Die n Verstärkungsabschnitte sind bezüglich der Mittellinie des entsprechenden magnetischen Pols symmetrisch angeordnet.

Description

QUERVERWEIS ZU ZUGEHÖRIGEN ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung basiert auf und beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung JP 2010-110286 , eingereicht am 12. Mai 2010, und der JP 2011-89116 , eingereicht am 13. April 2011, wobei deren Inhalt hierbei unter Bezugnahme enthalten ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Rotoren für drehende elektrische Maschinen, die z. B. bei Kraftfahrzeugen als elektrische Motoren und elektrische Generatoren verwendet werden.
2. Beschreibung des Standes Technik
Innen-Permanentmagnet-(IPM)-Motoren, wie z. B. die, die in der japanischen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer JP 2006-254599 offenbart sind, weisen für gewöhnlich eine Mehrzahl von Permanentmagneten auf, die in deren Rotorkern entlang der Umfangsrichtung des Rotorkerns eingebettet sind.
9 stellt die Gesamtkonfiguration eines herkömmlichen IPM-Motors 10 dar. Wie in der Figur dargestellt, enthält der Motor 10 eine Umdrehungswelle 11, einen Rotor 14 und einen Stator 18.
Der Rotor 14 enthält einen hohlzylindrischen Rotorkern 12 und eine Mehrzahl von Permanentmagneten 13. Der Rotorkern 12 ist durch Laminieren einer Mehrzahl von ringförmigen magnetischen Stahlplatten bzw. Stahlblechen in Axialrichtung ausgebildet, und an bzw. auf der Rotations- bzw. Umdrehungswelle 11 fixiert. Die Permanentmagnete 13 sind im Rotorkern 12 derart eingebettet, dass sie eine Mehrzahl magnetischer Pole ausbilden, welche in Umfangsrichtung des Rotorkerns 12 in vorbestimmten Abständen beabstandet sind, wobei sich deren Polaritäten in Umfangsrichtung zwischen Nord und Süd abwechseln.
Der Stator 18 enthält einen hohlzylindrischen Statorkern 17 und eine Statorspule 16. Der Statorkern 17 weist eine Mehrzahl von Schlitzen bzw. Nuten (nicht dargestellt) auf, die in der radial inneren Fläche des Statorkerns 17 ausgebildet sind, und in Umfangsrichtung des Statorkerns 17 in vorbestimmten Abständen beabstandet sind. Der Statorkern 17 ist koaxial angebracht, radial außerhalb des Rotorkerns 12 mit einer vorbestimmten ringförmigen Lücke, die zwischen dem Rotorkern 12 und dem Statorkern 17 ausgebildet ist. Die Statorspule 16 ist auf dem Statorkern 17 derart montiert, dass sie in den Nuten des Statorkerns 17 teilweise aufgenommen ist.
Bezüglich 10 weist der Rotorkern 12 eine Mehrzahl von Paaren von Durchgangslöchern 12a auf, die in der Nähe des radial äußeren Randes bzw. der radial äußeren Peripherie des Rotorkerns 12 ausgebildet sind. Jedes der Durchgangslöcher 12a erstreckt sich in Axialrichtung des Rotorkerns 12, und durchdringt den Rotorkern 12. Die Paare der Durchgangslöcher 12a sind in Umfangsrichtung des Rotorkerns 12 in vorbestimmten Abständen beabstandet. Darüber hinaus ist jedes Paar der Durchgangslöcher 12a so angebracht, dass es im Wesentlichen eine gekürzte bzw. abgeschnittene V-Form ausbildet, die sich in Richtung der radial äußeren Peripherie des Rotorkerns 12 öffnet. Jeder der Permanentmagnete 13 ist in einem entsprechenden Durchgangsloch 12a des Rotorkerns 12 gehalten, so dass er sich in Axialrichtung des Rotorkerns 12 erstreckt. Darüber hinaus bilden die zwei Permanentmagnete 13, welche entsprechend im Paar der Durchgangslöcher 12a gehalten sind, zusammen einen der magnetischen Pole an der radial äußeren Peripherie des Rotorkerns 12 aus. Entlang der Axialrichtung des Rotorkerns 12 betrachtet sind die zwei Permanentmagnete 13 symmetrisch angebracht, und erstrecken sich bezüglich einer Mittellinie C1 des magnetischen Pols, welche den magnetischen Pol in Umfangsrichtung des Rotorkerns 12 teilt bzw. halbiert, schräg. Zudem weist der Rotorkern 12 eine Mehrzahl von Anlegeabschnitten 12b auf, welche jeweils derart ausgebildet sind, dass sie sich radial nach innen von einem ringförmigen Abschnitt des Rotorkerns 12 erstrecken, in welchem Permanentmagnete 13 eingebettet sind, entlang der Mittellinie C1 eines entsprechenden magnetischen Pols.
Mit der vorstehenden Konfiguration des Rotors 14 ist es möglich, ein Reluktanzdrehmoment zu nutzen, das aufgrund der Anisotropie in der magnetischen Reluktanz des Rotors 14 erzeugt wird.
Im Rotor 14 tritt der magnetische Fluss, der durch jedes Paar der Permanentmagnete 13 erzeugt wird, jedoch radial nach innen (das heißt, in Richtung der Umdrehungswelle 11) über den entsprechenden Anlegeabschnitt 12b des Rotorkerns 12 aus, wie durch die gestrichelte Pfeillinie Y1 in 10 dargestellt. Entsprechend wird das verfügbare Reluktanzdrehmoment reduziert.
Um diesem Problem Rechnung zu tragen ist es möglich, einen Rotor 24 wie in 11 dargestellt zu konfigurieren. Genauer gesagt ist im Rotor 24 für jedes Paar der Permanentmagnete 23 eine große Öffnung 22c radial innerhalb des Zentralabschnitts bzw. Mittelabschnitts des magnetischen Pols, der aus dem Paar von Permanentmagneten 23 besteht, ausgebildet. Die Öffnung 22c erstreckt sich derart in Axialrichtung des Rotorkerns 22, dass sie den Rotorkern 22 durchdringt, und weist im Wesentlichen den gleichen Winkelbereich wie das Paar der Permanentmagnete 23 auf. Entsprechend wird mit der Öffnung 22c die magnetische Reluktanz des Rotors 24 am Mittelabschnitt des magnetischen Pols erhöht, wodurch das verfügbare Reluktanzdrehmoment erhöht wird.
Bei der vorstehenden Konfiguration wird jedoch während der Umdrehung des Rotors 24 für jede der Öffnungen 22c ein radial äußerer Trägerabschnitt 22e des Rotorkerns 22, welcher radial außerhalb der Öffnung 22c positioniert ist, durch die Zentrifugalkraft radial nach außen bewegt. Demnach ist es unmöglich, die ringförmige Luftlücke, die zwischen dem Rotor 24 und dem Stator (nicht dargestellt) des Motors ausgebildet ist, auf einem vorbestimmten Wert zu halten.
Um die ringförmige Lücke auf dem vorbestimmten Wert zu halten ist es, wie 12 zu entnehmen, möglich, für jede der Öffnungen 22c einen Anlegeabschnitt 22f zum Verstärken des Rotorkerns 22 vorzusehen. Der Anlegeabschnitt 22f erstreckt sich radial entlang einer Mittellinie der Öffnung 22c, welche die Öffnung 22c in Umfangsrichtung des Rotorkerns 22 halbiert, wodurch ein Paar von radial innerer und radial äußerer Trägerabschnitte 22d und 22e des Rotorkerns 22, die entsprechend radial innerhalb und außerhalb der Öffnung 22c positioniert sind, verbunden wird.
Mit dem vorstehenden Anlegeabschnitt 22f tritt jedoch das gleiche Problem als bei dem Anlegeabschnitt 12b von 10 auf. Das heißt, der Magnetfluss, der durch das entsprechende Paar von Permanentmagneten 23 erzeugt wird, tritt radial nach innen über den Anlegeabschnitt 22f aus, wodurch das verfügbare Reluktanzdrehmoment reduziert wird.
Um den Austritt des Magnetflusses über den Anlegeabschnitt 22f zu reduzieren, könnte man die Umfangsdicke des Anlegeabschnitts 22f reduzieren. Allerdings würde in diesem Fall auch die Festigkeit des Rotorkerns 22 entsprechend reduziert werden, wodurch es für den Rotorkern 22 schwierig wird, der Zentrifugalkraft während der Umdrehung des Rotors 24 entsprechend zu widerstehen.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Rotor für eine drehende elektrische Maschine vorgesehen, welcher einen hohlzylindrischen Rotorkern und eine Mehrzahl von Permanentmagneten enthält. Die Permanentmagnete sind im Rotorkern derart eingebettet, dass sie eine Mehrzahl der magnetischen Pole an der radial äußeren Peripherie des Rotorkerns ausbilden. Die magnetischen Pole sind in vorbestimmten Abständen in Umfangsrichtung des Rotorkerns derart angeordnet, dass sich die Polaritäten der magnetischen Pole in Umfangsrichtung zwischen Nord und Süd abwechseln. Ferner weist der Rotorkern eine Mehrzahl von Öffnungen auf, welche sich jeweils in Axialrichtung des Rotorkerns derart erstrecken, dass sie den Rotorkern durchdringen. Entlang der Axialrichtung des Rotorkerns betrachtet ist jede der Öffnungen bezüglich einer Mittellinie eines entsprechenden der magnetischen Pole, welche den entsprechenden magnetischen Pol in Umfangsrichtung des Rotorkerns halbiert, symmetrisch positioniert. Für jede der Öffnungen sind n Verstärkungsabschnitte vorgesehen, wobei n eine Ganzzahl nicht kleiner als 2 ist. Die n Verstärkungsabschnitte erstrecken sich derart, dass sie ein Paar von radial inneren und radial äußeren Rand- bzw. Peripherabschnitten des Rotorkerns verbinden, welche entsprechend radial innerhalb und radial außerhalb der Öffnung positioniert sind, wodurch die Öffnung in (n + 1) Teile partitioniert bzw. aufgeteilt wird. Entlang der Axialrichtung des Rotorkerns betracht sind die n Verstärkungsabschnitte bezüglich der Mittellinie des entsprechenden magnetischen Pols symmetrisch angebracht.
Mit den Öffnungen wird die magnetische Reluktanz bei den umfangsmittigen Abschnitten der magnetischen Pole erhöht, wodurch ein großes Reluktanzdrehmoment der elektrischen Rotationsmaschine gesichert werden kann. Darüber hinaus wird mit den symmetrisch angebrachten Verstärkungsabschnitten die mechanische Festigkeit des Rotorkerns erhöht. Demnach ist es während der Umdrehung des Motors möglich, dass die radial äußeren Peripherabschnitte des Rotorkerns durch die Zentrifugalkraft radial nach außen bewegt werden, wodurch es möglich ist, eine vorbestimmte ringförmige Luftlücke zwischen dem Rotor und einem Stator der elektrischen Rotationsmaschine aufrecht zu erhalten. Ferner, da die n Verstärkungsabschnitte für jede der Öffnungen vorgesehen sind, ist es möglich, die Umfangsstärke von jedem der Verstärkungsabschnitte klein einzustellen. Dadurch ist es möglich, den Magnetflussaustritt über die Verstärkungsabschnitte zu reduzieren, im Vergleich zu dem Fall, in dem ein einfach dicker Verstärkungsabschnitt auf der Mittellinie des entsprechenden magnetischen Pols vorgesehen ist, entlang welcher der Magnetfluss am stärksten ist.
Bevorzugt ist jeder der Verstärkungsabschnitte derart positioniert, dass die nachfolgende Beziehung erfüllt ist: (2 – √2)L ≤ L1 < L, wobei L der Abstand von einem Schnittpunkt zwischen einer imaginären Linie und einer radial äußeren Fläche des Rotorkerns zur Mittellinie des entsprechenden magnetischen Pols ist, wobei sich die imaginäre Linie so erstreckt, dass sie rechtwinklig zur radialen äußeren Fläche des Rotorkerns ist und die Tangente zur entsprechenden Öffnung an einem Punkt, der am weitesten von der Mittellinie des entsprechenden magnetischen Pols entfernt ist, und L1 der Abstand von dem Schnittpunkt zu einer Mittellinie des Verstärkungsabschnitts, welche die Umfangsdicke des Verstärkungsabschnitts halbiert.
Es ist bevorzugt, dass n eine gerade Zahl ist. Ferner ist es bevorzugt, dass n gleich 2 ist.
Außerdem ist es bevorzugt, dass für jede der Öffnungen die Summe der Umfangsdicken der n Verstärkungsabschnitte auf kleiner als ein vorbestimmter Wert eingestellt ist.
Der Rotorkern besteht bevorzugt aus einer Mehrzahl von ringförmigen magnetischen Stahlplatten bzw. Stahlblechen, die in Axialrichtung des Rotorkerns geschichtet sind.
Es ist außerdem bevorzugt, dass entlang der Axialrichtung des Rotorkerns jede der Öffnungen im Wesentlichen den gleichen Winkelbereich als der entsprechende magnetische Pol aufweist.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgend gegebenen detaillierten Beschreibung und der zugehörigen Figuren einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, welche jedoch nicht als die Erfindung auf die spezifische Ausführungsform beschränkend sondern zum Zwecke der Erläuterung und des besseren Verständnisses betrachtet werden sollte, deutlicher verständlich.
In den zugehörigen Figuren zeigen:
1 eine schematische, teilweise Querschnittsansicht einer elektrischen Rotationsmaschine, welche einen Rotor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält;
2 eine axiale Endansicht eines Teils des Rotors;
3 eine schematische Ansicht, die das Ausbilden der Fläche F darstellt, welche durch die gestrichelte Linie in 2 umschlossen ist;
4 eine grafische Darstellung, die die Beziehung zwischen einem Biegemoment Ma und einem Abstand L1 im Rotor darstellt;
5 eine grafische Darstellung, die die Beziehung zwischen einer Reaktionskraft Ra und dem Abstand L1 im Rotor darstellt;
6 eine grafische Darstellung, die die Beziehung zwischen einer Reaktionskraft Rb und dem Abstand L1 im Rotor darstellt;
7 eine schematische Ansicht, die die Belastungen darstellt, die auf verschiedene Bereiche in einem Rotor gemäß eines zweiten Versuchsbeispiels aufgebracht wurden;
8 eine schematische Ansicht, die Belastungen darstellt, die auf verschiedene Bereiche in dem Rotor gemäß der Ausführungsform der Erfindung aufgebracht wurden;
9 eine schematische, teilweise Querschnittsansicht eines herkömmlichen IPM-Motors;
10 eine axiale Ansicht eines Teils eines Rotors des herkömmlichen IPM-Motors;
11 eine axiale Endansicht eines Teils eines Rotors gemäß des ersten Versuchsbeispiels; und
12 eine Axialendansicht eines Teils des Rotors gemäß des zweiten Versuchsbeispiels.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
1 stellt die Gesamtkonfiguration einer drehenden elektrischen Maschine 30 dar, welche einen Rotor 34 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält. Die drehende elektrische Maschine 30 ist z. B. als ein Elektromotor in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug konfiguriert.
Wie in 1 dargestellt enthält die elektrische Rotationsmaschine 30: ein Paar von vorderen und hinteren Gehäusen 10a und 10b (nur teilweise dargestellt), die zusammen mittels einer Mehrzahl von Bolzen bzw. Schrauben (nicht dargestellt) befestigt sind und ein Paar Lager 10c entsprechend darin angebracht haben; eine Rotationswelle bzw. Umdrehungswelle 11, die drehbar durch die vorderen und hinteren Gehäuse 10a und 10b über das Paar von Lagern 10c gelagert ist; den Rotor 34, der auf der Umdrehungswelle 11 befestigt bzw. fixiert ist, und in den vorderen und hinteren Gehäusen 10a und 10b aufgenommen ist; und einen Stator 18, der zwischen den vorderen und hinteren Gehäusen 10a und 10b gehalten ist und radial außerhalb und koaxial mit dem Rotor 34 angebracht ist. Zudem funktioniert in der vorliegenden Ausführungsform der Stator 18 als Anker, während der Rotor 34 als ein Feld der drehenden elektrischen Maschine 30 funktioniert.
Genauer gesagt enthält der Statur 18 einen hohlzylindrischen Statorkern 17 und eine dreiphasige Statorspule 16.
Der Statorkern 17 weist eine Mehrzahl von Schlitzen bzw. Nuten (nicht dargestellt) auf, die in der radial inneren Fläche des Statorkerns 17 ausgebildet und in Umfangsrichtung des Statorkerns 17 beabstandet sind. Der Statorkern 17 ist durch Schichten einer Mehrzahl von ringförmigen magnetischen Stahlblechen in Axialrichtung des Statorkerns 17 ausgebildet.
Die Statorspule 16 ist derart auf dem Statorkern 17 montiert, dass sie teilweise in den Nuten des Statorkerns 17 aufgenommen ist. Die Statorspule 16 ist mit einem dreiphasigen Inverter (nicht dargestellt) elektrisch verbunden.
Der Rotor 34 enthält einen hohlzylindrischen Rotorkern 32 und eine Mehrzahl von Permanentmagneten 33.
Der Rotorkern 32 ist koaxial auf der Umdrehungswelle 11 fixiert, so dass die radial äußere Peripherie des Rotorkerns 32 die radial inneren Peripherie des Statorkerns 17 mit einer vorbestimmten ringförmigen Lücke, die dazwischen ausgebildet ist, gegenüberliegt. Der Rotorkern 32 ist durch Schichten einer Mehrzahl von ringförmigen magnetischen Stahlblechen in Axialrichtung des Rotorkerns 32 ausgebildet.
Die Permanentmagnete 33 sind derart im Rotorkern 32 eingebettet, dass sie eine Mehrzahl magnetischer Pole auf der radial äußeren Peripherie des Rotorkerns 32 ausbilden. Die magnetischen Pole sind in Umfangsrichtung des Rotorkerns 32 in vorbestimmten Abständen so ausgebildet, dass sich die Polaritäten der magnetischen Pole in Umfangsrichtung zwischen Nord und Süd abwechseln. Zudem liegen in der vorliegenden Ausführungsform z. B. acht magnetische Pole (das heißt, vier Nordpole und vier Südpole) vor.
Genauer gesagt, wie in 2 dargestellt, weist der Rotorkern 32 in der vorliegenden Ausführungsform acht Paare von Durchgangslöchern 32a auf, die in der Nähe der radial äußeren Peripherie des Rotorkerns 32 ausgebildet sind. Jedes der Durchgangslöcher 32a erstreckt sich in Axialrichtung des Rotorkerns 32 und durchdringt den Rotorkern 32. Die acht Paare der Durchgangslöcher 32a sind in Umfangsrichtung des Rotorkerns 32 in einem vorbestimmten Abstand beabstandet. Zudem ist jedes Paar der Durchgangslöcher 32a derart angebracht, dass es eine im Wesentlichen abgeschnittene bzw. gekürzte V-Form aufweist, die sich in Richtung der radial äußeren Peripherie des Rotorkerns 32 öffnet.
Jeder der Permanentmagnete 33 ist in einem entsprechendem der Durchgangslöcher 32a des Rotorkerns 32 derart gehalten, dass er sich in Axialrichtung des Rotorkerns 32 erstreckt. Darüber hinaus sind die zwei Permanentmagnete 33, welche entsprechend in dem Paar der Durchgangslöcher 32a gehalten sind, derart angebracht, dass die Polaritäten (Nord und Süd) der zwei Permanentmagnete 33 an der radial äußeren Seite gleich sind. Dementsprechend bilden die zwei Permanentmagnete 33 zusammen einen der magnetischen Pole an der radial äußeren Peripherie des Rotorkerns 32 aus. Zudem, wie in 2 dargestellt, entlang der Axialrichtung des Rotorkerns 32 betrachtet, sind die zwei Permanentmagnete 33 symmetrisch angebracht und erstrecken sich bezüglich einer Mittellinie C1 des magnetischen Pols, welcher den magnetischen Pol in Umfangsrichtung des Rotorkerns 32 schneidet bzw. halbiert, schräg. Das heißt, die zwei Permanentmagnete sind derart angebracht, dass sie im Wesentlichen eine abgeschnittene V-Form ausbilden, die sich in Richtung der radial äußeren Peripherie des Rotorkerns 32 öffnet.
Darüber hinaus weist der Rotorkern 32 in der vorliegenden Ausführungsform eine Mehrzahl von Öffnungen 32c auf, von welchen jede radial innerhalb eines entsprechenden der magnetischen Pole ausgebildet ist. Jede der Öffnungen 32c erstreckt sich derart in Axialrichtung des Rotorkerns 32, dass sie den Rotorkern 32 durchdringt und im Wesentlichen den gleichen Winkelbereich als das Paar der Permanentmagnete 33 aufweist, welches den entsprechenden magnetischen Pol ausbildet. Ferner, entlang der Axialrichtung des Rotorkerns 32 betrachtet, ist jede der Öffnungen 32c bezüglich der Mittellinie C1 des entsprechenden magnetischen Pols symmetrisch positioniert.
Ferner ist in der vorliegenden Ausführungsform für jede der Öffnungen 32c ein Paar von Anlegeabschnitten (oder Verstärkungsabschnitten) 32f und 32g zur Verstärkung des Rotorkerns 32 vorgesehen. Die Anlegeabschnitte 32f und 32g erstrecken sich derart, dass sie ein Paar radial innerer und radial äußerer Trägerabschnitte (oder radial innerer und radial äußerer Peripherabschnitte) 32d und 32e des Rotorkerns 32 verbinden, welche entsprechend radial innerhalb und radial außerhalb der Öffnung 32 positioniert sind, wodurch die Öffnung 32 in drei Teile partitioniert wird. Ferner erstrecken sich die Anlegeabschnitte 32f und 32g über die gesamte axiale Länge des Rotorkerns 32. Entlang der Axialrichtung des Rotorkerns 32 betrachtet, sind die Anlegeabschnitte 32f und 32g bezüglich der Mittellinie C1 des entsprechenden magnetischen Pols symmetrisch angebracht, Das heißt, die zwei Anlegeabschnitte 32f und 32g sind entsprechend auf entgegen gesetzten Umfangsseiten der Mittelinie C1 angebracht, und fallen nicht auf die Mittellinie C1, entlang welcher der Magnetfluss am stärksten ist. Darüber hinaus ist die Summe der Umfangsdicken der zwei Anlegeabschnitte 32f und 32g so eingestellt, dass sie kleiner als die Umfangsdicke des Anlegeabschnitts 22f im untersuchten Beispiel, dargestellt in 12, ist, Demnach ist es mit der vorstehenden Anordnung der Anlegeabschnitte 32f und 32g möglich, den Magnetflussaustritt zu reduzieren und dadurch das Reluktanzdrehmoment zu erhöhen, im Vergleich zum untersuchten Beispiel, das in 12 dargestellt ist.
Ferner ist in der vorliegenden Ausführungsform jeder der Anlegeabschnitte 32f und 32g derart positioniert, dass die nachfolgende Beziehung erfüllt ist: (2 – √2)L ≤ L1 < L (1) wobei L der Abstand von einem Schnittpunkt P zwischen einer imaginären Linie 35 und der radial äußeren Fläche des Rotorkerns 32 zu der Mittellinie C1 des entsprechenden Pols ist, die imaginäre Linie 35 sich derart erstreckt, dass sie rechtwinklig zur radial äußeren Fläche des Rotorkerns 32 ist und eine Tangente zur entsprechenden Öffnung 32c an dem am weitesten von der Mittellinie C1 entfernten Punkt, und L1 der Abstand von dem Schnittpunkt P zu einer Mittellinie C2 des Anlegeabschnitts, welche die Umfangsdicke des Anlegeabschnitts halbiert.
Die vorstehende Beziehung wird basierend auf den Ergebnissen einer Computersimulation bestimmt, die basierend auf einem wie in 3 dargestelltem Modul ausgeführt wird; das Modell modelliert den Bereich bzw. die Fläche F, die in 2 mit einer gestrichelten Linie umfasst ist. Hierbei sollte erwähnt sein, dass obwohl die Computersimulation nur für den Anlegeabschnitt 32f ausgeführt wird, die gleichen Ergebnisse auch für den Anlegeabschnitt 32g erzielbar wären, da die Anlegeabschnitte 32f und 32g bezüglich der Mittellinie C1 des entsprechenden magnetischen Pols symmetrisch angebracht sind.
Genauer gesagt repräsentiert die imaginäre Linie 35, definiert in 2, den Grund bzw. Ursprung des radial äußeren Trägerabschnitts 32e in 3. Die Mittellinie C2 des Anlegeabschnitts 32f ist vom Grund bzw. Ursprung 35 des radial äußeren Trägerabschnitts 32e um L1 entfernt. Die Mittellinie C1 des entsprechenden magnetischen Pols ist vom Ursprung 35 des radial äußeren Trägerabschnitts 32e um L entfernt. Die Last, die auf den radial äußeren Trägerabschnitt 32e aufgrund der Zentrifugalkraft während der Umdrehung des Rotors 34 aufgebracht wird, wird durch eine einheitlich verteilte Last F gleichermaßen dargestellt. Ferner wird das Biegemoment, das am Ursprung 35 des radial äußeren Trägerabschnitts 32e aufgrund er Zentrifugalkraft aufgebracht wird, durch Ma dargestellt; die Reaktionskraft, die am Ursprung 35 aufgrund der Zentrifugalkraft aufgebracht wird, durch Ra dargestellt; und die Reaktionskraft, die im Anlegeabschnitt 32f aufgebracht wird, durch Rb dargestellt.
Anschließend kann das Biegemoment Ma am Ursprung 35 des radial äußeren Trägerabschnitts 32e durch die nachfolgende Gleichung bestimmt sein: Ma = (–q/8)·(L1² – 4LL1 + 2L²) (2)
4 stellt die Beziehung zwischen dem Abstand L1 vom Ursprung 35 des radial äußeren Trägerabschnitts 32e zur Mittellinie C2 des Anlegeabschnitts 32f und dem Biegemoment Ma, bestimmt durch die vorstehende Gleichung (2), dar. Genauer gesagt steht in 4 die Linie j für das Biegemoment Ma, das gleich Null ist, während die Linie k für das Biegemoment Ma steht, das durch die Gleichung (2) bestimmt ist. Daher steht der Wert L1 am Schnittpunkt zwischen den Linien j und k (das heißt, (2 – √2)L für den optimalen Wert von L1 hinsichtlich des Biegemoments Ma, das beim Ursprung 35 des radial äußeren Trägerabschnitts 32e aufgebracht wird. Zudem ist es durch Lösen der Gleichung (2) möglich, zwei mathematisch optimale Werte von L1 zu erhalten, welche das Biegemoment Ma gleich Null setzen, das heißt, (2 – √2)L. Der Wert (2 – √2)L fällt jedoch aus dem Bereich (0 – L), und macht daher physikalisch keinen Sinn. Demnach ist es klar, dass wenn das Biegemoment Ma gleich Null ist, es notwendig ist, den Abstand L1 gleich (2 – √2)L einzustellen.
Die Reaktionskraft Ra, die beim Ursprung 35 des radial äußeren Trägerabschnitts 32e aufgebracht wird, kann durch nachfolgende Gleichung bestimmt sein: Ra = (–q/8)·{L1 + 6(L²/L1) + 4L} (3)
5 stellt die Beziehung zwischen dem Abstand L1 und der Reaktionskraft RA dar, bestimmt durch die vorstehende Gleichung (3). Genauer gesagt steht in 5 die Linie j für die Reaktionskraft Ra gleich Null, während die Linie m für die Reaktionskraft Ra steht, die durch die Gleichung (3) bestimmt ist. Hierbei sieht man, dass im Bereich (0 – L) für den Abstand L1 die Linie m sich der Linie j annähern kann, diese jedoch nicht schneiden. Zudem ist es durch Lösen der Gleichung (3) möglich, zwei mathematisch optimale Werte von L1 zu erhalten, welche die Reaktionskraft Ra gleich Null erstellen, d. h., ±√6L. Beide Werte ±√6L fallen jedoch aus dem Bereich (0 – L) und machen somit physikalisch keinen Sinn. Demnach ist es klar, dass wenn die Reaktionskraft Ra minimiert werden soll, es erforderlich ist, den Abstand L1 so nahe wie möglich an L einzustellen bzw. anzunähern.
Die Reaktionskraft Rb, die im Anlegeabschnitt 32f aufgebracht wird, kann durch die nachfolgende Gleichung bestimmt sein: Rb = (–q/8) × {L1 + 6(L²/L1) + 4L) (4)
6 stellt eine Beziehung zwischen dem Abstand L1 und der Reaktionskraft Rb dar, bestimmt durch die vorstehende Gleichung (4). Genauer gesagt steht in 6 die Linie j für die Reaktionskraft Rb gleich Null, während die Linie l die Reaktionskraft Rb darstellt, die durch die Gleichung (4) bestimmt ist. Hierdurch geht hervor, dass im Bereich (0 – L) für den Abstand L1 die Linie l sich der Linie j nähern kann, diese jedoch nicht schneiden. Zudem ist es durch Lösen der Gleichung (4) möglich, zwei mathematisch optimale Wert von L1 zu erhalten, welche die Reaktionskraft Rb gleich Null setzen, d. h., ±√6L. Allerdings fallen wie vorstehend beschrieben beide Werte ±√6L aus dem Bereich (0 – L), und machen daher physikalisch keinen Sinn. Demnach ist es klar, dass wenn die Reaktionskraft Rb minimiert werden soll, es erforderlich ist, den Abstand L1 so nahe wie möglich an L einzustellen.
Hinsichtlich der vorstehenden Ergebnisse ist in der vorliegenden Ausführungsform wie vorstehend beschrieben jeder der anliegenden Abschnitte 32f und 32g im Rotorkern 32 derart positioniert, dass die Beziehung (2 – √2)L ≤ L1 < L erfüllt ist.
7 stellt Belastungen dar, die in verschiedenen Bereichen im Rotor 24 gemäß des Versuchsbeispiels aufgebracht werden, welches vorstehend bezüglich 12 beschrieben worden ist.
Wie in 7 dargestellt ist die Belastung, die im Ursprungsbereich bzw. Grundbereich R1 des radial äußeren Trägerabschnitts 22e während der Umdrehung des Rotors 24 aufgebracht wird, gleich 270 MPa; die Belastung, die im Grenzbereich R2 zwischen dem Anlegeabschnitt 22f und dem radial äußeren Trägerabschnitt 22e aufgebracht wird, gleich 217 MPa; und die Belastung, die in einem Grenzbereich R3 zwischen dem Anlegeabschnitt 22f und dem radial inneren Trägerabschnitt 22d aufgebracht wird, gleich 227 MPa.
8 stellt Belastungen dar, die in verschiedenen Bereichen im Rotor 34 gemäß der vorliegenden Ausführungsform aufgebracht werden, wenn sich der Rotor 34 mit der gleichen Geschwindigkeit wie der Rotor 24 gemäß des Versuchsbeispiels dreht. Zudem ist der Abstand L1 in 8 gleich (2 – √2)L eingestellt.
Wie in 8 dargestellt ist im Rotor 34 die Belastung, die in einem Grundbereich R11 des radial äußeren Trägerabschnitts 32e während der Umdrehung des Rotors 34 aufgebracht wird, gleich 259 MPa; die Belastung, die in einem Grenzbereich R12 zwischen dem Anlegeabschnitt 32f und dem radial äußeren Trägerabschnitt 32e aufgebracht wird, gleich 155 MPa; und die Belastung, die in einem Grenzbereich R13 zwischen dem Anlegeabschnitt 32f und dem radial inneren Trägerabschnitt 32d aufgebracht wird, gleich 156 MPa.
Demnach ist es klar, dass die Belastungen, die im Rotor 34 gemäß der vorliegenden Ausführungsform aufgebracht werden, im Vergleich zum Rotor 24 gemäß des Versuchsbeispiels beträchtlich reduziert sind.
Nach der Beschreibung der Gesamtkonfiguration des Rotors 34 gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden hiernach deren Vorteile beschrieben.
In der vorliegenden Ausführungsform weist der Rotorkern 32 die Öffnungen 32c auf, welche sich jeweils in Axialrichtung des Rotorkerns 32 erstrecken, um den Rotorkern 32 zu durchdringen. Ferner ist jede der Öffnungen 32c bezüglich der Mittellinie C1 eines entsprechenden der magnetischen Pole, symmetrisch positioniert, wobei die Mittellinie C1 den entsprechenden magnetischen Pol in Umfangsrichtung des Rotorkerns 32 halbiert.
Mit den Öffnungen 32c wird die magnetische Reluktanz des Rotors 34 an den umfangsmittigen Abschnitten der magnetischen Pole erhöht, wodurch ein großes Reluktanzdrehmoment der elektrischen Rotationsmaschine 30 gewährleistet wird.
Darüber hinaus sind in der vorliegenden Ausführungsform für jede der Öffnungen 32c ein Paar der Anlegeabschnitte 32f und 32g zur Verstärkung des Rotorkerns 32 vorgesehen. Die Anlegeabschnitte 32f und 32g erstrecken sich derart, dass sie radial innere und radial äußere Trägerabschnitte 32d und 32e verbinden, welche entsprechend radial innerhalb und radial außerhalb der Öffnung 32c positioniert sind, wodurch die Öffnung 32c in drei Teile partitioniert wird. Ferner, entlang der Axialrichtung des Rotorkerns 32 betrachtet, sind die Anlegeabschnitte 32f und 32g bezüglich der Mittellinie C1 des entsprechenden magnetischen Pols symmetrisch angebracht.
Mit den symmetrisch angebrachten Anlegeabschnitten 32f und 32g wird die mechanische Festigkeit des Rotorkerns 32 erhöht. Dadurch ist es während der Umdrehung des Rotors 34 möglich, zu verhindern, dass die radial äußeren Trägerabschnitte 32e des Rotorkerns 32 durch die Zentrifugalkraft radial nach außen bewegt werden, wodurch es möglich ist, die ringförmige Luftlücke zwischen dem Rotor 34 und dem Stator 18 auf einem vorbestimmten Wert zu halten.
In der vorliegenden Ausführungsform ist jeder der Anlegeabschnitte 32f und 32g derart positioniert, dass die Beziehung (2 – √2)L ≤ L1 < L erfüllt ist.
Durch die vorstehende Positionierung der Anlegeabschnitte 32f und 32g ist es möglich, die Belastungen, die im Rotorkern 32 während der Umdrehung des Rotors 34 aufgebracht werden, zu minimieren.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Anzahl der Anlegeabschnitte 32f und 32g, die für jede der Öffnungen 32c vorgesehen sind, gleich Zwei, was eine gerade Anzahl ist.
Demnach sind die zwei Anlegeabschnitte 32f und 32g entsprechend auf entgegengesetzten Umfangsseiten der Mittellinie C1 des entsprechenden magnetischen Pols angebracht. Demnach gibt es keinen Anlegeabschnitt, der auf der Mittellinie C1 angebracht ist, dort wo der Magnetfluss am stärksten ist. Dadurch ist es möglich, den Magnetflussaustritt zu reduzieren und dadurch das Reluktanzdrehmoment zu erhöhen im Vergleich zum untersuchten Beispiel, das in 12 dargestellt ist.
Da nur die zwei Anlegeabschnitte 32f und 32g für jede der Öffnungen 32c vorgesehen sind, ist es zudem möglich, einen ausreichen großen Effekt der Öffnungen 32c bezüglich des Anstiegs der magnetischen Reluktanz bei den umfangsmittigen Abschnitten der magnetischen Pole zu gewährleisten.
In der vorliegenden Ausführungsform ist für jede der Öffnungen 32c die Summe der Umfangsdicken der zwei Anlegeabschnitte 32f und 32g, die für die Öffnung 32c vorgesehen sind, kleiner als ein vorbestimmter Wert eingestellt, genauer gesagt kleiner als die Umfangsdicke des einzelnen Anlegeabschnitts 22f beim untersuchten Beispiel, das in 12 dargestellt ist.
Durch das vorstehende Einstellen der Summe der Umfangsdicken der Anlegeabschnitte 32f und 32g ist es möglich, den Magnetflussaustritt zuverlässig zu reduzieren und dadurch das Reluktanzdrehmoment zu erhöhen, im Vergleich zum untersuchten Beispiel, das in 12 dargestellt ist.
In der vorliegenden Ausführungsform besteht der Rotorkern 32 aus einer Mehrzahl von ringförmigen magnetischen Stahlblechen, die in Axialrichtung des Rotorkerns 32 geschichtet sind.
Demnach ist es möglich, die Konfiguration des Rotorkerns 32 gemäß der vorliegenden Ausführungsform durch Ausbilden (d. h. durch Drücken) jedes der ringförmigen magnetischen Stahlbleche mit einer Form wie in 2 dargestellt, und anschließendes Schichten in Axialrichtung, einfach umzusetzen.
In der vorliegenden Ausführungsform ist jede der Öffnungen 32c derart ausgebildet, dass sie im Wesentlichen den gleichen Winkelbereich als der entsprechende magnetische Pol aufweist (genauer gesagt, als das Paar der Permanentmagnete 33, welche den entsprechenden magnetischen Pol ausbilden).
Mit der vorstehenden Ausbildung der Öffnungen 32c ist es möglich, den Effekt der Öffnungen 32c bezüglich der Erhöhung der magnetischen Reluktanz bei den umfangsmittigen Abschnitten der magnetischen Pole zu maximieren.
Neben der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Fachmann anhand dieser verschiedene Modifikationen, Veränderungen und Verbesserungen erzielen, ohne dabei vom Geist der Erfindung abzuweichen.
In der vorstehenden Ausführungsform ist z. B. jeder der magnetischen Pole durch ein Paar der Permanentmagnete 33 ausgebildet, die wie in 2 dargestellt angebracht sind. Jeder der magnetischen Pole kann jedoch auch durch einen einzelnen Permanentmagneten ausgebildet sein, welcher seine Nord- und Südpole derart angeordnet hat, dass sie entgegengesetzt radialer Richtungen des Rotorkerns 32 gegenüberliegen.
Darüber hinaus sind in der vorliegenden Ausführungsform für jede der Öffnungen 32c zwei Anlegeabschnitte 32f und 32g vorgesehen. Dabei ist es auch möglich, drei oder mehr Anlegeabschnitte für jede der Öffnungen 32c vorzusehen, vorausgesetzt, dass diese Anlegeabschnitte bezüglich der Mittellinie C1 des entsprechenden magnetischen Pols symmetrisch angeordnet sind. Ferner ist es in diesem Fall bevorzugt, dass die Summe der Umfangsdicken der drei oder mehr Anlegeabschnitte kleiner als die Umfangsdicke des einzelnen Anlegeabschnitts 22f des Versuchsbeispiels, dargestellt in 12, ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2010-110286 [0001]
JP 2011-89116 [0001]
JP 2006-254599 [0003]

Claims

Rotor (34) für eine drehende elektrische Maschine (30), wobei der Rotor aufweist: einen hohlzylindrischen Rotorkern (32); und eine Mehrzahl von Permanentmagneten (33), die im Rotorkern eingebettet sind, um eine Mehrzahl magnetischer Pole an der radial äußeren Peripherie des Rotorkerns auszubilden, wobei die magnetischen Pole in vorbestimmten Abständen in Umfangsrichtung des Rotorkerns derart angeordnet sind, dass sich die Polaritäten der magnetischen Pole in Umfangsrichtung zwischen Nord und Süd abwechseln, wobei der Rotorkern eine Mehrzahl von Öffnungen (32c) aufweist, welche sich jeweils in Axialrichtung des Rotorkerns derart erstrecken, dass sie den Rotorkern durchdringen, entlang der Axialrichtung des Rotorkerns betrachtet, jede der Öffnungen bezüglich einer Mittellinie (C1) eines entsprechenden der magnetischen Pole symmetrisch positioniert ist, wobei die Mittellinie den entsprechenden magnetischen Pol in Umfangsrichtung des Rotorkerns halbiert, für jede der Öffnungen n Verstärkungsabschnitte (32f, 32g) vorgesehen sind, wobei n eine Ganzzahl nicht kleiner als 2 ist, die n Verstärkungsabschnitte sich derart erstrecken, dass sie ein Paar von radial inneren und radial äußeren Peripherabschnitten (32d, 32e) des Rotorkerns, welche entsprechend radial innerhalb und radial außerhalb der Öffnungen positioniert sind, verbinden, wodurch die Öffnung in (n + 1) Teile partitioniert ist, und die n Verstärkungsabschnitte entlang der Axialrichtung des Rotorkerns symmetrisch bezüglich der Mittellinie des entsprechenden magnetischen Pols angeordnet sind.
Rotor nach Anspruch 1, wobei jeder der Verstärkungsabschnitte so positioniert ist, dass die nachfolgende Beziehung erfüllt ist: (2 – √2)L ≤ L1 < L, wobei L der Abstand von einem Schnittpunkt (P) zwischen einer imaginären Linie (35) und einer radial äußeren Fläche des Rotorkerns zu einer Mittellinie (C1) des entsprechenden magnetischen Pols ist, die imaginäre Linie sich so erstreckt, dass sie rechtwinklig zur radial äußeren Fläche des Rotorkerns ist und die Tangente zur entsprechenden Öffnung bei einem Punkt, der am weitesten von der Mittellinie des entsprechenden magnetischen Pols entfernt ist, und L1 der Abstand von dem Schnittpunkt zu einer Mittellinie des Verstärkungsabschnitts ist, welcher die Umfangsdicke des Verstärkungsabschnitts halbiert.
Rotor nach Anspruch 1, wobei n eine gerade Zahl ist.
Rotor nach Anspruch 3, wobei n gleich 2 ist.
Rotor nach Anspruch 1, wobei für jede der Öffnungen die Summe der Umfangsdicken der n Verstärkungsabschnitte kleiner als ein vorbestimmter Wert eingestellt ist.
Rotor nach Anspruch 1, wobei der Rotorkern aus einer Mehrzahl von ringförmigen magnetischen Stahlblechen besteht, die in Axialrichtung des Rotorkerns geschichtet sind.
Rotor nach Anspruch 1, wobei jede der Öffnungen entlang der Axialrichtung des Rotorkerns im Wesentlichen den gleichen Winkelbereich wie der entsprechende magnetische Pol aufweist.