DE102012104052B4

DE102012104052B4 - Elektromotor mit Permanentmagneten in dessen Stator

Info

Publication number: DE102012104052B4
Application number: DE102012104052.4A
Authority: DE
Inventors: Makoto Taniguchi; Kousuke Hanada
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2011-05-11
Filing date: 2012-05-09
Publication date: 2019-03-28
Anticipated expiration: 2032-05-10
Also published as: JP5609844B2; US20120286612A1; CN102780288B; JP2012254001A; DE102012104052A1; US9184648B2; CN102780288A

Abstract

Elektromotor, welcher Folgendes enthält:einen Rotor mit einem im wesentlichen zylindrischen Rotorkern und mit magnetischen Polen, welche aus Permanentmagneten gebildet sind, die in Aussparungen in dem Rotorkern angeordnet sind und magnetische Pole ausbilden; undeinen Stator, welcher einen Statorkern, welcher mit einem Luftspalt dem Rotorkern gegenübersteht, sowie Statorwicklungen aufweist, wobei der Stator so ausgebildet ist, dass er eine Radialrichtung und eine Umfangsrichtung aufweist, der Statorkern ein hinteres Joch, Zähne, die sich von dem hinteren Joch aus unter Zwischenschaltung eines Säulenabschnittes radial zum Luftspalt hin erstrecken und mit gleicher Teilung am Luftspalt in Umfangsrichtung angeordnet sind, und Nuten aufweist, die zwischen Zähnen gebildet und mit gleicher Teilung in Umfangsrichtung angeordnet sind, wobei die Statorwicklungen mehrere Phasen umfassen und durch die Nuten hindurch gewickelt sind;wobei:der Rotorkern eine zylindrische Außenoberfläche aufweist, die dem Stator über einen Luftspalt derart gegenüberliegt, dass der Luftspalt eine im Wesentlichen gleichbleibende Abmessung zwischen dem Rotorkern und jedem der Zähne aufweist,dadurch gekennzeichnet, dassdie Anzahl k von Zähnen je magnetischer Pol entsprechend folgender Gleichung eingestellt istworin m die Anzahl von Phasen der Statorwicklungen bezeichnet, n die Anzahl der Zähne je magnetischem Pol und je Phase bezeichnet, und wobei n eine positive Zahl ist und j eine Zahl bezeichnet, welche 0≤j<n ist;wobei, wenn die Anzahl k ungeradzahlig ist und eine Mittellinie, welche durch jeweils einen der magnetischen Pole verläuft, mit der Mitte einer umfangsmäßigen Breite eines der Zähne in der Umfangsrichtung zusammenfällt, der Permanentmagnet des magnetischen Pols eine erste Ecke aufweist, welche am nächsten zum Stator liegt und vor der Mittellinie in einer Drehrichtung des Rotors gelegen ist, die Zähne einen Zahn enthalten, welcher am nächsten zu der ersten Ecke liegt und welcher als ein erster Zahn bezeichnet ist, der Permanentmagnet des magnetischen Pols eine zweite Ecke aufweist, welche am nächsten zum Stator gelegen ist und nach der Mittellinie mit Bezug auf die Drehrichtung gelegen ist und die Zähne einen Zahn enthalten, welcher am nächsten zu der zweiten Ecke gelegen ist und welcher als ein zweiter Zahn zu bezeichnen ist;wobei die erste Ecke so angeordnet ist, dass sie zwischen einer Mittellinie, welche durch die Mitte einer umfangsmäßigen Seite des ersten Zahnes geht und einer ersten Linie gelegen ist, welche durch eine Frontseite des Säulenabschnittes des ersten Zahnes mit Bezug auf die Drehrichtung gelegen ist; undwobei die zweite Ecke so angeordnet ist, dass sie zwischen einer Mittellinie, welche durch eine Mitte einer umfangsmäßigen Breite des zweiten Zahnes verläuft und einer zweiten Linie gelegen ist, welche durch eine rückwärtige Seite des Säulenabschnitts des zweiten Zahnes mit Bezug auf die Drehrichtung gelegen ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor, welcher für verschiedene Bauarten von bürstenlosen Motoren zum Gebrauch in der Industrie, in Haushaltsgeräten und Fahrzeugen geeignet ist, und insbesondere betrifft die Erfindung einen Elektromotor, welcher zum Antrieb von Kompressoren für Fahrzeuge und für die Verwendung als Servomotor für Fahrzeuge geeignet ist.
Zugehöriger Stand der Technik
In neuerer Zeit neigen Elektromotoren, bei denen Permanentmagnete als magnetische Pole eingesetzt werden, aufgrund der Erhöhung der magnetischen Eigenschaften dazu, dass sie an einer gezahnten Drehmomentkennlinie leiden. In dieser Hinsicht wird eine Technik der Gestaltung der Form der magnetischen Pole in die Praxis umgesetzt, um die gezahnte Drehmomentcharakteristik zu vermindern. Eine solche Technik erhöht jedoch Probleme im Zusammenhang mit einer Hochpräzisionspresstechnik und der Erzeugung einer hohen Ausschussrate.
Das Patentdokument JP 2011 - 50 216 A offenbart eine Technik der Reduzierung der gezahnten Drehmomentkurvencharakteristik und der Drehmomentwelligkeit unter Verwendung einer spezifischen Anordnung der magnetischen Pole eines Rotors mit Bezug auf die Zähne des Stators. Gemäß dieser Technik besteht ein magnetischer Pol aus zwei Permanentmagneten, welche in V-Form angeordnet sind. Die beiden Permanentmagneten, welche einen magnetischen Pol bilden, sind in einem Bereich angeordnet, welcher durch die Mittellinien der jeweiligen zweiten Zähne definiert ist, die sich zur linken und zur rechten des Zahnes befinden, welcher der Mitte des magnetischen Pols gegenübersteht.
Die in der JP 2011 - 50 216 A offenbarte Technik hat jedoch den Hauptzweck der Verminderung der Drehmomentwelligkeit und hat nur verhältnismäßig niedrigen Einfluss auf die Verminderung der gezahnten Drehmomentcharakteristik. Weiter ist diese Technik nur auf eine Art von Motoren anwendbar, bei welcher ein magnetischer Pol aus zwei Permanentmagneten (V-förmige Anordnung) zusammengesetzt ist.
Weiterer Stand der Technik ist in der US 6 847 144 B1 , der US 2009 / 0 224 623 A1 und der US 2004 / 0 245 880 A1 offenbart.
Für den Oberbegriff des Anspruchs 1 ist der Stand der Technik relevant, der in der US 7 425 786 B2 offenbart ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde im Lichte der zuvor beschriebenen Umstände geschaffen und hat die Aufgabe, die gezahnte Drehmomentcharakteristik nicht nur in Elektromotoren zu minimieren, welche Permanentmagnete aufweisen, die in einer V-Anordnung vorgesehen sind, sondern auch in beliebigen Elektromotoren, welche Permanentmagnete als Magnetpole verwenden.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen sind Gegenstand der weiteren Ansprüche.
Zum Erreichen des obigen Zieles wird gemäß einem ersten beispielhaften Teilaspekt der Offenbarung der vorliegenden Erfindung ein Elektromotor geschaffen, welcher Folgendes umfasst: einen Rotor, welcher Magnetpole aufweist, die aus Permanentmagneten gebildet sind; und einen Stator, welcher einen Statorkern aufweist, der so angeordnet ist, dass ein Luftspalt zwischen Rotor und Stator gebildet ist, wobei der Stator eine radiale Richtung und eine Umfangsrichtung aufweist und der Statorkern ein rückwärtiges Joch, radial von dem rückwärtigen Joch wegstehende Zähne mit gleicher Teilung in der Umfangsrichtung sowie Nuten aufweist, welche jeweils zwischen zwei der Zähne gebildet und mit gleichen Teilungen in der Umfangsrichtung gelegen sind, wobei die Statorwicklungen in die Nuten gewickelt sind. Jeder der Zähne enthält einen sich radial erstreckenden Stützenteil, wobei die Anzahl der Zähne je magnetische Pol k auf k=m·n-(n-j) eingestellt ist, worin m die Anzahl der Phasen der Statorwicklungen bedeutet, n die Anzahl der Zähne je Pol und je Phase bedeutet, wobei n eine positive Zahl ist und j eine Zahl bedeutet, welche durch 0≤j<n definiert ist. Wenn die Zahl k ungeradzahlig ist und eine Mittellinie, welche durch jeden der Pole verläuft, mit einem Zentrum einer umfangsmäßigen Breite eines der Zähne in Umfangsrichtung zusammenfällt, dann hat der Pol eine erste Ecke, welche am nächsten zu dem Stator liegt und vor der Mittellinie in Drehrichtung des Rotors gelegen ist, die Zähne enthalten einen Zahn, welcher am nächsten zur ersten Ecke gelegen ist und dieser Zahn wird als der erste Zahn definiert, der Pol hat eine zweite Ecke, welche am nächsten zum Stator gelegen ist und nach der Mittellinie in Drehrichtung gelegen ist, und die Zähne enthalten einen Zahn, welcher am nächsten zu der zweiten Ecke gelegen ist, wobei dieser Zahn als ein zweiter Zahn definiert wird. Die erste Ecke liegt so, dass sie zwischen einer Mittellinie, welche durch ein Zentrum einer umfangsmäßigen Breite des ersten Zahnes verläuft, und einer ersten Linie, welche durch eine vordere Kante des Säulenabschnittes des ersten Zahnes in der Drehrichtung verläuft, gelegen ist. Die zweite Ecke ist so positioniert, dass sie zwischen einer Mittellinie, welche durch eine Mitte einer umfangsmäßigen Breite des zweiten Zahnes und einer zweiten Linie gelegen ist, welche durch eine rückwärtige Kante des Stützenabschnittes es zweiten Zahnes in Drehrichtung gelegen ist.
Wenn also der Rotor in einem Zustand gedreht wird, in welchem keine Leistung zur Statorwicklung geführt wird, dann wird der Verkettungsfluss in dem drehrichtungsmäßig vorderen Bereich der Drehung des Rotors erhöht, während der Verkettungsfluss in dem drehrichtungsmäßig hinteren Bereich bei der Drehung des Rotors abgeschwächt wird. Mit anderen Worten, wenn der Rotor durch eine äußere Kraft mit einer konstanten Geschwindigkeit in einem Zustand gedreht wird, in welchem keine Leistung zugeführt wird, werden die Phasen zwischen dem drehrichtungsmäßig vorderen und hinteren Bereich in den zeitlichen Änderungen des Drehmoments versetzt. Wenn also das in dem drehrichtungsmäßig vorderen Bereich erzeugte Drehmoment maximiert wird, wird das in dem drehrichtungsmäßig hinteren Bereich erzeugte Drehmoment minimiert. Das kombinierte Drehmoment also, d.h. das in dem drehrichtungsmäßig vorderen Bereich in Kombination mit dem drehrichtungsmäßig hinteren Bereich erzeugte Drehmoment wird reduziert, wodurch eine Zahnung der Drehmomentcharakteristik vermindert wird.
Gemäß einem zweiten Teilaspekt des Elektromotors nach der vorliegenden Erfindung ist die Anzahl der Zähne k eine gerade Zahl. Weiter ist dafür Sorge getragen, dass die erste Ecke zwischen der Mittellinie, welche durch die Mitte des ersten Zahnes relativ zu der Breitenrichtung verläuft, und der Endlinie gelegen ist, welche von der drehrichtungsmäßig vorderen Längskante des Stützenabschnittes des ersten Zahnes sich erstreckt. Auch bezüglich der zweiten Ecke ist dafür Sorge getragen, dass sie zwischen der Mittellinie, welche durch die Mitte des zweiten Zahns mit Bezug auf die Breitenrichtung verläuft, und der Endlinie gelegen ist, welche sich von der drehrichtungsmäßig rückwärtigen Längskante des Säulenabschnitts des zweiten Zahns aus erstreckt. Diese Positionierung der Ecken wird vorgesehen, wenn die positionsmäßige Beziehung zwischen dem Rotor und dem Stator derart ist, dass die Mittellinie des magnetischen Pols mit der Mitte eines Raums zwischen bestimmten Zähnen mit Bezug auf die Breitenrichtung übereinstimmt.
Gemäß dem zweiten Teilaspekt werden ebenso die Vorteile ähnlich wie die gemäß dem ersten Teilaspekt der Erfindung erzielt.
Gemäß einem dritten Teilaspekt des Elektromotors nach der vorliegenden Erfindung ist der Rotor durch koaxiales Stapeln zweiter Rotorblöcke in der Axialrichtung konfiguriert, wobei die beiden Rotorblöcke jeweilige Magnetpole aufweisen. Die beiden Rotorblöcke sind so gestapelt, dass die Magnetpole eines Rotorblocks in Umfangsrichtung gegenüber denjenigen des anderen Motorblocks versetzt sind. Mit anderen Worten, dem Rotor wird eine abgestufte Schrägung erteilt.
Weiter erfüllen die ersten und zweiten Ecken jedes Magnetpols eines der Rotorblöcke die Anordnungsbedingungen ähnlich wie diejenigen jedes Magnetpols des Rotors gemäß dem ersten Teilaspekt.
Somit erreicht ein Rotor mit der genannten abgestuften Schrägung die Vorteile ähnlich denjenigen des Rotors gemäß dem ersten Teilaspekt.
Gemäß einem vierten Teilaspekt des Elektromotors nach der vorliegenden Erfindung ist der Rotor durch koaxiales Stapeln zweier Rotorblöcke in der Axialrichtung gebildet, wobei die Rotorblöcke jeweils Magnetpole aufweisen. Die beiden Rotorblöcke sind so gestapelt, dass die Magnetpole eines Rotorblockes lagemäßig in Umfangsrichtung gegenüber denjenigen des anderen Rotorblocks versetzt sind. Mit anderen Worten, der Rotor weist eine gestufte Schrägung auf.
Weiter erfüllen die ersten und zweiten Ecken jedes Magnetpols eines der Rotorblöcke die Anordnungsbedingungen ähnlich wie diejenigen jedes Magnetpols des Rotors gemäß dem zweiten Teilaspekt der Erfindung.
Somit erreicht ein Rotor mit dieser abgestuften Schrägung auch die Vorteile ähnlich denjenigen des Rotors gemäß dem zweiten Teilaspekt.
Gemäß einem fünften Teilaspekt des Elektromotors der vorliegenden Erfindung besitzt jeder der Pole zwei Permanentmagnete, wobei einer der Permanentmagnete als erster Magnet definiert ist und vor der Mittellinie angeordnet ist, der andere der Permanentmagnete als der zweite Magnet definiert ist und nach der Mittellinie angeordnet ist, die erste Ecke als eine Ecke des ersten Magneten vorgesehen ist, wobei diese Ecke am nächsten zu dem Stator vor der Mittellinie liegt und die zweite Ecke als eine Ecke des zweiten Magneten vorgesehen ist, wobei diese Ecke am Stator nach der Mittellinie liegt. Weiter hat gemäß einem sechsten Teilaspekt des Elektromotors nach der vorliegenden Erfindung der erste Magnet eine dritte Ecke, welche so angeordnet ist, dass sie in einer Richtung senkrecht zur Magnetisierungsrichtung des ersten Magneten der ersten Ecke gegenüberliegt und sich im rückwärtigen Umfangsbereich befindet, der zweite Magnet eine vierte Ecke aufweist, welche so angeordnet ist, dass sie der zweiten Ecke in einer Richtung senkrecht zur Magnetisierungsrichtung des zweiten Magneten gegenüberliegt und in dem vorderen Umfangsbereich angeordnet ist und die dritten und vierten Ecken in der radialen Richtung den nicht-magnetischen Bereichen gegenüberstehen, welche in zwei der Nuten gebildet sind, wobei die zwei Nuten in Umfangsrichtung vor und nach dem Zahn gelegen sind, durch welchen die Mittellinie verläuft.
Wenn also ein Magnetpol aus zwei Permanentmagneten zusammengesetzt ist, werden harmonische Komponenten in dem kombinierten Drehmoment vermindert, d.h., dem Drehmoment, welches in dem drehmäßig vorderen Bereich erzeugt wird, kombiniert mit dem Drehmoment, welche in dem drehmäßig rückwärtigen Bereich erzeugt wird. Wenn insbesondere eine gestufte Schrägung bei dem Motor angewendet wird, dann werden harmonische Komponenten wirksamer aus dem kombinierten Drehmoment der beiden Rotorblöcke verbannt.
Gemäß einem siebten Teilaspekt des Elektromotors nach der vorliegenden Erfindung besitzt jeder der Pole zwei Permanentmagnete, von denen einer als ein erster Magnet definiert ist, der in dem vorderen Umfangsbereich angeordnet ist, und der andere als ein zweiter Permanentmagnet definiert ist, der in dem rückwärtigen Umfangsbereich angeordnet ist. Die erste Ecke ist als Ecke des ersten Permanentmagneten vorgesehen, welche am nächsten zum Stator im vorderen Umfangsbereich gelegen ist und die zweite Ecke ist als eine Ecke des zweiten Permanentmagneten vorgesehen, welche am nächsten zum Stator im Rückwärtigen Umfangsbereich gelegen ist. In entsprechender Weise hat als achter Teilaspekt des Elektromotors der vorliegenden Erfindung der erste Magnet eine dritte Ecke, welche so angeordnet ist, dass sie der ersten Ecke in einer Vertikalrichtung zur Magnetisierungsrichtung gegenüberliegt und im rückwärtigen Umfangsbereich gelegen ist, der zweite Magnet hat eine vierte Ecke, welche so angeordnet ist, dass sie der zweiten Ecke in einer Vertikalrichtung zur Magnetisierungsrichtung des zweiten Magneten gegenüberliegt und im vorderen Umfangsbereich gelegen ist und die dritten und vierten Ecken liegen in der Radialrichtung zwei der Zähne gegenüber, welche zwei Zähne in Umfangsrichtung vor und nach der Nut gelegen sind, durch welche die Mittellinie verläuft.
Somit werden in entsprechender Weise, wie im vorausgehenden Fall dann, wenn ein magnetischer Pol aus zwei Permanentmagneten zusammengesetzt ist, harmonische Komponenten im kombinierten Drehmoment vermindert, d.h., dem Drehmoment, welches in dem drehrichtungsmäßig vorderen Bereich erzeugt wird, kombiniert mit dem Drehmoment, welches in dem drehrichtungsmäßig hinteren Bereich erzeugt wird. Insbesondere werden, wenn eine abgestufte Schrägung bei dem Rotor angewendet wird, harmonische Komponenten wirkungsvoller im kombinierten Drehmoment der beiden Rotorblöcke vermindert.
Gemäß einem neunten Teilaspekt des Elektromotors der vorliegenden Erfindung besitzt jeder der Zähne einen Flanschabschnitt, welcher oben an dem Stützenabschnitt gebildet ist und die beiden Stützenabschnitte, welche gegenseitig benachbart zueinander sind, werden in der Umfangsrichtung durch einen Abstand getrennt, welcher größer ist als ein Betrag des Luftspaltes, welcher zwischen dem Stator und dem Rotor gebildet ist. Somit werden drei Effekte, welche durch den Elektromotor erzielt werden, abgeglichen, wobei die drei Effekte die Vergrößerung des Ausgangs des Elektromotors, die Leichtigkeit der Erzeugung der Statorwicklung um den Statorkern und die Verminderung einer gezahnten Charakteristik des Drehmoments sind.
Gemäß einem zehnten Teilaspekt des Elektromotors der vorliegenden Erfindung werden die Statorwicklungen als Vollteilungswicklungen ausgeführt. Somit wird eine Drehmomentwelligkeit, welche verursacht wird, wenn Leistung zu der Statorwicklung geführt wird, herabgesetzt.
Figurenliste
In den begleitenden Zeichnungen stellen dar:

1 eine Abbildung, welche den Aufbau eines Elektromotors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2A eine teilweise vergrößerte Ansicht des Elektromotors;
2B eine ausschnittsweise vergrößerte Ansicht des in 2A gezeigten Elektromotors;
3A ein Wellenformdiagramm, welches die zeitlichen Änderungen des Verkettungsflusses darstellt, der in dem Elektromotor erzeugt wird;
3B ein Wellenformdiagramm, welches die zeitlichen Änderungen des Drehmoments darstellt, wenn keine elektrische Leistung zu der Statorwicklung geführt wird;
4A eine ausschnittsweise vergrößerte Ansicht eines Elektromotors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4B eine ausschnittsweise vergrößerte Ansicht des in 4A dargestellten Elektromotors;
5A eine ausschnittsweise vergrößerte Ansicht eines Elektromotors gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5B eine ausschnittsweise vergrößerte Ansicht des in 5A dargestellten Elektromotors;
6A eine ausschnittsweise vergrößerte Ansicht eines Elektromotors gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6B eine ausschnittsweise vergrößerte Ansicht des Elektromotors, welcher in 6A gezeigt ist;
7 eine umfangsmäßige Abwicklungsansicht eines Stators und eines Rotors gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8A eine ausschnittsweise vergrößerte Ansicht eines Elektromotors gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8B eine ausschnittsweise vergrößerte Ansicht des Elektromotors, welcher in 8A gezeigt ist;
9A ein Wellenformdiagramm, welches zeitliche Änderungen des Drehmoments im drehrichtungsmäßig vorderen und hinteren Bereich zeigt, wenn keine elektrische Leistung zugeführt wird, sowie zeitliche Änderungen des kombinierten Drehmoments, d.h., des Drehmoments im Vorwärtsbereich kombiniert mit dem Drehmoment im Rückwärtsbereich, gemäß der sechsten Ausführungsform;
9B eine vergrößerte Ansicht des in 9A dargestellten kombinierten Drehmoments;
10 eine perspektivische Ansicht, welche einen Rotor mit einer abgestuften Schrägung gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
11 ein Wellenformdiagramm, welches das kombinierte Drehmoment, d.h. das in einem der beiden Rotorblöcke erzeugte Drehmoment, kombiniert mit dem Drehmoment zeigt, welches in dem anderen der beiden Rotorblöcke bei der abgestuften Schrägung erzeugt wird, gemäß der siebten Ausführungsform und gemäß einem Vergleichsbeispiel;
12A eine ausschnittsweise vergrößerte Ansicht eines Elektromotors gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
12B eine ausschnittsweise vergrößerte Ansicht des in 12A dargestellten Elektromotors.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen werden nachfolgend verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
[Erste Ausführungsform]
Unter Bezugnahme auf die 1, 2A und 2B sowie 3A und 3B wird ein Elektromotor 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Der Elektromotor 1 ist ein dreiphasiger Wechselstrommotor mit einem drehbar gelagerten Rotor 2 und einem Stator 2. Der Stator 3 ist längs des Aussenumfangs des Rotors 2 angeordnet, so dass er den Rotor 2 umgibt.
Der Rotor 2 ist von der Permanentmagnetbauart und enthält einen Rotorkern 5 sowie Permanentmagneten 8. Der Rotorkern 5 ist aus gestapelten elektromagnetische Platten gebildet, welche in eine zylindrische Form gebracht sind. Die Permanentmagneten 8 passen in jeweilige Permanentmagnet-Einsetzöffnungen 6, welche in dem Rotorkern 5 gebildet sind, um magnetische Pole auszubilden. Der Rotorkern 5 besitzt eine Mitte, in welcher eine Welle 9 befestigt ist, um als Rotationswelle zu dienen.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist ein Pol aus einem Permanentmagneten 8 gebildet. Die Permanentmagneten 8, bei welchen die Nordpole nach außen gerichtet sind, wechseln sich in Umfangsrichtung mit Permanentmagneten 8 ab, bei denen die Südpole nach auswärts gerichtet sind, wobei ein gleicher Abstand dazwischen vorgesehen ist. In der vorliegenden Ausführungsform beträgt die Anzahl p von Polen zehn (p=10).
Jeder Permanentmagnet 8 ist eine Platte mit rechteckigem axialen Querschnitt. Wie aus der axialen Richtung AX des Rotors 2 zu ersehen ist, entspricht die Richtung der kürzeren Abmessung des Magneten 8 der Magnetisierungsrichtung. Mit anderen Worten, die Permanentmagneten 8 sind so angeordnet, dass die Magnetisierungsrichtung längs der Radialrichtung RA (siehe 2A) vorgesehen ist.
Der Stator 3 enthält einen Statorkern 12 und eine Statorwicklung 14. Der Statorkern 12 ist gegenüber dem Rotor 2 angeordnet, wobei ein Luftspalt 11 dazwischenliegt. Die Statorwicklung 14 ist um den Statorkern 12 gewickelt. Wenn dreiphasiger Wechselstrom durch die Statorwicklung 14 geleitet wird, dann wird ein Drehfeld ausgebildet, und der Rotor 2, der sich in dem rotierenden Feld befindet, dreht sich.
Der Stator 3 wird durch Wickeln der Statorwicklung 14, welche als Dreiphasenwicklung ausgebildet ist, um den Statorkern 12 gebildet, der aus zylindrisch geformten gestapelten elektromagnetischen Stahlplatten aufgebaut ist. Eine verteilte Wicklung über die volle Teilung wird beim Wickeln der Statorwicklung 14 um den Statorkern 12 verwendet.
Der Statorkern 12 enthält eine Anzahl von Zähnen 15 und einen hinteren Jochabschnitt 16. Die Anzahl von Zähnen 15 hat jeweilige Enden, welche dem Rotor 2 gegenüberstehen. Der hintere Jochabschnitt 16 verbindet die Zähne 15 magnetisch miteinander, um den Außenumfang des Elektromotors 1 zu bilden.
Jeder Raum, der durch zwei zueinander benachbarte Zähne 15 und den hinteren Jochabschnitt 16 begrenzt ist, dient als eine Nut 17, in welcher die Statorwicklung 14 angeordnet wird, wenn diese um den Statorkern 12 gewickelt wird.
In der vorliegenden Ausführungsform sind 60 Zähne 15 längs des Umfanges mit jeweils gleicher Beabstandung angeordnet. Im Einzelnen ist die Gesamtzahl von Zähnen gleich sechzig, die Zahl der Wicklungsphasen m ist drei und die Zahl p von Magnetpolen ist zehn. Demgemäß ist die Zahl n je Pol und je Phase gleich zwei.
Jeder Zahn 15 enthält einen Säulenabschnitt oder Stützenabschnitt 18 und einen Flanschabschnitt 19. Der Stützenabschnitt 18 ist mit der Statorwicklung 14 bewickelt. Der Flanschabschnitt 19 ist an einem Ende des Stützenabschnitts 18 so vorgesehen, dass er dem Rotor 2 gegenübersteht. Der Flanschabschnitt 19 erstreckt sich von den äußeren Seiten in der Drehrichtung, d.h. der Umfangsrichtung CR des Motors (siehe 1). Der Stützenabschnitt 18 erstreckt sich von dem rückwärtigen Jochabschnitt 16 aus nach einwärts und besitzt auf seinen beiden Seiten mit Bezug auf die Breitenrichtung sich verjüngende Oberflächen 18a. Mit anderen Worten, der Stützenabschnitt 18 ist so ausgebildet, dass er, wenn er sich nach einwärts erstreckt in seiner Breite (in der Drehrichtung) schmäler wird. Der vorstehende Endabschnitt des Stützenabschnitts 18 hat eine größere Breite, um den Flanschabschnitt 19 zu bilden.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Zahl k der Zähne, welche einem magnetischen Pol gegenüberstehen, d.h., die Anzahl von Zähnen je Magnetpol durch folgenden Ausdruck gegeben: $k = m \times n - (n - j)$
worin j eine Zahl ist, welche eine ganze Zahl gleich oder größer als null ist und kleiner ist als n (0≤j<n).
Wie oben erwähnt ist bei der vorliegenden Ausführungsform die Anzahl m von Phasen der Statorwicklung 14 gleich drei, und die Anzahl n von Zähnen je Pol und je Phase ist zwei. Weiter sind bei der vorliegenden Ausführungsform der Rotor 2 und der Stator 3 durch Einstellen der ganzen Zahl j auf 1 ausgebildet, so dass die Anzahl k von Zähnen, welche einem Pol gegenüberstehen, fünf wird. Somit ist die Zahl k, welche einem Pol gegenübersteht, eine ungerade Zahl.
Unter Bezugnahme auf die 2A und 2B wird nachfolgend beschrieben, wie die Permanentmagneten 8 angeordnet sind. 2A ist eine ausschnittsweise vergrößerte Ansicht des Elektromotors 1 und 2B ist eine ausschnittsweise vergrößerte Ansicht des Elektromotors 1 gemäß der Darstellung von 2A. Wie in 2A gezeigt werden die fünf Zähne 15, welche jedem Permanentmagneten 8 gegenüberstehen, als ein Zahn 15a, ein Zahn 15b, ein Zahn 15c, ein Zahn 15d und ein Zahn 15e bezeichnet. Die Anordnung der Permanentmagneten 8 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird verwirklicht, wenn die lagemäßige Beziehung zwischen dem Rotor 2 und dem Stator 3 derart ist, dass eine Mittellinie O jedes Permanentmagneten 8 mit der Mitte des Zahnes 15a mit Bezug auf die Breitenrichtung zusammenfällt.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Mittellinie 0 eines magnetischen Pols eine Linie, welche die Mitte jedes Permanentmagneten 8 mit Bezug auf seine Längsrichtung (welche senkrecht zur Magnetisierungsrichtung ist) und dem Drehungsmittelpunkt des Rotors 2 verbindet.
Wie in 2A gezeigt ist, steht der Permanentmagnet 8, welcher einen magnetischen Pol bildet, der Frontfläche des Zahnes 15a gegenüber. In dem Permanentmagneten 8 wird die Ecke, welche drehungsmäßig vor der Mittellinie 0 und am nächsten zu dem Stator 3 liegt, als eine erste Ecke 21 bezeichnet, und die Ecke, die drehungsmäßig hinter der Mittellinie 0 und am nächsten zu dem Stator 3 gelegen ist, wird als eine zweite Ecke 23 bezeichnet. Der Zahn 15 am nächsten zur ersten Ecke 21 wird als ein erster Zahn 22 bezeichnet und der Zahn 15, welcher am nächsten zu der zweiten Ecke 23 liegt, wird als ein zweiter Zahn 24 bezeichnet.
In der vorliegenden Ausführungsform ist der Zahn 15a in der Mitte der fünf Zähne 15 gelegen. Weiter ist der Zahn 15b der erste Zahn in Drehrichtung vor der Mittellinie 0. Der Zahn 15c ist der zweite Zahn drehrichtungsmäßig vor der Mittellinie 0. Der Zahn 15d ist der erste Zahn drehrichtungsmäßig hinter der Mittellinie 0. Der Zahn 15e ist der zweite Zahn drehrichtungsmäßig hinter der Mittellinie 0. Somit entspricht der Zahn 15c dem ersten Zahn 22, der am nächsten zu der ersten Ecke 21 gelegen ist. Auch entspricht der Zahn 15e dem zweiten Zahn 24, der am nächsten zur zweiten Ecke 23 gelegen ist.
In der vorliegenden Ausführungsform wird die folgende Positionierung der Ecken eingestellt, wenn die lagemäßige Beziehung zwischen dem Rotor 2 und dem Stator 3 diejenige ist, welche in 2A gezeigt ist, wobei die Mittellinie 0 des Poles mit der Mitte des Zahnes 15a mit Bezug auf die Breitenrichtung zusammenfällt. Im Einzelnen wird bei der Positionierung, wie sie in 2B gezeigt ist, sichergestellt, dass die erste Ecke 21 des Permanentmagneten 8 zwischen einer Mittellinie P und einer Endlinie Q (welche als eine erste Linie bezeichnet wird) gelegen ist, welche virtuell im Raum bestimmt werden. Außerdem wird sichergestellt, dass, wie in 2B gezeigt, die zweite Ecke 23 des Permanentmagneten 8 zwischen einer Mittellinie R und einer Endlinie S (welche als eine zweite Linie bezeichnet wird) gelegen ist, welche virtuell im Raum definiert werden.
In diesem Falle ist die Mittellinie P eine Linie, welche durch die Mitte des ersten Zahnes 22 mit Bezug auf die Breitenrichtung geht, d.h., eine Linie, welche die Mitte des ersten Zahnes 22 und den Drehungsmittelpunkt des Rotors 2 verbindet. Die Endlinie Q ist eine Linie, welche sich längs der in Drehrichtung vorderen geschrägten Oberfläche 12a des Stützenbereichs 18 des ersten Zahns 22 erstreckt. Die Mittellinie R ist eine Linie, welche durch die Mitte des zweiten Zahnes 42 mit Bezug auf die Breitenrichtung erstreckt, d.h., eine Linie, welche die Mitte des zweiten Zahnes 24 und den Drehungsmittelpunkt des Rotors 2 verbindet. Die Endlinie S ist eine Linie, welche sich längs der in Drehrichtung hinteren geschrägten Oberfläche 12a des Stützenabschnittes 18 des zweiten Zahnes 24 erstreckt.
Wie aus 2B zu ersehen ist, hat jeder Permanentmagnet 8 eine Seitenoberfläche 27 auf der Statorseite mit Bezug auf die Magnetisierungsrichtung, und hat Seitenflächen 28, welche sich in der Magnetisierungsrichtung erstrecken. In der vorliegenden Ausführungsform schneiden die Mittellinien P und R die Seitenflächen 27, währen die Endlinien Q und F die jeweiligen Seitenflächen 28 schneiden.
Als Beispiel werden nachfolgend Änderungen des Verkettungsflusses und Änderungen des Drehmoments, welche die Änderungen des Verkettungsflusses begleiten, beschrieben. In dem Beispiel wird der Rotor 2 im Gegenuhrzeigersinn (drehrichtungsmäßig in Vorwärtsrichtung) durch eine äußere Kraft mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit von einem Zustand aus gedreht, in welchem die Lagebeziehung, wie sie in 2A gezeigt ist, verwirklicht ist, wobei keine Leistung zu der Statorwicklung 14 geführt wird.
Mit Bezug auf die Mittellinie 0 wird der Bereich in der drehrichtungsmäßigen Vorwärtsrichtung als der Vorwärtsbereich 30 bezeichnet und der Bereich in der drehrichtungsmäßig rückwärtigen Richtung wird als der rückwärtige Bereich 31 bezeichnet. Im Einzelnen überdeckt der Vorwärtsbereich 30 einen Winkelbereich von der Mittellinie 0 zu einer Mittellinie X des Zahns 15, welcher dem ersten Zahn 22 benachbart ist und drehrichtungsmäßig davor liegt. Der rückwärtige Bereich 31 überdeckt einen Winkelbereich von der Mittellinie 0 zu einer Mittellinie Y des Zahns 15, welcher benachbart zu dem zweiten Zahn gelegen ist, der drehrichtungsmäßig dahinter liegt.
3A ist ein Wellendiagramm, welches die zeitlichen Änderungen des Verkettungsflusses darstellt, welcher in dem Elektromotor 1 erzeugt wird. 3B ist ein Wellendiagramm, welche die zeitlichen Änderungen des Drehmoments darstellt, wenn keine elektrische Leistung zu der Statorwicklung 14 geführt wird.
Die durchgezogene Linie der Wellenform von 3A zeigt die zeitlichen Änderungen des Verkettungsflusses an, der in dem Vorwärtsbereich 30 erzeugt wird. In dem in 2A gezeigten Zustand stehen die Zähne 15a und 15b in dem Vorwärtsbereich 30 dem Permanentmagneten 8 vollständig gegenüber. Eine kleine Umdrehung im Gegenuhrzeigersinn (Vorwärtsdrehung) des Rotors 2 in diesen Zustand ändert nicht den im Statorkern 12 umlaufenden Flussinhalt.
Andererseits steht der Zahn 15c nur teilweise dem Permanentmagneten 8 gegenüber. Der Flussinhalt in diesem Zustand entspricht im Wesentlichen der Hälfte eines minimalen Flussinhaltes oder einem maximalen Flussinhalt. Der Flussinhalt wird maximiert, wenn der Rotor 2 in eine Position gedreht wird, in welcher der Zahn 15c dem Permanentmagneten 8 vollständig gegenübersteht.
Aus diesem Grunde erhöht in dem Vorwärtsbereich 30 eine leichte Drehung des Rotors 2 im Gegenuhrzeigersinn aus dem in 2A gezeigten Zustand heraus einen Bereich, in welchem der Zahn 15c dem Permanentmagneten 8 gegenübersteht. Demgemäß wird der Verkettungsfluss, welcher im Statorkern 12 umläuft, erhöht. Somit resultieren die zeitlichen Änderungen des Verkettungsflusses, welcher in dem Vorwärtsbereich 30 erzeugt wird, in einer Wellenform, wie sie durch die durchgezogene Linie in 3A dargestellt ist.
Die Größe des Drehmoments (des Drehmoments gezahnter Charakteristik oder des pulsierenden Moments), welches zwischen dem Rotor 2 und dem Stator 3 wirksam ist, wenn keine Leistung zugeführt wird, ist in Proportionalität zu der winkelmäßigen Neigung in der Drehrichtung, d.h., der winkelmäßigen Differenzierung des Verkettungsflusses. In der vorliegenden Ausführungsform wird, da der Rotor 2 mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit gedreht wird, das Drehmoment proportional zur zeitlichen Differentiation des Verkettungsflusses. Demgemäß sind, wie in 3B durch die durchgezogene Linie gezeigt ist, die zeitlichen Änderungen des Drehmoments in Synchronismus mit den zeitlichen Änderungen des Verkettungsflusses, wie durch die durchgezogene Linie der Wellenform von 3A deutlich gemacht ist. Somit sind die zeitlichen Änderungen des Drehmoments im Wesentlichen eine sinusförmige Pulsierung.
In dem rückwärtigen Bereich 31 stehen die Zähne 15a und 15d dem Permanentmagneten 8 vollständig gegenüber. Demgemäß ändert eine kleine Drehung des Rotors 2 im Gegenuhrzeigersinn in diesem Zustand nicht den Flussinhalt, welcher im Statorkern 12 umläuft. Andererseits steht der Zahn 15e nur teilweise dem Permanentmagneten 8 gegenüber. Der Flussinhalt in diesem Zustand entspricht im Wesentlichen der Hälfte eines minimalen Flussinhaltes oder eines maximalen Flussinhaltes. Der Flussinhalt wird minimiert, wenn der Rotor 2 in eine Position gedreht wird, in welcher der Zahn 15e vollständig außerhalb des Bereichs des Permanentmagneten 8 zu liegen kommt.
Aus diesem Grunde vermindert in dem rückwärtigen Bereich 31 eine geringe Drehung des Rotors 2 im Gegenuhrzeigersinn aus dem in 2A gezeigten Zustand heraus den Bereich, in welchem der Zahn 15e den Permanentmagneten 8 gegenübersteht. Demgemäß wird der Verkettungsfluss, der in dem Statorkern 12 umläuft, herabgesetzt. Somit resultieren die zeitlichen Änderungen des Verkettungsflusses, welcher in dem rückwärtigen Bereich 31 erzeugt wird, in einer Wellenform, wie sie durch die strichpunktierte Linie von 3A dargestellt ist.
Wie durch die strichpunktierte Wellenform von 3B gezeigt ist, sind also die zeitlichen Änderungen des Drehmoments in Synchronismus mit den zeitlichen Änderungen des Verkettungsflusses, wie er in 3A durch die strichpunktierte Wellenform dargestellt ist. Die zeitlichen Änderungen des Drehmoments sind also im Wesentlichen eine sinusförmige Pulsierung.
Wie aus 3B ersichtlich ist, besteht im Wesentlichen eine Gegenphasenbeziehung zwischen der Drehmomentpulsation (durchgezogene Linie), welche in dem Vorwärtsbereich 30 erzeugt wird, und der Drehmomentpulsation (unterbrochene Linie), welche in dem rückwärtigen Bereich 31 erzeugt wird. Wenn insbesondere der Rotor 2 mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit durch eine äußere Kraft gedreht wird, wobei keine Leistung zugeführt wird, dann sind die Phasen zwischen dem Vorwärtsbereich 30 und dem rückwärtigen Bereich 31 in den zeitlichen Änderungen des Drehmoments versetzt. Wenn also das im Vorwärtsbereich 30 erzeugte Drehmoment maximal gemacht wird, dann wird das in dem rückwärtigen Bereich 31 erzeugte Drehmoment minimal.
In dieser Weise wird das kombinierte Drehmoment, d.h., das Drehmoment in dem Vorwärtsbereich 30 kombiniert mit dem Drehmoment in dem rückwärtigen Bereich 31, reduziert, wodurch eine Drehmomentpulsation vermindert wird.
Weiter wird auch eine Drehmomentwelligkeit aufgrund der über die volle Teilung gehenden verteilten Wicklungsmethode reduziert, welche bei der Statorwicklung 14 eingesetzt wird.
[Zweite Ausführungsform]
Es sei nun auf die 4A und 4B Bezug genommen, wobei nachfolgend eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben wird, wobei besonderes Augenmerk auf die Unterschiede der ersten Ausführungsform gerichtet sei. In der zweiten Ausführungsform und nachfolgenden Ausführungsformen sowie in den später beschriebenen Modifikationen sind Komponenten, welche identisch oder ähnlich denjenigen in der ersten Ausführungsform sind, mit den gleichen Bezugszahlen versehen, um unnötige Erläuterungen weglassen zu können.
4A ist eine ausschnittsweise vergrößerte Ansicht eines Elektromotors 1 gemäß der zweiten Ausführungsform. 4B ist eine ausschnittsweise vergrößerte Ansicht des in 4A dargestellten Elektromotors 1. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Anzahl A von Zähnen, welche einem Pol gegenüberstehen, eine gerade Zahl.
Im Einzelnen ist die Zahl m von Wicklungsphasen gleich drei, die Anzahl n von Zähnen je Pol und je Phase ist zwei und die Anzahl p von Polen beträgt zehn. In der Formel (1), welche oben angegeben ist, ist die ganze Zahl j gleich null und die Anzahl k von Zähnen, welche einem Pol gegenüberstehen, ist vier.
Unter diesen Bedingungen werden die Position und die Größe des Permanentmagneten 8 so bestimmt, dass, wie in 4B gezeigt, die erste Ecke 21 dazu veranlasst wird, dass sie zwischen der Mittellinie P und der Endlinie Q liegt und es wird sichergestellt, dass die zweite Ecke 23 zwischen der Mittellinie R und der Endlinie S liegt. Diese Positionierung der ersten und zweiten Ecke 21 bzw. 23 wird erreicht, wenn eine Lagebeziehung zwischen dem Rotor 2 und dem Stator 3 derart ist, dass die Mittellinie 0 des Permanentmagneten 8 mit der Mitte eines Zwischenraums zwischen benachbarten Zähnen 15 zusammenfällt (d.h., der Mitte einer bestimmten Nut 17a mit Bezug auf die Breitendimension).
Somit werden die Vorteile ähnlich denjenigen bei der ersten Ausführungsform erreicht.
[Dritte Ausführungsform]
Unter Bezugnahme auf die 5A und 5B wird eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Fokussierung auf die Unterschiede gegenüber der ersten Ausführungsform beschrieben.
5A ist eine ausschnittsweise vergrößerte Ansicht eines Elektromotors 1 gemäß der dritten Ausführungsform. 5B ist eine ausschnittsweise vergrößerte Ansicht des Elektromotors 1, wie er in 5A dargestellt ist. In der vorliegenden Ausführungsform werden für einen Pol zwei Permanentmagnete 8 verwendet. Die beiden Permanentmagnete 8 sind geradlinig aufeinander ausgerichtet, wie aus der Blickrichtung aus der axialen Richtung AX ersichtlich ist. Mit anderen Worten, die beiden Permanentmagneten 8 könnten durch Aufteilung des einzelnen Permanentmagneten 8, welcher einen Pol in der ersten Ausführungsform gebildet hat, in zwei Permanentmagneten erhalten werden.
In diesem Falle ist die Mittellinie 0 des Pols die Linie, welche die Mitte des Zwischenraums zwischen den beiden Permanentmagneten 8, welche einen Pol bilden, und das Drehzentrum des Rotors 2 verbindet.
Von den beiden Permanentmagneten 8, welche einen Pol bilden, wird der eine, welcher drehrichtungsmäßig vorwärts gelegen ist, als ein erster Magnet 8A bezeichnet, und der andere Magnet, welcher drehrichtungsmäßig rückwärts gelegen ist, wird als ein zweiter Magnet 8B bezeichnet. In der vorliegenden Ausführungsform befindet sich die erste Ecke 21, die dem Stator 3 am nächsten liegt, an dem ersten Magneten 8A. Im Einzelnen ist an dem ersten Magneten 8A die erste Ecke 21 drehrichtungsmäßig in der Richtung senkrecht zur Magnetisierungsrichtung vorwärts gelegen und befindet sich gegenüber dem Stator 3. Auch die zweite Ecke 23, welche am nächsten zu dem Stator 3 gelegen ist, befindet sich an dem zweiten Magneten 8B. Im Einzelnen ist an dem zweiten Magneten 8B die zweite Ecke 23 drehrichtungsmäßig rückwärts in Richtung senkrecht zur Magnetisierungsrichtung gelegen und befindet sich gegenüber dem Stator 3.
Unter diesen Bedingungen werden die Position und die Größe jedes der Permanentmagneten 8 (8A und 8B) so bestimmt, dass, wie aus der Axialrichtung AX des Rotors 2 und in 5B dargestellt, sichergestellt ist, dass die erste Ecke 21 zwischen der Mittellinie P und der Endlinie Q gelegen ist und die zweite Ecke 23 zwischen der Mittellinie R und der Endlinie S gelegen ist. In entsprechender Weise wie bei der ersten Ausführungsform wird diese Positionierung der ersten und zweiten Ecken 21 und 23 verwirklicht, wenn die relative Lage zwischen dem Rotor 2 und dem Stator 3 derart ist, dass, wie in 5A gezeigt, die Mittellinie 0 des Pols mit der Mitte des Zahnes 15a bezüglich der Breitenrichtung zusammenfällt.
[Vierte Ausführungsform]
Unter Bezugnahme auf die 6A und 6B wird eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Fokussierung auf die Unterschiede gegenüber der dritten Ausführungsform erläutert.
6A ist eine ausschnittsweise vergrößerte Ansicht eines Elektromotors 1 gemäß der vierten Ausführungsform. 6B ist eine ausschnittsweise vergrößerte Ansicht des Elektromotors 1, wie er in 6A dargestellt ist. In der vorliegenden Ausführungsform werden, wie in den 6A und 6B dargestellt ist, zwei Permanentmagneten 8 (8A und 8B) für einen Pol verwendet. Die beiden Permanentmagneten 8A und 8B sind jedoch in einer V-förmigen Gestalt angeordnet, welche sich in Richtung auf den Außenumfang öffnet.
[Fünfte Ausführungsform]
Unter Bezugnahme auf 7 sei eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Fokussierung auf die Unterschiede gegenüber der ersten Ausführungsform beschrieben.
7 ist eine umfangsmäßige Abwicklungsansicht eines Stators und eines Rotors gemäß einer fünften Ausführungsform. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist ein Abstand W zwischen dem Flanschabschnitten 19 benachbarter Zähne 15 größer als eine Abmessung δ des Luftspaltes 11.
Aus dem Gesichtspunkt einer leichten Bewicklung mit der Statorwicklung 14 um den Statorkern 12 ist es wünschenswert, dass der Spalt zwischen dem Flanschabschnitten 19 eine große Weite W hat. Wenn jedoch die Flanschabschnitte 19 zwischen sich einen großen Spalt bilden, wird die Flussänderung zu der Zeit, zu der keine Leistung zugeführt wird, intensiv und somit neigt das pulsierende Moment dazu, groß zu werden. Vom Standpunkt der Vergrößerung des Ausgangs des Elektromotors 1 ist es andererseits wünschenswert, dass der Luftspalt 11 eine kleine Abmessung δ hat. Eine außerordentlich kleine Abmessung δ erhöht jedoch die Flussdichte im Luftspalt 11 und somit wird das Pulsieren des Drehmoments aufgrund der Flussänderung ausgeprägter.
In der vorliegenden Ausführungsform hat der Elektromotor 1 ebenfalls eine Polgestalt ähnlich derjenigen in der ersten Ausführungsform. Zusätzlich hierzu ist in dem Elektromotor 1 der vorliegenden Ausführungsform der Abstand W zwischen dem Flanschabschnitten 19 benachbarter Zähne 15 größer gewählt als die Abmessung δ des Luftspalts 11. Somit werden drei Effekte, welche der Elektromotor 1 zeigt, abgeglichen, wobei die drei Effekte die Erhöhung des Ausgangs des Elektromotors 1, die Leichtigkeit des Wickelns der Statorwicklung 14 um den Statorkern 12 und die Verminderung der Drehmomentpulsierungen sind.
Somit verwirklicht der Elektromotor 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform einen Effekt des Minimierens der Drehmomentpulsationen wie bei der ersten Ausführungsform, wobei dieser Effekt der Gestalt der Mangnetpole zugeschrieben wird. Aufgrund dieses Effektes verschlechtern eine Verminderung der Luftspaltabmessung δ zu einem bestimmten Maße oder eine Erhöhung der Abständet W zwischen den Flanschabschnitten 19 nicht die Wirkung der Unterdrückung der Drehmomentpulsation. Somit wird die Bearbeitbarkeit bei der Handhabung der Statorwicklung 14 erhöht und der Ausgang des Elektromotors 1 wird ebenfalls erhöht.
[Sechste Ausführungsform]
Unter Bezugnahme auf die 8A, 8B, 9A und 9B wird nachfolgend eine sechste Ausführungsform unter Fokussierung auf die Unterschiede gegenüber der ersten Ausführungsform beschrieben.
8A ist eine ausschnittsweise vergrößerte Ansicht eines Elektromotors 1 gemäß der sechsten Ausführungsform. 8B ist eine ausschnittsweise vergrößerte Ansicht des in 8A gezeigten Elektromotors 1. Ähnlich wie bei der dritten Ausführungsform und wie in 8A gezeigt, wird der Elektromotor 1 gemäß der sechsten Ausführungsform mit magnetischen Pole versehen, welche jeweils aus zwei Permanentmagneten 8 bestehen (erster Magnet 8A und zweiter Magnet 8B). Außerdem ist wie bei der ersten Ausführungsform die Anzahl k von Zähnen, welche einem Pol gegenüberstehen, eine ungerade Zahl.
Unter diesen Bedingungen werden die Position und die Größe der Permanentmagneten 8 (8A und 8B) so bestimmt, dass, wie aus der axialen Richtung AX des Rotors 2 gesehen, und wie in 8B dargestellt ist, sichergestellt ist, dass die erste Ecke 21 zwischen der Mittellinie P und der Endlinie Q gelegen ist und die zweite Ecke 23 zwischen der Mittellinie R und der Endlinie S gelegen ist. Diese Positionierung der ersten und zweiten Ecken 21 bzw. 23 wird verwirklicht, wenn die lagemäßige Beziehung zwischen dem Rotor 2 und dem Stator 3 derart ist, dass, wie in 8A gezeigt, die Mittellinie 0 des Pols mit der Mittellinie des Zahnes 15a mit Bezug auf die Breitenrichtung zusammenfällt.
Bei dem ersten Magneten 8A wird die Ecke, welche der ersten Ecke 21 gegenübersteht und drehrichtungsmäßig rückwärts in Richtung senkrecht zur Magnetisierungsrichtung gelegen ist, als eine dritte Ecke 35 bezeichnet. An dem zweiten Magneten 8B wird die Ecke, welche der zweiten Ecke 23 gegenüberliegt, und drehrichtungsmäßig vorwärts in Richtung senkrecht zur Magnetisierungsrichtung gelegen ist, als eine vierte Ecke 36 bezeichnet. In der vorliegenden Ausführungsform hat jeder der ersten und zweiten Magneten 8A und 8B einen rechteckigen axialen Querschnitt. Außerdem entspricht bei Blickrichtung in der axialen Richtung AX des Motors 2 die Richtung längs der kürzeren Abmessung der Magneten 8A und 8B der Magnetisierungsrichtung. Bei dem ersten Magneten 8A ist also die Ecke, die der ersten Ecke 21 in der Längsrichtung gegenüberliegt, die dritte Ecke 35. An dem zweiten Magneten 8B ist die Ecke, die der zweiten Ecke 23 in der Längsrichtung gegenüberliegt, die vierte Ecke 36.
Die dritten und vierten Ecken 35 bzw. 36 stehen radial jeweils nicht magnetischen Bereichen 38 gegenüber, welche benachbart zu dem Zahn 15a drehrichtungsmäßig sowohl auf der vorderen Seite als auch an der rückwärtigen Seite des Zahnes sind, wobei der Zahn 15a eine Mitte mit Bezug auf die Breitenrichtung aufweist, die mit der Mittellinie 0 zusammenfällt. Die nicht-magnetischen Bereiche 38 entsprechen den Bereichen zwischen den Zähnen, wobei in diesen Bereichen kein magnetisches Material vorhanden ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform entsprechen beispielsweise die nicht-magnetischen Bereiche 38 den Zwischenräumen zwischen den Zähnen.
Wenn ein Pol aus zwei Permanentmagneten 8 (8A und 8B) zusammengesetzt ist, werden harmonische Komponenten oder Oberwellenkomponenten aus dem kombinierten Drehmoment reduziert, d.h., dem Drehmoment, welche in dem vorderen Bereich erzeugt wird, kombiniert mit dem Drehmoment, welches in dem rückwärtigen Bereich 31 erzeugt wird. Unter Bezugnahme auf die 9A und 9B werden Vorteile der sechsten Ausführungsform beschrieben.
9A ist ein Wellenformdiagramm, welches zeitliche Änderungen des Drehmoments in drehungsmäßig vorderen und hinteren Bereichen darstellt, wenn keine elektrische Leistung zugeführt wird, sowie zeitliche Änderungen des kombinierten Drehmoments. 9B ist eine vergrößerte Ansicht des kombinierten Drehmoments, wie es in 8A dargestellt ist. Es trifft zu, dass in einer Konfiguration, bei welcher die dritten und vierten Ecken 35 bzw. 36 nicht den nicht-magnetischen Abschnitten 38 (beispielsweise drittes Ausführungsbeispiel) gegenüberstehen, das kombinierte Drehmoment reduziert wird und somit auch eine Drehmomentpulsierung reduziert wird. Bei einer solchen Konfiguration können jedoch, wie in den 9A und 9B dargestellt ist, Oberwellenkomponenten oder harmonische Komponenten im kombinierten Drehmoment entstehen. In 9A und 9B zeigt die Vertikalachse das Drehmomentverhältnis in dem Falle an, in welchem ein Maximalwert des Drehmoments 1 ist.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel jedoch, bei welchem die Anzahl k der Zähne eine ungerade Zahl ist, werden harmonische Komponenten im kombinierten Drehmoment unter der Bedingung reduziert, dass die dritten und vierten Ecken 35 bzw. 36 radial den jeweiligen nicht-magnetischen Bereichen 38 gegenüberstehen, welche benachbart zu dem Zahn 15a auf der umdrehungsmäßig sowohl vorderen als auch hinteren Seite sind, wobei der Zahn 15a eine Mittellinie mit Bezug auf die Breitenrichtung aufweist, welche mit der Mittellinie 0 zusammenfällt. Demgemäß wird eine Drehmomentpulsierung wirkungsvoller vermindert.
[Siebte Ausführungsform]
Unter Bezugnahme auf die 10 und 11 wird ein Elektromotor gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter besonderem Augenmerk auf die Unterschiede gegenüber der sechsten Ausführungsform beschrieben. 10 ist eine perspektivische Ansicht, welche einen Rotor 2 eines Elektromotors gemäß der siebten Ausführungsform zeigt. Wie in 10 dargestellt ist der Rotor 2 durch koaxiale Stapelung zweiter Rotorblöcke 2A und 2B in der Axialrichtung AX gebildet. Jede der Rotorblöcke 2A und 2B ist mit eingebetteten Permanentmagneten 8 (8A und 8B) ausgerüstet. Auch ist die Anzahl k der Zähne je Pol eine ungerade Zahl.
Unter diesen Bedingungen werden die Position und die Größe jedes der Permanentmagneten 8 (8A und 8B) derart bestimmt, dass, wie von der Axialrichtung AX des Rotors 2 gesehen, sichergestellt ist, dass die erste Ecke 21 zwischen der Mittellinie P und der Endlinie Q gelegen ist und die zweite Ecke 23 zwischen der Mittellinie R und der Endlinie S gelegen ist. Diese Anordnung der ersten und zweiten Ecke 21 bzw. 23 ist verwirklicht, wenn die lagemäßige Beziehung zwischen dem Rotorblock 2A und dem Stator 3 derart ist, dass ähnlich derjenigen nach den 8A und 8B die Mittellinie 0 des Magnetpols mit der Mitte des Zahnes 15a mit Bezug auf die Breitenrichtung zusammenfällt.
In dem Rotorblock 2A sind die Permanentmagneten 8A und 8B derart angeordnet, dass die dritten und vierten Ecken 35 bzw. 36 radial den jeweiligen nicht-magnetischen Abschnitten 38 gegenüberstehen, welche benachbart zu dem Zahn 15a sowohl in der drehrichtungsmäßig vorderen als auch der drehrichtungsmäßig rückwärtigen Seite des Zahnes sind, wobei der Zahn 15a eine Mittellinie mit Bezug auf die Breitenrichtung hat, die mit der Mittellinie 0 zusammenfällt.
Der Rotorblock 2B enthält die Permanentmagneten 8A und 8B, deren Größen und Einbettungsteilung dieselben sind wie diejenigen der Permanentmagneten 8A und 8B des Rotorblocks 8A.
Wie in 10 gezeigt sind die Rotorblöcke 8A und 8B so gestapelt, dass die magnetischen Pole des Rotorblocks 8B jeweils umfangsmäßig gegenüber den magnetischen Polen des Rotorblocks 2A versetzt sind. Mit anderen Worten, der Rotor 2 ist mit einer abgestuften Schrägung versehen.
Im Einzelnen hat jeder Magnetpol des Rotorblocks 2B eine Mittellinie 0', welche drehrichtungsmäßig in Vorwärtsrichtung von der Mittellinie 0 jedes Magnetpols des Rotorblocks 2A durch einen elektrischen Winkel von 15° versetzt ist.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird das kombinierte Drehmoment, welches in den Rotorblöcken 2A und 2B erzeugt wird, vermindert. Weiter werden gemäß der vorliegenden Ausführungsform harmonische Komponenten wirkungsvoller vermindert und somit wird eine glattere Wellenform geschaffen. Unter Bezugnahme auf 11 werden Vorteile der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
11 ist ein Wellenformdiagramm, welches das kombinierte Drehmoment, d.h., das Drehmoment, welches durch den Rotorblock 2A erzeugt wird, kombiniert mit dem Drehmoment, welches von dem Rotorblock 2B erzeugt wird, bei der abgestuften Schrägung gemäß der vorliegenden Ausführungsform und gegenüber einem Vergleichsbeispiel darstellt.
Wenn in dem Rotorblock 2A die dritten und vierten Ecken 35 bzw. 36 nicht den jeweiligen nicht-magnetischen Abschnitten 38 (das Vergleichsbeispiel) gegenüberstehen, bleiben die harmonischen Komponenten in dem kombinierten Drehmoment, welches aus der abgestuften Schrägung resultiert, d.h., das Drehmoment, welches in dem Rotorblock 2A erzeugt wird, kombiniert mit dem Drehmoment, welches in dem Rotorblock 2B erzeugt wird (nachfolgend wird dieses kombinierte Drehmoment als das abgestufte geschrägte Moment bezeichnet, erhalten. Somit gestattet eine abgestufte Schrägung den harmonischen Komponenten, in dem abgestuft geschrägten Drehmoment erhalten zu bleiben, was eine Verzerrung in der Wellenform verursacht (siehe unterbrochene Linien-Wellenform von 11).
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist jedoch sichergestellt, dass die dritte und vierte Ecke 35 bzw. 36 in jeweiligen nicht-magnetischen Abschnitten 38 gegenüberstehen. Demgemäß werden aus dem kombinierten Drehmoment, d.h., dem Drehmoment im Vorwärtsbereich 30 kombiniert mit dem Drehmoment im rückwärtigen Bereich 31 in dem Block 2A harmonische Komponenten vermindert (es sei auf die Vorteile Bezug genommen, die im Zusammenhang mit der sechsten Ausführungsform beschrieben wurden). Somit werden, wie in 11 durch die Wellenform mit durchgezogenener Linie gezeigt ist, harmonische Komponenten auch aus dem geschrägten bzw. abgestuften Drehmoment vermindert und das abgestufte bzw. geschrägte Drehmoment an sich wird vermindert. In dieser Weise wird eine Drehmomentpulsierung wirkungsvoller herabgesetzt.
[Achte Ausführungsform]
Unter Bezugnahme auf die 12A und 12B wird eine achte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter besonderem Augenmerk auf die Unterschiede gegenüber der sechsten Ausführungsform beschrieben.
12A ist eine ausschnittsweise vergrößerte Ansicht eines Elektromotors 1 gemäß der achten Ausführungsform. 12B ist eine ausschnittsweise vergrößerte Ansicht des in 12A dargestellten Elektromotors 1. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Anzahl k von Zähnen je Pol eine gerade Zahl.
Unter diesen Bedingungen werden die Position und die Größe jedes der Permanentmagneten 8 (8A und 8B) derart bestimmt, dass, wie in 12B gezeigt, die erste Ecke 21 zwischen der Mittellinie P und der Endlinie Q gelegen ist und die zweite Ecke 23 zwischen der Mittellinie R und der Endlinie S gelegen ist. Diese Anordnung der ersten und zweiten Ecken 21 und 22 wird verwirklicht, wenn die lagemäßige Beziehung zwischen dem Rotor 2 und dem Stator 3 derart ist, dass, wie in 12A gezeigt, die Mittellinie 0 des Magnetpols mit der Mitte eines Raums zwischen benachbarten Zähnen 15 zusammenfällt (d.h. der Mitte einer vorbestimmten Nut 12a mit Bezug auf die Breitenrichtung).
Weiter sind die Permanentmagneten 8A und 8B so angeordnet, dass die dritten und vierten Ecken 36 bzw. 36 radial jeweiligen Zähne 15x und 15y gegenüberstehen, welche benachbart zu der Nut 17a auf den beiden drehrichtungsmäßig vorderen und hinteren Seiten der Nut sind, wobei die Nut 17a eine Mitte mit Bezug auf die Breitenrichtung aufweist, welche mit der Mittellinie 0 zusammenfällt.
Somit werden Vorteile entsprechend denjenigen der sechsten Ausführungsform erzielt.
[Modifikationen]
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann in vielerlei Weise modifiziert werden.
Beispielsweise ist der Elektromotor 1, welcher in jeder der obigen Ausführungsformen beschrieben wurde, ein Motor der Innenrotorbauart, bei welchem der Rotor 2 innen liegt. Alternativ kann die vorliegende Erfindung auch auf einen Elektromotor mit außen liegendem Rotor angewendet werden.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen war die Statorwicklung eine Dreiphasenwicklung. Die Anzahl der Phasen m der Wicklung ist jedoch nicht auf die Zahl 3 beschränkt.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen war jeder der Permanentmagneten 8 eine Platte mit rechteckigem Axialquerschnitt. Alternativ hierzu kann der Axialquerschnitt auch die Gestalt eines Bogens, eines Trapezoids oder dergleichen haben. Alternativ können auch die Ecken jedes Permanentmagneten 8 abgeschrägt sein.
Weiter kann eine abgestufte Schrägung auf dem Rotor 2 der ersten Ausführungsform angewendet werden, bei welchem ein Permanentmagnet 8 einen Magnetpol bildet.

Claims

Elektromotor, welcher Folgendes enthält: einen Rotor mit einem im wesentlichen zylindrischen Rotorkern und mit magnetischen Polen, welche aus Permanentmagneten gebildet sind, die in Aussparungen in dem Rotorkern angeordnet sind und magnetische Pole ausbilden; und einen Stator, welcher einen Statorkern, welcher mit einem Luftspalt dem Rotorkern gegenübersteht, sowie Statorwicklungen aufweist, wobei der Stator so ausgebildet ist, dass er eine Radialrichtung und eine Umfangsrichtung aufweist, der Statorkern ein hinteres Joch, Zähne, die sich von dem hinteren Joch aus unter Zwischenschaltung eines Säulenabschnittes radial zum Luftspalt hin erstrecken und mit gleicher Teilung am Luftspalt in Umfangsrichtung angeordnet sind, und Nuten aufweist, die zwischen Zähnen gebildet und mit gleicher Teilung in Umfangsrichtung angeordnet sind, wobei die Statorwicklungen mehrere Phasen umfassen und durch die Nuten hindurch gewickelt sind; wobei: der Rotorkern eine zylindrische Außenoberfläche aufweist, die dem Stator über einen Luftspalt derart gegenüberliegt, dass der Luftspalt eine im Wesentlichen gleichbleibende Abmessung zwischen dem Rotorkern und jedem der Zähne aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl k von Zähnen je magnetischer Pol entsprechend folgender Gleichung eingestellt ist $k = m \cdot n - (n - j),$
worin m die Anzahl von Phasen der Statorwicklungen bezeichnet, n die Anzahl der Zähne je magnetischem Pol und je Phase bezeichnet, und wobei n eine positive Zahl ist und j eine Zahl bezeichnet, welche 0≤j<n ist; wobei, wenn die Anzahl k ungeradzahlig ist und eine Mittellinie, welche durch jeweils einen der magnetischen Pole verläuft, mit der Mitte einer umfangsmäßigen Breite eines der Zähne in der Umfangsrichtung zusammenfällt, der Permanentmagnet des magnetischen Pols eine erste Ecke aufweist, welche am nächsten zum Stator liegt und vor der Mittellinie in einer Drehrichtung des Rotors gelegen ist, die Zähne einen Zahn enthalten, welcher am nächsten zu der ersten Ecke liegt und welcher als ein erster Zahn bezeichnet ist, der Permanentmagnet des magnetischen Pols eine zweite Ecke aufweist, welche am nächsten zum Stator gelegen ist und nach der Mittellinie mit Bezug auf die Drehrichtung gelegen ist und die Zähne einen Zahn enthalten, welcher am nächsten zu der zweiten Ecke gelegen ist und welcher als ein zweiter Zahn zu bezeichnen ist; wobei die erste Ecke so angeordnet ist, dass sie zwischen einer Mittellinie, welche durch die Mitte einer umfangsmäßigen Seite des ersten Zahnes geht und einer ersten Linie gelegen ist, welche durch eine Frontseite des Säulenabschnittes des ersten Zahnes mit Bezug auf die Drehrichtung gelegen ist; und wobei die zweite Ecke so angeordnet ist, dass sie zwischen einer Mittellinie, welche durch eine Mitte einer umfangsmäßigen Breite des zweiten Zahnes verläuft und einer zweiten Linie gelegen ist, welche durch eine rückwärtige Seite des Säulenabschnitts des zweiten Zahnes mit Bezug auf die Drehrichtung gelegen ist.
Elektromotor nach Anspruch 1, bei welchem der Rotor aus zwei Rotorblöcken mit Polen zusammengesetzt ist, wobei die beiden Rotorblöcke in Axialrichtung aufeinandergestapelt sind; und einer der beiden Blöcke gegenüber dem anderen der beiden Blöcke in der Umfangsrichtung verdreht oder geschrägt ist.
Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem jeder der Pole zwei Permanentmagnete aufweist, von denen einer als ein erster Magnet und vor der Mittellinie gelegen ist und der andere der Permanentmagnete als ein zweiter Magnet zu bezeichnen ist und nach der Mittellinie gelegen angeordnet ist; die erste Ecke als eine Ecke des ersten Magneten vorgesehen ist, welche am nächsten zum Stator vor der Mittellinie gelegen ist; und die zweite Ecke als eine Ecke des zweiten Magneten vorgesehen ist, wobei diese Ecke am nächsten zum Stator nach der Mittellinie gelegen ist.
Elektromotor nach Anspruch 3, bei welchem der erste Magnet eine dritte Ecke aufweist, welche mit Bezug auf eine Richtung vertikal zur Magnetisierungsrichtung des ersten Magneten gegenüberliegend zur ersten Ecke und im rückwärtigen Umfangsbereich gelegen ist; der zweite Magnet eine vierte Ecke aufweist, welche entgegengesetzt zur zweiten Ecke in einer Richtung vertikal zur Magnetisierungsrichtung des zweiten Magneten angeordnet und in dem vorderen Umfangsbereich gelegen ist; und die dritte und vierte Ecke in der Radialrichtung nicht-magnetischen Bereichen gegenüberstehen, welche in zwei der Nuten erzeugt sind, wobei die Nuten in der Umfangsrichtung vor und nach dem Zahn gelegen sind, durch welchen die Mittellinie verläuft.
Elektromotor nach Anspruch 1, bei welchem jeder der Zähne einen Flanschabschnitt aufweist, der an der Spitze des Säulenabschnitts gebildet ist; und die zwei Säulenabschnitte, welche jeweils benachbart zueinander gelegen sind, in Umfangsrichtung durch einen Abstand getrennt sind, welcher größer ist als die Größe des Luftspalts, der zwischen dem Stator und dem Rotor gebildet ist.
Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem jeder der Zähne einen Flanschabschnitt aufweist, der an der Spitze des Säulenabschnitts gebildet ist, wobei die beiden Säulenabschnitte, welche einander benachbart sind, in Umfangsrichtung durch einen Abstand getrennt sind, welcher größer ist als die Größe des Luftspalts, welcher zwischen dem Stator und dem Rotor gebildet ist.
Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Statorwicklungen Wicklungen über die volle Teilung sind.