DE102012219174A1

DE102012219174A1 - Drehende elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102012219174A1
Application number: DE102012219174A
Authority: DE
Inventors: Masahiro Aoyama
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2011-10-27
Filing date: 2012-10-22
Publication date: 2013-05-02
Also published as: JP5857627B2; US20130106226A1; CN103095087A; JP2013094021A

Abstract

Eine drehende elektrische Maschine (10) umfasst einen Stator (11), der mehrere Zähne (15), die einem Rotor (12) zugewandt sind, und mehrere Nuten (18), die Räume zum Wickeln von Spulen um die Zähne bereitstellen. Der Rotor weist ein Paar von Permanentmagneten (16) auf, die darin eingebettet und in einer „V”-Form-Konfiguration angeordnet sind, um so eine magnetische Kraft derart auf die Zähne wirken zu lassen, dass der Rotor innerhalb des Stators angetrieben ist, um sich durch Reluktanzmoment und Magnetmoment zu drehen. Die Permanentmagnete sind in einer Weise angeordnet, dass, wenn das Paar von Permanentmagneten einschließlich einer Flusssperre im Rotor, das sechs Nuten im Stator entspricht, einen Magnetpol bildet, ein Öffnungswinkelverhältnis δ, d. h., das Verhältnis eines Magnet-Öffnungswinkels θ3 in Bezug auf eine Rotorachse zu einem effektiven Magnetpol-Öffnungswinkel θ1 in einen Bereich 0,762 δ ≤ 0,816 fällt, um wirksam eine Momentwelligkeit zu minimieren.

Description

Verwandte Anmeldung
Die vorliegende Anmeldung beansprucht Priorität zur Japanischen Patentanmeldung Nr. 2011-235984 , eingereicht am 27. Oktober 2011, deren gesamter Inhalt durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist.
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine drehende elektrische Maschine und insbesondere eine elektrische Maschine mit Permanentmagnet, die fähig ist, als Elektromotor zu arbeiten, wobei sie einen Antrieb hoher Qualität bereitstellt.
Allgemeiner Stand der Technik
Von drehenden elektrischen Maschinen wird gefordert, variierende Charakteristika bei unterschiedlichen Arten von Anlagen aufzuweisen, in denen sie verwendet werden. Beispielsweise wird gefordert, dass eine elektrische Maschine als Motor variabler Drehzahl über einen weiten Bereich sowie als Motor mit hohem Drehmoment für Betrieb mit niedriger Drehzahl arbeitet, wenn sie als Traktionsmotor in einem Elektrohybridfahrzeug (HEV) mit Verbrennungsmotor oder einem Elektrofahrzeug (EV) als Antriebsquelle arbeitet.
Für eine elektrische Maschine mit derartigen Charakteristika wird vorgeschlagen, sie durch Übernehmen einer inneren Permanentmagnet-Struktur (IPM-Struktur) aufzubauen, in der mehrere Paar Permanentmagnete in einem Rotor in einer Weise eingebettet sind, dass die Magnete jedes Paares in einer „V”-Form-Konfiguration angeordnet sind, die sich auf den Rotorumfang zu öffnet, weil es vorteilhaft ist, eine Struktur zu verwenden, die Reluktanzmoment zusammen mit Magnetmoment wirksam nutzen kann, siehe z. B. Patentliteraturangaben 1, 2 und 3.
Dokument zum Stand der Technik
Patentliteratur
Patentliteraturangabe 1:

JP-Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 2006-254629 ( P2006-254629 A )

Patentliteraturangabe 2:

JP-Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 2008-104323 ( P2008-104323 A )

Patentliteraturangabe 3:

JP-Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 2004-282889 ( P2004-282889 A )

Zusammenfassung der Erfindung
Das Übernehmen der IPM-Struktur ermöglicht es einer elektrischen Maschine, wirksamen Gebrauch von Reluktanzmoment zu machen, weil der q-Achsen-Magnetpfad durch Permanentmagnete jedes Paares aufrechterhalten wird, die in einem Rotor eingebettet und in einer „V”-Form-Konfiguration angeordnet sind. Dies steigert den Anteil von Reluktanzmoment gegenüber Magnetmoment und ebenso das Ausgeprägtheitsverhältnis (Ld/Lq), ein Verhältnis zwischen Induktivität in der d-Achse und Induktivität in der q-Achse, was in erhöhter Neigung resultiert, dass Raumharmonische (Raumoberwellen) höherer Ordnung die Flusswellenform überlappen. Die direkte Achse oder d-Achse ist zu einer Richtung des Flusses ausgerichtet, der durch Magnetpole erzeugt ist, und wirkt als Mittelachse zwischen jedem Paar von Permanentmagneten, die in „V”-Form angeordnet sind, während die Quadraturachse oder q-Achse sich elektrisch und magnetisch unter einem Winkel von 90 elektrischen Grad von der d-Achse befindet und als Mittelachse zwischen den benachbarten Magnetpolen (d. h. den benachbarten Paaren von Permanentmagneten) wirkt.
Dies verursacht in einer derartigen drehenden elektrischen Maschine hohe Momentwelligkeit, d. h. hohe Differenz zwischen Maximal- und Minimalmoment während einer Umdrehung. Die hohe Momentwelligkeit verursacht eine Zunahme der Schwingung der Maschine und des elektromagnetischen Geräuschs. Insbesondere ist es erwünscht, dass das elektromagnetische Geräusch so stark wie möglich verringert wird, weil es aufgrund einer relativ hohen Frequenz des elektromagnetischen Geräuschs zu jener des Geräuschs, das durch den Antrieb eines Verbrennungsmotors erzeugt wird, einen unangenehmen Klang für den/die Insassen in einem Fahrzeug erzeugt, das als Elektroantrieb die elektrische Maschine aufweist.
Andererseits führt Oszillation zu einem Verlust und verursacht eine Verringerung des Wirkungsgrades der Leistung der elektrischen Maschine, obgleich hocheffiziente Leistung verlangt wird, um eine gewünschte Antriebskraft effizient bei geringerem Stromverbrauch zu erzeugen.
Es ist erwünscht, nicht nur die Momentwelligkeit, sondern auch den Oberschwingungsgehalt (THD) zu senken, weil Absenken höherer Harmonischer in der Überlagerung zur Leitungsspannung, um die Eingangsleistung niedrig zu halten, zur Realisierung eines hocheffizienten Maschinenbetriebs führt.
Die oben aufgeführten Patentliteraturangaben 1, 2 und 3 beschreiben verschiedene Bedingungen in der Struktur drehender elektrischer Maschinen, um den Energie-Wirkungsgrad zu verbessern, aber die verschiedenen Bedingungen können keine derart niedrige Momentwelligkeit bereitstellen, um so Schwingung und Geräusch zu verringern, weil dem Einfluss des später beschriebenen magnetischen Öffnungsgrades und eines Verhältnisses des Magnetpol-Öffnungsgrades zum magnetischen Öffnungsgrad auf eine Verringerung von Schwingung und Geräusch keine Aufmerksamkeit gewidmet wurde.
Somit ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine drehende elektrische Maschine bereitzustellen, die fähig ist, einen effizienten Betrieb hoher Qualität mit verringerter Schwingung und verringertem Geräusch durch Absenken nicht nur der Momentwelligkeit, sondern auch der Leitungsspannung und des Oberschwingungsgehalts (THD) bereitzustellen.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine drehende elektrische Maschine bereitgestellt, die einen Rotor mit einer Rotorwelle, der auf einer Rotorachse angeordnet ist, und einen Stator umfasst, der den Rotor drehbar aufnimmt,
wobei der Stator mehrere Zahnabschnitte, die sich in Richtung einer Umfangsoberfläche des Rotors erstrecken und an inneren Umfangsoberflächen enden, die der Umfangsoberfläche des Rotors zugewandt sind, und mehrere Nuten aufweist, jede jeweils zwischen den benachbarten zwei der Zahnabschnitte, die Räume zum Wickeln von Spulen um die Zahnabschnitte zur Einspeisung des elektrischen Antriebsstroms bereitstellen,
wobei der Rotor mehrere darin eingebettete Permanentmagnete, um so magnetische Kraft auf jene Oberflächenabschnitte der Zähne wirken zu lassen, die den Permanentmagneten entgegengesetzt sind, und mehrere Flusssperren aufweist, die ausgebildet sind, unbeabsichtigten Fluss (Kriechfluss) innerhalb des Rotors seitlich entlang der Permanentmagnete einzuschränken,
wobei der Rotor innerhalb des Stators angetrieben wird, um sich durch Reluktanzmoment, das aus Magnetfluss bezogen ist, der durch die Zahnabschnitte, die Rückseitenfläche der Zahnabschnitte und den Rotor hindurchtritt, wenn Strom durch die Spulen hindurchtritt, und Magnetmoment in der Form von Anziehung und Abstoßung zu drehen, das aus Interferenz mit den Permanentmagneten abgeleitet ist,
wobei die Permanentmagnete in einer Weise angeordnet sind, dass, wenn ein Satz von Permanentmagneten der mehreren Permanentmagnete und Flusssperren der mehreren Flusssperren im Rotor einem Satz von Nuten der mehreren Nuten im Stator entspricht und einen Magnetpol bildet, das Verhältnis eines Magnet-Öffnungswinkels der Permanentmagnete jedes Satzes zu einem effektiven Magnetpol-Öffnungswinkel für den Magnetpol, der Außenränder der Flusssperren einbezieht, in einen Bereich fällt, der zum Minimieren von Momentwelligkeit wirksam ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die drehende elektrische Maschine bereitgestellt, wobei zusätzlich zu den angegebenen Dingen nach dem oben erwähnten ersten Aspekt der eine Magnetpol im Rotor durch Einbetten des einen Satzes von Permanentmagneten so gebildet ist, dass Permanentmagnete eines Paares in einer „V”-Form-Konfiguration angeordnet sind, die sich auf die Umfangsoberfläche des Rotors zu öffnet, wobei die Anzahl der Nuten des einen Satzes sechs ist, und der eine Magnetpol so angeordnet ist, dass ein Öffnungswinkelverhältnis δ aus (Magnet-Öffnungswinkel)/(effektivem Magnetpol-Öffnungswinkel) in den Bereich 0,762 ≤ δ ≤ 0,816 fällt.
Somit wird gemäß dem oben erwähnten ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung es einer drehenden elektrischen Maschine ermöglicht, einen Satz von Permanentmagneten in einem Rotor anzuordnen und einzubetten, die Zahnabschnitten eines Stators so zugewandt sind, dass das Verhältnis eines Magnet-Öffnungswinkels der Permanentmagnete jedes Satzes zu einem effektiven Magnetpol-Öffnungswinkel für den Magnetpol, der Außenränder der Flusssperren einbezieht, in einen Bereich fällt, der zum Minimieren von Momentwelligkeit wirksam ist. Dies ermöglicht es der Maschine, Momentwelligkeit (d. h. die Differenz zwischen Maximal- und Minimalmoment während einer Umdrehung) während Drehung des Rotors zu verringern, wobei ein hochqualitativer Betrieb mit weniger Schwingung und Geräusch und gleichzeitig ein hocheffizienter Betrieb mit wenig Verlusten realisiert wird.
Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt, wie oben erwähnt, wenn ein Magnetpol für Permanentmagnete eines Paares, die in einer „V”-Form-Konfiguration angeordnet sind, einem Satz von sechs Nuten entspricht, ein Öffnungswinkelverhältnis δ im Bereich 0,762 ≤ δ ≤ 0,816. Dies ermöglicht es der drehenden elektrischen Maschine, eine Verringerung in der Momentwelligkeit und einen Betrieb hoher Qualität mit weniger Schwingung, Geräusch und wenig Verlusten zu realisieren.
Nun ist zu bevorzugen, dass der effektive Magnetpol-Öffnungswinkel in einem Winkelbereich liegt, der zum Verringern von Harmonischen einer bestimmten Ordnung bei Überlagerung einer Magnetfluss-Wellenform wirksam ist, die durch eine der Zahnabschnitte hindurchtritt. Beispielsweise ist zu bevorzugen, dass, wenn Permanentmagnete eines Paares in einer „V”-Form-Konfiguration angeordnet sind und ein Magnetpol einem Satz von sechs Nuten entspricht, der effektive Magnetpol-Öffnungswinkel θ in einen Bereich von 144° ≤ θ (in elektrischen Graden) ≤ 154,3° fällt, um Momentwelligkeit weiter zu verringern.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Draufsicht, die eine Ausführung einer drehenden elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei die Skizze ihrer Gesamtstruktur gezeigt ist.
2 ist eine Teildraufsicht, die einen effektiven Magnetpol-Öffnungswinkel für einen Magnetpol in der Maschine zeigt.
3 ist eine Draufsicht, die ein Magnetfluss-Fließmuster zeigt, das durch einen Stator der Maschine erzeugt wird, wenn ein Rotor der Maschine keine Magnetpole aufweist.
4 ist eine grafische Darstellung einer angenäherten Wellenform des Magnetflusses (Grundschwingung).
5 ist ein schematisches Diagramm, das die Beziehung zwischen der angenäherten Wellenform des Magnetflusses, dem effektiven Magnetpol-Öffnungswinkel und einem Magnet-Öffnungswinkel zeigt.
6A und 6B sind schematische Diagramme, die eine Schwingungs- oder Vibrationsmode darstellen, die im Stator erzeugt wird.
7A und 7B sind schematische Diagramme, die eine andere Schwingungs- oder Vibrationsmode im Stator darstellen, die von der Schwingungsmode nach 6A und 6B verschieden ist.
8 ist ein Schaubild, das das Ergebnis einer Analyse des elektromagnetischen Feldes mit einem Verhältnis (Magnet-Öffnungswinkel)/(Magnetpol-Öffnungswinkel) als Parameter abbildet.
Beschreibung einer/von Ausführung(en)
Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen sind Ausführungen der vorliegenden Erfindung nachfolgend besonders erklärt. 1 bis 8 zeigen eine Ausführung einer drehenden elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung.
Bezug nehmend auf 1 und 2 weist eine drehende elektrische Maschine (ein Motor) 10 eine gute Leistungseigenschaft zur Verwendung in z. B. einem Hybrid-Elektrofahrzeug oder Elektrofahrzeug als Antriebsquelle in einer Art und Weise ähnlich einem Verbrennungsmotor oder als Rad-Antriebseinheit auf, und sie umfasst einen Stator 11, der in einer zylindrischen Konfiguration ausgebildet ist, und einen Rotor 12, der drehbar im Stator 11 mit einer Rotorwelle 13 in einer Weise aufgenommen ist, dass der Rotor 12 auf einer Rotorachse angeordnet ist, die mit einer Achse für den Stator 11 gemeinsam ist.
Mit einem Luftspalt G zwischen dem Stator 11 und dem Rotor 12 umfasst der Stator 11 Nuten 18, die sich über einen ganzen inneren kreisförmigen Rand auf die Rotorachse zu erstrecken, und mehrere Statorzähne 15, die durch die Nuten 18 definiert sind. Die Statorzähne 15 erstrecken sich in radialen Richtungen auf die Rotorachse zu, wobei ihre Enden einer äußeren kreisförmigen Umfangsoberfläche 12a des Rotors 12 mit dem Luftspalt G zwischen ihnen zugewandt sind. Die Statorzähne 15 sind umwickelt, um eine verteilte Dreiphasenwicklung (nicht gezeigt) bereitzustellen, um Spulenwicklungen zu bilden, die konfiguriert sind, Flussmuster zur Erzeugung von Rotormoment zu induzieren, das an den Rotor 12 weitergegeben wird.
Der Rotor 12 ist ein Innen-Permanentmagnet-Rotor (IPM-Rotor), der darin eingebettet mehrere Sätze (in diesem Beispiel Paare) von Permanentmagneten 16 in einer Weise aufweist, dass Magnete jedes Satzes ein Paar Permanentmagnete 16 umfassen, die in einer „V”-Form-Konfiguration angeordnet sind, die sich auf seine äußere kreisförmige Umfangsoberfläche 12a zu öffnet. Der Rotor 12 ist mit mehreren Paaren von Bohrungen 17 ausgebildet, die in einer „V”-Form-Konfiguration angeordnet sind, die sich auf die äußere kreisförmige Umfangsoberfläche 12a zu öffnet und sich axial durch den Rotor 12 erstrecket. Die Bohrungen 17 jedes Paares umfassen ein Paar von Bohrungsabschnitten 17a, in denen die Permanentmagnete 16 jedes Paares, die Flachmagnete sind, aufgenommen und mit ihren jeweiligen Eckabschnitten 16a unverrückbar gehalten sind, welche in die benachbarten zwei angewinkelten Innenwände, die den entsprechenden Bohrungsabschnitt 17a definieren, eingesetzt und in einer einander zugewandten Beziehung zu diesen gehalten sind. Jede der Bohrungen 17 umfasst zwei Leer- oder Raumabschnitte 17b, die an den entgegengesetzten Seiten des entsprechenden Flachmagnets 16 angeordnet und in einer Breitenrichtung des Magnets 16 in einem Abstand angeordnet sind, um als Flusssperren zum Einschränken von unbeabsichtigtem Fluss, d. h. Kriechfluss, (nachstehend „Flusssperren” genannt) zu fungieren. Die Bohrungen 17 jedes Paares sind mit einer Mittelsteg 20 versehen, die die Permanentmagnete 16 des zugeordneten Paares zu dem Zweck verbinden, die Permanentmagnete 16 bei Umdrehungen des Rotors 12 mit hoher Drehzahl in zweckentsprechender Stellung gegen die Zentrifugalkraft zu halten.
In dieser drehenden elektrischen Maschine 10 sind die Statorzähne 15 winkelmäßig entfernt, um Räume wie die Nuten 18 bereitzustellen, um Spulenwicklungen aufzunehmen, sodass sechs Statorzähne 15 mit dem entsprechenden einen von acht Sätzen von Permanentmagneten 16 zusammenwirken, anders ausgedrückt, sind sechs (6) Nuten 18 einem von acht Sätzen von Permanentmagneten 16 zugewandt. Aus diesem Grund ist die drehende elektrische Maschine 10 konfiguriert, als ein 8-Pol-48-Nut-Dreiphasen-IPM-Motor zu wirken, der acht (8) Magnetpole (vier Paare von Magnetpolen) für acht (8) Sätze von Permanentmagneten 16 umfasst, wobei N-Pole und S-Pole der Permanentmagnete 16 jedes Satzes um 180 mechanische Grade in Bezug auf jene des benachbarten Satzes gedreht sind und wobei achtundvierzig (48) Nuten 18 Spulenwicklungen aufnehmen, die durch eine verteilte Einphasenwicklung unter Verwendung von sechs (6) Nuten 18 gebildet sind, die fünf (5) Statorzähne 15 definieren. Die dargestellten Beschriftungen N und S werden in dieser Erläuterung der Bequemlichkeit halber verwendet, sie befinden sich aber nicht auf den Oberflächen der Komponenten.
Diese Struktur veranlasst die drehende elektrische Maschine 10, den Rotor 12 und die Rotorwelle 13 anzutreiben, wenn die Spulenwicklungen in den Nuten 18 erregt sind, sodass Magnetfluss-Fließmuster aus den Statorzähnen 15 einwärts von der äußeren kreisförmigen Umfangsoberfläche 12a in den Rotor 12 eintreten, weil Rotormoment zusätzlich zum Magnetmoment, das aus Anziehung und Abstoßung durch Wechselwirkung des Magnetfluss-Fließmusters mit Fluss-Fließmustern für die Magnetpole für die Permanentmagnete 16 jedes Satzes abgeleitet ist, durch Reluktanzmoment erzeugt wird, das dazu neigt, Magnetflusspfade für das Magnetfluss-Fließmuster vom Stator 11 zu minimieren.
Wie in 3 gezeigt, hat die drehende elektrische Maschine 10 die Spulenwicklungen in den Nuten 18 aufgenommen, die durch die verteilten Wicklungen gebildet sind, um so ein Fluss-Fließmuster bereitzustellen, das verteilte Magnetpfade vom Stator 11 in den Rotor 12 für jeden von mehreren Sätzen von Statorzähnen 15 umfasst, der einem der Magnetpole für die mehreren Paare von Permanentmagneten 16 entspricht. Die V-Form-Bohrungen 17 jedes Paares für die Permanentmagnete 16 erstrecken sich entlang den Magnetpfaden oder, anders ausgedrückt, in einer solchen Art und Weise, dass die Bildung derartiger Magnetpfade nicht gestört wird. Man beachte, dass in einem Herstellungsverfahren des Stators 11 und des Rotors 12 Blechungen aus magnetischem Stahl wie z. B. Siliziumstahl oder dergleichen in gestapelter axialer Beziehung auf eine zweckentsprechende Dicke für ein gewünschtes Ausgangsmoment angeordnet und durch Befestigungsschrauben unter Verwendung von Gewindebohrungen 19 befestigt sind.
Betrachtet man nun die drehende elektrische Maschine 10, die die IPM-Struktur einsetzt, wobei die Permanentmagnete 16 im Rotor 12 eingebettet sind, kann die Veränderung des Magnetflusses in einem Zahn der Statorzähne 15 des Stators 11 durch eine Rechteckwellenform angenähert werden, die in 4 gezeigt ist. Die Überlagerung dieser Magnetfluss-Grundwelle und von Raumharmonischen niederer Ordnung, der fünften (5.) und der siebten (7.) Harmonischen, sind ein Faktor, der sich nicht nur auf Schwingung und Geräusch, die durch die Fahrzeuginsassen erfahren werden, sondern auch auf Eisenverluste und eine Abnahme des Maschinenbetriebswirkungsgrades auswirkt, die aus einem Verlust als thermische Energie abgeleitet wird, die durch hohe Momentwelligkeit erzeugt wird, (d. h. der Differenz zwischen Maximal- und Minimalmoment während einer Umdrehung). Das Unterdrücken der Raumharmonischen verringert die Eisenverluste, um den Maschinenbetriebswirkungsgrad in Bezug auf die Einspeisung elektrischer Energie zu verbessern, weil Hystereseverlust das Produkt aus Frequenz und Magnetflussdichte und Wirbelstromverlust das Produkt aus dem Quadrat der Frequenz und der Magnetflussdichte ist. Mit Blick auf 4, in welcher die vertikale Achse den Magnetfluss darstellt, und die horizontale Achse die Zeit darstellt, nähert sich die dargestellte Rechteckwellenform der Veränderung des Magnetflusses in einem Zahn der Statorzähne 15 über einen Zyklus T (4L1 + 2L2) in elektrischen Graden an, wobei über eine Dauer L1 kein Magnetfluss durch den Zahn hindurchtritt und über eine Dauer L2 der ersten Hälfte des Zyklus T Magnetfluss mit einer Amplitude vorwärts durch den Zahn und über die Dauer L2 der zweiten Hälfte des Zyklus T rückwärts durch den Zahn hindurchtritt.
Elektromagnetisches Geräusch vom Motor (von der drehenden elektrischen Maschine) wird durch Schwingung des Stators erzeugt, die durch eine elektromagnetische Kraft verursacht wird, die auf den Stator wirkt. Sowie die elektromagnetische Kraft auf den Stator wirkt, existieren eine radiale elektromagnetische Kraft, die aus magnetischer Kopplung zwischen dem Rotor und dem Stator abgeleitet ist, und eine winklige elektromagnetische Kraft, die aus dem Moment abgeleitet ist. In Anbetracht radialer elektromagnetischer Kraft, die auf jeden der Statorzähne 15 wirkt, mit einem linearen Magnetkreis, der den Motor annähert, kann die radiale elektromagnetische Kraft fr und die magnetische Energie W in den folgenden Formeln (1) und (2) ausgedrückt werden zu W = 1 / 2ϕ²R_g = 1 / 2(B·S)²· x / μS = 1 / 2μB²·x·S (1) fr = ∂W / ∂x = 1 / 2μB²S ∂ / ∂x(x) = 1 / 2μB²S (2) wobei φ der Magnetfluss ist, W die magnetische Energie ist, fr die radiale elektromagnetische Kraft ist, Rg die Reluktanz ist, B die Magnetflussdichte ist, S eine Fläche ist, durch die der Magnetfluss hindurchtritt, x die Länge des Luftspalts (G) ist und ε die Permeabilität im Magnetpfad ist.
Berücksichtigt man die Raumharmonischen (Raumoberwellen), kann die Flussdichte B wie in der folgenden Formel (3) gezeigt ausgedrückt werden, woraus folgt, dass die Überlagerung der Grundschwingung und der Raumharmonischen ein Faktor ist, der die radiale elektromagnetische Kraft fr erhöht, weil die radiale elektromagnetische Kraft fr das Quadrat der Flussdichte B umfasst. Eine sorgfältige Prüfung und Untersuchung durch den Erfinder hat gezeigt, dass das Verringern der Raumharmonischen die Momentwelligkeit senkt, was in der Realisierung nicht nur einer Verringerung des elektromagnetischen Motorgeräuschs führt, sondern auch zu einem verbesserten Maschinenbetriebswirkungsgrad.
Die sorgfältige Prüfung und Untersuchung des Erfinders haben auch gezeigt, dass die Momentwelligkeit in einem IPM-Dreiphasenmotor aus den 6f-ten (wobei f = 1, 2, 3, ...: die natürliche Zahl) harmonischen Komponenten (Oberwellenkomponenten) bei θ in elektrischen Graden resultiert, welche sich aus der Kombination von Raumharmonischen mit Zeitharmonischen, bezogen auf eine Phase für einen Magnetpol, in der Eingangsphasenstromversorgung ergeben.
Genauer gesagt, können der dreiphasige Ausgang P(t) und das Moment τ(t) durch die Ausdrücke in den folgenden Formeln (4) und (5) dargestellt sein. P(t) = E_u(t)I_u(t) + E_v(t)I_v(t) + E_w(t)I_w(t) = ω_m·τ(t) (4) τ(t) = [E_u(t)I_u(t) + E_v(t)I_v(t) + E_w(t)I_w(t)]/w_m (5) wobei w_m die Winkelgeschwindigkeit ist; E_u(t), E_v(t) und E_w(t) die induzierten U-Phasen-, V-Phasen- bzw. W-Phasen-Spannungen sind und I_u(t), I_v(t) und I_w(t) die U-Phasen-, V-Phasen- bzw. W-Phasen-Ströme sind.
Das Dreiphasenmoment ist die Summe der U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Momente. Angenommen, dass m die Ordnung der harmonischen Komponente im Strom ist und n die Ordnung der harmonischen Komponente in der Spannung ist, kann die induzierte U-Phasen-Spannung E_u(t) wie in der folgenden Formel (6) geschrieben werden und kann der U-Phasen-Strom I_u(t) wie in der folgenden Formel (7) geschrieben werden, und das U-Phasen-Moment τ_u(t) kann durch den Ausdruck gegeben sein, der in der folgenden Formel (8) gezeigt ist.
Es ist wohlbekannt, dass die Phasenspannung E(t) und Phasenstrom I(t) symmetrische Wellen sind, somit sind n und m nur ungerade Zahlen. Ferner ist bekannt, dass die induzierte V-Phasen-Spannung E_v(t) und der Strom I_v(t) für das V-Phasen-Moment und die induzierte W-Phasen-Spannung E_w(t) und der Strom I_w(t) für das W-Phasen-Moment +2π/3 Radiant bzw. –2π/3 Radiant zur induzierte U-Phasen-Spannung E_u(t) und dem Strom I_u(t) für das U-Phasen-Moment verschoben sind. Es ist zu sehen, dass im Ausdruck des Dreiphasenmoments nur Terme mit Koeffizient 6 verbleiben und alle anderen Terme gegeneinander aufgehoben sind. Es folgt, dass das Dreiphasenmoment τ(t) wie in der folgenden Formel (9) geschrieben werden kann.
wobei 6f = n ± m (f ist die natürliche Zahl), s = nα_n + mβ_m, t = nα_n – mβ ist.
Aus der obigen Formel ist deutlich geworden, dass, wenn die Ordnung n der im Fluss (der induzierten Spannung) enthaltenen Raumharmonischen und die Ordnung m der im Phasenversorgungsstrom enthaltenen Zeitharmonischen kombiniert werden, um die Zahl 6f zu ergeben, Momentwelligkeiten der 6f-ten Ordnung im Dreiphasen-Wechselstrommotor erzeugt werden, weil, da eine induzierte Spannung als die zeitliche Ableitung eines Magnetflusses bekannt ist, die in der Induktionsspannung für jede Phase enthaltenen Harmonischen von derselben Ordnung wie die Harmonischen eines Magnetpolflusses der gleichen Phase, welche in einer Phase enthalten sind.
Nun werden Momentwelligkeiten im Dreiphasenmotor bei einer Überlagerung der Grundschwingung und der Raumharmonischen der Ordnung n = 5, 7, 11, 13 im Sinusapproximationsverfahren erzeugt, wobei z. B. nur Zeitharmonische der Ordnung m = 1 im Phasenstrom enthalten sind, weil Momentwelligkeiten erzeugt werden, wenn die Ordnung m der Raumharmonischen in der Magnetfluss-Wellenform einer Phase für einen Magnetpol und der Ordnung n der Zeitharmonischen im Phasenstrom derselben Phase kombiniert werden, um die Bedingung zu erfüllen, dass n ± m = 6f ist (f ist die natürliche Zahl).
Bei einem Dreiphasen-IMP-Motor wie der drehenden elektrischen Maschine 10, die sechs (6) Nuten 18 pro jedem Magnetpol und zwölf (12) Nuten 18 aufweist, die jedem Paar Magnetpole entsprechen, wird die Reluktanz in einigen aller Nuten 18 an umfangsmäßig in einem Abstand angeordneten zwölf (12) Positionen während eines Zyklus in elektrischen Graden hoch, wobei eine Überlagerung der Grundschwingungs-Flusswellenform und der elften (11.) und dreizehnten (13.) Raumharmonischen (n = 11, 13) verursacht wird. Momentwelligkeits-Komponenten, die durch diese elften (11.) und dreizehnten (13.) Raumharmonischen (n = 11, 13), sogenannten „Nutharmonischen”, resultieren, können leicht durch Drehen der Permanentmagnete 16 in Bezug auf die Rotorachse um einen Versatzwinkel verringert werden, der abhängig von einer axialen Position der Magnete 16 bestimmt wird.
Jedoch ist es schwierig, Momentwelligkeits-Komponenten zu verringern, die durch die fünfte (5.) und siebte (7.) Raumharmonische (n = 5, 7), d. h. Harmonische 6. Ordnung wegen 6f = 6, resultieren, weil, wie in 4 gezeigt, die Flusswellenform, die aus der Flussverkettung des Magnetfelds an einem der Statorzähne 15 abgeleitet ist, sich der Rechteckwellenform annähert und es den 5. und 7. Harmonischen somit leicht macht, die Grundschwingungs-Flusswellenform zu überlagern.
Die Fourier-Transformationsgleichung f(t) kann, wenn die Flusswellenform in einem der Statorzähne 15 für die Dreiphasen-IPM-Struktur auf eine Rechteckwellenform angenähert ist, durch den Ausdruck in der folgenden Formel (10) angegeben werden, und die in 4 gezeigte Flusswellenform F(t) kann durch den Ausdruck in der folgenden Formel (11) angegeben werden. Diese Flusswellenform F(t) kann als die folgende Formel (12) geschrieben werden, einer Approximationsformel, welche die Raumharmonische nicht höher als die 7. Harmonische umfasst, die wiederum zur folgenden Formel (13) durch die Anordnung der Terme transformiert werden kann, die nach Erweiterung mithilfe der Summen-Produkt-Formeln der Trigonometrie gegeben sind. Diese Formel (13) macht deutlich, dass das Erfüllen der folgenden Bedingung 1 oder 2 zur Verringerung der 5. oder 7. Harmonischen notwendig ist. Bedingung 1: cos5ω·L1 = 0 Bedingung 2: cos7ω·L1 = 0
kann deren Verhalten nach der folgenden Formel (14) ausgedrückt werden. Substituieren dieser Formel in die Beziehung (d. h. 5ω·L1 = ±π/2), die aus der Bedingung 1 abgeleitet ist, ergibt den Ausdruck in der folgenden Formel (15), „modifizierte Bedingung 1” genannt. Umschreiben dieses Ausdrucks unter Verwendung der Tatsache, dass L1, L2 > 0 sind, kann den Ausdruck in der folgenden Bedingung 1A ergeben. Man beachte, dass die Bedingung 1A die Verringerung der Momentwelligkeit durch Absenken der 5. Raumharmonischen auf null bereitstellt, wenn sie erfüllt ist. Winkelfrequenz (Winkelgeschwindigkeit) ω = 2π/T = 2π/(4L1 + 2L2) (14) modifizierte Bedingung 1: 5ω·L1 = 5·2πL1/(4L1 + 2L2) = ±π/2 (15) Bedingung 1A: L1 = L2/8
In ähnlicher Weise kann die modifizierte Bedingung 2 als die folgende Formel (16) geschrieben werden. Umschreiben dieses Ausdrucks unter Verwendung der Tatsache, dass L1, L2 > 0 sind, kann den Ausdruck in der folgenden Bedingung 2A ergeben. Man beachte, dass die Bedingung 2A die Verringerung der Momentwelligkeit durch Absenken der 7. Raumharmonischen auf null bereitstellt, wenn sie erfüllt ist. modifizierte Bedingung 2: 7ω·L1 = 7·2πL1/(4L1 + 2L2) = ±π/2 (16) Bedingung 2A: L1 = L2/12
Bei der drehenden elektrischen 8-Pol-48-Nut-Maschine 10 wird die Umfangsgeschwindigkeit V des Rotors 12 unter Verwendung der folgenden Beziehung, die in der Maschine 10 gilt, in der folgenden Formel (17) ausgedrückt, die als die folgende Formel (18) umgeschrieben wird, wobei r der Radius des Rotors 12 ist.
45 mechanische Grad = T/2 Zyklus in elektrischen Grad V(m/sec) = 2πr·(45°/360°)/(T/2) = 2πr·(45°/360°)/{(4L1 + 2L2)/2} = r(m)·ω(rad/sec) (17) 2L1 + L2 = π/4ω (18)
Substituieren der Bedingung LA und der Bedingung 2A in der oben erwähnten Formel (18) ergibt die folgenden Bedingungen.
Die 5. Raumharmonische = 0 → (L2, L1) = (π/5ω, π/40ω)
Die 7. Raumharmonische = 0 → (L2, L1) = (3π/14ω, π/56ω)
Dies erhöht die Neigung, die 5. und 7. Raumharmonischen in der drehenden elektrischen Maschine 10 zu verringern, um die Momentwelligkeit an der Zunahme zu hindern, indem eine Auslegung bereitgestellt wird, die die folgende verkettete Schreibweise von Ungleichungen (19) erfüllt. π/5ω ≤ L2 ≤ 3π/14ω(sec) (19)
Hier repräsentiert der Term L2 in der verketteten Schreibweise von Ungleichungen (19) jene Fläche auf der Seite des Rotors 12, die den Statorzähnen 15 zugewandt ist und die einen Magnetpfad für den Magnetfluss bereitstellt, der die in 4 gezeigte Flusswellenform aufweist, und somit kann er als ein Bogen im Luftspalt G interpretiert werden, der jene zwei Linien verbindet, die von der Rotorachse (dem Scheitelpunkt) aus divergieren und durch die Flusssperren 17b beider Seiten eines gegebenen Paares von Permanentmagneten 16 hindurchtreten, die einen Divergenzwinkel θ1 bilden, der „effektiver (wirksamer) Magnetpol-Öffnungswinkel θ1” genannt wird.
Bezug nehmend auf die in 4 gezeigte Flusswellenform kann wegen der Beziehung, die θ = ωt einhält, der effektive Magnetpol-Öffnungswinkel θ1 als θ1 = ωL2 geschrieben werden, sodass die verkettete Schreibweise von Ungleichungen (19) wie folgt als verschiedene Ausdrücke geschrieben werden kann. Im Falle der Konfiguration der drehenden elektrischen 8-Pol-48-Nut-Maschine 10 (der Konfiguration, bei der sechs (6) Nuten acht (8) Magnetpolen einer nach dem anderen entsprechen oder zugewandt sind) entspricht z. B. ein Zyklus des Rotors 12 über 360 mechanische Grad vier Zyklen in elektrischen Graden, weil jedes von vier Paaren von acht (8) Magnetpolen einen Zyklus durchläuft. Die verschiedenen Ausdrücke sind:
π/5 (rad) ≤ θ1 (in mechanischen Grad) ≤ 3π/14 (rad) und
36 (deg rees) ≤ θ1 (in mechanischen Grad) ≤ 270/7 (deg rees).
Da θ1 (in mechanischen Grad) = (8poles/2poles)·θ1 (in elektrischen Grad) sind,
sind 144 (Grad) ≤ θ1 (in elektrischen Grad) ≤ 154,3 (Grad).
Wie in 5 gezeigt, führt dies zur Auslegung, pro einem Magnetpol in der drehenden elektrischen Maschine 10 der Permanentmagnete 16 mit ihren Flusssperren 17b an dem einen und den entgegengesetzten Rändern innerhalb einer Fläche, die durch jene zwei Linien eingegrenzt ist, die von der Rotorachse (dem Scheitelpunkt) divergieren und die den effektiven Magnetpol-Öffnungswinkel θ1 bilden, der in einen Bereich fällt, der in den folgenden Ausdrücken (20) und (21) ausgedrückt ist: 36° ≤ θ1 (in mechanischen Grad) ≤ 38,6° (20) 144° ≤ θ1 (in elektrischen Grad) ≤ 154,3° (21)
In der IPM-Struktur, in der die Permanentmagnete 16 jedes Paares, eingebettet im Rotor 12, in einer „V”-Form-Konfiguration angeordnet sind, repräsentiert eine d-Achse eine Richtung des Magnetflusses, der durch Magnetpole erzeugt ist, das heißt, eine Mittelachse zwischen jedem Paar von Permanentmagneten 16, die in „V”-Form angeordnet sind, während eine g-Achse eine Achse repräsentiert, die sich elektrisch und magnetisch unter einem Winkel von 90 elektrischen Grad von der d-Achse befindet und als Mittelachse zwischen den Permanentmagneten 16 der benachbarten Magnetpole wirkt. In dieser Situation entspricht der effektive Magnetpol-Öffnungswinkel θ1 pro Magnetpol im Rotor 12 der Dauer L2, die der Magnetfluss anhält, der durch die Statorzähne 15 hindurchtritt, wie aus der Wellenform leicht zu sehen, die die Magnetfluss-Wellenform annähert, gezeigt in 4. Wie in 5 gezeigt, weist die Magnetfluss-Wellenform ihre Dauer L2 am Mittelpunkt zwischen den q-Achsen jedes Paares angeordnet auf, die einen Winkel θ2 bilden, sodass die d-Achse durch den Mittelpunkt der Dauer L2 hindurchtritt. Der dargestellte Winkel θ2 nach 2 ist ein Winkel, der durch die q-Achsen jedes Paares gebildet und gleich 45° in mechanischen Grad ist und gleich einem Winkel in elektrischen Grad, der dem halben Zyklus in der Magnetfluss-Wellenform entspricht.
Dementsprechend ist mit dem effektiven Magnetpol-Öffnungswinkel θ1, der nicht nur die Permanentmagnete 16 jedes Paares, sondern auch deren Flusssperren 17b im Rotor 12 abdeckt und der in den Bereich {144° ≤ θ1 (in elektrischen Grad) ≤ 154.3°} fällt, was wirksam zur Momentwelligkeit-Verringerung durch Unterdrücken der 5. und 7. Raumharmonischen, n = 5, 7, in der Phasenspannung ist, wobei jede davon mit der Zeitharmonischen im Phasenstrom der Ordnung m = 1 zusammenwirkt, um die bestimmte Ordnung der 6f-ten (n = 5, 7), zu erfüllen, die drehende elektrische Maschine 10 in die Lage versetzt, ihre Rotorwelle 13 mit der Rotation hoher Qualität bei verringerter Momentwelligkeit, verringerter Schwingung und verringertem Geräusch anzutreiben. Außerdem ist sie in die Lage versetzt, die Rotorwelle 13 mit der hocheffizienten Rotation bei verringerten Verlusten anzutreiben, weil die verringerte Momentwelligkeit Schwingung verringert, um nicht nur Wärmeverlust, sondern auch Hysterese- und Eisenverlust zu verringern.
Zum Untersuchen eines Dreiphasen-IPM-Motors, den die drehende elektrische Maschine 10 als ihre grundlegende Struktur übernimmt, ist eine Vibrationsanalyse des Stators 11 (Stator-Eisenkern) gemacht worden. Diese Analyse hat verdeutlicht, dass die Form der Schwingungsmode eines sich drehenden Achtecks (Modenzahl k = 8) durch die 2., 4., 8., 10. Ordnungen der radialen elektromagnetischen Kraft fr erzeugt wird, siehe Formel (2), die aufgrund der Überlagerung der Grundwelle (t = 1), 3. Raumkomponente (t = 3), 5. Raumkomponente (t = 5) erzeugt werden, wie in der zuvor erwähnten Formel (3) ausgedrückt, und die Form der Schwingungsmode eines perfekten Kreises, der zyklische Expansion und Kontraktion aufweist (Modenzahl k = 0), wird durch die 6., 12. Ordnungen der radialen elektromagnetischen Kraft fr erzeugt. Beispielsweise dreht sich in der Schwingungsmode, die durch die 2. Harmonische (oder die 2. Ordnung der radialen elektromagnetischen Kraft fr) erzeugt wird, die zu zwei unterschiedlichen Zeiten T1 und T2 in 6A und 6B gezeigt ist, das Achteck, das durch die Vibration des Stators 11 transformiert ist, und in der Schwingungsmode, die durch die 6. Harmonische (oder die 6. Ordnung der radialen elektromagnetischen Kraft fr) erzeugt wird, die zu zwei unterschiedlichen Zeiten T1 und T2 in 7A und 7B gezeigt ist, expandiert und kontrahiert sich der Stator 11 zyklisch. Außerdem ist in der Schwingungsmode, die durch die 10. Ordnung der radialen elektromagnetischen Kraft fr, nicht dargestellt, erzeugt wird, die ovale Form der Schwingungsmode mit der achteckigen Form der Schwingungsmode (Modenzahl k = 8) kombiniert.
In der drehenden elektrischen Maschine 10 in der Form eines 8-Pol-48-Nut-Motors ist die Magnetflussdichte so verteilt, dass acht (8) Magnetflüsse nacheinander in Winkelrichtung in Bezug auf eine Umdrehung um 360 in mechanischen Grad positioniert sind und die acht (8) radialen elektromagnetischen Kräfte fr nacheinander in Winkelrichtung positioniert sind, sodass die acht winkelmäßig positionierten radialen elektromagnetischen Kräfte fr die Schwingungsmode mit ihrer Modenzahl k = 8 induzieren. Außerdem wird in der Schwingungsmode, die durch die 6., 12. Ordnung radialer elektromotorischer Kraft fr erzeugt wird, der Stator 11 durch einen zusammengesetzten Vektor der elektromagnetischen Kraft in Schwingung versetzt, der die Summe eines Vektors elektromagnetischer Kraft aufgrund von Momentwelligkeit und eines radialen Vektors elektromagnetischer Kraft aufgrund der magnetischen Kopplung mit dem Stator 11 ist. Somit breitet während der Schwingungsmode k = 0, in der Expansion und Kontraktion abwechselnd auftreten, erzeugt durch die 6f-te Ordnung begleitet von Momentwelligkeit, das heißt, die 6., 12. Ordnungen in diesem Beispiel, die umfängliche Luft des Stators 11 die Vibration aus, die durch die Expansion und Kontraktion verursacht ist, was verglichen mit den anderen Ordnungen eine Zunahme im Grad des elektromagnetischen Motorgeräuschs der drehenden elektrischen Maschine 10 verursacht. Für die anderen Ordnungen ausschließlich der oben erwähnten 6f-ten Ordnung tritt keine Momentwelligkeit auf und keine Vibration und kein Geräusch treten auf, die ein Problem schaffen können.
Als Resultat davon ist verdeutlicht worden, dass in der drehenden elektrischen Maschine 10 das Unterdrücken der Harmonischen der 6. Ordnung (m = 1, n = 5, 7) in der Magnetfluss-Wellenform, was angesehen wird, ein Problem zu erzeugen, eine Verringerung in Momentwelligkeit und Ruckeln bereitstellt, wobei nicht nur unnormale Vibration im eingebauten Zustand in einem Fahrzeug, „Ruckeln” genannt, sondern auch elektromagnetisches Geräusch unterdrückt wird. Jene Harmonischen der Ordnungen, die kombiniert werden, um die 6f-te zu ergeben, die die Schwingungsmode k = 0 erzeugen, z. B. die 12. Harmonische, können z. B. durch Vorgeben eines Versatzwinkels beim Einbetten der Permanentmagnete 16 verringert werden.
Außerdem sind in dieser drehenden elektrischen Maschine 10, um innerhalb des oben erwähnten Magnetpol-Öffnungswinkels θ1 für jeden Magnetpol zu bleiben, zusätzlich die Permanentmagnete 16 jedes Paares und die „V”-Form-Bohrungen 17 so im Rotor 12 angeordnet, dass das Verhältnis des Magnet-Öffnungswinkels θ3, der durch zwei Linien gebildet ist, die vom Scheitelpunkt auf der Rotorachse divergieren und durch die Außenrand-Eckabschnitte 16b der Permanentmagnete 16b an Punkten in der Nachbarschaft der Umfangsoberfläche 12a von Rotor 12 hindurchtreten, zum effektiven Magnetpol-Öffnungswinkel θ1 (θ3/θ1 = ein Öffnungswinkelverhältnis δ) eine gewünschte Bedingung zu dem Zweck erfüllt, Momentwelligkeit zu minimieren oder zu verringern, damit sie in einem Minimalbereich fällt.
Zum einfacheren Vergleich bildet ein in 8 gezeigtes Schaubild Moment, Momentwelligkeit und Oberschwingungsgehalt (THD) der Leitungsspannung über einen üblicherweise verwendeten Bereich an Moment ab, der während des Antreibens eines Fahrzeugs im Straßengebrauch erforderlich ist, abgeleitet vom Durchführen einer Analyse des elektromagnetischen Feldes nach dem Finite-Elemente-Verfahren gegen unterschiedliche Werte des Öffnungswinkelverhältnisses δ, gegeben durch einen veränderlichen Magnet-Öffnungswinkel θ3 unter der Bedingung, dass der elektromagnetische Pol-Öffnungsgrad θ1 für einen Magnetpol wie folgt festgelegt ist:
01 (in mechanischen Grad) = 270/7 Grad (38,6 Grad).
In diesem üblicherweise verwendeten Bereich an Moment versteht man aus dem in 8 gezeigten Schaubild, dass nicht nur Momentwelligkeit, sondern auch Leitungsspannungs-THD verringert werden, wenn:
Magnet-Öffnungswinkel θ3 = 29,4° (in mechanischen Grad) = 117,6° (in elektrischen Grad).
Dies bewirkt nicht nur eine Verringerung in der Momentwelligkeit, sondern auch eine Verringerung im Leitungsspannungs-THD durch Installieren der „V”-Form-Bohrungen 17 (einschließlich der Flusssperren 17b) und der Permanentmagnete im Rotor 12 in einer Weise gemäß der folgenden verketteten Schreibweise von Ungleichungen (22). Ferner ist im folgenden Ausdruck die Auslegung (d. h. das Verhältnis θ3/θ1) in mechanischen Grad so abgeleitet, dass Momentwelligkeit und Leitungsspannungs-THD in die Minimalbereiche fallen, sie kann aber in elektrischen Graden ausgedrückt werden, weil das Öffnungswinkelverhältnis δ das Verhältnis ist. (29,4°/36°) ≤ θ3/θ1 (in mechanischen Grad) ≤ (29,4°/38,60) 0,762 (76,2%) ≤ δ ≤ 0,816 (81,6%) (22)
Gemäß der vorliegenden Ausführung fällt der effektive Magnetpol-Öffnungswinkel θ1, der nicht nur die Permanentmagnete 16 jedes Satzes oder Paares, sondern auch deren Flusssperren 17b im Rotor 12, die den Statorzähnen 15 des Stators 11 zugewandt sind, in den Bereich {144° ≤ θ1 (in elektrischen Grad) ≤ 154,3°}, der als wirksam zum Unterdrücken der Raumharmonischen erachtet wird, die für Momentwelligkeit verantwortlich ist, von denen jede nach Kombiniertwerden mit der Ordnung der Grund-Zeitharmonischen die Ordnung aufweist, die die bestimmte 6. Ordnung ausmacht. Darüber hinaus fällt das Öffnungswinkelverhältnis δ, d. h., das Verhältnis des Magnet-Öffnungswinkels θ3 der Permanentmagnete 16 jedes Paares zum effektiven Magnetpol-Öffnungswinkel θ1, in den Bereich (76,2% ≤ δ ≤ 81,6%), der als wirksam zum Minimieren nicht nur der Momentwelligkeit, sondern auch des THD erachtet wird. Dies resultiert in Rotation hoher Qualität bei verringerter Schwingung und verringertem Geräusch und außerdem hocheffizienter Rotation bei verringerten Verlusten.
In der vorliegenden Ausführung bildet ein Paar von Linien, die vom Scheitelpunkt auf der Rotorachse divergieren und durch die Außenrand-Eckabschnitte 16b der Permanentmagnete 16 jedes Paares hindurchtreten, den Magnet-Öffnungswinkel θ3 für den Magnetpol, und das Verhältnis dieses Magnet-Öffnungswinkels θ3 zum Magnetpol-Öffnungswinkel θ1 ergibt das Öffnungswinkelverhältnis δ, aber der Prozess des Herleitens des Öffnungswinkelverhältnisses δ ist nur ein Beispiel und nicht darauf begrenzt. Beispielsweise kann das Öffnungswinkelverhältnis δ durch Durchführen einer Analyse des elektromagnetischen Feldes nach dem Finite-Elemente-Verfahren einwärts des Rotors 12 von der Umfangsoberfläche 12a zur Seite der Eckabschnitte 16b oder Mittelpunkte, jeweils zwischen den Eckabschnitten 16a und 16b eines der Permanentmagnete 16 eines jeden, als magnetischer Öffnungswinkel θ3 gegeben sein.
Während der Beschreibung der vorliegenden Ausführungsform ist eine drehende elektrische Maschine 10 in der Form eines 8-Pol-48-Nuten-Motors als ein Beispiel genommen worden, ist aber nicht auf diese Struktur begrenzt. Die vorliegende Erfindung kann ihre Verwendungsart in Motoren finden, die sechs (6) Nute zu jedem Magnetpol umfassen, wie z. B. einem 6-Pol-36-Nuten-, 4-Pol-24-Nuten-, 10-Pol-60-Nuten-Motor, indem nur θ1 in elektrischen Grad in dem Bereich des effektiven Magnetpol-Öffnungswinkels θ1 eingesetzt wird.
Es ist nicht beabsichtigt, den Umfang der vorliegenden Erfindung auf die dargestellte und beschriebene Ausführungsform zu beschränken. Man muss verstehen, dass alle Varianten, die äquivalente Wirkung(en) erreichen, auf die durch die vorliegende Erfindung gezielt wird, innerhalb des Umfangs der Erfindung liegen. Man sollte verstehen, dass in der Funktion und Anordnung von Elementen verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen, wie er in den angehängten Ansprüchen und deren rechtlichen Äquivalenten dargelegt ist.
[Gewerbliche Anwendbarkeit]
Es sollte beachtet werden, dass, obgleich eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben worden ist, sie nur ein Beispiel ist und nicht dafür vorgesehen ist, den Umfang der vorliegenden Erfindung zu beschränken. Auch ist festzustellen, dass eine unermessliche Zahl von Varianten existiert, ohne den Geist der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

10: drehende elektrische Maschine
11: Stator
12: Rotor
13: Rotorwelle
15: Statorzähne
16: Permanentmagnet
16a: Eckabschnitt
17: in einer „V”-Form angeordnete Bohrungen
17b: Flusssperre
18: Nut
20: Mittelsteg
θ1: effektive Magnetpol-Öffnungswinkel
θ3: Magnet-Öffnungswinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2011-235984 [0001]

Claims

Drehende elektrische Maschine, die einen Rotor mit einer Rotorwelle, der auf einer Rotorachse angeordnet ist, und einen Stator umfasst, der den Rotor drehbar aufnimmt, wobei der Stator eine Mehrzahl von Zahnabschnitten, die sich in Richtung einer Umfangsoberfläche des Rotors erstrecken und an inneren Umfangsoberflächen enden, die der Umfangsoberfläche des Rotors zugewandt sind, und eine Mehrzahl von Nuten aufweist, jede jeweils zwischen den benachbarten zwei der Zahnabschnitte, die Räume zum Wickeln von Spulen um die Zahnabschnitte zur Einspeisung des elektrischen Antriebsstroms bereitstellen, wobei der Rotor mehrere darin eingebettete Permanentmagnete, um so magnetische Kraft auf jene Oberflächenabschnitte der Zähne wirken zu lassen, die den Permanentmagneten entgegengesetzt sind, und mehrere Flusssperren aufweist, die ausgebildet sind, unbeabsichtigten Fluss innerhalb des Rotors seitlich entlang der Permanentmagnete einzuschränken, wobei der Rotor innerhalb des Stators angetrieben wird, um sich durch Reluktanzmoment, das aus Magnetfluss bezogen ist, der durch die Zahnabschnitte, die Rückseitenfläche der Zahnabschnitte und den Rotor hindurchtritt, wenn Strom durch die Spulen hindurchtritt, und Magnetmoment in der Form von Anziehung und Abstoßung zu drehen, das aus Interferenz mit den Permanentmagneten abgeleitet ist, wobei die Permanentmagnete in einer Weise angeordnet sind, dass, wenn ein Satz von Permanentmagneten der mehreren Permanentmagnete und Flusssperren der mehreren Flusssperren im Rotor einem Satz von Nuten der mehreren Nuten im Stator entspricht und einen Magnetpol bildet, das Verhältnis eines Magnet-Öffnungswinkels der Permanentmagnete jedes Satzes zu einem effektiven Magnetpol-Öffnungswinkel für den Magnetpol, der Außenränder der Flusssperren einbezieht, in einen Bereich fällt, der zum Minimieren von Momentwelligkeit wirksam ist.
Drehende elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Magnetpol im Rotor durch Einbetten des einen Satzes von Permanentmagneten so gebildet ist, dass Permanentmagnete eines Paares in einer „V”-Form-Konfiguration angeordnet sind, die sich auf die Umfangsoberfläche des Rotors zu öffnet, wobei die Anzahl der Nuten des einen Satzes sechs ist, und der eine Magnetpol so angeordnet ist, dass ein Öffnungswinkelverhältnis δ aus (Magnet-Öffnungswinkel)/(effektivem Magnetpol-Öffnungswinkel) in den Bereich 0,762 ≤ δ ≤ 0,816 fällt.