DE102013219058A1

DE102013219058A1 - Elektrische drehmaschine mit innenliegenden dauermagneten

Info

Publication number: DE102013219058A1
Application number: DE201310219058
Authority: DE
Inventors: Masahiro Aoyama
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2013-09-23
Publication date: 2014-04-03
Anticipated expiration: 2033-09-24
Also published as: DE102013219058B4; CN103715799A; CN103715799B

Abstract

Eine elektrische IPM-Drehmaschine umfasst einen Stator, der zur Aufnahme von Statorwicklungen eingerichtet ist; einen Rotor, der relativ zu dem Stator drehbar ist; mehrere Paare von Dauermagneten in dem Rotor; und eine Öffnung, die jenen in einem vorbestimmten Bereich befindlichen Abschnitt eines jeden der Dauermagnete ersetzt, der so gerichtete Magnetflusslinien erzeugen würde, dass von dem Stator ausgehende Magnetflusslinien benachbart zu einer Längsachse des Magnetpols ausgelöscht würden, wenn sich der Dauermagnet in dem vorbestimmten Bereich befinden würde. Die Öffnung umfasst einen zusätzlichen Raum, der in einer der Magnetöffnungen aufgrund einer Verkürzung der Länge des in der Magnetöffnung aufgenommenen Dauermagnets entlang der Magnetöffnung ausgebildet ist. Die Öffnung erstreckt sich von dem zusätzlichen Raum über den Rand des in der Magnetöffnung aufgenommenen Dauermagnets hinaus zu dem Außenumfang des Rotors.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Drehmaschine mit innenliegenden Dauermagneten (IPM) und genauer eine elektrische IPM-Drehmaschine mit einem hocheffizienten Betrieb in einem Antriebsmodus.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Elektrische Drehmaschinen müssen verschiedene Ausgangsleistungseigenschaften erfüllen, um verschiedene Anforderungen durch Vorrichtungen, woran sie angebracht sind, zu erfüllen. Wenn eine elektrische Drehmaschine zum Beispiel in einem Hybridelektrofahrzeug (HEV: Hybrid Electric Vehicle, Hybridfahrzeug) als Kraftquelle in Zusammenwirkung mit einem Verbrennungsmotor oder in einem Elektrofahrzeug (EV: Electric Vehicle, Elektrofahrzeug) als einzige Kraftquelle die Funktion eines Traktionsmotors durchführen soll, muss der Traktionsmotor in einem Antriebsmodus bei einer veränderlichen Geschwindigkeit über einen weiten Geschwindigkeitsbereich arbeiten und bei geringen Geschwindigkeiten ein ausreichend hohes Drehmoment bereitstellen.
Bei den Fahrzeugen der obigen Art verlangt eine Verbesserung im Hinblick auf die Kraftstoffersparnis eine Verbesserung bei der Effizienz der Energieumwandlung eines jeden der Bestandteile einschließlich einer elektrischen Drehmaschine, und im Fall einer fahrzeugeigenen elektrischen Drehmaschine insbesondere eine Verbesserung der Effizienz in einem häufig verwendeten Bereich. Ferner muss die fahrzeugeigene elektrische Drehmaschine von dem Gesichtspunkt von Beschränkungen hinsichtlich des Platzes für ihre Montage und von dem Gesichtspunkt der Miniaturisierung her einen kompakteren Aufbau mit einer hohen Energiedichte aufweisen.
Übrigens arbeitet eine elektrische Drehmaschine in HEVs oder EVs in einem normalen Antriebsmodus im Allgemeinen bei geringen Geschwindigkeiten unter geringen Belastungsbedingungen. Aus diesem Grund besteht die Tendenz, für eine hohe Effizienz starke Dauermagnete zu verwenden, da das magnetische Moment mehr zu der Erzeugung von Drehmoment für die fahrzeugeigene elektrische Drehmaschine beiträgt als das Reluktanzmoment, das mit der Amplitude der Ströme durch die Statorwicklungen veränderlich ist.
Diese Tendenz zeigt sich in der zunehmenden Verwendung von Synchronmotoren vom Dauermagnettyp, die einen Neodym-Magnet mit einer hohen Remanenz umfassen, der in einen Magnetkern eingebettet ist, und als IPM-Synchronmotoren (Synchronmotoren mit innenliegenden Dauermagneten) bezeichnet werden. Bei einer solchen elektrischen IPM-Drehmaschine wird vorgeschlagen, mehrere Paare von Dauermagneten auf eine solche Weise in einen Rotor einzubetten, dass die Dauermagnete jedes Paars in einer ”V”-förmigen Konfiguration angeordnet sind, die sich zu einem Außenumfang des Rotors hin öffnet, um einen Magnetkreis zu erzeugen, der fähig ist, aktiv sowohl das Reluktanzmoment als auch das magnetische Moment zu benutzen (siehe zum Beispiel die Patentliteratur 1 und 2). Ferner wird bei elektrischen IPM-Drehmaschinen auch vorgeschlagen, in einem Rotor Öffnungen zu bilden, die sich jeweils an einer der Längsachsen und an der äußeren Umfangsseite der Dauermagnete (einer Mittelachse der Dauermagnete) jedes Paars befinden, das in einer ”V”-förmigen Konfiguration in den Rotor eingebettet ist (siehe zum Beispiel die Patentliteratur 3 und 4).
STAND DER TECHNIK

Patentliteratur 1: JP-A 2006-254629
Patentliteratur 2: JP-A 2012-39775
Patentliteratur 3: JP-A 2006-217798
Patentliteratur 4: JP-A 2007-68357

Übrigens kommen in neueren elektrischen Drehmaschinen vermehrt Dauermagnete, die Seltenerdelemente wie Nd, Dy und Tb enthalten, zum Einsatz, um den Magnetismus und die Wärmebeständigkeit zu erhöhen, doch verursachen steigende Preise, die durch ihre Seltenheit und die Instabilität ihres Vertriebs verursacht werden, einen zunehmenden Bedarf an einer Verbesserung der Effizienz bei einer Verringerung der Verwendungsmenge dieser Seltenerdelemente.
Doch da eine elektrische Drehmaschine in HEVs und EVs in einem normalen Antriebsmodus bei geringen Geschwindigkeiten unter geringen Belastungsbedingungen arbeitet, besteht die Tendenz, selbst in IPM-Motoren wie den in der Patentliteratur 1 bis 4 beschriebenen die Verwendungsmenge von Dauermagneten mit hohem Magnetismus zu erhöhen, um das magnetische Moment, das im Antriebsmodus zum Betrieb bei geringen Geschwindigkeiten unter geringen Belastungsbedingungen beiträgt, zu erhöhen. Dieser Ansatz entfernt sich von der Erfüllung der Aufgabe einer Verringerung der Verwendungsmenge von Seltenerdelementen.
Ferner kann das in der Patentliteratur 3 und 4 dargelegte Bilden der Öffnungen in einem Rotor den Verlauf der Magnetfluss-Fließwegen beeinträchtigen und nicht zu einer Erhöhung des Drehmoments beitragen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Daher ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine preiswerte elektrische Drehmaschine mit hoher Energiedichte bereitzustellen, die in einem Antriebsmodus einen hocheffizienten Betrieb umsetzt, während die Verwendungsmenge der Dauermagnete verringert ist.
Nach einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst eine elektrische Drehmaschine mit innenliegenden Dauermagneten (IPM) Folgendes:
einen Stator, der zur Aufnahme von Statorwicklungen eingerichtet ist, wobei der Rotor einen Außenumfang aufweist;
einen Rotor, der relativ zu dem Stator drehbar ist;
mehrere Paare von Dauermagneten in dem Rotor, wobei die Dauermagnete jedes Paars einen Magnetpol bilden und in Magnetöffnungen in dem Rotor aufgenommen sind; und
Öffnungen mit einer geringen Permeabilität, wobei jede davon den in einem vorbestimmten Bereich befindlichen Abschnitt eines der Dauermagnete ersetzt, der so gerichtete Magnetflusslinien erzeugen würde, dass von dem Stator ausgehende Magnetflusslinien benachbart zu einer Längsachse des Magnetpols ausgelöscht würden, wenn sich der Dauermagnet in dem vorbestimmten Bereich befinden würde,
wobei die Öffnung einen zusätzlichen Raum umfasst, der in einer der Magnetöffnungen aufgrund einer Verkürzung der Länge des in der Magnetöffnung aufgenommenen Dauermagnets entlang der Magnetöffnung ausgebildet ist,
wobei sich die Öffnung von dem zusätzlichen Raum über den Rand des in der Magnetöffnung aufgenommenen Dauermagnets hinaus zu dem Außenumfang des Rotors erstreckt.
Nach einem zweiten Aspekt
weist die Öffnung eine flache Konfiguration auf, die an der Seite gelegen ist, welche dem Außenumfang des Rotors gegenüberliegt, und
erfüllt die flache Konfiguration eine als 0,098 ≦ DL_d/R1 < 0,194 ausgedrückte Beziehung,
wobei R1 der Radius zu dem Außenumfang des Rotors ist und DL_d der Abstand von einem Punkt X, an dem die Längsachse und der Außenumfang des Rotors einander schneiden, zu einem Punkt Y ist, an dem die Längsachse und eine Verlängerungsebene der flachen Konfiguration hin zu der Längsachse einander schneiden.
Nach einem dritten Aspekt der Erfindung erfüllt die flache Konfiguration eine als 0,12 ≦ DL_d/R1 ≦ 0,14 ausgedrückte Beziehung und eine als 1,2 ≦ θ1/θ2 ≦ 1,7 ausgedrückte Beziehung,
wobei θ1 der Einschlusswinkel zwischen der Längsachse und der Verlängerungsebene der flachen Konfiguration hin zu der Längsachse ist und θ2 der Einschlusswinkel zwischen der Längsachse und einer Verlängerungsebene einer auf Seiten des Außenumfangs des Rotors gelegenen Außenfläche des Dauermagnets hin zu der Längsachse ist.
Da nach dem ersten Aspekt jede der Öffnungen mit einer geringen Permeabilität den in einem vorbestimmten Bereich befindlichen Abschnitt eines der Dauermagnete ersetzt, der so gerichtete Magnetflusslinien erzeugen würde, dass von dem Stator ausgehenden Magnetflusslinien benachbart zu jeder der Längsachsen der Magnetpole entgegengewirkt würde, wirken Magnetflusslinien der Magnete benachbart zu der Längsachse nicht gegen Magnetflusslinien der Statorwicklungen und wird der Durchgang der Magnetflusslinien durch den vorbestimmten Bereich beschränkt. Daher wird sowohl das magnetische Moment als auch das Reluktanzmoment wirksam verwendet, indem Magnetflusslinien der Magnete, die benachbart zu der Längsachse Magnetflusslinien der Statorwicklungen unnütz machen würden, beseitigt werden und die Verwendungsmenge der Dauermagnete verringert wird, während ein Drehmoment erhalten wird, das gleich oder größer als vor dem Ersatz des Abschnitts eines jeden der Dauermagnete durch eine Öffnung ist.
Darüber hinaus verbessert der Ersatz des Abschnitts eines der Dauermagnete durch jede der Öffnungen die Ausgangsleistung bei hohen Geschwindigkeiten, da eine Verringerung der Magnetflusslinien der Magnete eine Verringerung der induzierten Spannungskonstanten verursacht. Zusätzlich verursacht eine Gewichtsersparnis eine Verringerung der Trägheit.
Die Verringerung der Magnetflusslinien der Magnete verursachen eine Verringerung der Raumharmonischen, welche Magnetostriktion verursachen, und zwar wegen einer Verminderung des Feldschwächebereichs. Dies beschränkt die Erzeugung von Wärme, indem die Erzeugung von Wirbelströmen eingeschränkt wird, und beschränkt die Entmagnetisierung, die durch eine Temperaturveränderung der Dauermagnete verursacht wird, was zu geringeren Kosten führt, da der Grad der Wärmebeständigkeit gesenkt werden kann.
Zusätzlich beschränkt diese Öffnung durch das Bilden eines zusätzlichen Raums hin zu der Längsachse, so dass dieser eine Konfiguration aufweist, dass er sich zu der Achse des Rotors hin erstreckt, einen Umgehungspfad der Magnetflusslinien der Statorwicklungen, die von der Seite einer Querachse an einer Seite eines Magnetpols einwärts in den Rotor eindringen, zu der äußeren Umfangsseite des Magnetpols, wodurch verursacht wird, dass die Magnetflusslinien der Statorwicklungen zu der anderen Querachse an der anderen Seite des Magnetpols hin herum verlaufen, was eine Sättigung vermeidet, die durch eine Verbindung mit Magnetflusslinien der Magnete, die sich zu der äußeren Umfangsseite des Magnetpols hin erstrecken, verursacht wird. Daher erhöht dies das gesamte Drehmoment, da das von den Magnetflusslinien der Statorwicklungen erlangte Reluktanzmoment wirksam verwendet wird.
Ferner ermöglicht diese Öffnung durch das Bilden des zusätzlichen Raums hin zu der Längsachse, so dass dieser eine solche Konfiguration aufweist, dass er sich zu dem Außenumfang des Rotors hin erstreckt, die Vornahme einer passenden Einstellung der Richtung jenes Teils der Magnetflusslinien der Magnete, der zwar kein Auslöschen von Magnetflusslinien der Statorwicklungen mit sich bringt, aber nicht wirksam mit dem Magnetflusslinien der Statorwicklungen zusammenwirken kann, an der Seite der Längsachse des Magnetpols. Daher erhöht dies das gesamte Drehmoment weiter, da die synthetischen Magnetflusslinien, die durch die kombinierte Wirkung der Magnetflusslinien der Statorwicklungen und der Magnetflusslinien der Magnete ausgebildet sind, dazu gebracht werden, über einen Flussfließweg zu verlaufen, der zu einer wirksamen Erzeugung von Drehmoment beiträgt.
Folglich wird eine preiswerte elektrische Drehmaschine verwirklicht, die im Antriebsbetrieb einen qualitativ hochwertigen Betrieb mit einer hohen Energiedichte bereitstellt.
Nach dem zweiten Aspekt wird durch das Erfüllen der Beziehung 0,098 ≦ DL_d/R1 < 0,194 als das Verhältnis des Abstands DL_d zwischen einer Schnittposition, an der die Längsachse und eine Verlängerungsebene einer Endfläche der Öffnung an der äußeren Umfangsseite (einer flachen Konfiguration) einander schneiden, und einer Schnittposition, an der die Längsachse und der Außenumfang des Rotors einander schneiden, zu dem Außenradius R1 des Rotors mit einer zylinderförmigen Konfiguration die Drehmomentwelligkeit verringert, während harmonische Drehmomentkomponenten unter Erhöhung des Drehmoments unterdrückt werden.
Nach dem dritten Aspekt wird durch weiteres Einengen von DL_d/R1 auf einen Bereich von 0,12 bis 0,14 und ein Ausbilden der Form der Öffnung, so dass das Verhältnis von θ1/θ2, d. h. das Verhältnis eines Einschlusswinkels θ1 zwischen der Längsachse und einer Verlängerungsebene der Öffnung zu einem Einschlusswinkel θ2 zwischen der Längsachse und einer Verlängerungsebene des Dauermagnets, in einen Bereich von 1,2 bis 1,7 fällt, die Drehmomentwelligkeit weiter verringert, während harmonische Drehmomentkomponenten unter weiterer Erhöhung des Drehmoments unterdrückt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Draufsicht auf einen Rotor und einen Stator einer elektrischen IPM-Drehmaschine, die Merkmale der Erfindung verkörpert.
2 ist eine schematische Ansicht eines Rotors, der Merkmale der Erfindung verkörpert, wobei der Stator mit elektrischem Strom bestromte Wicklungen aufweist, aber wobei die Dauermagnete nicht enthalten sind und die Magnetflusslinien (ψ_r) nur durch die nicht dargestellten bestromten Statorwicklungen erzeugt werden, während eines Betriebs in einem Antriebsmodus unter geringen Belastungsbedingungen.
3 ist eine der 2 ähnliche Ansicht, wobei der Stator keinen Strom aufweist und die Magnetflusslinien (ψ_m) von den Nordpolen (N) zu den Südpolen (S) nur durch die Dauermagnete, die in Magnetöffnungen in dem Rotor aufgenommen sind, erzeugt werden, während eines Betriebs in einem Antriebsmodus unter geringen Belastungsbedingungen.
4 ist eine Darstellung, die Drehmomenteigenschaften in Bezug auf verschiedene Grade von Stromphasen für einen IPM-Motor vom V-Typ zeigt, der einen herkömmlichen Rotor umfasst, welcher mit einer Öffnung ausgeführt ist, die nicht groß ist und sich an der Seite der Längsachse jedes der Dauermagnete befindet;
5A ist eine schematische Ansicht des herkömmlichen Rotors, wobei der Stator keinen Strom aufweist und die Magnetflusslinien (ψ_m) nur durch die Dauermagnete, die in Magnetöffnungen in dem Rotor aufgenommen sind, erzeugt werden.
5B ist eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs benachbart zu einer jeden der Längsachsen des in 5A gezeigten Rotors, die ein Vektorfeld (V_m) angibt, das nur durch die Magnetflusslinien, die durch die Dauermagnete erzeugt werden, ausgebildet ist.
6A ist eine der 5A ähnliche Ansicht, wobei der Stator mit elektrischem Strom bestromte Statorwicklungen aufweist, aber wobei die Dauermagnete nicht enthalten sind und die Magnetflusslinien (ψ_r) nur durch die bestromten Statorwicklungen erzeugt werden, während eines Betriebs in einem Antriebsmodus unter Höchstbelastung.
6B ist eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs benachbart zu einer jeden der Längsachsen des in 6A gezeigten Rotors, die ein Vektorfeld (V_r) angibt, das nur durch die Magnetflusslinien, die durch die bestromten Statorwicklungen erzeugt werden, ausgebildet ist.
7 ist ein Diagramm eines Modells, das eine Beziehung der Vektorverteilung mittels der Dauermagnete jedes Paars, das einen Magnetpol bildet, in Bezug auf die Vektorverteilung mittels der bestromten Statorwicklungen in einem Bereich an der äußeren Umfangsseite des Magnetpols des in 5A gezeigten herkömmlichen Rotors während eines Betriebs in einem Antriebsmodus unter Höchstbelastung zeigt.
8 ist eine Darstellung, die die Korrespondenz des Drehmoments mit der Phase des Eingangsstroms in Bezug auf den IPM-Motor vom V-Typ, der den in 5A gezeigten Rotor enthält, zeigt.
9 ist eine der 5A und 6A ähnliche Ansicht, wobei die Magnetflusslinien (ψ_r) nur durch die bestromten Statorwicklungen erzeugt werden, während eines Betriebs in einem Antriebsmodus unter geringer Belastung.
10 ist eine der 5A, 6A und 9 ähnliche Ansicht, die aber zusätzlich zu den synthetischen Magnetflusslinien (ψ_s) Flussfließwege enthält, die durch die Flussfließverteilung der synthetischen Magnetflusslinien (ψ_s) definiert sind, welche ausgebildet sind durch die kombinierte Wirkung von Magnetflusslinien (ψ_m), die durch die Dauermagnete erzeugt werden, und Magnetflusslinien (ψ_r), die durch die bestromten Statorwicklungen erzeugt werden, in einem Antriebsmodus unter geringer Belastung.
11 ist ein Diagramm, das die Variation des Ausgangsdrehmoments und die Rate der Verringerung der Drehmomentwelligkeit zeigt, wenn jeder der eingebetteten Dauermagnete in einem Rotor, der Merkmale der Erfindung verkörpert, verkürzt ist.
12 ist ein Diagramm, das die Variation der Raumharmonischen der 5. Ordnung zeigt, wenn jeder der eingebetteten Dauermagnete in dem Rotor, der die Merkmale der Erfindung verkörpert, verkürzt ist.
13 ist ein Diagramm, das einen Vergleich zeigt von Prozentsätzen von Drehmomenten, die erzeugt werden, wenn der in 5A, 6A und 9 gezeigte herkömmliche Rotor während eines Betriebs in einem Antriebsmodus unter geringen Belastungen verwendet wird, mit Prozentsätzen von Drehmomenten, wenn der Rotor, der die Merkmale der Erfindung verkörpert, während eines Betriebs in einem Antriebsmodus unter geringen Belastungen verwendet wird.
14 ist ein der 13 ähnliches Diagramm, das aber einen Vergleich zeigt von Prozentsätzen von Drehmomenten, die erzeugt werden, wenn der in 5A, 6A und 9 gezeigte herkömmliche Rotor während eines Betriebs in einem Antriebsmodus unter einer Höchstbelastung verwendet wird, mit Prozentsätzen von Drehmomenten, wenn der Rotor, der die Merkmale der Erfindung verkörpert, während eines Betriebs in einem Antriebsmodus unter einer Höchstbelastung verwendet wird.
15 ist eine der 2 ähnliche Ansicht, wobei der Stator mit elektrischem Strom bestromte Statorwicklungen aufweist, wobei aber die Dauermagnete nicht enthalten sind und die Magnetflusslinien (ψ_r) nur durch die nicht dargestellten bestromten Statorwicklungen erzeugt werden, während eines Betriebs in einem Antriebsmodus unter einer Höchstbelastung.
16 ist eine der 2 und 15 ähnliche Ansicht, die aber synthetische Magnetflusslinien (ψ_s) enthält, welche ausgebildet sind durch die kombinierte Wirkung von Magnetflusslinien, die durch die Dauermagnete erzeugt werden, und Magnetflusslinien, die durch die bestromten Statorwicklungen erzeugt werden, während eines Betriebs in einem Antriebsmodus unter geringen Belastungen.
17 ist eine der 2, 15 und 16 ähnliche Ansicht, die aber synthetische Magnetflusslinien (ψ_s) enthält, welche ausgebildet sind durch die kombinierte Wirkung von Magnetflusslinien, die durch die Dauermagnete erzeugt werden, und Magnetflusslinien, die durch die bestromten Statorwicklungen erzeugt werden, während eines Betriebs in einem Antriebsmodus unter einer Höchstbelastung.
18 ist eine schematische Ansicht eines Teils eines Rotors, der Aspekte der Erfindung verkörpert, benachbart zu den Ecken von Dauermagneten jedes Paars, die sich nahe an einer Längsachse befinden, die ein Modell umfasst, das eine Beziehung der Vektorverteilung mittels der Dauermagnete in Bezug auf die Vektorverteilung mittels der bestromten Wicklungen während des Betriebs in einem Antriebsmodus unter einer Höchstbelastung angibt, wobei der Rotor mit einer großen Öffnung ausgeführt ist, die einen zusätzlichen Raum in einer Magnetöffnung umfasst, der aufgrund einer Verkürzung der Länge des zugehörigen der Dauermagnete entlang der Magnetöffnung ausgebildet ist, wobei sich die große Öffnung nicht über den Rand des Dauermagnets hinaus zu dem Außenumfang des Rotors hin erstreckt.
19 ist eine der 18 ähnliche Ansicht, die aber einen Rotor enthält, der Aspekte der Erfindung ausführt, wobei der Rotor mit einer großen Öffnung ausgeführt ist, die einen zusätzlichen Raum in einer Magnetöffnung umfasst, der aufgrund einer Verkürzung der Länge des zugehörigen Dauermagnets entlang der Magnetöffnung ausgebildet ist, wobei sich die große Öffnung von dem zusätzlichen Raum über den Rand des Dauermagnets hinaus zu dem Außenumfang des Rotors hin erstreckt.
20 ist ein Diagramm, das vergrößert ist und Parameter enthält, die verwendet werden, um Formabmessungen jenes Abschnitts der Öffnung zu bestimmen, der sich von dem zusätzlichen Raum über den Rand des zugehörigen Dauermagnets hinaus zu dem Außenumfang des Rotors hin erstreckt.
21 ist ein Diagramm von Beispielen für Konfigurationsmodelle, wenn ein in 20 gezeigter Parameter DL_d variiert wird.
22 ist eine Darstellung, die die Variation des Drehmoments und die Variation der harmonischen Drehmomentkomponenten zeigt, wenn ein Verhältnis von DL_d zu einem Außenradius R1 des Rotors als Parameter variiert wird.
23 ist eine Darstellung, die die Variation der Drehmomentwelligkeit zeigt, wenn das Verhältnis von DL_d zu dem Außenradius R1 variiert wird.
24 ist eine Darstellung, die die Variation des Drehmoments und die Variation der harmonischen Drehmomentkomponenten zeigt, wenn ein Verhältnis θ1/θ2 als Parameter variiert wird.
25 ist eine Darstellung, die die Variation der Drehmomentwelligkeit zeigt, wenn das Verhältnis θ1/θ2 variiert wird.
26 ist eine Darstellung des instantanen Drehmoments in dem durchschnittlichen Drehmoment in Bezug auf den elektrischen Winkel, um den Fall der Verlängerung von Flussbarrieren in der Form von Öffnungen mit dem Fall, in dem die Flussbarrieren nicht verlängert sind, zu vergleichen.
27 ist eine Darstellung, die den Prozentsatz jeder harmonischen Komponente, welche die in 26 gezeigte Wellenform des instantanen Drehmoments überlagert, zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen wird eine (werden) Ausführungsform(en) der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1 bis 17 zeigen eine Ausführungsform einer elektrischen IPM-Drehmaschine nach der vorliegenden Erfindung. In der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform dreht sich ein Rotor nur zu Erläuterungszwecken in eine solche Richtung, dass er sich zum Beispiel in Bezug auf einen Stator in eine Richtung gegen den Uhrzeigersinn (CCW: counterclockwise) dreht.
In 1 umfasst eine elektrische Drehmaschine oder ein Motor 10 einen Stator 11, der in der Form einer im Allgemeinen zylinderförmigen Konfiguration geformt ist, und einen Rotor 12, der von diesem Stator 11 umgeben ist, auf einer Drehachse oder einer Rotorachse drehbar ist, und fest mit einer Antriebswelle 13, die koaxial mit der Drehachse angeordnet ist, gekoppelt ist. Die elektrische Drehmaschine 10 erbringt eine Leistung, die an Spezifikationen angepasst ist, welche für eine Kraftquelle eines Hybridfahrzeugs (HEV) oder eines Elektrofahrzeugs (EV) erforderlich sind, so wie ein Verbrennungsmotor für ein Fahrzeug als Kraftquelle erforderlich ist, oder an Spezifikationen angepasst ist, die für eine eingebaute Kraftquelle in jedem der Antriebsräder eines Fahrzeugs erforderlich sind.
Der Stator 11 ist mit mehreren Statorzähnen 15 ausgeführt, die sich auf eine solche Weise in radialen Richtungen von der Rotorachse erstrecken, dass ein Innenumfang 15a des Stators 11 und ein Außenumfang 12a des Rotors 12 einander mit einem dazwischen befindlichen Spalt G gegenüberliegen. Der Stator 11 ist mit dreiphasigen Wicklungen umwickelt, die jeweils für jede Phase eine verteilte Wicklung darstellen (nicht dargestellt), um Statorwicklungen zu bilden, die fähig sind, einen Magnetfluss zu erzeugen, der mit dem Rotor 12 in Wechselwirkung tritt, um ein Rotordrehmoment zu erzeugen.
Der Rotor 12 ist als Rotor eines IPM-Motors (Motors mit innenliegenden Dauermagneten) ausgeführt. In dem Rotor sind mehrere Sätze von Dauermagneten 16 eingebettet, wobei jeder Satz pro Pol ein Paar von Dauermagneten 16 aufweist, die in einer ”V”-förmigen Konfiguration angeordnet sind, die sich zu dem Außenumfang 12a hin öffnet. Für die Dauermagnete jedes Paars ist der Rotor 12 mit einem Satz von Öffnungen 17 ausgeführt, die in einer ”V”-förmigen Konfiguration angeordnet sind, welche sich zu dem Außenumfang 12a hin öffnet, um die Dauermagnete 16, die jeweils über ihre Länge hinweg das gleiche rechteckige Querschnittprofil aufweisen und sich axial entlang der Rotorachse erstrecken, fest aufzunehmen, indem ermöglicht wird, dass ihre Ecken 16a in den Satz von Öffnungen 17 eingesetzt werden.
Die Öffnungen 17 jedes Satzes, die in einer ”V”-förmigen Konfiguration angeordnet sind, umfassen Magnetöffnungen 17a, die so gestaltet sind, dass sie die Dauermagnete 16 des entsprechenden Paars aufnehmen und einschließen, und Öffnungen 17b und 17c, die über jeden der Dauermagnete 16 hinweg angeordnet sind und voneinander in der Richtung seiner Breite getrennt sind und als Flussbarrieren dienen, um zu verhindern, dass sich der Magnetfluss um den Dauermagnet 16 dreht (nachstehend als ”Flussbarrieren” 17b und 17c bezeichnet). Jeder Satz von Öffnungen 17, die in einer ”V”-förmigen Konfiguration angeordnet sind, weist eine Mittelbrücke 20 auf, die sich zwischen den Öffnungen 17c, welche sich zwischen den Dauermagneten 16 jedes Paars befinden, in einer radialen Richtung von der Rotorachse erstreckt, um die Innen- und die Außenkante, welche die Öffnung definieren, zu verbinden, um die Dauermagnete gegen die Zentrifugalkraft, die erzeugt wird, wenn sich der Rotor 12 mit einer hohen Geschwindigkeit dreht, in Position zu halten.
In dieser elektrischen Drehmaschine 10 bilden Öffnungen, die sich jeweils zwischen zwei benachbarten Statorzähnen 15 des Stators 11 befinden, Schlitze 18, in die Statorwicklungen eingesetzt sind, um Spulengruppen um die Statorzähne 15 zu bilden. Andererseits ist jeder der acht Sätze von Dauermagneten 16 an dem Rotor 12 zu den entsprechenden sechs der Statorzähne 15 des Stators 11 gerichtet. Kurz gesagt ist diese elektrische Drehmaschine 10 so gestaltet, dass jeder Pol, der durch ein Paar von Dauermagneten 16 an dem Rotor 12 gebildet ist, zu den benachbarten sechs Schlitzen 18 des Stators 11 gerichtet ist. Das bedeutet, dass die elektrische Drehmaschine 10 als Drehstrom-IPM-Motor ausgeführt ist, in dem die beiden zueinander gerichteten Seiten eines Paars von Magneten in jedem zweiten Magnetpol die Nordpole aufweisen, während die beiden zueinander gerichteten Seiten eines Paars von Magneten in dem benachbarten Magnetpol die Südpole aufweisen, und ein 48-Schlitz-Stator in verteilten Wicklungen umwickelt ist, um Spulen zu bilden, wobei jede unter jeder Phase einen Spulenabstand in elektrischen Grad von fünf Statorzähnen aufweist, wodurch 8 Magnetpole (4 Paare von Magnetpolen) gebildet werden. Mit anderen Worten ist die elektrische Drehmaschine 10 als Aufbau vom IPM-Typ ausgeführt, in dem (Schlitzanzahl pro Pol und Phase q) = {(Schlitzanzahl)/(Polanzahl)}/(Phasenanzahl) = 2 ist.
Dies ermöglicht es, dass der Rotor 12 in einem Antriebsmodus arbeitet, indem die Statorwicklungen, die in den Schlitzen 18 des Stators 11 aufgenommen sind, bestromt werden, um Magnetflusslinien zu erzeugen, die sich von den Statorzähnen 15 radial einwärts gerichtet in den gegenüberliegenden Rotor 12 erstrecken. In diesem Fall wird bei der elektrischen Drehmaschine 10 (Stator 11 und Rotor 12) ein Reluktanzmoment, das auf eine Verkürzung des Flussfließwegs abzielt, mit einem magnetischen Moment kombiniert, das von den Anziehungs- und Abstoßungskräften zwischen den Dauermagneten 16 stammt, um ein zusammengesetztes Drehmoment zu erzeugen. Daher wird elektrische Energie, die durch einen Strom erzeugt wird, der in die Statorwicklungen eingespeist wird, von einer Antriebswelle, die relativ zu dem Stator 11 mit dem Rotor 12 drehbar ist, als mechanische Energie entnommen.
Jeder aus dem Stator 11 und dem Rotor 12 umfasst mehrere Schichten, die in einer gestapelten Beziehung angeordnet sind. Jede der Schichten ist aus einem elektrischen Stahl wie etwa Siliziumstahl gebildet. Die Schichten werden durch Befestigungsmittel 19 zu einer passenden axialen Dicke für ein gewünschtes Ausgangsdrehmoment gestapelt.
Die elektrische Drehmaschine 10 weist für jede Phase eine Spulengruppe auf, die in Schlitzen 18 in einer verteilten Wicklung aufgenommen ist, und zwar pro Satz von Statorzähnen 15, die zu einem Paar von Dauermagneten 16, welche einen Magnetpol bilden, gerichtet sind, so dass, wie in 2 veranschaulicht, eine durch die bestromten Statorwicklungen erzeugte Flussfließverteilung einen Flussfließweg (von Magnetflusslinien, die nur durch die bestromten Statorwicklungen erzeugt werden) definiert, der zwischen den Schlitzen 18 durch den Stator 11 radial einwärts verläuft, nachdem er sich in der Nähe des Außenumfangs des Stators 11, d. h. hinter dem Satz von Statorzähnen 15, in einer Umfangsrichtung bewegt hat, um in den Rotor 15 einzudringen und durch diesen zu verlaufen. Die Dauermagnete 16 jedes Paars sind in den Magnetöffnungen 17a eines in einer ”V”-förmigen Konfiguration angeordneten Satzes von Öffnungen 17 aufgenommen, die entlang des Flussfließwegs der Magnetflusslinien ψ_r, welche nur durch die bestromten Statorwicklungen erzeugt werden, gebildet sind, mit anderen Worten so gebildet sind, dass sie den Aufbau dieser Magnetflusslinien ψ_r nicht verhindern.
Die durch die Dauermagnete 16 erzeugten Flussfließwege (der Magnetflusslinien ψ_m, die nur durch die Dauermagnete erzeugt werden), die durch eine in 3 veranschaulichte Flussfließverteilung definiert sind, verlaufen nur senkrecht von den Nordpolen (N-Polen) an den einen Seiten der Dauermagnete 16 jedes Paars, das einen Magnetpol bildet, und dringen senkrecht in die Südpole (S-Pole) an entgegengesetzten Seiten der Dauermagnete 16 ein. Im Besonderen verläuft jeder der Flussfließwege nach dem Eindringen in den Stator 11 von den entsprechenden Statorzähnen 15 in der Nähe des Außenumfangs des Stators 11 in einer Umfangsrichtung.
Bei dem IPM-Aufbau, in dem die Dauermagnete 16 jedes Paars in den Rotor 12 eingebettet sind und in einer ”V”-förmigen Konfiguration angeordnet sind, wird eine Richtung der Flusslinien, die durch jeden der Magnetpole gebildet wird, d. h. eine Mittelachse zwischen den Dauermagneten 16 jedes Paars, die in einer ”V”-förmigen Konfiguration angeordnet sind, als eine Längsachse (d-Achse) bezeichnet, und wird eine Mittelachse, die in Bezug auf die Längsachse elektrische und magnetische Orthogonalität zeigt, zwischen benachbarten Dauermagneten 16 zwischen benachbarten Magnetpolen als Querachse (q-Achse) bezeichnet. In dem Rotor 12 erstrecken sich radial innere Öffnungen 17c, die sich an der Seite der Längsachse jedes Satzes von Öffnungen 17, die in einer ”V”-förmigen Konfiguration angeordnet sind, befinden, radial einwärts zu der Rotorachse, und sie sind dazu gestaltet, die Funktion von Flussbarrieren 12c zu übernehmen. Passende Formabmessungen der Flussbarrieren 17c jedes Satzes von Öffnungen 17, die in einer ”V”-förmigen Konfiguration angeordnet sind, werden später beschrieben werden.
In dieser elektrischen Drehmaschine 10 ermöglicht dies, dass sich durch die Statorwicklungen erzeugte Flusslinien ψ_r, die in radial einwärts gerichteten Richtungen von den Statorzähnen 15 in den Rotor 12 eingedrungen sind, nahe an dem Innenumfang (der Rotorachse) auf eine solche Weise weiter einwärts bewegen, dass sie nicht in den radial auswärts befindlichen Bereich der Öffnungen 17 jedes Satzes, die in einer ”V”-förmigen Konfiguration angeordnet sind, eindringen, bevor sie zu den Statorzähnen 15 zurückkehren, wie in 2 veranschaulicht ist. Zusammenfassend ist die elektrische Drehmaschine 10 als IPM-Motor vom V-Typ ausgeführt, der einen Rotor 12 umfasst, welcher in der Nähe der Längsachsen mit Öffnungen ausgeführt ist.
Um eine schwere Überlagerung der Flusslinien ψ_r, die durch die Statorwicklungen erzeugt werden und von entsprechenden Statorzähnen 15 in radial einwärts gerichteten Richtungen in den Rotor 12 zur Längsachse eindringen, durch die 5. und die 7. Raumharmonische zu verhindern, umfasst die elektrische Drehmaschine 10 ferner Mittelnuten (mittlere Regulierungsnuten) 21, die in dem Außenumfang des Rotors 12 gebildet sind und sich jeweils auf Längsachsen befinden. Jede der Mittelnuten 21 erstreckt sich parallel zu dem Innenumfang 15a eines der entsprechenden Statorzähne 15 (in einer Richtung entlang der Rotorachse).
In der elektrischen Drehmaschine 10 mit dem IPM-Aufbau, in dem Dauermagnete 16 in einer ”V”-förmigen Konfiguration in den Rotor 12 eingebettet sind, wird das Drehmoment T durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt T = P_p{ψ_mi_q + (L_d – L_q)i_di_q} (1) wobei

P_p: die Anzahl der Polpaare ist, ψ_m die Flusslinien von Magneten sind, die mit dem Stator (Statorzähnen 15) verkettet sind,
i_d: der Längsachsen-Strom ist, i_q der Querachsen-Strom ist,
L_d: die Längsachsen-Induktivität ist, und L_q die Querachsen-Induktivität ist.

Wie in 4 gezeigt, wird durch einen Betrieb mit der Stromphase, bei der die Summe des magnetischen Moments T_m und des Reluktanzmoments T_r den Höchstwert erreicht, ein hocheffizienter Betrieb mit einem hohen Drehmoment der elektrischen Drehmaschine 10 bereitgestellt.
Unter Bezugnahme auf 5A bis 6B sind im Fall eines Vergleichsrotors 12A nach der verwandten Technologie die Flussbarrieren 17c (siehe 1 bis 3) in der Form von Öffnungen, die sich an der Seite der Längsachse befinden, durch Flussbarrieren 17d ersetzt. Die Flussbarrieren 17d sind hinsichtlich der Formabmessungen im Allgemeinen mit Flussbarrieren 17b identisch, die sich an den radial äußeren Seiten der in einer ”V”-förmigen Konfiguration angeordneten Öffnungen 17 jedes Satzes befinden. Im Hinblick auf den Vergleichsrotor 12A sind die Flussfließwege durch die Dauermagnete 16 durch eine in 5A veranschaulichte Flussfließverteilung definiert. Die Magnetflusslinien ψ_m, die durch die Magnete erzeugt werden, definieren Vektoren V_m, welche die durch ein Vektorfeld in 5B angegebene Richtungen aufweisen. Zusätzlich sind Magnetflusslinien ψ_r, die durch bestromte Statorwicklungen, welche in Schlitzen 18 aufgenommen sind, erzeugt werden, durch eine in 6A veranschaulichte Flussfließverteilung angegeben und sie definieren Vektoren V_r, welche die durch ein Vektorfeld in 6B angegebene Richtungen aufweisen.
Die elektrische Drehmaschine, die den Rotor 12A von der oben genannten Art umfasst, wird durch Vorrücken eines Phasenwinkels des Stroms betrieben, um im Antriebsmodus unter einer Höchstbelastung ein hohes Drehmoment mit einer hohen Effizienz zu erzeugen. Unter dieser Bedingung wird der Rotor 12A nach der verwandten Technologie in einem Zustand betrieben, in dem Magnetflusslinien ψ_m der Magnete und Magnetflusslinien ψ_r der Statorwicklungen in einem kleinen Bereich A1 (siehe 6B), der sich von dem Satz der in einer ”V”-förmigen Konfiguration angeordneten Öffnungen 17 radial auswärts und in der Nähe der Längsachse befindet, entgegengesetzte Felder erzeugen, so dass das Reluktanzmoment T_r das magnetische Moment T_m auslöscht (ausgleicht), wie durch die veranschaulichten Vektorfelder in 5B und 6B gezeigt ist. Kurz gesagt ist dieser kleine Bereich A1, wie in 7 gezeigt, ein Wechselwirkungsbereich, in dem Magnetflusslinien ψ_m der Magnete und Magnetflusslinien ψ_r der Statorwicklungen mit einem induzierten Winkel, der gleich oder größer als 90 Grad ist, gegeneinander wirken, so dass die Magnetflusslinien ψ_r der Statorwicklungen verschwendet werden, da sie Magnetflusslinien ψ_m der Magnete entgegenwirken (sie auslöschen), die ausgehen von jenen Bereichen B der Dauermagnete 16 jedes Paars in der Nähe der Längsachse, welche an den kleinen Bereich A1 angrenzen, der sich radial auswärts von dem Satz der in einer ”V”-förmigen Konfiguration angeordneten Öffnungen 17 befindet.
Aus diesem Grund lässt sich sagen, dass es wegen des Umstands, dass es den Bereichen B der Dauermagnete 16, die sich in der Nähe der Längsachse befinden, nicht gelingt, irgendeinen aktiven Beitrag zur Erzeugung von Drehmoment T zu leisten, möglich ist, die Verwendungsmenge der Dauermagnete 16 an sich zu verringern, indem das Volumen der Bereiche B, in der Nähe der Längsachse, der Dauermagnete 16 reduziert wird, während ein Verhältnis der Schenkeligkeit in dem magnetischen Kreis so hoch wie das frühere Verhältnis der Schenkeligkeit gehalten wird.
Nun wird das durch die vorher genannte Gleichung (1) ausgedrückte Drehmoment T bei einer Verringerung der Verwendungsmenge der Dauermagnete 16 so hoch wie das frühere Drehmoment gehalten, das vor der Verringerung der Verwendungsmenge der Dauermagnete 16 erzeugt wurde, indem das Reluktanzmoment T_r erhöht wird. Dieses Reluktanzmoment T_r wird erhöht, indem ein Unterschied zwischen der Längsachsen-Induktivität L_d und der Querachsen-Induktivität L_q erhöht wird, das heißt, indem ein Verhältnis der Schenkeligkeit erhöht wird.
Daher wird das Drehmoment T nach der vorliegenden Ausführungsform des Rotors 12 so hoch wie das frühere Drehmoment gehalten, indem jeder der Bereiche B, in der Nähe der Längsachse, der Dauermagnete 16 durch eine Öffnung mit einer geringen magnetischen Permeabilität (als ”beschränkter Bereich” bezeichnet) ersetzt wird, um ein Verhältnis der Schenkeligkeit zu erhöhen, während die Verwendungsmenge der Dauermagnete 16 verringert wird. Von einem anderen Blickwinkel her betrachtet wird das Reluktanzmoment T_r erhöht, indem jener Anteil der Magnetflusslinien ψ_r der Statorwicklungen, der durch die Wirkung gegen die Magnetflusslinien ψ_m der Statorwicklungen, die von den in der Nähe der Längsachse befindlichen Bereichen B ausgehen, verschwendet wurde, wirksam verwendet wird, so dass das Drehmoment T trotz der Verringerung der Verwendungsmenge der Dauermagnete 16 unverändert bleibt.
Das Drehmoment T wird auch durch die folgende Gleichung (2) ausgedrückt. Der Anteil des magnetischen Moments T_m wird unter geringen Belastungsbedingungen, unter denen die Amplitude des Stroms I_a verringert wird, hoch. Wie in 8 gezeigt, nähert sich der Phasenwinkel des Stroms β, bei dem das Drehmoment den Höchstwert annimmt, umso mehr Null, je geringer die Amplitude des Stroms I_a ist. Die veranschaulichten Wellenformen i, ii, iii, iv und v in 8 sind charakteristische Kurven, die jeweils die Beziehung zwischen dem Drehmoment und dem Phasenwinkel des Stroms bei einer von verschiedenen Amplituden des Stroms I_a(i), I_a(ii), I_a(iii), I_a(iv) und I_a(v) zeigen, wobei die Amplituden der Ströme die folgende Ungleichheitsbeziehung aufweisen: i < ii < iii < iv < v. Daher ist es trotz des Umstands, dass der Anteil des (die Abhängigkeit von dem) magnetischen Moments T_m während des Betriebs unter geringen Belastungsbedingungen naturgemäß hoch ist, erwünscht, einen Magnetkreis herzustellen, der die wirksame Verwendung dieses magnetischen Moments T_m maximiert. T = P_p{ψ_mI_acosβ + 1 / 2(L_d – L_q)I_a ²sin2β} (2) wobei β der Phasenwinkel des Stroms ist, und I_a die Amplitude des Phasenstroms ist.
Wie in 9 gezeigt, nimmt die Anzahl der Magnetflusslinien ψ_r der Statorwicklungen bei dem Rotor 12A nach der verwandten Technologie an jeder der Querachsen zwischen den benachbarten beiden Magnetpolen (zwischen den Dauermagneten 16 der benachbarten beiden unterschiedlichen Magnetpole) zu, da der Phasenwinkel des Stroms β während des Betriebs unter geringen Belastungsbedingungen mit einer geringen Amplitude des Stroms nahe an Null liegt. Daher ist es ideal, wenn ein Magnetkreis verläuft durch in 10 gezeigte Flussfließwege MP1 und MP2 als Route von überlagerten Flusslinien ψ_s, die durch die kombinierte Wirkung der Magnetflusslinien der Magnete ψ_m und der oben genannten Magnetflusslinien ψ_r der Statorwicklungen ausgebildet sind. Dies ermöglicht eine aktive Verwendung der Reluktanzmoments T_r, da die überlagerten Flusslinien ψ_s die Querachsen-Induktivität L_q entlang jeder Querachse durch Verteilen des Querachsen-Flussfließwegs (Magnetflusslinien durch die Querachse) erhöhen, der sich entlang der Querachse erstreckt (ohne irgendeine Sättigung zu induzieren).
Nach dem Eindringen in den Rotor 12A in dem interpolaren Abschnitt zwischen den benachbarten beiden Magnetpolen über den Luftspalt G von einem der Statorzähne 15 in einer verkettenden Beziehung, biegt der Flussfließweg in eine Richtung zu dem benachbarten Dauermagneten eines Paars von Dauermagneten 16 ab, die in Bezug auf die Drehrichtung des Rotors einen vorangehenden der beiden Magnetpole bilden (in 10 gesehen zur linken Seite), und verläuft von dessen Seite in der Nähe des Innenumfangs des Rotors 12A durch ihn hindurch. Der Flussfließweg MP1 quert dann den äußeren Umfangsbereich A2 des Magnetpols und kehrt über den Luftspalt G erneut zu einem anderen der Statorzähne 15 zurück.
Nachdem der Flussfließweg MP2 auf die gleiche Weise wie der Flussfließweg MP1 in dem interpolaren Abschnitt in den Rotor 12A eingedrungen ist, biegt dieser Flussfließweg in einer Umfangsrichtung zu dem entfernten der Dauermagnete 16 ab, die in Bezug auf die Drehrichtung des Rotors den vorangehenden der beiden Magnetpole bilden, und verläuft von dessen Seite in der Nähe des Innenumfangs des Rotors 12A durch ihn hindurch. Der Flussfließweg MP2 quert dann den äußeren Umfangsbereich A2 des Magnetpols und kehrt über den Luftspalt G erneut zu dem Statorzahn 15 zurück.
Wenn die Dauermagnete 16 jedes Paars einwärts gerichtet zu der Rotorachse hin angeordnet sind, indem Abschnitte, die von ihren entferntesten beiden Enden (den radial äußeren Enden des Pols) einwärts liegen, entfernt wurden, wird es den Flussfließwegen MP1 und MP2 nicht gelingen, den gesamten äußeren Umfangsbereich A2 des Magnetpols wirksam zu verwenden, da sich große Flussbarrieren, die an die entferntesten beiden Enden der Dauermagnete des Paars angrenzen, benachbart zu der Mitte des Magnetpols konzentrieren, was es für die Flussfließwege schwierig macht, sich insbesondere durch die rechte Hälfte des äußeren Umfangsbereichs A2 zu erstrecken.
Wenn die Dauermagnete 16 des Paars andererseits nach außen angeordnet sind, indem Abschnitte, die von ihren am nächsten befindlichen Enden (den radial inneren Enden des Magnetpols) in der Nähe der Mittelachse der Dauermagnete einwärts liegen, entfernt wurden, treten in der Nähe der Mittelachse der Dauermagnete große Flussbarrieren auf, was verursacht, dass die Flussfließwege divergieren, so dass sie durch beide Seitenabschnitte des Magnetpols verlaufen, weshalb die Magnetflusslinien gleichmäßig durch den äußeren Umfangsbereich A2 des Magnetpols verlaufen, indem sie wirksam den gesamten äußeren Umfangsbereich A2 einschließlich seiner rechten Hälfte verwenden. Bei diesem Aufbau verbindet ein Flussfließweg MP3 die benachbarten Magnetpole von dem Nordpol (N-Pol) eines Dauermagnets 16 des nachfolgenden der benachbarten beiden Magnetpole zu dem Südpol (S-Pol) des benachbarten Dauermagnets 16 des vorangehenden der benachbarten beiden Magnetpole in Bezug auf die Drehrichtung des Rotors, nachdem er durch den Dauermagnet 16 des nachfolgenden Magnetpols – von dessen Außenseite in der Nähe des Außenumfangs des Rotors zu seiner Innenseite in der Nähe des Innenumfangs des Rotors – verlaufen ist. Ähnlich zu dem Flussfließweg MP1, erstreckt sich der Flussfließweg MP3 durch den äußeren Umfangsbereich A2 des vorangehenden Magnetpols in Bezug auf die Drehrichtung des Rotors, was verursacht, dass die Effizienz der Dezentralisierung der Magnetflusslinien hoch wird.
Aus diesem Grund ist es günstig, wenn ein Rotor 12 für den Aufbau zur Einbettung der Dauermagnete 16 jedes Paars, das einen Magnetpol bildet, die Konfiguration einsetzt, bei der die Dauermagnete 16 des Paars nach außen zu ihren entferntesten beiden Enden (den radial äußersten Enden des Magnetpols) angeordnet sind, während die ”V”-förmige Konfiguration der Dauermagnete 16 beibehalten wird, um die Verteilung der Magnetflusslinien ψ_r, die das Reluktanzmoment T_r erzeugen, nicht zu beeinträchtigen. Ferner ist es günstig, die Konfiguration einzusetzen, bei der zwischen den Dauermagneten 16 des Paars (den radial inneren Enden des Magnetpols) Flussbarrieren 17c gebildet sind, um den Kurzschlusspfad der Magnetflusslinien zu beschränken. Zusätzlich ist es günstig, die Konfiguration einzusetzen, bei der sich an jeder der Längsachsen eine Mittelnut 21 in der äußeren Umfangsfläche des Rotors 12 befindet, um die Erzeugung einer Sättigung der Magnetflusslinien ψ_r der Statorwicklungen, die von den Statorzähnen 15 des Stators 11 kommen, zu beschränken oder, mit anderen Worten, die Magnetflusslinien ψ_r der Statorwicklungen zu teilen. Durch das Einsetzen dieser Konfiguration kann der Rotor 12 das Reluktanzmoment T_r wirksam benutzen, indem die Querachsen-Flussfließwege (Magnetflusslinien) geteilt werden, um die Querachsen-Induktivität L_q zu erhöhen.
Der optimale Wert für eine in den beiliegenden Zeichnungen longitudinale Länge W_pm (Breite) eines jeden der Dauermagnete 16 wird nach einem Vergleich mit dem Standardfall, in dem die longitudinale Länge W_pm nicht verringert ist, bestimmt.
Im Besonderen wird sie bestimmt, indem ein Verhältnis δ, das durch Berechnen der folgenden Gleichung (3) gegeben ist, variiert wird, wobei eine Polanzahl P fest ist, ein Außenradius R1, der sich von der Achse des Rotors 12 zu dessen Außenumfang erstreckt, fest ist, und die Länge W_pm eines jeden Dauermagnets 16 eines Paars, das an einem äußeren Endabschnitt eines Magnetpols angeordnet ist, variabel gestaltet wird. Das heißt, die Position eines jeden der inneren Enden der Dauermagnete 16 des Paars wird variiert. Als bestimmende Faktoren des Verhältnisses sind die Variation des Werts pro Einheit des Drehmoments T unter der Bedingung der Höchstbelastung in Bezug auf das Verhältnis δ und die Variation der Rate der Verringerung der Schwankung dieses Drehmoments T, d. h. der Drehmomentwelligkeit, in Bezug auf das Verhältnis δ nach einer Magnetfeldanalyse gegeben und, wie in der Darstellung von 11 gezeigt, graphisch dargestellt. In dem ”pro-Einheit”-System bedeutet zum Beispiel 1,0 [pro Einheit], dass diese Größe zu einer Basiseinheit äquivalent ist. δ = (P × W_pm)/R1 (3)
In 11 stellt das Verhältnis δ von 1,84 (δ = 1,84) den Fall dar, in dem jeder der Dauermagnete 16 eine Formabmessung aufweist, bei der eine Länge W_pm des Dauermagnets 16 nicht verkürzt ist (d. h. eine Verringerung der Menge des Dauermagnetmaterials 0% beträgt). Es ist ersichtlich, dass dann, wenn die Formabmessung das Verhältnis von δ = 1,38 erfüllt (d. h. wenn die Verringerung der Menge des Dauermagnetmaterials 24,7% beträgt), das erzeugte Drehmoment T dem Drehmoment entspricht ist, das durch den Rotor 12A der verwandten Technologie mit Dauermagneten 16, deren Länge W_pm nicht verkürzt ist, erzeugt wird (d. h. das Drehmoment T beträgt 1,0 [pro Einheit]). Mit den Dauermagneten 16 wird dann, wenn das Verhältnis δ 1,38 beträgt (δ = 1,38), im Betrieb selbst bei langsamen Geschwindigkeiten unter geringen Belastungsbedingungen, die gewöhnlich verwendet werden, das gleiche Drehmoment erzeugt.
In 11 wird der Rotor 12A der verwandten Technologie zum Vergleich verwendet. Bei diesem Vergleichsrotor 12A definiert jeder Satz von in einer ”V”-förmigen Konfiguration angeordneten Öffnungen 17 an seinen radial äußeren und inneren Enden äußere und innere Flussbarrieren 17b und 17d von der gleichen Größe. Im Gegensatz dazu teilt und trennt der Rotor 12 nach der vorliegenden Ausführungsform die Magnetflusslinien ψ_r der Statorwicklungen wegen der Bereitstellung der Flussbarrieren 17c und einer Mittelnut 21 pro Magnetpol wirksam in zwei. Dies verursacht, dass der Rotor wirksam ein Reluktanzmoment T_r erzeugt und die Drehmomentwelligkeit beschränkt wird, während das Drehmoment T bei dem Verhältnis δ = 1,84, bei dem die Länge W_pm eines jeden der Dauermagnete 16 nicht verkürzt ist, d. h. die Dauermagnete 16 in der Länge W_pm jenen des Rotors 12A gleich sind, verbessert wird. Mit anderen Worten zeigt 11 Variationen des Drehmoments und jene der Drehmomentwelligkeit bei unterschiedlichen Werten für das Verhältnis δ, wenn die Länge W_pm eines jeden der Dauermagnete 16 im Aufbau des Rotors 16 nach der vorliegenden Ausführungsform verkürzt wird. Es wird angenommen, dass über den Bereich des Verhältnisses δ von 1,84 bis in die Nähe von 1,38 keine merkliche Variation im Drehmoment T auftritt, d. h. das Drehmoment T bleibt im Wesentlichen 1,0 [pro Einheit], wenn die Länge W_pm eines jeden der Dauermagnete 16 in dem Aufbau des Rotors 12A der verwandten Technologie verkürzt wird.
In elektrischen Drehmaschinen kommt es mit der Drehung eines Rotors aufgrund einer Magnetostriktion, die von einer Feldschwächung bei Erzeugung einer induzierten Spannung (d. h. einer umgekehrten Spannung), deren Amplitude je nach der Verwendungsmenge der eingebetteten Dauermagnete variabel ist, stammt, zu einer Überlagerung von Raumharmonischen. Die Raumharmonischen verursachen eine Zunahme des Eisenverlusts, da die 5., 7., 11. und 13. Raumharmonische die Erzeugung einer Drehmomentwelligkeit verursachen. Die Erzeugung der 5. Raumharmonischen ist wie in 12 gezeigt graphisch pro Einheit in Bezug auf das Verhältnis δ dargestellt. Aus 12 ist ersichtlich, dass die Erzeugung der 5. Raumharmonischen umso mehr verringert wird, je geringer das Verhältnis δ ab 1,75 wird (δ = 1,75). In diesem Fall ist die Verwendungsmenge der Dauermagnete um 4,7% oder mehr verringert und es ist die Erzeugung von Wärme verringert, indem wegen einer Verbesserung der Effizienz, die sich aus einer Verringerung des Eisenverlusts infolge der Verringerung der durch eine magnetische Verzerrung verursachten Raumharmonischen ergibt, Wirbelströme in den Dauermagneten 16 beschränkt werden.
Daraus folgt, dass es bei dem Rotor 12 nach der vorliegenden Ausführungsform zur Verringerung der Menge des Dauermagnetmaterials, das zur Herstellung der Dauermagnete 16 verwendet wird, während der Ausgang des Drehmoments so hoch wie bei dem Rotor 12A der verwandten Technologie gehalten wird, günstig ist, dass das Verhältnis δ durch Verkürzen der Länge W_pm eines jeden der Dauermagnete 16 auf etwa 1,38 eingerichtet wird, d. h., dass δ ≒ 1,38 beträgt (Verringerung der Menge des Dauermagnetmaterials um 24,7%). Dies verringert auch die Drehmomentwelligkeit. Kurzum kann die Formabmessung eines jeden der Dauermagnete 16 so gewählt werden, dass sie für eine gewünschte Eigenschaft des ausgegebenen Drehmoments T und der Drehmomentwelligkeit passend sind, so dass das Verhältnis δ in einen Bereich von δ = 1,38 (eine Verringerung der Menge des Dauermagnetmaterials von 24,7%) bis δ = 1,75 (eine Verringerung der Menge des Dauermagnetmaterials von 4,7%) fällt.
Eine magnetische Analyse von zwei unterschiedlichen IPM-Motoren, die fähig sind, das gleiche Drehmoment zu erzeugen, wobei die Länge W_pm der Dauermagnete 16 jedes Paars, das in einer ”V”-förmigen Konfiguration angeordnet ist, in einem Motor so verkürzt ist, um in der Nähe jeder Längsachse (d-Achse) Öffnungen zu belassen, so dass Formabmessungen bereitgestellt werden, bei denen das Verhältnis δ = 1,38 beträgt, während die Dauermagnete 16 jedes Paars, das in einer ”V”-förmigen Konfiguration angeordnet ist, in dem anderen Motor nicht verkürzt sind, zeigt, dass, wie in 13 und 14 gezeigt, die elektrische Drehmaschine 10 im Wesentlichen das gleiche Drehmoment T erzeugt, wenn das Verhältnis des Reluktanzmoments T_r zu dem magnetischen Moment T_m variiert wird. Der IPM-Motor vom V-förmigen Typ mit Öffnungen in der Nähe jeder Längsachse ist so gestaltet, dass Flussbarrieren 17c große Öffnungen, die sich in der Nähe jeder Längsachse befinden, einnehmen, während der IPM-Motor vom bloßen V-förmigen Typ so gestaltet ist, dass Flussbarrieren 17d kleine Öffnungen, die sich in der Nähe jeder Längsachse befinden, einnehmen.
13 zeigt ein Verhältnis zwischen dem Moment T_m und dem Moment T_r während des Betriebs im Bereich mit geringer Belastung, während 14 ein Verhältnis zwischen dem Moment T_m und dem Moment T_r während des Betriebs im Höchstbelastungsbereich zeigt. Wie 13 und 14 zeigen, nimmt im Fall des IPM-Motors von dem V-förmigen Typ mit großen Öffnungen in der Nähe jeder Längsachse das Verhältnis des Reluktanzmoments T_r in beiden Belastungsbereichen mit einer Verringerung des Anteils des magnetischen Moments T_m, die durch eine Verkürzung der Länge jedes Dauermagnets 16 verursacht wird, zu. In einem kleinen Bereich A1, der sich wie in 6B und 7 gezeigt in der Nähe des Außenumfangs jedes Pols befindet, werden durch das Bilden der Flussbarrieren 17c, die große Öffnungen einnehmen, anstelle von Dauermagneten 16 in der Nähe der Längsachse und auch das Bilden einer Mittelnut 21 die Magnetflusslinien ψ_m der Magnete, die den Magnetflusslinien ψ_r der Statorwicklungen entgegenwirken, verringert. Dies führt zu einer Zunahme der Querachsen-Induktivität L_q (q-Achse), die verursacht, dass ein Unterschied zwischen der Querachsen-Induktivität L_q (q-Achse) und der Längsachsen-Induktivität L_d (oder das Verhältnis der Schenkeligkeit) größer als jener (oder das Verhältnis der Schenkeligkeit) des IPM-Motors von dem V-förmigen Typ mit nicht verkürzten Dauermagneten wird, was es ermöglicht, dass die elektrische Drehmaschine 10 durch wirksames Nutzen des Reluktanzmoments T_r ein äquivalentes Drehmoment erzeugt.
Wie durch die Flussfließverteilung in 15 gezeigt, gestattet dieser Aufbau, dass die elektrische Drehmaschine 10 einige der Magnetflusslinien ψ_r der Statorwicklungen, die in dem kleinen Bereich A1 konzentriert sind, der sich radial auswärts von den Dauermagneten jedes Paars, das einen Magnetpol bildet, befindet, wirksam von dem Flussfließweg M_r1 der durch den radial auswärts befindlichen kleinen Bereich A1 verläuft, in den Flussfließweg M_r2 umlenkt (abtrennt), welcher um die in der Nähe der Längsachse befindliche radial einwärts befindliche Seite der Öffnungen 17c eines Satzes von Öffnungen 17, die in einer ”V”-förmigen Konfiguration angeordnet sind, verläuft. Als Ergebnis verringert die magnetische Drehmaschine 10 die magnetische Wechselwirkung zwischen Magnetflusslinien ψ_m der Magnete und Magnetflusslinien ψ_r der Statorwicklungen (d-Achse, q-Achse), um eine lokale magnetische Sättigung an der vorangehenden Seite in Bezug auf die Drehrichtung des radial auswärts befindlichen kleinen Bereichs A1 des Magnetpols zu vermeiden, wodurch sie wirkungsvoll zur Erzeugung von Drehmoment T beitragen können.
Daher verläuft, wie durch die Flussfließverteilung in 16 veranschaulicht, der Großteil der synthetischen Magnetflusslinien ψ_s, die durch die kombinierte Wirkung der Magnetflusslinien ψ_m der Magnete und der Magnetflusslinien ψ_r der Statorwicklungen ausgebildet sind, durch Flussfließwege MP0, die sich durch die Dauermagnete 16 jedes Paars erstrecken, wenn die elektrische Drehmaschine 10 in einem Antriebsmodus unter geringen Belastungen arbeitet, während sich die synthetischen Magnetflusslinien ψ_s, wie durch die Flussfließverteilung von 17 veranschaulicht, in einen Flussfließweg MP1 und einen Flussfließweg MP2 teilen, wenn sie im Antriebsmodus unter einer Höchstbelastung arbeitet. Als Ergebnis verwirklicht die elektrische Drehmaschine 10 die Vermeidung einer lokalen magnetischen Sättigung zusammen mit einer Verringerung der magnetischen Wechselwirkung, um wirksam den gleichen oder einen höheren Grad an Drehmoment T zu erzeugen als der IPM-Motor von V-förmigen Typ mit nicht verkürzten Dauermagneten, während eine Verringerung der Menge des Dauermagnetmaterials der Dauermagnete 16 erzielt wird. Während des Betriebs in einem Antriebsmodus unter geringen Belastungsbedingungen machen die Magnetflusslinien ψ_m der Magnete verglichen mit den Magnetflusslinien ψ_r der Statorwicklungen in den synthetischen Magnetflusslinien ψ_s einen hohen Prozentsatz aus.
Wenn die Dauermagnete 16 zum Beispiel derartige Formabmessungen aufweisen, dass das Verhältnis δ = 1,44 beträgt und die Menge des Dauermagnetmaterials um 23% verringert ist und durch Flussbarrieren 17c mit einer geringen magnetischen Permeabilität ersetzt ist (Verringerung der Magnetflusslinien ψ_m der Magnete), macht es eine Verringerung der Gegen-EMK-Konstanten von etwa 13,4%, die von einer Verringerung der Trägheit begleitet wird, für die elektrische Drehmaschine 10 möglich, dass ihre Ausgangsleistung bei hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten zunimmt. Daneben verringert eine Reduktion der Raumharmonischen, die eine Magnetostriktion verursachen, die Wärme und den Eisenverlust in den Dauermagneten 16 infolge von Wirbelströmen, und sie beschränkt das elektromagnetische Rauschen.
Unter Bezugnahme auf einen in 18 gezeigten Rotor 12B befinden sich wie oben erwähnt selbst dann, wenn die Länge in einer longitudinalen Richtung (Breite) W_pm eines jeden der Dauermagnete 16 optimal gestaltet ist, benachbart zu den Ecken 16a der Dauermagnete 16 jedes Paars dicht an der Längsachse Vektoren V_r, die von dem Elektromagnetfluss ψ_r stammen und Vektoren V_m entgegenwirken, die von dem Magnetfluss ψ_m stammen. In Besonderen bleibt benachbart zu den Ecken 16a der Dauermagnete 16 dicht an der Längsachse ein Zustand einer Beziehung von entgegengesetzten Magnetfeldern bestehen, in dem die Vektoren V_r _, die von den Magnetflusslinien ψ_r der Statorwicklungen stammen, die über einen Flussfließweg verlaufen, der sich in Bezug auf die Rotorachse ganz zum Innersten des radial außerhalb jedes Magnetpols befindlichen kleinen Bereichs A1 erstreckt, Vektoren V_m von Magnetflusslinien ψ_m der Magnete entgegentreten (entgegenwirken) und sie ausgleichen (aufheben), und zwar in der umgekehrten Richtung mit einem induzierten Winkel von gleich oder größer als 90 Grad. Aus diesem Grund werden bei dem Aufbau dieses Rotors 12B die Magnetflusslinien ψ_r der Statorwicklungen, die nahe an den in der Nähe der Längsachse befindlichen Ecken 16a vorbeilaufen, verschwendet, da sie gegen Magnetflusslinien ψ_m durch die Magnete wirken (sie auslöschen).
Daraus folgt, dass in der elektrischen Drehmaschine 10 (dem Rotor 12), die (der) in 19 gezeigt ist, in der Nähe der Längsachse gelegene Flussbarrieren 17c in Öffnungen gebildet sind, welche sich ebenfalls auswärts gerichtet zu dem Außenumfang 12a des Rotors 12 hin erstrecken. Dies stellt einen Aufbau bereit, der Magnetflusslinien ψ_r der Statorwicklungen und Magnetflusslinien ψ_m der Magnete wirksam verwendet, indem dem Flussfließweg, über den sich die Magnetflusslinien ψ_m der Magnete in der Nähe der Ecken 16a nahe an der Längsachse fortbewegen, ermöglicht wird, auf eine solche Weise zu verlaufen, dass Vektoren V_r, die von Magnetflusslinien ψ_r der Statorwicklungen stammen, in der Nähe der Ecken 16a mit einem induzierten Winkel von gleich oder weniger als 90 Grad mit Vektoren V_m, die von Magnetflusslinien ψ_m der Magnete stammen, in Wechselwirkung treten.
Genauer werden in dieser elektrischen Drehmaschine 10 die Formabmessungen 1 und 2 jenes Abschnitts einer jeden der Öffnungen, die die Flussbarrieren 17c der in einer ”V”-förmigen Konfiguration angeordneten Öffnungen 17 jedes Satzes bilden, welcher sich auswärts gerichtet zu dem Außenumfang 12a des Rotors hin erstreckt, so bestimmt, dass dieser Abschnitt optimiert wird, während die Formabmessungen eines jeden der Dauermagnete 16 so festgelegt sind, dass die Beziehung des Verhältnisses δ = 1,44 erhalten wird.
Wie in 20 gezeigt, wird erstens ein Trennabstand DL_d von einem Punkt Y, an dem die Längsachse und eine Ausdehnungsebene einer außenumfangsseitigen Endfläche (einer flachen Konfiguration) 17cu der Flussbarriere 17c einander schneiden, zu einem Punkt X, an dem die Längsachse und der Außenumfang 12a des Rotors 12 einander schneiden, als Formabmessung 1 für die Flussbarrieren 17c des Rotors 12 gewählt. Der optimale Bereich für diesen Trennabstand DL_d wird nach dem Auswerten des durchschnittlichen Drehmoments, der harmonischen Drehmomentkomponenten und der Drehmomentwelligkeit, die erhalten werden, wenn ein Verhältnis des Abstands DL_d zu dem Außenradius R1, DL_d/R1, als Parameter verwendet wird, bestimmt. Mit anderen Worten wird der Abstand (Trennabstand) DL_d von dem Außenumfang 12a zu einem auf Seiten der Längsachse befindlichen Ende der außenumfangsseitigen Endfläche (der flachen Konfiguration) 17cu als Formabmessung 1 für die Flussbarriere 17c so bestimmt, dass optimale Eigenschaften erlangt werden, die eine Sättigung des Magnetflusses, der den Flussfließweg MP1 definiert, welcher den äußeren Umfangsbereich A2 jedes Magnetpols quert, verhindern werden.
Wie in 21 gezeigt, sind die außenumfangsseitigen Endflächen 17cu der Flussbarrieren 17c in einer radial auswärts gerichteten Richtung so zu dem Außenumfang 12a ausgedehnt, als ob sie gezogen wären von dem Außenumfang 12a des Rotors 12 über einen Bereich von der mit DL_d/R1 = 0,194 bezeichneten dargestellten Anfangsposition, an der sich jede von ihnen die gleiche Ebene teilt mit der zugehörigen der Ausdehnungsebenen der Wandflächen (der Außenflächen der Dauermagnete 16) 17au, die gelegen ist an der Außenumfangsseite der Magnetöffnungen 17a der in einer ”V”-förmigen Konfiguration angeordneten Öffnungen 17 eines jeden Satzes, zu der mit DL_d/R1 = 0,086 bezeichneten dargestellten Endposition. Wenn dies der Fall ist, ergibt sich, dass sich die Drehmomenteigenschaften wie in 22 und 23 gezeigt ändern. 22 zeigt das durchschnittliche Drehmoment während des Betriebs in einem Antriebsmodus unter der Höchstbelastungsbedingung pro Einheit unter Verwendung des Falls von DL_d/R1 = 0,194 als Basiseinheit. Zusätzlich zeigt 22 als harmonische Drehmomentkomponenten die überlagernde 6. und 12. Komponente (elektrischer Winkel) in Prozent und die Variationsrate des Drehmoments als Drehmomentwelligkeit.
Im Hinblick auf die Formabmessung 1 für die Flussbarrieren 17c des Rotors 12 ist aus 22 ersichtlich, dass das Ausmaß des erzeugten Drehmoments dann, wenn DL_d/R1 in einen Bereich A von 0,098 bis 0,194 fällt, gleich oder größer als jenes wird, das durch den Aufbau erzeugt wird, bei dem die an der Außenumfangsseite der Magnetöffnungen 17a der in einer ”V”-förmigen Konfiguration angeordneten Öffnungen 17 jedes Satzes gelegenen Wandflächen 17au lediglich verlängert sind. Im Hinblick auf diese Formabmessung 1 wird ferner die 12. harmonische Drehmomentkomponente verringert, wenn DL_d/R1 in einen Bereich B von etwa 0,11 bis etwa 0,194 fällt, und es wird insbesondere das maximale Drehmoment erzeugt, wenn DL_d/R1 in einen Bereich C von etwa 0,12 bis etwa 0,14 fällt. Wie aus 23 ersichtlich ist, erreicht die Drehmomentwelligkeit ein Minimum, wenn DL_d/R1 für diese Formabmessung 1 zur Bereitstellung einer Bestpunktkonfiguration BP1 0,139 beträgt.
Zusätzlich ist, wie in 20 gezeigt, ein Neigungswinkel α der außenumfangsseitigen Endfläche 17cu der Flussbarriere 17c zu der zugehörigen der Wandflächen 17au, die an der Außenumfangsseite der Magnetöffnungen 17a der in einer ”V”-förmigen Konfiguration angeordneten Öffnungen 17 jedes Satzes gelegen sind, als die Formabmessung 2 für die Flussbarrieren 17c des Rotors 12 gewählt.
Unter Verwendung von DL_d/R1 = 0,139 als Basis bestimmt dieser Neigungswinkel α ein Verhältnis θ1/θ2, wobei θ1 der durch die Längsachse und die außenumfangsseitige Endfläche 17cu der Flussbarriere 17c gebildete Einschlusswinkel ist, und θ2 der durch die Längsachse und die zugehörige der Wandflächen 17au, die an der Außenumfangsseite der Magnetöffnungen 17a der in einer ”V”-förmigen Konfiguration angeordneten Öffnungen 17 jedes Satzes gelegen sind, gebildete Einschlusswinkel ist. Der optimale Bereich für dieses Verhältnis θ1/θ2 wird bestimmt nach dem Auswerten des durchschnittlichen Drehmoments, der harmonischen Drehmomentkomponenten und der Drehmomentwelligkeit, die erhalten werden, wenn es als Parameter verwendet wird, wie in 24 und 25 gezeigt ist. Mit anderen Worten wird der Neigungswinkel α als die Formabmessung 2 für die Flussbarrieren 17c so bestimmt, dass optimale Eigenschaften erhalten werden, die einen solchen Flussfließweg erzeugen werden, dass verhindert wird, dass der elektromagnetische Fluss ψ_r den Magnetfluss ψ_m in der Nähe jener Ecke 16a eines jeden der Dauermagnete unterdrückt, die sich dicht an der Längsachse der an der Umfangsseite jedes Rotorpols des Rotors 12 gelegenen kleinen Bereichs A1 befindet. 24 zeigt das durchschnittliche Drehmoment während des Betriebs in einem Antriebsmodus unter der Höchstbelastungsbedingung pro Einheit unter Verwendung des Falls von θ1/θ2 = 0,7 als Basiseinheit. Zusätzlich zeigt 24 als harmonische Drehmomentkomponenten die überlagernde 6. und 12. Komponente in Prozent und zeigt 25 die Variationsrate des Drehmoments als Drehmomentwelligkeit.
Im Hinblick auf die Formabmessung 2 für die Flussbarrieren 17c des Rotors 12 ist aus 24 ersichtlich, dass das Ausmaß des erzeugten Drehmoments groß wird und die 12. harmonische Drehmomentkomponente verringert wird, wenn θ1/θ2 in einen Bereich D von etwa 1,2 bis etwa 1,7 fällt. Im Hinblick auf die Formabmessung 2 ist ferner aus 25 ersichtlich, dass das Drehmoment ein Maximum erreicht und die Drehmomentwelligkeit ein Minimum erreicht, wenn θ1/θ2 zur Bereitstellung einer Bestpunktkonfiguration BP2 vorzugsweise 1,52 beträgt.
Wenn nun beide Formabmessungen 1 und 2 für jede der Flussbarrieren 17c berücksichtigt werden, ist unter der Bedingung, dass das Verhältnis DL_d/R1 in den Bereich A von 0,098 bis 0,194 fällt, der Winkel θ1 unter dieser Bedingung durch seine Division durch den Winkel θ2, der den Winkel θ1 verschiebt, gegeben, und werden geeignete Drehmomenteigenschaften bereitgestellt, wenn das Verhältnis θ1/θ2 aus einem Bereich von 1,0 bis 2,13 gewählt wird. Zusätzlich werden unter der Bedingung, dass das Verhältnis DL_d/R1 in den Bereich B von 0,11 bis 0,194 fällt, noch geeignetere Drehmomenteigenschaften bereitgestellt, wenn das Verhältnis θ1/θ2 aus einem Bereich von 1,0 bis 2,02 gewählt wird.
Ferner wird unter der Bedingung, dass – nach der Berücksichtigung der beiden Formabmessungen 1 und 2 für jede der Flussbarrieren 17c – eine Optimierung mit DL_d/R1 = 0,139 und θ1/θ2 = 1,5 vorgenommen wird, das durchschnittliche Drehmoment um etwa 1,8 erhöht und die Drehmomentwelligkeit unterdrückt, verglichen mit dem in 18 veranschaulichten Vergleichsaufbaubeispiel, wie in 26 gezeigt. Wie in 27 gezeigt, verringern diese Formabmessungen 1 und 2 die 12. und die 24. harmonische Drehmomentkomponente verglichen mit dem in 18 veranschaulichten Vergleichsaufbaubeispiel beträchtlich. Dies unterdrückt das Auftreten eines Ruckelns bei der Beschleunigung beim Hinauffahren einer Schräge und verringert den Grad des elektromagnetischen Rauschens beträchtlich, indem insbesondere die 12. harmonische Drehmomentkomponente beträchtlich verringert wird.
Nach dem Beseitigen jenes Abschnitts eines jeden der Dauermagnete 16 jedes Paars, das einen Magnetpol bildet, der sich in einem Bereich B befindet, welcher an der Seite in der Nähe einer Längsachse zwischen den Dauermagneten gelegen ist, eliminiert somit gemäß der vorliegenden Ausführungsform das Ersetzen des beseitigten Abschnitts durch eine beträchtliche Flussbarriere 17c Magnetflusslinien ψ_m, die von den Dauermagneten 16 in solche Richtungen abgegeben werden, dass sie gegen Magnetflusslinien ψ_r wirken, wodurch verhindert wird, dass sie einander entgegenwirken (auslöschen), und wird auch der Verlauf des Magnetflusses ψ_r durch den Bereich B eingeschränkt.
Dies stellt große Beträge an magnetischem Moment T_m und Reluktanzmoment T_r bereit, während eine wesentliche Verringerung der Verwendungsmenge der Dauermagnete 16 bereitgestellt wird, indem der Magnetfluss ψ_r und der Magnetfluss ψ_m eines jeden der Dauermagnete 16 des Paars auf Seiten der Längsachse genutzt werden, während die Verwendungsmenge der Dauermagnete 16 verringert wird. Zusätzlich erhöht dies wegen einer Verringerung der induzierten Spannungskonstanten die Ausgangsleistung bei hohen Geschwindigkeiten, und es wird durch eine Senkung des Grads der Wärmebeständigkeit, die sich aus einer Beschränkung der durch Temperaturveränderungen verursachten Entmagnetisierung infolge einer Beschränkung der von Wirbelströmen stammenden Wärmeerzeugung durch die Dauermagnete 16 ergibt, auch zu einer Kostenverringerung beigetragen.
Darüber hinaus bieten die Flussbarrieren 17c eine effiziente Erzeugung eines hohen Drehmoments, wenn der Trennungsabstand DL_d von einer jeden der Flussbarrieren 17c zu dem Außenumfang des Rotors 12 in Bezug auf den Außenradius R1 des Rotors eine Beziehung von 0,98 ≦ DL_d/R1 < 0,194 erfüllt. Die Flussbarrieren 17c bieten eine effiziente Erzeugung eines höheren Drehmoments, wenn vorzugsweise die beiden Beziehungen 0,12 ≦ DL_d/R1 ≦ 0,14 und 1,2 ≦ θ1/θ2 ≦ 1,7 erfüllt sind oder noch besser die Beziehungen DL_d/R1 = 0,139 und θ1/θ2 = 1,52 erfüllt sind.
Folglich wird eine preiswerte elektrische Drehmaschine verwirklicht, die in einem Antriebsmodus einen qualitativ hochwertigen Betrieb mit einer hohen Energiedichte bereitstellt.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wurde eine elektrische Drehmaschine 10 mit der Form eines Motors mit 8 Polen und 48 Schlitzen als Beispiel herangezogen, doch wird bemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt ist, sondern vorzugsweise auf jeden beliebigen Aufbau angewendet werden kann, der eine Schlitzanzahl q pro Pol pro Phase von 2 aufweist (q = 2). Zum Beispiel kann die vorliegende Erfindung ohne jegliche Abänderungen auf Motoraufbauten mit 6 Polen und 36 Schlitzen oder 4 Polen und 24 Schlitzen oder 10 Polen und 60 Schlitzen angewendet werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die beschriebene und veranschaulichte beispielhafte Ausführungsform beschränkt, sondern umfasst alle Ausführungsformen, die Effekte hervorbringen, welche jenen, auf die die vorliegende Erfindung abzielt, gleichwertig sind. Ferner ist die vorliegende Erfindung nicht auf Kombinationen von Merkmalen der Gegenstände, die durch die einzelnen Ansprüche definiert sind, beschränkt, sondern sie wird durch alle beliebigen gewünschten Kombinationen von spezifischen Merkmalen aus allen offenbarten Merkmalen definiert.
Im Vorhergehenden wurde eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben, doch ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben genannte Ausführungsform beschränkt, sondern sie kann innerhalb der technischen Ideen der vorliegenden Erfindung in verschiedensten Formen implementiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2006-254629 A [0006]
JP 2012-39775 A [0006]
JP 2006-217798 A [0006]
JP 2007-68357 A [0006]

Claims

Elektrische Drehmaschine mit innenliegenden Dauermagneten (IPM), umfassend: einen Stator, der zur Aufnahme von Statorwicklungen eingerichtet ist, wobei der Rotor einen Außenumfang aufweist; einen Rotor, der relativ zu dem Stator drehbar ist; mehrere Paare von Dauermagneten in dem Rotor, wobei die Dauermagnete jedes Paars einen Magnetpol bilden und in Magnetöffnungen in dem Rotor aufgenommen sind; und Öffnungen mit einer geringen Permeabilität, wobei jede davon den in einem vorbestimmten Bereich befindlichen Abschnitt eines der Dauermagnete ersetzt, der so gerichtete Magnetflusslinien erzeugen würde, dass von dem Stator ausgehende Magnetflusslinien benachbart zu einer Längsachse des Magnetpols ausgelöscht würden, wenn sich der Dauermagnet in dem vorbestimmten Bereich befinden würde, wobei die Öffnung einen zusätzlichen Raum umfasst, der in einer der Magnetöffnungen aufgrund einer Verkürzung der Länge des in der Magnetöffnung aufgenommenen Dauermagnets entlang der Magnetöffnung ausgebildet ist, wobei sich die Öffnung von dem zusätzlichen Raum über den Rand des in der Magnetöffnung aufgenommenen Dauermagnets hinaus zu dem Außenumfang des Rotors erstreckt.
Elektrische IPM-Drehmaschine nach Anspruch 1, wobei die Öffnung eine flache Konfiguration aufweist, die an der Seite gelegen ist, welche dem Außenumfang des Rotors gegenüberliegt, und die flache Konfiguration eine als 0,098 ≦ DL_d/R1 < 0,194 ausgedrückte Beziehung erfüllt, wobei R1 der Radius zu dem Außenumfang des Rotors ist und DL_d der Abstand von einem Punkt X, an dem die Längsachse und der Außenumfang des Rotors einander schneiden, zu einem Punkt Y ist, an dem die Längsachse und eine Verlängerungsebene der flachen Konfiguration hin zu der Längsachse einander schneiden.
Elektrische IPM-Drehmaschine nach Anspruch 2, wobei die flache Konfiguration eine als 0,12 ≦ DL_d/R1 ≦ 0,14 ausgedrückte Beziehung und eine als 1,2 ≦ θ1/θ2 ≦ 1,7 ausgedrückte Beziehung erfüllt, wobei θ1 der Einschlusswinkel zwischen der Längsachse und der Verlängerungsebene der flachen Konfiguration hin zu der Längsachse ist, und θ2 der Einschlusswinkel zwischen der Längsachse und einer Verlängerungsebene einer auf Seiten des Außenumfangs des Rotors gelegenen Außenfläche des Dauermagnets hin zu der Längsachse ist.