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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Motor und insbesondere eine Rotorkonstruktion eines Innenpermanentmagnetmotors.
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Stand der Technik
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Als Permanentmagnetmotoren werden allgemein solche Motoren bezeichnet, bei denen die Elemente für die mechanische Gleichrichtung, wie z. B. Kohlebürste und Kommutator des Gleichstrommotors, durch einen Halbleiterschalter ersetzt werden. Die Arten dieser Motoren können nach den Gegen-EMK-Wellenformen oder den unterschiedlichen Anordnungsmethoden, bei denen die Permanentmagnete auf der Oberfläche bzw. im Inneren des Rotors angeordnet sind, in Oberflächentyp, im Innern versteckter Typ und im Innern eingerasteter Typ unterteilt werden. Beim Permanentmagnetmotor des Oberflächentyps sind die Magnete auf der Oberfläche des Rotors aufgeklebt, um eine größere magnetische Flussdichte zu erzeugen. Da aber die Positioniertechnik der Magnete nicht ideal ist, kommt es bei hohen Geschwindigkeiten leicht zu einem Ablösen des Rotors, so dass die Technik, bei der die Magnete auf der Oberfläche des Rotors angebracht werden, verbesserungswürdig ist.
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Im Gegensatz dazu sind die Magnete bei den Permanentmagnetmotoren des im Innern versteckten Typs und im Innern eingerasteten Typs in den Rotoren untergebracht, so dass eine Anordnung, bei der der Rotorkern die Magnete umfasst, zustande kommt. Diese Anordnung ist für das Hochgeschwindigkeitsdrehen geeignet. Beim im Innern versteckten Typ des Permanentmagnetmotors, bei dem sich der Magnetfluss im Inneren konzentriert, werden die Permanentmagnete im Rotor untergebracht. Da der Magnetfluss durch die Addition der Magnete im Gegensatz zu herkömmlichen Rotoren, die lediglich eine einzige Fläche des Magnetflusses besitzen, von beiden Seiten aus den Polflächen herausgedrückt wird, sind solche Motoren in der Lage sicherzustellen, dass die magnetische Flussdichte in den Luftspalten die magnetische Flussdichte der Magnete überschreitet. Gleichzeitig wird der Unterschied der Induktivitäten auf der d-q-Achse aufgrund der Vergrößerung der magnetischen Inseln vergrößert, wodurch solche Permanentmagnetmotoren höhere Reluktanzmomente besitzen und für eine Anwendung bei breiten Betriebsdrehzahlbereichen besser geeignet sind.
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Das Kernmaterial des Rotors zur Einbettung der Magnete weist üblicherweise eine hohe Durchlässigkeit auf, um die Reluktanz des Magnetkreises zu verringern. Um einen magnetischen Kurzschluss zu vermeiden, wird ein herkömmlicher Rotor (siehe 1) aus einem magnetischen Material und aus einem nicht-magnetischen Material gefertigt, wobei die Teilbereiche 1a aus nicht-magnetischem Material an beiden Enden der Hauptachse des Rechtecks des Magnets 1b angeordnet sind, um einen magnetischen Kurzschluss zu vermeiden.
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Um die industrielle Herstellung und Verarbeitung der Rotoren zu vereinfachen, werden die Magnete 2a in den Schlitzen 2c des Rotors 2b untergebracht (siehe 2 der herkömmlichen Technik des standardisierten Innenpermanentmagnetmotors), wobei das Volumen des Schlitzes 2c größer als das Volumen des aufzunehmenden Magneten 2a ist, wobei Zwischenräume 2d zwischen dem Schlitz 2c und dem radial äußeren Rand des Rotors 2b ausgebildet sind, so dass die Verteilung der Magnetflussdichte durch die Reluktanz der Zwischenräume 2d reguliert wird.
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In 2, 3 und 4 sind Beispiele von herkömmlichen Techniken gezeigt, bei denen die Reluktanz durch Räume erzeugt wird. In den letzteren zwei Figuren sind die Enden aller Magnete 3a mit zwei abgeschirmten Räumen 3b, 3c verbunden. Zwischen den Enden zweier benachbarter Magnete 4b ist ein größeres Loch 4a angeordnet (siehe 5).
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Die in 1 bis 5 gezeigten herkömmlichen Techniken zeigen, unabhängig davon, ob die Form des Rotors durch Zwischenräume geändert ist oder durch ein nicht-magnetisches Material als Teil des Rotors gebildet ist, dass bei allen Methoden die Magnetflussdichte mittels solcher Techniken gesteuert wird, wodurch die Magnetfeldlinien zielorientiert ausgerichtet sind, so dass diese mit den Statorwicklungen effizienter verkettet sind. Zugleich werden der Bewegungsbereiche der Magnetfeldlinien begrenzt, um das Nutrastmoment zu verringern. Obgleich zahlreiche ähnliche herkömmliche Techniken bereits offenbart sind, sind solche herkömmlichen Techniken noch nicht ganz optimal, so dass an einigen Stellen noch Raum für Verbesserungen besteht.
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Aufgabe der Erfindung
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Das Hauptziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Rotorkonstruktion des Innenpermanentmagnetmotors bereitzustellen, durch die die Magnetflussdichte weiter erhöht werden kann und die Magnetfeldlinien somit konzentriert werden können, um die Schubkraft des Motors zu erhöhen.
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Um das obige Ziel zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung eine Rotorkonstruktion des Innenpermanentmagnetmotors bereit, bei der mehrere Permanentmagnete radial und im Kernelement angeordnet sind, wobei sich diese nahe einem Ende des Krümmungsmittelpunkts des Kernelements befinden, wobei jeder Permanentmagnet in einem entsprechenden Raum der Endnut angeordnet ist, wodurch die Bewegungsbereiche der Magnetfeldlinien durch diese Räume der Endnuten begrenzt werden, so dass sich die Magnetfeldlinien konzentrieren und die Magnetflussdichte sich somit erhöht, und gleichzeitig die gegenelektromotorische Kraft erhöht wird, um die Schubkraft zu erhöhen.
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Insbesondere umfasst die Rotorkonstruktion des Innenpermanentmagnetmotors ein Kernelement mit einem Krümmungsmittelpunkt, mehrere Einrastnuten, die gleichwinklig zueinander stehen und sich aus der Umfangsseite des Kernelements nach innen in einer vorbestimmten Länge radial erstrecken, mehrere Endnuten, die jeweils an den zu den verlängerten Enden der Einrastnuten entsprechenden Positionen des Kernelements angeordnet sind und mit den jeweils entsprechenden Einrastnuten verbunden sind, wobei die Breite der Nuten größer als die Breite der verbundenen Einrastnuten ist, und mehrere Magnetelemente, die jeweils eine vorbestimmte Eigenlänge aufweisen und in die entsprechenden Einrastnuten eingesetzt sind, wobei ein Ende der Hauptachse mit einer vorbestimmten Länge in die entsprechende Endnut eingesteckt ist. Alle Komponenten gehorchen den nachfolgenden Formeln: 0 < b/a ≦ 1/2 Formel 1 0 < c < e Formel 2 e = 2d + c Formel 3
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Bei allen Formeln ist: a die Eigenlänge jedes Magnetelements, b die eingesteckte Länge jedes Magnetelements, c der Abstand zwischen zwei benachbarten Endnuten, d der Abstand zwischen einer Nutwand der miteinander verbundenen Endnuten und einer Nutwand der Einrastnuten und e ist der Abstand zwischen zwei benachbarten Einrastnuten,
wobei die Tiefe jeder Endnut größer ist als die eingesteckte Länge jedes Magnetelements,
wobei zwei symmetrische Schulterflächen mit gleicher Breite auf beiden Seiten der Einrastnuten, die mit den Endnuten verbunden sind, ausgebildet sind, wobei die Breite jeder Schulterfläche d ist,
wobei das andere Ende der Hauptachse jedes Magnetelements mit einer bestimmten Länge in eine Einrastnut eingesteckt ist.
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Um eine einfache Montage und Verarbeitung sicherzustellen, kann die Rotorkonstruktion des Innenpermanentmagnetmotors mehrere Positionierkörper beinhalten, die jeweils hervorstehend auf den Bodenwänden der entsprechenden Endnuten angeordnet sind und somit an die Endflächen der entsprechenden Magnetelemente anliegen können,
wobei die Höhe jedes Positionierkörpers die Differenz zwischen der Tiefe der entsprechenden Endnut und der eingesteckten Länge ist.
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Kurzbeschreibung der Darstellungen
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1 zeigt einen Querschnitt einer herkömmlichen Technik mit verschiedenen Eisenkernmaterialien;
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2 zeigt einen Querschnitt einer herkömmlichen Technik, bei der Zwischenräume zwischen den Magnetelementen und dem radial äußeren Rand des Rotors ausgebildet sind;
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3 zeigt einen Querschnitt einer herkömmlichen Technik, bei der Zwischenräume zwischen den Magnetelementen und dem radial inneren Rand des Rotors ausgebildet sind;
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4 zeigt eine Abbildung der Magnetfeldlinien einer herkömmlichen Technik gemäß 3;
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5 zeigt einen Querschnitt einer anderen herkömmlichen Technik, bei der Zwischenräume zwischen den Magnetelementen und dem radial inneren Rand des Rotors ausgebildet sind;
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6 zeigt einen Querschnitt einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
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7 zeigt eine teilweise vergrößerte Ansicht gemäß dem Bereich A in 6 einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
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8 zeigt eine Abbildung der Magnetfeldlinien einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
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9 zeigt einen teilweisen Querschnitt einer anderen bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
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Bezugnehmend auf 6 bis 8, ähnelt die Rotorkonstruktion des Innenpermanentmagnetmotors 10 im Wesentlichen der des herkömmlichen Innenpermanentmagnetmotors mit strahlenförmiger Konstruktion (Speichen) und umfasst primär ein Kernelement 20, mehrere Einrastnuten 30, mehrere Endnuten 40 und mehrere Magnetelemente 50.
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Das Kernelement 20 ist wie bei den herkömmlichen Techniken aus magnetischem Material, wie z. B. Siliziumstahl, hergestellt. Es weist einen Krümmungsmittelpunkt, eine geeignete Länge, die in Axialrichtung verlängert ist, und eine Ringform auf.
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Jede Einrastnut 30 weist eine geradlinige Nut mit einer geeigneten Breite auf, wobei sich diese jeweils von der Ringfläche der radialen Umfangsseite des Kernelements 20 mit einer geeigneten Länge beabstandet im gleichen Winkel nach innen radial erstreckt. Diese Länge ist kleiner als der Abstand zwischen dem Innendurchmesser und dem Außendurchmesser des Kernelements 20, so dass der radial innere Rand des Kernelements 20 noch einen Innenring 21 mit einer geeigneten Dicke besitzen kann, um die Bewegung der Magnetfeldlinien zu ermöglichen. Die Breite der Öffnung 31 der Ringfläche der radialen Umfangsseite des Kernelements 20 bei den Einrastnuten 30, ist kleiner als die Breite der Nuten.
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Alle Endnuten 40 weisen eine gleichschenklige Trapezform auf und besitzen eine langgestreckte Form. Diese sind jeweils auf dem Innenring 21 des Kernelements 20 angeordnet und mit einem verlängerten Ende der jeweiligen entsprechenden Einrastnuten 30 verbunden, so dass zwischen diesen Durchgänge gebildet sind. Die Breite jeder Endnut 40 ist größer als die Breite der benachbarten Einrastnut 30, wobei die entsprechenden Größen zwischen den benachbarten verbundenen Endnuten 40 und den Einrastnuten 30 die nachfolgend beschriebenen bestimmten Bedingungen erfüllen müssen.
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Alle Magnetelemente 50 weisen einen Scheibenkörper mit einer geeigneten Dicke und jeweils eine Eigenlänge auf, wobei diese in die jeweiligen Einrastnuten 30 eingesteckt sind, wobei ein Ende der Hauptachse in die Öffnung 31 der Einrastnuten 30 eingebettet und mit einem geeigneten Abstand zu der entsprechenden Öffnung der Einrastnuten 30 beabstandet ist, wobei das andere Ende der Hauptachse mit einer geeigneten Länge aus den Einrastnuten 30 in die benachbarten verbundenen Endnuten 40 eingesteckt wird. Hierbei gehorcht die Anordnung jeder Endnut 40 den nachfolgenden Formeln: 0 < b/a ≦ 1/2 Formel 1 0 < c < e Formel 2 e = 2d + c Formel 3
- a
- ist die Eigenlänge jedes Magnetelements 50.
- b
- ist die eingesteckte Länge jedes Magnetelements 50.
- c
- ist der Abstand zwischen zwei benachbarten Endnuten 40.
- d
- ist der Abstand zwischen einer Nutwand 41 der miteinander verbundenen Endnuten 40 und einer Nutwand 32 der Einrastnuten 30.
- e
- ist der Abstand zwischen zwei benachbarten Einrastnuten 30.
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Bei der Zusammensetzung der obigen Komponenten der erfindungsgemäßen Rotorkonstruktion des Innenpermanentmagnetmotors 10 kommt eine geeignete Reluktanz durch die Anordnung der Magnetpole aller Endnuten 40 zu den Magnetpolen des anderen Endes der Hauptachse der Magnetelemente 50 zustande (siehe 8), wodurch die Magnetfeldlinien aller Magnetelemente 50 sich in einem begrenzten Bereich zwischen dem Kernelement 20 und den entsprechenden benachbarten zwei Endnuten 40 konzentrieren, womit sich die Magnetflussdichte und die gegenelektromotorische Kraft erhöhen, so dass der Motor der Rotorkonstruktion des Innenpermanentmagnetmotors 10 eine höhere Schubkraft erzeugen kann.
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Da alle Magnetelemente 50 von den jeweiligen Einrastnuten 30 umfasst sind und dadurch positioniert werden und ferner alle Einrastnuten 30 kleinere Öffnungen besitzen, kann das nachfolgend beschriebene Phänomen, nämlich dass sich beim Drehen des Rotors alle Magnetelemente 50 aufgrund der Zentrifugalkraft lösen, vermieden werden. Um eine weitere stabilisierende Wirkung zu erzielen, kann ein nicht-magnetisches Material wie Epoxid in die Räume der Endnuten 40 und der Öffnungen 31 der Einrastnuten 30 gefüllt werden.
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Darüber hinaus ist die Hauptwirkung der vorliegenden Erfindung durch das Vorhandensein der Räume, bei welchen das andere Ende der Hauptachse jedes Magnetelements 50 in die entsprechende Endnut 40 eingesteckt ist, gewährleistet. Um eine einfache Herstellung und Montage dieses Aufbaus zu ermöglichen, wird eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Rotorkonstruktion des Innenpermanentmagnetmotors 10’ bereitgestellt (siehe 9). Im Vergleich zu der vorherigen Ausführungsform umfasst diese ferner mehrere jeweils hervorstehend auf den Bodenwänden der entsprechenden Endnuten 40’ angeordnete Positionierkörper 60’. Die Höhe jedes Positionierkörpers 60’ ist die Differenz zwischen der Tiefe der entsprechenden Endnut 40’ und der eingesteckten Länge, so dass die anderen Enden der Hauptachsen, wenn alle Magnetelemente 50' in die jeweiligen Einrastnuten 30’ eingesteckt sind, an die Oberseite der entsprechenden Positionierkörper 60’ anliegen können, um positioniert zu werden, wodurch die Montage aller Magnetelemente 50' erleichtert wird.
