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Hintergrund
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Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Rotor und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Es ist ein Elektromotor bekannt, der einen Stator mit Spulen und einen Rotor mit Magneten umfasst. Die veröffentlichte japanische Übersetzung der internationalen PCT-Veröffentlichung für die Patentanmeldung mit der Nr. 2015-525051 offenbart eine Konfiguration eines Rotors, bei der stabförmige Magnete radial mit Bezug auf eine Drehwelle angeordnet sind, Sektormagnete zusätzlich zwischen den stabförmigen Magneten, welche benachbart zueinander bzw. nebeneinander liegen, angeordnet sind, und eine Halbach-Anordnung aus einer Mehrzahl von stabförmigen Magneten und einer Mehrzahl von Sektormagneten in der Umfangsrichtung ausgebildet ist. Die veröffentlichte japanische Übersetzung der internationalen PCT-Veröffentlichung für die Patentanmeldung mit der Nr.
2015-525051 offenbart ferner, dass Lücken bzw. Zwischenräume zwischen der Mehrzahl von stabförmigen Magneten und der Mehrzahl von Sektormagneten durch Seltenerdmetallpulver gesintert sind.
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Kurzfassung
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Um bei der Struktur des Rotors, welche in der veröffentlichten japanischen Übersetzung der internationalen PCT-Veröffentlichung für die Patentanmeldung mit der Nr.
2015-525051 offenbart ist, die Mehrzahl von stabförmigen Magneten und die Mehrzahl von Sektormagneten in jeweiligen vorbestimmten Positionen zu fixieren, ist es erforderlich, einen von den Seltenerdmetallpulvern gesinterten Bereich auf der Innenseite der radialen Richtung (Rotationswellenseite) der stabförmigen Magnete und der Sektormagnete in dem Querschnitt senkrecht zur Drehwellenrichtung sicherzustellen. Wenn der Rotor jedoch die Struktur besitzt, wie in der veröffentlichten japanischen Übersetzung der internationalen PCT-Veröffentlichung für die Patentanmeldung mit der Nr. 2015-525051 offenbart, gibt es eine Grenze für die Verkleinerung des Rotors bei gleichzeitiger Beibehaltung eines hohen Ausgangs des Elektromotors.
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Die vorliegende Offenbarung wurde im Hinblick auf die vorstehend genannten Umstände gemacht und zielt darauf ab, einen Rotor bereitzustellen, der verkleinert ist, während ein hoher Ausgang des Elektromotors erreicht wird.
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Ein Rotor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung entspricht einem Rotor mit einer Mehrzahl von Hauptmagneten und einer Mehrzahl von Hilfsmagneten, wobei die Hilfsmagnete in eine Mehrzahl von entsprechenden Nuten eingepasst sind, welche entlang einer Drehwellenrichtung in einem Außenumfang einer Drehwelle, die in der Mitte des Rotors angeordnet ist, ausgebildet sind, von dem Außenumfang der Drehwelle zu einer Außenseite einer radialen Richtung vorstehen und eine Magnetisierungsrichtung entlang einer Umfangsrichtung des Rotors besitzen, wobei Magnetfeldrichtungen der benachbart zueinander bzw. nebeneinander liegenden Hilfsmagnete in der Umfangsrichtung zueinander entgegengesetzt sind, wobei die Hauptmagnete bei Vorsprungsteilen der benachbart zueinander liegenden Hilfsmagnete angeordnet sind und eine Magnetisierungsrichtung besitzen, welche entlang der radialen Richtung des Rotors verläuft, wobei Magnetfeldrichtungen der benachbart zueinander liegenden Hauptmagnete in der radialer Richtung zueinander entgegengesetzt sind, und wobei die Mehrzahl von Hauptmagneten und die Mehrzahl von Hilfsmagneten derart angeordnet sind, dass die Hauptmagnete und die Hilfsmagnete in der Umfangsrichtung des Rotors eine Halbach-Anordnung bzw. ein Halbach-Array bilden.
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Die Mehrzahl von Hauptmagneten und die Mehrzahl von Hilfsmagneten sind so angeordnet, dass diese in der Umfangsrichtung die Halbach-Anordnung bilden. Durch die Bildung der Halbach-Anordnung durch die Mehrzahl von Hauptmagneten und die Mehrzahl von Hilfsmagneten in der Umfangsrichtung kann verhindert werden, dass der Magnetfluss von den Hauptmagneten in die Seite der bzw. seitlich in die Drehwelle eindringt, wodurch der Ausgang des Elektromotors verbessert werden kann. Die Hilfsmagnete sind starr im Rotor positioniert, da die Hilfsmagnete in die entsprechenden Nuten der Drehwelle eingepasst sind. Wenn die Hauptmagnete zwischen den Vorsprungsteilen der nebeneinander liegenden Hilfsmagnete angeordnet sind, sind ferner auch die Hauptmagnete starr im Rotor positioniert, da die Hauptmagnete eine Saugkraft von der Drehwelle aufnehmen. Entsprechend ist es nicht erforderlich, einen speziellen Bereich vorzusehen, in dem die Hilfsmagnete und die Hauptmagnete im Rotor fixiert sind, wodurch die Größe des Rotors reduziert werden kann.
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Ferner ist hinsichtlich eines Vergleichs der Gestalt eines Querschnitts der Hilfsmagnete senkrecht zur Drehwellenrichtung mit dieser der Hauptmagnete ein Verhältnis der Länge eines Teils der ersteren Gestalt, der sich von dem Außenumfang der Drehwelle weiter nach außen zur Außenseite der radialen Richtung erstreckt, zu der Länge eines Teils der Gestalt, der sich entlang des Außenumfangs der Drehwelle erstreckt, größer gestaltet als dieses der letzteren Gestalt. Eine Reduzierung der Anzahl von Polen der Halbach-Anordnung in der Umfangsrichtung, das heißt, eine Reduzierung der Anzahl von Magneten, welche in der Umfangsrichtung in dem Halbach-Anordnungs-Rotor ausgerichtet sind, ist für die Verkleinerung des Rotors wirksam. Dadurch, dass die Hilfsmagnete im Halbach-Anordnungs-Rotor die vorstehend erwähnte Gestalt besitzen, ist es möglich, selbst bei einer Reduzierung der Anzahl von Hauptmagneten einen hohen Ausgang des Elektromotors zu erreichen.
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Ferner kann der Querschnitt der Hilfsmagnete senkrecht zur Drehwellenrichtung eine rechtwinklige Gestalt besitzen und der Querschnitt der Hauptmagnete senkrecht zur Drehwellenrichtung kann eine Sektorgestalt besitzen. Auf diese Art und Weise kann der Halbach-Anordnungs-Rotor durch eine einfache Struktur erreicht werden, indem die Hilfsmagnete und die Hauptmagnete eine einfache Gestalt besitzen.
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Ferner kann ein Abstand von der Mitte der Drehwelle zu einer Außenumfangsfläche der Hauptmagnete und ein Abstand von der Mitte der Drehwelle zu einer Endfläche der Außenseite der radialen Richtung der Hilfsmagnete gleich gestaltet sein. Gemäß dieser Konfiguration ist es möglich, die Hauptmagnete auf einfache Art und Weise zwischen den Vorsprungsteilen der benachbart zueinander liegenden Hilfsmagnete auszurichten. Ferner ist der Elektromotor unter Verwendung des so konfigurierten Rotors in der Lage, eine stabile Leistungsfähigkeit zu erreichen.
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Ferner kann der Bereich bzw. die Fläche des Querschnitts der Hilfsmagnete senkrecht zur Drehwellenrichtung kleiner gestaltet sein als die Fläche des Querschnitts der Hauptmagnete senkrecht zur Drehwellenrichtung. Diese Konfiguration ist wirksam für eine Verkleinerung des Rotors.
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Ferner können die Hilfsmagnete in der Umfangsrichtung in gleichen Winkelabständen angeordnet sein. Der Elektromotor, welcher den so konfigurierten Rotor verwendet, ist in der Lage, eine stabile Leistungsfähigkeit zu erreichen.
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Ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung entspricht einem Verfahren zum Herstellen eines Rotors mit einer Mehrzahl von Hauptmagneten und einer Mehrzahl von Hilfsmagneten, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Anbringen der Hilfsmagnete bei einer Mehrzahl von Nuten, welche entlang einer Drehwellenrichtung in einem Außenumfang einer Drehwelle ausgebildet sind, derart, dass die Hilfsmagnete von dem Außenumfang der Drehwelle hin zu einer Außenseite einer radialen Richtung vorstehen, eine Magnetisierungsrichtung der Hilfsmagnete entlang einer Umfangsrichtung des Rotors verläuft, und Magnetfeldrichtungen der benachbart zueinander liegenden Hilfsmagnete in der Umfangsrichtung zueinander entgegengesetzt sind; und Anbringen der Hauptmagnete zwischen Vorsprungsteilen der benachbart zueinander liegenden Hilfsmagnete, derart, dass eine Magnetisierungsrichtung der Hauptmagnete entlang einer radialen Richtung des Rotors verläuft, Magnetfeldrichtungen der benachbart zueinander liegenden Hauptmagnete in der radialen Richtung zueinander entgegengesetzt sind und die Hauptmagnete und die Hilfsmagnete in der Umfangsrichtung des Rotors eine Halbach-Anordnung bilden.
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Bei der Herstellung des Rotors werden zunächst die Hilfsmagnete an der Drehwelle fixiert, und danach werden die Hauptmagnete durch die Saugkraft zwischen der Drehwelle und den Hauptmagneten zwischen den Vorsprungsteilen der benachbart zueinander liegenden Hilfsmagnete angeordnet, wodurch die Montage der Hilfsmagnete und der Hauptmagnete äußerst einfach wird.
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Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, einen Rotor bereitzustellen, welcher verkleinert ist, während ein hoher Ausgang des Elektromotors erreicht wird.
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Die Vorstehende und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden durch die nachstehend dargelegte detaillierte Beschreibung und die beigefügten Abbildungen, welche nur zur Veranschaulichung dienen, besser verständlich und sind daher nicht als Beschränkung der vorliegenden Offenbarung zu betrachten.
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Figurenliste
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- 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Elektromotors mit einem Rotor gemäß einer Ausführungsform;
- 2 ist eine Explosionsansicht des Elektromotors mit dem Rotor gemäß dieser Ausführungsform;
- 3 ist eine perspektivische Ansicht, welche eine Gestalt einer Drehwelle im Rotor gemäß dieser Ausführungsform zeigt;
- 4 ist eine Querschnittsansicht, welche eine detaillierte Konfiguration des Rotors gemäß dieser Ausführungsform zeigt;
- 5 ist ein Flussdiagramm, welches einen Umriss eines Ablaufs eines Verfahrens zum Herstellen des Rotors gemäß dieser Ausführungsform zeigt;
- 6 ist eine Abbildung zur spezifischen Beschreibung eines in 5 gezeigten Schrittes S1;
- 7 ist eine Abbildung zur spezifischen Beschreibung eines in 5 gezeigten Schrittes S2;
- 8 ist eine schematische Ansicht eines Simulationsmodells des Elektromotors mit dem Rotor gemäß dieser Ausführungsform;
- 9 ist eine schematische Ansicht eines Simulationsmodells eines Elektromotors mit einem Rotor gemäß einem Vergleichsbeispiel;
- 10 ist eine Abbildung, welche Ergebnisse einer Simulation einer Magnetflussdichteverteilung in dem in 8 gezeigten Querschnitt des Elektromotors mit dem Rotor gemäß dieser Ausführungsform zeigt;
- 11 ist eine vergrößerte Abbildung eines Bereichs A von 10;
- 12 ist eine Abbildung, welche Ergebnisse einer Simulation einer Magnetflussdichteverteilung in dem in 9 gezeigten Querschnitt des Elektromotors mit dem Rotor gemäß dem Vergleichsbeispiel zeigt;
- 13 ist eine vergrößerte Abbildung eines Bereichs B von 12;
- 14 ist ein Diagramm, welches Ergebnisse einer Simulation einer Beziehung zwischen einer Drehzahl und einem Drehmoment des Elektromotors mit dem Rotor gemäß dieser Ausführungsform und des Elektromotors mit dem Rotor gemäß dem Vergleichsbeispiel zeigt; und
- 15 ist eine perspektivische Ansicht, welche eine Drehwelle mit einer Gestalt zeigt, die sich von dieser der in 3 gezeigten Drehwelle unterscheidet.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Im Folgenden wird die vorliegende Offenbarung unter Bezugnahme auf Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung erläutert. Die in den Ansprüchen dargelegte Offenbarung ist jedoch nicht auf die folgenden Ausführungsformen beschränkt. Ferner können nicht alle der in den Ausführungsformen erläuterten Strukturen als Mittel zur Lösung des Problems erforderlich sein. Zum Zweck der Klarstellung der Beschreibung werden die folgende Beschreibung und die Abbildungen gegebenenfalls weggelassen und vereinfacht. In den Abbildungen werden die gleichen Komponenten durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, und überlappende Beschreibungen werden, soweit erforderlich, weggelassen. Die in den folgenden Abbildungen dargestellten rechtshändigen xyz-Koordinaten dienen zur Veranschaulichung von Positionsbeziehungen zwischen Komponenten, und die Drehwellenrichtung eines Elektromotors entspricht einer z-Achsenrichtung.
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Zunächst wird eine Konfiguration eines Elektromotors mit einem Rotor gemäß dieser Ausführungsform beschrieben. 1 ist eine perspektivische Ansicht des Elektromotors mit dem Rotor gemäß dieser Ausführungsform. 2 ist eine Explosionsansicht des Elektromotors mit dem Rotor gemäß dieser Ausführungsform. Wie in 1 gezeigt, ist ein Elektromotor 100 mit einer Ummantelung 11 und einer Abdeckung bzw. einem Deckel 30, welche als ein Gehäuse dienen, abgedeckt. Wie in 2 gezeigt ist, sind im Inneren der Ummantelung 11 und des Deckels 30 ein Stator 10 und ein Rotor 20 angeordnet. Der Elektromotor 100 entspricht einem Motor, der den Rotor 20 drehend antreibt, wodurch eine Antriebskraft über eine Drehwelle 26 auf ein Zielobjekt übertragen wird.
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Der Stator 10 umfasst einen Statorkern 12a und Spulen 12c. Der Statorkern 12a umfasst Zähne 12b, bei denen im Wesentlichen zylindrische elektromagnetische Stahlschichten in der Drehwellenrichtung (der Z-Achsen-Richtung) laminiert sind, und die auf einer Innenumfangsseite des Statorkerns 12a vorstehen, sowie Schlitze 12d, welche zwischen benachbarten Zähnen 12b vorgesehen sind. Die Zähne 12b sind stabförmige Teile, welche sich entlang einer radialen Richtung des Rotors 20 erstrecken (im Folgenden wird diese Richtung einfach als eine „radiale Richtung“ bezeichnet). Die Spulen 12c sind in den jeweiligen Schlitzen 12d vorgesehen. Die Mehrzahl von Spulen 12c sind derart miteinander gekoppelt, dass der Elektromotor 100 als ein Dreiphasenmotor dient, und sind mit entsprechenden Leistungszuführungen (nicht gezeigt) verbunden.
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Der Rotor 20 ist auf der Innenumfangsseite des Stators 10 angeordnet. Der Rotor 20 umfasst eine Mehrzahl von Hilfsmagneten 21 und eine Mehrzahl von Hauptmagneten 22. Die Hilfsmagnete 21 und die Hauptmagnete 22 können beispielsweise Permanentmagnete auf Seltenerdbasis sein, welche Neodym, Eisen und Bor als Hauptkomponenten umfassen. Die Einzelheiten der Konfiguration des Rotors 20 werden später beschrieben.
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Die Ummantelung 11, bei der es sich um einen zylindrischen Körper handelt, umfasst eine Öffnung 11a, welche an einem Ende davon geöffnet ist, und einen Bodenteil 11b, welcher an dem anderen Ende davon geschlossen ist. Der Bodenteil 11b umfasst ein Drehwellenloch 11c und einen Lagerteil 11d, welcher in dem Drehwellenloch 11c vorgesehen ist. Der Deckel 30, bei dem es sich um einen plattenförmigen Körper handelt, in dem ein Drehwellenloch 30a ausgebildet ist, ist so angeordnet, dass dieser die Öffnung 11a der Ummantelung 11 verschließt.
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Die Drehwelle 26 ist bei der Mitte des Rotors 20 angeordnet. Eine Endseite der Drehwelle 26 steht über eine Scheibe bzw. Unterlegscheibe mit dem Deckel 30 in Kontakt, und die andere Endseite der Drehwelle 26 steht über eine Unterlegscheibe mit dem in der Ummantelung 11 vorgesehenen Lagerteil 11d in Kontakt. Der Rotor 20 ist zwischen dem Deckel 30 und dem Lagerteil 11d gehalten, wodurch die Position davon in der Drehwellenrichtung stabil wird.
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3 ist eine perspektivische Ansicht, welche die Gestalt der Drehwelle 26 zeigt. Wie in 3 gezeigt ist, besitzt die Drehwelle 26 eine säulenförmige Gestalt und umfasst eine Mehrzahl von Nuten 26a, welche entlang der Drehwellenrichtung (der Z-Achsen-Richtung) am Außenumfang der Drehwelle 26 ausgebildet sind. Die Mehrzahl von Nuten 26a sind in gleichen Winkelabständen mit Bezug auf die Mittellinie der Drehwelle 26 ausgebildet. In einem in 3 gezeigten Beispiel sind vier Nuten 26a in der Drehwelle 26 in Intervallen bzw. Abständen von 90 ° ausgebildet.
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Als nächstes werden Details der Konfiguration des Rotors 20 beschrieben.
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4 ist eine Querschnittsansicht, welche eine detaillierte Konfiguration des Rotors 20 zeigt. 4 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie IV-IV von 2. Wie in 4 gezeigt ist, sind die Hilfsmagnete 21 in die Mehrzahl der entsprechenden Nuten 26a eingepasst, welche am Außenumfang der Drehwelle 26 entlang der Drehwellenrichtung ausgebildet sind, und stehen vom Außenumfang der Drehwelle hin zur Außenseite der radialen Richtung vor. Die Hauptmagnete 22 sind bei den Vorsprungsteilen der Hilfsmagnete 21 angeordnet, welche benachbart zueinander liegen. Die Hilfsmagnete 21 sind in der Umfangsrichtung des Rotors 20 (im Folgenden wird diese Richtung einfach als eine „Umfangsrichtung“ bezeichnet) in gleichen Winkelabständen angeordnet. In einem in 4 gezeigten Beispiel sind im Rotor 20 vier Hilfsmagnete 21 in Intervallen von 90° angeordnet, und vier Hauptmagnete 22 sind zwischen den jeweiligen Vorsprungsteilen der benachbart zueinander liegenden Hilfsmagnete 21 angeordnet. Wenn die Hilfsmagnete 21 im Rotor 20 in gleichen Abständen bzw. Intervallen angeordnet sind, kann der Elektromotor 100, der den Rotor 20 verwendet, eine stabile Leistungsfähigkeit erzielen.
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Die Magnetisierungsrichtung der Hilfsmagnete 21 entspricht der Umfangsrichtung, und die Hilfsmagnete 21 sind derart angeordnet, dass Magnetisierungsrichtungen der nebeneinander liegenden Hilfsmagnete 21 zueinander entgegengesetzt werden. Die Magnetisierungsrichtung der Hauptmagnete 22 entspricht der radialen Richtung. Die Hauptmagnete 22 setzen sich zusammen aus Hauptmagneten 22a, deren Innenseite der radialen Richtung (Seite der Drehwelle 26) einem N-Pol entspricht und deren Außenseite der radialen Richtung einem S-Pol entspricht, und Hauptmagneten 22b, deren Innenseite der radialen Richtung (Seite der Drehwelle 26) einem S-Pol entspricht und deren Außenseite der radialen Richtung einem N-Pol entspricht, und die Hauptmagnete 22a und die Hauptmagnete 22b sind in der Umfangsrichtung abwechselnd angeordnet.
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Die Mehrzahl von Hauptmagneten 22 und die Mehrzahl von Hilfsmagneten 21 sind derart angeordnet, dass diese in der Umfangsrichtung ein Halbach-Array bzw. eine Halbach-Anordnung bilden. Durch die Bildung der Halbach-Anordnung durch die Mehrzahl von Hauptmagneten 22 und die Mehrzahl von Hilfsmagneten 21 in der Umfangsrichtung kann verhindert werden, dass der Magnetfluss von den Hauptmagneten 22 in die Seite der bzw. seitlich in die Drehwelle 26 eindringt, wodurch der Ausgang des Elektromotors 100 verbessert werden kann.
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Wie vorstehend beschrieben ist, sind die Hilfsmagnete 21 in die entsprechenden Nuten 26a der Drehwelle 26 eingepasst, wodurch die Hilfsmagnete 21 starr im Rotor 20 positioniert sind. Wenn die Hauptmagnete 22 zwischen den Vorsprungsteilen der nebeneinander liegenden Hilfsmagnete 21 angeordnet sind, sind die Hauptmagnete 22 ebenfalls starr im Rotor 20 positioniert, da die Hauptmagnete 22 eine Saugkraft von der Drehwelle 26 aufnehmen. Daher ist es nicht erforderlich, einen speziellen Bereich zum Fixieren der Hilfsmagnete 21 und der Hauptmagnete 22 im Rotor 20 vorzusehen, wodurch die Größe des Rotors 20 reduziert werden kann.
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Die vorliegenden Erfinder haben festgestellt, dass es selbst dann, wenn die Länge des Teils von jedem der Hilfsmagneten 21, der sich entlang des Außenumfangs der Drehwelle 26 erstreckt, reduziert wird, möglich ist, zu verhindern, dass der Magnetfluss von den Hauptmagneten 22 in die Seite der Drehwelle 26 eindringt. Im Hinblick darauf ist bei einem Vergleich der Gestalt des Querschnitts der Hilfsmagnete 21 senkrecht zur Drehwellenrichtung mit dieser der Hauptmagnete 22 ein Verhältnis der Länge eines Teils der erstgenannten Gestalt, der sich vom Außenumfang der Drehwelle 26 weiter nach außen zur Außenseite der radialen Richtung erstreckt, zur Länge eines Teils der Gestalt, welcher sich entlang des Außenumfangs der Drehwelle 26 erstreckt, größer gestaltet als dieses der letztgenannten Gestalt. Bei der Gestalt des Querschnitts der Hilfsmagnete 21 senkrecht zur Drehwellenrichtung ist das vorstehend genannte Verhältnis R1 gleich L1/L2. Bei der Gestalt des Querschnitts der Hauptmagnete 22 senkrecht zur Drehwellenrichtung ist dieses Verhältnis R2 gleich L3/L4. Das heißt, im Rotor 20 ist das vorstehend erwähnte Verhältnis R1 der Hilfsmagnete 21 größer gestaltet als das vorstehend erwähnte Verhältnis R2 der Hauptmagnete 22.
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Das Reduzieren der Anzahl von Polen der Halbach-Anordnung in der Umfangsrichtung, das heißt, der Anzahl von im Halbach-Anordnungs-Rotor in der Umfangsrichtung ausgerichteten Magneten, ist wirksam für die Erhöhung der Geschwindigkeit des Elektromotors 100. Indem im Halbach-Anordnungs-Rotor 20 das vorstehende Verhältnis R1 der Hilfsmagnete 21 größer gemacht wird als das vorstehende Verhältnis R2 der Hauptmagnete 22, kann, selbst wenn die Anzahl von Hauptmagneten 22 auf etwa vier reduziert wird, der Ausgang des Elektromotors 100 hoch gemacht werden.
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Der Querschnitt der Hilfsmagnete 21 senkrecht zur Drehwellenrichtung besitzt eine rechtwinklige Gestalt und der Querschnitt der Hauptmagnete 22 senkrecht zur Drehwellenrichtung besitzt eine Sektorgestalt. Auf diese Art und Weise kann durch einfache Formgebung der Hilfsmagnete 21 und der Hauptmagnete 22 der Halbach-Anordnungs-Rotor 20 durch eine einfache Struktur erhalten werden.
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Ferner wird unter dem Gesichtspunkt der Verkleinerung (Downsizing) des Rotors 20 die Fläche des Querschnitts der Hilfsmagnete 21 senkrecht zur Drehwellenrichtung vorzugsweise kleiner gemacht als die Fläche des Querschnitts der Hauptmagnete 22 senkrecht zur Drehwellenrichtung. Wie vorstehend beschrieben ist, kann auch bei einer Verringerung der Länge des Teils von jedem der Hilfsmagnete 21, der sich entlang des Außenumfangs der Drehwelle 26 erstreckt, verhindert werden, dass der Magnetfluss von den Hauptmagneten 22 in die Seite der Drehwelle 26 eindringt. Entsprechend kann auch dann, wenn die Fläche des Querschnitts der Hilfsmagnete 21 senkrecht zur Drehwellenrichtung kleiner gemacht wird als die Fläche des Querschnitts der Hauptmagnete 22 senkrecht zur Drehwellenrichtung, verhindert werden, dass der Magnetfluss von den Hauptmagneten 22 in die Seite der Drehwelle 26 eindringt.
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Als nächstes wird ein Verfahren zum Herstellen des Rotors 20 beschrieben. In der folgenden Beschreibung wird auch auf die 1 und 2 Bezug genommen.
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5 ist ein Flussdiagramm, welches den Umriss eines Ablaufs des Verfahrens zum Herstellen des Rotors 20 zeigt. Wie in 5 gezeigt ist, werden zunächst die Hilfsmagnete 21 an der Drehwelle 26 angebracht (Schritt S1). Nachfolgend werden die Hauptmagnete 22 zwischen den Vorsprungsteilen der nebeneinander liegenden Hilfsmagnete 21 angeordnet (Schritt S2).
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6 ist eine Abbildung zur spezifischen Beschreibung von Schritt S1 in 5. Wie in 6 gezeigt ist, werden die Hilfsmagnete 21 derart an den Nuten 26a der Drehwelle 26 angebracht, dass die Hilfsmagnete 21 vom Außenumfang der Drehwelle 26 hin zur Außenseite der radialen Richtung vorstehen und dass die Magnetisierungsrichtungen der Hilfsmagnete 21 entlang der Umfangsrichtung verlaufen. Ferner werden die nebeneinander liegenden Hilfsmagnete 21 so angeordnet, dass die Magnetisierungsrichtungen davon in der Umfangsrichtung entgegengesetzt zueinander werden.
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7 ist eine Abbildung zur spezifischen Beschreibung von Schritt S2 in 5. Wie in 7 gezeigt ist, werden die Hauptmagnete 22 zwischen den Vorsprungsteilen der nebeneinander liegenden Hilfsmagnete 21 angeordnet. Wie vorstehend beschrieben ist, sind die Hauptmagnete 22 aus den Hauptmagneten 22a, deren Innenseite der radialen Richtung (Seite der Drehwelle 26) dem N-Pol entspricht und deren Außenseite der radialen Richtung dem S-Pol entspricht, und den Hauptmagneten 22b, deren Innenseite der radialen Richtung (Seite der Drehwelle 26) dem S-Pol entspricht und deren Außenseite der radialen Richtung dem N-Pol entspricht, ausgebildet. In der Umfangsrichtung werden die Hauptmagnete 22a und die Hauptmagnete 22b derart angeordnet, dass diese in der radialen Richtung abwechselnd angeordnet sind, das heißt, derart, dass die Magnetisierungsrichtungen der nebeneinander liegenden Hauptmagnete 22 in der radialen Richtung zueinander entgegengesetzt sind. Ferner werden die Hauptmagnete 22a und die Hauptmagnete 22b derart angeordnet, dass die Hauptmagnete 22a, die Hauptmagnete 22b und die Hilfsmagnete 21 in der Umfangsrichtung eine Halbach-Anordnung bilden. Die Hauptmagnete 22a und die Hauptmagnete 22b werden jeweils auf einfache Art und Weise in einen Raum zwischen den Vorsprungsteilen der nebeneinander liegenden Hilfsmagnete 21 gezogen, und zwar durch die Saugkraft zwischen diesen und der Drehwelle 26.
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Bei typischen Rotoren, bei denen die Anordnung der Magnete nicht der Halbach-Anordnung entspricht, wird bei der Herstellung des Rotors, nachdem der Rotor aus einem noch nicht magnetisierten Metall ausgebildet ist, dieser magnetisiert. Bei einem Rotor, bei dem die Magnete in der Halbach-Anordnung angeordnet sind, ist es dagegen erforderlich, bei der Herstellung des Rotors eine Anzahl von Magneten so zusammenzusetzen, dass der Rotor die in der Halbach-Anordnung angeordneten Magnete umfasst, da der Rotor nach seiner Bildung nicht magnetisiert werden kann. Es besteht jedoch ein Problem, dass es aufgrund der Abstoßung oder Anziehung zwischen Magneten äußerst schwierig ist, die jeweiligen Magnete in gewünschten Positionen anzuordnen.
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Dagegen werden bei dem Rotor 20 gemäß dieser Ausführungsform zunächst die Hilfsmagnete 21 an der Drehwelle 26 fixiert und dann die Hauptmagnete 22 durch die Saugkraft zwischen der Drehwelle 26 und den Hauptmagneten 22 zwischen den Vorsprungsteilen der nebeneinander liegenden Hilfsmagnete 21 angeordnet, wodurch eine extrem einfache Montage der Hilfsmagnete 21 und der Hauptmagnete 22 möglich ist.
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Um eine einfache Ausrichtung der Hauptmagnete 22 zwischen den Vorsprungsteilen der nebeneinander liegenden Hilfsmagnete 21 zu ermöglichen, ist es vorzuziehen, den Abstand von der Mitte der Drehwelle 26 zur Außenumfangsfläche der Hauptmagnete 22 und den Abstand von der Mitte der Drehwelle 26 zur Endoberfläche auf der Außenseite der radialen Richtung der Hilfsmagnete 21 gleich zu machen. Ferner ist der Elektromotor 100, welcher den so konfigurierten Rotor 20 verwendet, in der Lage, eine stabile Leistungsfähigkeit zu erzielen.
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Als nächstes werden Ergebnisse einer Simulation der Magnetflussdichteverteilung des Elektromotors gemäß dieser Ausführungsform (Beispiel) und dieser eines Elektromotors gemäß einem Vergleichsbeispiel beschrieben.
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8 ist eine schematische Ansicht eines Simulationsmodells des Elektromotors mit dem Rotor gemäß dieser Ausführungsform. 8 zeigt einen Querschnitt des Elektromotors 100 senkrecht zur Drehwellenrichtung. Wie in 8 gezeigt ist, ist beim Elektromotor 100 der Rotor 20 auf der Innenumfangsseite des Stators 10 derart angeordnet, dass die Lücken zwischen der Oberfläche der Außenseite der radialen Richtung der Hilfsmagnete 21 und der Hauptmagnete 22 und den Zähnen 12b konstant werden.
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9 ist eine schematische Ansicht eines Simulationsmodells des Elektromotors mit einem Rotor gemäß dem Vergleichsbeispiel. 9, welche 8 entspricht, zeigt einen Querschnitt eines Elektromotors 500 senkrecht zur Drehwellenrichtung. Wie in 9 gezeigt ist, umfasst der Elektromotor 500 einen Rotor 520 mit einer Konfiguration, bei welcher Hauptmagnete 522 kontinuierlich in der Form eines Rings auf einer Außenumfangsseite einer Drehwelle 526 angeordnet sind. Das heißt, der Rotor 520 gemäß dem Vergleichsbeispiel unterscheidet sich von dem Rotor 20 gemäß dieser Ausführungsform dadurch, dass der Rotor 520 gemäß dem Vergleichsbeispiel keine Hilfsmagnete umfasst. Zu beachten ist, dass die Hauptmagnete 522 des Rotors 520 gemäß dem Vergleichsbeispiel aus Hauptmagneten 522a und Hauptmagneten 522b aufgebaut sind, deren Magnetisierungsrichtungen entgegengesetzt zueinander sind, wie bei den Hauptmagneten 22 des Rotors 20 gemäß dieser Ausführungsform. Das heißt, die Innenseite der radialen Richtung (die Seite der Drehwelle 526) der Hauptmagnete 522a entspricht dem N-Pol und die Außenseite der radialen Richtung davon entspricht dem S-Pol, und die Innenseite der radialen Richtung (die Seite der Drehwelle 526) der Hauptmagnete 522b entspricht dem S-Pol und die Außenseite der radialen Richtung davon entspricht dem N-Pol.
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10 ist eine Abbildung, welche Ergebnisse einer Simulation der Magnetflussdichteverteilung des Elektromotors 100 mit dem Rotor 20 gemäß dieser Ausführungsform in dem in 8 gezeigten Querschnitt zeigt. 11 ist eine Abbildung, in welcher ein in 10 gezeigter Bereich A vergrößert ist. 12 ist eine Abbildung, welche Ergebnisse einer Simulation der Magnetflussdichteverteilung des Elektromotors 500 mit dem Rotor 520 gemäß dem Vergleichsbeispiel in dem in 9 gezeigten Querschnitt zeigt. 13 ist eine Abbildung, in welcher ein in 12 gezeigter Bereich B vergrößert ist.
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Wie in den 12 und 13 gezeigt ist, dringt bei dem Elektromotor 500 der Magnetfluss der Hauptmagnete 522 stark in die Seite der Drehwelle 526 ein. Auf der anderen Seite ist in den 10 und 11 gezeigt, dass der Magnetfluss von den Hauptmagneten 22 bei dem Elektromotor 100 im Vergleich zu dem Elektromotor 500 daran gehindert wird, in die Seite der Drehwelle 26 einzudringen. Das heißt, beim Elektromotor 100 kann der magnetische Verlust stärker reduziert werden als beim Elektromotor 500.
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14 ist ein Diagramm, welches Ergebnisse einer Simulation der Beziehung zwischen einer Drehzahl und einem Drehmoment des Elektromotors 100 mit dem Rotor 20 gemäß dieser Ausführungsform und des Elektromotors 500 mit dem Rotor 520 gemäß dem Vergleichsbeispiel zeigt. In 14 gibt die horizontale Achse die Drehzahl [U/min] an und die vertikale Achse gibt das Drehmoment [N·m] an. Die Beziehung zwischen der Drehzahl und dem Drehmoment beim Elektromotor 100 (Beispiel) ist durch eine durchgezogene Linie gezeigt, und die Beziehung zwischen der Drehzahl und dem Drehmoment beim Elektromotor 500 (Vergleichsbeispiel) ist durch eine gestrichelte Linie gezeigt. Wie in 14 gezeigt ist, kann der Elektromotor 500 nicht mit einer hohen Drehzahl von etwa 10.000 U/min rotiert werden. Andererseits kann, wie in 14 gezeigt ist, bei dem Elektromotor 100, selbst wenn der Elektromotor 100 mit einer hohen Drehzahl von etwa 10.000 U/min rotiert wird, ein Drehmoment von etwa 1 N·m erzeugt werden. Entsprechend kann der Elektromotor 100 mit dem Rotor 20 gemäß dieser Ausführungsform auch auf einen Motor angewendet werden, der mit einer hohen Drehzahl rotiert wird.
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Wie vorstehend beschrieben ist, sind im Rotor 20 gemäß dieser Ausführungsform die Mehrzahl von Hauptmagneten 22 und die Mehrzahl von Hilfsmagneten 21 derart angeordnet, dass in der Umfangsrichtung die Halbach-Anordnung gebildet wird. Durch die Bildung der Halbach-Anordnung durch die Mehrzahl von Hauptmagneten 22 und die Mehrzahl von Hilfsmagneten 21 in der Umfangsrichtung kann verhindert werden, dass der Magnetfluss von den Hauptmagneten 22 in die Seite der Drehwelle eindringt, wodurch es möglich ist, den Ausgang des Elektromotors 100 zu verbessern. Da die Hilfsmagnete 21 in die entsprechenden Nuten 26a der Drehwelle 26 eingepasst sind, sind die Hilfsmagnete 21 starr im Rotor 20 positioniert. Wenn die Hauptmagnete 22 zwischen den Vorsprungsteilen der nebeneinander liegenden Hilfsmagnete 21 angeordnet sind, sind die Hauptmagnete 22 ferner ebenfalls starr im Rotor 20 positioniert, da die Hauptmagnete 22 die Saugkraft von der Drehwelle aufnehmen. Entsprechend ist es nicht notwendig, einen speziellen Bereich zum Fixieren der Hilfsmagnete 21 und der Hauptmagnete 22 im Rotor 20 vorzusehen, wodurch eine Verkleinerung des Rotors 20 möglich ist.
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Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsformen beschränkt und kann gegebenenfalls geändert werden, ohne von dem Grundgedanken der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. So kann es beispielsweise möglich sein, dass die Drehwelle eine andere Gestalt als diese der in 3 gezeigten Drehwelle 26 besitzt. 15 ist eine perspektivische Ansicht, welche eine Drehwelle 126 zeigt, die eine andere Gestalt besitzt als diese der in 3 gezeigten Drehwelle 26. Wie in 15 gezeigt ist, besitzt die Drehwelle 126 eine säulenförmige Gestalt und umfasst eine Mehrzahl von Nuten 126a, die entlang der Drehwellenrichtung (der Z-Achsen-Richtung) in dem Außenumfang davon von einem Ende (einem Ende auf der positiven Seite der Z-Achsen-Richtung) der Drehwelle 126 bis zu dem anderen Ende davon (einem Ende auf der negativen Seite der Z-Achsen-Richtung) ausgebildet sind. Wenn die Nuten 126a entlang der Drehwellenrichtung von einem Ende zum anderen Ende in der Drehwelle 126 ausgebildet sind, können die Hilfsmagnete 21, welche von einem Ende der Drehwelle 126 aufgeschoben werden, an der Drehwelle 126 angebracht werden, wodurch die Notwendigkeit zur Positionierung der Hilfsmagnete 21 entfällt. Es ist daher möglich, die Hilfsmagnete 21 auf einfache Art und Weise an der Drehwelle 126 anzubringen.
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Aus der so beschriebenen Offenbarung wird ersichtlich, dass die Ausführungsformen der Offenbarung in vielerlei Hinsicht variiert werden können. Solche Variationen sind nicht als Abweichung vom Grundgedanken und Schutzumfang der Offenbarung zu betrachten, und alle derartigen Modifikationen, welche für einen Fachmann auf diesem Gebiet offensichtlich sind, sollen in den Schutzumfang der folgenden Ansprüche einbezogen sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2015525051 [0002, 0003]
