DE112009001165T5

DE112009001165T5 - Magnetspulen-Drehmaschine und Fluidüberführungseinrichtung, welche diese verwendet

Info

Publication number: DE112009001165T5
Application number: DE112009001165T
Authority: DE
Inventors: Hideaki Arita; Masaya Inoue; Masahiro Iezawa; Toshihiko Miyake
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-05-14
Filing date: 2009-04-22
Publication date: 2012-01-12
Also published as: JPWO2009139278A1; US20110058967A1; CN102027658A; DE112009001165A5; US8749105B2; CN102027658B; JP5539191B2; WO2009139278A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt eine hochwirksame Magnetspulen-Drehmaschine, bei welcher ein Wirbelstromverlust sogar dann reduziert wird, wenn sie bei einer sehr hohen Umdrehungsgeschwindigkeit angetrieben wird, und ein Fluidüberführungsgerät, welches dergleichen verwendet, bereit. Bei Magnetspulen-Drehmaschinen gemäß der vorliegenden Erfindung sind ein erster und zweiter Statorkern koaxial derart angeordnet, dass Umfangspositionen von Zähnen ausgerichtet sind, und ein erster und zweiter Rotorkern koaxial an einer Drehwelle derart fixiert sind, dass vorragende Pole umfangsseitig bei einem Abstand von einem halben vorragenden Pol versetzt sind, und an einer inneren Umfangsseite von dem ersten und zweiten Statorkern angeordnet sind. Eine Breite βr eines vorragenden Poles von den vorragenden Polen von dem ersten und zweiten Rotorkern ist derart ausgelegt, dass sie größer als eine Öffnungsbreite θs von Schlitzen eines Stators ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Magnetspulen-Drehmaschine, welche zum Antrieb bei einem hohen Umdrehungsgeschwindigkeitsbereich geeignet ist, in welchem Kernverlustanteile beim Motorverlust dominieren, und auf eine Fluidüberführungseinrichtung, welche diese verwendet.
STAND DER TECHNIK
Bei herkömmlichen Permanentmagneten-Synchrondrehmaschinen sind Magnete, welche als ein Magnetfeldelement dienen, an einem Rotor befestigt. Bei Motoren, welche in „elektrisch unterstützten Turboladern” verwendet werden, bei welchem der Motor zwischen einer Turbine und einem Kompressor von einem Automobil-Turbolader angeordnet ist, ist jedoch eine sehr hohe Umdrehungsgeschwindigkeit erforderlich, welche 100.000 Umdrehungen pro Minute übersteigt, und da sie in Umgebungen mit hoher Temperatur verwendet werden, treten Probleme hinsichtlich einer Magnethaltefestigkeit, einer thermischen Entmagnetisierung, usw. auf, wenn herkömmliche Permanentmagneten-Synchrondrehmaschinen bei diesen Motoren verwendet werden.
In Anbetracht dieser Umstände wurden herkömmliche Magnetspulen-Drehmaschinen vorgeschlagen, bei welchen eine Magnetfeldquelle, wie beispielsweise ein Permanentmagnet oder eine Spule, usw., an einem Stator angeordnet ist, und ist ein Rotor derart aufgebaut, dass Kerne, an denen ein zahnradförmiger magnetischer Vorsprung angelegt ist, axial in zwei Stufen zueinander angrenzend angeordnet werden, so dass sie umfangsseitig bei einem Abstand von einem halben Pol versetzt sind (siehe beispielsweise Patentliteratur 1 und 2). Diese Rotoren sind lediglich durch einen Kern gebildet, welcher eine einfache Form hat, und sind hinsichtlich der Widerstandsfestigkeit gegen Zentrifugalkräfte, wenn sie bei einer hohen Geschwindigkeit umdreht werden, überlegen. Somit genießen herkömmliche Magnetspulen-Drehmaschinen die Vorteile von diesen Rotoren, und es ist vorstellbar, dass sie bei Hochgeschwindigkeitsmotoren verwendet werden, wie beispielsweise elektrisch unterstützte Turbolader, usw.
Statorspulen-Wicklungsverfahren bei herkömmlichen Magnetspulen-Drehmaschinen enthalten verteilte Wicklungsverfahren, bei welchen eine Spule pro Phase gewickelt wird, so dass sie eine Mehrzahl von Schlitzen überspannt, und wobei jede der Phasen von der Spule und Spulenenden Überlappungen haben, welche in einer Umfangsrichtung überkreuzt sind (beispielsweise Patentliteratur 1), und konzentrierte Wicklungsverfahren, bei welchen eine Spule pro Phase derart auf Zähnen gewickelt wird, so dass sie die Schlitze nicht überspannt, und sowohl die Phasen der Spule als auch die Spulenenden keine Überlappungen haben, welche in einer Umfangsrichtung überkreuzt sind (beispielsweise Patentliteratur 2), und die Rotorfeldverfahren enthalten Spulen (beispielsweise Patentliteratur 2) und Permanentmagnete (beispielsweise Patentliteratur 1). Grundsätzlich ist ein Zusammenfassen der zwei Statorspulen-Wicklungsverfahren und der zwei Rotorfeldverfahren unbeschränkt.
Bei herkömmlichen Magnetspulen-Drehmaschinen ist, weil eine Drehwelle des Rotors drehbar durch Lager gelagert ist, welche an zwei axialen Enden des Rotors angeordnet sind, eine „Axialresonanz” problematisch, bei welcher die Rotorwelle ein Resonanzsystem bildet und sich biegt und vibriert. Je länger der Abstand zwischen den Lager ist, und je höher die Drehgeschwindigkeit des Rotors ist, desto wahrscheinlicher ist das Auftreten von dieser Axialresonanz, und schlimmstenfalls wird der Rotor mit dem Stator in Kontakt treten.
Ein Beschränken des Abstandes zwischen den Lagern, um die Drehgeschwindigkeit zu erhöhen, bei welcher die Axialresonanz auftritt, ist eine wirksame Gegenmaßnahme, um den Kontakt zwischen dem Rotor und dem Stator während der sehr hohen Umdrehungsgeschwindigkeit zu vermeiden. Aufgrund von Beschränkungen der Widerstandsfestigkeit gegen Zentrifugalkräfte wird der Rotordurchmesser reduziert, und wird der Statordurchmesser zusammen hiermit reduziert, und wird die Distanz zwischen den Spulenenden der Statorspule von der Mittenachse der Drehwelle kürzer. Andererseits ist ein Erhöhen des Durchmessers der Lager angesichts der Sicherstellung in der Festigkeit und der Sicherstellung eines Öl-Kühlflusskanals gewünscht. Wenn die Lager radial innerhalb der Spulenenden von der Statorspule angeordnet werden, treten daraus folgend Probleme hinsichtlich einer Interferenz zwischen den Lagern und den Spulenenden von der Statorspule auf. Somit ist eine soweit wie mögliche Verkürzung der axialen Länge der Spulenenden von der Statorspule wirksam, um eine Interferenz zwischen den Lager und den Spulenenden von der Statorspule zu vermeiden, wobei der Abstand zwischen den Lager reduziert wird.
Anhand des Vorherigen ist es, um Magnetspulen-Drehmaschinen bei Anwendungen anzuwenden, bei welchen eine hohe Umdrehungsgeschwindigkeit erforderlich ist, gewünscht, konzentrierte Wicklungsverfahren zu adaptieren, bei welchen, verglichen mit verteilten Wicklungsverfahren, die axiale Länge der Spulenenden der Statorspule verkürzt werden kann.
LITERATUR
PATENTLITERATUR

Patentliteratur 1: Patent-Offenlegungsschrift No. 2004-8880 (Gazette)
Patentliteratur 2: Patent-Offenlegungsschrift No. HEI 08-214519 (Gazette)

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
PROBLEM, WELCHES DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSEN IST
Bei herkömmlichen Magnetspulen-Drehmaschinen wird ein Magnetkreis theoretisch ausgebildet, bei welchem ein Magnetfluss, welcher durch die Magnetfeldquelle erzeugt ist, in die vorragenden Pole an einem ersten axialen Ende von dem Rotor von den Zähnen an einem ersten axialen Ende des Stators eintritt, radial innerhalb des Rotors fließt, durch die Drehwelle zu einem zweiten axialen Ende fließt, und dann radial über den Rotor nach außen fließt, in die Zähne an einem zweiten axialen Ende des Stators von den vorragenden Polen an dem zweiten axialen Ende des Rotors eintritt, radial durch den Stator nach außen fließt, und über einen äußeren Rahmen des Stators zum ersten axialen Ende fließt. Hierbei ändert sich ein Magnetpfad-Kopplungszustand zwischen den vorragenden Polen des Rotors und den Zähnen des Stators mit der Umdrehung des Rotors, und wird die Größe des axialen Magnetflusses, welcher durch innere Abschnitte von der Drehmaschine fließt, zunehmen und abnehmen. Da die Größe des axialen Magnetflusses, welcher durch den Rotor und den Stator fließt, schwankt, tritt ein Wirbelstromverlust auf gleicher Ebene in einem laminierten Kern auf, und tritt ein Wirbelstromverlust ebenso in starren Magnetkörpern auf, wie beispielsweise der Außenrahmen und die Drehwelle, usw. Da dieser Wirbelstromverlust proportional zum Quadrat der Frequenz zunimmt, ist dieser Wirbelstromverlust bei herkömmlichen Magnetspulen-Drehmaschinen ein ernsthaftes Problem, insbesondere, wenn diese bei hohen Frequenzen angetrieben werden, wenn beispielsweise die Grundfrequenz 1 kHz übersteigt.
Bei herkömmlichen Magnetspulen-Drehmaschinen, welche Statorspulen mit konzentrierter Wicklung enthalten, ist die Anzahl von Schlitzen, verglichen mit verteilten Wicklungsverfahren, reduziert, und sind Schlitzabstände groß entworfen. Aus diesem Grund fahren die vorragenden Pole des Rotors von einem Zustand, bei welchem die Zähne des Stators gegenüberliegen, über einen Zustand, bei welchem die Zähne des Stators überhaupt nicht gegenüberliegen, zu einem Zustand fort, bei welchem die Zähne des Stators gegenüberliegen, zusammen mit einer Umdrehung des Rotors, weil Umfangsbreiten von Schlitzöffnungen des Stators derart entworfen sind, dass sie größer als Umfangsbreiten von den vorragenden Polen des Rotors sind. Daraus folgend ist die Amplitude der Änderungen im Magnetpfad-Kopplungszustand zwischen den vorragenden Polen des Rotors und den Zähnen des Stators groß, woraus folgend die Amplitude der Zunahme und Abnahme der Größe des axialen Magnetflusses, welcher durch die inneren Abschnitte von der Drehmaschine fließt, groß ist. Somit wird ein Wirbelstromverlust erhöht, woraus die Motorwirksamkeit reduziert wird.
Diese Probleme der Schwankung der Größe des axialen Magnetflusses sind bei Magnetspulen-Drehmaschinen auffällig, welche Statorspulen mit konzentrierter Wicklung enthalten. Anders gesagt, in Magnetspulen-Drehmaschinen, welche Statorspulen mit verteilter Wicklung enthalten, erreicht ein Kernverlust aufgrund von solchen Schwankungen in der Größe des axialen Magnetflusses keine problematischen Pegel. Das heißt, dass bei jenen mit verteilten Wicklungsverfahren, Schlitzöffnungsbreiten im Aufbau schmaler sind, und die vorragenden Pole des Rotors stets einer Mehrzahl von Schlitzen im Stator gegenüberliegen. Somit wechseln sich gegenüberliegende Abschnitte der Zähne ab, wenn sich die vorragenden Pole des Rotors umdrehen, und wird ein Magnetwiderstand zwischen dem Rotor und dem Stator stets auf einem niedrigen Zustand beibehalten. Daraus folgend, da Schwankungen in der Größe des axialen Magnetflusses kein Problem sind, wenn Magnetspulen-Drehmaschinen untersucht werden, welche Statorspulen mit verteilter Wicklung enthalten, wurden Wirbelströme in einer laminaren ebenen Richtung bei herkömmlichen Analysen, wie beispielsweise einer Magnetanalyse, usw., stark ignoriert, und war ein Kernverlust aufgrund von solchen Schwankungen in der Größe des axialen Magnetflusses ein Verlustfaktor, welcher bislang übersehen wurde.
Die Anmelden haben herausgefunden, dass der Kernverlust mehr als erwartet zunimmt, wenn Magnetspulen-Drehmaschinen betrieben werden, welche Statorspulen mit konzentrierter Wicklung haben, und zwar bei sehr hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten, und resultierend aus der sorgsamen Untersuchung durch Abtast-Kernverlust-Erzeugungsfaktoren wurde im Verlaufe der Erfindung von der vorliegenden Erfindung basierend auf der Entdeckung herausgefunden, dass Schwankungen in der Größe eines axialen Magnetflusses einen Faktor bilden, welcher einen Kernverlust darin erzeugt.
Die vorliegende Erfindung löst die obigen Probleme, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine hochwirksame Magnetspulen-Drehmaschine bereitzustellen, bei welcher der Wirbelstromverlust sogar dann reduziert wird, wenn diese mit einer sehr hohen Umdrehungsgeschwindigkeit angetrieben wird, und eine Fluidüberführungseinrichtung bereitzustellen, welche diese verwendet.
MITTEL ZUM LOSEN DES PROBLEMS
Um die obige Aufgabe zu lösen, ist gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Magnetspulen-Drehmaschine bereitgestellt, welche enthält: einen Stator, welcher enthält: einen Statorkern, welcher derart aufgebaut ist, dass ein erster Statorkern und ein zweiter Statorkern, welche in identischen Formen vorbereitet sind, bei welchen eine Mehrzahl von Zähnen, welche durch Schlitze unterbrochen sind, welche Öffnungen an einer inneren Umfangsseite haben, derart angeordnet werden, dass sie umfangsseitig derart ausgerichtet sind, so dass sie von einer inneren Umfangsoberfläche von einer zylindrischen Kern-Rückseite aus radial nach innen vorragen, wobei die koaxial derart angeordnet sind, dass sie axial durch einen vorbestimmten Abstand getrennt sind, wobei Umfangspositionen von den Zähnen ausgerichtet sind; und eine Statorspule, welche auf eine konzentrierte Wicklung auf den Statorkern befestigt ist; und einen Rotor, bei welchem ein erster Rotorkern und ein zweiter Rotorkern, welche zu identischen Formen vorbereitet sind, bei welchen vorragende Pole umfangsseitig bei einem gleichförmigen Winkelabstand angeordnet sind, koaxial an einer Drehwelle befestigt sind, so dass sie an inneren Umfangsseiten von jeweils dem ersten Statorkern und dem zweiten Statorkern positioniert sind, und wobei sie umfangsseitig bei einem Abstand von einem halben vorragenden Pol voneinander versetzt sind. Die Magnetspulen-Drehmaschine enthält ebenfalls ein Magnetfeldelement, welches an dem Stator angeordnet ist, und welches einen derartigen Feldmagnetfluss erzeugt, dass die vorragenden Pole von dem ersten Rotorkern und die vorragenden Pole von dem zweiten Rotorkern eine unterschiedliche Polarität haben; und ein Axial-Magnetpfad-Ausbildungselement, welches derart angeordnet ist, dass es sich axial erstreckt, um eine äußere Umfangsoberfläche von der Kern-Rückseite des ersten Statorkerns und eine äußere Umfangsoberfläche der Kern-Rückseite des zweiten Statorkerns zu verbinden. Eine Breite βr des vorragenden Pols von den vorragenden Polen des ersten Rotorkerns und des zweiten Rotorkerns ist derart konfiguriert, so dass sie größer als eine Öffnungsbreite θs der Schlitze des Stators ist.
WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Da eine Breite βr eines vorragenden Pols von vorragenden Polen eines ersten Rotorkerns und eines zweiten Rotorkerns derart konfiguriert ist, dass sie größer als eine Öffnungsbreite θs von Schlitzen eines Stators ist, umdreht sich, gemäß der vorliegenden Erfindung, der Rotor in einem derartigen Zustand, dass die vorragenden Pole stets den Zähnen des Stators gegenüberliegen. Somit kann ein Magnetwiderstand zwischen dem Rotor und dem Stator gering gehalten werden und können Schwankungen in der Größe des Magnetflusses auf ein Minimum beibehalten werden. Somit werden Schwankungen der Größe des Magnetflusses, welcher axial durch die Drehmaschine fließt, unterdrückt, und wird ein Kernverlust, welcher vom Auftritt von Wirbelströmen herrührt, reduziert, wodurch die Erzielung einer hochwirksamen Drehmaschine ermöglicht wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine perspektivische Teilschnittansicht, welche einen Aufbau von einer Drehmaschine gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt; 2 ist eine Perspektivansicht, welche einen Aufbau eines Rotors zeigt, welcher in der Drehmaschine gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
3 ist eine perspektivische Teilschnittansicht zur Erläuterung des Flusses des Magnetflusses in der Drehmaschine gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine vordere Draufsicht, welche den Betrieb von der Drehmaschine gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung erläutert;
5 ist eine vordere Draufsicht, welche den Betrieb von einer Drehmaschine erläutert, welche als ein Vergleichsbeispiel dient;
6 ist ein Schaubild, welches einen Aufbau eines Rotors erläutert, bei welchem die Breite βr eines vorragenden Poles 100 Grad beträgt;
7 ist ein Schaubild, welches einen Aufbau eines Rotors erläutert, bei welchem eine Breite βr eines vorragenden Poles 60 Grad beträgt;
8 ist eine perspektivische Teilschnittansicht, welche eine Drehmaschine gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt;
9 ist eine perspektivische Teilschnittansicht, welche eine Drehmaschine gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt; und
10 ist ein Konfiguration-Schaubild für ein System, welches einen Automobil-Turbolader gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung enthält.
BESTER MODUS ZUR DURCHFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen einer Magnetspulen-Drehmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung und einer Fluidoberführungseinrichtung, welche dergleichen verwendet, mit Bezug auf die Zeichnung erläutert.
Ausführungsform 1
1 ist eine perspektivische Teilschnittansicht, welche einen Aufbau einer Drehmaschine gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt, und 2 ist eine Perspektivansicht, welche einen Aufbau eines Rotors zeigt, welcher in der Drehmaschine gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
In 1 und 2 ist eine Drehmaschine 1 eine Magnetspulen-Synchrondrehmaschine, und enthält: einen Rotor 3, welcher koaxial an einer Drehwelle 2 befestigt ist, welche unter Verwendung eines festen Magnetkörpers aus Eisen, usw., vorbereitet ist; und einen Stator 7, welcher durch Befestigen einer Statorspule 11, welche als eine Drehmoment-Erzeugungs-Antriebsspule dient, an einem Statorkern 8 ausgebildet ist, welcher derart angeordnet ist, dass er den Rotor 3 umgibt; eine Feldspule 12, welche als ein Feldelement wirkt; und ein Gehäuse 16, welches den Rotor 3, den Stator 7 und die Feldspule 12 unterbringt.
Der Rotor 3 enthält: einen ersten und zweiten Rotorkern 4 und 5, welche beispielsweise durch ein Laminieren und Integrieren von einer hohen Anzahl von magnetischen Stahlplatten vorbereitet sind, welche zu einer vorbestimmten Form ausgebildet sind; und eine scheibenförmige Trennwand 6, welche durch ein Laminieren und Integrieren von einer vorbestimmten Anzahl von magnetischen Stahlplatten vorbereitet ist, und wobei durch eine Mittenachsenposition davon eine Drehwellen-Einsetzöffnung (nicht gezeigt) angeordnet ist. Der erste und zweite Rotorkern 4 und 5 sind auf identische Formen vorbereitet, und sind gebildet durch: zylindrische Basisabschnitte 4a und 5a, wobei durch eine Mittenachsenposition davon Drehwellen-Einsetzöffnungen (nicht gezeigt) angeordnet sind; und zwei vorragende Pole 4b und 5b, welche derart angeordnet sind, dass sie von äußeren Umfangsoberflächen von den Basisabschnitten 4a und 5a radial nach außen vorragen, wobei sie derart angeordnet sind, dass sie sich axial erstrecken, und wobei sie umfangsseitig bei einem gleichförmigen Winkelabstand angeordnet sind. Der erste und zweite Rotorkern 4 und 5 sind derart aufgebaut, dass sie umfangsseitig um einen Abstand von einem halben vorragenden Pol versetzt sind, so dass sie in einer engen Nähe angeordnet sind, so dass sie sich gegenseitig gegenüberliegen, so dass sie die Trennwand 6 dazwischengesetzt haben, und so dass sie an der Drehwelle 2 befestigt sind, welche in ihren Drehwellen-Einsetzöffnungen eingesetzt ist. Der Rotor 3 ist drehbar innerhalb des Gehäuses 13 angeordnet, so dass zwei Enden von der Drehwelle 2 durch Lager (nicht gezeigt) gelagert sind.
Der Statorkern 8 enthält einen ersten und zweiten Statorkern 9 und 10, welche durch ein Laminieren und Integrieren von einer hohen Anzahl Von magnetischen Stahlplatten vorbereitet sind, Welche zu einer vorbestimmten Form ausgebildet sind. Der erste Statorkern 9 enthält: eine zylindrische Kern-Rückseite 9a; und sechs Zähne 9b, welche derart angeordnet sind, dass sie von einer inneren Umfangsoberfläche von der Kern-Rückseite 9a bei einem umfangsseitig gleichförmigen Winkelabstand radial nach innen vorragen. Die Schlitze 9c, welche Öffnungen an einer inneren Umfangsseite haben, sind durch die Kern-Rückseite 9a und angrenzende Zähne 9b unterteilt. Der zweite Statorkern 10 ist auf eine identische Form zu jener des ersten Statorkerns 9 vorbereitet, und enthält: eine zylindrische Kern-Rückseite 10a; und sechs Zähne 10b, welche derart angeordnet sind, dass sie von einer inneren Umfangsoberfläche von der Kern-Rückseite 10a bei einem umfangsseitig gleichförmigen Winkelabstand radial nach innen vorragen. Schlitze 10c, welche Öffnungen an einer inneren Umfangsseite haben, sind durch die Kern-Rückseite 10a und angrenzende Zähne 10b unterteilt. Der erste und zweite Statorkern 9 und 10 sind innerhalb des Gehäuses 13 angeordnet, so dass Umfangspositionen von den Zähnen 9b und 10b zueinander ausgerichtet sind, so dass sie durch eine axiale Dicke von der Trennwand 6 getrennt sind, und so dass sie jeweils den ersten und zweiten Rotorkern 4 und 5 umgeben.
Die Statorspule 11 hat drei Phasenspulen 11, bei welchen leitfähige Drähte auf Zähnen 9b und 10b gewickelt sind, welche Paare ausbilden, welche axial zueinander gegenüberliegen, ohne dass die Schlitze 9c und 10c auf ein „konzentriertes Wicklungsverfahren” überspannt werden. Genauer gesagt ist die Statorspule 11 durch ein sequenzielles Wickeln von drei Phasen (U, V und W) auf konzentrierte Wicklungen und dann einer Wiederholung zum zweiten Mal auf sechs Paaren von Zähnen 9b und 10b, welche axial zueinander gegenüberliegen, aufgebaut. Die Spulenenden von jeder der Phasenspulen haben keine Überlappungen, welche sich in einer Umfangsrichtung gegenseitig kreuzen.
Die Feldspule 12 ist eine zylindrische Spule, in welcher ein leitfähiger Draht zu einer zylindrischen Form gewickelt ist, und zwischen den Kern-Rückseiten 9a und 10a von dem ersten und zweiten Statorkern 9 und 10 zwischengesetzt ist.
Das Gehäuse 13 ist unter Verwendung eines festen Magnetkörpers aus Eisen, usw., vorbereitet, ist derart angeordnet, dass es mit einer äußeren Umfangsoberfläche von der Kern-Rückseite 9a des ersten Statorkerns 9 und einer äußeren Umfangsoberfläche von der Kern-Rückseite des zweiten Statorkerns 10 in einem engen Kontakt ist, und ein Axial-Magnetpfad-Ausbildungselement bildet.
Als Nächstes wird der Betrieb von einer Drehmaschine 1, welche auf diese Art und Weise vorbereitet ist, mit Bezug auf 3 erläutert. 3 ist eine perspektivische Teilschnittansicht, welche den Fluss eines Magnetflusses in der Drehmaschine gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung erläutert.
Wenn ein elektrischer Strom durch die Feldspule 12 durchläuft, wird ein Magnetfluss ausgebildet, welcher von den Zähnen 9b des ersten Statorkerns 9 in die vorragenden Pole 4b des ersten Rotorkerns 4 eintritt, und radial innerhalb des ersten Rotorkerns 4 fließt, wobei dann ein Anteil des Magnetflusses axial durch den Basisabschnitt 4a und die Trennwand 6 fließt, und ein verbleibender Anteil des Magnetflusses axial durch die Drehwelle 2 fließt, wie durch Pfeile in 3 angezeigt. Dann tritt der Magnetfluss in den zweiten Rotorkern 5 ein, fließt radial nach außen durch den zweiten Rotorkern 5, tritt in die Zähne 10b des zweiten Statorkerns 10 von den vorragenden Polen 5b des zweiten Rotorkerns 5 ein, fließt radial über den zweiten Statorkern 10 nach außen, fließt axial durch das Gehäuse 13, und kehrt dann zum ersten Statorkern 9 zurück. Weil die vorragenden Pole 4b und 5b des ersten und zweiten Rotorkerns 4 und 5 umfangsseitig durch einen Abstand eines halben vorragenden Pols versetzt sind, wirkt der Magnetfluss hier derart, dass Nord-(N)-Pole und Süd-(S)-Pole in einer Umfangsrichtung, wenn von einer axialen Richtung aus betrachtet, abwechselnd angeordnet sind. Somit arbeitet die Drehmaschine 1 als eine Magnetspulen-Synchron-Drehmaschine, welche in Relation zu einem Vierpolrotor 3 eine Statorspule 11 mit sechs Schlitzen mit einer konzentrierten Wicklung hat, welcher durch zwei N-Pole und zwei S-Pole gebildet ist, welche derart angeordnet sind, dass sie axial zueinander angrenzen.
Im Folgenden werden Kernverlust-Reduktionswirkungen gemäß Ausführungsform 1 mit Bezug auf 4 und 5 erläutert. 4 ist eine vordere Draufsicht, welche den Betrieb der Drehmaschine gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung erläutert, und 5 ist eine vordere Draufsicht, welche den Betrieb von einer Drehmaschine erläutert, welche als ein Vergleichsbeispiel dient. Eine Öffnungsbreite θs eines Statorschlitzes kann nun durch einen Winkel (Mittenwinkel) ausgedrückt werden, welcher durch Liniensegmente ausgebildet ist, welche zwei Umfangsenden von einer Schlitzöffnung und eine Mittenachse von der Drehwelle in einer Ebene verbindet, welche senkrecht zur Mittenachse von der Drehwelle ist. Eine Breite βr eines vorragenden Pols des Rotors kann durch einen Winkel (Mittenwinkel) ausgedrückt werden, welcher durch Liniensegmente ausgebildet ist, welche zwei Umfangsenden einer äußeren Umfangsoberfläche von den vorragenden Polen und eine Mittenachse von der Drehwelle in einer Ebene verbindet, welche senkrecht zur Mittenachse von der Drehwelle ist. Bei der Drehmaschine 100 des Vergleichsbeispiels ist die Öffnungsbreite θs des Schlitzes eines Stators 7 derart ausgebildet, dass sie größer als die Breite βr eines vorragenden Pols eines Rotors 3A ist. In 5 sind darüber hinaus jene Abschnitte mit Bezugszeichen gekennzeichnet, welche identisch zu jenen in der in 4 gezeigten Drehmaschine sind, um die Erläuterung zu erleichtern. In 4 und 5 ist die Größe der Magnetflussgröße durch die Dicke von den Pfeilen dargestellt.
Zunächst wird die Drehmaschine 100, welche als ein Vergleichsbeispiel dient, welche in 5 gezeigt ist, erläutert.
Wenn sich der Rotor 3A umdreht, schreiten die vorragenden Pole 4b von einem Zustand, welcher den Zähnen 9b gegenüberliegt, welcher, in 5(a) gezeigt ist, zu einem Zustand, welcher den Öffnungen der Schlitze 9c gegenüberliegt, welcher in 5(b) gezeigt ist, zu einem Zustand fort, welcher den nächsten Zähnen 9b gegenüberliegt, welcher in 5(c) gezeigt ist.
In dem in 5(a) gezeigten Zustand ist ein Magnetwiderstand zwischen dem Stator 7 und dem Rotor 3A gering, da die vorragenden Pole 4b den Zähnen 9b gegenüberliegen. Somit tritt ein Magnetfluss, welcher durch die Feldspule 12 erzeugt ist, von dem Gehäuse 13 aus in den ersten Statorkern 9 ein, fließt radial innerhalb des ersten Statorkerns 9, und tritt über einen Luftspalt zwischen den vorragenden Polen 4b und den Zähnen 9b in die vorragenden Pole 4b ein. Als Nächstes fließt der Magnetfluss radial innerhalb des ersten Rotorkerns 4, wobei ein Anteil von diesem Magnetfluss axial durch den Basisabschnitt 4a und die Trennwand 6 fließt, und ein verbleibender Anteil des Magnetflusses axial durch die Drehwelle 2 fließt. Als Nächstes tritt der Magnetfluss, obwohl nicht gezeigt, in den zweiten Rotorkern 5 ein, fließt radial nach außen, tritt von den vorragenden Polen 5b aus in den zweiten Statorkern 10 ein, fließt über den zweiten Statorkern 10 radial nach außen, fließt axial über das Gehäuse 13, und kehrt zum ersten Statorkern 9 zurück. Somit wird ein Magnetpfad ausgebildet, welcher sich um die Feldspule 12 schließt. Wie durch die dicken Pfeile in 5(a) angezeigt, sind hierbei die Größe des Magnetflusses, welcher radial durch den ersten und zweiten Statorkern 9 und 10 und den ersten und zweiten Rotorkern 4 und 5 fließt, und die Größe des Magnetflusses, welcher axial durch die Drehwelle 2 und das Gehäuse 13 fließt, groß.
Wenn sich der Rotor 3A dann umdreht, und die vorragenden Pole 4b an Positionen sind, welche den Öffnungen von den Schlitzen 9c gegenüberliegen, tritt der Magnetfluss von Umfangs-Endabschnitten von den inneren Umfangsenden von den Zähnen 9b aus in die vorragenden Pole 4b ein, und steigt der Magnetwiderstand zwischen dem Stator 7 und dem Rotor 3A signifikant an. Somit nimmt die Größe des Magnetflusses, welche die Feldspule erzeugt, rapide ab, und werden, wie durch die schwachen Pfeile in 5(b) angezeigt, die Größe des Magnetflusses, welcher radial durch den ersten und zweiten Statorkern 9 und 10 und den ersten und zweiten Rotorkern 4 und 5 fließt, und die Größe des Magnetflusses, welche axial durch die Rotorwelle 2 und das Gehäuse 13 fließt, reduziert.
Wenn sich der Rotor 3A weiter umdreht, und die vorragenden Pole 4b an Positionen sind, welche den Zähnen 9b gegenüberliegen, wird der Magnetwiderstand zwischen dem Stator 7 und dem Rotor 3A reduziert. Wie durch die dicken Pfeile in 5(c) angezeigt, werden somit die Größe des Magnetflusses, welcher radial durch den ersten und zweiten Statorkern 9 und 10 und den ersten und zweiten Rotorkern 4 und 5 fließt, und die Größe des Magnetflusses, welcher axial durch die Drehwelle 2 und das Gehäuse 13 fließt, erhöht.
In der Drehmaschine 100 des Vergleichsbeispiels schwanken daher ein Magnetflussanteil, welcher radial durch den ersten und zweiten Statorkern 9 und 10 und den ersten und zweiten Rotorkern 4 und 5 fließt, und ein Magnetflussanteil, welcher axial durch die Drehwelle 2 und das Gehäuse 13 fließt, signifikant.
Da der erste und zweite Statorkern 9 und 10 durch laminierte Körper von magnetischen Stahlplatten gebildet sind, wird mm das Auftreten von Wirbelströmen aufgrund der Schwankungen des Magnetflussanteils, welcher radial durch den ersten und zweiten Statorkern 9 und 10 fließt, unterdrückt, und trägt nicht zu einem wesentlichen Kernverlustproblem bei. Ähnlich trägen die Schwankungen des Magnetflussanteils, welcher radial durch den ersten und zweiten Rotorkern 4 und 5 fließt, ebenso nicht zu einem wesentlichen Kernverlustproblem bei.
Jedoch werden Wirbelströme in der Laminierungsebene von den laminierten Körpern der magnetischen Stahlplatten durch die Zunahme und Abnahme (Schwankung) des Magnetflussanteils, welcher axial durch die Drehwelle 2 und das Gehäuse 13 fließt, erzeugt, und tragen zu einem wesentlichen Kernverlust bei. Sogar wenn Staubkerne, bei welchen ein Eisenstaub, welcher beschichtet ist, in einem Kunstharzdruck gegossen ist, anstelle der laminierten Körper der magnetischen Stahlplatten verwendet werden, treten Wirbelstromverluste, resultierend aus den Magnetflussschwankungen, und Kernverluste, wie beispielsweise ein Hysterese-Verlust, usw., aufgrund einer elektrischen Leitfähigkeit auf.
In der Drehmaschine 1 gemäß Ausführungsform 1 ist die Breite βr des vorragenden Pols des Rotors 3 derart ausgebildet, dass sie größer als die Breite θs der Schlitzöffnung des Stators 7 ist, wie in 4 gezeigt.
Somit schreiten die vorragenden Pole 4b, sobald sich der Rotor 3 umdreht, von einem Zustand, welcher den Zähnen 9b gegenüberliegt, wie in 4(a) gezeigt, über einen Zustand, welcher zwei angrenzenden Zähnen gegenüberliegt, wie in 4(b) gezeigt, zu einem Zustand fort, welcher den nächsten Zähnen 9b gegenüberliegt, wie in 4(c) gezeigt.
Da die vorragenden Pole 4b stets in einem Zustand sind, welcher den Zähnen 9b gegenüberliegt, sogar wenn sich der Rotor 3 umdreht, kann daher der Magnetwiderstand zwischen dem Rotor 3 und dem Stator 7 niedrig beibehalten werden, und können Schwankungen in der Größe des Magnetflusses auf ein Minimum beibehalten werden.
Daraus folgend werden gemäß Ausführungsform 1 die Schwankungen in der Größe des Magnetflusses, welcher axial fließt, welche einen Faktor bei Wirbelströmen bilden, reduziert, wodurch das Auftreten von Wirbelströmen unterdrückt wird und die Erzielung einer hochwirksamen Drehmaschine ermöglicht wird.
Eine Wärme, welche im Rotor 3 erzeugt wird, kann über die Drehwelle 2 an die Lager überführt werden, welches zur thermischen Schwächung eines Schmieröls und Schmiermittels in den Lager führt und die Lebensdauer des Lagers verkürzt. Bei einem Betrieb einer Umdrehung bei sehr hoher Geschwindigkeit, welche bei hohen Frequenzen ist, wird Wärme, welche in dem Rotor 3 erzeugt wird, ausgeprägter. Gemäß Ausführungsform 1 wird jedoch das Auftreten von Wirbelströmen unterdrückt, wodurch Wärme reduziert wird, welche im Rotor 3 erzeugt wird.
Wenn die vorliegende Drehmaschine 1 in Motoren verwendet wird, wie beispielsweise elektrisch unterstützte Turbolader, usw., welche sehr hohe Umdrehungsgeschwindigkeiten erfordern, gibt es somit keine Probleme hinsichtlich einer axialen Resonanz während der sehr hohen Umdrehungsgeschwindigkeit, und kann die Erhöhung der Lebensdauer von den Lager erzielt werden.
Als Nächstes werden Beschränkungen der Breite βr des vorragenden Pols am Rotor mit Bezug auf 6 und 7 erläutert. 6 ist ein Schaubild, welches einen Aufbau eines Rotors zeigt, in welchem die Breite βr des vorragenden Pols 100 Grad beträgt, 6(a) ist eine vordere Draufsicht davon, und 6(b) ist ein Schaubild, bei welchem ein Rotor umfangsseitig erweitert ist. 7 ist ein Schaubild, welches einen Aufbau eines Rotors erläutert, bei welchem die Breite eines vorragenden Pols βr 60 Grad beträgt, 7(a) ist eine vordere Draufsicht davon, und 7(b) ist ein Schaubild, bei welchem ein Rotor umfangsseitig erweitert ist. Darüber hinaus ist in 6(a) und 7(b) eine Trennwand 6 ausgelassen.
Die Anzahl von vorragenden Polen Nr eines Rotors 3B, welcher in 6 gezeigt ist, beträgt 2, und die Breite βr des vorragenden Pols beträgt 100 Grad. Wie durch den überlappenden Abschnitt δ in 6(a) und 6(b) angezeigt, überlappen sich ein Abschnitt der vorragenden Pole 4b (N-Pole) des ersten Rotorkerns 4 und ein Abschnitt der vorragenden Pole 5b (S-Pole) des zweiten Rotorkerns 5 in einer axialen Richtung. Wenn dieser überlappende Abschnitt δ axial integriert wird, wird ein Leckfluss 40 erzeugt, welcher unwirksame axiale Anteile hat, welche nicht als wirksame Magnetpole wirken, und nicht zum Drehmoment beitragen. Dieser Leckfluss 40 trägt nicht nur nicht zum Drehmoment bei, sondern er sättigt magnetisch jeden der Magnetpfade von der Drehmaschine, wodurch der wirksame Magnetfluss reduziert wird, der zum Drehmoment beiträgt, wodurch die Ausgabe verringert wird. Da sich die Größe dieses unwirksamen Leckflusses 40 in Abhängigkeit von der Position des Rotors 3B ändert, wird dieser ein Faktor hinsichtlich des Kernverlustes, und ist als Problem anzusehen.
Dieser Mechanismus, welcher Verlust erzeugt, wird nun erläutert.
Wenn der überlappende Abschnitt δ in eine Position gelangt, welche einen Zahn 9b des ersten Statorkerns 9 gegenüberliegt, fließt ein axialer Leckfluss 40 über einen Weg, welcher sich vom Zahn 9b des ersten Statorkerns 9 über einen vorragenden Pol 4b des ersten Rotorkerns 4 und einen vorragenden Pol 5b des zweiten Rotorkerns 5 zu einem Zahn 10b des zweiten Statorkerns 10 erstreckt. Da der Magnetwiderstand dieses Weges klein ist, ist die Größe des Magnetflusses in diesem Leckfluss 40 groß, und sind ebenfalls die Anteile dieses Magnetflusses hauptsächlich axiale Anteile. Wenn der überlappende Abschnitt δ dann in eine Position gelangt, welche einen Schlitz 9c des ersten Statorkerns 9 gegenüberliegt, ist die Größe des Magnetflusses in diesem Leckfluss 40 gering, weil der Magnetwiderstand zwischen dem vorragenden Pol 4b und dem Zahm 9b zunimmt, und sind die Anteile von diesem Magnetfluss hauptsächlich umfangsseitige Anteile und radiale Anteile. Daraus folgend schwankt die Größe der Magnetflussgröße des Leckflusses 40 als ein dreidimensionaler Vektor mit Änderung der Rotorposition.
Daraus folgend ist die Schwankung von Axial-Magnetfluss-Anteilen ein besonderes Problem. Der Grund dafür liegt darin, dass unter den laminierten Körperabschnitten des Rotors und des Stators diese Schwankungen im Leckfluss 40 insbesondere in der Nähe von Luftspalten auftreten, und da die Wirbelströme, welche resultierend aus der Zunahme und der Abnahme der Axial-Magnetfluss-Anteile auftreten, in der Ebene der laminierten Kerne fließen, können Wirkungen aufgrund des Rotors und des Stators, welche durch laminierte Körper gebildet werden, nicht erzielt werden. Bei Magnetspulen-Drehmaschinen mit konzentrierten Wicklungen, wie beispielsweise bei der vorliegenden Drehmaschine, ist, da der Magnetfluss, welcher in dem überlappenden Abschnitt δ erzeugt wird, ein Abschnitt des Haupt-Magnetflusses ist, die Größe des Magnetflusses groß und schwankt mit hohen Frequenzen. Daraus folgend bilden Schwankungen in Axial-Magnetfluss-Anteilen einen wesentlichen Kernverlust.
Die Anzahl von vorragenden Polen Nr eines Rotors 3, welcher in 7 gezeigt ist, betragt Zwei, und die Breite βr des vorragenden Pols beträgt 60 Grad. Wie anhand von 7(a) und 7(b) zu erkennen, ist der axial überlappende Abschnitt δ zwischen den vorragenden Polen 4b (N-Pole) des ersten Rotorkerns 4 und den vorragenden Polen 5b (S-Pole) des zweiten Rotorkerns 5 bei diesem Rotoraufbau beseitigt. Da der axial überlappende Abschnitt δ zwischen den vorragenden Polen 4b des ersten Rotorkerns 4 und den vorragenden Polen 5b des zweiten Rotorkerns 5 bei diesem Rotor 3 nicht ausgebildet ist, tritt daher der oben beschriebene Leckfluss 40 nicht auf, wodurch die Reduktion des Kernverlustes ermöglicht wird.
Anhand des Vorhergesagten ist es, wenn eine Magnetspulen-Drehmaschine, welche eine Statorspule mit konzentrierter Wicklung enthält, bei sehr hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten betrieben wird, bevorzugt, dass der Rotor derart aufgebaut wird, dass er erfüllt: 180/Nr > βr > θs. Hier entspricht die Anzahl der vorragenden Pole des Rotors Nr einem Wert, welcher gleich der Hälfte der Anzahl von Rotorpolen im Rotor (Gesamtanzahl der vorragenden Pole) ist. Mit anderen Worten beträgt die Anzahl der vorragenden Pole des Rotors Nr gleich der Anzahl der vorragenden Pole im ersten Rotorkern 4 (oder im zweiten Rotorkern 5).
Darüber hinaus wurde in der obigen Ausführungsform 1 eine Drehmaschine erläutert, bei welcher die Anzahl von vorragenden Polen des Rotors gleich 2 beträgt (die Anzahl von Rotorpolen beträgt 4), und die Anzahl von Statorschlitzen gleich 6 beträgt, jedoch sind die Anzahl der vorragenden Pole des Rotors und die Anzahl der Statorschlitze nicht auf diese Angaben beschränkt.
Beispielsweise kann in einer Drehmaschine, welche eine 3-Phasen-Statorspule mit konzentrierten Wicklungen enthält, eine Anzahl von Schlitzen ausgewählt werden, welche das Mehrfache von drei Schlitzen beträgt. Wenn jedoch der größte gemeinsame Teiler zwischen der Anzahl von vorragenden Polen des Rotors und der Anzahl von Statorschlitzen gleich 1 beträgt, wird die radiale Magnetanziehung erhöht, wodurch Vibrationsrauschen erzeugt wird. Wenn die Anzahl der vorragenden Pole des Rotors und die Anzahl der Statorschlitze identisch sind, wird dann kein 3-Phasen-Motor ausgebildet. Je geringer die Anzahl von Statorschlitzen ist, desto mehr kann die Anzahl von Spulen in der Statorspule reduziert werden, wodurch eine hohe Massenproduktivität ermöglicht wird und Kosten, welche für den Stator zu erwarten sind, reduziert werden. Anhand des Obigen ist es realistisch, wenn die Anzahl von Statorschlitzen zwischen 6, 9 oder 12 ausgewählt wird. Wenn augenscheinlich die Anzahl von 1 Anlass für gravimetrische Ungleichgewichte gibt, und ausgeschlossen wird, sind die Anzahlen 2 oder 4, 3 oder 6, oder 4 oder 8, usw., als Anzahl von vorragenden Polen des Rotors, welches hiermit entspricht, vorstellbar.
Daraus folgend ist es für die Drehmaschine vorteilhaft, wenn sie derart entworfen ist, dass sie erfüllt: Ns = 3 × (N + 1); Nr = M × (N + 1); und 180/Nr > βr > θs wobei Ns die Anzahl von Stator-Zähnen ist, Nr die Anzahl von vorragenden Polen des Rotors ist; βr die Breite des vorragenden Pols des Rotors ist und θs die Breite der Schlitzöffnung des Stators ist. Hier gilt: N = 1 oder 2 und N = 1, 2 oder 3.
Darüber hinaus ist in der obigen Ausführungsform 1 ein Gehäuse 13 unter Verwendung eines festen Magnetkörpers vorbereitet, und wird als ein Axial-Magnetpfad-Ausbildungselement verwendet, jedoch kann ein Axial-Magnetpfad-Ausbildungselement ebenso aufgebaut werden, indem ein Element angeordnet wird, welches zylindrisch ist, oder welches einen kreisförmigen, bogenförmigen Querschnitt hat, welcher unter Verwendung eines festen Magnetkörpers aus Eisen, usw., vorbereitet ist, um somit äußere Umfangsoberflächen von den Kern-Rückseiten 9a und 10a miteinander zu überspannen und zu verbinden. In diesem Fall ist es nicht notwendig, das Gehäuse unter Verwendung eines Magnetkörpers vorzubereiten, und es kann unter Verwendung eines Metalls, wie beispielsweise eine rostfreie Legierung, usw., oder eines Kunstharzes vorbereitet werden.
Ausführungsform 2
8 ist eine perspektivische Teilschnittansicht, welche eine Drehmaschine gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt. Darüber hinaus ist in 8 eine Statorspule ausgelassen.
In 8 enthält erster erster Statorkern 9A: eine zylindrische Kern-Rückseite 9a; und sechs Zähne 9b, welche derart angeordnet sind, dass sie von einer inneren Umfangsoberfläche von der Kern-Rückseite 9a umfangsseitig bei einem gleichförmigen Winkelabstand radial nach innen vorragen. Es sind Flanschabschnitte 9b derart angeordnet, dass sie sich von inneren Umfangs-Endabschnitten von den Zähnen 9b in zwei Umfangsrichtungen erstrecken, um somit Öffnungsbreiten von den Schlitzen 9c zu reduzieren. Ein zweiter Statorkern 10A ist zu einer identischen Form zum ersten Statorkern 9A vorbereitet, und Flanschabschnitte 10d sind derart angeordnet, dass sie sich von inneren Umfangs-Endabschnitten von Zähnen 10B in zwei Umfangsrichtungen erstrecken, um somit Öffnungsbreiten von Schlitzen 10c zu reduzieren.
Darüber hinaus ist der restliche Aufbau auf eine ähnliche Art und Weise zur obigen Ausführungsform 1 aufgebaut.
Bei einer Drehmaschine 1A, welche auf diese Art und Weise aufgebaut ist, beträgt die Anzahl von Zähnen Ns im Stator 7A gleich 6, beträgt die Anzahl von vorragenden Polen Nr im Rotor 3 gleich 2, und wird 180/Nr > βr > θ erfüllt, und zwar auf eine ähnliche Art und Weise zu der Drehmaschine 1 gemäß der obigen Ausführungsform 1.
Daraus folgend können ähnliche Wirkungen zu jenen der obigen Ausführungsform 1 ebenso in Ausführungsform 2 erzielt werden.
Da die Flanschabschnitte 9d und 10d in Ausführungsform 2 derart angeordnet sind, dass sie sich von den inneren Umfangs-Endabschnitten von den Zähnen 9b und 10b in zwei Umfangsrichtungen erstrecken, wird der Entwurf eines Stators, welcher βr > θs erfüllt, sogar in jenem Fall erleichtert, bei welchem die Breite βr des vorragenden Pols nicht erhöht werden kann.
Ausführungsform 3
9 ist eine perspektivische Teilschnittansicht, welche eine Drehmaschine gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt. Darüber hinaus ist in 9 eine Statorspule ausgelassen.
In 9 ist ein erster Permanentmagnet 41, welcher als ein Magnetfeldelement dient, im Zustand eines engen Kontaktes zwischen einer Kern-Rückseite 9a eines ersten Statorkerns 9A und einer äußeren Umfangsoberfläche von einem Gehäuse 13 zwischengesetzt, und ist magnetisch derart ausgerichtet, dass eine Magnetisierungsrichtung 43 radial nach innen gerichtet ist. Ein zweiter Permanentmagnet 42, welcher als ein Magnetfeldelement dient, ist in einem Zustand in engen Kontakt zwischen einer Kern-Rückseite 10a eines zweiten Statorkerns 10A und einer äußeren Umfangsoberfläche eines Gehäuses 13 zwischengesetzt, und ist magnetisch derart ausgerichtet, dass eine Magnetisierungsrichtung 43 radial nach außen gerichtet ist.
Darüber hinaus ist der restliche Aufbau auf eine ähnliche Art und Weise zur obigen Ausführungsform 2 aufgebaut.
Eine Drehmaschine 1B, welche auf diese Art und Weise aufgebaut ist, arbeitet auf eine ähnliche Art und Weise zu jener der Drehmaschine 1 der obigen Ausführungsform 1 unter Verwendung eines ersten und eines zweiten Permanentmagneten 41 und 42 anstelle der Feldspule 12.
Daraus folgend können ähnliche Wirkungen zu jenen in Ausführungsform 1 ebenso in Ausführungsform 3 erzielt werden.
Hier können gesinterte Seltenerden-Magnete, wie beispielsweise Neodym-Eisen-Bor-Magnete, Samarium-Kobold-Magnete, usw., welche eine hohe Magnetflussdichte haben, beispielsweise als erster und zweiter Permanentmagnet 41 und 42 verwendet werden. Wenn Seltenerden-Magnete als erster und zweiter Permanentmagnet 41 und 42 verwendet werden, werden, da die Magnete selber eine elektrische Leitfähigkeit haben, Wirbelströme innerhalb der Magnete erzeugt, und zwar aufgrund eines magnetischen Widerstandes zwischen dem Rotor 3 und dem Stator 7A, welche aufgrund von Änderungen in der relativen Positionierung zwischen den vorragenden Polen des Rotors 3 und den Zähnen des Stators 7A schwanken, mit anderen Worten, aufgrund der Größe des magnetischen Magnetflusses, welcher aufgrund der Betriebspunkte von dem ersten und zweiten Permanentmagneten 41 und 42 schwanken, welche selber die Magnete ändern und in sie eindringen. Wenn die Temperatur der Magnetabschnitte aufgrund eines Verlustes ansteigt, fuhren Probleme hinsichtlich einer thermischen Entmagnetisierung zu Bedenken. In dieser Hinsicht ist es, wenn Permanentmagnete für das Magnetfeldelement verwendet werden, hinsichtlich des Entwurfes bevorzugt, dass ein 180/Nr > βr > θs erfüllt wird, und zwar nicht im Hinblick auf den Verlust, sondern ebenso, um die magnetische Zuverlässigkeit sicherzustellen.
Darüber hinaus sind in der obigen Ausführungsform drei Permanentmagnete radial außerhalb sowohl der Kern-Rückseiten des ersten und zweiten Statorkerns angeordnet, jedoch muss ein Permanentmagnet lediglich radial außerhalb einer Kern-Rückseite von zumindest einem aus dem ersten und zweiten Statorkern angeordnet werden.
In den obigen Ausführungsformen 1 bis 3 wurde ein Statorkern derart erläutert, dass er aus einem Paar von einem ersten und zweiten Statorkern gebildet ist, jedoch kann ein Statorkern ebenso derart aufgebaut sein, dass mehrere Paare aus einem ersten und zweiten Statorkern koaxial in einer Axialrichtung derart angeordnet sind, dass Umfangspositionen von den Zähnen zueinander ausgerichtet sind. In diesem Fall wird ein Rotor ebenso derart aufgebaut, dass mehrere Paare aus einem ersten und zweiten Rotorkern koaxial derart angeordnet sind, dass Umfangspositionen von vorragenden Polen in den ersten Rotorkernen zueinander ausgerichtet sind, und dass Umfangspositionen von vorragenden Polen in den zweiten Rotorkernen zueinander ausgerichtet sind.
Ausführungsform 4
10 ist ein Schaubild eines Systems, welches einen Automobil-Turbolader gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung hat.
In 10 enthält das vorliegende System: einen Generatormotor 25, welcher durch ein Drehmoment von einer Maschine 21 angetrieben wird; und einen elektrisch unterstützten Turbolader 30, welcher als ein Automobil-Turbolader dient, welcher mit einem Abgassystem von der Maschine 21 verbunden ist.
Eine Scheibe 26 des Generatormotors 25 ist mittels eines Riemens 24 mit einer Scheibe 23 verbunden, welche mit einer Kurbelwelle 22 von der Maschine 21 verbunden ist. Der Generatormotor 25 wandelt eine Antriebskraft, welche mittels des Riemens 24 von der Maschine 21 überführt wird, in eine Wechselstromleistung um. Diese Wechselstromleistung wird über einen Inverter 27, welcher einstückig am Generatormotor 25 an einem gegenüberliegenden Ende von der Scheibe 26 befestigt ist, in eine Gleichstromleistung umgewandelt, welche eine Batterie 29 auflädt, und ebenso einer Bordnetzlast (nicht gezeigt) zugeführt wird.
Der elektrisch unterstützte Turbolader 30 enthält: eine Turbine 31, welche in einem Abgassystem 36 von der Maschine 21 angeordnet ist; einen Kompressor 33, welcher an einer Drehwelle 32 von der Turbine 31 befestigt ist, und welcher in einem Zufuhrsystem 35 von der Maschine 21 angeordnet ist; und eine Hochgeschwindigkeits-Drehmaschine 34, welche koaxial an der Drehwelle 32 befestigt ist. Die Hochgeschwindigkeits-Drehmaschine 34 enthält eine Erzeugungsfunktion und eine Elektromotorfunktion, und ist elektrisch mittels einer Hochstromverdrahtung 28 mit dem Inverter 27 des Generatormotors 25 verbunden.
Es wird ein Betrieb des elektrisch unterstützen Turboladers 30 erläutert, welcher auf diese Art und Weise aufgebaut ist.
Zunächst wird in einem normalen Zustand ein Ansauggas A mittels des Zufuhrsystems 35 dem Motor 21 zugeführt, und wird innerhalb des Motors 21 verbrannt. Nach der Verbrennung wird ein Abgas B extern mittels des Abgassystems 36 ausgestoßen. Die Turbine 31 wird durch das Abgas B, welches durch das Abgassystem 36 fließt, angetrieben. Der Kompressor 33, welcher an der Drehwelle 32 von der Turbine 31 befestigt ist, wird hierdurch zur Umdrehung angetrieben, wodurch das Ansauggas A auf mehr oder gleich einem atmosphärischen Druck aufgeladen wird.
Wenn der Fahrer des Fahrzeugs versucht, mittels Bedienung eines Gaspedals zu beschleunigen, wird die Reaktion des Kompressors 33 verzögert, weil es nicht möglich sein wird, für ungefähr ein oder zwei Sekunden der Turbine 31 ausreichend Leistung bereitzustellen, bis die Maschine 21 auf eine höhere oder gleiche vorbestimmte Umdrehungsgeschwindigkeit ist und das Abgas B ausreichend Fluidleistung erlangt, woraus ein Phänomen herrührt, welches als „Turboloch” bekannt ist. Hier wird die Gleichstromleistung von der Batterie 29 durch den Inverter 27 auf eine Wechselstromleistung umgewandelt und mittels der Hochstromverdrahtung 28 der Hochgeschwindigkeits-Drehmaschine 34 zugeführt, um die Hochgeschwindigkeits-Drehmaschine 34 anzutreiben. Bei der geringen Geschwindigkeit, bei welcher das Turboloch auftritt, wird die Drehwelle 32 somit einer Antriebskraft unterworfen, sogar wenn nicht ausreichend Fluidleistung aus dem Abgas B erzielt werden kann, wodurch es ermöglicht wird, dass der Kompressor 33 prompt angetrieben wird und das Auftreten des Turbolochs unterdrückt wird.
Während einer Hochgeschwindigkeitsbewegung oder einer Hochlastbewegung eines Fahrzeugs hat das Abgas B eine Fluidenergie, welche größer oder gleich jener Leistung ist, welche für den elektrisch unterstützten Turbolader 30 zur Aufladung erforderlich ist. In diesem Fall kann die elektrische Leistung der Batterie 29 und der Bordnetzlast zugeführt werden, indem die Hochgeschwindigkeits-Drehmaschine 34 als ein Generator betrieben wird und der Inverter 27 in einem Regenerationsmodus betrieben wird.
Bei einem elektrisch unterstützten Turbolader 30 kann die Leistung des Turboladers wesentlich erhöht werden, indem eine Drehmaschine 34 mit sehr hoher Geschwindigkeit auf diese Art und Weise hinzugefügt wird. Wenn jedoch eine herkömmliche Permanentmagnet-Synchron-Drehmaschine in der Drehmaschine 34 mit sehr hoher Geschwindigkeit verwendet wird, treten Probleme beim Halten der Magnete, welche als ein Magnetfeldelement dienen, auf. Wenn eine herkömmliche Magnetspulen-Drehmaschine, welche eine Statorspule mit verteilter Wicklung enthält, bei dieser Drehmaschine 34 mit sehr hoher Geschwindigkeit verwendet wird, werden, um diese Probleme hinsichtlich des Haltens des Magneten zu vermeiden, axiale Längen von den Spulenenden von der Statorspule erhöht, wodurch die Distanz zwischen den Lagern erhöht wird, welche die Drehwelle drehbar lagern, und Probleme hinsichtlich einer axialen Resonanz erzeugt werden.
Wenn eine herkömmliche Magnetspulen-Drehmaschine, welche eine Statorspule mit konzentrierter Wicklung enthält, in der Drehmaschine 34 mit sehr hoher Geschwindigkeit verwendet wird, treten, um diese Probleme der axialen Resonanz zu vermeiden, Kernverluste aufgrund von Schwankungen in der Größe des axialen Magnetflusses auf, und erzeugen jeweilige Abschnitte von der Drehmaschine 34 mit sehr hoher Geschwindigkeit Wärme. Bei einem Betrieb in einer Umgebung mit hoher Temperatur, wie dies bei einem elektrisch unterstützten Turbolader 30 der Fall ist, erzeugt die Drehmaschine 34 mit sehr hoher Geschwindigkeit selber eine Wärme zusätzlich zu der hohen Umgebungswärme, wodurch die Temperatur von der Drehmaschine 34 mit sehr hoher Geschwindigkeit weiter erhöht wird. Die Wärme von der Drehmaschine 34 mit sehr hoher Geschwindigkeit wird über die Drehwelle 32 an die Lager überführt, wodurch eine thermische Herabsetzung von Schmieröl und Schmierfett in den Lager hervorgerufen wird, und dieses zu einer Verkürzung der Lebensdauer führt. Die Verwendung einer herkömmlichen Magnetspulen-Drehmaschine, welche eine Statorspule mit konzentrierter Wicklung enthält, in der Drehmaschine 34 mit sehr hoher Geschwindigkeit kann nicht ohne die Anordnung eines großen Kühlmechanismus erzielt werden, und ist unpraktisch.
Da die vorliegende Drehmaschine 1 eine Statorspule mit konzentrierter Wicklung enthält, kann der Abstand zwischen den Lager verkürzt werden, wodurch die axiale Steifigkeit erhöht wird, und wodurch es ermöglicht wird, dass Probleme hinsichtlich einer axialen Resonanz während des Betriebes bei der Umdrehung bei sehr hoher Geschwindigkeit vermieden werden. Da die vorliegende Drehmaschine 1 die Schwankungen in der Größe des axialen Magnetflusses größtenteils reduzieren kann, wird der Kernverlust reduziert, wodurch es ermöglicht wird, dass Wärme, welche in der Drehmaschine 1 erzeugt wird, selber unterdrückt wird. Daraus folgend können Probleme hinsichtlich der axialen Resonanz beseitigt werden, indem die vorliegende Drehmaschine 1 in der Drehmaschine 34 mit sehr hoher Geschwindigkeit verwendet wird, und ist es nicht notwendig, einen großen Kühlmechanismus anzuordnen, wodurch eine hohe Leistung ermöglicht wird, wodurch ein elektrisch unterstützter Turbolader 30 kostengünstig erzielt wird.
In der obigen Ausführungsform 4 wurde die vorliegende Drehmaschine darüber hinaus in einer Verwendung in einer Drehmaschine mit sehr hoher Geschwindigkeit eines elektrisch unterstützten Turboladers, welcher als ein Fluidüberführungsgerät wirkt, erläutert, jedoch ist die vorliegende Drehmaschine nicht auf elektrisch unterstützte Turbolader beschränkt und kann bei Motoren von Fluidüberführungsgeräten angewendet werden, welche bei einer sehr hohen Umdrehungsgeschwindigkeit betrieben werden können, wie beispielsweise Staubsauger oder Handtrockner (Trockner), usw., welche beispielsweise einen Zentrifugallüfter bei hoher Umdrehungsgeschwindigkeit umdrehen.
In jeder der obigen Ausführungsformen sind Statorkernzähne umfangsseitig bei einem gleichförmigen Winkelabstand angeordnet, und ist ein Reihenabstand von umfangsseitigen Mitten von Schlitzöffnungen bei einem gleichförmigen Winkelabstand. Es ist jedoch nicht unbedingt notwendig, dass der Winkelabstand von den umfangsseitigen Mitten von den Schlitzöffnungen bei einem gleichförmigen Winkelabstand ist, und er kann ebenfalls ein nicht-gleichförmiger Abstand sein. In diesem Fall kann der Reihenabstand von den umfangsseitigen Mittenpunkten von den Schlitzöffnungen zu einem nicht-gleichförmigen Abstand erstellt werden, indem beispielsweise der Reihenabstand von den Zähnen geändert wird, oder die umfangsseitigen Breiten von den Zähnen geändert werden, usw. Es können ebenfalls Flanschabschnitte, welche umfangsseitig von Spitzen von den Zähnen vorragen, angeordnet werden, und der Reihenabstand von den umfangsseitigen Mittenpunkten von den Schlitzöffnungen kann zu einem nicht-gleichförmigen Abstand erstellt werden, indem die Längen von einem umfangsseitigen Vorsprung von den Flanschabschnitten geändert werden.
In jeder der obigen Ausführungsformen sind alle Breiten der Schlitzöffnung derart erläutert, dass sie gleichförmig ausgebildet sind, es ist jedoch nicht unbedingt notwendig, dass alle Breiten der Schlitzöffnung gleichförmig bereitgestellt werden, vorausgesetzt, dass jede der Breiten der Schlitzöffnung derart ausgebildet ist, dass sie geringer als eine Breite eines vorragenden Pols von dem ersten und zweiten Rotorkern ist.

Claims

Magnetspulen-Drehmaschine, welche enthält: einen Stator (7, 7A), welcher enthält: einen Statorkern (8), welcher derart aufgebaut ist, dass ein erster Statorkern (9, 9A) und ein zweiter Statorkern (10, 10A), welche zu identischen Formen vorbereitet sind, bei welchen eine Mehrzahl von Zähnen (9b, 10b), welche durch Schlitze (9c, 10c) unterteilt sind, welche an einer inneren Umfangsseite Öffnungen haben, derart angeordnet sind, dass sie umfangsseitig derart ausgerichtet sind, so dass sie von einer inneren Umfangsoberfläche von einer zylindrischen Kern-Rückseite (9a, 10a) radial nach innen vorragen, koaxial derart angeordnet sind, dass sie axial bei einem vorbestimmten Abstand getrennt sind, und derart dass Umfangspositionen von den Zähnen ausgerichtet sind; und eine Statorspule (11), welche in einer konzentrierten Wicklung an dem Statorkern (8) befestigt ist; einen Rotor (3, 3B), bei welchem ein erster Rotorkern (4) und ein zweiter Rotorkern (5), welche zu identischen Formen vorbereitet sind, bei welchen vorragende Pole (4b, 5b) umfangsseitig bei einem gleichförmigen Winkelabstand angeordnet sind, koaxial an einer Drehwelle (2) befestigt sind, so dass sie jeweils an inneren Umfangsseiten von dem ersten Statorkern (9, 9A) und dem zweiten Statorkern (10, 10A) positioniert sind, so dass sie umfangsseitig bei einem Abstand von einem halben vorragenden Pol voneinander versetzt sind; ein Magnetfeldelement (12, 41, 42), welches an dem Stator (7, 7A) angeordnet ist, und welches einen Feldmagnetfluss erzeugt, so dass die vorragenden Pole (4b) von dem ersten Rotorkern (4) und die vorragenden Pole (5b) von dem zweiten Rotorkern (5) eine unterschiedliche Polarität haben; und ein Axial-Magnetpfad-Ausbildungselement (13), welches derart angeordnet ist, dass es sich axial derart erstreckt, dass es eine äußere Umfangsoberfläche von der Kern-Rückseite (9a) von dem ersten Statorkern (9, 9A) und eine äußere Umfangsoberfläche von der Kern-Rückseite (10a) von dem zweiten Statorkern (10, 10A) miteinander verbindet, wobei die Magnetspulen-Drehmaschine dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Magnetpfad ausgebildet ist, in welchem der Magnetfluss, welcher durch das Magnetfeldelement erzeugt ist, von dem ersten Statorkern (9, 9A) aus in die vorragenden Pole (4b) von dem ersten Rotorkern (4) eintritt, axial durch den ersten Rotorkern (4) und die Drehwelle (2) fließt, in den zweiten Rotorkern (5) eintritt, von den vorragenden Polen (5b) von dem zweiten Rotorkern (5) aus in den zweiten Statorkern (10, 10A) eintritt, axial durch das Axial-Magnetpfad-Ausbildungselement (13) fließt, und zu dem ersten Statorkern (9, 9A) zurückkehrt, und dass eine Breite eines vorragenden Pols βr von den vorragenden Polen (4b, 5b) von dem ersten Rotorkern (4) und dem zweiten Rotorkern (5) größer als eine Öffnungsbreite θs von den Schlitzen (9c, 10c) von dem Stator (7, 7A) ist.
Magnetspulen-Drehmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite βr des vorragenden Pols der vorragenden Pole (4b, 5b) von dem ersten Rotorkern (4) und dem zweiten Rotorkern (5) dazu ausgelegt ist, dass sie kleiner als (180/Nr) Grad ist, wobei Nr die Anzahl von vorragenden Polen (4b, 5b) in sowohl dem ersten Rotorkern (4) als auch dem zweiten Rotorkern (5) ist.
Magnetspulen-Drehmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeldelement ein Permanentmagnet (41, 42) ist, welcher zwischen einer Kern-Rückseite (9a, 10a) von zumindest einem aus dem ersten Statorkern (9, 9A) und dem zweiten Statorkern (10, 10A), und dem Axial-Magnetpfad-Ausbildungselement (13) angeordnet ist.
Magnetspulen-Drehmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeldelement eine zylindrische Spule (12) ist, welche zwischen den Kern-Rückseiten (9a, 10a) von dem ersten Statorkern (9, 9A) und dem zweiten Statorkern (10, 10A) zwischengesetzt ist.
Magnetspulen-Drehmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Statorkern (9, 9A), der zweite Statorkern (10, 10A), der erste Rotorkern (4) und der zweite Rotorkern (5) durch Laminieren von magnetischen Stahlplatten vorbereitet sind, und dass die Drehwelle (2) und das Axial-Magnetpfad-Ausbildungselement (13) unter Verwendung von festen Magnetkörpern vorbereitet sind.
Magnetspulen-Drehmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie derart aufgebaut ist, dass die Anzahl von Zähnen Ns von sowohl dem ersten Statorkern (9, 9A) als auch dem zweiten Statorkern (10, 10A) die Formel Ns = 3 × (N + 1) erfüllt, und die Anzahl von vorragenden Polen Nr in sowohl dem ersten Rotorkern (4) als auch dem zweiten Rotorkern (5) die Formel Nr = M × (N + 1) erfüllt, wobei M = 1 oder 2 und N = 1, 2 oder 3 gilt.
Fluidüberführungsgerät, bei welchem eine Magnetspulen-Drehmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als ein Motor verwendet ist.