DE112012004128T5

DE112012004128T5 - Rotierende elektrische Arbeitsmaschine vom Permanentmagnettyp und Fahrzeug, das die elektrische Arbeitsmaschine verwendet

Info

Publication number: DE112012004128T5
Application number: DE112012004128.3T
Authority: DE
Inventors: Tomoaki KAIMORI; Manabu Oshida; Yasuyuki Saito; Taisuke Ikeda
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2011-10-04
Filing date: 2012-10-03
Publication date: 2014-06-26
Also published as: US20140217859A1; JP2013081302A; JP5730736B2; CN103858318B; CN103858318A; WO2013051617A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine rotierende elektrische Arbeitsmaschine vom Permanentmagnettyp. Ein Rotorkern enthält für jeden Magnetpol mehrere Magneteinführungslöcher, von denen jedes einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist. An beiden Enden in einer Umfangsrichtung des Magneteinführungslochs ist ein nichtmagnetischer Abschnitt gebildet. Zwischen den angrenzenden Magneteinführungslöchern ist ein Brückenabschnitt vorgesehen, um einen Rotorkernabschnitt auf der Außenseite des Magneteinführungslochs und einen Rotorkernabschnitt auf seiner Innenseite mechanisch zu verbinden. In einer Ecke zwischen einer Oberfläche des Magneteinführungslochs auf der Seite des Brückenabschnitts und seiner Oberfläche auf der Außenseite des Rotors sowie in einer Ecke zwischen der Oberfläche des Magneteinführungslochs auf der Seite des Brückenabschnitts und seiner Oberfläche auf der Innenseite des Rotors sind Zwischenraumabschnitte vorgesehen, die für eine Ecke des in das Magneteinführungsloch eingeführten Permanentmagneten sind und die in der Umfangsrichtung und in einer radialen Richtung des Rotors vorstehen. Der Zwischenraumabschnitt für die Oberfläche des Magneteinführungslochs auf der Seite des Brückenabschnitts ist so gebildet, dass seine Größe in der Ecke des Permanentmagneten verringert ist. Die Zwischenraumabschnitte für die Oberfläche des Magneteinführungslochs auf der Außenseite des Rotors und für seine Oberfläche auf der Innenseite des Rotors jeweils so gebildet, dass ihre Größen an den Ecken des Permanentmagneten verringert sind.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine rotierende elektrische Arbeitsmaschine vom Permanentmagnettyp und auf ein Fahrzeug, das die rotierende elektrische Arbeitsmaschine vom Permanentmagnettyp verwendet.
Stand der Technik
Es wird gefordert, dass eine rotierende elektrische Arbeitsmaschine vom Permanentmagnettyp, die zum Antreiben eines Fahrzeugs mit Elektroantrieb wie etwa eines Hybridfahrzeugs (HV) und eines Elektrofahrzeugs (EV) verwendet wird, eine schnelle Rotation erzielt. Insbesondere wird gefordert, dass die rotierende elektrische Arbeitsmaschine vom Permanentmagnettyp in einem Bereich schneller Rotation eine hohe Leistung ausgeben kann. Aus diesem Grund wird als die herkömmliche rotierende elektrische Arbeitsmaschine vom Permanentmagnettyp umfassend eine rotierende elektrische Arbeitsmaschine vom Permanentmagnettyp vom eingebetteten Typ verwendet, die einen Zusatzschenkelpol aufweist, der zur Feldabschwächung während der schnellen Rotation und zur Nutzung des Reluktanzmoments fähig ist. Zum Beispiel beschreibt PTL 1 eine Struktur der rotierenden elektrischen Arbeitsmaschine vom Permanentmagnettyp, die eine hohe Leistung ausgeben kann und mechanisch mit hoher Drehzahl rotieren kann.
Es wird ein Rotor für die rotierende elektrische Arbeitsmaschine vom Permanentmagnettyp, der einer solchen schnellen Rotation standhalten kann, mit einem Magneteinführungsloch für jeden Magnetpol geschaffen, wobei das Magneteinführungsloch einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist und wobei darin ein langer Permanentmagnet mit einem rechteckigen Querschnitt eingeführt ist. Wenn der Permanentmagnet in das Magneteinführungsloch eingeführt ist und die rotierende elektrische Arbeitsmaschine angesteuert wird, um eine Rotation des Rotors zu veranlassen, wirkt insbesondere an einer Ecke des Magneteinführungslochs, die eine Ecke des Permanentmagneten berührt, durch eine Zentrifugalkraft eine hohe mechanische Spannung. Wenn die mechanische Spannung hoch ist, kann die mechanische Spannung zum Bruch des Magneten oder zum Bruch des Rotors führen.
PTL 2 beschreibt einen Rotor, der eine Vertiefung für einen Magneten aufweist, in die ein Permanentmagnet eingeführt ist und die an einer Ecke davon mit einer nach außen gebogenen Wölbung gebildet ist, so dass verhindert wird, dass eine Ecke des Permanentmagneten die Ecke der Vertiefung für den Magneten berührt.
PTL 3 beschreibt eine rotierende elektrische Arbeitsmaschine vom Magnettyp, die versehen ist mit: für jeden Magnetpol mehreren Magnetnuten, in jede von denen ein Permanentmagnet eingeführt ist; einem Kernteil mit kleiner Breite und einem Kernteil mit großer Breite in einem Rotorkernabschnitt zwischen den angrenzenden Magnetnuten in einem selben Magnetpol des Rotors; und einem Bogenabschnitt in der Weise, dass eine Breite des Kernabschnitts mit kleiner Breite kontinuierlich geändert wird.
Entgegenhaltungsliste
Patentliteratur

[PTL 1] JP-A-2006-187189
[PTL 2] JP-A-9-294344
[PTL 3] JP-A-2002-281700

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
In dem Rotor für die in PTL 1 und PTL 3 beschriebene rotierende elektrische Arbeitsmaschine vom Permanentmagnettyp ist zwischen zwei angrenzenden der mehreren Magneteinführungslöcher, die für jeden Magnetpol vorgesehen sind, ein Brückenabschnitt (der Kernabschnitt in der Magnetnut) vorgesehen. Die Ecke auf der Seite des Brückenabschnitts des Magneteinführungslochs ist nicht unter Beachtung der mechanischen Spannung in einer radialen Richtung und der mechanischen Spannung in einer Umfangsrichtung des Rotors sowie der magnetischen Sättigung in dem Brückenabschnitt ausgelegt worden. Somit kann die obenerwähnte rotierende elektrische Arbeitsmaschine vom Permanentmagnettyp die schnelle Rotation nicht ausreichend bewältigen.
Lösung des Problems
In Übereinstimmung mit einem ersten Aspekt der Erfindung weist die rotierende elektrische Arbeitsmaschine vom Permanentmagnettyp einen Stator und einen Rotor, der dem Stator entsprechend über einem Spalt angeordnet ist, auf. Der Rotor enthält: einen Rotorkern, der für jeden Magnetpol mehrere Magneteinführungslöcher enthält, von denen jedes einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist; und einen in jedes der Magneteinführungslöcher eingeführten Permanentmagneten. An beiden Enden in einer Umfangsrichtung jedes der mehreren Magneteinführungslöcher, die für jeden Magnetpol des Rotors vorgesehen sind, ist ein nichtmagnetischer Abschnitt gebildet. Zwischen den angrenzenden der mehreren Magneteinführungslöcher ist ein Brückenabschnitt vorgesehen, um einen Rotorkernabschnitt auf der Außenseite des Magneteinführungslochs mit einem Rotorkernabschnitt auf der Innenseite des Magneteinführungslochs mechanisch zu verbinden. In einer ersten Ecke, die eine Ecke zwischen einer Oberfläche des Magneteinführungslochs auf der Seite des Brückenabschnitts und einer Oberfläche des Magneteinführungslochs auf der Außenseite des Rotors ist, und in einer zweiten Ecke, die eine Ecke zwischen einer Oberfläche des Magneteinführungslochs auf der Seite des Brückenabschnitts und einer Oberfläche des Magneteinführungslochs auf der Innenseite des Rotors ist, sind Zwischenraumabschnitte vorgesehen, die jeweils in der Umfangsrichtung und in einer radialen Richtung des Rotors in der Weise vorstehen, dass eine Ecke des langen Permanentmagneten mit einem rechteckigen Querschnitt, der in das Magneteinführungsloch eingeführt ist, die Oberflächen des Magneteinführungslochs auf der Seite des Brückenabschnitts, auf der Außenseite des Rotors und auf der Innenseite des Rotors nicht berührt. Der Zwischenraumabschnitt für die Oberfläche des Magneteinführungslochs auf der Seite des Brückenabschnitts ist so gebildet, dass seine Größe an der Ecke des Permanentmagneten verringert ist, während die Zwischenraumabschnitte für die Oberfläche des Magneteinführungslochs auf der Außenseite des Rotors und für die Oberfläche des Magneteinführungslochs auf der Innenseite des Rotors, jeweils so gebildet sind, dass ihre Größe an der Ecke des Permanentmagneten verringert ist.
Wenn eine minimale Breite des Rotorkerns auf einer Außenumfangsseite des nichtmagnetischen Abschnitts W1 gesetzt ist, eine minimale Breite des Brückenabschnitts W2 gesetzt ist und eine minimale Breite eines Kerns auf der Außenumfangsseite des Rotors in der ersten Ecke des Magneteinführungslochs W3 gesetzt ist, ist in Übereinstimmung mit einem zweiten Aspekt der Erfindung in der rotierenden elektrischen Arbeitsmaschine des ersten Aspekts vorzugsweise W2 < W1 < W3 festgesetzt.
Wenn eine maximale Breite des Brückenabschnitts W4 gesetzt ist, ist in Übereinstimmung mit einem dritten Aspekt der Erfindung in der rotierenden elektrischen Arbeitsmaschine des zweiten Aspekts vorzugsweise W2 < W4 < W1 < W3 festgesetzt.
In Übereinstimmung mit einem vierten Aspekt der Erfindung ist in der rotierenden elektrischen Arbeitsmaschine vom Permanentmagnettyp eines des ersten bis dritten Aspekts die Ecke des Permanentmagneten in einer gekrümmten Form oder so, dass sie eine planare Oberfläche aufweist, abgefast. Sowohl die erste Ecke des Magneteinführungslochs als auch die zweite Ecke des Magneteinführungslochs enthält eine gekrümmte Oberfläche, die nahe der Ecke des Permanentmagneten positioniert ist, die planare Oberfläche, die mit der gekrümmten Oberfläche verbunden ist und den Umfangszwischenraumabschnitt bildet, und eine planare Oberfläche, die mit der gekrümmten Oberfläche verbunden ist und den radialen Zwischenraumabschnitt bildet.
In Übereinstimmung mit einem fünften Aspekt der Erfindung ist in der rotierenden elektrischen Arbeitsmaschine vom Permanentmagnettyp eines des ersten bis dritten Aspekts die Ecke des Permanentmagneten in einer gekrümmten Form oder so, dass sie eine planare Oberfläche aufweist, abgefast. Sowohl die erste Ecke des Magneteinführungslochs als auch die zweite Ecke des Magneteinführungslochs enthält vorzugsweise eine planare Oberfläche, die in der Nähe der Ecke des Permanentmagneten positioniert ist, eine gekrümmte Oberfläche, die mit der planaren Oberfläche verbunden ist und den Umfangszwischenraumabschnitt bildet, und eine gekrümmte Oberfläche, die mit der planaren Oberfläche verbunden ist und den radialen Zwischenraumabschnitt bildet.
In Übereinstimmung mit einem sechsten Aspekt der Erfindung ist in der rotierenden elektrischen Arbeitsmaschine vom Permanentmagnettyp in Übereinstimmung mit dem vierten oder fünften Aspekt die Krümmung der gekrümmten Oberfläche kleiner als die Krümmung der Abfasung der gekrümmten Form des Permanentmagneten.
In Übereinstimmung mit einem siebenten Aspekt der Erfindung enthält eine elektrische Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug: die rotierende elektrische Arbeitsmaschine vom Permanentmagnettyp nach einem des ersten bis sechsten Aspekts; und einen Leistungsumsetzer, um Leistung zum Ansteuern der rotierenden elektrischen Arbeitsmaschine zuzuführen.
In Übereinstimmung mit einem siebenten Aspekt der Erfindung enthält ein Fahrzeug die elektrische Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug in Überstimmung mit dem siebenten Aspekt.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
In Übereinstimmung mit der Erfindung ist es möglich, eine rotierende elektrische Arbeitsmaschine vom Permanentmagnettyp herzustellen, die einer schnellen Rotation standhalten und eine hohe Leistung ausgeben kann.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Konfigurationsdarstellung eines Hybridelektrofahrzeugs, in dem eine rotierende elektrische Arbeitsmaschine in Übereinstimmung mit der Erfindung angebracht ist.
2 ist eine schematische Konfigurationsdarstellung einer Schaltung in einem Leistungsumsetzer 600, die zum Ansteuern der rotierenden elektrischen Arbeitsmaschine in Übereinstimmung mit der Erfindung verwendet wird.
3 ist eine Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform der rotierenden elektrischen Arbeitsmaschine in Übereinstimmung mit der Erfindung.
4 ist eine Ansicht zur Darstellung von Querschnitten eines Stators 230 und eines Rotors 250 der in 3 gezeigten rotierenden elektrischen Arbeitsmaschine.
5 ist eine Ansicht zur Erläuterung des Reluktanzmoments.
6 ist eine vergrößerte Ansicht des Stators 230 und des Rotors 250 in der in 4 gezeigten rotierenden elektrischen Arbeitsmaschine und entspricht einem Magnetpol.
7 ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts in der Nähe eines Inter-Magnet-Brückenabschnitts 260 der in 6 gezeigten rotierenden elektrischen Arbeitsmaschine.
8 ist eine Ansicht zur Darstellung der Verteilung der mechanischen Spannung während der schnellen Rotation der in 6 gezeigten rotierenden elektrischen Arbeitsmaschine unter Verwendung von Linien konstanter mechanischer Spannung und entspricht einem Halbmagnetpol, d. h. einer Hälfte des einen Magnetpols des Rotors.
9 ist eine Ansicht zur Darstellung der Verteilung magnetischer Flusslinien, wenn eine Statorwicklung 238 nicht mit einer Dreiphasen-Wechselstromleistung erregt wird, und entspricht der eines Magnetpols der in 6 gezeigten Ausführungsform der rotierenden elektrischen Arbeitsmaschine in Übereinstimmung mit der Erfindung.
10 ist eine Ansicht zur weiteren Vergrößerung einer Ecke eines Permanentmagneten 254 und einer Ecke eines Magneteinführungslochs 253 an einem Umfang davon und entspricht der eines Magnetpols der in 6 oder 7 gezeigten Ausführungsform der rotierenden elektrischen Arbeitsmaschine in Übereinstimmung mit der Erfindung. (a) zeigt ein Beispiel, in dem eine Innenoberfläche der Ecke des Magneteinführungslochs 253, die der Ecke des Permanentmagneten 254 am nächsten gegenüberliegt, in einer wesentlich gekrümmten gebogenen Oberfläche gebildet ist und in der jede der radialen Innenoberflächen und Umfangsinnenoberflächen davon, die mit der gebogenen gekrümmten Oberfläche verbunden sind, eine planare Oberfläche ist. (b) zeigt ein Beispiel, in dem die Innenoberfläche der Ecke des Magneteinführungslochs 253, die der Ecke des Permanentmagneten 254 am nächsten gegenüberliegt, in einer planaren gekrümmten Oberfläche gebildet ist und in der jede der radialen Innenoberflächen und Umfangsinnenoberflächen davon, die mit der planaren gekrümmten Oberfläche verbunden sind, eine wesentlich gebogene gekrümmte Oberfläche ist.
11 zeigt ein Änderungsbeispiel der Ausführungsform der rotierenden elektrischen Arbeitsmaschine in Übereinstimmung mit der Erfindung und ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des Stators 230 und des Rotors 250, die dem einen Magnetpol entsprechen, in einer Konfiguration, in der für jeden Magnetpol die drei Permanentmagneten vorgesehen sind und in der der Inter-Magnet-Brückenabschnitt 260 zwischen angrenzenden Magneten vorgesehen ist.
12 zeigt ein anderes Änderungsbeispiel der Ausführungsform der rotierenden elektrischen Arbeitsmaschine in Übereinstimmung mit der Erfindung und ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des Stators 230 und des Rotors 250, die einem der Magnetpole entsprechen, in einer Konfiguration, die mit den zwei Magneteinführungslöchern für jeden Magnetpol versehen ist, in der die zwei Permanentmagneten in jedes Magneteinführungsloch eingeführt sind, und mit dem Inter-Magnet-Brückenabschnitt 260 zwischen den zwei Magneteinführungslöchern.
13 zeigt ein abermals anderes Änderungsbeispiel der Ausführungsform der rotierenden elektrischen Arbeitsmaschine in Übereinstimmung mit der Erfindung und ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des Stators 230 und des Rotors 250, die dem einen Magnetpol entsprechen, in einer Konfiguration, in der die zwei Permanentmagneten 254 für den einen Magnetpol in einer V-Form angeordnet sind.
14 zeigt eine zweite Ausführungsform der rotierenden elektrischen Arbeitsmaschine in Übereinstimmung mit der Erfindung und ist eine vergrößerte Ansicht eines Viertels der Gesamtquerschnitte des Stators 231 und des Rotors 251 in der rotierenden elektrischen Arbeitsmaschine, die acht Pole und 12 Nuten aufweist, die durch den Rotor der in 4 gezeigten ersten Ausführungsform konfiguriert ist, wobei der Stator mit konzentrierter Wicklung die 12 Pole aufweist.
Beschreibung von Ausführungsformen
Im Folgenden werden anhand von 1 bis 14 Ausführungsformen zur Ausführung der Erfindung beschrieben.
Wie im Folgenden beschrieben wird, kann eine rotierende elektrische Arbeitsmaschine in Übereinstimmung mit der Erfindung eine hohe Leistung ausgeben und ist somit z. B. als ein Fahrmotor für ein Elektrofahrzeug geeignet. Die rotierende elektrische Arbeitsmaschine in Übereinstimmung mit der Erfindung kann auf ein Elektrofahrzeug, das ausschließlich durch die rotierende elektrische Arbeitsmaschine fährt, und auf ein Hybridelektrofahrzeug, das sowohl durch eine Kraftmaschine als auch durch die rotierende elektrische Arbeitsmaschine angetrieben wird, angewendet werden. Im Folgenden wird eine Beschreibung anhand eines Beispiels gegeben, das das Hybridelektrofahrzeug verwendet.
1 ist eine schematische Konfigurationsdarstellung eines Hybridelektrofahrzeugs, in dem eine rotierende elektrische Arbeitsmaschine in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung angebracht ist. In einem Fahrzeug 100 sind eine Kraftmaschine 120, eine erste rotierende elektrische Arbeitsmaschine 200, eine zweite rotierende elektrische Arbeitsmaschine 202 und eine Batterie 180 angebracht. Die Batterie 180 führt den rotierenden elektrischen Arbeitsmaschinen 200, 202 über einen Leistungsumsetzer 600 Gleichstromleistung zu, wenn durch die rotierenden elektrischen Arbeitsmaschinen 200, 202 erzeugte Antriebskräfte notwendig sind. Die Batterie 180 wird durch Umsetzung von Wechselstromleistung der Gleichstromleistung von den rotierenden elektrischen Arbeitsmaschinen 200, 202 in die Gleichstromleistung geladen, wenn das Fahrzeug in einem Rückgewinnungszustand fährt. Die Gleichstromleistung wird zwischen der Batterie 180 und den rotierenden elektrischen Arbeitsmaschinen 200, 202 über den Leistungsumsetzer 600 zugeführt und empfangen. Obwohl dies nicht gezeigt ist, ist in dem Fahrzeug außerdem eine Batterie zum Zuführen von Niederspannungsleistung (wie etwa 14-Volt-Leistung) angebracht, um die Gleichstromleistung einer Steuerschaltung zuzuführen, die später beschrieben wird.
Das durch die Kraftmaschine 120 und durch die rotierenden elektrischen Arbeitsmaschinen 200, 202 erzeugte Drehmoment wird über ein Getriebe 130 und ein Differentialgetriebe 160 an die Vorderräder 110 übertragen. Das Getriebe 130 wird durch eine Getriebesteuervorrichtung 134 gesteuert und die Kraftmaschine 120 wird durch eine Kraftmaschinensteuervorrichtung 124 gesteuert. Die Batterie 180 wird durch eine Batteriesteuervorrichtung 184 gesteuert. Die Getriebesteuervorrichtung 134, die Kraftmaschinensteuervorrichtung 124, die Batteriesteuervorrichtung 184, der Leistungsumsetzer 600 und eine integrierte Steuervorrichtung 170 sind durch eine Kommunikationsleitung 174 verbunden.
Die integrierte Steuervorrichtung 170 ist eine Steuervorrichtung, die der Getriebesteuervorrichtung 134, der Kraftmaschinensteuervorrichtung 124, dem Leistungsumsetzer 600 und der Batteriesteuervorrichtung 184 übergeordnet ist und die davon über die Kommunikationsleitung 174 Informationen, die einen Zustand der Getriebesteuervorrichtung 134 und der Kraftmaschinensteuervorrichtung 124 und des Leistungsumsetzers 600 und der Batteriesteuervorrichtung 184 angeben, empfängt. Die integrierte Steuervorrichtung 170 erzeugt für jede Steuervorrichtung auf der Grundlage der erfassten Informationen einen Steuerbefehl. Der somit erzeugte Steuerbefehl wird über die Kommunikationsleitung 174 an jede Steuervorrichtung gesendet.
Die Hochspannungsbatterie 180 ist durch eine Sekundärbatterie wie etwa eine Lithium-Ionen-Batterie oder eine Nickel-Wasserstoff-Batterie konfiguriert und gibt die Hochspannungs-Gleichstromleistung von 250 Volt bis 600 Volt oder höher aus. Die Batteriesteuervorrichtung 184 gibt über die Kommunikationsleitung 174 eine Lade/Entlade-Bedingung der Batterie 180 und einen Zustand jeder Einheitszellenbatterie, die die Batterie 180 bildet, an die integrierte Steuerschaltung 170 aus.
Wenn die integrierte Steuervorrichtung 170 auf der Grundlage der Inforationen von der Batteriesteuervorrichtung 184 bestimmt, dass die Batterie 180 geladen werden muss, gibt sie einen Befehl einer Leistungserzeugungsoperation an den Leistungsumsetzer 600 aus. Außerdem managt die integrierte Steuervorrichtung 170 hauptsächlich das Ausgangsdrehmoment der Kraftmaschine 120 und der rotierenden elektrischen Arbeitsmaschinen 200, 202, verarbeitet sie arithmetisch das Gesamtdrehmoment und ein Drehmomentverteilungsverhältnis des Ausgangsdrehmoments der Kraftmaschine 120 und des Ausgangsdrehmoments der rotierenden elektrischen Arbeitsmaschinen 200, 202 und sendet sie den Steuerbefehl, der auf einem Ergebnis der arithmetischen Verarbeitung beruht, an die Getriebesteuervorrichtung 134, an die Kraftmaschinensteuervorrichtung 124 und an den Leistungsumsetzer 600. Der Leistungsumsetzer 600 steuert auf der Grundlage eines Drehmomentbefehls von der integrierten Steuervorrichtung 170 die rotierenden elektrischen Arbeitsmaschinen 200, 202, um zu veranlassen, dass sie die angewiesene Drehmomentausgabe oder die angewiesene erzeugte Leistung erzeugen.
Der Leistungsumsetzer 600 ist mit einem Leistungshalbleiter versehen, der einen Stromrichter für den Betrieb der rotierenden elektrischen Arbeitsmaschinen 200, 202 bildet. Der Leistungsumsetzer 600 steuert auf der Grundlage des Befehls von der integrierten Steuervorrichtung 170 eine Schaltoperation des Leistungshalbleiters. Die rotierenden elektrischen Arbeitsmaschinen 200, 202 werden durch die Schaltoperation des Leistungshalbleiters jeweils als ein Elektromotor oder als ein Generator betrieben.
Wenn die rotierenden elektrischen Arbeitsmaschinen 200, 202 als die Elektromotoren betrieben werden, wird die Gleichstromleistung von der Hochspannungsbatterie 180 einem Gleichstromanschluss des Stromrichters in dem Leistungsumsetzer 600 zugeführt. Der Leistungsumsetzer 600 setzt die Gleichstromleistung, die ihm zugeführt worden ist, durch Steuern der Schaltoperation des Leistungshalbleiters in Dreiphasen-Wechselstromleistung um und führt sie den rotierenden elektrischen Arbeitsmaschinen 200, 202 zu. Währenddessen werden Rotoren in den rotierenden elektrischen Arbeitsmaschinen 200, 202 durch ein ihnen von außen zugeführtes Drehmoment rotierend angetrieben, wobei die in den Statorwicklungen in den rotierenden elektrischen Arbeitsmaschinen 200, 202 erzeugte Dreiphasen-Wechselstromleistung erzeugt wird, wenn die rotierenden elektrischen Arbeitsmaschinen 200, 202 als die Generatoren betrieben werden. Die somit erzeugte Dreiphasen-Wechselstromleistung wird durch den Leistungsumsetzer 600 in die Gleichstromleistung umgesetzt und die Gleichstromleistung wird der Hochspannungsbatterie 180 zugeführt, um die Batterie 180 zu laden.
2 ist ein Stromlaufplan des Leistungsumsetzers 600 in 1. Der Leistungsumsetzer 600 ist mit einer ersten Stromrichtervorrichtung für die rotierende elektrische Arbeitsmaschine 200 und mit einer zweiten Stromrichtervorrichtung für die rotierende elektrische Arbeitsmaschine 202 versehen. Die erste Stromrichtervorrichtung enthält ein Leistungsmodul 610, eine erste Ansteuerschaltung 652 zum Steuern der Schaltoperation jedes der Leistungshalbleiter 21 in dem Leistungsmodul 610 und einen Stromsensor 660 zum Erfassen eines Stroms in der rotierenden elektrischen Arbeitsmaschine 200. Die Ansteuerschaltung 652 ist auf einer Ansteuerleiterplatte 650 vorgesehen.
Währenddessen enthält die zweite Stromrichtervorrichtung ein Leistungsmodul 620, eine zweite Ansteuerschaltung 656 zum Steuern der Schaltoperation jedes der Leistungshalbleiter 21 in dem Leistungsmodul 620 und einen Stromsensor 662 zum Detektieren eines Stroms in der rotierenden elektrischen Arbeitsmaschine 202. Die Ansteuerschaltung 656 ist auf einer Ansteuerleiterplatte 654 vorgesehen. Eine Steuerschaltung 648, die auf einer Steuerleiterplatte 646 vorgesehen ist, ein Kondensatormodul 630 und eine Transceiverschaltung 644, die auf einer Verbinderplatine 642 angebracht sind, werden von der ersten Stromrichtervorrichtung und von der zweiten Stromrichtervorrichtung gemeinsam genutzt und verwendet.
Die Leistungsmodule 610, 620 werden durch Ansteuersignale betrieben, die von den jeweils entsprechenden Ansteuerschaltungen 652, 656 ausgegeben werden. Die Leistungsmodule 610, 620 setzen die von der Batterie 180 zugeführte Gleichstromleistung in die Dreiphasen-Wechselstromleistung um und führen die Leistung den Statorwicklungen zu, die Ankerwicklungen der jeweils entsprechenden rotierenden elektrischen Arbeitsmaschinen 200, 202 sind. Außerdem setzen die Leistungsmodule 610, 620 jeweils die Wechselstromleistung, die in den Statorwicklungen der rotierenden elektrischen Arbeitsmaschinen 200, 202 induziert wird, in die Gleichstromleistung um und führen sie der Hochspannungsbatterie 180 zu.
Wie in 2 dargestellt ist, enthalten die Leistungsmodule 610, 620 jeweils eine Dreiphasenbrückenschaltung, wobei zwischen einer Seite der positiven Elektrode und einer Seite der negativen Elektrode der Batterie 180 Reihenschaltungen, von denen jede den drei Phasen entspricht, elektrisch parallelgeschaltet sind. Jede der Reihenschaltungen enthält den Leistungshalbleiter 21 zum Bilden eines oberen Zweigs und den Leistungshalbleiter 21 zum Bilden eines unteren Zweigs, wobei diese Leistungshalbleiter 21 in Reihe geschaltet sind. Wie in 2 gezeigt ist, weisen das Leistungsmodul 610 und das Leistungsmodul 620 im Wesentlichen dieselbe Schaltungskonfiguration auf, wobei hier eine Beschreibung des Leistungsmoduls 610 als ein repräsentatives Beispiel gegeben wird.
In dieser Ausführungsform ist ein Isolierschicht-Bipolartransistor (IGBT) 21 als ein Schaltleistungshalbleiterelement verwendet. Der IGBT 21 enthält drei Elektroden, d. h. eine Kollektorelektrode, eine Emitterelektrode und eine Gateelektrode. Zwischen die Kollektorelektrode und die Emitterelektrode des IGBT 21 ist eine Diode 38 elektrisch geschaltet. Die Diode 38 enthält zwei Elektroden, d. h. eine Katodenelektrode und eine Anodenelektrode. Die Katodenelektrode und die Anodenelektrode sind mit der Kollektorelektrode des IGBT 21 bzw. mit der Emitterelektrode des IGBT 21 elektrisch verbunden, so dass eine Richtung von der Emitterelektrode zu der Kollektorelektrode des IGBT 21 als eine Durchlassrichtung eingestellt ist.
Als das Schaltleistungshalbleiterelement kann ein Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) verwendet werden. Der MOSFET enthält drei Elektroden, d. h. eine Drain-Elektrode, eine Source-Elektrode und eine Gate-Elektrode. Da der MOSFET zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode eine parasitäre Diode enthält, wobei eine Richtung von der Drain-Elektrode zu der Source-Elektrode als die Durchlassrichtung eingestellt ist, braucht die Diode 38 in 2 nicht vorgesehen zu sein.
Die Zweige jeder Phase sind so konfiguriert, dass die Emitterelektrode des IGBT 21 mit der Kollektorelektrode des IGBT 21 elektrisch in Reihe geschaltet ist. In dieser Ausführungsform ist für jeden der oberen und der unteren Zweige in jeder Phase nur der eine IGBT gezeigt; wobei die mehreren IGBTs aber tatsächlich und elektrisch parallelgeschaltet sind, da eine zu steuernde Stromkapazität groß ist. Für eine einfache Beschreibung werden die mehreren IGBTs im Folgenden als ein Leistungshalbleiter beschrieben.
In dem in 2 gezeigten Beispiel enthält jeder der oberen und der unteren Zweige in jeder Phase drei IGBTs. Die Kollektorelektrode jedes IGBT 21 in dem oberen Zweig jeder Phase ist mit der Seite der positiven Elektrode der Batterie 180 elektrisch verbunden und die Source-Elektrode jedes IGBT 21 in dem unteren Zweig jeder Phase ist mit der Seite der negativen Elektrode der Batterie 180 elektrisch verbunden. Ein Mittelpunkt zwischen den Zweigen in jeder Phase (ein verbundener Abschnitt zwischen der Emitterelektrode des IGBT auf der Seite des oberen Zweigs und der Kollektorelektrode des IGBT auf der Seite des unteren Zweigs) ist mit der Ankerwicklung (der Statorwicklung) der entsprechenden Phase in einer entsprechenden der rotierenden elektrischen Arbeitsmaschinen 200, 202 elektrisch verbunden.
Jede der Ansteuerschaltungen 652, 656 bildet einen Ansteuerabschnitt zum Steuern der entsprechenden einen der Stromrichtervorrichtungen 610, 620 und erzeugt auf der Grundlage eines von der Steuerschaltung 648 ausgegebenen Steuersignals ein Ansteuersignal zum Ansteuern des IGBT 21. Das Ansteuersignal, das in jeder der Ansteuerschaltungen 652, 656 erzeugt wird, wird an das Gate jedes Leistungshalbleiterelements in dem entsprechenden einen der Leistungsmodule 610, 620 ausgegeben. Jede der Ansteuerschaltungen 652, 656 ist mit sechs integrierten Schaltungen versehen, von denen jede ein Ansteuersignal erzeugt, das dem Gate jedes der oberen und unteren Zweige in jeder Phase zugeführt wird. Die sechs integrierten Schaltungen bilden einen Block.
Die Steuerschaltung 648 bildet für jede der Stromrichtervorrichtungen 610, 620 einen Steuerabschnitt und ist durch einen Mikrocomputer konfiguriert, der das Steuersignal (einen Steuerwert) zum Betreiben (Ein-/Ausschalten) der mehreren Schaltleistungshalbleiterelemente erzeugt. Die Steuerschaltung 648 empfängt von der übergeordneten Steuervorrichtung ein Drehmomentbefehlssignal (einen Drehmomentbefehlswert), von jedem der Stromsensoren 660, 662 eine Sensorausgabe und von einem Rotationssensor, der in jeder der rotierenden elektrischen Arbeitsmaschinen 200, 202 angebracht ist, eine Sensorausgabe. Die Steuerschaltung 648 berechnet auf der Grundlage dieser Eingangssignale den Steuerwert und gibt das Steuersignal aus, um die Schaltzeiteinstellung für die Ansteuerschaltungen 652, 656 zu steuern.
Die Transceiverschaltung 644, die an der Verbinderplatine 642 angebracht ist, wird verwendet, um den Leistungsumsetzer 600 mit der externen Steuervorrichtung elektrisch zu verbinden, und sendet/empfängt über die Kommunikationsleitung 174 in 1 Informationen an eine andere/von einer anderen Vorrichtung. Das Kondensatormodul 630 bildet eine Glättungsschaltung zum Unterdrücken einer Schwankung in einer Gleichspannung, die durch die Schaltoperation des IGBT 21 verursacht wird, und ist zu einem Gleichstromanschluss sowohl in dem ersten Leistungsmodul 610 als auch in dem zweiten Leistungsmodul 620 elektrisch parallelgeschaltet.
<Ausführungen der rotierenden elektrischen Arbeitsmaschine in Übereinstimmung mit der Erfindung>
3 ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform der rotierenden elektrischen Arbeitsmaschine in Übereinstimmung mit der Erfindung, die in 1 als die rotierende elektrische Arbeitsmaschine 200 verwendet ist. Die rotierende elektrische Arbeitsmaschine 200 und die rotierende elektrische Arbeitsmaschine 202 weisen im Wesentlichen eine selbe Struktur auf, wobei die Striktur der rotierenden elektrischen Arbeitsmaschine 200 im Folgenden als ein repräsentatives Beispiel beschrieben wird. Es wird angemerkt, dass die Struktur, die im Folgenden beschrieben wird, nicht für beide rotierenden elektrischen Arbeitsmaschinen 200, 202 angenommen zu werden braucht, sondern für eine der rotierenden elektrischen Arbeitsmaschinen 200, 202 angenommen werden kann.
In einem Gehäuse 212 ist ein Stator 230 gestützt, wobei der Stator 230 einen Statorkern 232 und eine Statorwicklung 238 enthält. An einer Innenumfangsseite des Statorkerns 232 ist über einen Spalt 222 ein Rotor 250 drehbar gestützt. Der Rotor 250 enthält einen Rotorkern 252, der an einer Welle 218 befestigt ist, einen Permanentmagneten 254 und eine Widerlagerplatte 226, die aus einem nichtmagnetischen Körper gebildet ist. Das Gehäuse 212 weist gepaarte Lagerbrücken 214 auf, von denen jede mit einem Lager 216 versehen ist, und die Welle 218 ist durch diese Lager 216 drehbar gestützt.
Die Welle 218 ist mit einem Resolver 224 versehen, um eine Stellung eines Pols und eine Drehzahl des Rotors 250 zu detektieren. Die Steuerschaltung 648, die in 2 gezeigt ist, empfängt die Ausgabe von dem Resolver 224. Die Steuerschaltung 648 gibt auf der Grundlage der empfangenen Ausgabe das Steuersignal an die Ansteuerschaltung 652 aus. Die Ansteuerschaltung 652 gibt das Ansteuersignal, das auf dem Steuersignal beruht, an das Leistungsmodul 610 aus. Das Leistungsmodul 610 führt auf der Grundlage des Steuersignals die Schaltoperation aus und setzt die von der Batterie 180 zugeführte Gleichstromleistung in die Dreiphasen-Wechselstromleistung um. Die Dreiphasen-Wechselstromleistung wird der Statorwicklung 238 zugeführt, die in 3 gezeigt ist, wodurch in dem Stator 230 ein rotierendes Magnetfeld erzeugt wird. Eine Frequenz eines Dreiphasen-Wechselstroms wird auf der Grundlage eines Ausgangswerts des Resolvers 224 gesteuert und eine Phase des Dreiphasen-Wechselstroms in Bezug auf eine Drehstellung des Rotors 250 wird ebenfalls auf der Grundlage des Ausgangswerts des Resolvers 224 gesteuert.
4 ist eine Ansicht zur Darstellung von Querschnitten des Stators 230 und des Rotors 250, die in 3 gezeigt ist, und ist ebenfalls eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A aus 3. Das Gehäuse 212, die Welle 218 und die Statorwicklung 238 sind in 4 nicht gezeigt. Die Statorwicklung in einer Nut 237 ist ab 5 nicht gezeigt.
Über einen gesamten Innenumfang des Statorkerns 232 sind in gleichen Abständen eine Anzahl der Nuten 237 und eine Anzahl von Zähnen 236 angeordnet. In 4 sind nicht alle Nuten und Zähne mit den Bezugszeichen bezeichnet, sondern sind nur Teile davon mit den Bezugszeichen bezeichnet. In der Nut 237 ist ein Nutisolationsmaterial (nicht gezeigt) vorgesehen und über mehrere U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Wicklungen, die die Statorwicklung 238 in 3 bilden, gewickelt. In dieser Ausführungsform sind die 48 Nuten 237 in den gleichen Abständen gebildet.
Eine Umgebung eines Außenumfangs eines Rotorkerns 252 ist entlang einer Umfangsrichtung mit 16 Magneteinführungslöchern 253 angeordnet, in jedes von denen ein rechteckiger Magnet eingeführt ist. Jedes Magneteinführungsloch 253 ist entlang einer axialen Richtung gebildet und der Permanentmagnet 254 (254a, 254b) ist durch einen Klebstoff oder dergleichen in das Magneteinführungsloch 253 eingebettet und darin befestigt. Die gepaarten Magneteinführungslöcher 253 bzw. die gepaarten Permanentmagneten 254 bilden einen Magnetpol. Jedes Paar der Magneteinführungslöcher 253 ist so eingestellt, dass es eine breitere Umfangsbreite als jedes Paar der Permanentmagneten 254 besitzt, und ein Lochraum 257 auf der Außenseite des Magnetpols des Permanentmagneten 254 fungiert als ein Magnetspalt. Der Lochraum 257 kann mit dem Klebstoff gefüllt oder durch ein Pressharz gehärtet sein, so dass er mit dem Permanentmagneten 254 integriert ist. Der Permanentmagnet 254 wirkt als ein Feldmagnetpol des Rotors 250 und diese Ausführungsform ist so konfiguriert, dass sie die acht Pole aufweist.
Eine Magnetisierungsrichtung des Permanentmagneten 254 ist als eine radiale Richtung eingestellt, wobei die Magnetisierungsrichtung durch jeden Feldpol umgekehrt wird. Mit anderen Worten, falls die Oberfläche des Permanentmagneten 254a auf der Statorseite ein N-Pol ist und eine Oberfläche davon auf der axialen Seite ein S-Pol ist, ist eine Oberfläche des Permanentmagneten 254b auf der Statorseite der S-Pol und ist eine Oberfläche davon auf der axialen Seite der N-Pol. Die gepaarten Permanentmagneten 254a bzw. die gepaarten Permanentmagneten 254b bilden den einen Magnetpol und sind in der Umfangsrichtung abwechselnd angeordnet.
Der Permanentmagnet 254 kann in das Magneteinführungsloch 253 eingeführt werden, nachdem er magnetisiert worden ist, oder kann dadurch magnetisiert werden, dass an ihn ein starkes Magnetfeld angelegt wird, nachdem er in das Magneteinführungsloch 253 des Rotorkerns 252 eingeführt worden ist. Nachdem der Permanentmagnet 254 magnetisiert worden ist, wird er zu einem starken Magneten. Somit wird zwischen dem Rotorkern 252 und dem Permanentmagnet 254 während der Befestigung des Permanentmagneten 254 eine starke Anziehungskraft erzeugt, wodurch die Montagearbeit gestört wird, falls ein Magnet polarisiert wird, bevor der Permanentmagnet 254 an dem Rotor 250 befestigt wird. Außerdem kann die starke Anziehungskraft des Permanentmagneten 254 zur Haftung von Staub wie etwa Eisenpulver an dem Permanentmagneten 254 führen. Somit wird der Permanentmagnet 254 unter Beachtung der Produktivität der rotierenden elektrischen Arbeitsmaschine vorzugsweise magnetisiert, nachdem er in den Rotorkern 252 eingeführt worden ist.
Als der Permanentmagnet 254 kann ein gesinterter Magnet auf Neodymgrundlage oder auf Samariumgrundlage, ein Ferritmagnet, ein Verbundmagnet auf Neodymgrundlage oder dergleichen verwendet werden. Die Restmagnetflussdichte des Permanentmagneten 254 ist näherungsweise 0,4 bis 1,3 T.
Wenn der Dreiphasen-Wechselstrom durch die Statorwicklung 238 fließt und dadurch in dem Stator 230 das rotierende Magnetfeld erzeugt, wirkt das rotierende Magnetfeld auf die Permanentmagneten 254a, 254b des Rotors 250, um ein Drehmoment zu erzeugen. Das Drehmoment wird durch ein Produkt einer Komponente des Magnetflusses von dem Permanentmagneten 254, die mit jeder Wicklung verkettet ist, und einer Komponente, die orthogonal zu einem Verkettungsmagnetfluss des durch jede Wicklung fließenden Wechselstroms ist, ausgedrückt. Falls hier betrachtet wird, dass eine Wechselstrom-Signalform eine Sinusform ist, wird ein Produkt einer Grundschwingungskomponente des Verkettungsmagnetflusses und einer Grundschwingungskomponente des Wechselstroms zu einer zeitgemittelten Komponente des Drehmoments und wird ein Produkt einer Oberschwingungskomponente des Verkettungsmagnetflusses und der Grundschwingungskomponente des Wechselstroms zu einer Drehmomentwelligkeit, die eine Oberschwingungskomponente des Drehmoments ist. Das heißt, um die Drehmomentwelligkeit zu verringern, muss die Oberschwingungskomponente des Verkettungsmagnetflusses verringert werden. Mit anderen Worten, da ein Produkt des Verkettungsmagnetflusses und einer Winkelbeschleunigung der Rotation des Rotors einer induzierten Spannung entspricht, ist das Verringern der Oberschwingungskomponente des Verkettungsmagnetflusses im Wesentlichen dasselbe wie das Verringern der Oberschwingungskomponente der induzierten Spannung.
5 ist eine Ansicht zur Erläuterung des Reluktanzmoments. Im Allgemeinen wird eine Achse des Magnetflusses, die durch die Mitte des Magneten geht, als eine d-Achse bezeichnet, während eine Achse des Magnetflusses, der von einem Bereich zwischen den Polen der Magneten zu einem anderen Bereich zwischen den Polen des Magneten fließt, als eine q-Achse bezeichnet wird. Gleichzeitig wird ein Kernabschnitt in der Mitte des Bereichs zwischen den Polen der Magneten als ein Zusatzschenkelpolabschnitt 259 bezeichnet. Der Permanentmagnet 254, der in dem Rotor 250 vorgesehen ist, weist im Wesentlichen dieselbe magnetische Permeabilität wie die Luft auf. Somit ist von der Statorseite aus gesehen die d-Achse magnetisch ausgespart, während die q-Achse magnetisch vorsteht. Dementsprechend wird der Kernabschnitt der q-Achse als ein Schenkelpol bezeichnet. Das Reluktanzmoment wird durch eine Differenz der Übertragungsfähigkeit (magnetischen Induktivität) des Magnetflusses zwischen der d-Achse und der q-Achse, d. h. durch ein Schenkelpolverhältnis, erzeugt.
6 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des Stators 230 und des Rotors 250 in der in 4 gezeigten rotierenden elektrischen Arbeitsmaschine und entspricht dem einen Magnetpol. Der Rotorkern 252 ist mit dem Magnetspalt 257 auf der Außenseite des Magnetpols des Permanentmagneten 254 gebildet, um während der Erregung ein Rastmoment oder eine Drehmomentpulsation zu verringern. Darüber hinaus ist eine radiale Dicke des Magnetspalts 257 kleiner als eine radiale Dicke des Permanentmagneten 254 und beschränkt ein Magnetpolend-Druckabschnitt 264, der ein Teil des Rotorkerns auf einer Innenumfangsseite des Magnetspalts 257 ist, die Bewegung des Permanentmagneten 254 in der Umfangsrichtung. Darüber hinaus ist ein Magnetpol-Außenabschnitt 256 auf der Außenseite in der radialen Richtung der Magneteinführungslöcher 253, in den der Permanentmagnet 254 eingeführt ist, so eingestellt, dass eine Breite W1 eines Magnetpolend-Brückenabschnitts 258 in einer radialen Dimension am kleinsten wird.
Wenn die Breite W1 des Magnetpolend-Brückenabschnitts 258 verringert ist, ist der Magnetfluss von dem Permanentmagneten, der über einen Magnetweg in dem Rotor fließt, verringert und erreicht der erhöhte Magnetfluss die Statorseite. Somit kann das magnetische Drehmoment erhöht werden. Dementsprechend ist die Breite W1 des Magnetpolend-Brückenabschnitts 258 vorzugsweise in einem Grad soweit wie möglich verringert, dass er der während der Rotation des Rotors erzeugten mechanischen Spannung standhalten kann.
7 ist eine vergrößerte Ansicht eines Inter-Magnet-Brückenabschnitts 260 (eines mit B bezeichneten Bereichs) des in 6 gezeigten Rotors. Der Inter-Magnet-Brückenabschnitt 260 ist in der Weise zwischen den gepaarten Permanentmagneten 254 vorgesehen, dass der Magnetpol-Außenabschnitt 256 des Rotorkerns, der auf der Außenumfangsseite des Permanentmagneten 254 positioniert ist, mit einem Magnetpol-Innenabschnitt 263 des Rotorkerns auf der Innenumfangsseite mechanisch verbunden ist. Darüber hinaus sind ein Umfangszwischenraumabschnitt 261 und ein radialer Zwischenraumabschnitt 262 in jeder der vier Ecken der Magneteinführungslöcher 253, die an beiden Enden des Inter-Magnet-Brückenabschnitts 260 positioniert sind, in der Weise eingestellt, dass die Ecke des Permanentmagneten 254 den Rotorkern selbst dann nicht berührt, wenn sich der Magnet dem Brückenabschnitt hinsichtlich der Dimensionstoleranz am weitesten annähert. In diesem Fall ist die Dicke T1 des Umfangszwischenraumabschnitts 261 so eingestellt, dass sie in der Mitte des Permanentmagneten 254 und an der Ecke des Permanentmagneten 254 verringert ist und dazwischen maximal wird. Eine Dicke T2 des radialen Zwischenraumabschnitts 262 ist so eingestellt, dass sie in der Mitte des Permanentmagneten 254 und an der Ecke des Permanentmagneten 254 verringert ist und dazwischen maximal wird. Darüber hinaus ist die Bewegung des Permanentmagneten 254 in der Umfangsrichtung ähnlich dem obenerwähnten Magnetpolend-Druckabschnitt 264 auf der Innenumfangsseite des Magnetspalts 257 in der Mitte des Inter-Magnet-Brückenabschnitts 260 beschränkt. Somit kann ohne Verwendung einer neuen Komponente eine vorteilhafte Montierbarkeit erzielt werden.
Es wird angemerkt, dass die Formen der in 7 gezeigten obenerwähnten vier Ecken auf der Grundlage von 10(a) beschrieben sind, die später beschrieben wird.
Durch Annahme einer solchen Konfiguration ist es möglich, eine Beschädigung an dem Rotorkern 252 und seine Verformung, die verursacht wird, wenn die Ecke des Magneten den Rotorkern berührt, zu verhindern, und ist es außerdem möglich, die an beiden Enden des Inter-Magnet-Brückenabschnitts 260 erzeugte Konzentration der mechanischen Spannung zu verringern. Dementsprechend kann der Rotor 250 eine schnelle Rotation erzielen.
In dieser Ausführungsform weist eine Linie, die zwischen dem Umfangszwischenraumabschnitt 261 und dem radialen Zwischenraumabschnitt 262 verbindet, eine größere radiale Dimension als die Ecke des Magneten auf; allerdings kann durch Kombinieren einer Geraden und eines Bogens, wie im Folgenden beschrieben wird, eine selbe Wirkung erhalten werden.
Im Allgemeinen geht der Magnetfluss des Permanentmagneten 254 durch den Inter-Magnet-Brückenabschnitt 260 und ist ein Magnetflussweg in dem Rotor geschlossen, wenn der Inter-Magnet-Brückenabschnitt 260 vorgesehen ist. Dementsprechend ist der effektive Magnetfluss, der in der Mitte eines Rotormagnetpols mit einem gegenüberliegenden Statormagnetpol gekoppelt ist, verringert, wodurch die Leistungsfähigkeit verschlechtert ist. Somit ist eine Breite W2 eines schmalsten Teils des Inter-Magnet-Brückenabschnitts 260 vorzugsweise so klein wie möglich.
Außerdem ist eine Breite W4 in der Mitte des Inter-Magnet-Brückenabschnitts 260 wie oben beschrieben so eingestellt, dass sie etwas größer als W2 ist; allerdings ist die Breite W4 vorzugsweise ebenfalls so klein wie möglich. Wenn die Breite W4 in der Mitte des Inter-Magnet-Brückenabschnitts 260 klein ist, nähern sich die Permanentmagnete, die in die zwei angrenzenden Magneteinführungslöcher 253 eingeführt sind, an und wird dadurch eine Verringerung der Magnetflussdichte in der Mitte des Magnetpols unterdrückt. Der Rotor kann so ausgelegt sein, dass er wegen einer Struktur des Rotors in Übereinstimmung mit der Erfindung eine solche Beziehung zwischen W2 und W4 erfüllt.
Ein Permanentmagnet braucht nicht genau rechteckförmig zu sein, sondern kann im Wesentlichen rechteckförmig sein. In diesem Fall ist eine Querschnittsform des Magneteinführungslochs entsprechend einer Querschnittsform des Permanentmagneten ebenfalls so eingestellt, dass sie im Wesentlichen rechteckförmig ist. Wenn die Form des Permanentmagneten von der Rechteckform geändert wird, kann die Verteilung der Magnetflussdichte ebenfalls geändert werden.
In dieser Ausführungsform setzen die minimale Breite W1 des Magnetpolend-Brückenabschnitts 258, die minimale Breite W2 des Inter-Magnet-Brückenabschnitts 260 und eine Breite W3 des Rotorkerns auf der Außenumfangsseite des radialen Zwischenraumabschnitts 262 W2 < W1 < W3 fest. Diese Beziehung zwischen W1, W2 und W3 kann durch Annahme der Struktur des Rotors, die die obenerwähnte Charakteristik aufweist, erzielt werden und wird im Folgenden beschrieben.
Die durch eine Zentrifugalkraft des Rotors erzeugte mechanische Spannung ist an einem Fuß des Inter-Magnet-Brückenabschnitts 260 auf der Außenumfangsseite des Rotors, d. h. an den Ecken der zwei angrenzenden Magneteinführungslöcher 253 auf der Außenumfangsseite des Rotors mit dem dazwischenliegenden Inter-Magnet-Brückenabschnitt 260 sowie auf der Seite des Magnetpolend-Brückenabschnitts 258, erhöht. Allerdings wird in einem in 6 gezeigten Beispiel die mechanische Spannung in dem Magnetpolend-Brückenabschnitt 258 durch das Hebelgesetz am größten, da zwischen den zwei Permanentmagneten 254 und zwischen den zwei Magneteinführungslöchern 253, in die die zwei Permanentmagneten 254 eingeführt sind, der Inter-Magnet-Brückenabschnitt 260 vorgesehen ist, der den Magnetpol-Außenabschnitt 256 und den Magnetpol-Innenabschnitt 263 verbindet.
Um einen Streuverlust des Magnetflusses zu verhindern, ist es dementsprechend allein aus Sicht der Leistungsfähigkeit bevorzugt, dass der Magnetpolend-Brückenabschnitt 258 die verringerte minimale Breite W1 aufweist und auf einen Zustand der magnetischen Sättigung gebracht wird; allerdings erfordert er wegen der hohen Konzentration mechanischer Spannung während der schnellen Rotation eine ausreichende Dicke, um der mechanischen Spannung standzuhalten.
Obwohl die minimale Breite W2 des Inter-Magnet-Brückenabschnitts 260 im Wesentlichen dieselbe wie die minimale Breite W1 des Magnetpolend-Brückenabschnitts 258 ist, ist ein Grad der Konzentration mechanischer Spannung daran wie oben beschrieben kleiner als an dem Magnetpolend-Brückenabschnitt 258, womit W2 < W1 festgesetzt werden kann. Währenddessen dient eine Breite W3 des Rotorkerns auf der Außenumfangsseite des radialen Zwischenraumabschnitts 262 als ein Magnetweg, über den der Magnetfluss des Permanentmagneten 254 geht, wenn er mit jeder Wicklung verkettet ist, so dass erwünscht ist, dass er nicht gesättigt ist. Dementsprechend wird W3 > W1 festgesetzt.
Wie oben beschrieben wurde, kann die Breite W4 in der Mitte des Inter-Magnet-Brückenabschnitts 260 wegen der Struktur des Rotors in Übereinstimmung mit der Erfindung etwas kleiner als W2 eingestellt werden. Mit anderen Worten, es wird W4 < W1 < W3 festgesetzt. Durch eine solche Struktur kann eine Entfernung zwischen den zwei angrenzenden Permanentmagneten verringert sein und kann die Magnetflussdichte in der Mitte des Rotormagnetpols hoch gehalten sein.
8 ist ein Halbmagnetpolmodell, um unter Verwendung von Linien konstanter mechanischer Spannung die Verteilung der mechanischen Spannung während der schnellen Rotation der in 6 gezeigten rotierenden elektrischen Arbeitsmaschine zu zeigen, wobei sie einem Halbmagnetpol, d. h. einer Hälfte des einen Magnetpols des Rotors, entspricht. Die mechanische Spannung ist an dem Magnetpolend-Brückenabschnitt 258 und an beiden Enden des Inter-Magnet-Brückenabschnitts 260 konzentriert, wo die Linien konstanter mechanischer Spannung im Vergleich zu anderen Teilen konzentriert sind. Da wegen der wie oben beschriebenen Konfiguration allerdings W2 < W1 < W3 festgesetzt ist, ist die mechanische Spannung verteilt, ohne an dem Magnetpolend-Brückenabschnitt 258 und an beiden Enden des Inter-Magnet-Brückenabschnitts 260 lokal konzentriert zu sein.
In der obenerwähnten Ausführungsform der rotierenden elektrischen Arbeitsmaschine in Übereinstimmung mit der Erfindung sind die zwei Permanentmagneten 254, die dem einen Magnetpol entsprechen, linear ausgerichtet. Dementsprechend kann die an beiden Enden des Inter-Magnet-Brückenabschnitts 260 erzeugte mechanische Spannung im Wesentlichen ausgeglichen werden und kann die Konzentration der mechanischen Spannung darin ebenfalls vermieden werden. Trotz der Tatsache, dass eine solche Ausrichtung hinsichtlich der Stärke bevorzugt ist, kann somit eine Wirkung der Erfindung selbst dann erhalten werden, wenn die Permanentmagneten 254 nicht linear ausgerichtet sind.
9 zeigt eine Verteilung der Magnetflusslinien, wenn die Statorwicklung 238 nicht mit der Dreiphasen-Wechselstromleistung erregt wird, wobei sie dem einen Magnetpol der in 6 gezeigten Ausführungsform der rotierenden elektrischen Arbeitsmaschine in Übereinstimmung mit der Erfindung entspricht. Wie oben beschrieben wurde, sind in der Konfiguration die Dimensionen von W1, W2 und W3 so eingestellt, dass sie die Beziehung W2 < W1 < W3 festsetzen. Aus einer solchen Konfiguration ist festzustellen, dass der Magnetpolend-Brückenabschnitt 258 und der Inter-Magnet-Brückenabschnitt 260 durch den minimalen Magnetfluss des von dem Permanentmagnet 254 erzeugten Magnetflusses gesättigt sind und dass ein größter Teil des Magnetflusses von dem Magnetpolaußenabschnitt 263 des Rotorkerns mit dem Statorkern 232 gekoppelt ist und mit der Statorwicklung 238 verkettet ist.
10 ist eine vergrößerte Ansicht der einen Ecke des Permanentmagneten 254 und eines Teils des Magneteinführungslochs 253 an dem Umfang davon, die in 7 oder 8 gezeigt sind. Die vier Ecken der zwei Magneteinführungslöcher 253, die den Inter-Magnet-Brückenabschnitt 260 dazwischen halten, weisen dieselbe Form auf, wobei von den vier Ecken insbesondere ein vergrößerter unterer rechter Teil des Permanentmagneten 254 in 8 als ein repräsentatives Beispiel gezeigt ist.
Die Ecke des Permanentmagneten ist in einer gekrümmten Form oder in einer planaren Form in einem Grad abgefast, dass die Form keinen Einfluss auf eine magnetische Charakteristik hat. 10 zeigt ein Beispiel, in dem die Ecke des Permanentmagneten in der gekrümmten Form ist. Wegen einer solchen Form der Ecke kann eine Innenoberfläche der Ecke des Magneteinführungslochs, die der Ecke gegenüberliegt, eine sanfte Kurve aufweisen, wobei die durch die Rotation des Rotors erzeugte mechanische Spannung dadurch verteilt wird.
Da die Krümmung der Innenoberfläche der Ecke des Magneteinführungslochs teilweise durch lineare und gekrümmte Linien konfiguriert ist, ist außerdem, wie in 10 gezeigt ist, ein Unterschied zwischen der maximalen Breite W4 des Inter-Magnet-Brückenabschnitts und der minimalen Breite W2 des Inter-Magnet-Brückenabschnitts in dem Umfangszwischenraumabschnitt 261 verringert, wobei W2 und W4 kleine Werte aufweisen können.
In einem in 10(a) gezeigten Beispiel weist ein Teil der Innenoberfläche der Ecke des Magneteinführungslochs 253, der der Ecke des Permanentmagneten 254 am nächsten positioniert ist, eine gekrümmte Oberfläche (die in der Zeichnung in der gekrümmten Form gezeigt ist) auf, die sanfter als die gekrümmte Form der Ecke des Permanentmagneten 254 ist, und sind die Innenoberflächen des Umfangszwischenraumabschnitts 261 und des radialen Zwischenraumabschnitts 262, die mit dem Teil verbinden, jeweils durch eine planare Oberfläche (in der Zeichnung durch die gerade Linie gezeigt) konfiguriert. Es wird angemerkt, dass in 7, die oben beschrieben ist, die Form der Innenoberfläche der Ecke des Magneteinführungslochs 253 auf der Grundlage von 10(a) gezeigt ist.
In 10(b) weist der Teil der Innenoberfläche der Ecke des Magneteinführungslochs 253, der der Ecke des Permanentmagneten 254 am nächsten positioniert ist, die planare Form auf (die in der Zeichnung durch die lineare Linie gezeigt ist), und sind die Innenoberflächen des Umfangszwischenraumabschnitts 261 und des radialen Zwischenraumabschnitts 262, die mit dem Teil verbinden, jeweils durch eine im Wesentlichen gebogen gekrümmte Oberfläche konfiguriert (die in der Zeichnung durch die gekrümmte Linie gezeigt ist).
Falls die Ecke des Permanentmagneten 254 in der planaren Oberfläche abgefast ist und falls die Ecke des Magneteinführungslochs 253, die der Ecke des Permanentmagneten 254 gegenüberliegt, die planare Oberfläche aufweist, ist die planare Oberfläche der Ecke des Magneteinführungslochs 253 so ausgelegt, dass sie die größere Breite als die planare Oberfläche der Ecke des Permanentmagneten 254 aufweist.
Ähnlich ist die gekrümmte Oberfläche der Ecke des Magneteinführungslochs 253 so ausgelegt, dass sie die größere Breite als die gekrümmte Oberfläche der Ecke des Permanentmagneten 254 aufweist, und ist die Krümmung der gekrümmten Oberfläche der Ecke des Magneteinführungslochs 253 so ausgelegt, dass sie kleiner als die Krümmung der gekrümmten Oberfläche der Ecke des Permanentmagneten 254 ist, falls die Ecke des Permanentmagneten 254 in der gekrümmten Oberfläche abgefast ist und falls die Ecke des Magneteinführungslochs 253, die der Ecke des Permanentmagneten 254 gegenüberliegt, die gekrümmte Oberfläche aufweist.
11 zeigt ein Änderungsbeispiel der rotierenden elektrischen Arbeitsmaschine in Übereinstimmung mit der Erfindung und ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des Stators 230 und des Rotors 250, die dem einen Magnetpol in einer Konfiguration entsprechen, in der die drei Permanentmagneten für jeden Magnetpol vorgesehen sind und in der zwischen den zwei angrenzenden Magneteinführungslöchern, in jedes von denen der Magnet eingeführt ist, der Inter-Magnet-Brückenabschnitt 260 vorgesehen ist. Selbst wenn die Erfindung die Konfiguration, in der für jeden Magnetpol die mehreren Permanentmagneten vorgesehen sind und in der zwischen den angrenzenden Permanentmagneten der Inter-Magnet-Brückenabschnitt 260 vorgesehen ist, d. h. die Konfiguration, in der für jeden Magnetpol die mehreren Inter-Magnet-Brückenabschnitte 260 vorgesehen sind, annimmt, kann die mechanische Spannung während der schnellen Rotation verringert werden. Wenn für den Magnetpol die mehreren Inter-Magnet-Brückenabschnitte 260 vorgesehen sind, ist ein Teil des Rotorkerns auf der Außenseite des Permanentmagneten fest mit einem Teil des Rotorkerns auf der Seite der Rotorachse des Permanentmagneten verbunden. Dementsprechend kann die noch schnellere Rotation erwartet werden.
12 ist eine vergrößerte Ansicht des Stators 230 und des Rotors 250 und entspricht dem einen Magnetpol in einem anderen Änderungsbeispiel der rotierenden elektrischen Arbeitsmaschine in Übereinstimmung mit der Erfindung. In diesem Änderungsbeispiel sind für jeden Magnetpol die zwei Magneteinführungslöcher 253 vorgesehen und sind in jedes Magneteinführungsloch 253 die zwei Permanentmagneten 254 eingeführt. Selbst wenn für den einen Magnetpol die mehreren Permanentmagneten 254 vorgesehen sind, besteht keine Notwendigkeit, zwischen jeweils angrenzenden der Magneten den Inter-Magnet-Brückenabschnitt 260 vorzusehen, solange die während der schnellen Rotation erzeugte mechanische Spannung die zulässige mechanische Spannung nicht übersteigt. Außerdem kann der Wirbelstrom, der durch eine Oberfläche des Permanentmagneten 254 fließt, dadurch, dass der Permanentmagnet 254 in die Mehrzahl davon unterteilt ist, verringert werden, wodurch die Wärmeerzeugung verringert werden kann und der Wirkungsgrad verbessert werden kann. Obwohl in das eine Magneteinführungsloch in 12 der Permanentmagnet eingeführt ist, der zweigeteilt ist, kann dementsprechend der Permanentmagnet, der dreigeteilt oder in mehr Teile geteilt ist, darin eingeführt sein.
13 zeigt ein abermals anderes Änderungsbeispiel der rotierenden elektrischen Arbeitsmaschine in Übereinstimmung mit der Erfindung. Diese Zeichnung zeigt ebenfalls den vergrößerten Stator 230 und den vergrößerten Rotor 250, die dem einen Magnetpol entsprechen. Selbst wenn die mehreren Permanentmagneten 254 ähnlich wie in der obenerwähnten Ausführungsform nicht wie oben beschrieben linear ausgerichtet sind, sondern in einer V-Form ausgerichtet sind, kann durch Annahme der obenerwähnten Struktur der rotierenden elektrischen Arbeitsmaschine in Übereinstimmung mit der Erfindung die rotierende elektrische Arbeitsmaschine verwirklicht werden, die zu der schnellen Rotation und hohen Leistungsausgabe fähig ist.
14 zeigt eine zweite Ausführungsform der rotierenden elektrischen Arbeitsmaschine in Übereinstimmung mit der Erfindung und zeigt die rotierende elektrische Arbeitsmaschine, die acht Pole und 12 Nuten aufweist, die durch den Rotor der in 4 gezeigten ersten Ausführungsform und durch einen Stator 231 mit konzentrierter Wicklung, der 12 Pole aufweist, konfiguriert ist. Die Zeichnung zeigt ein Viertel jedes der vergrößerten Querschnitte des Stators 231 und des Rotors 250. Selbst wenn der Stator 230 konzentriert gewickelt ist, kann die Struktur des Rotors in der rotierenden elektrischen Arbeitsmaschine in Übereinstimmung mit der Erfindung angenommen werden; somit kann durch die rotierende elektrische Arbeitsmaschine, die den Stator mit konzentrierter Wicklung aufweist, dieselbe Wirkung erhalten werden. Mit anderen Worten, die Erfindung hängt nicht von einer Ausführungsart des Stators ab.
Bisher sind die Beispiele der Erfindung beschrieben worden; allerdings ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen und Änderungsbeispiele beschränkt. Der Fachmann auf dem Gebiet kann verschiedene Änderungen implementieren, ohne die Eigenschaften der Erfindung zu gefährden. Insbesondere sind zwischen der Anzahl der oben beschriebenen zwei oder mehr Magneteinführungslöcher und der Anzahl der in jedes Magneteinführungsloch eingeführten Permanentmagneten verschiedene Kombinationen möglich, wobei eine solche Kombination in Übereinstimmung mit einer Spezifikation der rotierenden elektrischen Arbeitsmaschine geeignet bestimmt wird.
Die Offenbarung der folgenden Grundanmeldung, deren Priorität beansprucht wird, ist hier in ihrer Gesamtheit durch Literaturhinweis eingefügt.
Japanische Patentanmeldung Nr. 2011-220056 (eingereicht am 4. Oktober 2011).

Claims

Rotierende elektrische Arbeitsmaschine vom Permanentmagnettyp, die einen Stator und einen Rotor, der dem Stator entsprechend über einen Spalt angeordnet ist, aufweist, wobei der Rotor umfasst: einen Rotorkern, der für jeden Magnetpol mehrere Magneteinführungslöcher aufweist, von denen jedes einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist; und einen in jedes der Magneteinführungslöcher eingeführten Permanentmagneten, an beiden Enden in einer Umfangsrichtung jedes der mehreren Magneteinführungslöcher, die für jeden Magnetpol des Rotors vorgesehen sind, ein nichtmagnetischer Abschnitt gebildet ist, zwischen den angrenzenden der mehreren Magneteinführungslöcher ein Brückenabschnitt vorgesehen ist, um einen Rotorkernabschnitt auf der Außenseite des Magneteinführungslochs mit einem Rotorkernabschnitt auf der Innenseite des Magneteinführungslochs mechanisch zu verbinden, in einer ersten Ecke, die eine Ecke zwischen einer Oberfläche des Magneteinführungslochs auf der Seite des Brückenabschnitts und einer Oberfläche des Magneteinführungslochs auf der Außenseite des Rotors ist, und in einer zweiten Ecke, die eine Ecke zwischen der Oberfläche des Magneteinführungslochs auf der Seite des Brückenabschnitts und einer Oberfläche des Magneteinführungslochs auf der Innenseite des Rotors ist, Zwischenraumabschnitte vorgesehen sind, die jeweils in der Umfangsrichtung und in einer radialen Richtung des Rotors in der Weise vorstehen, dass eine Ecke des langen Permanentmagneten mit einem rechteckigen Querschnitt, der in das Magneteinführungsloch eingeführt ist, die Oberflächen des Magneteinführungslochs auf der Seite des Brückenabschnitts, auf der Außenseite des Rotors und auf der Innenseite des Rotors nicht berührt, und der Zwischenraumabschnitt für die Oberfläche des Magneteinführungslochs auf der Seite des Brückenabschnitts so gebildet ist, dass seine Größe an der Ecke des Permanentmagneten verringert ist, während die Zwischenraumabschnitte für die Oberfläche des Magneteinführungslochs auf der Außenseite des Rotors und für die Oberfläche des Magneteinführungslochs auf der Innenseite des Rotors jeweils so gebildet sind, dass ihre Größe an der Ecke des Permanentmagneten verringert ist.
Rotierende elektrische Arbeitsmaschine vom Permanentmagnettyp nach Anspruch 1, wobei dann, wenn eine minimale Breite des Rotorkerns auf einer Außenumfangsseite des nichtmagnetischen Abschnitts W1 gesetzt ist, eine minimale Breite des Brückenabschnitts W2 gesetzt ist und eine minimale Breite eines Kerns auf der Außenumfangsseite des Rotors in der ersten Ecke des Magneteinführungslochs W3 gesetzt ist, die folgende Beziehung erfüllt ist: W2 < W1 < W3.
Rotierende elektrische Arbeitsmaschine vom Permanentmagnettyp nach Anspruch 2, wobei dann, wenn eine maximale Breite des Brückenabschnitts W4 gesetzt ist, die folgende Beziehung erfüllt ist: W2 < W4 < W1 < W3.
Rotierende elektrische Arbeitsmaschine vom Permanentmagnettyp nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Ecke des Permanentmagneten in einer gekrümmten Form oder in einer planaren Form abgefast ist, und sowohl die erste Ecke des Magneteinführungslochs als auch die zweite Ecke des Magneteinführungslochs eine gekrümmte Oberfläche, die nahe der Ecke des Permanentmagneten positioniert ist, eine planare Oberfläche, die mit der gekrümmten Oberfläche verbunden ist und den Umfangszwischenraumabschnitt bildet, und eine planare Oberfläche, die mit der gekrümmten Oberfläche verbunden ist und den radialen Zwischenraumabschnitt bildet, enthält.
Rotierende elektrische Arbeitsmaschine vom Permanentmagnettyp nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Ecke des Permanentmagneten in einer gekrümmten Form oder in einer planaren Form abgefast ist, und sowohl die erste Ecke des Magneteinführungslochs als auch die zweite Ecke des Magneteinführungslochs eine planare Oberfläche, die in der Nähe der Ecke des Permanentmagneten positioniert ist, eine gekrümmte Oberfläche, die mit der planaren Oberfläche verbunden ist und den Umfangszwischenraumabschnitt bildet, und eine gekrümmte Oberfläche, die mit der planaren Oberfläche verbunden ist und den radialen Zwischenraumabschnitt bildet, enthält.
Rotierende elektrische Arbeitsmaschine vom Permanentmagnettyp nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Krümmung der gekrümmten Oberfläche kleiner als die Krümmung der Abfasung einer gekrümmten Form des Permanentmagneten ist.
Elektrische Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug, wobei die elektrische Antriebsvorrichtung umfasst: die rotierende elektrische Arbeitsmaschine vom Permanentmagnettyp nach einem der Ansprüche 1 bis 6; und einen Leistungsumsetzer, um Leistung zum Ansteuern der elektrischen Arbeitsmaschine zuzuführen.
Fahrzeug, das die elektrische Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug nach Anspruch 7 umfasst.