DE112014000526B4

DE112014000526B4 - Rotor und drehende elektrische Maschine, die diesen Rotor enthält

Info

Publication number: DE112014000526B4
Application number: DE112014000526.6T
Authority: DE
Inventors: Moriyuki Hazeyama; Takuma Sasai; Shinsuke KAYANO; Masaya Inoue; Shinji Nishimura; Akihiro Daikoku
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-01-23
Filing date: 2014-01-17
Publication date: 2018-03-01
Anticipated expiration: 2034-01-18
Also published as: WO2014115655A1; US9595851B2; JPWO2014115655A1; US20150357870A1; DE112014000526T5; JP5714189B2; CN104937817B; CN104937817A

Abstract

Rotor, bei dem mehrere Permanentmagnete (8) jeweils auf einer Außenumfangsseite eines Rotorkerns (7) eingebettet und in einer Sollteilung in einer Umfangsrichtung angeordnet sind, um Magnetpole zu bilden, und bei dem jeder der Permanentmagnete (8), der einen Magnetpol bildet, aufgebaut wird, indem drei Magnetblöcke (8a, 8b, 8c) umfänglich voneinander beabstandet angeordnet werden, wobei die drei Magnetblöcke (8a, 8b, 8c) jeweils so geformt sind, dass eine Querschnittsform, die senkrecht zu einer Mittelachse des Rotorkerns (7) ist, radial nach außen gewölbt ist, und eine Umfangsbreite von Magnetblöcken (8a, 8c), die Zwischenpolzentren (21) am nächsten sind, am schmälsten ist; und die drei Magnetblöcke (8a, 8b, 8c), die umfänglich angeordnet sind, so aufgebaut sind, dass sie eine Spiegelsymmetrie in Bezug auf eine Ebene haben, die durch ein Magnetpolzentrum (20) und eine Mittelachse des Rotorkerns (7) verläuft, Magnetisierungsrichtungen (9) der drei Magnetblöcke (8a, 8b, 8c), die Nord-suchende(N-)Pole bilden, magnetisch in Richtungen ausgerichtet sind, die radial nach außen und zum Magnetpolzentrum (20) hin gerichtet sind; Magnetisierungsrichtungen (9) der drei Magnetblöcke (8a, 8b, 8c), die Süd-suchende(S-)Pole bilden, magnetisch in Richtungen ausgerichtet sind, die radial nach innen und vom Magnetpolzentrum (20) weg gerichtet sind; wobei es sich bei der gesamten Innenumfangslinie der besagten Querschnittsform jedes Magnetblockes (8a, 8b, 8c) um eine kreisbogenförmige Linie handelt, wobei es sich bei der gesamten Außenumfangslinie der besagten Querschnittsform jedes Magnetblockes (8a, 8b, 8c) um eine kreisbogenförmige Linie handelt, die einen kleineren Krümmungsradius hat als die Innenumfangslinie des jeweiligen Magnetblockes (8a, 8b, 8c); und ...

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine drehende elektrische Maschine wie etwa einen Elektromotor oder einen Generator, der beispielsweise in einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug verwendet wird, und auf einen Rotor, der darin eingebaut ist, und bezieht sich insbesondere auf einen Rotor mit eingebetteten Permanentmagneten, bei dem Permanentmagnete an einer Außenumfangsseite eines Rotorkerns eingebettet sind.
Stand der Technik
Bei herkömmlichen drehenden elektrischen Maschinen mit eingebetteten Permanentmagneten wird eine Drehmomentreduktion verhindert, indem jeweilige Magnetpole durch mehrere Permanentmagnete gebildet sind, die durch Segmente eines Rotorkerns geteilt sind, um Beständigkeit gegenüber Fliehkräften sicherzustellen und eine Hochgeschwindigkeitsdrehung zu ermöglichen, und auch, indem jeder der Permanentmagnete so ausgebildet ist, dass ein Abstand zwischen einer Außenumfangsseite der Permanentmagnete und einem Außenumfang des Rotorkerns ausgehend von einem umfänglich zentralen Abschnitt zu dem Segment hin allmählich zunimmt, um den Betrag des magnetischen Flusses der Permanentmagnete zu reduzieren, der durch das Segment entweicht (siehe z.B. JP 2002-272 030 A ).
Bei anderen herkömmlichen drehenden elektrischen Maschinen mit Permanentmagneten wird ein Rastmoment reduziert, indem eine umfängliche Anordnung mehrerer Permanentmagnete, die jeweilige Magnetpole bilden, in Form eines Halbach-Arrays hergestellt wird, bei dem Magnetisierungsrichtungen Richtungen sind, die an Polzentren konvergieren, oder Richtungen sind, die sich in einem radialen Muster ausbreiten (siehe z.B. JP 2002-354 721 A ).
Methoden zur Berechnung und Analyse von Feldbildern von elektrischen Maschinen sind bekannt. Beispielsweise die „Studienordnung der Fachhochschule Dortmund von 1999“ beschreibt Methoden der rechnerunterstützten Finite-Elemente-Berechnung. „MILLER, Small motor drives expander technology horizons, power engineering journal, Sep. 1987, S. 283–289“, „MILLER et al., Finite Elements applied to synchronous and switched reluctance motors IEE Seminar Current Trends in the use of Finite Elements (FE) in electromechanical analysis and design, IEE Savoy Plaze 2000”, “REECE, Electrical machines and electromagnetics, computer aids to design, Power Engineering Journal Nov. 1988, S. 315–321”, “ASCHENDORF, Amperhaltiger Röntgenblick, Zeitschrift KEM, 2001, S. 56ff” oder “ASCHENDORF, Erst berechnen, dann bauen, Zeitschrift Konstruktionspraxis, Nr. 6., 7. Jahrgang, Juni 1996, S. 16–19“ offenbaren Methoden zur effizienten und schnell durchführbaren Berechnung von Feldbildern.
Rotoren mit einer sogenannten Halbach-Magnetisierung sind dem Fachmann bekannt (vgl. beispielsweise DE 10 2004 017 157 A1 , US 2006/0 220 484 A1 , JP H08-251 846 H oder JP 2006-27 385 A ).
Magnete in Quaderform, die abgerundete Ecken oder Flächen aufweisen, sind dem Fachmann bekannt (vgl. beispielsweise JP 2002-272 030 A , JP 2002-27 690 A , JP 2005-6 484 A oder JP 2010-207 067 A ).
Bei einer Zusammensetzung eines Rotorpoles aus mehreren Magneten können die Magnete links und rechts vom zentralen Magnet kleiner ausgebildet sein (vgl. JP 2011-147 346 A , JP 2010-207 067 A oder JP 2002-335 643 A ).
Hinsichtlich des Standes der Technik wird weiterhin auf JP 2009-22 089 A verwiesen.
Zusammenfassung der Erfindung
Problem, das durch die Erfindung gelöst werden soll
In JP 2002-272 030 A wurde ein Rastmoment überhaupt nicht berücksichtigt, aber auf Grundlage der Beschreibung in JP 2002-354 721 A ist es möglich, ein Rastmoment zu reduzieren, indem eine umfängliche Anordnung der mehreren, jeweilige Magnetpole bildenden Permanentmagnete in Form eines Halbach-Arrays hergestellt wird. Weil jedoch in JP 2002-272 030 A und JP 2002-354 721 A alle Permanentmagnete von den Formen her identisch hergestellt sind, besteht ein Problem darin, dass leicht ein falscher Einbau stattfindet, wenn Permanentmagnete, die unterschiedliche Magnetisierungsrichtungen haben, in Magneteinsatzöffnungen eingebaut werden, die am Rotorkern ausgebildet sind, um das Halbach-Array herzustellen, wodurch die Rotormontagefähigkeit reduziert wird.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die vorstehenden Probleme zu lösen, und ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Rotor und eine drehende elektrische Maschine bereitzustellen, die diesen Rotor enthält, die Hochgeschwindigkeitsdrehung ermöglicht und ein Entweichen eines magnetischen Flusses zwischen Magnetpolen reduziert, um ein erhöhtes Drehmoment zu ermöglichen, indem einzelne Magnetpole unter Verwendung mehrerer Magnetblöcke aufgebaut werden, und die auch das Auftreten eines falschen Einbaus der Magnetblöcke in einen Rotorkern unterbindet, um zu ermöglichen, dass die Montagefähigkeit verbessert wird.
Mittel zum Lösen des Problems
Die vorstehenden Probleme werden durch die Gegenstände gemäß den unabhängigen Ansprüchen 1, 2 und 3 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Wirkungen der Erfindung
Weil nach der vorliegenden Erfindung die Permanentmagnete, die Magnetpole bilden, jeweils n Magnetblöcke umfassen, die so geformt sind, dass sie radial nach außen konvexe Querschnittsformen haben, ist die Beständigkeit gegenüber Fliehkräften erhöht, wodurch eine Hochgeschwindigkeitsdrehung ermöglich wird, und auch wird ein Entweichen eines magnetischen Flusses zwischen den Magnetpolen reduziert, wodurch ein erhöhtes Drehmoment erzielt werden kann.
Zusätzlich sind die n Magnetblöcke, die umfänglich angeordnet sind, so geformt, dass deren Umfangsbreiten bei den Magnetblöcken am schmälsten sind, die Zwischenpolzentren am nächsten sind, und sind so aufgebaut, dass sie eine Spiegelsymmetrie in Bezug auf eine Ebene haben, die durch das Magnetpolzentrum und die Mittelachse des Rotorkerns verläuft. Somit wird das Stattfinden eines falschen Einbaus beim Einbauen der Magnetblöcke in den Rotorkern unterbunden, wodurch die Rotormontagefähigkeit gesteigert wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein seitlicher Querschnitt, der eine drehende elektrische Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten nach Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist ein Teilquerschnitt, der einen Aufbau eines Permanentmagneten erklärt, der einen Teil eines einzelnen Magnetpols eines Rotors in der drehenden elektrischen Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten nach Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung bildet;
3 ist eine schematische Darstellung, die eine Bahn magnetischen Streuflusses innerhalb des Rotors in der drehenden elektrischen Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten nach Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung erklärt;
4 ist eine grafische Darstellung, die Ergebnisse einer Drehmomentanalyse an der drehenden elektrischen Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten nach Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 ist ein Schaubild, das Magnetisierungsrichtungen von Magnetblöcken im Rotor der drehenden elektrischen Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten nach Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung erklärt;
6 ist eine grafische Darstellung, die ein Verhältnis zwischen Drehmoment und Magnetisierungsrichtung in der drehenden elektrischen Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten nach Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 ist eine grafische Darstellung, die Verhältnisse zwischen Drehmoment und Magnetisierungsrichtung bei unterschiedlichen Umfangsbreitenverhältnissen in der drehenden elektrischen Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten nach Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 ist eine grafische Darstellung, die ein Höchstdrehmoment für jeweilige Umfangsbreitenverhältnisse in der drehenden elektrischen Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten nach Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt;
9 ist eine grafische Darstellung, die ein Verhältnis zwischen Magnetisierungsrichtung bei Höchstdrehmoment und Umfangsbreitenverhältnissen von Magneten in der drehenden elektrischen Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten nach Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt;
10 ist ein Schaubild, das einen Aufbau eines Permanentmagneten erklärt, der einen Teil eines einzelnen Magnetpols eines Rotors in einer drehenden elektrischen Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten nach einer Variante von Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung bildet;
11 ist eine grafische Darstellung, die ein Verhältnis zwischen Rastmoment und Magnetisierungsrichtung in einer drehenden elektrischen Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten nach Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt;
12 ist eine grafische Darstellung, die Verhältnisse zwischen Rastmoment anhand von Frequenz und Magnetisierungsrichtung in der drehenden elektrischen Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten nach Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt;
13 ist eine grafische Darstellung, die Verhältnisse zwischen Rastmoment/Drehmoment und Magnetisierungsrichtung bei unterschiedlichen Umfangsbreitenverhältnissen in der drehenden elektrischen Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten nach Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt;
14 ist eine grafische Darstellung, die ein Verhältnis zwischen Magnetisierungsrichtung bei Mindestrastmoment/-drehmoment und Umfangsbreitenverhältnissen von Magneten in der drehenden elektrischen Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten nach Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt;
15 ist ein Teilquerschnitt, der einen Aufbau eines Permanentmagneten erklärt, der einen Teil eines einzelnen Magnetpols eines Rotors in einer drehenden elektrischen Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten nach Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung bildet;
16 ist ein Teilquerschnitt, der einen Aufbau eines Permanentmagneten erklärt, der einen Teil eines einzelnen Magnetpols eines Rotors in einer drehenden elektrischen Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten nach Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung bildet;
17 ist eine grafische Darstellung, die ein Verhältnis zwischen radialer Breite von Brückenabschnitten und Drehmoment in der drehenden elektrischen Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten nach Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung zeigt;
18 ist ein Teilquerschnitt, der einen Aufbau eines Permanentmagneten erklärt, der einen Teil eines einzelnen Magnetpols eines Rotors in einer drehenden elektrischen Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten nach Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung bildet;
19 ist ein Teilquerschnitt, der einen Aufbau eines Permanentmagneten erklärt, der einen Teil eines einzelnen Magnetpols eines Rotors in einer drehenden elektrischen Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten nach Ausführungsform 6 der vorliegenden Erfindung bildet;
20 ist ein Teilquerschnitt, der einen Aufbau eines Permanentmagneten erklärt, der einen Teil eines einzelnen Magnetpols eines Rotors in einer drehenden elektrischen Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten nach Ausführungsform 7 der vorliegenden Erfindung bildet; und
21 ist ein Teilquerschnitt, der einen Aufbau eines Permanentmagneten erklärt, der einen Teil eines einzelnen Magnetpols eines Rotors in einer drehenden elektrischen Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten nach Ausführungsform 8 der vorliegenden Erfindung bildet.
Beschreibung der Ausführungsformen
Bevorzugte Ausführungsformen eines Rotors einer drehenden elektrischen Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten nach der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Ausführungsform 1
1 ist ein seitlicher Querschnitt, der eine drehende elektrische Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten nach Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt, 2 ist ein Teilquerschnitt, der einen Aufbau eines Permanentmagneten erklärt, der einen Teil eines einzelnen Magnetpols eines Rotors in der drehenden elektrischen Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten nach Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung bildet, 3 ist eine schematische Darstellung, die eine Bahn magnetischen Streuflusses innerhalb des Rotors in der drehenden elektrischen Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten nach Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung erklärt, und 4 ist eine grafische Darstellung, die Ergebnisse einer Drehmomentanalyse an der drehenden elektrischen Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten nach Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt. Zudem ist der Einfachheit halber eine Statorwicklung aus 1 weggelassen. Darüber hinaus ist ein seitlicher Querschnitt ein Querschnitt, der einen Schnitt zeigt, der senkrecht zu einer Mittelachse einer Drehwelle ist.
In 1 umfasst eine drehende elektrische Maschine 1 mit eingebetteten Permanentmagneten: einen Stator 2, der aufweist: einen ringförmigen Statorkern 3; und eine Statorwicklung 4, die am Statorkern 3 angebracht ist; und einen Rotor 5, der an einer Drehwelle 6 befestigt ist, und der drehbeweglich auf einer Innenumfangsseite des Stators 2 angeordnet ist, um einen konstanten Zwischenraum weg vom Statorkern 3 sicherzustellen.
Der Statorkern 3 weist auf: einen ringförmigen Kernrücken 3a; und zwölf Zähne 3b, die jeweils so angeordnet sind, dass sie in einer vorbestimmten Teilung in einer Umfangsrichtung ausgehend von einer Innenumfangsfläche des Kernrückens 3a radial nach innen vorstehen, und der dadurch hergestellt wird, dass eine Anzahl elektromagnetischer Stahlbleche gestapelt und integriert werden, die beispielsweise zu identischen Formen gestanzt wurden. Bereiche, die vom Kernrücken 3a und angrenzenden Zähnen 3b umgeben sind, bilden Nuten 3c. Die Statorwicklung 4 hat zwölf konzentrierte Wicklungsspulen 4a, die dadurch hergestellt werden, dass ein Leiterdraht über mehrere Windungen auf jeden der Zähne 3b aufgewickelt wird. Die zwölf konzentrierten Wicklungsspulen 4a sind so angeordnet, dass sich beispielsweise eine Folge aus einer U-Phase, einer V-Phase und einer W-Phase umfänglich viermal wiederholt.
Der Rotor 5 weist auf: einen Rotorkern 7, der eine Zylinderfläche als Außenumfangsfläche hat, die Drehwelle 6, die am Rotorkern 7 so angebracht ist, dass sie durch eine zentrale Stelle von diesem hindurchtritt und durch Presspassung, Schrumpfpassung oder durch einen Keil fixiert ist; und acht Gruppen Permanentmagnete 8, die jeweils drei Magnetblöcke 8a, 8b und 8c umfassen und so angebracht sind, dass sie durch eine Außenumfangsseite des Rotorkerns 7 hindurchtreten. Die umfänglich benachbarten acht Gruppen Permanentmagnete 8 sind jeweils so angeordnet, dass sich unterschiedliche Magnetpole umfänglich abwechseln.
Der Rotorkern 7 wird dadurch hergestellt, dass elektromagnetische Stahlbleche schichtweise übereinandergelegt und integriert werden, die beispielsweise zu einer Ringform gestanzt wurden. Wie in 2 gezeigt, haben Gruppen von Magneteinsatzöffnungen 10a, 10b und 10c jeweilige Öffnungsformen, die fächerförmige Querschnitte haben, in denen Innenumfangsflächen kreisbogenförmige Flächen sind, die identische Krümmungsradien haben, und Außenumfangsflächen kreisbogenförmige Flächen sind, die kleinere Krümmungsradien haben als die Innenumfangsflächen, wobei acht Gruppen in einer gleichmäßigen Winkelteilung in einer Umfangsrichtung so geformt sind, dass sie axial durch die Außenumfangsseite des Rotorkerns 7 hindurchtreten. Die Magneteinsatzöffnungen 10a und 10c sind so geformt, dass sie identische Öffnungsformen haben, und sind auf zwei Umfangsseiten der Magneteinsatzöffnung 10b mit dazwischen eingesetzten Rippenabschnitten 11b angeordnet. Die auf diese Weise arrangierten Magneteinsatzöffnungen 10a, 10b, 10c haben eine Spiegelsymmetrie in Bezug auf eine Ebene, die durch ein Magnetpolzentrum 20 (eine umfänglich zentrale Stelle beispielsweise eines Nord-suchenden(N)-Pols) und eine Mittelachse der Drehwelle 6 (des Rotorkerns 7) verläuft.
Hier ist eine Umfangsbreite θc der Magneteinsatzöffnungen 10a und 10c schmäler als eine Umfangsbreite θb der Magneteinsatzöffnung 10b. Darüber hinaus ist eine radiale Breite (ein Mindestabstand Tc) an umfänglich zentralen Stellen von Brückenabschnitten 12a und 12c schmäler als eine radiale Breite (ein Mindestabstand Tb) an einer umfänglich zentralen Stelle des Brückenabschnitts 12b.
Zudem ist der Brückenabschnitt 12b eine Abschnitt des Rotorkerns 7 auf einer Außenumfangsseite der Magneteinsatzöffnung 10b, und die Brückenabschnitte 12a und 12c sind Abschnitte des Rotorkerns 7 auf den Außenumfangsseiten der Magneteinsatzöffnungen 10a bzw. 10c. Abschnitte des Rotorkerns 7 zwischen den Magneteinsatzöffnungen 10a und 10c und Ebenen, die durch Zwischenpolzentren 21 (umfänglich zentralen Stellen zwischen den N-Polen und Süden-suchenden(S)-Polen) und der Drehwelle 6 verlaufen, werden jeweils Rippenabschnitte 11a und 11c genannt. Die Rippenabschnitte 11a und 11c sind integriert, um Zwischenpolrippenabschnitte zu bilden.
Die Magnetblöcke 8a, 8b und 8c sind in Form von Prismen hergestellt, die jeweils eine Länge haben, die gleich einer axialen Länge des Rotorkerns 7 ist, und radial nach außen konvexe Querschnittsformen haben, die in etwa den Öffnungsquerschnittsformen der Magneteinsatzöffnungen 10a, 10b und 10c entsprechen. Die Magnetblöcke 8a, 8b und 8c werden in die jeweiligen Magneteinsatzöffnungen 10a, 10b und 10c eingesetzt und unter Verwendung eines Klebstoffs, usw. fixiert. Zudem sind gebundene Magnete, die sich mühelos in den gewünschten Formen herstellen lassen, als das Material für die Magnetblöcke 8a, 8b und 8c vorzuziehen, aber es lassen sich auch gesinterte Magnete wie etwa Neodymmagnete, Samarium-/Kobaltmagnete, Ferritmagnete etc. verwenden.
Zusätzlich ist, wie in 2 gezeigt, der Magnetblock 8b magnetisch so ausgerichtet, dass eine Magnetisierungsrichtung 9 radial nach außen besteht, und die Magnetblöcke 8a und 8c sind magnetisch so ausgerichtet, dass Magnetisierungsrichtungen 9 radial nach außen und zum Magnetpolzentrum 20 hin bestehen. Mit anderen Worten sind die drei Magnetblöcke 8a, 8b und 8c, die den Permanentmagneten 8 bilden, umfänglich in einem Halbach-Array so angeordnet, dass sich ein N-Pol an der Oberfläche des Rotorkerns 7 ergibt.
Wie in 3 gezeigt ist, ist der Magnetblock 8b des Permanentmagneten 8, der den S-Pol bildet, magnetisch so ausgerichtet, dass eine Magnetisierungsrichtung 9 radial nach innen besteht, und die Magnetblöcke 8a und 8c sind magnetisch so ausgerichtet, dass Magnetisierungsrichtungen 9 radial nach innen und vom Magnetpolzentrum 20 weg bestehen. Mit anderen Worten sind diese drei Magnetblöcke 8a, 8b und 8c in einem Halbach-Array umfänglich so angeordnet, dass sich ein S-Pol an der Oberfläche des Rotorkerns 7 ergibt.
Die umfänglich benachbarten acht Gruppen Permanentmagnete 8 sind jeweils magnetisch so ausgerichtet, dass sich unterschiedliche Magnetpole umfänglich abwechseln. Die Formen und Magnetisierungsrichtungen 9 der Magnetblöcke 8a, 8b und 8c, die die jeweiligen Gruppen Permanentmagnete 8 bilden, die umfänglich auf diese Weise arrangiert sind, haben eine Spiegelsymmetrie in Bezug auf eine Ebene, die durch das Magnetpolzentrum 20 und die Mittelachse der Drehwelle 6 verläuft.
Die auf diese Weise aufgebaute drehende elektrische Maschine 1 mit eingebetteten Permanentmagneten wirkt als Elektromotor oder Generator mit acht Polen, zwölf Nuten und innenliegendem Rotor.
Nach Ausführungsform 1 sind die jeweiligen Gruppen Permanentmagnete 8 durch die drei Magnetblöcke 8a, 8b und 8c, gebildet, die Magnetblöcke 8a, 8b und 8c sind so geformt, dass sie radial nach außen konvexe Querschnittsformen haben, und bei der umfänglichen Anordnung der Magnetblöcke 8a, 8b und 8c handelt es sich um ein Halbach-Array. Somit ist die Beständigkeit gegenüber Fliehkräften sichergestellt, wodurch eine Hochgeschwindigkeitsdrehung ermöglicht wird und es weniger wahrscheinlich ist, dass ein von den Permanentmagneten 8 ausgehender magnetischer Fluss durch die Brückenabschnitte 12a, 12b und 12c entweicht, wodurch eine Drehmomentabnahme verhindert wird und ein Rastmoment reduziert werden kann.
Zusätzlich ist die Umfangsbreite θc der Magnetblöcke 8a und 8c schmäler als die Umfangsbreite θb des Magnetblocks 8b, und die Formen und Magnetisierungsrichtungen 9 der Magnetblöcke 8a, 8b und 8c, die einen Teil der jeweiligen Gruppen Permanentmagnete 8 bilden, haben eine Spiegelsymmetrie in Bezug auf eine Ebene, die durch das Magnetpolzentrum 20 und die Mittelachse der Drehwelle 6 verläuft. Weil die Magnetblöcke 8a und 8c nicht in die Magneteinsatzöffnungen 10b eingesetzt werden können und der Magnetblock 8b nicht in die Magneteinsatzöffnungen 10a und 10c eingesetzt werden kann, ist somit ein falscher Einbau der Magnetblöcke 8a, 8b und 8c reduziert, wodurch die Montagefähigkeit des Rotors 5 verbessert wird.
Als Nächstes wird die Beständigkeit des Rotors 5 gegenüber Fliehkräften erklärt.
Wenn der Rotor 5 in Drehung versetzt ist, wirken Fliehkräfte auf jeden der Magnetblöcke 8a, 8b und 8c. Die Fliehkraft, die auf den Magnetblock 8b wirkt, wird vom Brückenabschnitt 12b ausgestanden, und eine Belastung konzentriert sich am Mindestbreitenabschnitt des Brückenabschnitts 12b. Die Fliehkräfte, die auf die Magnetblöcke 8a und 8c wirken, werden von den Brückenabschnitten 12a und 12c ausgestanden, und Belastungen konzentrieren sich an den Mindestbreitenabschnitten der Brückenabschnitte 12a und 12c. Hier ist die Umfangsbreite θb des Magnetblocks 8b breiter als die Umfangsbreite θc der Magnetblöcke 8a und 8c, und der Magnetblock 8b hat das schwerste Gewicht. Somit ist die Fliehkraft, die auf den Magnetblock 8b wirkt, größer als die Fliehkräfte, die auf die Magnetblöcke 8a und 8b wirken. Also ist die Belastung, die im Mindestbreitenabschnitt des Brückenabschnitts 12b auftritt, größer als die Belastungen, die in den Mindestbreitenabschnitten der Brückenabschnitte 12a und 12 auftreten.
Folglich wird der Mindestabstand Tb des Mindestbreitenabschnitts des Brückenabschnitts 12b auf eine Breite eingestellt, die den Magnetblock 8b entgegen der Zentrifugalkraft halten kann, die auf den Magnetblock 8b wirkt. Der Mindestabstand Tc der Mindestbreitenabschnitte der Brückenabschnitte 12a und 12c können hingegen auf eine Breite eingestellt werden, die kleiner als Tb ist, vorausgesetzt, die Breite kann die Magnetblöcke 8a und 8c entgegen den Zentrifugalkräften halten, die auf die Magnetblöcke 8a und 8c wirken. Zudem werden die Rippenabschnitte 11b auf eine Breite eingestellt, die gleich dem Mindestabstand Tb des Brückenabschnitts 12b ist, und die Rippenabschnitte 11a und 11c werden auf Breiten eingestellt, die gleich dem Mindestabstand Tc der Brückenabschnitte 12a und 12c ist.
Nun besteht im Inneren des Rotor 5, wie in 3 gezeigt: ein magnetischer Streufluss 13, der ausgehend von den Magnetblöcken 8b, die einen Teil der N-Pole durch die Brückenabschnitte 12a, 12b und 12c bilden, welche die Außenumfangsseite des Rotorkerns 7 bilden, zu den Magnetblöcken 8b fließt, die einen Teil der S-Pole bilden; und ein magnetischer Streufluss 14, der durch die Rippenabschnitte 11b fließt. Der magnetische Streufluss 13 tritt zwischen den N-Polen und den S-Polen auf, was ihn besonders problematisch macht. Die Größe dieses magnetischen Streuflusses 13 wird durch den Mindestabstand Tc der Mindestbreitenabschnitte der Brückenabschnitte 12a und 12c bestimmt.
Weil in der Ausführungsform 1 der Mindestabstand Tc der Brückenabschnitte 12a und 12c schmäler ausgelegt ist als der Mindestabstand Tb des Brückenabschnitts 12b, kann der Betrag des magnetischen Flussaustritts zwischen den Magnetpolen im Vergleich dazu reduziert werden, dass die Mindestabstände der drei Brückenabschnitte 12a, 12b und 12c allesamt gleich, d.h. gleich dem Mindestabstand Tb sind. Die leerlaufinduzierte Spannung des Elektromotors kann dadurch verbessert werden, wodurch ein Drehmoment erhöht werden kann.
Nun sind in 4 Ergebnisse einer Magnetfeldanalyse am Verhältnis zwischen den Mindestabständen Tb und Tc der Brückenabschnitte 12a, 12b und 12c und Drehmoment gezeigt. Aus 4 war es möglich, nachzuweisen, dass, wenn Tb = 1,3 Tc ist, das Drehmoment im Vergleich dazu, dass Tb = Tc ist, um 0,2 Prozent verbessert wird.
Als Nächstes wird ein Verhältnis zwischen den Magnetisierungsrichtungen 9 der Magnetblöcke 8a, 8b und 8c und einem Drehmoment anhand der 5 bis 9 erklärt. 5 ist ein Schaubild, das Magnetisierungsrichtungen von Magnetblöcken im Rotor der drehenden elektrischen Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten nach Ausführungsform 1 der vorliegende Erfindung erklärt, 6 ist eine grafische Darstellung, die ein Verhältnis zwischen Drehmoment und Magnetisierungsrichtung in der drehenden elektrischen Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten nach Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt, 7 ist eine grafische Darstellung, die Verhältnisse zwischen Drehmoment und Magnetisierungsrichtung bei unterschiedlichen Umfangsbreitenverhältnissen in der drehenden elektrischen Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten nach Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt, 8 ist eine grafische Darstellung, die ein Höchstdrehmoment für jeweilige Umfangsbreitenverhältnisse in der drehenden elektrischen Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten nach Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt, und 9 ist eine grafische Darstellung, die ein Verhältnis zwischen Magnetisierungsrichtung bei Höchstdrehmoment und Umfangsbreitenverhältnissen von Magneten in der drehenden elektrischen Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten nach Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
In 5 ist die Magnetisierungsrichtung 9 des Magnetblocks 8b in einer Ebene, die senkrecht zur Mittelachse der Drehwelle 6 ist, parallel zu einer Umfangsmittellinie 22 des Magnetblocks 8b. Die Magnetisierungsrichtungen 9 der Magnetblöcke 8a und 8c sind in einem Ausrichtungswinkel α in Bezug auf gerade Linien 23 geneigt, die in der Ebene, die senkrecht zur Mittelachse der Drehwelle 6 ist, senkrecht zu Umfangsmittellinien 22 der Magnetblöcke 8a und 8c sind. Wenn hier der Ausrichtungswinkel α 0 Grad beträgt, sind die Magnetisierungsrichtungen 9 in einer Umfangsrichtung ausgerichtet, und wenn der Ausrichtungswinkel α 90 Grad beträgt, sind die Magnetisierungsrichtungen 9 in einer radialen Richtung ausgerichtet. Zudem ist die Umfangsmittellinie 22 des Magnetblocks 8a eine gerade Linie, die durch eine umfänglich zentrale Stelle des Magnetblocks 8a und die Mittelachse der Drehwelle 6 in einer Ebene verläuft, die senkrecht zur Mittelachse der Drehwelle 6 ist. Die Umfangsmittellinien 22 der Magnetblöcke 8b und 8c sind ähnlich definiert. Die Umfangsmittellinie 22 des Magnetblocks 8b fluchtet mit dem Magnetpolzentrum 20.
Zuerst sind in 6 Ergebnisse des Durchführens von Magnetfeldanalysen eines Drehmoments bei einer Änderung des Ausrichtungswinkels α der Magnetisierungsrichtungen 9 der Magnetblöcke 8a und 8c gezeigt, wobei ein Verhältnis zwischen der Umfangsbreite θc der Magnetblöcke 8a und 8c und der Umfangsbreite θb des Magnetblocks 8b auf 1:2,5 eingestellt ist. Aus 6 wurde festgestellt, dass das Drehmoment des Elektromotors einen Höchstwert hat, wenn der Ausrichtungswinkel α in einem Bereich von 20 bis 40 Grad liegt.
Als Nächstes sind in 7 Ergebnisse des Durchführens von Magnetfeldanalysen eines Drehmoments bei einer Änderung des Ausrichtungswinkels α der Magnetisierungsrichtungen 9 der Magnetblöcke 8a und 8c, wenn Tb = Tc ist, gezeigt und das Verhältnis zwischen der Umfangsbreite θc der Magnetblöcke 8a und 8c und der Umfangsbreite θb des Magnetblocks 8b ist 1:1, 1:2, 1:2,5, 1:3, 1:4 und 1:6. Zudem ist in 7 das Drehmoment so standardisiert, dass 1 das höchste Drehmoment darstellt, wenn das Umfangsbreitenverhältnis (θb/θc) 1:1 beträgt. Aus 7 wurde festgestellt, dass der Ausrichtungswinkel α, bei dem das Drehmoment maximiert ist, anders ist, wenn das Umfangsbreitenverhältnis (θb/θc) ein anderes ist.
Nun ist in 8 das höchste Drehmoment für jedes der Umfangsbreitenverhältnisse (θb/θc) gezeigt, die auf den Analyseergebnissen beruhen, die in 7 gezeigt sind. in 8 ist das höchste Drehmoment gezeigt, wenn Tb = Tc ist, und der Fall, in dem das Umfangsbreitenverhältnis (θb/θc) = 1 ist, entspricht einem Fall, in dem Permanentmagnete, die die in Patentschrift 1 gezeigten Formen haben, durch drei Magnetblöcke gebildet sind. Aus 8 wurde festgestellt, dass das Drehmoment zunimmt, wenn das Umfangsbreitenverhältnis (θb/θc) zunimmt. Zudem kann ein sogar noch größeres Drehmoment erzielt werden, weil der magnetische Streufluss reduziert wird, wenn Tb > Tc ausgelegt wird.
Als Nächstes ist in 9 ein Verhältnis, das auf den in 7 gezeigten Analyseergebnissen beruht, zwischen dem Ausrichtungswinkel α und dem Umfangsbreitenverhältnis (θb/θc) gezeigt, wenn das Drehmoment maximiert ist. Aus 9 wurde festgestellt, dass der Ausrichtungswinkel α, bei dem das Drehmoment maximiert ist, in einem proportionalen Verhältnis zum Umfangsbreitenverhältnis (θb/θc) steht, wobei der Ausrichtungswinkel α kleiner wird, wenn das Umfangsbreitenverhältnis (θb/θc) zunimmt. Ausgehend von 9 lässt sich das Verhältnis zwischen dem Ausrichtungswinkel α und dem Umfangsbreitenverhältnis (θb/θc) durch Ausdruck 1 darstellen: α = –4,8(θb/θc) + 49,7 (Grad) (Ausdruck 1).
Aus 7 ist zu sehen, dass nahe dem Ausrichtungswinkel α, bei das Drehmoment maximiert ist, der Drehmomentänderungsbetrag in Bezug auf den Drehmomenthöchstbetrag in einem Bereich von +/–10 Grad des betreffenden Ausrichtungswinkels α weniger als ein oder gleich einem Prozent ist. Um das Drehmoment zu erhöhen, ist es somit wünschenswert, den Ausrichtungswinkel α so einzustellen, dass Ausdruck 2 erfüllt wird: α1min ≤ α ≤ α1max (Ausdruck 2)
Zudem haben α1min und α1max die folgenden Werte: α1min = 39,7 – 4,8(θb/θc) (Grad) (wobei θb/θc ≤ 8,27); α1min = 0 (Grad) (wobei θb/θc > 8,27); α1max = 59,7 – 4,8(θb/θc) (Grad) (wobei θb/θc ≤ 10,35); und α1max = 10 (Grad) (wobei θb/θc > 10,35).
Zudem umfassen in der vorstehenden Ausführungsform 1 die Permanentmagnete 8 in jedem Pol drei Magnetblöcke 8a, 8b und 8c, aber, wie in 10 gezeigt, kann der Magnetblock 8b aufweisen: einen Magnetblock 80b2, der im Magnetpolzentrum magnetisch so ausgerichtet angeordnet ist, dass die Magnetisierungsrichtung 9 radial nach außen besteht; und zwei Magnetblöcke 80b1 und 80b3, die auf zwei Umfangsseiten des Magnetblocks 80b2 magnetisch so ausgerichtet angeordnet sind, dass die Magnetisierungsrichtungen 9 parallel zur Magnetisierungsrichtung 9 des Magnetblocks 8b2 sind.
Ausführungsform 2
In der vorstehenden Ausführungsform 1 wurde ein Verhältnis zwischen einem Ausrichtungswinkel, bei dem ein Drehmoment maximiert ist, und einem Umfangsbreitenverhältnis der Magnetblöcke gezeigt, aber in der Ausführungsform 2 wird ein Verhältnis zwischen einem Rastmoment und einem Ausrichtungswinkel gezeigt. 11 ist eine grafische Darstellung, die ein Verhältnis zwischen Rastmoment und Magnetisierungsrichtung in einer drehenden elektrischen Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten nach Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt, 12 ist eine grafische Darstellung, die Verhältnisse zwischen Rastmoment anhand von Frequenz und Magnetisierungsrichtung in der drehenden elektrischen Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten nach Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt, 13 ist eine grafische Darstellung, die Verhältnisse zwischen Rastmoment/Drehmoment und Magnetisierungsrichtung bei unterschiedlichen Umfangsbreitenverhältnissen in der drehenden elektrischen Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten nach Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt, und 14 ist eine grafische Darstellung, die ein Verhältnis zwischen Magnetisierungsrichtung bei Mindestrastmoment/-drehmoment und Umfangsbreitenverhältnissen von Magneten in der drehenden elektrischen Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten nach Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt. Außerdem ist die Definition des Ausrichtungswinkels α identisch zu derjenigen der vorstehenden Ausführungsform 1.
Zuerst sind in 11 Ergebnisse gezeigt, als eine Amplitude des Rastmoments auf ein Drehmoment bei dem Ausrichtungswinkel α standardisiert war, bei dem ein mittleres Drehmoment am größten war, wobei ein Verhältnis zwischen einer Umfangsbreite θc von Magnetblöcken 8a und 8c und einer Umfangsbreite θb eines Magnetblocks 8b auf 1:2,5 eingestellt war. Aus 11 wurde festgestellt, dass der Rastmomentabsolutwert einen Mindestwert hat, wenn der Ausrichtungswinkel α 45 Grad beträgt. Aus 11 wurde auch festgestellt, dass das Rastmoment in einem Elektromotor reduziert ist, wenn der Ausrichtungswinkel α in einem Bereich von 30 bis 60 Grad liegt.
Als Nächstes sind in 12 Ergebnisse eines Durchführens von Magnetfeldanalysen eines Rastmoments für Frequenzkomponenten (6f, 12f, 18f) bei Änderung des Ausrichtungswinkels α von Magnetisierungsrichtungen 9 der Magnetblöcke 8a und 8c gezeigt, wobei ein Verhältnis zwischen der Umfangsbreite θc der Magnetblöcke 8a und 8c und der Umfangsbreite θb des Magnetblocks 8b auf 1;2,5 eingestellt war. Zudem ist f die Frequenz pro einer Periode eines elektrischen Winkels. In 12 stellt die vertikale Achse ein Rastmoment dar, wobei positive Werte über 0 und negative Werte unter 0 dargestellt sind. Hier gibt eine Rastmoment mit einem negativen Wert an, dass die Phase 180 Grad beträgt (die 6f-Phase ist invertiert), wobei die Phase der 6f-Komponente des Rastmoments 0 Grad beträgt, wenn der Ausrichtungswinkel α 0 Grad beträgt. Aus 12 wurde festgestellt, dass die 6f-Komponente des Rastmoments in der Nähe eines Ausrichtungswinkels von 45 Grad einen Mindestwert annimmt. Zusätzlich wurde festgestellt, dass die 12f-Komponente und die 18f-Komponente des Rastmoments bei über oder gleich dem Ausrichtungswinkel von 45 Grad nicht generiert werden.
Aus dem Vorstehenden ist es auf Grundlage der 6 und 11 vorzuziehen, den Ausrichtungswinkel α vom Gesichtspunkt her, das Drehmoment zu erhöhen und das Rastmoment zu senken, auf einen Bereich einzustellen, der größer als oder gleich 30 Grad und kleiner als oder gleich 45 Grad ist. Darüber hinaus wird, wenn mehrere Frequenzkomponenten vorhanden sind, eine Regelung elektrischen Stroms des Motors zum Senken des Rastmoments komplex. Daher ist es auf Grundlage von 12 vom Gesichtspunkt her, eine Regelung elektrischen Stroms des Motors zum Senken des Rastmoments zu erleichtern, vorzuziehen, den Ausrichtungswinkel α auf einen Bereich einzustellen, der größer als oder gleich 45 Grad und kleiner als oder gleich 60 Grad ist, in dem andere Frequenzkomponenten als die 6f-Komponene des Rastmoments vernachlässigbar generiert werden.
Als Nächstes sind Ergebnisse in 13 gezeigt, als die Amplitude eines Rastmoments auf ein Drehmoment bei dem Ausrichtungswinkel α standardisiert war, bei dem das mittlere Drehmoment am größten war, als Tb = Tc war, und das Verhältnis zwischen der Umfangsbreite θc der Magnetblöcke 8a und 8c und der Umfangsbreite θb des Magnetblocks 8b 1:1, 1:2, 1:2,5, 1:3, 1:4 und 1:6 betrug. Aus 13 wurde festgestellt, dass der Ausrichtungswinkel α, bei dem das Rastmoment/Drehmoment minimiert ist, anders ist, wenn das Umfangsbreitenverhältnis (θb/θc) ein anderes ist.
Als Nächstes ist in 14 ein Verhältnis zwischen dem Ausrichtungswinkel α und dem Umfangsbreitenverhältnis (θb/θc), wenn das Rastmoment/Drehmoment minimiert, gezeigt, das auf den in 13 gezeigten Ergebnissen beruht. Aus 14 wurde festgestellt, dass der Ausrichtungswinkel α, bei dem das Rastmoment/Drehmoment minimiert ist, in einem proportionalen Verhältnis zum Umfangsbreitenverhältnis (θb/θc) steht, wobei der Ausrichtungswinkel α kleiner wird, wenn das Umfangsbreitenverhältnis (θb/θc) zunimmt. Ausgehend von 14 lässt sich das Verhältnis zwischen dem Ausrichtungswinkel α und dem Umfangsbreitenverhältnis (θb/θc) durch Ausdruck 3 darstellen: α = –27,5(θb/θc) + 110,8 (Grad) (Ausdruck 3).
Aus 13 ist zu sehen, dass nahe dem Ausrichtungswinkel α, bei das Rastmoment/Drehmoment minimiert ist, der Rastmoment-/Drehmomentänderungsbetrag in Bezug auf den Rastmoment-/Drehmomentmindestbetrag in einem Bereich von +/–10 Grad des betreffenden Ausrichtungswinkels α weniger als oder gleich 0,5 Prozent ist. Um das Rastmoment/Drehmoment zu senken, ist es somit wünschenswert, den Ausrichtungswinkel α so einzustellen, dass Ausdruck 4 erfüllt wird: α2min ≤ α ≤ α2max (Ausdruck 4)
Zudem haben α2min und α2max die folgenden Werte: α2min = 100,8 – 27,5(θb/θc) (Grad) (wobei θb/θc ≤ 3,67); α2min = 0 (Grad) (wobei θb/θc > 3,67); α2max = 120,8 – 27,5(θb/θc) (Grad) (wobei θb/θc ≤ 4,03); und α2max = 10 (Grad) (wobei θb/θc > 4,03).
Ausführungsform 3
15 ist ein Teilquerschnitt, der einen Aufbau eines Permanentmagneten erklärt, der einen Teil eines einzelnen Magnetpols eines Rotors in einer drehenden elektrischen Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten nach Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung bildet.
In 15 sind radiale Breiten von Brückenabschnitten 12a und 12c eines Rotorkerns 7A in Bereichen, die sich von Umfangsmittellinien 22 von Magnetblöcken 8a und 8c zu Endabschnitten nahe Zwischenpolzentren 21 erstrecken, konstant, und zwar ein Mindestabstand Tc.
Zudem ist Ausführungsform 3 auf eine ähnliche oder gleiche Weise aufgebaut wie die vorstehende Ausführungsform 1, mit der Ausnahme, dass der Rotorkern 7A anstelle des Rotorkerns 7 verwendet wird.
In Ausführungsform 3 umfassen einzelne Magnetpole drei Magnetblöcke 8a, 8b und 8c, die Magnetblöcke 8a, 8b und 8c sind so geformt, dass sie radial nach außen konvexe Querschnittsformen haben, und bei der Umfangsanordnung der Magnetblöcke 8a, 8b und 8c handelt es sich um ein Halbach-Array. Zusätzlich ist die Umfangsbreite θc der Magnetblöcke 8a und 8c schmäler als die Umfangsbreite θb des Magnetblocks 8b, und die Formen und Magnetisierungsrichtungen 9 der Magnetblöcke 8a, 8b und 8c, die einen Teil der einzelnen Magnetpole bilden, haben eine Spiegelsymmetrie in Bezug auf eine Ebene, die durch das Magnetpolzentrum 20 und die Mittelachse der Drehwelle 6 verläuft. Folglich können auch zu denen der vorstehenden Ausführungsform 1 ähnliche oder gleiche Wirkungen in der Ausführungsform 3 erzielt werden.
Nach Ausführungsform 3 ist der Mindestabstand Tc der radialen Breite an den umfänglich zentralen Stellen der Brückenabschnitte 12a und 12c kürzer als der Mindestabstand Tb der radialen Breite an der umfänglich zentralen Stelle des Brückenabschnitts 12b, und die radialen Breiten der Brückenabschnitte 12a und 12c sind in Bereichen, die sich von den Umfangsmittellinien 22 der Magnetpole 8a und 8c zu den Endabschnitten nahe den Zwischenpolzentren 21 erstrecken, ein Mindestabstand Tc. Somit ist der Betrag eines magnetischen Streuflusses reduziert, der ausgehend von den Magnetblöcken 8b, die einen Teil der N-Pole bilden, durch die Brückenabschnitte 12a und 12c zu den Magnetblöcken 8b fließt, die einen Teil der S-Pole bilden, wodurch das Drehmoment des Elektromotors verbessert werden kann.
Ausführungsform 4
16 ist ein Teilquerschnitt, der einen Aufbau eines Permanentmagneten erklärt, der einen Teil eines einzelnen Magnetpols eines Rotors in einer drehenden elektrischen Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten nach Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung bildet, und 17 ist eine grafische Darstellung, die ein Verhältnis zwischen radialer Breite von Brückenabschnitten und Drehmoment in der drehenden elektrischen Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten nach Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung zeigt.
In 16 bilden drei Magnetblöcke 8a1, 8b und 8c1 einen Teil eines einzelnen Magnetpols. Die Magnetblöcke 8a1 und 8c1 sind in Form von Prismen hergestellt, die eine fächerförmige Querschnittsform haben, bei der eine radiale Länge einer Seitenfläche nahe einem Magnetpolzentrum 20 kürzer ist als eine radiale Länge einer Seitenfläche nahe einem Zwischenpolzentrum 21. Die Magnetblöcke 8a1 und 8c1 sind auf eine den Magnetblöcken 8a und 8c ähnliche oder identische Weise magnetisch ausgerichtet. Magneteinsatzöffnungen 10a1, 10b und 10c1 sind jeweils so geformt, dass sie Öffnungsformen haben, die den Querschnittsformen der Magnetblöcke 8a1, 8b und 8c1 ähnlich sind, um durch eine Außenumfangsseite des Rotorkerns 7B hindurchzutreten, der eine Zylinderfläche als Außenumfangsfläche hat.
Die drei Magnetblöcke 8a1, 8b und 8c1 werden jeweils in die Magneteinsatzöffnungen 10a1, 10b und 10c1 eingesetzt und unter Verwendung eines Klebstoffs, usw. am Rotorkern 7B fixiert. Die Formen und Magnetisierungsrichtungen 9 der einen Teil des einzelnen Magnetpols bildenden drei Magnetblöcke 8a1, 8b und 8c1, die umfänglich auf diese Weise arrangiert sind, haben eine Spiegelsymmetrie in Bezug auf eine Ebene, die durch das Magnetpolzentrum 20 und die Mittelachse der Drehwelle 6 verläuft. Radiale Breiten Tcr von Endabschnitten der Brückenabschnitte 12a1 und 12c1 nahe den Zwischenpolzentren 21 sind schmäler als die radialen Breiten Tcl von Endabschnitten nahe dem Magnetpolzentrum 20.
Zudem ist der Rest des Aufbaus auf eine zur vorstehenden Ausführungsform 1 ähnliche oder identische Weise ausgebildet.
In Ausführungsform 4 umfassen einzelne Magnetpole drei Magnetblöcke 8a1, 8b und 8c1, die Magnetblöcke 8a1, 8b und 8c1 sind so geformt, dass sie radial nach außen konvexe Querschnittsformen haben, und bei der Umfangsanordnung der Magnetblöcke 8a1, 8b und 8c1 handelt es sich um ein Halbach-Array. Zusätzlich ist die Umfangsbreite θc der Magnetblöcke 8a1 und 8c1 schmäler als die Umfangsbreite θb des Magnetblocks 8b, und die Formen und Magnetisierungsrichtungen 9 der Magnetblöcke 8a1, 8b und 8c1, die einen Teil der einzelnen Magnetpole bilden, haben eine Spiegelsymmetrie in Bezug auf Ebenen, die durch die Magnetpolzentren 20 und die Mittelachse der Drehwelle 6 verlaufen. Folglich können auch zu denen der vorstehenden Ausführungsform 1 ähnliche oder gleiche Wirkungen in der Ausführungsform 4 erzielt werden.
Nach Ausführungsform 4 sind die Magnetblöcke 8a1 und 8c1 jeweils asymmetrisch in Bezug auf eine Ebene, die durch eine Umfangsmittellinie 22 und die Mittelachse der Drehwelle 6 verläuft, aber die Formen und Magnetisierungsrichtungen 9 der Magnetblöcke 8a1, 8b und 8c1, die einen Teil der einzelnen Magnetpole bilden, haben eine Spiegelsymmetrie in Bezug auf eine Ebene, die durch das Magnetpolzentrum 20 und die Mittelachse der Drehwelle 6 verläuft. Somit werden durch Umdrehen des Magnetblocks 8a1 dessen Form und Magnetisierungsrichtung 9 im Wesentlichen gleich denjenigen des Magnetblocks 8c1. Dadurch wird ein falsches Einsetzen der Magnetblöcke 8a1 und 8c1 in die Magneteinsatzöffnungen 10a1 und 10c1 abgeschafft, wodurch Verbesserungen bei der Rotormontagefähigkeit erzielt werden können. Zusätzlich können die drei Magnetblöcke 8a1, 8b und 8c1, die einen Teil der einzelnen Pole bilden, unter Verwendung zweier Arten von Magnetblöcken aufgebaut werden, wodurch die Anzahl von Teilen gesenkt und dadurch Kostensenkungen erzielt werden können.
Als Nächstes sind in 17 die Ergebnisse einer Magnetfeldanalyse über ein Drehmoment gezeigt, wenn Tcl/Tcr auf 1 und 1,7 eingestellt ist. Zudem ist Tb = Tc. Ausgehend von 17 war es möglich, zu bestätigen, dass der Betrag eines magnetischen Streuflusses zwischen den Magnetpolen reduziert und das Drehmoment erhöht werden kann, indem die radiale Breite Tcr der Endabschnitte der Brückenabschnitte 12a1 und 12c1 nahe den Zwischenpolzentren 21 schmäler ausgelegt wird als die radiale Breite Tcl der Endabschnitte nahe den Magnetpolzentren 20.
Ausführungsform 5
18 ist ein Teilquerschnitt, der einen Aufbau eines Permanentmagneten erklärt, der einen Teil eines einzelnen Magnetpols eines Rotors in einer drehenden elektrischen Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten nach Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung bildet.
In 18 bilden drei Magnetblöcke 8a2, 8b und 8c2 einen Teil eines einzelnen Magnetpols. Die Magnetblöcke 8a2 und 8c2 sind jeweils in Form von Prismen hergestellt, die eine Querschnittsform haben, bei der Eckabschnitte eines fächerförmigen Querschnitts auf einer Seite nahe einem Zwischenpolzentrum 21 auf einer Innenumfangsseite abgeschrägt sind. Die Magnetblöcke 8a2 und 8c2 sind auf eine den Magnetblöcken 8a und 8c ähnliche oder identische Weise magnetisch ausgerichtet. Magneteinsatzöffnungen 10a2, 10b und 10c2 sind jeweils so geformt, dass sie Öffnungsformen haben, die den Querschnittsformen der Magnetblöcke 8a2, 8b und 8c2 ähnlich sind, um durch eine Außenumfangsseite eines Rotorkerns 7C hindurchzutreten, der eine Zylinderfläche als Außenumfangsfläche hat.
Die drei Magnetblöcke 8a2, 8b und 8c2 werden jeweils in die Magneteinsatzöffnungen 10a2, 10b und 10c2 eingesetzt und unter Verwendung eines Klebstoffs, usw. am Rotorkern 7C fixiert. Die Formen und Magnetisierungsrichtungen 9 der einen Teil des einzelnen Magnetpols bildenden drei Magnetblöcke 8a2, 8b und 8c2, die umfänglich auf diese Weise arrangiert sind, haben eine Spiegelsymmetrie in Bezug auf eine Ebene, die durch das Magnetpolzentrum 20 und die Mittelachse der Drehwelle 6 verläuft.
Zudem ist der Rest des Aufbaus auf eine zur vorstehenden Ausführungsform 1 ähnliche oder identische Weise ausgebildet.
In Ausführungsform 5 umfassen einzelne Magnetpole drei Magnetblöcke 8a2, 8b und 8c2, die Magnetblöcke 8a2, 8b und 8c2 sind so geformt, dass sie radial nach außen konvexe Querschnittsformen haben, und bei der Umfangsanordnung der Magnetblöcke 8a2, 8b und 8c2 handelt es sich um ein Halbach-Array. Die Umfangsbreite der Magnetblöcke 8a2 und 8c2 ist schmäler als die Umfangsbreite des Magnetblocks 8b, und der Mindestabstand der radialen Breite an umfänglich zentralen Stellen von Brückenabschnitten 12a2 und 12c2 ist kürzer als ein Mindestabstand einer radialen Breite an einer umfänglich zentralen Stelle eines Brückenabschnitts 12b. Zusätzlich haben die Formen und Magnetisierungsrichtungen 9 der Magnetblöcke 8a2, 8b und 8c2, die einen Teil der einzelnen Magnetpole bilden, eine Spiegelsymmetrie in Bezug auf Ebenen, die durch die Magnetpolzentren 20 und die Mittelachse der Drehwelle 6 verlaufen. Folglich können auch zu denen der vorstehenden Ausführungsform 1 ähnliche oder gleiche Wirkungen in der Ausführungsform 5 erzielt werden.
Nach Ausführungsform 5 sind die Magnetblöcke 8a2 und 8c2 jeweils asymmetrisch in Bezug auf eine Ebene, die durch eine Umfangsmittellinie 22 und die Mittelachse der Drehwelle 6 verläuft, aber die Formen und Magnetisierungsrichtungen 9 der Magnetblöcke 8a2, 8b und 8c2, die einen Teil des einzelnen Magnetpols bilden, haben eine Spiegelsymmetrie in Bezug auf eine Ebene, die durch das Magnetpolzentrum 20 und die Mittelachse der Drehwelle 6 verläuft. Somit werden durch Umdrehen des Magnetblocks 8a2 dessen Form und Magnetisierungsrichtung 9 im Wesentlichen gleich denjenigen des Magnetblocks 8c2. Ein falsches Einsetzen der Magnetblöcke 8a2 und 8c2 in die Magneteinsatzöffnung 10a2 und 10c2 wird dadurch abgeschafft, wodurch Verbesserungen bei der Rotormontagefähigkeit erzielt werden können. Zusätzlich können die drei Magnetblöcke 8a2, 8b und 8c2, die einen Teil der einzelnen Pole bilden, unter Verwendung zweier Arten von Magnetblöcken aufgebaut werden, wodurch die Anzahl von Teilen gesenkt und dadurch Kostensenkungen erzielt werden können.
Zudem sind in der vorstehenden Ausführungsform 5 die Magnetblöcke 8a2 und 8c2 so geformt, dass sie Querschnittsformen haben, bei denen Eckabschnitte eines fächerförmigen Querschnitts auf einer Seite nahe einem Zwischenpolzentrum 21 auf einer Innenumfangsseite abgeschrägt sind, und dass sie in Bezug auf eine Ebene asymmetrisch sind, die durch eine Umfangsmittellinie 22 und eine Mittelachse der Drehwelle 6 verläuft. Allerdings ist das Mittel, um die Magnetblöcke 8a2 und 8c2 in Bezug auf die Ebene asymmetrisch zu machen, die durch die Umfangsmittellinie 22 und die Mittelachse der Drehwelle 6 verläuft, nicht auf ein Mittel zum Abschrägen der Eckabschnitte beschränkt, vorausgesetzt, dass die Formen und Magnetisierungsrichtungen 9 der drei Magnetblöcke 8a2, 8b und 8c2, die umfänglich angeordnet sind, eine Spiegelsymmetrie in Bezug auf Ebenen haben, die durch die Magnetpolzentren 20 und die Mittelachse der Drehwelle 6 verlaufen.
Ausführungsform 6
19 ist ein Teilquerschnitt, der einen Aufbau eines Permanentmagneten erklärt, der einen Teil eines einzelnen Magnetpols eines Rotors in einer drehenden elektrischen Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten nach Ausführungsform 6 der vorliegenden Erfindung bildet.
In 19 umfasst ein Permanentmagnet, der einen einzelnen Magnetpol bildet, vier Magnetblöcke 33a, 33b, 33c und 33d.
Magneteinsatzöffnungen 30a, 30b, 30c und 30d haben jeweilige Öffnungsformen, bei denen Eckabschnitte eines fächerförmigen Querschnitts auf einer Seite nahe einem Zwischenpolzentrum 21 auf einer Innenumfangsseite abgeschrägt sind, wobei Innenumfangsflächen der fächerförmigen Querschnitte kreisbogenförmige Flächen sind, die identische Krümmungsradien haben, und Außenumfangsflächen kreisbogenförmige Flächen sind, die kleiner Krümmungsradien haben als die Innenumfangsflächen, und die in einer Umfangsrichtung voneinander getrennt ausgebildet sind, um axial durch die Außenumfangsseite des Rotorkerns 7D hindurchzutreten, der eine Zylinderfläche als Außenumfangsfläche hat. Die Magneteinsatzöffnungen 30b und 30c sind in einer Umfangsrichtung so angeordnet, dass sie Rippenabschnitte 31a dazwischen eingesetzt haben. Die Magneteinsatzöffnungen 30a und 30d sind jeweils auf einer von zwei Umfangsseiten der Magneteinsatzöffnungen 30b und 30c so angeordnet, dass sie Rippenabschnitte 31a dazwischen eingesetzt haben. Die Magneteinsatzöffnungen 30a, 30b, 30c und 30d, die auf diese Weise arrangiert sind, haben eine Spiegelsymmetrie in Bezug auf eine Ebene, die durch ein Magnetpolzentrum 20 und eine Mittelachse einer Drehwelle 6 verläuft. Obwohl nicht gezeigt, sind acht Gruppen Magneteinsatzöffnungen 30a, 30b, 30c und 30d umfänglich um den Rotorkern 7D in einer gleichmäßigen Winkelteilung ausgebildet.
Hier ist eine Umfangsbreite θd der Magneteinsatzöffnungen 30a und 30d schmäler als eine Umfangsbreite θe der Magneteinsatzöffnungen 30b und 30c. Brückenabschnitte 32a, 32b, 32c und 32d sind zwischen der Außenumfangsfläche des Rotorkerns 7D und den Magneteinsatzöffnungen 30a, 30b, 30c bzw. 30d ausgebildet. Darüber hinaus ist eine radiale Breite (ein Mindestabstand Td) an umfänglich zentralen Stellen der Brückenabschnitte 32a und 32d schmäler als eine radiale Breite (ein Mindestabstand Te) an umfänglich zentralen Stellen der Brückenabschnitte 32b und 32c.
Die Magnetblöcke 33a, 33b, 33c und 33d sind in Form von Prismen hergestellt, die jeweils eine Länge haben, die gleich einer axialen Länge des Rotorkerns 7D ist, und sie haben radial nach außen konvexe Querschnittsformen, die in etwa den Öffnungsquerschnittsformen der Magneteinsatzöffnungen 30a, 30b, 30c und 30d entsprechen. Die Magnetblöcke 33a, 33b, 33c und 33d werden in die jeweiligen Magneteinsatzöffnungen 30a, 30b, 30c und 30d eingesetzt und unter Verwendung eines Klebstoffs, usw. fixiert.
Zusätzlich sind die Magnetblöcke 33a, 33b, 33c und 33d magnetisch so ausgerichtet, dass die Magnetisierungsrichtungen 9 radial nach außen und zum Magnetpolzentrum 20 hin bestehen. Ein Ausrichtungswinkel der Magnetblöcke 33b und 33c ist größer als ein Ausrichtungswinkel der Magnetblöcke 33a und 33d. Mit anderen Worten sind die vier Magnetblöcke 33a, 33b, 33c und 33d, die einen Teil des einzelnen Magnetpols bilden, umfänglich in einem Halbach-Array so angeordnet, dass sich ein N-Pol an der Oberfläche des Rotorkerns 7D ergibt.
Vier Magnetblöcke 33a, 33b, 33c und 33d, die einen Teil eines S-Pols bilden, sind umfänglich in einem Halbach-Array so angeordnet und magnetisch radial nach innen und zum Magnetpolzentrum 20 hin ausgerichtet, dass sich ein S-Pol an der Oberfläche des Rotorkerns 7D ergibt.
Die Formen und Magnetisierungsrichtungen 9 der einen Teil der einzelnen Magnetpole bildenden vier Magnetblöcke 33a, 33b, 33c und 33d, die auf diese Weise aufgebaut sind, haben eine Spiegelsymmetrie in Bezug auf Ebenen, die durch die Magnetpolzentren 20 und die Mittellinie der Drehwelle 6 verlaufen.
Zudem ist der Rest des Aufbaus auf eine zur vorstehenden Ausführungsform 1 ähnliche oder identische Weise ausgebildet.
In Ausführungsform 6 umfassen einzelne Magnetpole vier Magnetblöcke 33a, 33b, 33c und 33d, die Magnetblöcke 33a, 33b, 33c und 33d sind so geformt, dass sie radial nach außen konvexe Querschnittsformen haben, und bei der Umfangsanordnung der Magnetblöcke 33a, 33b, 33c und 33d handelt es sich um ein Halbach-Array. Die Umfangsbreite θd der Magnetblöcke 33a und 33d ist schmäler als die Umfangsbreite θe der Magnetblöcke 33b und 33c, und der Mindestabstand der radialen Breite Td an umfänglich zentralen Stellen der Brückenabschnitte 32a und 32d ist kürzer als der Mindestabstand Te der radialen Breite an umfänglich zentralen Stellen der Brückenabschnitte 32b und 32c. Zusätzlich haben die Formen und Magnetisierungsrichtungen 9 der Magnetblöcke 33a, 33b, 33c und 33d, die einen Teil der einzelnen Magnetpole bilden, eine Spiegelsymmetrie in Bezug auf Ebenen, die durch die Magnetpolzentren 20 und die Mittelachse der Drehwelle 6 verlaufen. Folglich können auch zu denen der vorstehenden Ausführungsform 1 ähnliche oder gleiche Wirkungen in der Ausführungsform 6 erzielt werden.
Nach Ausführungsform 6 sind die Magnetblöcke 33a, 33b, 33c und 33d jeweils asymmetrisch in Bezug auf eine Ebene, die durch eine Umfangsmittellinie 22 und die Mittelachse der Drehwelle 6 verläuft, aber die Formen und Magnetisierungsrichtungen 9 der Magnetblöcke 33a, 33b, 33c und 33d, die einen Teil der einzelnen Magnetpole bilden, haben eine Spiegelsymmetrie in Bezug auf eine Ebene, die durch das Magnetpolzentrum 20 und die Mittelachse der Drehwelle 6 verläuft. Somit werden durch Umdrehen des Magnetblocks 33a dessen Form und Magnetisierungsrichtung 9 im Wesentlichen gleich denjenigen des Magnetblocks 33d. Ähnlich werden durch Umdrehen des Magnetblocks 33b dessen Form und Magnetisierungsrichtung 9 im Wesentlichen gleich denjenigen des Magnetblocks 33c. Dadurch wird ein falsches Einsetzen der Magnetblöcke 33a, 33b, 33c und 33d in die Magneteinsatzöffnungen 30a, 30b, 30c und 30d abgeschafft, wodurch Verbesserungen bei der Rotormontagefähigkeit erzielt werden können. Zusätzlich können die vier Magnetblöcke 33a, 33b, 33c und 33d, die einen Teil der einzelnen Pole bilden, unter Verwendung zweier Arten von Magnetblöcken aufgebaut werden, wodurch die Anzahl von Teilen gesenkt und dadurch Kostensenkungen erzielt werden können.
Ausführungsform 7
20 ist ein Teilquerschnitt, der einen Aufbau eines Permanentmagneten erklärt, der einen Teil eines einzelnen Magnetpols eines Rotors in einer drehenden elektrischen Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten nach Ausführungsform 7 der vorliegenden Erfindung bildet.
In 20 umfasst ein Permanentmagnet, der einen einzelnen Magnetpol bildet, fünf Magnetblöcke 43a, 43b, 43c, 43d und 43e.
Eine Magneteinsatzöffnung 40c hat eine Öffnungsform, die einen fächerförmigen Querschnitt hat, bei dem eine Innenumfangsfläche eine kreisbogenförmige Fläche ist, die einen Sollkrümmungsradius hat, und eine Außenumfangsfläche ist eine kreisbogenförmige Fläche, die einen kleineren Krümmungsradius hat als die Innenumfangsfläche, und die so geformt ist, dass sie axial durch eine Außenumfangsseite eines Rotorkerns 7E hindurchtritt. Zusätzlich haben Magneteinsatzöffnungen 40a, 40b, 40d und 40e jeweilige Öffnungsformen, bei denen Eckabschnitte eines fächerförmigen Querschnitts auf einer Seite nahe einem Zwischenpolzentrum 21 auf einer Innenumfangsseite abgeschrägt sind, wobei Innenumfangsflächen der fächerförmigen Querschnitte kreisbogenförmige Flächen sind, die gleiche Krümmungsradien haben wie die Innenumfangsfläche der Magneteinsatzöffnung 40c, und eine Außenumfangsflächen kreisbogenförmige Flächen sind, die kleinere Krümmungsradien haben als die Innenumfangsflächen, und die in einer Umfangsrichtung voneinander getrennt so ausgebildet sind, dass sie axial durch die Außenumfangsseite des Rotorkerns 7E hindurchtreten, der eine Zylinderfläche als Außenumfangsfläche hat. Die Magneteinsatzöffnungen 40b und 40d sind jeweils auf einer von zwei Umfangsseiten der Magneteinsatzöffnung 40c so angeordnet, dass sie Rippenabschnitte 41a dazwischen eingesetzt haben. Die Magneteinsatzöffnungen 40a und 40e sind jeweils auf einer von zwei Umfangsseiten der Magneteinsatzöffnungen 40b und 40d so angeordnet, dass sie Rippenabschnitte 41b dazwischen eingesetzt haben. Die Magneteinsatzöffnungen 40a, 40b, 40c, 40d und 40e, die auf diese Weise arrangiert sind, haben eine Spiegelsymmetrie in Bezug auf eine Ebene, die durch ein Magnetpolzentrum 20 und eine Mittelachse einer Drehwelle 6 verläuft. Obwohl nicht gezeigt, sind acht Gruppen Magneteinsatzöffnungen 40a, 40b, 40c, 40d und 40e umfänglich um den Rotorkern 7E in einer gleichmäßigen Winkelteilung ausgebildet.
Hier ist eine Umfangsbreite θf der Magneteinsatzöffnungen 40a und 40e kleiner als eine Umfangsbreite θg der Magneteinsatzöffnungen 40b und 40d. Die Umfangsbreite θg der Magneteinsatzöffnungen 40b und 40d ist kleiner als eine Umfangsbreite θh der Magneteinsatzöffnung 40c. Brückenabschnitte 42a, 42b, 42c, 42d und 42e sind zwischen der Außenumfangsfläche des Rotorkerns 7E und den Magneteinsatzöffnungen 40a, 40b, 40c, 40d bzw. 40e ausgebildet. Eine radiale Breite (ein Mindestabstand Tf) an umfänglich zentralen Stellen der Brückenabschnitte 42a und 42e ist kleiner als eine radiale Breite (ein Mindestabstand Tg) an umfänglich zentralen Stellen der Brückenabschnitte 42b und 42d. Zusätzlich ist die radiale Breite (der Mindestabstand Tg) an den umfänglich zentralen Stellen der Brückenabschnitte 42b und 42d kleiner als eine radiale Breite (ein Mindestabstand Th) an einer umfänglich zentralen Stelle des Brückenabschnitts 42c.
Die Magnetblöcke 43a, 43b, 43c, 43d und 43e sind in Form von Prismen hergestellt, die jeweils eine Länge haben, die gleich einer axialen Länge des Rotorkerns 7E ist, und sie haben radial nach außen konvexe Querschnittsformen, die in etwa den Öffnungsquerschnittsformen der Magneteinsatzöffnungen 40a, 40b, 40c, 40d und 40e entsprechen. Die Magnetblöcke 43a, 43b, 43c, 43d und 43e werden in die jeweiligen Magneteinsatzöffnungen 40a, 40b, 40c, 40d und 40e eingesetzt und unter Verwendung eines Klebstoffs, usw. fixiert.
Zusätzlich ist der Magnetblock 43c magnetisch so ausgerichtet, dass eine Magnetisierungsrichtung 9 radial nach außen besteht. Die Magnetblöcke 43a, 43b, 43d und 43e sind magnetisch so ausgerichtet, dass die Magnetisierungsrichtungen 9 radial nach außen und zum Magnetpolzentrum 20 hin bestehen. Ein Ausrichtungswinkel der Magnetblöcke 43b und 43c ist größer als ein Ausrichtungswinkel der Magnetblöcke 43a und 43e. Mit anderen Worten sind die fünf Magnetblöcke 43a, 43b, 43c, 43d und 43e, die einen Teil des einzelnen Magnetpols bilden, umfänglich in einem Halbach-Array so angeordnet, dass sich ein N-Pol an der Oberfläche des Rotorkerns 7E ergibt.
Ein Magnetblock 43c, der einen Teil eines S-Pols bildet, ist magnetisch so ausgerichtet, dass eine Magnetisierungsrichtung 9 radial nach innen besteht. Die Magnetblöcke 43a, 43b, 43d und 43e, die einen Teil des S-Pols bilden, sind magnetisch so ausgerichtet, dass die Magnetisierungsrichtungen 9 radial nach innen und zum Magnetpolzentrum 20 hin bestehen. Mit anderen Worten sind die fünf Magnetblöcke 43a, 43b, 43c, 43d und 43e, die einen Teil des S-Pols bilden, umfänglich in einem Halbach-Array so angeordnet, dass sich ein S-Pol an der Oberfläche des Rotorkerns 7E ergibt.
Die Formen und Magnetisierungsrichtungen 9 der einen Teil der einzelnen Magnetpole bildenden fünf Magnetblöcke 43a, 43b, 43c, 43d und 43e, die auf diese Weise aufgebaut sind, haben eine Spiegelsymmetrie in Bezug auf Ebenen, die durch die Magnetpolzentren 20 und die Mittellinie der Drehwelle 6 verlaufen.
Zudem ist der Rest des Aufbaus auf eine zur vorstehenden Ausführungsform 1 ähnliche oder identische Weise ausgebildet.
In Ausführungsform 7 umfassen einzelne Magnetpole fünf Magnetblöcke 43a, 43b, 43c, 43d und 43e, die Magnetblöcke 43a, 43b, 43c, 43d und 43e sind so geformt, dass sie radial nach außen konvexe Querschnittsformen haben, und bei der Umfangsanordnung der Magnetblöcke 43a, 43b, 43c, 43d und 43e handelt es sich um ein Halbach-Array. Die Umfangsbreite θf der Magnetblöcke 43a und 43e, die Umfangsbreite θg der Magnetblöcke 43b und 43d, und die Umfangsbreite θh des Magnetblocks 43c erfüllen θf < θg < θh. Der Mindestabstand Tf der Brückenabschnitte 42a und 42e, der Mindestabstand Tg der Brückenabschnitte 42b und 42d, und der Mindestabstand Th des Brückenabschnitts 42c erfüllen Tf < Tg < Th. Zusätzlich haben die Formen und Magnetisierungsrichtungen 9 der Magnetblöcke 43a, 43b, 43c, 43d und 43e, die einen Teil der einzelnen Magnetpole bilden, eine Spiegelsymmetrie in Bezug auf Ebenen, die durch die Magnetpolzentren 20 und die Mittelachse der Drehwelle 6 verlaufen. Folglich können auch zu denen der vorstehenden Ausführungsform 1 ähnliche oder gleiche Wirkungen in der Ausführungsform 7 erzielt werden.
Nach Ausführungsform 7 sind die Magnetblöcke 43a, 43b, 43c, 43d und 43e jeweils asymmetrisch in Bezug auf eine Ebene, die durch eine Umfangsmittellinie 22 und die Mittelachse der Drehwelle 6 verläuft, aber die Formen und Magnetisierungsrichtungen 9 der Magnetblöcke 43a, 43b, 43c, 43d und 43e, die einen Teil der einzelnen Magnetpole bilden, haben eine Spiegelsymmetrie in Bezug auf eine Ebene, die durch das Magnetpolzentrum 20 und die Mittelachse der Drehwelle 6 verläuft. Somit werden durch Umdrehen des Magnetblocks 43a dessen Form und Magnetisierungsrichtung 9 im Wesentlichen gleich denjenigen des Magnetblocks 43e. Ähnlich werden durch Umdrehen des Magnetblocks 43b dessen Form und Magnetisierungsrichtung 9 im Wesentlichen gleich denjenigen des Magnetblocks 43d. Dadurch wird ein falsches Einsetzen der Magnetblöcke 43a, 43b, 43c, 43d und 43e in die Magneteinsatzöffnung 40a, 40b, 40c, 40d und 40e abgeschafft, wodurch Verbesserungen bei der Rotormontagefähigkeit erzielt werden können. Zusätzlich können die fünf Magnetblöcke 43a, 43b, 43c, 43d und 43e, die einen Teil der einzelnen Pole bilden, unter Verwendung dreier Arten von Magnetblöcken aufgebaut werden, wodurch die Anzahl von Teilen gesenkt und dadurch Kostensenkungen erzielt werden können.
Zudem erfüllen in der vorstehenden Ausführungsform 7 die Mindestabstände Tf, Tg und Th der radialen Breiten der Brückenabschnitte 42a bis 42e Tf < Tg < Th, aber vom Gesichtspunkt her, den Betrag magnetischen Streuflusses zwischen den Magnetpolen zu senken, genügt es, wenn Tf < Tg und Th erfüllt wird.
In der vorstehenden Ausführungsform 7 erfüllen die Umfangsbreite θf der Magnetblöcke 43a und 43e, die Umfangsbreite θg der Magnetblöcke 43b und 43d, und die Umfangsbreite θh des Magnetblocks 43c θf < θg < θh, aber es ist nicht absolut notwendig, dass die Umfangsbreite θg der Magnetblöcke 43b und 43d kleiner ist als die Umfangsbreite θh des Magnetblocks 43c, vorausgesetzt, θf < θg und θh wird erfüllt.
Ausführungsform 8
21 ist ein Teilquerschnitt, der einen Aufbau eines Permanentmagneten erklärt, der einen Teil eines einzelnen Magnetpols eines Rotors in einer drehenden elektrischen Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten nach Ausführungsform 8 der vorliegenden Erfindung bildet.
In 21 sind Eckabschnitte von Magnetblöcken 8b3 und 8c3 in einer Ebene abgerundet, die senkrecht zu einer Mittelachse der Drehwelle 6 ist. Ein Rotorkern 7F hat eine Zylinderfläche als Außenumfangsfläche, und Magneteinsatzöffnungen 10b3 und 10c3 sind jeweils so geformt, dass sie Öffnungsformen haben, die den Querschnittsformen der Magnetblöcke 8b3 und 8c3 ähnlich sind, um durch eine Außenumfangsseite eines Rotorkerns 7F hindurchzutreten, der eine Zylinderfläche als Außenumfangsfläche hat. Hier sind Brückenabschnitte 12b und 12c durch die Formen der Magnetblöcke 8b3 und 8c3 vor einer Abrundung definiert, die durch dünne Linien angegeben sind. Zudem sind, obwohl nicht dargestellt, ein Magnetblock 8a3 und eine Magneteinsatzöffnung 10a3, die auf einer umfänglich entgegengesetzten Seite des Magnetblocks 8b3 und der Magneteinsatzöffnung 10b3 angeordnet sind, auf eine dem Magnetblock 8c3 und der Magneteinsatzöffnung 10c3 ähnliche Weise aufgebaut.
Weil Ausführungsform 8 auf eine der vorstehenden Ausführungsform 5 ähnliche Weise aufgebaut ist, mit der Ausnahme, dass die Eckabschnitte der drei Magnetblöcke 8b3 und 8c3 abgerundet sind, lassen sich auch zu denjenigen in der vorstehenden Ausführungsform 5 ähnliche Wirkungen erzielen.
Weil die Eckabschnitte der Magnetblöcke 8b3 und 8c3 abgerundet sind, wird eine Belastungskonzentration an den abgerundeten Abschnitten der Magnetblöcke 8b3 und 8c3 abgemildert, wenn Fliehkräfte auf die Magnetblöcke 8b3 und 8c3 wirken, wodurch die Beständigkeit der Magnetblöcke 8b3 und 8c3 gegen Fliehkraft erhöht wird.
Zudem wurde in jeder der vorstehenden Ausführungsformen eine drehende elektrische Maschinen mit acht Polen, zwölf Nuten und eingebetteten Permanentmagneten erklärt, aber das Verhältnis zwischen der Anzahl von Polen und der Anzahl von Nuten ist nicht auf 2:3 beschränkt.
In jeder der vorstehenden Ausführungsformen wurden Fälle erklärt, in denen einzelne Magnetpole drei bis fünf Magnetblöcke umfassen, aber die Anzahl von Magnetblöcken, die einen Teil der einzelnen Magnetpole bilden, ist nicht auf drei bis fünf beschränkt. Mit anderen Worten kann die Anzahl von Magnetblöcken, die einen Teil jedes der Pole bilden, sechs oder mehr betragen, vorausgesetzt, dass die mehreren Magnetblöcke, die einen Teil eines einzelnen Pols bilden, so geformt sind, dass sie eine radial nach außen konvexe Querschnittsform haben, es sich bei der Umfangsanordnung der mehreren Magnetblöcke um ein Halbach-Array handelt, die Umfangsbreiten der mehreren Magnetblöcke, je weiter weg sie sich von einem Magnetpolzentrum befinden, kleiner werden, und die mehreren Magnetblöcke eine Spiegelsymmetrie in Bezug auf eine Ebene haben, die durch das Magnetpolzentrum und die Mittelachse der Drehwelle verläuft.
Bezugszeichenliste

1 drehende elektrische Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten; 5 Rotor; 7A, 7B, 7C, 7D, 7E, 7F Rotorkern, 8a, 8a1, 8a2, 8a3, 8b, 8b3, 8c, 8c1, 8c2, 8c3, 33a, 33b, 33c, 33d, 43a, 43b, 43c, 43d, 43e Magnetblock; 9 Magnetisierungsrichtung; 20 Magnetpolzentrum; 21 Zwischenpolzentrum; 22 Umfangsmittellinie.

Claims

Rotor, bei dem mehrere Permanentmagnete (8) jeweils auf einer Außenumfangsseite eines Rotorkerns (7) eingebettet und in einer Sollteilung in einer Umfangsrichtung angeordnet sind, um Magnetpole zu bilden, und bei dem jeder der Permanentmagnete (8), der einen Magnetpol bildet, aufgebaut wird, indem drei Magnetblöcke (8a, 8b, 8c) umfänglich voneinander beabstandet angeordnet werden, wobei die drei Magnetblöcke (8a, 8b, 8c) jeweils so geformt sind, dass eine Querschnittsform, die senkrecht zu einer Mittelachse des Rotorkerns (7) ist, radial nach außen gewölbt ist, und eine Umfangsbreite von Magnetblöcken (8a, 8c), die Zwischenpolzentren (21) am nächsten sind, am schmälsten ist; und die drei Magnetblöcke (8a, 8b, 8c), die umfänglich angeordnet sind, so aufgebaut sind, dass sie eine Spiegelsymmetrie in Bezug auf eine Ebene haben, die durch ein Magnetpolzentrum (20) und eine Mittelachse des Rotorkerns (7) verläuft, Magnetisierungsrichtungen (9) der drei Magnetblöcke (8a, 8b, 8c), die Nord-suchende(N-)Pole bilden, magnetisch in Richtungen ausgerichtet sind, die radial nach außen und zum Magnetpolzentrum (20) hin gerichtet sind; Magnetisierungsrichtungen (9) der drei Magnetblöcke (8a, 8b, 8c), die Süd-suchende(S-)Pole bilden, magnetisch in Richtungen ausgerichtet sind, die radial nach innen und vom Magnetpolzentrum (20) weg gerichtet sind; wobei es sich bei der gesamten Innenumfangslinie der besagten Querschnittsform jedes Magnetblockes (8a, 8b, 8c) um eine kreisbogenförmige Linie handelt, wobei es sich bei der gesamten Außenumfangslinie der besagten Querschnittsform jedes Magnetblockes (8a, 8b, 8c) um eine kreisbogenförmige Linie handelt, die einen kleineren Krümmungsradius hat als die Innenumfangslinie des jeweiligen Magnetblockes (8a, 8b, 8c); und es sich bei der gesamten Außenumfangslinie der besagten Querschnittsform jedes Magnetblockes (8a, 8c), der den Zwischenpolzentren (21) am nächsten ist, um eine kreisbogenförmige Linie handelt, die einen Krümmungsradius hat, welcher der kleinste unter den drei Magnetblöcken (8a, 8b, 8c) ist.
Rotor, bei dem mehrere Permanentmagnete (8) jeweils auf einer Außenumfangsseite eines Rotorkerns (7) eingebettet und in einer Sollteilung in einer Umfangsrichtung angeordnet sind, um Magnetpole zu bilden, und bei dem jeder der Permanentmagnete (8), der einen Magnetpol bildet, aufgebaut wird, indem vier Magnetblöcke (33a bis 33d) umfänglich voneinander beabstandet angeordnet werden, wobei die vier Magnetblöcke (33a bis 33d) jeweils so geformt sind, dass eine Querschnittsform, die senkrecht zu einer Mittelachse des Rotorkerns (7) ist, radial nach außen gewölbt ist, und eine Umfangsbreite von Magnetblöcken (33a, 33d), die Zwischenpolzentren (21) am nächsten sind, am schmälsten ist; und die vier Magnetblöcke (33a bis 33d), die umfänglich angeordnet sind, so aufgebaut sind, dass sie eine Spiegelsymmetrie in Bezug auf eine Ebene haben, die durch ein Magnetpolzentrum (20) und eine Mittelachse des Rotorkerns (7) verläuft, Magnetisierungsrichtungen (9) der vier Magnetblöcke (33a bis 33d), die Nord-suchende(N-)Pole bilden, magnetisch in Richtungen ausgerichtet sind, die radial nach außen und zum Magnetpolzentrum (20) hin gerichtet sind; Magnetisierungsrichtungen (9) der vier Magnetblöcke (33a bis 33d), die Süd-suchende(S-)Pole bilden, magnetisch in Richtungen ausgerichtet sind, die radial nach innen und vom Magnetpolzentrum (20) weg gerichtet sind; wobei es sich bei der gesamten Innenumfangslinie der besagten Querschnittsform jedes Magnetblockes (33a bis 33d), abgesehen von Eckabschrägungen, um eine kreisbogenförmige Linie handelt, wobei es sich bei der gesamten Außenumfangslinie der besagten Querschnittsform jedes Magnetblockes (33a bis 33d) um eine kreisbogenförmige Linie handelt, die einen kleineren Krümmungsradius hat als die Innenumfangslinie des jeweiligen Magnetblockes (33a bis 33d); und es sich bei der gesamten Außenumfangslinie der besagten Querschnittsform jedes Magnetblockes (33a, 33d), der den Zwischenpolzentren (21) am nächsten ist, um eine kreisbogenförmige Linie handelt, die einen Krümmungsradius hat, welcher der kleinste unter den vier Magnetblöcken (33a bis 33d) ist.
Rotor, bei dem mehrere Permanentmagnete (8) jeweils auf einer Außenumfangsseite eines Rotorkerns (7) eingebettet und in einer Sollteilung in einer Umfangsrichtung angeordnet sind, um Magnetpole zu bilden, und bei dem jeder der Permanentmagnete (8), der einen Magnetpol bildet, aufgebaut wird, indem fünf Magnetblöcke (43a bis 43e) umfänglich voneinander beabstandet angeordnet werden, wobei die fünf Magnetblöcke (43a bis 43e) jeweils so geformt sind, dass eine Querschnittsform, die senkrecht zu einer Mittelachse des Rotorkerns (7) ist, radial nach außen gewölbt ist, und eine Umfangsbreite von Magnetblöcken (43a, 43e), die Zwischenpolzentren (21) am nächsten sind, am schmälsten ist; und die fünf Magnetblöcke (43a bis 43e), die umfänglich angeordnet sind, so aufgebaut sind, dass sie eine Spiegelsymmetrie in Bezug auf eine Ebene haben, die durch ein Magnetpolzentrum (20) und eine Mittelachse des Rotorkerns (7) verläuft, Magnetisierungsrichtungen (9) der fünf Magnetblöcke (43a bis 43e), die Nord-suchende(N-)Pole bilden, magnetisch in Richtungen ausgerichtet sind, die radial nach außen und zum Magnetpolzentrum (20) hin gerichtet sind; Magnetisierungsrichtungen (9) der fünf Magnetblöcke (43a bis 43e), die Süd-suchende(S-)Pole bilden, magnetisch in Richtungen ausgerichtet sind, die radial nach innen und vom Magnetpolzentrum (20) weg gerichtet sind; wobei es sich bei der gesamten Innenumfangslinie der besagten Querschnittsform jedes Magnetblockes (43a bis 43e), abgesehen von Eckabschrägungen, um eine kreisbogenförmige Linie handelt, wobei es sich bei der gesamten Außenumfangslinie der besagten Querschnittsform jedes Magnetblockes (43a bis 43e) um eine kreisbogenförmige Linie handelt, die einen kleineren Krümmungsradius hat als die Innenumfangslinie des jeweiligen Magnetblockes (43a bis 43e); und es sich bei der gesamten Außenumfangslinie der besagten Querschnittsform jedes Magnetblockes (43a, 43e), der den Zwischenpolzentren (21) am nächsten ist, um eine kreisbogenförmige Linie handelt, die einen Krümmungsradius hat, welcher der kleinste unter den vier Magnetblöcken (43a bis 43e) ist.
Rotor nach Anspruch 1, wobei: es sich bei einer Magnetisierungsrichtung (9) des Magnetblocks (8b), der am Magnetpolzentrum (20) angeordnet ist, um eine radiale Richtung handelt, und wobei θb eine Umfangsbreite des Magnetblocks (8b) ist, der am Magnetpolzentrum (209 angeordnet ist, θc eine Umfangsbreite der Magnetblöcke (8a, 8c) ist, die auf Zwischenpolseiten angeordnet sind, und α ein Ausrichtungswinkel der Magnetblöcke (8a, 8c) ist, die auf den Zwischenpolseiten angeordnet sind, wobei α erfüllt: α1min ≤ α ≤ α1max, worin es sich bei α1min und α1max handelt um: α1min = 39,7 – 4,8(θb/θc) (Grad) (wobei θb/θc ≤ 8,27); α1min = 0 (Grad) (wobei θb/θc > 8,27); α1max = 59,7 – 4,8(θb/θc) (Grad) (wobei θb/θc ≤ 10,35); und α1max = 10 (Grad) (wobei θb/θc > 10,35).
Rotor nach Anspruch 1, wobei: es sich bei einer Magnetisierungsrichtung (9) des Magnetblocks (8b), der am Magnetpolzentrum (20) angeordnet ist, um eine radiale Richtung handelt, und wobei θb eine Umfangsbreite des Magnetblocks (8b) ist, der am Magnetpolzentrum (20) angeordnet ist, θc eine Umfangsbreite der Magnetblöcke (8a, 8c) ist, die auf Zwischenpolseiten angeordnet sind, und α ein Ausrichtungswinkel der Magnetblöcke (8a, 8c) ist, die auf den Zwischenpolseiten angeordnet sind, wobei α erfüllt: α2min ≤ α ≤ α2max, worin es sich bei α2min und α2max handelt um: α2min = 100,8 – 27,5(θb/θc) (Grad) (wobei θb/θc ≤ 3,67); α2min = 0 (Grad) (wobei θb/θc > 3,67); α2max = 120,8 – 27,5(θb/θc) (Grad) (wobei θb/θc ≤ 4,03); und α2max = 10 (Grad) (wobei θb/θc > 4,03).
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: ein Mindestabstand zwischen den Magnetblöcken (8a, 8c; 33a, 33d; 43a, 43e), die den Zwischenpolzentren (21) am nächsten sind, und einer Außenumfangsfläche des Rotorkerns (7) kürzer ist als ein Mindestabstand zwischen einem Rest der Magnetblöcke (8b; 33b, 33c; 43b bis 43d) der mehreren Permanentmagnete (8) und der Außenumfangsfläche des Rotorkerns 87).
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Umfangsbreiten der drei bzw. vier bzw. fünf Magnetblöcke (8a, 8b, 8c; 33a bis 33d; 43a bis 43e) so ausgebildet sind, dass sie bei Magnetblöcken schmäler sind, die sich weiter weg vom Magnetpolzentrum (20) befinden.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Mindestabstand zwischen den Magnetblöcken (8a, 8c; 33a, 33d; 43a, 43e), die den Zwischenpolzentren (21) und einer Außenumfangsseite des Rotorkerns (7) am nächsten sind, kürzer ist als ein Mindestabstand zwischen einem Rest der Magnetblöcke (8b; 33a, 33d; 43a, 43e) aus den mehreren Permanentmagneten (8) und der Außenumfangsseite des Rotorkerns (7).
Rotorkern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Abstand zwischen den Magnetblöcken (8a, 8c; 33a, 33d; 43a, 43e), die den Zwischenpolzentren (21) und einer Außenumfangsseite des Rotorkerns (7) am nächsten sind, in einem Bereich, der sich von den umfänglich zentralen Stellen der Magnetblöcke (8a, 8c; 33a, 33d; 43a, 43e) zu Endabschnitten nahe den Zwischenpolzentren (21) erstreckt, auf einem Mindestabstand gehalten wird.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Abstand zwischen Endabschnitten nahe den Zwischenpolzentren (21) der Magnetblöcke (8a, 8c; 33a, 33d; 43a, 43e), die den Zwischenpolzentren (21) am nächsten sind, und einer Außenumfangsfläche des Rotorkerns (7) kürzer ist als ein Abstand zwischen Endabschnitten der Magnetblöcke (8a, 8c; 33a, 33d; 43a, 43e) nahe dem Magnetpolzentrum (20) und der Außenumfangsfläche des Rotorkerns (7).
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Magnetblöcke (8a, 8c; 33a to 33d; 43a, 43b, 43d, 43e), außer den Magnetblöcken (8b; 43c), die sich am Magnetpolzentrum (20) befinden, so geformt sind, dass sie asymmetrisch in Bezug auf eine Ebene sind, die durch eine Umfangsmitte jedes der Magnetblöcke (8a, 8c; 33a to 33d; 43a, 43b, 43d, 43e) und die Mittelachse des Rotorkerns (7) verläuft.
Drehende elektrische Maschine, die den Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.