DE112019003638T5

DE112019003638T5 - Rotierende elektrische maschine

Info

Publication number: DE112019003638T5
Application number: DE112019003638.6T
Authority: DE
Inventors: Junji Kitao; Kosho YAMANE; Tomohira Takahashi; Yoshihiro Miyama
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-07-19
Filing date: 2019-02-04
Publication date: 2021-04-29
Also published as: CN112385119A; US11799337B2; US20210218301A1; WO2020017078A1; JPWO2020017078A1; JP6671553B1

Abstract

Es wird eine rotierende elektrische Maschine angegeben, die Folgendes aufweist: einen Stator (10) mit einem Statorkern (11); und ein Rotor (20) mit einem Rotorkern (21A, 21B), der koaxial zum Statorkern (11) mit einem zwischen dem Statorkern (11) und dem Rotorkern (21A, 21B) gebildeten Luftspalt (G) angeordnet ist; und eine Vielzahl von Gruppen von Permanentmagneten (22), also von Permanentmagnetgruppen, die jeweils einen Magnetpol bilden, wobei die Vielzahl von Permanentmagnetgruppen in den Rotorkern (21A, 21B) eingebettet und mit gleichwinkligen Abständen in einer Umfangsrichtung angeordnet sind, wobei eine Fluss-Barriere (26) zwischen einem Satz von Permanentmagneten (22), die in der Umfangsrichtung in jeder Permanentmagnetgruppe, die einen Magnetpol bildet, nebeneinander liegen, gebildet ist, wobei ein Paar Rippen (27) aus Bereichen des Rotorkerns (21A, 21B) zwischen der Fluss-Barriere (26) und dem einen Satz von Permanentmagneten (22), die nebeneinander liegen, gebildet ist, wobei ein erster Schlitz (29) ausgebildet ist, um den magnetischer Fluss, der von jeder einen Magnetpol bildenden Permanentmagnetgruppe erzeugt wird, in Drehrichtung des Rotors (20) in einem Bereich des Rotorkerns (21A, 21B) auf der Luftspalt-Seite in radialer Richtung der jeden einen Magnetpol bildenden Permanentmagnetgruppe abzulenken, und wobei ein Endbereich des ersten Schlitzes (29) auf der Flussbarriere-Seite zwischen Verlängerungslinien des Rippenpaares (27) positioniert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine rotierende elektrische Maschine, insbesondere eine rotierende elektrische Maschine mit einem Rotor mit Permanentmagneten.
STAND DER TECHNIK
Rotierende elektrische Maschinen mit Permanentmagneten, die bezüglich einer Verkleinerung und Leistungssteigerung vorteilhaft sind, werden in vielen Fällen als rotierende elektrische Maschine für den industriellen Einsatz und rotierende elektrische Maschinen für Elektrofahrzeuge und für Hybridfahrzeuge eingesetzt. Unter den oben beschriebenen rotierenden elektrischen Maschinen mit Permanentmagneten können, wenn die rotierende elektrische Maschine mit Permanentmagneten einen solchen Aufbau hat, dass die Permanentmagnete in den Rotorkern eingebettet sind, zwei Arten von Drehmoment erzielt werden.
Konkret wird ein Magnetmoment durch einen magnetischen Fluss vom Permanentmagneten erzeugt, und ein Reluktanzmoment wird durch einen magnetischen Reluktanzfluss erzeugt, der durch den magnetischen Widerstand des Rotorkerns verursacht wird. Das Enddrehmoment der rotierenden elektrischen Maschine ist das kombinierte Drehmoment aus diesen beiden Drehmomentarten.
Eine in der oben beschriebenen Weise ausgebildete, rotierende elektrische Maschine mit Permanentmagneten hat jedoch die Besonderheit, dass die beiden oben genannten Drehmomentarten Spitzenwerte bei unterschiedlichen Strom-Phasenwinkeln haben. Daher wird der Strom-Phasenwinkel, bei dem das kombinierte Drehmoment der beiden Drehmomentarten einen Spitzenwert hat, von dem Strom-Phasenwinkel, bei dem jede der beiden Drehmomentarten den Spitzenwert hat, verschoben. Infolgedessen wird der Spitzenwert des kombinierten Drehmoments der beiden Drehmomentarten kleiner als die Summe der Spitzenwerte der beiden Drehmomentarten.
Im Hinblick auf diese Situation hat man eine Struktur vorgeschlagen, bei der im Rotorkern ein Schlitz gebildet wird, der bewirkt, dass der von einem Permanentmagneten zu einem Stator fließende magnetische Fluss in die Drehrichtung des Rotors abgelenkt wird (vgl. z.B. Patentdokument 1).
In dem Patentdokument 1 bewirkt der Schlitz, dass der vom Permanentmagneten zum Stator fließende magnetische Fluss in der Drehrichtung des Rotors abgelenkt wird, so dass der Strom-Phasenwinkel, bei dem das Magnetmoment den Spitzenwert hat, verändert wird. Auf diese Weise werden die Differenz zwischen dem Strom-Phasenwinkel, bei dem das Magnetmoment den Spitzenwert hat, und dem Strom-Phasenwinkel, bei dem das Reluktanzmoment den Spitzenwert hat, verringert und somit der Spitzenwert des kombinierten Drehmoments dieser Drehmomente erhöht.
STAND DER TECHNIK
Patentliteratur
Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 11-206 046 A
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Mit der Erfindung zu lösende Probleme
In dem Patentdokument 1 wird in einem Kernbereich des Rotorkerns auf einer radial-äußeren Seite des Permanentmagneten ein Schlitz gebildet, um den vom Permanentmagneten zum Stator fließenden magnetischen Fluss in Drehrichtung des Rotors abzulenken. Daher gibt es das Problem, dass im Betrieb eine Zentrifugalkraft auf den Permanentmagneten wirkt und dadurch eine Spannung im Kernbereich des Rotorkerns zwischen dem Permanentmagneten und dem Schlitz erzeugt wird.
Um in diesem Fall die im Kernbereich zwischen dem Permanentmagneten und dem Schlitz erzeugte Spannung abzubauen, ist es erforderlich, die Form des Schlitzes zu vergrößern oder ein Intervall zwischen dem Permanentmagneten und dem Schlitz zu vergrößern. Wenn jedoch die Form des Schlitzes vergrößert wird, so wird der Kernbereich zur Erzeugung des Reluktanzmomentes verengt und damit das Reluktanzmoment verringert. Wenn der Abstand zwischen dem Permanentmagneten und dem Schlitz vergrößert wird, kann der Strom-Phasenwinkel, bei dem das Magnetmoment den Spitzenwert hat, nicht so verändert werden, dass er nahe bei dem Strom-Phasenwinkel liegt, bei dem das Reluktanzmoment den Spitzenwert hat. Infolgedessen wird in jedem dieser Fälle der Spitzenwert des kombinierten Drehmoments verringert.
Die vorliegende Erfindung soll die oben genannten Probleme lösen, und hat die Aufgabe, eine rotierende elektrische Maschine zu schaffen, die in der Lage ist, den Spitzenwert des kombinierten Drehmoments aus dem Magnetmoment und dem Reluktanzmoment zu erhöhen und zugleich die im Bereich des Rotorkerns erzeugte Spannung zu reduzieren.
Mittel zum Lösen der Probleme
Eine rotierende elektrische Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung weist Folgendes auf: einen Stator mit einem Statorkern und einer Statorspule; und einen Rotor, der Folgendes aufweist: einen Rotorkern, der koaxial mit dem Statorkern mit einem zwischen dem Statorkern und dem Rotorkern gebildeten Luftspalt angeordnet ist; und eine Vielzahl von Permanentmagnetgruppen, die jeweils einen Magnetpol bilden, wobei die Vielzahl von Permanentmagnetgruppen in den Rotorkern eingebettet und mit gleichwinkligen Abständen in Umfangsrichtung angeordnet sind, wobei eine Fluss-Barriere zwischen einem Satz von Permanentmagneten, die in der Umfangsrichtung in jeder Permanentmagnetgruppe, die einen Magnetpol bildet, nebeneinander liegen, gebildet wird, wobei ein Paar Rippen aus Bereichen des Rotorkerns zwischen der Fluss-Barriere und dem einen Satz von Permanentmagneten, die nebeneinander liegen, gebildet wird, wobei ein erster Schlitz gebildet wird, um zu bewirken, dass der magnetische Fluss, der von jeder einen Magnetpol bildenden Permanentmagnetgruppe erzeugt wird, in der Drehrichtung des Rotors in einem Bereich des Rotorkerns auf der Luftspalt-Seite in radialer Richtung der jeweils einen Magnetpol bildenden Permanentmagnetgruppe abweicht, und wobei ein Endbereich des ersten Schlitzes auf der Flussbarriere-Seite zwischen Verlängerungslinien des Rippenpaares positioniert ist.
Effekt der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es mit der oben genannten Konfiguration möglich, eine rotierende elektrische Maschine zu bauen, die in der Lage ist, den Spitzenwert des kombinierten Drehmoments zu erhöhen und zugleich die im Bereich des Rotorkerns erzeugten Spannungen zu reduzieren.
Figurenliste

1 ist ein Längsschnitt zur Veranschaulichung einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Längsschnitt entlang der Linie II-II von 1;
3 ist ein Hauptteil-Querschnitt zur Veranschaulichung eines Bereiches um einen Magnetpol eines Rotors bei der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine Darstellung zur Erläuterung einer durch einen magnetischen Fluss verursachten Spalt-Magnetflussdichteverteilung für eine Periode eines elektrischen Winkels in einem nicht erregten Zustand der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 ist eine Darstellung zur Erläuterung einer Drehmomentänderung gegenüber einem Strom-Phasenwinkel unter der Bedingung eines konstanten Stromwertes bei der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 ist eine von Mises Spannungsverteilungsdarstellung eines Spannungsanalyse-ergebnisses am Rotor bei der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 ist eine von Mises Spannungsverteilungsdarstellung eines Spannungsanalyse-Ergebnisses an einem Rotor bei der rotierenden elektrischen Maschine in einem Vergleichsbeispiel;
8 ist eine Darstellung zur Veranschaulichung der Drehmomentänderung gegenüber dem Strom-Phasenwinkel unter der Bedingung eines konstanten Stromwertes, bei der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 ist ein Hauptteil-Querschnitt zur Erläuterung eines Bereiches um einen Magnetpol eines Rotors in einem ersten Abwandlungsbeispiel bei der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10 ist ein Hauptteil-Querschnitt zur Veranschaulichung eines Bereiches um einen Magnetpol eines Rotors in einem zweiten Abwandlungsbeispiel bei der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
11 ist ein Hauptteil-Querschnitt zur Veranschaulichung eines Bereiches um einen Magnetpol eines Rotors in einem dritten Abwandlungsbeispiel bei der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
12 ist ein Hauptteil-Querschnitt zur Veranschaulichung eines Bereiches um einen Magnetpol eines Rotors in einem vierten Abwandlungsbeispiel bei der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
13 ist ein Hauptteil-Querschnitt zur Veranschaulichung eines Bereiches um einen Magnetpol eines Rotors in einem fünften Abwandlungsbeispiel bei der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
14 ist ein Querschnitt zur Veranschaulichung einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
15 ist ein Hauptteil-Querschnitt zur Veranschaulichung eines Bereiches um einen Magnetpol eines Rotors bei der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
16 ist ein Längsschnitt zur Veranschaulichung einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
17 ist ein Hauptteil-Querschnitt zur Veranschaulichung eines Bereiches um einen Magnetpol eines ersten Rotors bei der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
18 ist ein Hauptteil-Querschnitt zur Veranschaulichung eines Bereiches um einen Magnetpol eines zweiten Rotors bei der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
19 ist ein Querschnitt zur Veranschaulichung einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
20 ist ein Hauptteil-Querschnitt zur Veranschaulichung eines Bereiches um einen Magnetpol eines Rotors in einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
21 ist ein Querschnitt zur Veranschaulichung einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ausführungsform 1
1 ist ein Längsschnitt zur Veranschaulichung einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 ist ein Längsschnitt entlang der Linie II-II von 1. Der Längsschnitt bezieht sich auf eine Schnittdarstellung zur Veranschaulichung des Querschnitts mit der axialen Mitte der rotierenden Welle. In 2 werden ein Rahmen und die Spulenenden weggelassen.
Weiterhin wird in dieser Beschreibung der Einfachheit halber die Richtung parallel zur axialen Mitte der Drehwelle als „axiale Richtung“, die Richtung orthogonal zur axialen Mitte der Drehwelle um die axiale Mitte der Drehwelle als Mittelpunkt als „radiale Richtung“ und die Drehrichtung um die Drehwelle als Mittelpunkt als „Umfangsrichtung“ bezeichnet. In den Zeichnungen bezeichnet R die Drehrichtung der Drehwelle.
In 1 und 2 weist eine rotierende elektrische Maschine 1 Folgendes auf: einen zylindrischen Rahmen 2, ein Endplattenpaar 3 und eine rotierende Welle 5. Das Endplattenpaar 3 ist an beiden Enden des Rahmens 2 in axialer Richtung montiert und so ausgebildet, dass es Öffnungen auf beiden Seiten des Rahmens 2 in axialer Richtung verschließt. Die Drehwelle 5 ist in Lagern 4 gelagert, die an dem Endplattenpaar 3 so angebracht sind, dass sie im Rahmen 2 drehbar sind.
Die rotierende elektrische Maschine 1 besitzt ferner einen Rotor 20 und einen Stator 10. Der Rotor 20 ist fest mit der Drehwelle 5 verbunden und im Rahmen 2 drehbar gelagert. Der Stator 10 wird in den Rahmen 2 eingesetzt und von diesem gehalten und ist koaxial mit dem Rotor 20 auf der radial-äußeren Seite des Rotors 20 angeordnet. Zwischen dem Rotor 20 und dem Stator 10 ist ein Luftspalt G gebildet. Der Stator 10 ist in den Rahmen 2 eingesetzt und von diesem gehalten.
Der Stator 10 hat einen ringförmigen Statorkern 11 und eine an den Statorkern 11 montierte Statorspule 12. Der Statorkern 11 enthält einen ringförmigen Kernrücken 110 und eine Vielzahl von Zähnen 111, die von einer inneren Umfangsfläche des Kemrückens 110 in radialer Richtung nach innen ragen. Der Statorkern 11 wird z.B. durch Stapeln und Zusammenfassen dünner elektromagnetischer Stahlplatten in axialer Richtung gebildet.
Achtzehn Zähne 111 sind in gleichwinkliger Teilung in Umfangsrichtung angeordnet, und ein Bereich zwischen benachbarten Zähnen 111 dient als Aussparung 112. Die Statorspule 12 besteht aus Spulen mit konzentrierter Wicklung 120, die jeweils durch Wickeln eines leitfähigen Drahtes um einen der Zähne 111 gebildet werden. Benachbarte Spulen mit konzentrierten Wicklungen 120 sind in jeder der Aussparungen 112 untergebracht.
Der Rotor 20 besitzt die Drehwelle 5, einen zylindrischen Rotorkern 21 und vierundzwanzig Permanentmagnete 22. Der Rotorkern 21 hat an seiner axialen Mittelposition eine Welleneinsetzöffnung. Die Permanentmagnete 22 sind auf der radial-äußeren Seite des Rotorkerns 21 eingebettet. Der Rotorkern 21 ist fest mit der durch das Welleneinführloch eingeführten Drehwelle 5 verbunden. Beide Enden der Drehwelle 5 in axialer Richtung werden von den Lagern 4 abgestützt, so dass der Rotor 20 im Rahmen 2 drehbar gelagert ist. Der Rotorkern 21 wird z.B. durch das Stapeln und Zusammenfassen von dünnen elektromagnetischen Stahlplatten in axialer Richtung gebildet.
Nachstehend wird die Struktur um einen Magnetpol des Rotors 20 unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. 3 ist ein Hauptteil-Querschnitt zur Veranschaulichung eines Bereiches um einen Magnetpol des Rotors bei der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Querschnitt dient zur Veranschaulichung eines Querschnitts orthogonal zur axialen Mitte der rotierenden Welle.
Auf der radial-äußeren Seite des Rotorkerns 21 sind zwölf Paare von Magnet-Einsetzlöchern 23 in gleichwinkliger Teilung in Umfangsrichtung ausgebildet. Die Magnet-Einsetzlöcher 23 durchlaufen den Rotorkern 21 in axialer Richtung. Jedes Paar von Magnet-Einsetzlöchern 23 ist V-förmig ausgebildet, so dass sich deren Abstand voneinander in Umfangsrichtung zur radial-äußeren Seite hin allmählich vergrößert. Die Magnet-Einsetzlöcher 23 sind jeweils zu einer Lochform mit rechteckigem Querschnitt geformt.
Die Endbereiche auf der radial-inneren Seite der Magnet-Einsetzlöcher 23, die ein Paar bilden, sind in Umfangsrichtung voneinander getrennt.
Die Permanentmagnete 22 sind jeweils als prismatischer Körper mit einem rechteckigen Querschnitt ausgebildet, der dem des Magnet-Einsetzlochs 23 entspricht. Die Permanentmagnete 22 sind jeweils so magnetisiert, dass die Magnetisierung orthogonal zu der Fläche verläuft, die durch eine Längsseite des rechteckigen Querschnitts gebildet ist. Auf diese Weise hat eine erste Fläche des Permanentmagneten 22, die durch die lange Seite seines rechteckigen Querschnitts gebildet ist, einen N-Pol und die zweite Fläche auf der gegenüberliegenden Seite der ersten Fläche einen S-Pol. Die Permanentmagnete 22 werden in jedes Paar von Magnet-Einsetzlöchern 23 so eingesetzt und gehalten, dass Flächen gleicher Polarität auf die radial-äußere Seite gerichtet sind, und in benachbarten Paaren von Magnet-Einsetzlöchern 23 so eingesetzt und gehalten, dass Flächen unterschiedlicher Polarität auf die radial-äußere Seite gerichtet sind.
Das heißt, jedes Paar Permanentmagnete 22, die V-förmig angeordnet sind, wobei sich der Abstand in Umfangsrichtung zur Seite des Luftspalts G hin allmählich vergrößert, bildet einen Magnetpol. Dann werden zwölf Paare Permanentmagnete 22, die jeweils einen Magnetpol bilden, auf der radial-äußeren Seite des Rotorkerns 21 eingebettet und in gleichwinkligen Abständen in Umfangsrichtung angeordnet. Auf diese Weise hat der Rotor 20 zwölf Magnetpole.
Eine erste Fluss-Barriere 24 wird durch eine Ausdehnung auf der radial-äußeren Seite jedes Magnet-Einsetzlochs 23, die durch eine kurze Seite seines rechteckigen Querschnitts gebildet ist, in Längsrichtung der langen Seite des rechteckigen Querschnitts des Magnet-Einsetzlochs 23 gebildet. Eine zweite Fluss-Barriere 25, die als magnetische End-Fluss-Barriere dient, wird durch eine Ausdehnung auf der radial-inneren Seite jedes Magnet-Einsetzlochs 23, die durch eine kurze Seite seines rechteckigen Querschnitts gebildet ist, in Längsrichtung der langen Seite des rechteckigen Querschnitts des Magnet-Einsetzlochs 23 gebildet. Eine dritte Fluss-Barriere 26 wird an einer Stelle zwischen der zweiten Fluss-Barriere 25 eines Paares von Magnet-Einsetzlöchern 23 gebildet. Jede der ersten, zweiten und dritten Fluss-Barrieren 24, 25 und 26 ist so ausgebildet, dass sie den Rotorkern 21 in axialer Richtung durchsetzt.
In diesem Fall sind Bereiche der zweiten Fluss-Barriere 25 und der dritten Fluss-Barriere 26, die in Umfangsrichtung nebeneinander liegen, im gleichen radialen Abstand vom axialen Mittelpunkt der Drehwelle 5 angeordnet. An dieser Position dient ein Kernbereich zwischen der zweiten Fluss-Barriere 25 und der dritten Fluss-Barriere 26 als Rippe 27. Weiterhin dient ein Kernbereich zwischen der ersten Fluss-Barriere 24 und einer äußeren Umfangsfläche des Rotorkerns 21 als Brücke 28.
Ein erster Schlitz 29 wird in einem Kernbereich des Rotorkerns 21 gebildet, der auf der radial-äußeren Seite des Paares der V-förmig angeordneten Permanentmagnete 22 liegt. Der erste Schlitz 29 erstreckt sich in einer linearen Bandform von der Nähe der dritten Fluss-Barriere 26 bis in die Nähe der äußeren Umfangsfläche des Rotorkerns 21. Der erste Schlitz 29 erstreckt sich gerade und ist zur Vorderseite in Drehrichtung geneigt. Der Endbereich des ersten Schlitzes 29 auf der radial-inneren Seite, d.h. der Endbereich desselben auf der Seite der dritten Fluss-Barriere 26, liegt zwischen Verlängerungslinien eines Paares von Rippen 27. Der Endbereich des ersten Schlitzes 29 auf der radial-äußeren Seite, d.h. ein Endbereich davon auf der Seite des Luftspalts G, liegt in der Nähe der äußeren Umfangsfläche des Rotorkerns 21.
Der erste Schlitz 29 kann so geformt sein, dass er den Rotorkern 21 in axialer Richtung durchdringt, oder er kann so geformt sein, dass er den Rotorkern 21 in axialer Richtung nicht vollständig durchdringt, so dass er in axialer Richtung die halbe Tiefe aufweist. Weiterhin hat der erste Schlitz 29 einen Minimalbreitenbereich, der schmaler ist als eine Breite der Rippe 27 in Umfangsrichtung. Auf diese Weise kann die Spannung um die Rippe 27 herum reduziert werden.
Der erste Schlitz 29 ist hohl. Luft hat eine magnetische Permeabilität, die niedriger ist als die des Rotorkerns 21. Somit ist der erste Schlitz 29 ein Gebiet niedriger magnetischer Permeabilität im Kernbereich auf der radial-äußeren Seite des Paares der V-förmig angeordneten Permanentmagnete 22. Der erste Schlitz 29 kann z.B. mit einem Harz oder einem wärmeableitenden Material mit einer magnetischen Permeabilität gefüllt sein, die niedriger ist als die des Rotorkerns 21. Auf diese Weise kann die Festigkeit des Rotorkerns 21 erhöht werden. Weiterhin kann der Effekt der Kühlung des Rotorkerns 21 und der Permanentmagnete 22 erhöht werden.
Bei der rotierenden elektrischen Maschine 1, die wie oben beschrieben ausgebildet ist, beträgt die Anzahl der Aussparungen 112 des Stators 10 achtzehn, und die Polzahl des Rotors 20 zwölf. Das heißt, die rotierende elektrische Maschine 1 ist eine rotierende elektrische Maschine mit Innenrotor, die ein System verwendet, bei dem das Verhältnis der Polzahl zur Anzahl der Aussparungen 2:3 beträgt. Es wird angenommen, dass die rotierende elektrische Maschine 1 für einen Leistungsbetrieb eingesetzt wird.
Der Leistungsbetrieb bezieht sich auf einen Betrieb zur Umwandlung von elektrischer Energie zur Speisung der Statorspule 12 in kinetische Energie zur Drehung des Rotors 20. Hier arbeitet die rotierende elektrische Maschine 1 als Elektromotor. Wenn die Statorspule 12 erregt wird, wirkt auf den Rotor 20 eine Umfangskraft in der gleichen Richtung wie die Drehrichtung R des Rotors 20. Zur Funktion des Leistungsbetriebs wird auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet.
Die erste Fluss-Barriere 24 wird so gebildet, dass sie sich in Längsrichtung der Längsseite des rechteckigen Querschnitts vom Magnet-Einsetzloch 23 in Richtung der radial-äußeren Seite erstreckt oder ausgedehnt ist. Die zweite Fluss-Barriere 25 wird so gebildet, dass sie sich vom Magnet-Einsetzloch 23 in Längsrichtung der Längsseite des rechteckigen Querschnitts in Richtung der radial-inneren Seite erstreckt oder ausgedehnt ist. Die dritte Fluss-Barriere 26 wird zwischen den zweiten Fluss-Barrieren 25 gebildet. Somit kann die Brücke 28 zwischen der ersten Fluss-Barriere 24 und der äußeren Umfangsfläche der Rotorkern 21 eine verengte radiale Breite aufweisen.
Ferner kann die Rippe 27 zwischen der zweiten Fluss-Barriere 25 und der dritten Fluss- Barriere 26 eine verringerte Umfangsbreite aufweisen. Diese Konfiguration ermöglicht die Unterdrückung des Flusses des Magnetflusses 31 des Magneten, der durch einen geschlossenen magnetischen Pfad im Rotorkern 21 fließt und vom Permanentmagneten 22 über die Rippe 27 und die Brücke 28 zum Permanentmagneten 22 zurückfließt. Dadurch erhöht sich ein Teil des Magnetflusses 31 des Magneten, der über den Luftspalt G mit dem Stator 10 verbunden ist.
Der erste Schlitz 29 erstreckt sich linear von der Nähe der dritten Fluss-Barriere 26 bis in die Nähe der äußeren Umfangsfläche des Rotorkerns 21. Der erste Schlitz 29 ist nach vom gekippt, d.h. zur Vorderseite in Drehrichtung R. Der Endbereich des ersten Schlitzes 29 auf der radial-inneren Seite befindet sich in der Nähe der dritten Fluss-Barriere 26. Der Endbereich des ersten Schlitzes 29 auf der radial-äußeren Seite befindet sich in der Nähe der äußeren Umfangsfläche des Rotorkerns 21. Auf diese Weise wird der Kernbereich auf der radial-äußeren Seite des Paares der Permanentmagnete 22, die einen Magnetpol bilden und V-förmig angeordnet sind, durch den ersten Schlitz 29 in einen Kernbereich 30A in Drehrichtung vorwärts und einen Kernbereich 30B in Drehrichtung rückwärts zum Zeitpunkt des Leistungsbetriebs geteilt.
Als Nächstes wird der Zustand der magnetischen Flüsse beschrieben, welche die Ursachen für die Erzeugung des Drehmoments sind.
Der Magnetfluss 31 des Magneten, der von der Magnetflusserzeugungsfläche des Permanentmagneten 22 erzeugt wird, die sich in Drehrichtung R auf der Vorderseite befindet, fließt vom Rotorkern 21 zum Luftspalt G. Hier wird die Richtung, in der der Magnetfluss 31 des Magneten fließt, dadurch eingeschränkt, dass der erste Schlitz 29 der Bereich mit niedriger magnetischer Permeabilität ist, und der Magnetfluss 31 des Magneten zur Vorderseite in Drehrichtung abweicht. Auf diese Weise wird der Magnetfluss 31 des Magneten in dem in Drehrichtung vorwärts gerichteten Kernbereich 30A lokalisiert, wie durch die Pfeile in 3 angedeutet. Dadurch kann der Strom-Phasenwinkel, bei dem das Magnetmoment einen positiven Spitzenwert hat, größer vorgegeben werden als der Strom-Phasenwinkel in dem Fall, in dem kein erster Schlitz 29 gebildet wird.
Der Weg des Reluktanzmagnetflusses 32, der durch den Rotorkern 21 vom Statorkern 11 über den Luftspalt G fließt, wird durch den ersten Schlitz 29 eingeschränkt, der das Gebiet niedriger magnetischer Permeabilität ist. Auf diese Weise fließt der Reluktanzmagnetfluß 32 nur durch den in Drehrichtung rückwärts gerichteten Kernbereich 30B, ohne durch den in Drehrichtung vorwärts gerichteten Kernbereich 30A zu fließen, wie durch den Pfeil in 3 angedeutet. Als Ergebnis kann der Strom-Phasenwinkel, bei dem das Reluktanzmoment einen positiven Spitzenwert hat, kleiner vorgegeben werden als der Strom-Phasenwinkel, der sich ergibt, wenn kein erster Schlitz 29 gebildet wird.
Dadurch wird der Abstand zwischen dem Strom-Phasenwinkel, bei dem das Magnetmoment den positiven Spitzenwert hat, und dem Strom-Phasenwinkel, bei dem das Reluktanzmoment den positiven Spitzenwert hat, verringert. In diesem Fall kann das kombinierte Drehmoment aus dem Magnetmoment und dem Reluktanzmoment, d.h. das Gesamtdrehmoment im Leistungsbetrieb, verbessert werden.
Als Nächstes werden die Ergebnisse der Analyse der Verteilung der Spalt-Magnetflussdichte, die durch den Magnetfluss 31 des Magneten für eine Periode des elektrischen Winkels im nicht erregten Zustand verursacht wird, mit der Finite-Elemente-Methode gemäß 4 gezeigt. Eine Periode des elektrischen Winkels entspricht zwei Magnetpolen. 4 ist eine Darstellung zur Erläuterung der durch den Magnetfluss verursachten Spalt-Magnetflussdichte-Verteilung für eine Periode des elektrischen Winkels im nicht erregten Zustand der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 4 stellt die horizontale Achse die Umfangsposition und die vertikale Achse die Spalt-Magnetflussdichte dar. Weiterhin zeigt die gestrichelte Linie die Spalt-Magnetflussdichte an, wenn kein erster Schlitz 29 gebildet wird, und die durchgezogene Linie zeigt die Spalt-Magnetflussdichte an, wenn der erste Schlitz 29 gebildet wird.
Aus 4 ist zu entnehmen, dass die Spalt-Magnetflussdichte in einem Magnetpol im Leistungsbetrieb bei Bildung des ersten Schlitzes 29 in Drehrichtung des Rotors 20 nach vom abweicht, im Vergleich dazu, wenn kein erster Schlitz 29 gebildet wird.
Als Nächstes werden die Ergebnisse, die durch die Analyse der Drehmomentänderung mit der Finite-Elemente-Methode in Bezug auf den Strom-Phasenwinkel β unter der Bedingung eines konstanten Stromwertes erhalten worden sind, in 5 dargestellt. 5 ist eine Darstellung zur Erläuterung der Drehmomentänderung in Bezug auf den Strom-Phasenwinkel unter der Bedingung eines konstanten Stromwertes bei der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 5 stellen die horizontale Achse den Strom-Phasenwinkel β und die vertikale Achse das Drehmoment dar. Weiterhin zeigt die gepunktete Linie das Drehmoment an, wenn kein erster Schlitz 29 gebildet wird, und die durchgezogene Linie zeigt das Drehmoment an, wenn der erste Schlitz 29 gebildet wird. Das Drehmoment ist das kombinierte Drehmoment aus dem Magnetmoment und dem Reluktanzmoment.
Aus 5 geht hervor, dass der Strom-Phasenwinkel β, bei dem das kombinierte Drehmoment den positiven Spitzenwert hat, wenn der erste Schlitz 29 gebildet wird, kleiner ist als der Strom-Phasenwinkel β, bei dem das kombinierte Drehmoment den positiven Spitzenwert hat, wenn kein erster Schlitz 29 gebildet wird. Ferner geht aus 5 hervor, dass der positive Spitzenwert des kombinierten Drehmoments bei Bildung des ersten Schlitzes 29 größer ist als der positive Spitzenwert des kombinierten Drehmoments, wenn kein erster Schlitz 29 gebildet wird.
Wenn kein erster Schlitz 29 gebildet wird, hat das Magnetmoment den positiven Spitzenwert, wenn der Strom-Phasenwinkel β = 0° beträgt, und das Reluktanzmoment hat den positiven Spitzenwert, wenn der Strom-Phasenwinkel β = 45° beträgt. Aus den Ergebnissen von 5 wird erwartet, dass bei der Bildung des ersten Schlitzes 29 der Strom-Phasenwinkel β, bei dem das Magnetmoment den positiven Spitzenwert hat, und der Strom-Phasenwinkel β, bei dem das Reluktanzmoment den positiven Spitzenwert hat, nahe zueinander gebracht werden, um das kombinierte Drehmoment zu verbessern.
Wie oben beschrieben, wird bei der ersten Ausführungsform der erste Schlitz 29, der den Bereich niedriger magnetischer Permeabilität darstellt, im Kernbereich auf der radial-äußeren Seite der Permanentmagnete 22 gebildet, die einen Magnetpol bilden und V-förmig so angeordnet sind, dass sie in Drehrichtung R nach vom kippen. Auf diese Weise werden der Strom-Phasenwinkel β, bei dem das Magnetmoment den positiven Spitzenwert hat, und der Strom-Phasenwinkel β, bei dem das Reluktanzmoment den positiven Spitzenwert hat, einander angenähert. Dadurch wird das aus Magnetmoment und Reluktanzmoment kombinierte Drehmoment im Leistungsbetrieb verbessert.
Nachstehend wird die Spannung beschrieben, die im Rotorkern im Leistungsbetrieb erzeugt wird.
6 ist eine von Mises Spannungsverteilungsdarstellung eines Spannungsanalyse-Ergebnisses im Rotor bei der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 7 ist eine von Mises Spannungsverteilungsdarstellung eines Spannungsanalyse-Ergebnisses in einem Rotor in einem Vergleichsbeispiel.
In dem Rotorkern 21 des Rotors 20 wird, wie in 3 dargestellt, die dritte Fluss-Barriere 26 zwischen einem Satz der Permanentmagnete 22 gebildet, die in Umfangsrichtung nebeneinander in einer Gruppe von Permanentmagneten 22 liegen und einen Magnetpol bilden. Das Rippenpaar 27 wird aus Bereichen des Rotorkerns 21 zwischen der dritten Fluss-Barriere 26 und der einen Gruppe von Permanentmagneten 22 gebildet, die in Umfangsrichtung nebeneinander liegen. Der Endbereich des ersten Schlitzes 29 auf der radial-inneren Seite ist von der dritten Fluss-Barriere 26 getrennt und liegt innerhalb des Umfangsbereichs zwischen den Verlängerungslinien des Paares der Rippen 27.
Bei einem Rotorkern 201 eines Rotors 200 im Vergleichsbeispiel, wie in 7 dargestellt, ist der Endbereich des ersten Schlitzes 29 auf der radial-inneren Seite von der dritten Fluss-Barriere 26 abgetrennt und befindet sich in Drehrichtung auf der Rückseite der Verlängerungslinien des Rippenpaares 27. Die übrigen Konfigurationen des Rotorkerns 201 sind ähnlich wie die des Rotorkerns 21.
Die im Rotorkern 201 im Vergleichsbeispiel erzeugte Spannung betrug, wie in 7 dargestellt, im Leistungsbetrieb 156 MPa. Die im Rotorkern 21 erzeugte Spannung im Leistungsbetrieb betrug, wie in 6 dargestellt, 78 MPa. Wie oben beschrieben, hat sich bestätigt, dass dann, wenn der Endbereich des ersten Schlitzes 29 auf der radial-inneren Seite innerhalb des Umfangsbereichs zwischen den Verlängerungslinien des Rippenpaares 27 liegt, die im Rotorkern 21 erzeugte Spannung reduziert werden kann.
Beim Rotor 200 im Vergleichsbeispiel ist dann, wenn eine Fliehkraft auf den Permanentmagneten 22 wirkt, der Endbereich des ersten Schlitzes 29 auf der radial-inneren Seite in einer Richtung positioniert, in der der Rotorkern 201 verlagert wird. Weiterhin ist der Minimalbreitenbereich des ersten Schlitzes 29 kleiner als die Breite der Rippe 27 in Umfangsrichtung. Daher ist die Spannung, die im Endbereich des ersten Schlitzes 29 auf der radial-inneren Seite erzeugt wird, erhöht. Im Rotor 20 befindet sich der Endbereich des ersten Schlitzes 29 auf der radial-inneren Seite in einem Bereich, der zwischen den Verlängerungslinien des Rippenpaares 27 liegt.
Wenn also eine Zentrifugalkraft auf den Permanentmagneten 22 wirkt, ist der Endbereich des ersten Schlitzes 29 auf der radial-inneren Seite von der Richtung entfernt, in die der Rotorkern 21 verschoben wird. Es wird angenommen, dass die im Endbereich des ersten Schlitzes 29 auf der radial-inneren Seite erzeugte Spannung auf diese Weise reduziert wird.
Wie oben beschrieben, befindet sich beim Rotor 20 bei der ersten Ausführungsform der Endbereich des ersten Schlitzes 29 auf der radial-inneren Seite in einem Bereich, der zwischen den Verlängerungslinien des Paares von Rippen 27 liegt. Auf diese Weise wird die im Rotorkern 21 erzeugte Spannung reduziert. Weiterhin wird im Rotor 20 der erste Schlitz 29 im Kernbereich auf der radial-äußeren Seite der Permanentmagnete 22 gebildet, die einen Magnetpol bilden und V-förmig so angeordnet sind, dass sie in Drehrichtung R nach vom kippen. Dadurch wird das aus Magnetmoment und Reluktanzmoment kombinierte Drehmoment im Leistungsbetrieb verbessert.
Als Nächstes sind in 8 die Ergebnisse der Analyse einer Drehmomentänderung gegenüber dem Strom-Phasenwinkel β unter der Bedingung eines konstanten Stromwertes mit der Finite-Elemente-Methode in einer Konfiguration dargestellt, in der die Permanentmagnete 22 aus dem Rotor 20 entfernt sind und die Statorspule 12 aus Spulen mit konzentrierter Wicklung oder Spulen mit verteilter Wicklung gebildet wird. 8 ist eine Darstellung zur Erläuterung der Drehmomentänderung gegenüber dem Strom-Phasenwinkel unter der Bedingung eines konstanten Stromwertes, bei der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 8 stellt die horizontale Achse den Strom-Phasenwinkel β dar, und die vertikale Achse das Drehmoment. Weiterhin zeigt die gepunktete Linie das Drehmoment für den Fall an, wenn kein erster Schlitz 29 gebildet wird, und die durchgezogene Linie zeigt das Drehmoment für den Fall an, wenn der erste Schlitz 29 gebildet wird. Das Drehmoment ist das Reluktanzmoment.
Wie in 8 gezeigt, wird bei Verwendung der Statorspule mit der Struktur der konzentrierten Wicklung in dem Fall, in dem der erste Schlitz 29 gebildet wird, im Vergleich zu dem Fall, in dem kein erster Schlitz 29 gebildet wird, der positive Spitzenwert des Reluktanzmomentes erhöht. Wenn die Statorspule mit der verteilten Wicklungsstruktur verwendet wird, verringert sich der positive Spitzenwert des Reluktanzmomentes in dem Fall, in dem der erste Schlitz 29 gebildet wird, im Vergleich zu dem Fall, in dem kein erster Schlitz 29 gebildet wird.
Wie oben beschrieben, hat sich bestätigt, dass selbst bei der Struktur mit konzentrierter Wicklung, bei der die Wirkung des Reluktanzmomentes im Stand der Technik unzureichend war, bei Vorhandensein des ersten Schlitzes 29 der Weg des magnetischen Reluktanzflusses verändert wird und somit das Reluktanzmoment verbessert werden kann.
Weiterhin wird, wie in 8 gezeigt, unabhängig von der Wicklungsstruktur der Statorspule, bei der Bildung des ersten Schlitzes 29 der Strom-Phasenwinkel β verringert, bei dem das Reluktanzmoment den positiven Spitzenwert hat. Daher werden unabhängig von der Wicklungsstruktur der Statorspule, wenn der erste Schlitz 29 gebildet wird, der Strom-Phasenwinkel β, bei dem das Magnetmoment den positiven Spitzenwert hat und der Strom-Phasenwinkel β, bei dem das Reluktanzmoment den positiven Spitzenwert hat, nahe zueinander gebracht. Dadurch wird das aus Magnetmoment und Reluktanzmoment kombinierte Drehmoment im Leistungsbetrieb verbessert.
Als Nächstes werden Abwandlungsbeispiele des Rotors beschrieben. 9 ist ein Hauptteil-Querschnitt zur Veranschaulichung eines Bereiches um einen Magnetpol eines Rotors in einem ersten Abwandlungsbeispiel bei der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 10 ist ein Hauptteil-Querschnitt zur Veranschaulichung eines Bereiches um einen Magnetpol eines Rotors in einem zweiten Abwandlungsbeispiel bei der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
11 ist ein Hauptteil-Querschnitt zur Veranschaulichung eines Bereiches um einen Magnetpol eines Rotors in einem dritten Abwandlungsbeispiel bei der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
12 ist ein Hauptteil-Querschnitt zur Veranschaulichung eines Bereiches um einen Magnetpol eines Rotors in einem vierten Abwandlungsbeispiel bei der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 13 ist ein Hauptteil-Querschnitt zur Veranschaulichung eines Bereiches um einen Magnetpol eines Rotors in einem fünften Abwandlungsbeispiel bei der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei einem Rotor 20A im ersten Abwandlungsbeispiel, wie in 9 dargestellt, wird der erste Schlitz 29 in einem Rotorkern 21A so ausgebildet, dass er sich zur dritten Fluss-Barriere 26 und zum Luftspalt G hin öffnet. Der Endbereich des ersten Schlitzes 29 auf der radial-inneren Seite liegt im Umfangsbereich zwischen den Verlängerungslinien des Rippenpaares 27. Die übrigen Konfigurationen des Rotors 20A ähneln denen des Rotors 20. So können auch bei Verwendung des Rotors 20A ähnliche Effekte wie bei der ersten Ausführungsform erzielt werden. Weiterhin wird bei Verwendung des Rotors 20A der magnetische Streufluss auf der Seite des Luftspalts G der ersten Schlitz 29 reduziert, und somit kann das Drehmoment n verbessert werden.
Im Rotor 20B im zweiten, in 10 dargestellten Abwandlungsbeispiel, sind drei Magnet-Einsetzlöcher 23 mit den Permanentmagneten 22, die einen Magnetpol bilden, V-förmig ausgebildet, wobei der Abstand in Umfangsrichtung zur radial-äußeren Seite hin allmählich vergrößert wird. Das bedeutet, zwei Magnet-Einsetzlöcher 23 sind in einer Reihe angeordnet, wobei sie sich in Drehrichtung nach vom neigen. Das verbleibende Magnet-Einsetzloch 23 ist gekippt in Drehrichtung zur rückwärtigen Seite.
Die erste Fluss-Barriere 24 und die zweite Fluss-Barriere 25 sind an beiden Enden jedes Magnet-Einsetzlochs 23 in Längsrichtung der Längsseite seines rechteckigen Querschnitts ausgebildet. Die Rippe 27 wird zwischen den in Drehrichtung nach vom kippenden Magnet-Einsetzlöchern 23 gebildet. Die dritte Fluss-Barriere 26 wird zwischen den Magnet-Einsetzlöchern 23 mit unterschiedlichen Kipprichtungen gebildet. Über die dritte Fluss-Barriere 26 wird ein Paar Rippen 27 gebildet. Der erste Schlitz 29 wird im Rotorkern 21B gebildet und ist zur dritten Fluss-Barriere 26 und zum Luftspalt G hin offen.
Daher können auch bei Verwendung des Rotors 20B ähnliche Effekte erzielt werden wie bei der Verwendung des oben erwähnten Rotors 20A. Die Anzahl der Permanentmagnete 22, die einen Magnetpol bilden, kann auch vier oder mehr betragen. Auch in diesem Fall sind die Permanentmagnete 22 V-förmig angeordnet. Die dritte Fluss-Barriere 26 wird zwischen den Permanentmagneten 22 gebildet, die den Talbereich der V-Form bilden.
Im Rotor 20C im dritten Abwandlungsbeispiel wird, wie in 11 dargestellt, der erste Schlitz 29 im Rotorkern 21C ausgehend von einer Stelle in der Nähe der dritten Fluss-Barriere 26 und bis zu einer Stelle in der Nähe der äußeren Umfangsfläche des Rotorkerns 21D gebildet. Der erste Schlitz 29 wird zu einem nach vom in Drehrichtung R konvexen Bogenband geformt. Die übrigen Konfigurationen des Rotors 20C ähneln denen des Rotors 20. So können auch bei Verwendung des Rotors 20C ähnliche Effekte wie bei der ersten Ausführungsform erzielt werden.
Im Rotor 20D im vierten Abwandlungsbeispiel wird, wie in 12 dargestellt, in einem Rotorkern 21D in Drehrichtung auf der Vorderseite des ersten Schlitzes 29 ein zweiter Schlitz 33 mit linearer Bandform von einer Stelle in der Nähe des Magnet-Einsetzlochs 23 bis in die Nähe der äußeren Umfangsfläche des Rotorkerns 21D gebildet. Die übrigen Konfigurationen des Rotors 20D sind ähnlich wie die des Rotors 20. So können auch bei Verwendung des Rotors 20D ähnliche Effekte wie bei der ersten Ausführungsform erzielt werden.
Weiterhin wird der zweite Schlitz 33 auf der radial-äußeren Seite des Permanentmagneten 22 gebildet, der in Drehrichtung R der beiden Permanentmagnete 22, die einen Magnetpol bilden, auf der vorderen Seite positioniert ist. Daher ist ein Endbereich des zweiten Schlitzes 33 auf der radial-inneren Seite von der Richtung entfernt, in die sich der Rotorkern 21D verlagert, wenn eine Zentrifugalkraft auf den in Drehrichtung R vom liegenden Permanentmagneten 22 wirkt.
Dadurch wird eine im Endbereich des zweiten Schlitzes 33 auf der radial-inneren Seite erzeugte Spannung nicht erhöht. Weiterhin wird der zweite Schlitz 33, der ein Bereich mit niedriger magnetischer Permeabilität ist, im in Drehrichtung vorderen Kernbereich 30A so gebildet, dass er in Drehrichtung nach vom gekippt ist. Somit wird die Richtung, in die der Magnetfluss 31 des Magneten fließt, dadurch eingeschränkt, dass der zweite Schlitz 33 der ein Bereich mit niedriger magnetischer Permeabilität ist, und der Magnetfluss 31 des Magneten wird weiter nach vom in der Drehrichtung abgelenkt.
Beim Rotor 20E im fünften Abwandlungsbeispiel werden, wie in 13 dargestellt, in einem Rotorkern 21E zwei erste Schlitze 29a und 29b mit jeweils linearer Bandform nebeneinander in einer Reihe aus einer Stelle in der Nähe der dritten Fluss-Barriere 26 gebildet und bis in die Nähe der äußeren Umfangsfläche des Rotorkerns 21F ausgebildet. Die übrigen Konfigurationen des Rotors 20E ähneln denen des Rotors 20. So können auch bei Verwendung des Rotors 20E ähnliche Effekte wie bei der ersten Ausführungsform erzielt werden. Im fünften Abwandlungsbeispiel ist der erste Schlitz in zwei Schlitze aufgeteilt, aber der erste Schlitz kann auch in drei oder mehr Schlitze aufgeteilt werden. Ferner kann im Rotor 20C im dritten Abwandlungsbeispiel der erste Schlitz 29 mit der Bogenbandform in eine Vielzahl von ersten Schlitzen unterteilt werden.
Wie oben bei der ersten Ausführungsform und dem ersten bis fünften Abwandlungsbeispiel beschrieben, können, solange der Endbereich des ersten Schlitzes 29 auf der radial-inneren Seite zwischen den Verlängerungslinien des Rippenpaares 27 liegt, die Form und Anordnung des ersten Schlitzes 29 und die Anzahl der Permanentmagnete 22 entsprechend verändert werden. Auf diese Weise kann effektiv ein hohes Drehmoment erreicht werden, ohne dass eine magnetische Sättigung durch den Magnetfluss 31 des Magneten auftritt. Solange sich der Endbereich des ersten Schlitzes 29 auf der radial-inneren Seite zwischen den Verlängerungslinien des Rippenpaares 27 befindet, können ferner ein oder mehrere zweite Schlitze 33 in einem Kernbereich auf der in Drehrichtung des ersten Schlitzes 29 vorderen Seite gebildet werden.
Ausführungsform 2
14 ist ein Querschnitt zur Erläuterung einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 15 ist ein Hauptteil-Querschnitt zur Veranschaulichung eines Bereiches um einen Magnetpol eines Rotors bei der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Es wird davon ausgegangen, dass eine rotierende elektrische Maschine 1 gemäß der oben beschriebenen ersten Ausführungsform für den Leistungsbetrieb verwendet wird, während eine rotierende elektrische Maschine 1A gemäß der zweiten Ausführungsform für einen Regenerationsbetrieb verwendet wird. Der Regenerationsvorgang bezieht sich auf einen Vorgang zur Umwandlung der kinetischen Energie, die einem Rotor 40 zugeführt wird, in elektrische Energie, um die elektrische Energie aus einem Anschluss der Statorspule 12 zu entnehmen. Hierbei arbeitet eine rotierende elektrische Maschine 1A dann also als Stromgenerator. Zum Regenerationsvorgang selbst wird auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet.
In 14 und 15 weist die rotierende elektrische Maschine 1A den Stator 10 und den Rotor 40 auf. Der Rotor 40 ist auf der radial-inneren Seite des Stators 10 und koaxial zum Stator 10 angeordnet, wobei zwischen Stator 10 und Rotor 40 ein Spalt G gebildet wird. Der Rotor 40 enthält einen Rotorkern 41. Obwohl nicht abgebildet, sind der Stator 10 und der Rotor 40 in einem Gehäuse untergebracht, das eine Rahmen 2 und ein Endplattenpaar 3 aufweist.
Die Rotorkern 41 ist ähnlich aufgebaut wie der Rotorkern 21, nur dass die Anordnung des ersten Schlitzes 29 anders ist. Konkret erstreckt sich der erste Schlitz 29 in einer linearen Bandform im Kernbereich auf der radial-äußeren Seite eines Paares V-förmig angeordneter Permanentmagnete 22 von der dritten Fluss-Barriere 26 bis in die Nähe der äußeren Umfangsfläche des Rotorkerns 41. Der erste Schlitz 29 ist nach hinten gekippt, d.h. in Rotationsrichtung R.
Der Endbereich des ersten Schlitz 29 auf der radial-inneren Seite ist mit der dritten Fluss-Barriere 26 gekoppelt und liegt zwischen den Verlängerungslinien des Paares von Rippen 27. Der Endbereich des ersten Schlitzes 29 auf der radial-äußeren Seite befindet sich in der Nähe der äußeren Umfangsfläche des Rotorkerns 41.
Der Kernbereich auf der radial-äußeren Seite des Paares der Permanentmagnete 22, die einen Magnetpol bilden und V-förmig angeordnet sind, ist für den Regenerationsbetrieb durch den ersten Schlitz 29 in Drehrichtung vorwärts in den Kernbereich 30A und in Drehrichtung rückwärts den Kernbereich 30B aufgeteilt.
Der Rotor 40 dreht sich, indem er kinetische Energie von außen erhält. Beim Regenerationsvorgang ist die Richtung der Umfangskraft, die auf den Rotor 40 wirkt, wenn die Statorspule 12 erregt wird, der Drehrichtung R des Rotors 40 entgegengesetzt. Das heißt, bei der der Regeneration wirkt das Drehmoment, das die rotierende elektrische Maschine 1A selbst ausübt, derart, dass sich das Drehmoment von außen aufhebt.
Als Nächstes wird der Zustand der magnetischen Flüsse beschrieben, die Ursachen für die Erzeugung des Drehmoments sind. Beim Regenerationsvorgang wird der Magnetfluss 31 des Magneten, der von dem in Drehrichtung hinten liegenden Permanentmagneten 22 erzeugt wird, wohl vom Rotorkern 41 zum Spalt G fließen. Hier wird die Richtung, in der der Magnetfluss 31 des Magneten fließt, dadurch eingeschränkt, dass der erste Schlitz 29 der Bereich mit niedriger magnetischer Permeabilität ist und der Magnetfluss 31 des Magneten wird veranlasst, in Drehrichtung nach hinten auszuweichen. Auf diese Weise wird der Magnetfluss 31 des Magneten im in Drehrichtung rückwärtigen Kernbereich 30B lokalisiert, wie durch die Pfeile in 15 angedeutet.
Als Ergebnis kann der Strom-Phasenwinkel β, bei dem das Magnetmoment einen negativen Spitzenwert hat, kleiner vorgegeben werden als der Strom-Phasenwinkel β des Falles, in dem kein erster Schlitz 29 gebildet wird. Infolgedessen kann der Strom-Phasenwinkel β, bei dem das Reluktanzmoment einen negativen Spitzenwert hat, größer vorgegeben werden als der Strom-Phasenwinkel in dem Fall, in dem kein erster Schlitz 29 ausgebildet ist.
Außerdem wird der Weg des Reluktanzmagnetflusses 32, der vom Statorkern 11 über den Spalt G zum Rotorkern 41 fließt, durch den ersten Schlitz 29, der die Region mit niedriger magnetischer Permeabilität ist, eingeschränkt. Auf diese Weise geht der Reluktanzmagnetfluß 32 durch den in Drehrichtung vorwärts gerichteten Kernbereich 30A, ohne durch den in Drehrichtung rückwärts gerichteten Kernbereich 30B zu fließen, wie durch den Pfeil in 15 angedeutet. Auf diese Weise kann der Strom-Phasenwinkel β, bei dem das Reluktanzmoment den negativen Spitzenwert hat, größer vorgegeben werden als der Strom-Phasenwinkel β, der sich ergibt, wenn kein erster Schlitz 29 gebildet wird.
Bei der zweiten Ausführungsform wird der erste Schlitz 29 so gebildet, dass der Strom-Phasenwinkel, bei dem das Magnetmoment den negativen Spitzenwert hat, und der Strom-Phasenwinkel, bei dem das Reluktanzmoment den negativen Spitzenwert hat, einander angenähert werden können. Dadurch kann das aus Magnetmoment und Reluktanzmoment kombinierte Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine 1A im Regenerationsbetrieb verbessert werden.
Weiterhin liegt der Endbereich des ersten Schlitzes 29 auf der radial-inneren Seite im Umfangsbereich zwischen den Verlängerungslinien des Rippenpaares 27 und somit kann die im Endbereich des ersten Schlitzes 29 auf der radial-inneren Seite erzeugte Spannung verringert werden.
Ähnlich wie bei der oben erwähnten ersten Ausführungsform können auch bei der zweiten Ausführungsform, die Form und Anordnung des ersten Schlitzes 29 und die Anzahl der Permanentmagnete 22 entsprechend verändert werden, solange der Endbereich des ersten Schlitzes 29 auf der radial-inneren Seite zwischen den Verlängerungslinien des Rippenpaares 27 liegt.
Ausführungsform 3
16 ist ein Längsschnitt zur Erläuterung einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 17 ist ein Hauptteil-Querschnitt zur Veranschaulichung eines Bereiches um einen Magnetpol eines ersten Rotors bei der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 18 ist ein Hauptteil-Querschnitt zur Veranschaulichung eines Bereiches um einen Magnetpol eines zweiten Rotors bei der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Gemäß 16 weist die rotierende elektrische Maschine 1B Folgendes auf: den Rahmen 2, das Endplattenpaar 3, die Drehwelle 5, den Stator 10 und einen Rotor 50. Das Endplattenpaar 3 ist so ausgebildet, dass es Öffnungen auf beiden Seiten des Rahmens 2 in axialer Richtung verschließt. Die Drehwelle 5 ist in den Lagern 4 gelagert, die an dem Endplattenpaar 3 so angebracht sind, dass sie im Rahmen 2 drehbar sind. Der Stator 10 ist im Rahmen 2 untergebracht und wird dort gehalten.
Der Rotor 50 ist auf der radial-inneren Seite des Stators 10 und koaxial zum Stator 10 angeordnet, wobei zwischen dem Rotor 50 und dem Stator 10 ein Spalt G gebildet wird. Der Rotor 50 besitzt einen ersten Rotor 50A und einen zweiten Rotor 50B, die durch Teilung des Rotors 50 in zwei gleiche Bereiche in axialer Richtung erhalten werden. Der erste Rotor 50A und der zweite Rotor 50B enthalten jeweils einen ersten geteilten Rotorkern 51A und einen zweiten geteilten Rotorkern 51B.
Der erste geteilte Rotorkern 51A und der zweite geteilte Rotorkern 51B sind ähnlich ausgebildet, außer dass die Formen und Anordnungen des ersten Schlitzes 29A und des ersten Schlitzes 29B unterschiedlich sind. Der erste geteilte Rotorkern 51A und der zweite geteilte Rotorkern 51B sind ähnlich ausgebildet wie der Rotorkern 21 bei der ersten Ausführungsform, außer dass die Form, Anordnung und axiale Länge des ersten Schlitzes unterschiedlich sind.
Wie in 17 dargestellt, erstreckt sich der erste Schlitz 29A linear in einem Kernbereich auf der radial-äußeren Seite des Paares V-förmig angeordneter Permanentmagnete 22 von der dritten Fluss-Barriere 26 bis in die Nähe der äußeren Umfangsfläche des ersten geteilten Rotorkerns 51A. Der Endbereich des ersten Schlitzes 29A auf der radial-inneren Seite ist an die dritte Fluss-Barriere 26 gekoppelt und liegt zwischen den Verlängerungslinien des Paares von Rippen 27. Der Endbereich des ersten Schlitzes 29A auf der radial-äußeren Seite befindet sich in der Nähe der äußeren Umfangsfläche des ersten geteilten Rotorkerns 51A.
Wie in 18 dargestellt, erstreckt sich der erste Schlitz 29B linear in einem Kernbereich auf der radial-äußeren Seite eines Paares V-förmig angeordneter Permanentmagnete 22 von der dritten Fluss-Barriere 26 bis in die Nähe der äußeren Umfangsfläche des zweiten geteilten Rotorkerns 51B. Der erste Schlitz 29B wird auf der Rückseite gebildet, d.h. auf der in Drehrichtung des ersten Schlitzes 29A rückwärtigen Seite. Der Endbereich des ersten Schlitzes 29B auf der radial-inneren Seite ist an die dritte Fluss-Barriere 26 gekoppelt und befindet sich zwischen den Verlängerungslinien des Paares von Rippen 27. Der Endbereich des zweiten Schlitzes 29B auf der radial-äußeren Seite befindet sich in der Nähe der äußeren Umfangsfläche des zweiten geteilten Rotorkerns 5 IB.
Bei der dritten Ausführungsform werden im Kernbereich auf der radial-äußeren Seite der Permanentmagnete 22 jeweils der erste Schlitz 29A und der erste Schlitz 29B gebildet, die einen Magnetpol bilden und V-förmig in Drehrichtung R nach vom kippend angeordnet sind. Damit wird auch bei der dritten Ausführungsform im Leistungsbetrieb das aus Magnetmoment und Reluktanzmoment kombinierte Drehmoment verbessert. Weiterhin sind die Endbereiche des ersten Schlitzes 29A und des ersten Schlitzes 29B auf der radial-inneren Seite jeweils in dem Bereich zwischen den Verlängerungslinien des Rippenpaares 27 angeordnet. Somit wird auch bei der dritten Ausführungsform die Spannung, die in jedem, dem ersten geteilten Rotorkern 51A und dem zweiten geteilten Rotorkern 51B erzeugt wird, reduziert.
Wenn die Form oder die Anordnung des ersten Schlitzes geändert wird, ändern sich Phasen und Amplituden des Rastmoments, der Drehmomentwelligkeit und die harmonischen Komponenten der elektromagnetischen Anregungskraft. In der dritten Ausführungsform haben der erste Schlitz 29A und der erste Schlitz 29B unterschiedliche Formen und unterschiedliche Anordnungen.
Wenn also der erste Schlitz 29A und der erste Schlitz 29B, die unterschiedliche Formen und Anordnungen aufweisen, entsprechend kombiniert werden, können das Rastmoment, die Drehmomentwelligkeit und die harmonischen Komponenten der elektromagnetischen Erregerkraft aufgehoben werden. Auf diese Weise können das Rastmoment, die Drehmomentwelligkeit und die harmonischen Komponenten der elektromagnetischen Erregerkraft reduziert werden.
Bei der oben erwähnten dritten Ausführungsform wird der Rotorkern in der axialen Richtung in zwei gleiche Bereiche aufgeteilt, aber der Rotorkern kann auch in zwei ungleiche Bereiche aufgeteilt werden.
Bei der oben erwähnten dritten Ausführungsform wird der Rotorkern in axialer Richtung in zwei Bereiche aufgeteilt, aber der Rotorkern kann in drei oder mehr Bereiche geteilt werden. Solange in diesem Fall in jedem geteilten Rotorkern, ähnlich wie bei der oben erwähnten ersten Ausführungsform, der Endbereich des ersten Schlitzes auf der radial-inneren Seite zwischen den Verlängerungslinien des Rippenpaares liegt, können die Form und Anordnung des ersten Schlitzes und die Anzahl der Permanentmagnete entsprechend geändert werden. Auf diese Weise können die Typen des ersten Schlitzes kombiniert und das Rastmoment, die Drehmomentwelligkeit und die harmonischen Komponenten der elektromagnetischen Erregerkraft weiter reduziert werden.
Weiterhin wird die oben erwähnte dritte Ausführungsform bei einer für den Leistungsbetrieb zu verwendenden rotierenden elektrischen Maschine verwendet, bei der der erste Schlitz in Drehrichtung nach vom gekippt ist, aber die oben erwähnte dritte Ausführungsform kann auch bei einer für den Regenerationsbetrieb zu verwendenden, rotierenden elektrischen Maschine verwendet werden, bei der der erste Schlitz in Drehrichtung nach hinten gekippt ist.
Ausführungsform 4
19 ist ein Querschnitt zur Erläuterung einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 19 besitzt die rotierende elektrische Maschine 1C den Stator 10 und einen Rotor 60. Der Rotor 60 ist auf der radial-inneren Seite des Stators 10 und koaxial zum Stator 10 angeordnet, wobei zwischen Stator 10 und Rotor 60 ein Spalt G gebildet wird. Der Rotor 60 enthält einen Rotorkern 61. Obwohl nicht abgebildet, sind der Stator 10 und der Rotor 60 in dem aus dem Rahmen 2 und dem Endplattenpaar 3 gebildeten Gehäuse untergebracht.
Im Rotorkern 61 werden für jeden Magnetpol in Kernbereichen abwechselnd der erste Schlitz 29A und der erste Schlitz 29B auf der radial-äußeren Seite von Paaren von Permanentmagneten 22 gebildet, die jeweils einen Magnetpol bilden und jeweils V-förmig angeordnet sind. Die übrigen Konfigurationen ähneln denen des Rotors 50 bei der dritten Ausführungsform.
In der vierten Ausführungsform werden für jeden Magnetpol abwechselnd der erste Schlitz 29A und der erste Schlitz 29B jeweils so ausgebildet, dass sie in Drehrichtung R nach vom kippen. So wird auch bei der vierten Ausführungsform im Leistungsbetrieb das kombinierte Drehmoment aus Magnetmoment und Reluktanzmoment verbessert.
Weiterhin ist der Endbereich des ersten Schlitzes 29A und des ersten Schlitzes 29B auf der radial-inneren Seite jeweils in dem Bereich zwischen den Verlängerungslinien des Rippenpaares 27 angeordnet. Dadurch wird auch bei der vierten Ausführungsform die im Rotorkern 61 erzeugte Spannung reduziert.
In der vierten Ausführungsform haben der erste Schlitz 29A und der erste Schlitz 29B, die abwechselnd für jeden Magnetpol gebildet werden, unterschiedliche Formen und unterschiedliche Anordnungen. Das heißt, der erste Schlitz 29A und der erste Schlitz 29B mit unterschiedlichen Formen und unterschiedlichen Anordnungen sind in Umfangsrichtung verteilt ausgebildet. So können auch bei der vierten Ausführungsform, wenn der erste Schlitz 29A und der erste Schlitz 29B, die unterschiedliche Formen und Anordnungen haben, entsprechend kombiniert werden, das Rastmoment, die Drehmomentwelligkeit und die harmonischen Komponenten der elektromagnetischen Erregerkraft ausgelöscht werden. Auf diese Weise können das Rastmoment, die Drehmomentwelligkeit und die harmonischen Komponenten der elektromagnetischen Erregerkraft reduziert werden.
Bei der oben erwähnten vierten Ausführungsform haben zwei Typen der ersten Schlitze verschiedene Formen und verschiedene Anordnungen, aber es ist nur erforderlich, dass die beiden Typen der ersten Schlitze mindestens eine von verschiedenen Formen oder verschiedenen Anordnungen haben.
Weiterhin werden bei der oben erwähnten vierten Ausführungsform die beiden Typen der ersten Schlitze in den Rotorkernen abwechselnd für jeden Magnetpol gebildet, aber die beiden Typen der ersten Schlitze können in den Rotorkernen abwechselnd für jede Vielzahl von Polen oder in den Rotorkernen abwechselnd für eine unterschiedliche Anzahl von Magnetpolen gebildet werden.
Weiterhin werden bei der oben erwähnten vierten Ausführungsform die beiden Typen der ersten Schlitze in den Rotorkern gebildet, aber auch drei oder mehr Typen der ersten Schlitze können in den Rotorkern gebildet werden.
Ferner können auch bei der vierten Ausführungsform, ähnlich wie bei der oben erwähnten ersten Ausführungsform, solange der Endbereich des ersten Schlitzes auf der radial-inneren Seite zwischen den Verlängerungslinien des Rippenpaares liegt, die Form und Anordnung des ersten Schlitzes und die Anzahl der Permanentmagnete entsprechend geändert werden.
Weiterhin wird bei der oben erwähnten vierten Ausführungsform ein einzelner Rotorkern verwendet, aber ähnlich wie bei der oben erwähnten dritten Ausführungsform können in axialer Richtung geteilte Rotorkerne verwendet werden.
Hierbei wird die oben erwähnte vierte Ausführungsform auf eine für den Leistungsbetrieb zu verwendende rotierende elektrische Maschine angewendet, bei der der erste Schlitz in Drehrichtung nach vom gekippt ist, aber die oben erwähnte dritte Ausführungsform kann auch auf eine für den Regenerationsbetrieb zu verwendende rotierende elektrische Maschine angewendet werden, bei der der erste Schlitz in Drehrichtung nach hinten gekippt ist.
Ausführungsform 5
20 ist ein Hauptteil-Querschnitt zur Veranschaulichung eines Bereiches um einen Magnetpol des Rotors in einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 20 sind in einem Rotorkern 71 des Rotors 70 drei Magnet-Einsetzlöcher 23, die die einen Magnetpol bildenden Permanentmagnete 22 halten, V-förmig ausgebildet, wobei ihr Abstand in Umfangsrichtung zur radial-äußeren Seite hin allmählich vergrößert wird. D.h. zwei Magnet-Einsetzlöcher 23 sind in einer Reihe angeordnet, wobei sie sich in Drehrichtung nach vom neigen. Das verbleibende Magnet-Einsetzloch 23 ist in Drehrichtung zur rückwärtigen Seite hin gekippt ausgebildet. Die erste Fluss-Barriere 24 und die zweite Fluss-Barriere 25 sind an beiden Enden jedes Magnet-Einsetzlochs 23 in Längsrichtung der Längsseite seines rechteckigen Querschnitts ausgebildet.
Die dritte Fluss-Barriere 26 wird zwischen jedem Paar benachbarter Magnet-Einsetzlöcher 23 gebildet. Über jede der dritten Fluss-Barrieren 26 wird ein Paar Rippen 27 gebildet. Der erste Schlitz 29 wird in dem Rotorkern 71 so gebildet, dass er sich zu jeder der dritten Fluss-Barrieren 26 und dem Luftspalt G hin öffnet.
Die übrige Konfigurationen ähneln denen bei der oben erwähnten ersten Ausführungsform.
In der fünften Ausführungsform wird die dritte Fluss-Barriere 26 zwischen jeweils drei in Umfangsrichtung nebeneinander liegenden Permanentmagneten 22 gebildet, die einen Magnetpol bilden und V-förmig angeordnet sind. Zwei Schlitze 29 sind im Bereich des Rotorkerns 71 auf der radial-äußeren Seite der drei Permanentmagnete 22 ausgebildet, die einen Magnetpol bilden und V-förmig angeordnet sind. Der Endbereich des Schlitzes 29 auf der radial-inneren Seite befindet sich zwischen den Verlängerungslinien des Paares von Rippen 27, die in Umfangsrichtung quer über die dritte Fluss-Barriere 26 gebildet werden, die zwischen einem Satz von Permanentmagneten 22 gebildet wird, die in Umfangsrichtung nebeneinander liegen.
Der Endbereich des anderen Schlitzes 29 auf der radial-inneren Seite befindet sich zwischen den Verlängerungslinien des Paares von Rippen 27, die in Umfangsrichtung quer über die dritte Fluss-Barriere 26 gebildet werden, die zwischen dem anderen Satz von Permanentmagneten 22 gebildet wird, die in Umfangsrichtung nebeneinander liegen.
Daher können auch bei der fünften Ausführungsform ähnliche Effekte wie bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform erzielt werden.
In der fünften Ausführungsform bilden drei Permanentmagnete 22 einen Magnetpol. Wenn also eine Fliehkraft auf den Permanentmagneten 22 wirkt, wird eine auf die Rotorkerne 71 wirkende Spannung verteilt. Auf diese Weise wird die im Rotorkern 71 erzeugte Spannung im Vergleich zu dem Fall, bei dem eine dritte Fluss-Barriere 26 gebildet wird, reduziert. Weiterhin werden zwei erste Schlitze 29 gebildet, wodurch ein relativ hohes Drehmoment im Vergleich zu dem Fall, bei dem ein erster Schlitz 29 gebildet wird, erreicht werden kann.
Ähnlich wie bei den oben genannten ersten und vierten Ausführungsformen, können auch bei der fünften Ausführungsform die Form und Anordnung des ersten Schlitzes und die Anzahl der Permanentmagnete entsprechend verändert werden, solange der Endbereich des ersten Schlitzes auf der radial-inneren Seite zwischen den Verlängerungslinien des Rippenpaares liegt.
Weiterhin wird bei der oben erwähnten fünften Ausführungsform ein einzelner Rotorkern verwendet, aber ähnlich wie bei der oben erwähnten dritten Ausführungsform können in axialer Richtung geteilte Rotorkerne verwendet werden.
Weiterhin wird die fünfte Ausführungsform auf eine für den Leistungsbetrieb zu verwendende rotierende elektrische Maschine angewendet, bei der der erste Schlitz in Drehrichtung nach vom gekippt ist, aber die fünfte Ausführungsform kann auch auf eine für den Regenerationsbetrieb zu verwendende rotierende elektrische Maschine angewendet werden, bei der der erste Schlitz in Drehrichtung nach hinten gekippt ist.
Ausführungsform 6
21 ist ein Querschnitt zur Erläuterung einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 21 besitzt die rotierende elektrische Maschine 1D einen Stator 10A und einen Rotor 80. Der Rotor 80 ist auf der radial-äußeren Seite des Stators 10A angeordnet, wobei zwischen dem Stator 10A und dem Rotor 80 ein Spalt G gebildet wird.
Der Stator 10A besteht aus einem ringförmigen Statorkern 11A und an den Statorkern 11A montierten Statorspulen 12A. Der Statorkern 11A enthält einen ringförmigen Kernrücken 110A und eine Vielzahl von Zähnen 111A, die von der äußeren Umfangsfläche des Kemrückens 110A in radialer Richtung nach außen ragen. Achtzehn Zähne 111A sind in gleichwinkligen Abständen in Umfangsrichtung angeordnet und ein Bereich zwischen benachbarten Zähnen 111A dient als Aussparung 112A. Die Statorspulen 12A bestehen aus Spulen mit konzentrierter Wicklung 120A, die jeweils durch Wickeln eines leitenden Drahtes um einen der Zähne 111A gebildet werden.
Der Rotor 80 besitzt einen Rotorkern 81, und vierundzwanzig Permanentmagnete 22, die auf der radial-inneren Seite des Rotorkerns 81 eingebettet sind. Zwölf Paare von Magnet-Einsetzlöchern 23, die den Rotorkern 81 in axialer Richtung durchlaufen, sind auf der radial-inneren Seite des Rotorkerns 81 in gleichwinkliger Teilung ausgebildet. Die Magnet-Einsetzlöcher 23 sind jeweils zu einer Lochform mit rechteckigem Querschnitt geformt. Jedes Paar von Magnet-Einsetzlöchern 23 ist V-förmig ausgebildet, so dass der Abstand in Umfangsrichtung zur radial-inneren Seite hin allmählich zunimmt. Die Magnet-Einsetzlöcher 23 sind jeweils zu einer Lochform mit rechteckigem Querschnitt geformt. Die Endbereiche auf der radial-äußeren Seite der Magnet-Einsetzlöcher 23, die ein Paar bilden, sind in Umfangsrichtung voneinander getrennt.
Die Permanentmagnete 22 sind jeweils als prismatischer Körper mit einem rechteckigen Querschnitt ausgebildet, der dem des Magnet-Einsetzlochs 23 entspricht. Die Permanentmagnete 22 sind jeweils so magnetisiert, dass die Magnetisierung orthogonal zu einer Fläche verläuft, die durch eine Längsseite des rechteckigen Querschnitts gebildet ist.
Auf diese Weise hat eine erste Fläche des Permanentmagneten 22, die durch die lange Seite seines rechteckigen Querschnitts gebildet ist, einen N-Pol und eine zweite Fläche auf der gegenüberliegenden Seite der ersten Fläche einen S-Pol. Die Permanentmagnete 22 werden in jedes Paar von Magnet-Einsetzlöchern 23 so eingesetzt und dort gehalten, dass Flächen mit gleicher Polarität zur radial-inneren Seite hin gerichtet und in benachbarte Paare von Magnet-Einsetzlöchern 23 so eingesetzt und gehalten sind, dass Flächen mit unterschiedlicher Polarität zur radial-inneren Seite hin gerichtet sind.
Das heißt, jedes Paar Permanentmagnete 22, die V-förmig angeordnet sind, bildet einen Magnetpol, wobei der Abstand in Umfangsrichtung zur Seite des Luftspalts G hin allmählich vergrößert wird. Dann werden zwölf Paare Permanentmagnete 22, die jeweils einen Magnetpol bilden, auf der radial-äußeren Seite des Rotorkerns 21 eingebettet und in gleichwinkligen Abständen in Umfangsrichtung angeordnet. Auf diese Weise hat der Rotor 20 zwölf Magnetpole.
Die erste Fluss-Barriere 24 wird durch eine Ausdehnung auf der radial-inneren Seite jedes Magnet-Einsetzlochs 23, die durch eine kurze Seite seines rechteckigen Querschnitts gebildet ist, in Längsrichtung der langen Seite des rechteckigen Querschnitts des Magnet-Einsetzlochs 23 gebildet. Die zweite Fluss-Barriere 25 wird durch eine Ausdehnung auf der radial-äußeren Seite jedes Magnet-Einsetzlochs 23, die durch eine kurze Seite seines rechteckigen Querschnitts gebildet ist, in Längsrichtung der langen Seite des rechteckigen Querschnitts des Magnet-Einsetzlochs 23 gebildet. Die dritte Fluss-Barriere 26 wird an einer Stelle zwischen der zweiten Fluss-Barriere 25 des Paares Magnet-Einsetzlöcher 23 gebildet. Die erste, zweite und dritte Fluss-Barriere 24, 25 und 26 sind jeweils so ausgebildet, dass sie den Rotorkern 21 in axialer Richtung durchlaufen.
In diesem Fall sind Bereiche der zweiten Fluss-Barriere 25 und der dritten Fluss-Barriere 26, die in Umfangsrichtung nebeneinander liegen, im gleichen radialen Abstand von der axialen Mitte des Rotors angeordnet. An dieser Position dient ein Kernbereich zwischen der zweiten Fluss-Barriere 25 und der dritten Fluss-Barriere 26 als Rippe 27. Weiterhin dient ein Kernbereich zwischen der ersten Fluss-Barriere 24 und einer inneren Umfangsfläche des Rotorkerns 21 als Brücke 28.
Der erste Schlitz 29 wird in einem Kernbereich des Rotorkerns 81 gebildet, der auf der radial-inneren Seite des in V-Form angeordneten Permanentmagnete-Paares 22, also der Seite des Luftspalts G, liegt. Der erste Schlitz 29 erstreckt sich in einer linearen Bandform von der dritten Fluss-Barriere 26 bis in die Nähe der inneren Umfangsfläche des Rotorkerns 81. Der Endbereich des ersten Schlitzes 29 auf der radial-äußeren Seite, d.h. der Endbereich des ersten Schlitzes 29 auf der Seite der dritten Fluss-Barriere 26, liegt zwischen den Verlängerungslinien des Rippenpaares 27. Der Endbereich des ersten Schlitzes 29 auf der radial-inneren Seite, d.h. der Endbereich davon auf der Seite des Luftspalts G, liegt in der Nähe der inneren Umfangsfläche des Rotorkerns 81.
In der rotierenden elektrischen Maschine 1D, die wie oben beschrieben ausgebildet ist, beträgt die Anzahl der Aussparungen 112A des Stators 10A achtzehn, und die Polzahl des Rotors 80 zwölf. Das heißt, die rotierende elektrische Maschine 1D ist eine rotierende elektrische Maschine vom Außenrotortyp mit einem System, bei dem das Verhältnis der Polzahl zur Anzahl der Aussparungen 2:3 beträgt. Es wird angenommen, dass die rotierende elektrische Maschine 1D für den Leistungsbetrieb eingesetzt wird.
Bei der sechsten Ausführungsform wird der erste Schlitz 29 im Kernbereich auf der radial-inneren Seite des Paares der Permanentmagnete 22 gebildet, die V-förmig so angeordnet sind, dass sie in Drehrichtung R nach vom kippen. Der Endbereich des ersten Schlitzes 29 auf der radial-inneren Seite liegt zwischen den Verlängerungslinien des Paares der Rippen 27, die über die dritte Fluss-Barriere 26 gebildet werden. Daher können auch bei der sechsten Ausführungsform ähnliche Effekte wie bei der oben erwähnten ersten Ausführungsform erzielt werden.
Auch bei der sechsten Ausführungsform können die Form und Anordnung des ersten Schlitzes und die Anzahl der Permanentmagnete entsprechend verändert werden, ähnlich wie bei den oben genannten ersten, vierten und fünften Ausführungsformen, solange der Endbereich des ersten Schlitzes auf der radial-äußeren Seite zwischen den Verlängerungslinien des Rippenpaares liegt.
Weiterhin wird bei der oben erwähnten sechsten Ausführungsform ein einzelner Rotorkern verwendet, aber ähnlich wie bei der oben erwähnten dritten Ausführungsform können in axialer Richtung geteilte Rotorkerne verwendet werden.
Weiterhin wird die sechste Ausführungsform auf eine für den Leistungsbetrieb zu verwendende rotierende elektrische Maschine angewendet, bei der der erste Schlitz in Drehrichtung nach vom gekippt ist, aber die sechste Ausführungsform kann auch auf eine für den Regenerationsbetrieb zu verwendende rotierende elektrische Maschine angewendet werden, bei der der erste Schlitz in Drehrichtung nach hinten gekippt ist.
Bei den oben erwähnten Ausführungsformen wird jeder, der Statorkern und der Rotorkern, aus gestapelten Kernen gebildet, die durch Stapeln von elektromagnetischen Stahlplatten erhalten werden, aber jeder, der Statorkern und der Rotorkern, kann auch aus einem Blockkern gebildet werden, der aus einem Blockmagnetkörper besteht.
Ferner wird in den oben erwähnten Ausführungsformen die Statorspule aus Spulen mit konzentrierter Wicklung gebildet, aber die Statorspule kann auch aus Spulen mit verteilter Wicklung gebildet werden.
Weiterhin ist in den oben genannten Ausführungsformen eine rotierende elektrische Maschine beschrieben, die ein System von zwölf Polen und achtzehn Aussparungen, d.h. ein System von 2:3, verwendet. Das Verhältnis der Anzahl der Pole zur Anzahl der Aussparungen in der rotierenden elektrischen Maschine ist jedoch nicht auf 2:3 beschränkt und kann z.B. auch 8:9 oder 10:12 betragen. Das System von 8:9 oder 10:12 bewirkt eine Erhöhung des Wicklungsfaktors im Vergleich zum System von 2:3 und kann das Drehmoment verbessern und eine Drehmomentpulsation unterdrücken.
Weiterhin wird in den oben genannten Ausführungsformen die zweite Fluss-Barriere auf der dritten Flussbarrieren-Seite jedes der Magnet-Einsetzlöcher gebildet, die auf beiden Seiten der dritten Fluss-Barriere in Umfangsrichtung angeordnet sind. Es ist jedoch nur erforderlich, dass die zweite Fluss-Barriere auf der dritten Flussbarrieren-Seite des Magnet-Einsetzlochs gebildet wird, die auf einer ersten Seite der dritten Fluss-Barriere in Umfangsrichtung angeordnet ist.
Obwohl die vorliegende Erfindung oben mit Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen spezifisch beschrieben wird, ist es offensichtlich, dass der Fachmann auf der Grundlage der grundlegenden technischen Konzepte und Lehren der vorliegenden Erfindung verschiedene Modifikationen vornehmen kann.
Bezugszeichenliste

10, 10A: Stator
11, 11A: Statorkern
12, 12A: Statorspule
20, 20A, 20B, 20C, 20D, 20E, 50, 60, 70, 80: Rotor
21A, 21B, 21C, 21D, 21E, 61, 71, 81: Rotorkern
22: Permanentmagnet
29, 29a, 29b: erster Schlitz
29A: erster Schlitz
29B: erster Schlitz
33: zweiter Schlitz
51A: erster geteilter Rotorkern
51B: zweiter geteilter Rotorkern
112, 112A: Aussparung
G: Luftspalt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 11206046 A [0007]

Claims

Rotierende elektrische Maschine, die Folgendes aufweist: - einen Stator mit einem Statorkern und einer Statorspule; und - einen Rotor, der Folgendes aufweist: - einen Rotorkern, der koaxial zum Statorkern mit einem zwischen dem Statorkern und dem Rotorkern gebildeten Luftspalt angeordnet ist; und - eine Vielzahl von Permanentmagnetgruppen, die jeweils einen Magnetpol bilden, wobei die Vielzahl von Permanentmagnetgruppen in den Rotorkern eingebettet und in Umfangsrichtung in gleichwinkligen Abständen angeordnet sind, - wobei eine Fluss-Barriere zwischen einem Satz von Permanentmagneten gebildet ist, die in Umfangsrichtung in jeder einen Magnetpol bildenden Permanentmagnetgruppe nebeneinander liegen, - wobei ein Rippenpaar aus Bereichen des Rotorkerns zwischen der Fluss-Barriere und dem einen Satz Permanentmagnete nebeneinander gebildet ist, - wobei ein erster Schlitz ausgebildet ist, um zu bewirken, dass ein von jeder einen Magnetpol bildenden Permanentmagnetgruppe erzeugter magnetischer Fluss in der Drehrichtung des Rotors in einem Bereich des Rotorkerns auf der Seite des Luftspalts in der radialen Richtung von jeder einen Magnetpol bildenden Permanentmagnetgruppe abgelenkt wird, und wobei ein Endbereich des ersten Schlitzes auf der Seite der Flussbarriere zwischen Verlängerungslinien des Rippenpaares angeordnet ist.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei der erste Schlitz und die Fluss-Barriere miteinander verbunden sind.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, bei der eine magnetische Fluss-Barriere zwischen entsprechenden Permanentmagneten des einen Permanentmagnete-Satzes nebeneinander und entsprechenden Permanentmagneten des Rippen-Paares gebildet ist.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei jede Permanentmagnetgruppe, die einen Magnetpol bildet, V-förmig angeordnet ist, wobei sich der Abstand in Umfangsrichtung zur Seite des Luftspalts hin allmählich vergrößert, und wobei die Fluss-Barriere in einem Talbereich der jeweiligen Permanentmagnetgruppe gebildet ist, die einen V-förmig angeordneten Magnetpol bildet.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Statorspule eine Spule mit konzentrierter Wicklung ist.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der erste Schlitz in Richtung einer Umfangskraft gekippt ist, die auf den Rotor dann wirkt, wenn die Statorspule erregt wird.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der jede Permanentmagnetgruppe, die einen Magnetpol bildet, aus zwei Permanentmagneten gebildet ist.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Rotorkerne eine Vielzahl von geteilten Rotorkernen enthalten, die in axialer Richtung geteilt sind, und wobei jeder von der Vielzahl von geteilten Rotorkernen erste Schlitze mit der gleichen Form und der gleichen Anordnung aufweist und die Vielzahl von geteilten Rotorkernen jeweils erste Schlitze mit mindestens einer von verschiedenen Formen oder verschiedenen Anordnungen aufweisen.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der erste Schlitz eine Vielzahl von Typen von ersten Schlitzen mit mindestens einer von verschiedenen Formen oder verschiedenen Anordnungen beinhaltet, und wobei die Vielzahl der Typen der ersten Schlitze in Umfangsrichtung verteilt ausgebildet sind.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der ein zweiter Schlitz in einem Bereich des Rotorkerns auf der Seite des Luftspalts in radialer Richtung der jeweils einen Magnetpol bildenden Permanentmagnetgruppe gebildet ist, wobei der Bereich auf einer in Drehrichtung des Rotors vorderen Seite in Bezug auf den ersten Schlitz liegt.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der erste Schlitz einen Minimalbreitenbereich aufweist, der schmaler ist als die Breite jedes der beiden Rippenpaare in Umfangsrichtung.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Verhältnis der Polzahl des Rotors zur Anzahl der Aussparungen des Stators eine Relation von 2:3 besitzt.