DE112021006828T5

DE112021006828T5 - Rotierende elektrische maschine

Info

Publication number: DE112021006828T5
Application number: DE112021006828.8T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Mitsuda; Kazumasa Ito; Tadashi Fukami; Masato Koyama
Original assignee: Kanazawa Institute Of Tech; Mitsubishi Electric Corp; Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-01-18
Filing date: 2021-01-18
Publication date: 2023-11-02
Also published as: WO2022153517A1; US20240055920A1; CN116746039A; JPWO2022153517A1; JP7387034B2

Abstract

Eine rotierende elektrische Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine rotierende elektrische Maschine, die einen Stator und einen Rotor aufweist, wobei der Rotor eine Mehrzahl von Permanentmagneten aufweist, die in Umfangsrichtung der Rotationsachse angeordnet sind, sowie eine Mehrzahl von Vorsprüngen, die in Umfangsrichtung angeordnet sind, der Stator eine Mehrzahl von Zähnen, eine Ankerwicklung, die um die Mehrzahl von Zähnen gewickelt ist, und eine Feldwicklung aufweist, die um die Mehrzahl von Zähnen gewickelt ist, ein Feldpol in der Mehrzahl von Vorsprüngen durch Energiebeaufschlagung auf die Feldwicklung und die Mehrzahl von Permanentmagneten ausgebildet wird, die Mehrzahl von Permanentmagneten und die Mehrzahl von Zähnen abwechselnd in Intervallen in der Umfangsrichtung angeordnet sind, so dass sie den Feldpol bilden, sämtliche Permanentmagneten die gleiche Polarität haben, und Padie Anzahl von Polpaaren der Ankerwicklung, Pε die Anzahl von Polpaaren der Feldwicklung, und Prdie Anzahl von Polen des Feldpols, gebildet durch die Mehrzahl von Permanentmagneten und die Mehrzahl von Vorsprüngen, sämtliche Relationen von |Pa- Pf| ≠ 1, |Pr- Pf| ≠ 1 und |Pa- Pf| ≠ 1 erfüllen, und Preine gerade Zahl ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegend offenbarte Erfindung betrifft einen Motor mit variablem Feld, der eine rotierende elektrische Maschine ist und eine DC-Feldwicklung in einem Stator aufweist.
Stand der Technik
Viele rotierende elektrische Maschinen mit Permanentmagneten werden zum Antreiben von Motoren inklusive Elektrofahrzeugen verwendet. Insbesondere ist in einem Automobil-Motor ein breiter Betriebsbereich notwendig. Genauer gesagt: Es ist notwendig, das Feld des Magneten zu stärken, um ein hohes Drehmoment bei niedriger Drehzahl auszugeben, und das Feld des Magneten zu schwächen, um eine Spannungssättigung bei hoher Drehzahl abzuschwächen. Im Hinblick auf diese Anforderungen wurde ein Motor mit variablem Feld entwickelt, der einen breiten Betriebsbereich aufweist, wenn der Feldwert auf geeignete Weise gemäß dem Betriebspunkt eingestellt wird, bei dem der Magnet und die Feldspule in Kombination betrieben werden.
Um den Feldwert variabel zu machen, ist es notwendig, einen Strom durch einen Schleifring oder dergleichen zu leiten, und zwar in einer allgemeinen Konfiguration, in der die Feldwicklung im Rotor vorhanden ist. Unter dem Blickwinkel der Beständigkeit des Schleifrings und einer Erleichterung der Kühlung der Feldwicklung unter Berücksichtigung der Energiebeaufschlagung, wurde eine Konfiguration untersucht, in der der Stator eine Feldwicklung aufweist (beispielsweise Patentliteratur 1).
Literaturverzeichnis
Patentliteratur
Patentliteratur 1: JP 2018 - 174 645 A
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
In einem Motor mit variablem Feld, wie in der Literatur angegeben, gibt es drei magnetomotorische Kräfte, nämlich einen Pol infolge einer Ankerwicklung des Stators, einen Pol infolge einer DC-Feldwicklung, sowie einen Pol infolge eines Permanentmagneten und eines Eisenpols. Wenn diese magnetomotorischen Kräfte kombiniert werden, kann eine ungleichgewichtete bzw. unausgeglichene magnetische Anziehungskraft erzeugt werden. Eine unausgeglichene magnetische Anziehungskraft verursacht Störungen und eine Axialverschiebung. Es ist denkbar, die Luftspalt-Länge zwischen dem Stator und dem Rotor zu vergrößern, damit der Einfluss der unausgeglichenen magnetischen Anziehungskraft unterdrückt wird, aber dies ist unter dem Blickwinkel der Herstellung schwierig.
Die vorliegend offenbarte Erfindung wurde in Anbetracht der obigen Probleme gemacht, und es ist ihre Aufgabe, eine rotierende elektrische Maschine anzugeben, die prinzipiell eine unausgeglichene magnetische Anziehungskraft nicht erzeugt.
Lösung des Problems
Eine rotierende elektrische Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine rotierende elektrische Maschine, die einen Stator und einen Rotor aufweist, wobei der Rotor eine Mehrzahl von Permanentmagneten aufweist, die in Umfangsrichtung der Rotationsachse angeordnet sind, sowie eine Mehrzahl von Vorsprüngen, die in Umfangsrichtung angeordnet sind, der Stator eine Mehrzahl von Zähnen, eine Ankerwicklung, die um die Mehrzahl von Zähnen gewickelt ist, und eine Feldwicklung aufweist, die um die Mehrzahl von Zähnen gewickelt ist, ein Feldpol in der Mehrzahl von Vorsprüngen durch Energiebeaufschlagung auf die Feldwicklung und die Mehrzahl von Permanentmagneten ausgebildet wird, die Mehrzahl von Permanentmagneten und die Mehrzahl von Zähnen abwechselnd in Intervallen in der Umfangsrichtung angeordnet sind, so dass sie den Feldpol bilden, sämtliche Permanentmagneten die gleiche Polarität haben, und die Anzahl P_a von Polpaaren der Ankerwicklung, die Anzahl Pε von Polpaaren der Feldwicklung und die Anzahl P_r von Polen des Feldpols, gebildet durch die Mehrzahl von Permanentmagneten und die Mehrzahl von Vorsprüngen, sämtliche Relationen von | P_a - P_f| ≠ 1, |P_r - P_f| ≠ 1, and |P_a - P_f| ≠ 1 erfüllen, und P_r eine gerade Zahl ist.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Eine rotierende elektrische Maschine gemäß der vorliegend offenbarten Erfindung ist ein flussmodulierender Hybridfeldmotor mit einer Feldquelle im Stator, und sie hat die Wirkung, dass eine Exzentrizität der Rotationsachse und eine Vibration unterdrückt werden, die von einer ungleichgewichteten bzw. unausgeglichenen magnetischen Anziehungskraft hervorgerufen wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist ein Konfigurationsdiagramm, das die Konfiguration eines flussmodulierenden Hybridfeldmotors zeigt, was ein Beispiel für eine rotierende elektrische Maschine ist, gemäß einer ersten Ausführungsform.
2 ist eine Querschnittsansicht Nr. 1 der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der ersten Ausführungsform.
3 ist eine Querschnittsansicht Nr. 2 der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der ersten Ausführungsform.
4 ist ein schematisches Diagramm, das einen Umriss der Verbindung der rotierenden elektrische Maschine gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
5 ist ein Magnetflusslinien-Diagramm Nr. 1 durch einen Permanentmagneten bei einem elektrischen Winkel Nr. 1 der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der ersten Ausführungsform.
6 ist ein Magnetflusslinien-Diagramm Nr. 2 durch einen Permanentmagneten bei einem elektrischen Winkel Nr. 2 der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der ersten Ausführungsform.
7 ist ein Magnetflusslinien-Diagramm Nr. 1, wenn Feldwicklungen F (F1 bis F6) bei dem elektrischen Winkel Nr. 1 der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der ersten Ausführungsform energiebeaufschlagt sind.
8 ist ein Magnetflusslinien-Diagramm Nr. 2, wenn Feldwicklungen F (F1 bis F6) bei dem elektrischen Winkel Nr. 2 der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der ersten Ausführungsform energiebeaufschlagt sind.
9 ist ein Magnetflusslinien-Diagramm Nr. 1, wenn die Ankerwicklung der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der ersten Ausführungsform energiebeaufschlagt ist.
10 ist ein Magnetflusslinien-Diagramm Nr. 2 wenn die Ankerwicklung der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der ersten Ausführungsform energiebeaufschlagt ist.
11 ist ein schematisches Diagramm Nr. 1, das die elektromagnetische Kraft zeigt, die auf den Rotor der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der ersten Ausführungsform wirkt.
12 ist ein schematisches Diagramm Nr. 2, das die elektromagnetische Kraft zeigt, die auf den Rotor der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der ersten Ausführungsform wirkt.
13 ist ein Magnetflusslinien-Diagramm, wenn ein Strom an eine Feldwicklung angelegt wird, wenn die Anzahl von Polen eines Folgepols der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der ersten Ausführungsform sieben beträgt.
14 ist ein Magnetflusslinien-Diagramm, wenn ein Strom an die Ankerwicklung angelegt wird, wenn die Anzahl von Polen des Folgepols der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der ersten Ausführungsform sieben beträgt.
15 ist ein abgewickeltes schematisches Diagramm von Statorzähnen, wenn die Anzahl von Polen des Folgepols fünf beträgt, die Anzahl von Polpaaren der Ankerwicklung des Stators zwei beträgt und die Anzahl von Polpaaren der DC-Feldwicklung drei beträgt.
16 ist ein abgewickeltes schematisches Diagramm der Statorzähne, wenn die Anzahl von Polen des Folgepols 11 beträgt, die Anzahl von Polpaaren der Ankerwicklung des Stators fünf beträgt und die Anzahl von Polpaaren der DC-Feldwicklung sechs beträgt.
17 ist ein abgewickeltes schematisches Diagramm der Statorzähne, wenn die Anzahl von Polen des Folgepols sechs beträgt, die Anzahl von Polpaaren der Ankerwicklung des Stators eins beträgt und die Anzahl von Polpaaren der DC-Feldwicklung sieben beträgt.
18 ist eine Querschnittsansicht einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einer zweiten Ausführungsform.
19 ist eine Querschnittsansicht einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einer dritten Ausführungsform.
20 ist eine Querschnittsansicht einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einer vierten Ausführungsform.
21 ist eine Überkopfansicht der gesamten rotierenden elektrischen Maschine gemäß einer fünften Ausführungsform.
22 ist eine Überkopfansicht eines Rotors gemäß der fünften Ausführungsform.

Beschreibung von Ausführungsformen
Eine rotierende elektrische Maschine 100 gemäß der vorliegend offenbarten Erfindung wird durch die folgende Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen klar beschrieben. Es sei angemerkt, dass die folgende Beschreibung Ausführungsformen der vorliegend offenbarten Erfindung beispielhaft beschreibt, und die vorliegend offenbarte Erfindung ist nicht auf diese Beschreibung beschränkt.
Erste Ausführungsform
1 ist ein Konfigurationsdiagramm, das die Konfiguration eines flussmodulierenden Hybridfeldmotors zeigt, was ein Beispiel für eine rotierende elektrische Maschine 100 ist, gemäß einer ersten Ausführungsform. Wie in 1 gezeigt, weist die rotierende elektrische Maschine 100 gemäß der ersten Ausführungsform einen Stator 1, der in einer Ringform ausgebildet ist, und einen Rotor 2 auf, der so angeordnet ist, dass er dem Stator 1 zugewandt ist.
Der Rotor 2 ist innerhalb des Stators 1 in der Radialrichtung angeordnet. Nachfolgend gilt Folgendes: die Radialrichtung des Rotors 2 wird einfach als „Radialrichtung“ bezeichnet, die Umfangsrichtung des Rotor 2 wird einfach als „Umfangsrichtung“ bezeichnet, und die Axialrichtung der Rotationsachse des Rotors 2 wird einfach als „Axialrichtung“ bezeichnet. Der Rotor 2 weist einen Rotorkern 3 und eine Mehrzahl von Permanentmagneten 4 auf, die an der Außenumfangsfläche des Rotorkerns 3 angebracht sind.
Eine Welle 5, die in Richtung der Rotationsachse verläuft, ist in den Rotorkern 3 hinein pressgepasst. Die Welle 5 ist mit einer Statorlagerschale 9 über ein oder mehrere Lager 6 verbunden.
Der Stator 1 weist Folgendes auf einen Statorkern 7, eine Mehrzahl von Spulen 8, die im Statorkern 7 angeordnet sind, und die Statorlagerschale 9.
Der Statorkern 7 ist mit der Statorlagerschale 9 verbunden, die den gesamten Permanentmagnet-Synchronmotor bedeckt, und zwar mittels eines Verfahrens, wie z. B. Presspassen oder Bonden. Außerdem ist die Statorlagerschale 9 in Kontakt mit einer Abdeckung 10 und dient dazu, ein Zerstreuen bzw. Zersplittern des Rotors 2 zu verhindern, den Permanentmagnet-Synchronmotor zu fixieren und die Wärmeerzeugung des Stators 1 zu kühlen.
2 ist eine Querschnittsansicht Nr. 1 der rotierenden elektrischen Maschine 100 gemäß der ersten Ausführungsform. 2 veranschaulicht eine Form, die mit der elektromagnetischen Funktion im Stator 1 der rotierenden elektrischen Maschine 100 zusammenhängt. Wie in 2 gezeigt, weist der Statorkern 7 eine Kern-Rückseite 11 auf, die in einer Ringform gebildet ist, sowie eine Mehrzahl von Zähnen 12, die in Radialrichtung von der Kern-Rückseite 11 aus nach innen vorsteht.
Die Mehrzahl von Zähnen 12 sind in gleichen Intervallen in der Umfangsrichtung angeordnet. Eine Mehrzahl von Nuten 13 sind zwischen der Mehrzahl von Zähnen 12 ausgebildet, die in der Umfangsrichtung angrenzen. Die Spule 8 ist in der Mehrzahl von Nuten 13 aufgenommen. Im Rotor 2 sind die Mehrzahl von Permanentmagneten 4 in der Umfangsrichtung auf der radialen Außenseite des Rotorkerns 3 angeordnet, und sie sind mit dem Rotorkern 3 verbunden.
3 ist eine Querschnittsansicht Nr. 2 der rotierenden elektrischen Maschine 100 gemäß der ersten Ausführungsform. 3 veranschaulicht eine Form, die mit der elektromagnetischen Funktion im Rotor 2 der rotierenden elektrischen Maschine 100 zusammenhängt. Wie in 3 gezeigt, weist der Rotor 2 Den Rotorkern 3 und den Permanentmagneten 4 auf, der mit der Fläche des Rotorkerns 3 verbunden ist. Außerdem hat der Rotorkern 3 Vorsprünge 16, die abwechselnd zwischen den Permanentmagneten 4 ausgebildet sind.
Die Form des Vorsprungs 16, die in 3 veranschaulicht ist, ist im Wesentlichen rechteckig, aber sie kann auch eine Bogenform sein. Außerdem kann die Krümmung der Kurve, wo der Vorsprung 16 und der Luftspalt in Kontakt miteinander sind, vom äußersten peripheren Außendurchmesser des Rotors 2 verschieden sein. Außerdem kann der vordere Bereich des Vorsprungs 16 aus einem Bogen mit einer verschiedenen Krümmung an der Auskehlung ausgebildet sein. Die Form dieser Vorsprünge 16 ist so ausgebildet, dass die Harmonischen des magnetischen Flusses, der von der Feldwicklung F gebildet wird, auf einen gewünschten Wert eingestellt werden.
Der Permanentmagnet 4 kann eine Ecke an der Auskehlung bilden. Wenn die Ecke an der Auskehlung gebildet wird, kann erwartet werden, dass die Wirbelstromverluste verringert werden, die am vorderen Bereich des Permanentmagneten 4 erzeugt werden. Außerdem kann die Krümmung der Außenumfangsform des Permanentmagneten 4 auch vom äußersten peripheren Außendurchmesser des Rotors 2 verschieden sein.
4 ist ein schematisches Diagramm, das einen Umriss der Verbindung der rotierenden elektrische Maschine 100 gemäß der ersten Ausführungsform zeigt. 4 zeigt, dass die A-Phase, die B-Phase und die C-Phase der Ankerwicklung dreiphasige AC-Wicklungen mit einer Phasendifferenz von 120° sind.
Die Feldwicklung F, die in 4 veranschaulicht ist, ist eine DC-Feldwicklung. In dem Beispiel der ersten Ausführungsform sind sämtliche Phasen der Ankerwicklung in der gleichen Richtung gewickelt, und der magnetische Fluss vom Anker bildet den Folgepol. Dies rührt daher, dass sich der magnetische Fluss des Ankers der ABC-Phase der Ankerwicklung mit dem Rotorkern 3 über die Zähne 12 verkettet, um die die Feldwicklung F gewickelt ist, und wieder zu den Zähnen 12 zurückkehrt, um die die ABC-Phase der Ankerwicklung gewickelt ist, so dass ein Pol im Luftspalt gebildet wird. Ähnlich sind die Wicklungsrichtungen der Feldwicklungen F alle gleich. Der magnetische Fluss des Felds, der von der Feldwicklung F erzeugt wird, verkettet sich mit dem Rotorkern 3 über die Zähne 12, um die die ABC-Phase der Ankerwicklung gewickelt ist, und kehrt wieder zu den Zähnen 12 zurück, um die die Feldwicklung F gewickelt ist, wodurch ein Feldpol gebildet wird.
5 ist ein Magnetflusslinien-Diagramm Nr. 1 des Permanentmagneten 4 beim elektrischen Winkel Nr. 1 der rotierenden elektrischen Maschine 100 gemäß der ersten Ausführungsform. Die Polaritäten der Permanentmagneten 4, die in 5 gezeigt sind, sind alle die gleichen, und hier sind sie alle N-Pole. Der magnetische Fluss, der vom Permanentmagneten 4 erzeugt wird, geht durch die Kern-Rückseite 11 über die Zähne 12 des Stators 1 und kehrt zum Permanentmagneten 4 zurück, und zwar durch die Vorsprünge 16, die zwischen den Permanentmagneten 4 angeordnet sind. Das heißt, jeder der Vorsprünge 16 fungiert als ein S-Pol im Permanentmagneten 4.
Unter Fokussierung auf die ABC-Phase der Ankerwicklung des Stators 1 kann bestätigt werden, dass es vier Magnetflussschleifen gibt. Dies kann ähnlich in 6 bestätigt werden, wo die elektrischen Winkel verschieden sind. Das heißt, es werden magnetische Flüsse von vier Polen gebildet. 6 ist ein Magnetflusslinien-Diagramm Nr. 2 des Permanentmagneten 4 beim elektrischen Winkel Nr. 2 der rotierenden elektrischen Maschine 100 gemäß der ersten Ausführungsform.
Es sei angemerkt, dass 5 und 6 den Fall zeigen, in dem das Verhältnis zwischen der Anzahl von modulierten Polen und der Anzahl von Nuten der Ankerwicklung 2:3 beträgt, und zwar in den Feldpolen, die in der Mehrzahl von Vorsprünge 16 durch die Energiebeaufschlagung auf die Ankerwicklung und die Feldwicklung ausgebildet werden, und der Mehrzahl von Permanentmagneten 4. In der rotierenden elektrische Maschine gemäß der vorliegend offenbarten Erfindung ist ein Konfigurationsbeispiel denkbar, bei dem P_f ÷ P_a = 3 oder P_f ÷ P_a = 1,5 erfüllt ist, wobei P_a die Anzahl von Polpaaren der Ankerwicklung des Stators 1 ist und Pε die Anzahl von Polpaaren der Feldwicklung F des Gleichstroms ist.
7 ist ein Magnetflusslinien-Diagramm Nr. 1, wenn die Feldwicklungen F (F1 bis F6) beim elektrischen Winkel Nr. 1 der rotierenden elektrischen Maschine 100 gemäß der ersten Ausführungsform energiebeaufschlagt werden. Wie in 7 gezeigt, gilt Folgendes: Da die Wicklungsrichtungen der Feldwicklungen F alle gleich sind, wird der magnetische Fluss eines Feldes aus 12 Polen erzeugt.
Angenommen, dass die Anzahl von Polpaaren der Feldwicklungen F des Gleichstroms Pε ist, dann zeigt 7 Pε = 6. Da die Anzahl von Vorsprüngen 16 im Rotor 2 acht beträgt, gilt, wenn die Anzahl von Polen des Folgepols P_r ist, P_r = 8. Die Anzahl von Polen des magnetischen Flusses des Feldes wird durch eine Permeanzvariation der Vorsprünge 16 moduliert, und 2P_r -2P_f = 4. Daher - wie in 7 gezeigt - werden magnetische Flüsse von vier Polen in der Kern-Rückseite 11 des Stators 1 gebildet.
Das gleiche gilt für das Magnetflusslinien-Diagramm in 8, in dem der elektrische Winkel geändert ist. 8 ist ein Magnetflusslinien-Diagramm Nr. 2, wenn die Feldwicklungen F (F1 bis F6) beim elektrischen Winkel Nr. 2 der rotierenden elektrischen Maschine 100 gemäß der ersten Ausführungsform energiebeaufschlagt werden. Mit anderen Worten: P_r Bezeichnet die Anzahl von Polen des Feldpols, gebildet vom Permanentmagneten 4 und dem Vorsprung 16.
9 ist ein Magnetflusslinien-Diagramm Nr. 1, wenn die Ankerwicklung der rotierenden elektrischen Maschine 100 gemäß der ersten Ausführungsform energiebeaufschlagt ist. Wie in 9 gezeigt, sind sämtliche Ankerwicklungen in der gleichen Richtung gewickelt, und es gibt zwei Wicklungen jeder Phase. Angenommen, die Anzahl von Polpaaren der Ankerwicklungen des Stators 1 ist P_a, dann gibt in 9 P_a an, dass magnetische Flüsse von vier Polen gebildet werden.
Das gleiche gilt für 10, in der der elektrische Winkel geändert ist. 10 ist ein Magnetflusslinien-Diagramm Nr. 2, wenn die Ankerwicklung der rotierenden elektrischen Maschine 100 gemäß der ersten Ausführungsform energiebeaufschlagt ist. Um ein Drehmoment zu erzeugen, indem die magnetischen Flüsse der Feldwicklung und des Permanentmagneten 4 mit den magnetischen Flüssen der Ankerwicklung synchronisiert werden, ist es notwendig, dass P_a + P_f = P_r erfüllt ist.
11 ist ein schematisches Diagramm Nr. 1, das die elektromagnetischen Kräfte zeigt, die auf den Rotor 2 der rotierenden elektrischen Maschine 100 gemäß der ersten Ausführungsform wirken. 11 zeigt, dass, wenn P_r = 8, die Symmetrie des Stators 1 und des Rotor 2 erzielt wird und die elektromagnetischen Kräfte ausgeglichen bzw. im Gleichgewicht sind.
12 ist ein schematisches Diagramm Nr. 2, das die elektromagnetischen Kräfte zeigt, die auf den Rotor 2 der rotierenden elektrischen Maschine 100 gemäß der ersten Ausführungsform wirken. 12 zeigt, dass, wenn P_r = 7, der Stator 1 nicht symmetrisch bezogen auf den Rotor 2 ist, so dass die elektromagnetischen Kräfte zwischen links und rechts nicht im Gleichgewicht sind, und eine unausgeglichene magnetische Anziehungskraft wird erzeugt, die eine axiale Exzentrizität befördert. Das heißt, damit nicht eine unausgeglichene magnetische Anziehungskraft erzeugt wird, muss P_r eine gerade Zahl sein.
13 ist ein Magnetflusslinien-Diagramm, wenn ein Strom an die Feldwicklung F angelegt wird, wenn P_r der rotierenden elektrischen Maschine 100 gemäß der ersten Ausführungsform sieben beträgt. Wie durch Vergleich mit 7 erkennbar, zeigt 13, dass die Magnetflusslinien bezogen auf die Rotationsachse asymmetrisch sind. Dies rührt daher, dass in 13 |P_r - P_f| = 1 gilt und ein magnetischer Fluss der räumlichen ersten Ordnung erzeugt wird. 13 zeigt, dass |P_r - P_f| ≠ 1 nötig ist, um keine unausgeglichene magnetische Anziehungskraft zu erzeugen.
17 ist ein abgewickeltes schematisches Diagramm der Zähne 12 des Stators 1, wenn P_r sieben beträgt, P_a eins beträgt und Pε sechs beträgt. Das Beispiel aus 17 veranschaulicht, dass in der Ankerwicklung die A-Phase, die B-Phase und die C-Phase jeden zweiten Zahn 12 ausgebildet sind, so dass zwei Pole gebildet werden. Außerdem sind die Feldwicklungen F zwischen den Ankerwicklungen angeordnet, so dass 12 Pole gebildet werden. Im Ergebnis wird ein Magnetfeld von 2P_a + 2P_f= 14 Polen gebildet, und es wird ein rotatorisches Drehmoment erzeugt, das mit dem Rotor 2 synchronisiert ist, wobei P_r sieben ist. Zu dieser Zeit gilt Folgendes:
Da der Absolutwert der Differenz zwischen der Anzahl von Polpaaren des Ankers und der Anzahl von Polpaaren der Feldwicklungen F eins beträgt, d. h. |P_r - P_f| = 1 gilt, wird ein magnetischer Fluss der räumlich ersten Ordnung erzeugt. Der magnetische Fluss der räumlich ersten Ordnung erzeugt eine unausgeglichene magnetische Anziehungskraft. Damit nicht eine unausgeglichene magnetische Anziehungskraft erzeugt wird, muss |P_r - P_f| ≠ 1 erfüllt sein.
14 ist ein Magnetflusslinien-Diagramm, wenn ein Strom an die Ankerwicklung der rotierenden elektrischen Maschine 100 gemäß der ersten Ausführungsform angelegt wird, wenn P_r sieben beträgt. Wie durch Vergleich mit 9 erkennbar, zeigt 14, dass die Magnetflusslinien bezogen auf die Rotationsachse asymmetrisch sind. Dies rührt daher, dass in 14 |P_a - P_f| = 1 gilt und ein magnetischer Fluss der räumlichen ersten Ordnung erzeugt wird. 14 zeigt, dass |P_a - P_f| ≠ 1 nötig ist, um eine unausgeglichene magnetische Anziehungskraft nicht zu erzeugen.
15 ist ein abgewickeltes schematisches Diagramm der Zähne 12 des Stators 1, wenn P_r fünf beträgt, P_a zwei beträgt und Pε drei beträgt. In der Ankerwicklung, die in 15 gezeigt ist, sind die A-Phase, die B-Phase und die C-Phase so angeordnet, dass sie vier Pole bilden. Außerdem sind die Feldwicklungen F zwischen den Ankerwicklungen angeordnet, so dass sechs Pole gebildet werden. Im Ergebnis wird ein Magnetfeld von 2P_a + 2P_f = 10 Polen gebildet, und es wird ein rotatorisches Drehmoment erzeugt, das mit dem Rotor 2 synchronisiert ist, wobei P_r fünf ist.
Zu dieser Zeit gilt Folgendes: Da der Absolutwert der Differenz zwischen der Anzahl von Polpaaren des Ankers und der Anzahl von Polpaaren der Feldwicklungen F eins beträgt, d. h. |P_a - P_f| = 1 gilt, wird ein magnetischer Fluss der räumlich ersten Ordnung erzeugt. Der magnetische Fluss der räumlich ersten Ordnung erzeugt eine unausgeglichene magnetische Anziehungskraft. Damit nicht eine unausgeglichene magnetische Anziehungskraft erzeugt wird, muss |P_a - P_f| ≠ 1 erfüllt sein. Selbst wenn beispielsweise P_a + P_f = P_r so erfüllt ist, dass P_a vier ist, Pε drei ist und P_r sieben ist, wird dann, wenn |P_a - P_f| = 1 erfüllt ist, ein magnetischer Fluss der räumlich ersten Ordnung erzeugt, und eine unausgeglichene magnetische Anziehungskraft wird erzeugt.
16 ist ein abgewickeltes schematisches Diagramm der Zähne 12 des Stators 1, wenn P_r 11 beträgt, P_a fünf beträgt und Pε sechs beträgt. In der Ankerwicklung, die in 16 gezeigt ist, sind die A-Phase, die B-Phase und die C-Phase in jedem der Zähne 12 so angeordnet, dass sie 10 Pole bilden. Außerdem sind die Feldwicklungen F auch um jeden der Zähne 12 gewickelt, so dass 12 Pole gebildet werden. Im Ergebnis werden Magnetfelder von 2P_a + 2P_f = 22 Polen ausgebildet, und es wird ein rotatorisches Drehmoment erzeugt, das mit dem Rotor 2 synchronisiert ist, wobei P_r gleich 11 ist.
Zu dieser Zeit gilt Folgendes: Da der Absolutwert der Differenz zwischen der Anzahl von Polpaaren des Ankers und der Anzahl von Polpaaren der Feldwicklungen F eins beträgt, d. h. |P_a - P_f| = 1 gilt, wird ein magnetischer Fluss der räumlich ersten Ordnung erzeugt. Der magnetische Fluss der räumlich ersten Ordnung erzeugt eine unausgeglichene magnetische Anziehungskraft. Damit nicht eine unausgeglichene magnetische Anziehungskraft erzeugt wird, muss |P_a - P_f| ≠ 1 erfüllt sein.
Zusammenfassend ist die Bedingung zum Erzeugen der unausgeglichenen magnetischen Anziehungskraft im Prinzip, dass die Anzahl P_a von Polpaaren der Ankerwicklung, die Anzahl Pε von Polpaaren der Feldwicklung F und die Anzahl P_r von Polen des Feldpols, die von der Mehrzahl von Permanentmagneten 4 und der Mehrzahl von Vorsprüngen 16 gebildet werden, sämtliche Relationen der folgenden Ausdrücke (1) bis (3) und die Bedingung (4) erfüllen. $| P_{a} - P_{f} | \neq 1$
$| P_{r} - P_{f} | \neq 1$
$| P_{a} - P_{r} | \neq 1$
$P_{r} ist eine gerade Zahl .$
Da die rotierende elektrische Maschine 100 gemäß der ersten Ausführungsform die obige Konfiguration hat, wird eine unausgeglichene magnetische Anziehungskraft nicht erzeugt, und die Rotationsachsen-Exzentrizität und die Vibrationen werden unterdrückt.
Zweite Ausführungsform
Eine rotierende elektrische Maschine 100 gemäß einer zweiten Ausführungsform wird erhalten, wenn die Anordnung der Permanentmagneten 4 in der rotierenden elektrischen Maschine 100 gemäß der ersten Ausführungsform verwendet wird. Die Elemente, die mit der ersten Ausführungsform gleich sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und deren redundante Beschreibung wird weggelassen, wenn zweckmäßig.
18 ist eine Querschnittsansicht der rotierenden elektrischen Maschine 100 gemäß der zweiten Ausführungsform. Wie in 18 gezeigt, weist die rotierende elektrische Maschine 100 gemäß der zweiten Ausführungsform einen Rotor 2 auf, und der Rotor 2 weist einen Kern 18 und einen Permanentmagneten 4 auf. Die rotierende elektrische Maschine 100 gemäß der zweiten Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet 4 im Kern 18 eingebettet ist. Wenn der Permanentmagnet 4 im Kern 18 eingebettet ist, kann verhindert werden, dass sich der räumliche harmonische magnetische Fluss, der in der Nähe des Luftspalts erzeugt wird, mit dem Permanentmagneten 4 verkettet, und die Wirbelstromverluste, die im Permanentmagneten 4 erzeugt werden, können verringert werden. Außerdem kann der Kern 18 ein oder mehrere Löcher aufweisen, in denen der Permanentmagnet 4 eingebettet ist, und zwar für jeden Pol, und er kann eine Lochform haben, wobei der Permanentmagnet 4 in einer V-Form angeordnet wird.
Da die rotierende elektrische Maschine 100 gemäß der zweiten Ausführungsform die oben beschriebene Konfiguration hat, hat sie die Wirkung, dass Wirbelstromverluste unterdrückt werden, und zwar zusätzlich zu der Wirkung, die bei der ersten Ausführungsform beschrieben sind.
Dritte Ausführungsform
Eine rotierende elektrische Maschine 100 gemäß einer dritten Ausführungsform wird ebenfalls erhalten, wenn die Anordnung der Permanentmagneten 4 in der rotierenden elektrischen Maschine 100 gemäß der ersten Ausführungsform verwendet wird. Die Elemente, die mit der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform gleich sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und deren redundante Beschreibung wird weggelassen, wenn zweckmäßig.
19 ist eine Querschnittsansicht der rotierenden elektrischen Maschine 100 gemäß der dritten Ausführungsform. Wie in 19 gezeigt, weist in der rotierenden elektrischen Maschine 100 gemäß der dritten Ausführungsform - ähnlich wie bei der Konfiguration der ersten Ausführungsform - ein Rotor 2 einen Rotorkern 3 und einen Permanentmagneten 4 auf, der an der Fläche des Rotorkerns 3 angebracht ist.
Bei der rotierenden elektrischen Maschine 100 gemäß der dritten Ausführungsform ist der Rotorkern 3 so konfiguriert, dass er Vorsprünge 16 hat, die abwechselnd zwischen den Permanentmagneten 4 ausgebildet sind. Wie in 19 gezeigt, ist die Vorsprung-Luftspalt-Länge 19 der kürzeste Abstand zwischen dem Vorsprung 16 und einem Stator 1, und die Luftspaltlänge des Permanentmagnetbereichs 20 ist der kürzeste Abstand zwischen dem Permanentmagneten 4 und dem Stator 1.
Wie oben beschrieben, können bei der rotierenden elektrischen Maschine 100 gemäß der vorliegend offenbarten Erfindung die Vorsprung-Luftspalt-Länge 19 und die Luftspaltlänge des Permanentmagnetbereichs 20 unterschiedlich sein. Selbst wenn die Vorsprung-Luftspalt-Länge 19 und die Luftspaltlänge des Permanentmagnetbereichs 20 verschieden sind, gibt es keinen Einfluss auf eine unausgeglichene magnetische Anziehungskraft, solange die Konfiguration der ersten Ausführungsform erfüllt ist.
Da die rotierende elektrische Maschine 100 gemäß der dritten Ausführungsform die oben beschriebene Konfiguration hat, kann die Vorsprung-Luftspalt-Länge 19 vergrößert werden, und die Wirbelstromverluste, die im Permanentmagneten 4 erzeugt werden, können verringert werden.
Vierte Ausführungsform
Eine rotierende elektrische Maschine 100 gemäß einer vierten Ausführungsform wird ebenfalls erhalten, wenn das Verhältnis zwischen der Breite des Vorsprungs 16 und der Breite des Permanentmagneten 4 in der rotierenden elektrischen Maschine 100 gemäß der ersten Ausführungsform verwendet wird. Die gleichen Bezugszeichen werden für die Elemente verwendet, die zu den oben beschriebenen Ausführungsformen gleich sind, und die redundante Beschreibung wird weggelassen, wenn zweckmäßig.
20 ist eine Querschnittsansicht der rotierenden elektrischen Maschine 100 gemäß der vierten Ausführungsform. Wie in 20 gezeigt, weist in der rotierenden elektrischen Maschine 100 gemäß der vierten Ausführungsform - ähnlich zu der Konfiguration der ersten Ausführungsform - ein Rotor 2 einen Rotorkern 3 und einen Permanentmagneten 4 auf, der an der Fläche des Rotorkerns 3 angebracht ist.
In 20 sind ein Winkel 21 des Permanentmagnetbereichs und ein Vorsprungswinkel 22 so beschrieben, dass das Verhältnis der Breiten des Permanentmagneten 4 und des Vorsprungs 16 ausgedrückt werden kann. Der Winkel 21 des Permanentmagnetbereichs ist der Winkel zwischen zwei geraden Linien, die beide Enden eines Liniensegments verbinden, das die maximale Umfangslänge jedes Permanentmagneten 4 und das Rotationsachsenzentrum bildet. Außerdem ist der Vorsprungswinkel 22 der Winkel zwischen zwei geraden Linien, die beide Enden eines Liniensegments verbinden, das die maximale Umfangslänge des Vorsprung 16 und das Rotationsachsenzentrum bildet.
Wie oben beschrieben, können in der rotierenden elektrischen Maschine 100 gemäß der vorliegend offenbarten Erfindung der Winkel 21 des Permanentmagnetbereichs und der Vorsprungswinkel 22 unterschiedlich sein. Selbst wenn der Winkel 21 des Permanentmagnetbereichs und der Vorsprungswinkel 22 unterschiedlich sind, gibt es keinen Einfluss auf eine unausgeglichene magnetische Anziehungskraft, solange die Konfiguration der ersten Ausführungsform erfüllt ist.
Wenn der Winkel 21 des Permanentmagnetbereichs vergrößert wird, kann der Wert des magnetischen Flusses durch den Permanentmagneten 4 vergrößert werden. Wenn umgekehrt der Vorsprungswinkel 22 vergrößert wird, kann der Wert des magnetischen Flusses des Feldes durch die Feldwicklung F vergrößert werden. Mit der obigen Konfiguration kann die rotierende elektrische Maschine 100 gemäß der vierten Ausführungsform den Wert des magnetischen Flusses und den Wert des magnetischen Flusses des Feldes einstellen.
Fünfte Ausführungsform
Eine rotierende elektrische Maschine 100 gemäß einer fünften Ausführungsform ist ebenfalls ein Beispiel der rotierenden elektrischen Maschine 100 gemäß der vorliegend offenbarten Erfindung. Die gleichen Bezugszeichen werden für die Elemente verwendet, die zu den oben beschriebenen Ausführungsformen gleich sind, und die redundante Beschreibung wird weggelassen, wenn zweckmäßig.
21 ist eine Überkopfansicht der gesamten rotierenden elektrischen Maschine gemäß der fünften Ausführungsform. Wie in 21 gezeigt, ist die gesamte rotierende elektrische Maschine gemäß der fünften Ausführungsform so konfiguriert, dass die A-Phase, die B-Phase und die C-Phase der Ankerwicklung die Feldwicklung F dazwischen sandwichartig aufnehmen, ähnlich wie bei der Konfiguration des Stators 1 der ersten Ausführungsform.
22 ist eine Überkopfansicht eines Rotors 2 gemäß der fünften Ausführungsform. Wie in 22 gezeigt, weist in der gesamten rotierenden elektrischen Maschine gemäß der fünften Ausführungsform ein Rotor 2 eine Vorsprung-Rotoreinheit 28 und eine Permanentmagnet-Rotoreinheit 29 auf, und die Vorsprung-Rotoreinheit 28 und die Permanentmagnet-Rotoreinheit 29 sind nebeneinander in der Axialrichtung zusammengebaut.
Ein Pol der Permanentmagnet-Rotoreinheit 29 wird von einem Permanentmagneten 4 gebildet. Der Permanentmagnet 4 kann in einem Kern 18 eingebettet sein, wie bei der Konfiguration der zweiten Ausführungsform beschrieben.
Andererseits weist die Vorsprung-Rotoreinheit 28 nur Vorsprünge 16 des Rotorkerns auf, und die Anzahl der Vorsprünge 16 beträgt die Hälfte der Anzahl der Permanentmagneten 4, und zwar in dem Beispiel, das in 22 gezeigt ist.
Die rotierende elektrische Maschine 100 gemäß der fünften Ausführungsform ist auch so konfiguriert, dass sie P_a + P_f = P_r erfüllt. Da die rotierende elektrische Maschine 100 gemäß der fünften Ausführungsform die oben beschriebene Konfiguration hat, kann ein Drehmoment durch das Reluktanz-Drehmoment erhalten werden, das von der Induktivitäts-Differenz erzeugt wird, die sich in Abhängigkeit von der Rotations-Position ändert.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die vorliegend offenbarte Erfindung kann bei einem Antriebsmotor inklusive einem Elektrofahrzeug verwendet werden, und sie weist gewerbliche Anwendbarkeit auf.
Bezugszeichenliste

1: Stator
2: Rotor
3: Rotorkern
4: Permanentmagnet
5: Welle
6: Lager
7: Statorkern
8: Spule
9: Statorlagerschale
10: Abdeckung
11: Kern-Rückseite
12: Zahn
13: Nut
16: Vorsprung
18: Kern
19: Vorsprung-Luftspalt-Länge
20: Luftspaltlänge des Permanentmagnetbereichs
21: Winkel des Permanentmagnetbereichs
22: Vorsprungswinkel
28: Vorsprung-Rotoreinheit
29: Permanentmagnet-Rotoreinheit
100: rotierende elektrische Maschine
F: Feldwicklung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2018 [0004]
JP 174645 A [0004]

Claims

Rotierende elektrische Maschine, die einen Stator und einen Rotor aufweist, wobei der Rotor eine Mehrzahl von Permanentmagneten aufweist, die in Umfangsrichtung der Rotationsachse angeordnet sind, sowie eine Mehrzahl von Vorsprüngen, die in Umfangsrichtung angeordnet sind, der Stator eine Mehrzahl von Zähnen, eine Ankerwicklung, die um die Mehrzahl von Zähnen gewickelt ist, und eine Feldwicklung aufweist, die um die Mehrzahl von Zähnen gewickelt ist, ein Feldpol in der Mehrzahl von Vorsprüngen durch Energiebeaufschlagung auf die Feldwicklung und die Mehrzahl von Permanentmagneten ausgebildet wird, die Mehrzahl von Permanentmagneten und die Mehrzahl von Zähnen abwechselnd in Intervallen in der Umfangsrichtung angeordnet sind, so dass sie den Feldpol bilden, sämtliche Permanentmagneten die gleiche Polarität haben, und P_a die Anzahl von Polpaaren der Ankerwicklung, Pε die Anzahl von Polpaaren der Feldwicklung, und P_r die Anzahl von Polen des Feldpols, gebildet durch die Mehrzahl von Permanentmagneten und die Mehrzahl von Vorsprüngen, sämtliche Relationen von |P_a - P_f| ≠ 1, |P_r - P_f| ≠ 1 und |P_a - P_f| ≠ 1 erfüllen, und P_r eine gerade Zahl ist.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl von Permanentmagneten in einem Kern des Rotors eingebettet ist.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei die Vorsprung-Luftspalt-Länge für die Mehrzahl von Vorsprüngen von der Luftspaltlänge des Permanentmagnetbereichs für die Mehrzahl von Permanentmagneten verschieden ist.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei der Winkel des Permanentmagnetbereichs für die Mehrzahl von Permanentmagneten von dem Vorsprungswinkel für die Mehrzahl von Vorsprüngen verschieden ist.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei in dem Feldpol, der in der Mehrzahl von Vorsprüngen durch Energiebeaufschlagung auf die Ankerwicklung und die Feldwicklung und der Mehrzahl von Permanentmagneten gebildet wird, die Anzahl P_a von Polpaaren und die Anzahl Pε von Polpaaren Folgendes erfüllen: P_f ÷ P_a = 3 oder P_f ÷ P_a = 1.5.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei der Rotor eine Vorsprung-Rotoreinheit und eine Permanentmagnet-Rotoreinheit aufweist, und wobei die Vorsprung-Rotoreinheit und die Permanentmagnet-Rotoreinheit nebeneinander in Axialrichtung zusammengebaut sind.