DE112021008135T5

DE112021008135T5 - Rotor und rotierende elektrische maschine

Info

Publication number: DE112021008135T5
Application number: DE112021008135.7T
Authority: DE
Inventors: Yu HIRAI; Junji Kitao; Tatsuo Nishimura
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-08-23
Filing date: 2021-08-23
Publication date: 2024-05-29
Also published as: JPWO2023026319A1; CN117795825A; US20240283310A1; JP7080416B1; WO2023026319A1

Abstract

Es wird ein Rotor angegeben, der eine Verringerung der Eisenverluste infolge von Harmonischen ermöglicht. Ein Magnetpol wird gebildet, indem drei oder mehr Magnetpol-Schichten (221, 222, 223) angeordnet werden, die jeweils ein Paar von V-förmigen Magnet-Nuten (22) und Permanentmagnete (23) haben. Der Winkel zwischen einer q-Achse und einer Linie (51, 52, 53) parallel zu einer Magnetfluss-Ausgabefläche des Permanentmagneten ist als ein Magnetpol-Schicht-Winkel (θ1, θ2, θ3) definiert. Der Magnetpol-Schicht-Winkel in einem Magnetpol wird umso kleiner, je mehr sich die Magnetpol-Schichten einer Drehwelle (16) annähern. Der kürzeste Abstand von der Magnet-Nut zur Außenumfangsfläche eines Rotorkerns (21) ist definiert als eine Überbrückungs-Breite, und der kürzeste Abstand zwischen den benachbarten Magnetpol-Schichten ist definiert als ein Magnetpol-Schicht-Intervall. Das Magnetpol-Schicht-Intervall ist so vorgegeben, dass es kleiner als die Summe der Überbrückungs-Breiten der benachbarten Magnetpol-Schichten ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor und eine rotierende elektrische Maschine.
Stand der Technik
Als eine herkömmliche rotierende elektrische Maschine vom Permanentmagnet-Typ ist eine rotierende elektrische Maschine bekannt, die eine erste Magnet-Nut aufweist, die entlang des Außenumfangs eines Rotors angeordnet ist, und zweite und dritte Magnet-Nuten, die V-Formen aufweisen und in mehreren Schichten auf der radialen Innenseite der ersten Magnet-Nut angeordnet sind. Bei dieser rotierenden elektrischen Maschine werden Permanentmagnete in die Magnet-Nuten eingeführt, so dass sie einen Magnetpol bilden (siehe beispielsweise Patentdokument 1).
Literaturverzeichnis
Patentdokument
Patentdokument 1: Japanisches Patent JP 5 353 962 B2
Zusammenfassung der Erfindung
Mit der Erfindung zu lösendes Problem
Bei der herkömmlichen rotierenden elektrischen Maschine ist die Breite zwischen einander benachbarten Magnetpolen über die q-Achse hinweg größer als die Breite zwischen Magnet-Nuten in einem Magnetpol vorgegeben, um das Reluktanzmoment zu vergrößern. Wenn jedoch die Breite zwischen den benachbarten Magnetpolen über die q-Achse hinweg erhöht wird, wird eine Schwankung der magnetischen Flussdichte, die in einem Spalt zwischen einem Stator und dem Rotor erzeugt wird, am q-Achsen-Teil scharf bzw. spitz, was folglich zu dem Problem führt, dass die Eisenverluste infolge von Harmonischen zunehmen. Außerdem gilt Folgendes: Wenn Magnet-Nuten bloß in mehreren Schichten ausgebildet werden, wie bei der herkömmlichen rotierenden elektrischen Maschine, nähert sich die Wellenform der magnetischen Flussdichte, die im Spalt erzeugt wird, einer Rechteckwelle an, die viele harmonische Komponenten aufweisen, was zu dem Problem führt, dass Eisenverluste infolge der Harmonischen zunehmen, wenn ein d-Achsen-Strom fließt.
Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um das oben erwähnte Problem zu lösen, und es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Rotor anzugeben, bei dem die Eisenverluste infolge von Harmonischen verringert sind.
Wege zum Lösen des Problems
Ein Rotor gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen Rotorkern und eine Mehrzahl von Permanentmagneten auf, wobei der Rotor so konfiguriert ist, dass er um eine Drehwelle rotiert. Im Querschnitt senkrecht zur Drehwelle wird ein Magnetpol durch drei oder mehr angeordnete Magnetpol-Schichten ausgebildet, wobei jede Magnetpol-Schicht von einem Paar von Magnet-Nuten in einer V-Form gebildet wird, die radial nach außen vom Zentrum der Drehwelle geöffnet ist, und den Permanentmagneten, die in die Magnet-Nuten eingeführt sind.
Jede Magnet-Nut hat einen Magnet-Einführungsbereich, in dem der Permanentmagnet eingeführt ist, sowie Flussbarrieren, die an beiden Enden des Magnet-Einführungsbereichs ausgebildet sind. Wenn das Magnetpol-Zentrum des einen Magnetpols als d-Achse definiert ist, die Richtung elektrisch senkrecht zur d-Achse als q-Achse definiert ist und der Winkel auf Seiten der Drehwelle zwischen der q-Achse und einer Linie parallel zur Magnetfluss-Ausgabefläche des Permanentmagneten, der in die Magnet-Nut in jeder Magnetpol-Schicht eingeführt ist, als Magnetpol-Schicht-Winkel definiert ist, werden die Magnetpol-Schicht-Winkel in dem einen Magnetpol kleiner, wenn sich die Magnetpol-Schichten der Drehwelle annähern.
Wenn der kürzeste Abstand von der Flussbarriere auf der radialen Außenseite der Magnet-Nut zur Außenumfangsfläche des Rotorkerns als Überbrückungs-Breite definiert ist und der kürzeste Abstand zwischen den einander benachbarten Magnetpol-Schichten als Magnetpol-Schicht-Intervall definiert ist, so ist das Magnetpol-Schicht-Intervall kleiner als die Summe der Überbrückungs-Breiten der einander benachbarten Magnetpol-Schichten.
Wirkung der Erfindung
Bei dem Rotor gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Magnetpol-Schicht-Winkel in einem Magnetpol kleiner, wenn die Magnetpol-Schichten näher an der Drehwelle sind, und das Magnetpol-Schicht-Intervall ist kleiner als die Summe der Überbrückungs-Breiten der einander benachbarten Magnetpol-Schichten. Folglich können die Eisenverluste infolge von Harmonischen verringert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist eine vertikale Schnittansicht einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß Ausführungsform 1.
2 ist eine Querschnittsansicht der rotierenden elektrischen Maschine gemäß Ausführungsform 1.
3 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Rotors gemäß Ausführungsform 1.
4 ist eine vergrößerte Schnittansicht des Rotors gemäß Ausführungsform 1.
5 ist ein Konturdiagramm der magnetischen Flussdichte in einer rotierenden elektrischen Maschine im Beispiel 1 gemäß Ausführungsform 1.
6 zeigt Magnetfluss-Linien in der rotierenden elektrischen Maschine im Beispiel 1 gemäß Ausführungsform 1.
7 ist ein Konturdiagramm der magnetischen Flussdichte in einer rotierenden elektrischen Maschine im Vergleichsbeispiel 1 gemäß Ausführungsform 1.
8 zeigt Magnetfluss-Linien in der rotierenden elektrischen Maschine im Vergleichsbeispiel 1 gemäß Ausführungsform 1.
9 ist ein Konturdiagramm der relativen Permeabilität in der rotierenden elektrischen Maschine im Beispiel 1 gemäß Ausführungsform 1.
10 zeigt Magnetfluss-Linien in der rotierenden elektrischen Maschine im Beispiel 1 gemäß Ausführungsform 1.
11 ist ein Konturdiagramm der relativen Permeabilität in einer rotierenden elektrischen Maschine im Vergleichsbeispiel 2 gemäß Ausführungsform 1.
12 zeigt Magnetfluss-Linien in der rotierenden elektrischen Maschine im Vergleichsbeispiel 2 gemäß Ausführungsform 1.
13 ist ein Kennliniengraph, der die Permeabilitäts-Verteilung an der Außenumfangsfläche eines Rotors der rotierenden elektrischen Maschine im Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2 gemäß Ausführungsform 1 zeigt.
14 ist ein Kennliniengraph, der die magnetische Flussdichte-Verteilung zeigt, die in einem Spalt in der rotierenden elektrischen Maschine im Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2 gemäß Ausführungsform 1 erzeugt wird.
15 ist ein Konturdiagramm der relativen Permeabilität in einer rotierenden elektrischen Maschine im Vergleichsbeispiel 3 gemäß Ausführungsform 1.
16 zeigt Magnetfluss-Linien in der rotierenden elektrischen Maschine im Vergleichsbeispiel 3 gemäß Ausführungsform 1.
17 ist ein Kennliniengraph, der die Permeabilitäts-Verteilung an der Außenumfangsfläche des Rotors der rotierenden elektrischen Maschine im Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 3 gemäß Ausführungsform 1 zeigt.
18 ist ein Kennliniengraph, der die magnetische Flussdichte-Verteilung zeigt, die in dem Spalt in der rotierenden elektrischen Maschine im Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 3 gemäß Ausführungsform 1 erzeugt wird.
19 ist ein Kennliniengraph, der die Harmonische-Amplitude bezogen auf die Harmonische-Ordnung zeigt, wenn die magnetische Flussdichte-Wellenform, die im Spalt erzeugt wird, einer Frequenzzerlegung unterzogen wird, in der rotierenden elektrischen Maschine gemäß Ausführungsform 1.
20 ist ein Kennliniengraph, der die Verluste zeigt, wenn keine Last vorhanden ist, wenn nur der d-Achsen-Strom fließt und wenn nur der q-Achsen-Strom fließt, in der rotierenden elektrischen Maschine gemäß Ausführungsform 1.
21 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Rotors gemäß Ausführungsform 2.
22 ist eine vergrößerte Schnittansicht des Rotors gemäß Ausführungsform 2.

Beschreibung von Ausführungsformen
Nachfolgend werden ein Rotor und einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß Ausführungsformen zu Ausführen der vorliegenden Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Komponenten.
Ausführungsform 1
1 ist eine vertikale Schnittansicht einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß Ausführungsform 1. 2 ist eine Querschnittsansicht entlang der Ebene I-I in 1. 1 ist eine Schnittansicht entlang einer Ebene parallel zu einer Drehwelle der rotierenden elektrischen Maschine. 2 ist eine Schnittansicht entlang einer Ebene senkrecht zur Drehwelle der rotierenden elektrischen Maschine. Nachfolgend wird die Richtung parallel zur Drehwelle als Axialrichtung bezeichnet, die Richtung senkrecht zur Drehwelle wird als Radialrichtung bezeichnet, und die Richtung der Rotation um die Drehwelle wird als Umfangsrichtung bezeichnet.
Wie in 1 gezeigt, weist eine rotierende elektrische Maschine 1 der vorliegenden Ausführungsform einen zylindrischen Rahmen 13, Lager 14, ein Paar von Lagerschalen 15 und eine Drehwelle 16 auf. Das Paar von Lagerschalen 15 ist an beiden Enden in Axialrichtung des Rahmens 13 angebracht, so dass Öffnungen an beiden Enden in Axialrichtung des Rahmens 13 geschlossen werden. Die Lager 14 sind an dem Paar von Lagerschalen 15 angebracht. Die Drehwelle 16 wird von den Lagern 14 gehalten und im Rahmen 13 drehbar angeordnet.
Ferner weist die rotierende elektrische Maschine 1 einen Rotorkern 21, der an der Drehwelle 16 fixiert ist, und einen Statorkern 11 auf, der an der Außenumfangsseite des Rotorkerns 21 koaxial mit dem Rotorkern 21 angeordnet ist. Der Statorkern 11 ist am Rahmen 13 fixiert. Ein Spalt ist zwischen dem Rotorkern 21 und dem Statorkern 11 ausgebildet, die koaxial zueinander angeordnet sind.
Wie in 2 gezeigt, weist ein Stator 10 einen ringförmigen Statorkern 11 und eine Statorspule 12 auf, die am Statorkern 11 angebracht ist. Der Statorkern 11 weist eine ringförmige Kern-Rückseite 19 und eine Mehrzahl von Zähnen 18 auf, die von der Innenumfangsfläche der Kern-Rückseite 19 radial nach innen vorstehen. Achtundvierzig Zähne 18 sind im gleichwinkligen Abstand bzw. im gleichwinkligen Raster in der Umfangsrichtung angeordnet.
Der Statorkern 11 wird beispielsweise gebildet, indem elektromagnetische Stahlbleche in Richtung der Drehwelle gestapelt werden. Die Statorspule 12 wird durch einen leitfähigen Draht gebildet, der um die Zähne 18 gewickelt ist, und zwar durch Zwischenräume zwischen den Zähnen 18. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Statorspule 12 durch verteiltes Wickeln gebildet, so dass sie um eine Mehrzahl von Zähnen 18 gewickelt ist.
Wie in 2 gezeigt, weist ein Rotor 20 Folgendes auf: Die Drehwelle 16, den ringförmigen Rotorkern 21 und achtundvierzig Permanentmagnete 23, die in achtundvierzig Magnet-Nuten 22 eingeführt sind, die im Rotorkern 21 ausgebildet sind. Der Rotorkern 21 wird beispielsweise gebildet, indem elektromagnetische Stahlbleche in Richtung der Drehwelle gestapelt werden. Der Rotorkern 21 ist an der Drehwelle 16 fixiert, die in ein Wellen-Einführungsloch eingeführt ist. Der Rotor 20 ist drehbar im Rahmen 13 angeordnet, indem er von der Drehwelle 16 über die Lager 14 gehalten wird. In 2 geben die Pfeile die Richtungen des magnetischen Flusses an, der vom S-Pol zum N-Pol der Permanentmagnete verläuft.
3 ist eine vergrößerte Schnittansicht des Rotors gemäß der vorliegenden Ausführungsform. 3 ist eine Schnittansicht entlang der Ebene senkrecht zur Drehwelle. Im Rotorkern 21 in der vorliegenden Ausführungsform sind Paare von Magnet-Nuten 22 in V-Formen, die radial nach außen vom Zentrum der Drehwelle geöffnet sind, in drei Schichten ausgebildet, die entlang der d-Achse angeordnet sind.
Jede Magnet-Nut 22 hat einen Magnet-Einführungsbereich, in dem der Permanentmagnet 23 eingeführt ist, sowie Flussbarrieren, die an beiden Enden des Magnet-Einführungsbereichs ausgebildet sind. Die Flussbarriere wird beispielsweise durch eine Leerstelle gebildet, so dass sie eine niedrigere Permeabilität als der Rotorkern 21 hat. In jeder Magnet-Nut wird die Flussbarriere auf der radialen Außenseite als spaltseitige Flussbarriere bezeichnet, und die Flussbarriere auf der radialen Innenseite wird als Flussbarriere auf der d-Achsen-Seite bezeichnet. Hier wird ein Paar aus Magnet-Nuten 22 und zwei Permanentmagneten 23, die in die Magnet-Nuten 22 eingeführt sind, gemeinsam als eine Magnetpol-Schicht bezeichnet.
In dem Rotor in der vorliegenden Ausführungsform wird ein Magnetpol durch drei Schichten gebildet, die eine Magnetpol-Schicht 221 an der am weitesten entfernten Position von der Drehwelle, eine Magnetpol-Schicht 222, die sich auf Seiten der Drehwelle der Magnetpol-Schicht 221 befindet, und eine Magnetpol-Schicht 223 sind, die sich auf Seiten der Drehwelle der Magnetpol-Schicht 222 befindet.
In der vorliegenden Ausführungsform haben ein Paar von Magnet-Nuten 22 in der Magnetpol-Schicht 221 eine V-Form mit einem Öffnungswinkel von 180°. Hier ist das Magnetpol-Zentrum des N-Pols der Permanentmagnete, die einen Magnetpol bilden, als d-Achse definiert, und die Richtung, die sich zwischen den Magnetpolen befindet und elektrisch senkrecht zur d-Achse verläuft, ist als q-Achse definiert.
In 3 ist die Linie parallel zur Magnetfluss-Ausgabefläche der Permanentmagnet 23 in der Magnetpol-Schicht 221 als eine Linie 51 definiert. Die Linie parallel zur Magnetfluss-Ausgabefläche des Permanentmagneten 23 in der Magnetpol-Schicht 222 ist als eine Linie 52 definiert. Die Linie parallel zur Magnetfluss-Ausgabefläche des Permanentmagneten 23 in der Magnetpol-Schicht 223 ist als eine Linie 53 definiert.
Dann wird der Winkel auf Seiten der Drehwelle zwischen der q-Achse und der Linie 51 als Magnetpol-Schicht-Winkel θ1 definiert, der Winkel auf Seiten der Drehwelle zwischen der q-Achse und der Linie 52 wird als Magnetpol-Schicht-Winkel θ2 definiert, und der Winkel auf Seiten der Drehwelle zwischen der q-Achse und der Linie 53 wird als Magnetpol-Schicht-Winkel θ3 definiert. Der Rotor 20 in der vorliegenden Ausführungsform ist so konfiguriert, dass er die Relation θ1 > θ2 > θ3 erfüllt.
Mit anderen Worten: Die Magnetpol-Schicht-Winkel in einem Magnetpol sind so vorgegeben, dass sie kleiner werden, wenn die Magnetpol-Schichten sich der Drehwelle annähern.
4 ist eine vergrößerte Schnittansicht des Rotors gemäß der vorliegenden Ausführungsform. 4 ist eine Schnittansicht, die stärker vergrößert ist als in 3. In 4 wird der Teil zwischen der spaltseitigen Flussbarriere in jeder Magnetpol-Schicht und der Außenumfangsfläche des Rotorkerns 21 als Überbrückung bzw. Brücke bezeichnet.
Dann wird der kürzeste Abstand zwischen einer spaltseitigen Flussbarriere 221a in der Magnetpol-Schicht 221 und der Außenumfangsfläche des Rotorkern 21 als Überbrückungs-Breite C definiert, der kürzeste Abstand zwischen einer spaltseitigen Flussbarriere 222a in der Magnetpol-Schicht 222 und der Außenumfangsfläche des Rotorkerns 21 wird als Überbrückungs-Breite B definiert, und der kürzeste Abstand zwischen einer spaltseitigen Flussbarriere 223a in der Magnetpol-Schicht 223 und der Außenumfangsfläche des Rotorkerns 21 wird als Überbrückungs-Breite A definiert.
Außerdem ist der kürzeste Abstand zwischen der Magnetpol-Schicht 221 und der Magnetpol-Schicht 222 definiert als ein Magnetpol-Schicht-Intervall W3, der kürzeste Abstand zwischen der Magnetpol-Schicht 222 und der Magnetpol-Schicht 223 ist definiert als ein Magnetpol-Schicht-Intervall W2, und der kürzeste Abstand zwischen der Magnetpol-Schicht 223 und der q-Achse ist definiert als ein Magnetpol-Schicht-Intervall W1. Der Rotor 20 in der vorliegenden Ausführungsform ist so konfiguriert, dass er die folgende Relation erfüllt: $B + C > W 3, A + B > W 2 und 2 \times A > 2 \times W 1.$
Genauer gesagt: Das Magnetpol-Schicht-Intervall W3 zwischen der Magnetpol-Schicht 221 und der Magnetpol-Schicht 222 ist so vorgegeben, dass es kleiner als die Summe aus der Überbrückungs-Breite C der Magnetpol-Schicht 221 und der Überbrückungs-Breite B der Magnetpol-Schicht 222 ist. Außerdem ist das Magnetpol-Schicht-Intervall W2 zwischen der Magnetpol-Schicht 222 und der Magnetpol-Schicht 223 so vorgegeben, dass es kleiner als die Summe aus der Überbrückungs-Breite B der Magnetpol-Schicht 222 und der Überbrückungs-Breite A der Magnetpol-Schicht 223 ist.
Ferner ist das Magnetpol-Schicht-Intervall 2×W1 zwischen der Magnetpol-Schicht 223 und der Magnetpol-Schicht 223 des benachbarten Magnetpols so vorgegeben, dass es kleiner als die Summe aus der Überbrückungs-Breite A der Magnetpol-Schicht 223 und der Überbrückungs-Breite A der Magnetpol-Schicht 223 des benachbarten Magnetpols ist. Mit anderen Worten: Das Magnetpol-Schicht-Intervall ist so vorgegeben, dass es kleiner als die Summe der Überbrückungs-Breiten der einander benachbarten Magnetpol-Schichten ist.
In der vorliegenden Ausführungsform wird die Relation θ1 > θ2 > θ3 als Bedingung 1 ausgedrückt, und die Relation B+C > W3, A+B > W2 und 2×A > 2×W1 wird als Bedingung 2 ausgedrückt.
Als Nächstes werden die Wirkungen, wenn der q-Achsen-Strom in der rotierenden elektrische Maschine der vorliegenden Ausführungsform fließt, unter Verwendung eines Beispiels 1 und eines Vergleichsbeispiels 1 beschrieben.
5 ist ein Konturdiagramm der magnetischen Flussdichte, wenn der q-Achsen-Strom fließt, in der rotierenden elektrischen Maschine im Beispiel 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. 6 zeigt Magnetfluss-Linien in der rotierenden elektrischen Maschine im Beispiel 1. 6 zeigt Magnetfluss-Linien des magnetischen Anker-Flusses, erhalten durch magnetische Flusstrennung zwischen dem magnetischen Anker-Fluss und dem magnetischen Magnet-Fluss aus der magnetischen Flussdichte, die in 5 gezeigt ist, unter Verwendung von eingefrorener bzw. angehaltener Permeabilität.
Hier ist die angehaltene Permeabilität ein Magnetfeld-Analyseverfahren, das für eine rotierende elektrische Maschine verwendet wird, die mit zwei Durchflutungsquellen betrieben wird, die der Ankerstrom und ein Permanentmagnet sind, wie in einer rotierenden elektrischen Permanentmagnet-Maschine. Dieses Magnetfeld-Analyseverfahren kann die magnetische Flussdichte-Verteilung aufteilen bzw. zerlegen, und zwar in solche, die auf zwei Durchflutungsquellen basieren, unter Berücksichtigung einer nichtlinearen Magnetisierungs-Charakteristik.
5 und 6 zeigen Ergebnisse von Simulationen unter Verwendung eines Magnetfeld-Analyseprogramms. Die Parameter im Beispiel 1, die bei der Simulation verwendet werden, sind wie folgt. Die Werte hinsichtlich der Bedingung 1 waren θ1 = 67,5°, θ2 = 18,5° und θ3 = 8,3°. Die Werte hinsichtlich der Bedingung 2 waren A = 3,25 mm, B = 3,0 mm, C = 1,9 mm, W1 = 2,0 mm, W2 = 4,5 mm und W3 = 4,6 mm. Folglich ist im Beispiel 1 folgendes erfüllt: θ1 > θ2 > θ3. Das heißt, die Bedingung 1 ist erfüllt. Außerdem sind B+C > W3, A+B > W2 und 2×A > 2×W1 erfüllt, d. h. die Bedingung 2 ist ebenfalls erfüllt.
7 ist ein Konturdiagramm der magnetischen Flussdichte, wenn der q-Achsen-Strom fließt, in der rotierenden elektrischen Maschine im Vergleichsbeispiel 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. 8 zeigt Magnetfluss-Linien in der rotierenden elektrischen Maschine im Vergleichsbeispiel 1. 8 zeigt Magnetfluss-Linien des magnetischen Anker-Flusses, erhalten durch magnetische Flusstrennung zwischen dem magnetischen Anker-Fluss und dem magnetischen Magnet-Fluss aus der magnetischen Flussdichte, die in 7 gezeigt ist, unter Verwendung von eingefrorener bzw. angehaltener Permeabilität.
7 und 8 zeigen Ergebnisse von Simulationen unter Verwendung des Magnetfeld-Analyseprogramms. Die Parameter im Vergleichsbeispiel 1 die bei der Simulation verwendet werden, sind wie folgt. Die Werte hinsichtlich der Bedingung 1 waren θ1 = 67,5°, θ2 = 18,5° und θ3 = 22,5°. Die Werte hinsichtlich der Bedingung 2 waren A = 3,25 mm, B = 3,0 mm, C = 1,9 mm, W1 = 2,0 mm, W2 = 4,5 mm und W3 = 4,6 mm. Folglich ist im Beispiel 1, folgendes erfüllt: θ1 > θ2 < θ3. Das heißt, die Bedingung 1 ist nicht erfüllt. Es sind aber B+C > W3, A+B > W2, und 2×A > 2×W1 erfüllt, d. h. die Bedingung 2 ist erfüllt.
In 5 bis 8 ist die Breite zwischen der spaltseitigen Flussbarriere 222a in der Magnetpol-Schicht 222 und der spaltseitigen Flussbarriere 223a in der Magnetpol-Schicht 223 definiert als W11, und die Breite zwischen einer Flussbarriere 222b auf der d-Achsen-Seite in der Magnetpol-Schicht 222 und einer Flussbarriere 223b auf der d-Achsen-Seite in der Magnetpol-Schicht 223 ist definiert als W12.
Außerdem ist in 5 bis 8 der Bereich zwischen der Flussbarriere 222b auf der d-Achsen-Seite in der Magnetpol-Schicht 222 und der Flussbarriere 223b auf der d-Achsen-Seite in der Magnetpol-Schicht 223 als ein spezifischer Teil a definiert, und der Bereich, wo der Permanentmagnet 23 in der Magnetpol-Schicht 223 platziert ist, ist als ein spezifischer Teil b definiert.
Beim Vergleich der magnetischen Flussdichte im spezifischen Teil a im Beispiel 1, wie in 5 gezeigt, und der magnetischen Flussdichte im spezifischen Teil a im Vergleichsbeispiel 1, wie in 7 gezeigt, zeigt sich, dass die magnetische Flussdichte im Beispiel 1 kleiner als die magnetische Flussdichte im Vergleichsbeispiel 1 ist.
Diese Relation rührt von der Relation zwischen der Breite W11 und der Breite W12 her. Im Beispiel 1, das in 5 gezeigt ist, ist W11 < W12 erfüllt, aber im Vergleichsbeispiel 1, das in 7 gezeigt ist, ist W11 > W12 erfüllt. Der Grund, warum W11 < W12 im Beispiel 1 erfüllt ist, ist, dass die Bedingung 1 von θ1 > θ2 > θ3 erfüllt ist. Im Gegensatz dazu ist im Vergleichsbeispiel 1θ2 < θ3 erfüllt, so dass die Bedingung 1 nicht erfüllt ist, was zu W11 > W12 führt.
Im Beispiel 1 gilt Folgendes: Da W12 groß ist und die magnetische Flussdichte im spezifischen Teil a klein ist, fließt ein magnetischer Anker-Fluss, der vom W11-Bereich zum W12-Bereich fließt, leicht zum spezifischen Teil a. Andererseits gilt im Vergleichsbeispiel 1 Folgendes: Da W12 klein ist und die magnetische Flussdichte im spezifischen Teil a groß ist, fließt ein magnetischer Anker-Fluss, der vom W11-Bereich zum W12-Bereich fließt, kaum zum spezifischen Teil a, und er fließt teilweise zum spezifischen Teil b.
Im spezifischen Teil b zeigt sich beim Vergleich des magnetischen Flusses, der mit dem Permanentmagneten verkettet ist, zwischen 6 und 8, dass der verkettete magnetische Fluss im Vergleichsbeispiel 1 größer ist als im Beispiel 1. Der magnetische Fluss, der mit dem Permanentmagneten verkettet ist, führt zur Verringerung des Wirkungsgrads und zum Temperaturanstieg im Permanentmagneten. Das heißt, um den magnetischen Fluss zu verringern, der mit dem Permanentmagneten verkettet ist, ist es nötig, dass θ1 > θ2 > θ3 erfüllt ist, was die Bedingung 1 ist.
Bei einer rotierenden elektrischen Maschine ist es bekannt, dass die Verluste infolge der Harmonischen verringert werden können, wenn ein magnetischer Fluss, der in einem Spalt zwischen einem Stator und einem Rotor erzeugt wird, zu einer Sinuswelle gemacht wird. Der magnetische Fluss, der im Spalt erzeugt wird, kann berechnet werden durch Multiplikation der Durchflutung und der Permeabilität, und der erzeugte magnetische Fluss kann zu einer Sinuswelle gemacht werden, indem sowohl die Durchflutung, als auch die Permeabilität zu Sinuswellenformen gemacht werden.
Hier wird die Durchflutung durch den magnetischen Anker-Fluss des Stators und den magnetischen Magnet-Fluss des Rotors bestimmt, und die Permeabilität wird durch Permeabilitätsverteilungen an Stator und Rotor bestimmt. In einer Durchflutungs-Wellenform und einer Permeabilitätsverteilung eines Stators mit verteilter Wicklung, sind harmonische Komponenten infolge von Nuten und dergleichen vorhanden, aber die harmonischen Komponenten sind Komponenten hoher Ordnung, und deren Werte sind klein, so dass deren Einfluss auf die Harmonische-Verluste klein ist.
In einem Fall eines allgemeinen Synchronmotors mit innenliegendem Permanentmagneten (nachfolgend als IPMSM bezeichnet), haben die Durchflutungs-Wellenform und die Permeabilitätsverteilung des Rotors Wellenformen, wie z. B. eine Rechteckwelle und enthalten harmonische Komponenten niedriger Ordnung mit großen Werten. Wenn harmonische Komponenten niedriger Ordnung der Durchflutungs-Wellenform und der Permeabilitätsverteilung des Rotors verringert werden können und dadurch zu Sinuswellen gemacht werden können, kann der magnetische Fluss, der im Spalt erzeugt wird, zu einer Sinuswelle gemacht werden, so dass die Verluste infolge von Harmonischen verringert werden können.
Bei der rotierenden elektrischen Maschine der vorliegenden Ausführungsform werden als Nächstes die Wirkungen beschrieben, wenn es keine Last gibt, unter Verwendung von Beispiel 1, Vergleichsbeispiel 2 und Vergleichsbeispiel 3.
9 ist ein Konturdiagramm der relativen Permeabilität, wenn es keine Last gibt, in der rotierenden elektrischen Maschine im Beispiel 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. 10 zeigt Magnetfluss-Linien in der rotierenden elektrischen Maschine im Beispiel 1. 10 zeigt Magnetfluss-Linien des magnetischen Anker-Flusses, erhalten durch magnetische Flusstrennung zwischen dem magnetischen Anker-Fluss und dem magnetischen Magnet-Fluss aus der magnetischen Flussdichte, die in 9 gezeigt ist, unter Verwendung von eingefrorener bzw. angehaltener Permeabilität. 9 und 10 zeigen Ergebnisse von Simulationen unter Verwendung des Magnetfeld-Analyseprogramms, und die Parameter im Beispiel 1, die für die Simulation verwendet werden, sind wie oben beschrieben.
11 ist ein Konturdiagramm der relativen Permeabilität, wenn es keine Last gibt, in der rotierenden elektrischen Maschine im Vergleichsbeispiel 2 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. 12 zeigt Magnetfluss-Linien in der rotierenden elektrischen Maschine im Vergleichsbeispiel 2. 12 zeigt Magnetfluss-Linien des magnetischen Anker-Flusses, erhalten durch magnetische Flusstrennung zwischen dem magnetischen Anker-Fluss und dem magnetischen Magnet-Fluss aus der magnetischen Flussdichte, die in 11 gezeigt ist, unter Verwendung von eingefrorener bzw. angehaltener Permeabilität.
11 und 12 zeigen Ergebnisse von Simulationen unter Verwendung des Magnetfeld-Analyseprogramms. Die Parameter im Vergleichsbeispiel 2, die bei der Simulation verwendet werden, sind wie folgt. Die Werte hinsichtlich der Bedingung 1 waren θ1 = 67,5°, θ2 = 18,5° und θ3 = 8,3°. Die Werte hinsichtlich der Bedingung 2 waren A = 0,3 mm, B = 0,3 mm, C = 0,3 mm, W1 = 1,8 mm, W2 = 4,0 mm und W3 = 6,5 mm. Folglich ist im Vergleichsbeispiel 2 folgendes erfüllt: θ1 > θ2 > θ3 Das heißt, die Bedingung 1 ist erfüllt. Es sind aber B+C < W3, A+B < W2 und 2×A < 2×W1 erfüllt, d. h. die Bedingung 2 ist nicht erfüllt.
13 ist ein Kennliniengraph, der eine Permeabilitätsverteilung an der Außenumfangsfläche des Rotors der rotierenden elektrischen Maschine im Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. 14 ist ein Kennliniengraph, der die magnetische Flussdichteverteilung in der Radialrichtung zeigt, die im Spalt zwischen Stator und Rotor erzeugt wird, in der rotierenden elektrische Maschine im Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
Wie in einem spezifischen Teil c in 9 gezeigt, ist im Beispiel 1 ein Bereich, wo die Permeabilität niedrig ist, an der Oberfläche des Rotorkerns 21 vorhanden, aber wie im spezifischen Teil c in 11 gezeigt, ist im Vergleichsbeispiel 2 ein solcher Bereich, wo die Permeabilität niedrig ist, nicht vorhanden, und die Permeabilität an der Fläche des Rotorkerns 21 ist hoch.
Beim Vergleich von 10 und 12 zeigt sich daher, dass - während im Beispiel 1 ein magnetischer Magnet-Fluss an der Oberfläche des Rotorkerns 21 auf Seiten des Spalts fließt - solch ein magnetischer Magnet-Fluss im Vergleichsbeispiel 2 kleiner ist. Dies rührt daher, dass im Rotorkern im Vergleichsbeispiel 2 der Fluss des magnetischen Magnet-Flusses infolge der verschmälerten Überbrückungs-Breite beschränkt ist. Eine solche Struktur mit schmaler Überbrückungs-Breite wie im Vergleichsbeispiel 2 ist eine Struktur, die beim herkömmlichen IPMSM angewendet wird.
Wie in 13 gezeigt, sind im Ergebnis die Breiten (t1, t2, t3) von drei Scheitelwerten, die im elektrischen Winkel-Bereich von 0° bis 90° vorhanden sind und bei denen die Permeabilität hoch ist, im Vergleichsbeispiel 2 größer als im Beispiel 1. Außerdem sind die Höhen der drei Scheitelwerte ebenfalls im Vergleichsbeispiel 2 größer als im Beispiel 1. Beispielsweise ist die Höhe des ersten Scheitelpunkts, angezeigt durch die Scheitelpunkt-Breite 11, im Vergleichsbeispiel 2 größer als im Beispiel 1, und zwar um t11, die Höhe des zweiten Scheitelpunkts, angezeigt durch die Scheitelpunkt-Breite t2, ist im Vergleichsbeispiel 2 größer als im Beispiel 1, und zwar um t12, und die Höhe des dritten Scheitelpunkts, angezeigt durch die Scheitelpunkt-Breite t3, ist im Vergleichsbeispiel 2 größer als im Beispiel 1, und zwar um t13.
Wie mit den spezifischen Teilen d in 14 gezeigt, ist außerdem eine Wellenform, die in einem elektrischen Winkel-Bereich von 0° bis 90° vorhanden ist und wo sich die magnetische Flussdichte stufenweise ändert, im Beispiel 1 gradueller als im Vergleichsbeispiel 2. Das heißt, die magnetische Flussdichte im Beispiel 1 hat eine Wellenform, die näher an einer Sinuswelle liegt, als die magnetische Flussdichte im Vergleichsbeispiel 2.
Im Beispiel 1 liegt der Fokus auf den Teilen, wo die magnetische Flussdichte-Wellenform an den spezifischen Teilen d in 14 graduell ist. In dem spezifischen Teil c in 10 der Oberfläche des Rotorkerns 21 entsprechend der Position, wo die magnetische Flussdichte-Wellenform graduell ist, zeigt sich, dass Magnetfluss-Linien der Permanentmagnete Magnetfluss-Linien einschließen, die durch die Überbrückungen gehen und dann mit dem Statorkern 11 verkettet werden, sowie Magnetfluss-Linien, die innerhalb des Rotorkerns 21 kurzgeschlossen werden.
Außerdem zeigt sich im spezifischen Teil c in 9, dass die Permeabilität an der Oberfläche des Rotorkerns 21 niedrig ist. Aus dem Obigen zeigt sich, dass der Rotorkern 21 im spezifischen Teil c in 10 magnetisch gesättigt ist. Um die magnetische Flussdichte-Wellenform graduell zu machen, ist es daher nötig, dass die magnetische Sättigung durch einen magnetischen Magnet-Fluss verursacht wird, der innerhalb des Rotorkerns 21 kurzgeschlossen ist, und einen magnetischen Magnet-Fluss, der durch die Überbrückungen im spezifischen Teil c der Fläche des Rotorkerns 21 geht und dann mit dem Statorkern 11 verkettet wird.
Der maximale magnetische Fluss, der aus den Permanentmagnete 23 des Rotors 20 ausgegeben wird, wird durch die Magnetpol-Schicht-Intervalle W1, W2, W3 bestimmt. Hinsichtlich des magnetischen Magnet-Flusses, der aus den Permanentmagneten 23 ausgegeben wird, ändert sich der Pfad, durch den der magnetische Magnet-Fluss vom Rotorkern 21 zum Statorkern 11 fließt, in Abhängigkeit von der Relation zwischen den Magnetpol-Schicht-Intervallen und den Überbrückungs-Breiten.
Hinsichtlich des Rotorkerns, in dem die Überbrückungs-Breiten schmal sind, so dass die Bedingung 2 nicht erfüllt ist, wie im Vergleichsbeispiel 2, wird der Fokus auf den magnetischen Magnet-Fluss im spezifischen Teil c in 12 gelegt. Wie in 12 gezeigt, sind im Vergleichsbeispiel 2 ein magnetischer Fluss, der durch die Überbrückungen geht, und ein magnetischer Fluss, der im Rotorkern 21 kurzgeschlossen ist, mit einem kleinen Wert von ungefähr einer Zeile pro Magnetpol-Schicht vorhanden, und die meisten magnetischen Flüsse sind direkt mit dem Statorkern 11 verkettet. Daher ist im Vergleichsbeispiel 2, wie im spezifischen Teil c in 11 gezeigt, die Permeabilität des Rotorkerns 21 hoch, und nur solche Flächen, die nahe an den Überbrückungen liegen, sind magnetisch gesättigt.
Im Gegensatz dazu gilt im Beispiel 1, bei dem die Bedingung 2 erfüllt ist, wie in 10 gezeigt, Folgendes: Es zeigt sich, dass der magnetische Magnet-Fluss des Permanentmagneten in jeder Magnetpol-Schicht durch die Überbrückung einer anderen Magnetpol-Schicht geht und dann mit dem Statorkern 11 verkettet wird. Folglich wird im spezifischen Teil c in 9 die Permeabilität radial in Richtung des Spalts verringert, und zwar von der Flussbarriere auf Seiten des Spalts jeder Magnetpol-Schicht aus, so dass der Bereich, der vom spezifischen Teil c im Rotorkern 21 angegeben wird, magnetisch gesättigt ist.
Aus dem Obigen zeigt sich, dass es nötig ist, dass die Bedingung 2 mit den relationalen Ausdrücken B+C > W3, A+B > W2 und 2A > 2W1 erfüllt ist, um die magnetische Sättigung im spezifischen Teil c der Fläche des Rotorkerns 21 zu verursachen. In dem Rotor im Beispiel 1, der die Bedingung 2 erfüllt, ist die Oberfläche des Rotorkerns 21 magnetisch gesättigt, so dass die magnetische Flussdichte-Wellenform, die im Spalt erzeugt wird, graduell wird.
An den Positionen entsprechend den Teilen, wo die magnetische Flussdichte-Wellenform graduell wird, wie in 13 gezeigt, werden dann die Höhen und die Breiten in der Permeabilitätsverteilung kleiner als im Vergleichsbeispiel 2. Wie in 14 gezeigt, zeigt sich folglich, dass sich bei dem Rotor im Beispiel 1 die magnetische Flussdichte-Wellenform einer Sinuswelle annähert, im Vergleich mit Vergleichsbeispiel 2. Im Ergebnis kann die rotierende elektrische Maschine, die den Rotor im Beispiel 1 aufweist, der die Bedingung 2 erfüllt, die Harmonischen verringern.
Bei den rotierenden elektrischen Maschinen im Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2 ist W1 < W2 < W3 erfüllt. Bei der rotierenden elektrischen Maschine im Vergleichsbeispiel 3 ist die Bedingung W1 < W2 < W3 nicht erfüllt.
15 ist ein Konturdiagramm der relativen Permeabilität, wenn es keine Last gibt, in der rotierenden elektrischen Maschine im Vergleichsbeispiel 3 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. 16 zeigt Magnetfluss-Linien in der rotierenden elektrischen Maschine im Vergleichsbeispiel 3. 16 zeigt Magnetfluss-Linien des magnetischen Anker-Flusses, erhalten durch magnetische Flusstrennung zwischen dem magnetischen Anker-Fluss und dem magnetischen Magnet-Fluss aus der magnetischen Flussdichte, die in 15 gezeigt ist, unter Verwendung von eingefrorener bzw. angehaltener Permeabilität.
15 und 16 zeigen Ergebnisse von Simulationen unter Verwendung des Magnetfeld-Analyseprogramms. Die Parameter im Vergleichsbeispiel 3, die bei der Simulation verwendet werden, sind wie folgt. Die Werte hinsichtlich der Bedingung 1 waren θ1 = 67,5°, θ2 = 18,5° und θ3 = 8,3°. Die Werte hinsichtlich der Bedingung 2 waren A = 0,3 mm, B = 0,3 mm, C = 0,3 mm, W1 = 5,5 mm, W2 = 3,8 mm und W3 = 3,5 mm. Daher ist im Vergleichsbeispiel 3 θ1 > θ2 > θ3 erfüllt, d. h. die Bedingung 1 ist erfüllt, aber auch B+C < W3, A+B < W2 und 2×A < 2×W1 sind erfüllt, d. h. die Bedingung 2 ist nicht erfüllt. Außerdem ist W1 > W2 > W3 erfüllt, d. h. die Bedingung W1 < W2 < W3 ist nicht erfüllt.
17 ist ein Kennliniengraph, der eine Permeabilitätsverteilung an der Außenumfangsfläche des Rotors der rotierenden elektrischen Maschine im Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 3 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt.
18 ist ein Kennliniengraph, der die magnetische Flussdichteverteilung in der Radialrichtung zeigt, die im Spalt zwischen Stator und Rotor erzeugt wird, in der rotierenden elektrische Maschine im Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 3 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
Wie im spezifischen Teil c in 9 gezeigt, ist im Beispiel 1 ein Bereich, wo die Permeabilität niedrig ist, an der Oberfläche des Rotorkerns 21 vorhanden, aber - wie im spezifischen Teil c in 15 gezeigt - ist im Vergleichsbeispiel 3 ein solcher Bereich, wo die Permeabilität niedrig ist, nicht vorhanden, und die Permeabilität an der Oberfläche des Rotorkerns 21 ist hoch.
Beim Vergleich von 10 und 16 zeigt sich daher, dass - während im Beispiel 21 ein magnetischer Magnet-Fluss an der Oberfläche des Rotorkerns 1 auf Seiten des Spalts fließt - solch ein magnetischer Magnet-Fluss im Vergleichsbeispiel 3 kleiner ist. Außerdem ist - wie im spezifischen Teil ein 10 gezeigt - im Beispiel 1 eine magnetische Flusslinie mit dem Zahn des Statorkerns 11 verkettet, aber - wie im spezifischen Teil ein 16 gezeigt - ist im Vergleichsbeispiel 3 solch eine magnetische Flusslinie nicht vorhanden. Eine solche Struktur, bei der W1 groß ist, wie im Vergleichsbeispiel 3, ist eine Struktur, die im herkömmlichen IPMSM verwendet wird, um die Drehmoment-Charakteristik zu verbessern.
Wie in 17 gezeigt, sind die Breiten (t1, t2, t3) von drei Scheitelwerten, die im elektrischen Winkel-Bereich von 0° bis 90° vorhanden sind und bei denen die Permeabilität hoch ist, im Vergleichsbeispiel 3 größer als im Beispiel 1. Außerdem sind die Höhen der drei Scheitelwerte ebenfalls im Vergleichsbeispiel 3 größer als im Beispiel 1. Ferner ist im Beispiel 1 t1 > t2 > t3 erfüllt, aber im Vergleichsbeispiel 3 ist t3 am größten.
Folglich zeigt sich in der Permeabilitätsverteilung, dass die Breite des Bereichs, wo die Permeabilität am q-Achsen-Teil hoch ist, die zweitgrößte ist, auf die Breite des Bereichs folgend, wo die Permeabilität am d-Achsen-Teil hoch ist. Wie in den spezifischen Teilen f in 18 gezeigt, ist im Vergleichsbeispiel 3 die magnetische Flussdichte nahezu null, und zwar an Teilen, wo die Magnetpole umgeschaltet sind, d. h. in elektrischen Winkel-Bereichen von 0° bis 20° und 160° bis 180°.
Dies rührt daher, dass W1 groß wird, so dass der magnetische Magnet-Fluss nicht mehr durch diese Bereiche geht. Andererseits hat bei der rotierenden elektrischen Maschine im Beispiel 1, die W1 < W2 < W3 erfüllt, wie in den spezifischen Teilen f gezeigt, die magnetische Flussdichteverteilung eine Wellenform nahe einer Sinuswelle. Folglich zeigt sich, dass es bevorzugt ist, dass W1 < W2 < W3 erfüllt ist.
19 ist ein Kennliniengraph, der eine Harmonische-Amplitude bezogen auf eine Harmonische-Ordnung zeigt, wenn eine magnetische Flussdichte-Wellenform, erzeugt im Spalt zwischen Stator und Rotor der rotierenden elektrischen Maschine, einer Frequenzzerlegung unterzogen wird, und zwar im Beispiel 1, Vergleichsbeispiel 2 und Vergleichsbeispiel 3 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
Wie in 19 gezeigt, werden in der rotierenden elektrischen Maschine im Beispiel 1 für sämtliche Harmonische-Ordnungen die harmonischen Komponenten so verringert, dass sie gleich groß oder kleiner als jene im Vergleichsbeispiel 2 und Vergleichsbeispiel 3 werden. Folglich zeigt sich, dass die Breiten und die Höhen in der Permeabilität gesteuert werden können, wie in 13 gezeigt, und zwar, indem B+C > W3, A+B > W2 und 2×A > 2×W1 in der Bedingung 2 erfüllt sind.
Außerdem zeigt sich, dass die Breiten in der Permeabilität wie in 17 gezeigt angepasst werden können, indem die Relation W1 < W2 < W3 erfüllt ist. Wenn diese Bedingungen erfüllt werden, ist es möglich, die Form der Permeabilitätsverteilung an der Rotorkern-Oberfläche einer Sinuswelle anzunähern. Ferner ist es auch möglich, die Durchflutungs-Wellenform auf der Basis des magnetischen Magnet-Flusses einer Sinuswelle anzunähern.
20 ist ein Kennliniengraph, der die Verluste zeigt, wenn es keine Last gibt, wenn nur ein d-Achsen-Strom fließt und wenn nur ein q-Achsen-Strom fließt, in der rotierenden elektrischen Maschine im Beispiel 1, Vergleichsbeispiel 2 und Vergleichsbeispiel 3 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. 20 zeigt relative Werte, wo die Verluste in der rotierenden elektrischen Maschine im Beispiel 1 als 1 definiert sind.
Wie in 20 gezeigt, zeigt es sich, dass - in der rotierenden elektrischen Maschine im Beispiel 1 - die Verluste unter sämtlichen Bedingungen klein sind. Insbesondere gilt Folgendes: Wenn nur ein d-Achsen-Strom fließt, werden die Verluste signifikant verringert, und zwar im Vergleich mit Vergleichsbeispiel 2 und Vergleichsbeispiel 3. Dies ist eine Wirkung auf der Basis der Tatsache, dass die Permeabilitätsverteilung einer Sinuswelle angenähert wird und die magnetische Flussdichte-Wellenform des Rotors, erzeugt im Spalt, einer Sinuswelle angenähert wird, in der rotierenden elektrischen Maschine im Beispiel 1.
Wie oben beschrieben, sind in der rotierenden elektrischen Maschine der vorliegenden Ausführungsform die Relation θ1 > θ2 > θ3 in der Bedingung 1 und die Relation B+C > W3, A+B > W2 und 2×A > 2×W1 in der Bedingung 2 gleichzeitig erfüllt, so dass Eisenverluste infolge von Harmonischen verringert werden können.
In der rotierenden elektrischen Maschine der vorliegenden Ausführungsform hat das Paar von Magnet-Nuten in der Magnetpol-Schicht 221 an der am weitesten entfernten Position von der Drehwelle eine V-Form mit einem Öffnungswinkel von 180°. Das heißt, der Winkel zwischen der d-Achse und einer Linie parallel zur Magnetfluss-Ausgabefläche des Permanentmagneten 23, der in die Magnet-Nut 22 eingeführt ist, und zwar in der Magnetpol-Schicht 221, ist ein rechter Winkel.
Solange die Relation der Bedingung 1 erfüllt ist, kann das Paar von Magnet-Nuten in der Magnetpol-Schicht 221 einen Öffnungswinkel kleiner als 180° haben.
In der rotierenden elektrischen Maschine der vorliegenden Ausführungsform ist es bevorzugt, dass W1 < W2 < W3 erfüllt ist, wie im Vergleichsbeispiel 3 beschrieben. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, geht der magnetische Magnet-Fluss einfacher durch den q-Achsen-Teil.
In einer Schnittansicht senkrecht zur Drehwelle der rotierenden elektrischen Maschine der vorliegenden Ausführungsform, wenn die Länge der Magnetfluss-Ausgabefläche des Permanentmagneten 23 als Magnet-Breite definiert ist und die Länge in einer Richtung senkrecht zur Magnetfluss-Ausgabefläche des Permanentmagneten 23 als Magnet-Dicke definiert ist, ist es bevorzugt, dass - in einem Magnetpol - die Permanentmagnete 23 in den Magnetpol-Schichten kleiner in der Magnet-Breite werden und größer in der Magnet-Dicke werden, wenn sich die Magnetpol-Schichten dem Spalt annähern, d. h. weiter von der Drehwelle sind.
Der Permanentmagnet 23 in der Magnetpol-Schicht, der sich nahe am Spalt befindet, wird am meisten von einem Entmagnetisierungs-Feld beeinflusst. Die Entmagnetisierungs-Kraft des Permanentmagneten ist proportional zur Magnet-Dicke. Wenn die Dicke des Permanentmagneten 23 in der Magnetpol-Schicht, die sich nahe dem Spalt befindet, so vorgegeben ist, dass sie am größten ist, kann der Entmagnetisierungs-Widerstand gegen das Entmagnetisierungs-Feld infolge des d-Achsen-Stroms, der zur Zeit der Feld-Abschwächung fließt, erhöht werden.
Die Formen der Flussbarrieren in der rotierenden elektrischen Maschine der vorliegenden Ausführungsform werden beschrieben. Wie in 4 gezeigt, ist die Flussbarriere 223b auf der d-Achsen-Seite der Magnet-Nut in der Magnetpol-Schicht 223 in zwei Bereiche geteilt, und zwar durch eine Verlaufsebene, die von der Magnetfluss-Ausgabefläche des Permanentmagneten 23 aus verläuft, der in die Magnet-Nut eingeführt ist.
Die Breite in einer Richtung senkrecht zur Verlaufsebene des Flussbarrieren-Bereichs, der weiter von der d-Achse entfernt liegt, von den zwei geteilten Flussbarrieren-Bereichen ist definiert als eine radial äußere Breite H1 auf der d-Achse, und die Breite in der Richtung senkrecht zur Verlaufsebene des Flussbarrieren-Bereichs, der sich näher an der d-Achse befindet, ist als eine radial innere Breite H2 auf der d-Achse definiert.
In der rotierenden elektrischen Maschine der vorliegenden Ausführungsform ist es bevorzugt, dass H1 < H2 erfüllt ist. Bei der rotierenden elektrischen Maschine, die konfiguriert ist wie oben beschrieben, ist ein magnetischer Fluss, der vom Permanentmagnet 23 erzeugt wird, so konfiguriert, dass eine Komponente, die von dem Permanentmagneten 23 kurzgeschlossen wird, verringert ist, und eine Komponente, die radial nach außen verläuft, zunimmt.
Außerdem kann die d-Achsen-Induktivität verringert werden, so dass das Reluktanzmoment, das proportional zur Differenz zwischen der q-Achsen-Induktivität und der d-Achsen-Induktivität zunimmt, erhöht werden kann. Da die Flussbarriere 223b auf der d-Achsen-Seite so ausgebildet ist, dass sie groß ist, werden ferne die Leerstellen des Rotorkern 21 vergrößert, so dass das Gewicht des Rotorkerns 21 verringert wird und die Widerstandskraft gegen die Zentrifugalkraft ebenfalls verbessert wird. Es is bevorzugt, dass nicht bloß die Magnetpol-Schicht 223 die obige Form der Flussbarriere auf der d-Achsen-Seite hat, sondern auch die übrigen Magnetpol-Schichten ähnliche Formen von Flussbarrieren auf der d-Achsen-Seite haben.
Ausführungsform 2
21 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Rotors gemäß Ausführungsform 2. 21 ist eine Schnittansicht entlang der Ebene senkrecht zur Drehwelle. Im Rotor 20 der vorliegenden Ausführungsform weist ein Magnetpol vier Magnetpol-Schichten 221, 222, 223, 224 auf. Die Struktur jeder Magnetpol-Schicht ist die gleiche wie jene, die bei der Ausführungsform 1 beschrieben ist.
Wie in 21 gezeigt, ist eine Linie parallel zur Magnetfluss-Ausgabefläche des Permanentmagneten 23 in der Magnetpol-Schicht 221 definiert als eine Linie 51. Eine Linie parallel zur Magnetfluss-Ausgabefläche des Permanentmagneten 23 in der Magnetpol-Schicht 222 ist definiert als eine Linie 52. Eine Linie parallel zur Magnetfluss-Ausgabefläche des Permanentmagneten 23 in der Magnetpol-Schicht 223 ist definiert als eine Linie 53.
Eine Linie parallel zur Magnetfluss-Ausgabefläche des Permanentmagneten 23 in der Magnetpol-Schicht 224 ist definiert als eine Linie 54. Dann wird der Winkel auf Seiten der Drehwelle zwischen der q-Achse und der Linie 51 als Magnetpol-Schicht-Winkel θ1 definiert, der Winkel auf Seiten der Drehwelle zwischen der q-Achse und der Linie 52 wird als Magnetpol-Schicht-Winkel θ2 definiert, der Winkel auf Seiten der Drehwelle zwischen der q-Achse und der Linie 53 wird als Magnetpol-Schicht-Winkel θ3 definiert, und der Winkel auf Seiten der Drehwelle zwischen der q-Achse und der Linie 54 wird als Magnetpol-Schicht-Winkel θ4 definiert. Der Rotor 20 der vorliegenden Ausführungsform ist so konfiguriert, dass die Relation θ1 > θ2 > θ3 > θ4 erfüllt ist. Mit anderen Worten: Die Magnetpol-Schicht-Winkel in einem Magnetpol sind so vorgegeben, dass sie kleiner werden, wenn die Magnetpol-Schichten sich der Drehwelle annähern.
22 ist eine vergrößerte Schnittansicht des Rotors gemäß der vorliegenden Ausführungsform. 22 ist eine Schnittansicht, die stärker vergrößert ist als in 21. In 22 gilt Folgendes: Der kürzeste Abstand zwischen der spaltseitigen Flussbarriere 221a in der Magnetpol-Schicht 221 und der Außenumfangsfläche des Rotorkerns 21 ist definiert als Überbrückungs-Breite D. Der kürzeste Abstand zwischen der spaltseitigen Flussbarriere 222a in der Magnetpol-Schicht 222 und der Außenumfangsfläche des Rotorkerns 21 ist definiert als Überbrückungs-Breite C. Der kürzeste Abstand zwischen der spaltseitigen Flussbarriere 223a in der Magnetpol-Schicht 223 und der Außenumfangsfläche des Rotorkerns 21 ist definiert als Überbrückungs-Breite B. Der kürzeste Abstand zwischen einer spaltseitigen Flussbarriere 224a in der Magnetpol-Schicht 224 und der Außenumfangsfläche des Rotorkerns 21 ist definiert als eine Überbrückungs-Breite A.
Außerdem gilt Folgendes: Der kürzeste Abstand zwischen der Magnetpol-Schicht 221 und der Magnetpol-Schicht 222 ist definiert als ein Magnetpol-Schicht-Intervall W4. Der kürzeste Abstand zwischen der Magnetpol-Schicht 222 und der Magnetpol-Schicht 223 ist definiert als ein Magnetpol-Schicht-Intervall W3. Der kürzeste Abstand zwischen der Magnetpol-Schicht 223 und der Magnetpol-Schicht 224 ist definiert als ein Magnetpol-Schicht-Intervall W2. Der kürzeste Abstand zwischen der Magnetpol-Schicht 224 und der q-Achse ist definiert als ein Magnetpol-Schicht-Intervall W1.
Der Rotor 20 der vorliegenden Ausführungsform ist so konfiguriert, dass er die folgende Relation erfüllt:

C+D > W4, B+C > W3, A+B > W2 und 2×A > 2×W1. Mit anderen Worten: Jedes Magnetpol-Schicht-Intervall ist so vorgegeben, dass es kleiner als die Summe der Überbrückungs-Breiten der einander benachbarten Magnetpol-Schichten ist.

In der rotierenden elektrischen Maschine inklusive dem Rotor, der konfiguriert ist wie oben beschrieben, können die Eisenverluste infolge von Harmonischen verringert werden, wie in Ausführungsform 1.
In der vorliegenden Ausführungsform ist es bevorzugt, dass W4 > W3 > W2 > W1 erfüllt ist. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, geht der magnetische Magnet-Fluss einfacher durch den q-Achsen-Teil.
In der vorliegenden Ausführungsform ist eine Flussbarriere auf der d-Achsen-Seite 224b der Magnet-Nut in der Magnetpol-Schicht 224 in zwei Bereiche geteilt, und zwar durch eine Verlaufsebene, die von der Magnetfluss-Ausgabefläche des Permanentmagneten 23 aus verläuft, der in die Magnet-Nut eingeführt ist. Die Breite in einer Richtung senkrecht zur Verlaufsebene des Flussbarrieren-Bereichs, der weiter von der d-Achse entfernt liegt, von den zwei geteilten Flussbarrieren-Bereichen ist definiert als eine radial äußere Breite H1 auf der d-Achse, und die Breite in der Richtung senkrecht zur Verlaufsebene des Flussbarrieren-Bereichs, der sich näher an der d-Achse befindet, ist als eine radial innere Breite H2 auf der d-Achse definiert.
Bei der rotierenden elektrischen Maschine der vorliegenden Ausführungsform ist es bevorzugt, dass H1 < H2 erfüllt ist. Außerdem ist es bevorzugt, dass die übrigen Magnetpol-Schichten ähnliche Formen haben. Bei der rotierenden elektrischen Maschine, die konfiguriert ist, wie oben beschrieben, ist ein magnetischer Fluss, der vom Permanentmagnet 23 erzeugt wird, so konfiguriert, dass eine Komponente, die von dem Permanentmagneten 23 kurzgeschlossen wird, verringert ist, und eine Komponente, die radial nach außen verläuft, zunimmt. Außerdem kann die d-Achsen-Induktivität verringert werden, so dass das Reluktanzmoment, das proportional zur Differenz zwischen der q-Achsen-Induktivität und der d-Achsen-Induktivität zunimmt, erhöht werden kann.
Obwohl die Erfindung oben in Form von verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen und Implementierungen beschrieben ist, versteht es sich, das die verschiedenen Merkmale, Aspekte und Funktionalitäten, die bei einer oder mehreren der einzelnen Ausführungsformen beschrieben sind, in deren Anwendbarkeit nicht auf die besondere Ausführungsform beschränkt sind, mit denen sie beschrieben sind, sondern stattdessen auch - allein oder in verschiedenen Kombinationen - mit einer oder mehreren der Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden können.
Es versteht sich daher, dass zahlreiche Modifikationen verwendet werden können, die nicht beispielhaft beschrieben wurden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann zumindest eine der Bestandteilskomponenten modifiziert, hinzugefügt oder weggelassen werden. Mindestens eine der Bestandteilskomponenten, die in zumindest einer der bevorzugten Ausführungsformen erwähnt wurden, kann ausgewählt und mit den Bestandteilskomponenten kombiniert werden, die in einer anderen bevorzugten Ausführungsform erwähnt ist.
Beschreibung der Bezugszeichen

1: Rotierende elektrische Maschine
10: Stator
11: Statorkern
12: Statorspule
13: Rahmen
14: Lager
15: Lagerschale
16: Drehwelle
18: Zahn
19: Kern-Rückseite
20: Rotor
21: Rotorkern
22: Magnet-Nut
23: Permanentmagnet
51,52,53,54: Linie
221, 222, 223, 224: Magnetpol-Schicht
221a, 222a, 223a, 224a: spaltseitige Flussbarriere
222b, 223b, 224b: Flussbarriere auf der d-Achsen-Seite

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 5353962 B2 [0003]

Claims

Rotor, der einen Rotorkern und eine Mehrzahl von Permanentmagneten aufweist, wobei der Rotor so konfiguriert ist, dass er um eine Drehwelle rotiert, wobei in einem Querschnitt senkrecht zur Drehwelle ein Magnetpol durch drei oder mehr angeordnete Magnetpol-Schichten ausgebildet ist, wobei jede Magnetpol-Schicht von einem Paar von Magnet-Nuten in einer V-Form gebildet wird, die radial nach außen vom Zentrum der Drehwelle geöffnet ist, und den Permanentmagneten, die in die Magnet-Nuten eingeführt sind, jede Magnet-Nut einen Magnet-Einführungsbereich aufweist, in dem der Permanentmagnet eingeführt ist, sowie Flussbarrieren, die an beiden Enden des Magnet-Einführungsbereichs ausgebildet sind, wenn das Magnetpol-Zentrum des einen Magnetpols als d-Achse definiert ist, die Richtung elektrisch senkrecht zur d-Achse als q-Achse definiert ist und der Winkel auf Seiten der Drehwelle zwischen der q-Achse und einer Linie parallel zur Magnetfluss-Ausgabefläche des Permanentmagneten, der in die Magnet-Nut in jeder Magnetpol-Schicht eingeführt ist, als Magnetpol-Schicht-Winkel definiert ist, die Magnetpol-Schicht-Winkel in dem einen Magnetpol kleiner werden, wenn sich die Magnetpol-Schichten der Drehwelle annähern, und wenn der kürzeste Abstand von der Flussbarriere auf der radialen Außenseite der Magnet-Nut zur Außenumfangsfläche des Rotorkerns als Überbrückungs-Breite definiert ist und der kürzeste Abstand zwischen den einander benachbarten Magnetpol-Schichten als Magnetpol-Schicht-Intervall definiert ist, das Magnetpol-Schicht-Intervall kleiner ist als die Summe der Überbrückungs-Breiten der einander benachbarten Magnetpol-Schichten.
Rotor nach Anspruch 1, wobei der kürzeste Abstand zwischen der q-Achse und der Flussbarriere auf der radialen Außenseite der Magnetpol-Schicht, die der Drehwelle am nächsten liegt, kleiner als die Magnetpol-Schicht-Intervalle im Magnetpol ist.
Rotor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Magnetpol-Schicht-Intervalle in dem einen Magnetpol umso kleiner werden, je mehr sie sich der Drehwelle nähern.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Überbrückungs-Breiten in dem einen Magnetpol umso größer werden, je mehr sich Magnetpol-Schichten der Drehwelle nähern.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Winkel zwischen der d-Achse und der Linie parallel zur Magnetfluss-Ausgabefläche des Permanentmagneten, der in die Magnet-Nut eingeführt ist, in der Magnetpol-Schicht, die am weitesten von der Drehwelle entfernt ist, ein rechter Winkel ist.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei, wenn die Länge einer Magnetfluss-Ausgabefläche des Permanentmagneten definiert ist als eine Magnet-Breite und die Länge in der Richtung senkrecht zur Magnetfluss-Ausgabefläche des Permanentmagneten definiert ist als die Magnet-Dicke, in dem einen Magnetpol die Permanentmagnete in den Magnetpol-Schichten umso kleiner in der Magnet-Breite und größer in der Magnet-Dicke werden, je weiter die Magnetpol-Schichten von der Drehwelle entfernt sind.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei in der Flussbarriere auf der radialen Innenseite der Magnet-Nut in zumindest einer der Magnetpol-Schichten, wenn die Flussbarriere in zwei Bereiche durch eine Verlaufsebene geteilt wird, die von der Magnetfluss-Ausgabefläche des Permanentmagneten aus verläuft, der in die Magnet-Nut eingeführt ist, die Breite in der Richtung senkrecht zur Verlaufsebene des Flussbarrieren-Bereichs, die von der Verlaufsebene geteilt wird und weiter von der d-Achse entfernt ist, als radiale Außenbreite auf der d-Achse definiert ist, und die Breite in der Richtung senkrecht zur Verlaufsebene des Flussbarrieren-Bereichs, die von der Verlaufsebene geteilt wird und näher an der d-Achse liegt, als radiale Innenbreite auf der d-Achse definiert ist, die radiale Außenbreite auf der d-Achse kleiner als die radiale Innenbreite auf der d-Achse ist.
Rotierende elektrische Maschine, die Folgendes aufweist: - einen Stator inklusive einem Statorkern und einer Statorspule; und - einen Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, der drehbar am Stator mit einem Spalt dazwischen angeordnet ist.