DE602004007460T2

DE602004007460T2 - Rotor für rotierende elektrische Maschine

Info

Publication number: DE602004007460T2
Application number: DE602004007460T
Authority: DE
Inventors: Yutaro Kaneko
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-12-08
Filing date: 2004-11-16
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2024-11-17
Also published as: JP2005176424A; EP1542335B1; DE602004007460D1; EP1542335A1; CN1627600A; JP4311182B2; US20050121990A1; CN100456601C; US7327062B2

Description

Diese Erfindung betrifft einen Rotor für eine sich drehende elektrische Maschine entsprechend des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs 1. Solch ein Rotor für eine sich drehende elektrische Maschine kann aus dem Dokument US 6,242,837 , das dem Stand der Technik am nächsten ist, entnommen werden. Der Rotor ist als ein einstückiges Bauteil gebildet, wobei Permanentmagnete in gleichen Abständen in der Umfangsrichtung angeordnet sind und sich in der axialen Richtung durch den Rotorkern erstrecken. Die Magneten sind an einem äußeren Umfangsabschnitt des Rotorkerns nahe zu der äußeren Umfangsoberfläche derselben angeordnet. Zugehörig zu jedem der Magnete ist eine Nut oder eine Bohrung, die vorgesehen ist, sich auch in der Richtung zwischen den Magneten und der äußeren Umfangsoberfläche zu erstrecken. Durch das Vorsehen solcher Nuten oder Bohrungen in dem Außenumfang des Rotors, der aus Eisen hergestellt ist, wird ein hemmendes Drehmoment erzeugt, um das hemmende Drehmoment entsprechend der magnetischen Schwankung zwischen den Magnetfeldern der Permanentmagneten und einem dazu zugehörigen Stator aufzuheben. Solch eine Anordnung kann das hemmende Drehmoment in der sich drehenden elektrischen Maschine vom Permanent-Typ reduzieren, aber sie kann nicht das hemmende Drehmoment bis zu dem Niveau reduzieren, das in besonderen Fällen gewünscht wird.
Das Stand der Technik-Dokument US 6,252,323 B1 lehrt einen Rotor mit mehreren Kernen, die jeweils mit einer Mehrzahl von Permanentmagneten versehen sind. Die Magnete sind in einen Umfangsabschnitt eines jeweiligen Motors eingebettet, wobei zwei benachbarte Rotorkerne zueinander in der Umfangsrichtung derart verschoben sind, dass die Magnete der zwei benachbarten Rotorkerne an unterschiedlichen Positionen des Umfanges gebildet sind.
Eine sich drehende elektrische Maschine, die einen Rotor mit darin eingebetteten Permanentmagneten verwendet, ist mit geringem Energieverlust verbunden und schafft eine große Ausgangsleistung, so dass sie in großen Stückzahlen verwendet wird. Jedoch ist ein Rotor mit Permanentmagneten mit der Erzeugung eines hemmenden Drehmomentes verbunden. Ein hemmendes Drehmoment ist ein Rückhaltedrehmoment, das erzeugt wird, wenn ein Rotor langsam gedreht wird. Mit anderen Worten, es ist ein Drehmoment, das erzeugt wird, wenn eine elektrische Maschine durch eine äußere Kraft in einem nicht-angeregten Zustand gedreht wird. Wenn das hemmende Drehmoment groß ist werden bei niedriger Last Geräusche und Schwingungen erzeugt. Außerdem ist damit, wenn das hemmende Drehmoment groß ist, während des normalen Betriebs eine große Drehmomentwelligkeit verbunden. Insbesondere ist die Drehmomentwelligkeit in dem Fall eines verstärkten Umdrehens groß.
Im Hinblick darauf werden, wie in der 12 gezeigt, entsprechend der JP 2003-32927-A, herausgegeben durch das Japanische Patentbüro in 2003, kurze Permanentmagnete an einem Rotor 100 angeordnet, um in Umfangsrichtung gestaffelt angeordnet zu sein, wodurch eine Drehmomentkonzentration verhindert und das hemmende Drehmoment unterdrückt wird.
Außerdem ist, wie in der 13 gezeigt, entsprechend der JP 2003-23740-A, herausgegeben durch das Japanische Patentbüro in 2003, die äußere Umfangsoberfläche in einer annähernd bogenförmigen Konfiguration gebildet, was eine induzierte Spannung mit einer im Wesentlichen sinusförmigen Wellenform schafft, wodurch das hemmende Drehmoment unterdrückt wird.
Jedoch unterscheiden sich in dem Aufbau, in dem die Permanentmagneten gestaffelt angebracht sind, der Stator und der Rotor in der Polarität, was dazu führt, dass sich im Wesentlichen die Magnetflussgröße vermindert, und ein Magnetfluss-Kurzschließen zwischen den gestaffelten Magneten auftritt, was zu einer Reduzierung im Ausgangsdrehmoment führt. Außerdem sind die Herstellungsschritte zum Staffeln der Magnete ziemlich kompliziert.
In dem Aufbau, in dem die äußere Umfangsoberfläche in einer nahezu bogenförmigen Konfiguration gebildet ist, erhöht sich der gesamte Magnetwiderstand und die Magnetflussgröße vermindert sich, was zu einer Reduzierung im Ausgangsdrehmoment führt. Da außerdem die äußere Umfangsoberfläche des Rotors nicht kreisförmig ist, ist deren Herstellung ziemlich schwierig.
Es ist demzufolge ein Ziel dieser Erfindung einen Rotor für eine elektrische Maschine zu schaffen, die das hemmende Drehmoment unterdrückt, ohne dass eine Reduzierung des Ausgangsdrehmomentes einhergeht.
Zum Erreichen des zuvor erwähnten Zieles sieht diese Erfindung einen Rotor für eine sich drehende elektrische Maschine mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 vor.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen niedergelegt.
Die Details sowie weitere Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden in dem Anhang der Spezifikation fortgesetzt und sind in den beigefügten Zeichnungen gezeigt.
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Rotors für eine sich drehende elektrische Maschine entsprechend eines ersten Ausführungsbeispiels.
2A und 2B sind vergrößerte Teil-Schnittdarstellungen des Rotors, jeweils genommen entlang der Linien IIA-IIA und IIB-IIB der 1.
3 ist eine Schnittdarstellung der sich drehenden elektrischen Maschine mit dem darin enthaltenen Rotor.
4 ist eine Längsschnittdarstellung der sich drehenden elektrischen Maschine, genommen entlang der Linie IV-IV der 3.
5 ist ein Diagramm, das die Schwankungen in dem hemmenden Drehmoment in dem ersten Ausführungsbeispiel und im Stand der Technik zeigt.
6 ist ein Diagramm, das die Schwankungen im Ausgangsdrehmoment in dem ersten Ausführungsbeispiel und im Stand der Technik zeigt.
7 ist eine perspektivische Darstellung für eine sich drehende elektrische Maschine entsprechend eines zweiten Ausführungsbeispieles.
Die 8A und 8B sind vergrößerte Teil-Schnittdarstellungen des Rotors der 7, jeweils genommen entlang der Linien VIIIA–VIIIA und VIIIB-VIIIB derselben.
9 ist eine perspektivische Darstellung eines Rotors für eine sich drehende elektrische Maschine entsprechend eines dritten Ausführungsbeispieles.
10 ist eine perspektivische Darstellung eines Rotors für eine sich drehende elektrische Maschine entsprechend eines vierten Ausführungsbeispieles.
Die 11A und 11B sind vergrößerte Teil-Schnittdarstellungen entsprechend eines fünften Ausführungsbeispieles.
12 ist eine perspektivische Darstellung eines Rotors entsprechend des Standes der Technik.
13 ist eine Schnittdarstellung eines Rotors entsprechend eines weiteren Standes des Technik.
In Bezug auf die 1 weist ein Rotor 10 eine Welle 11, eine Rotorkerneinheit 12 und Permanentmagneten 13 auf.
Die Rotorkerneinheit 12 ist auf der Welle 11 vorgesehen. Die Rotorkerneinheit 12 weit einen ersten Rotorkern 120 und einen zweiten Rotorkern 121 auf. Die axialen Längen des ersten Rotorkerns 120 und des zweiten Rotorkerns 121 sind dieselben oder im Wesentlichen dieselben. Der erste Rotorkern 120 hat Hohlräume 120B, die als Nuten in einer äußeren Umfangsoberfläche 120A derselben gebildet sind. Der zweite Rotorkern 121 hat ähnliche Hohlräume 121, die als Nuten in einer äußeren Umfangsoberfläche 121A derselben gebildet sind.
Die Permanentmagnete 13 sind in der Nähe der äußeren Umfangskante der Rotorkerneinheit 12 vorgesehen. 1 zeigt nur einen der Permanentmagnete 13, der durch die unterbrochene Linie angezeigt wird.
In Bezug auf die 2A und 2B hat der erste Rotorkern 120 Bohrungen 120C und der zweite Rotorkern 121 hat Bohrungen 121C mit den Permanentmagneten 13, die in diese Bohrungen 120C und 121C eingesetzt sind.
Die Hohlräume 120B und die Hohlräume 121B sind in der Richtung des Umfangs in Bezug zueinander gestaffelt. Mit anderen Worten, wenn aus der axialen Richtung hindurchgesehen wird, sind die Hohlräume 120B und 121B alternierend in gleichen Abständen angeordnet. Zwei Hohlräume 120B und zwei Hohlräume 121B sind pro Permanentmagnet gebildet.
Während der erste Rotorkern 120 und der zweite Rotorkern 121 voneinander separat konstruiert sein können, ist es auch möglich die Rotorkerne derselben Konstruktion zu verwenden und sie in der axialen Richtung gegenüberliegend, mit ihren Hohlräume in der Umfangsrichtung gestaffelt anzuordnen. Dies macht es möglich, die Rotorkerne durch ein einziges Gießen herzustellen, um dadurch in der Lage zu sein, die Produktionskosten für den Rotor zu vermindern.
Der Rotor 10 ist ein Bauteil, das eine sich drehende elektrische Maschine bildet. Hierin wird eine sich drehende elektrische Dreiphasen-8-Pol-, 12-Teil-Permanentmagnet-Typ-Maschine mit konzentrierter Wicklung als Beispiel genommen.
In Bezug auf die 3 und auf die 4 weist die sich drehende elektrische Maschine den Rotor 10, einen Stator 20 und ein Gehäuse 30 auf.
Die Welle 11 des Rotors 10 ist durch Lager 31 des Gehäuses 30, um frei zu sein, sich zu drehen, gelagert. Die Rotorkerneinheit 12 ist durch Aufeinanderstapeln von elektromagnetischen Stahlplatten gebildet. Acht Permanentmagnete 13 sind gleichmäßig nahe der äußeren Umfangskante der Rotorkerneinheit 12 angeordnet. Die Permanentmagneten 13 erstrecken sich im Wesentlichen über die gesamte Länge des Rotors 10 und, anders als die des Standes der Technik, wie in der JP-2003-32927-A gezeigt, ist damit keine Reduzierung in dem Ausgangsdrehmoment verbunden. Die Permanentmagnete 13 sind derart angeordnet, dass die Magnetpole der benachbarten Permanentmagnete sich voneinander unterscheiden. Wenn der elektrische Strom durch die Wicklungen 23 fließt wird ein Magnetfluss erzeugt und eine Reaktionskraft wird in den Permanentmagneten 13 erzeugt. Als ein Ergebnis dreht sich der Rotor 10 rund um die Welle 11. Da au ßerdem der Außenumfang des Rotors 10 kreisförmig ist, besteht keine Erhöhung in dem allgemeinen Magnetwiderstand wie in dem Fall des Standes der Technik JP 2003-23740-A. Außerdem ist er infolge der einfachen Konfiguration leicht herzustellen.
Der Stator 20 wird durch die Innenwand des Gehäuses 30 gehalten und ist auf der Außenseite des Rotors 10 angeordnet. Der Stator 20 hat zwölf Zähne 21. Die Wicklungen 23 sind rund um die Zähne 21 mit Isolatoren 22 dazwischen gewickelt.
Als nächstes werden in Bezug auf die 5 und die 6 die Wirkungen dieses Ausführungsbeispieles beschrieben. In den Zeichnungen repräsentieren die durchgehenden Linien dieses Ausführungsbeispiel und die dünnen Linien repräsentieren den Stand der Technik, wie er in der JP-2003-32927-A gezeigt ist, in dem keine Hohlräume in der äußeren Umfangsoberfläche gebildet sind. Die alternierende lange und kurze Linie in der 5 zeigen das hemmende Drehmoment an, das durch den ersten Rotorkern 120 erzeugt wird, und die gestrichelte Linie zeigt das hemmende Drehmoment an, das durch den zweiten Rotorkern 121 erzeugt wird.
In Bezug auf die 5 sind die hemmenden Drehmomente, die dem ersten Rotorkern 120 und dem zweiten Rotorkern 121 zugehörig sind, beide größer als die des Standes der Technik, wie in der JP-2003-32927-A gezeigt ist. Jedoch durch eine Kombination von beiden werden die hemmenden Drehmomente aufgehoben, so dass das hemmende Drehmoment als ein Ganzes kleiner als das im Stand der Technik ist.
In Bezug auf die 6 ist entsprechend dieser Rotorkerneinheit 12 das Drehmomentwelligkeit reduziert, wenn mit der des Standes der Technik verglichen wird, wie sie in der JP-2003-32927-A gezeigt ist, obwohl das durchschnittliche Drehmoment dasselbe wie im Stand der Technik ist.
In Bezug auf die 7 und auf die 8A und 8B wird ein zweites Ausführungsbeispiel dieser Erfindung beschrieben. In diesem Ausführungsbeispiel sind keine Hohlräume in der äußeren Umfangsoberfläche des Rotors 10 gebildet. Anstelle dessen sind, wie in den 8A und 8B gezeigt, Durchgangsbohrungen 122B zwischen einer äußeren Umfangsoberfläche 122A eines ersten Rotorkerns 122 und den Permanentmagneten 13 gebildet, und Durchgangsbohrungen 123B sind zwischen einer äußeren Umfangsoberfläche 123A eines zweiten Rotorkerns 123 und den Permanentmagneten 13 gebildet. Wenn von der axialen Richtung hindurchgesehen wird, sind die Durchgangsbohrungen 122B und 123B alternierend in gleichen Intervallen angeordnet.
In diesem Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, das hemmende Drehmoment und die Drehmomentwelligkeit zu reduzieren. Da außerdem keine Spalte in der äußeren Umfangsoberfläche des Rotors 10 gebildet sind, kann die Umfangsoberfläche einen kreisförmigen Abschnitt beibehalten, was es möglich macht, die Erzeugung von Geräusch während der Drehung oder das Auftreten von Energieverlust infolge des Luftwiderstandes zu verhindern.
Auch in diesem Ausführungsbeispiel können die Rotorkerne desselben Aufbaus als die Kerne 122 und 123 verwendet und axial in entgegengesetzten Richtungen mit den Durchgangsbohrungen 122B und 123B verwendet werden, die in Bezug zueinander in Umfangsrichtung gestaffelt werden, um dadurch in der Lage zu sein, die Produktionskosten für den Rotor zu reduzieren.
Als nächstes wird in Bezug auf die 9 ein drittes Ausführungsbeispiel beschrieben. Dieses Ausführungsbeispiel verwendet zwei Rotorkerne 124 und zwei Rotorkerne 125, die entlang der Richtung der Welle 11 des Rotors 10 derart angeordnet sind, dass das Staffeln der Spalte 124B und 125B in der Richtung des Umfanges in Bezug zueinander an drei oder mehr axialen Positionen auftritt. Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, die Rotorkerne derselben Art wie die Rotorkerne 124 und 125 zu verwenden und sie axial in entgegengesetzten Richtungen mit den Spaltepositionen, die in der Richtung des Umfanges variiert werden, anzuordnen.
Durch Anordnen einer Anzahl von kleinformatigen Rotorkernen 124 und 125 entlang der Welle 11 ist es möglich, die Unwucht im Gewicht zu reduzieren.
Als nächstes wird in Bezug auf die 10 ein viertes Ausführungsbeispiel dieser Erfindung beschrieben. In diesem Ausführungsbeispiel werden die Rotorkerne 126, 127, 128 und 129 entlang der Richtung der welle 11 verwendet und angeordnet, mit ihren Hohlräume 126B, 127B, 128C und 129C, die in Bezug zueinander in ihren Umfangsrichtungen allmählich gestaffelt sind.
Dies macht es möglich, das hemmende Drehmoment genauer einzustellen und das hemmende Drehmoment und die Drehmomentwelligkeit zu reduzieren. In diesem Ausführungsbeispiel ist es für die Rotorkerne 126 bis 129 möglich, dass sie aus zwei Arten im Hinblick auf den Aufbau derselben bestehen. Mit anderen Worten, zwei Rotorkerne sind gegenüberliegend in der axialen Richtung angeordnet, um dadurch die Rotorkerne 126 bis 129 zu bilden. Weiter sind zwei Rotorkerne gegenüberliegend in der axialen Richtung angeordnet, um dadurch die Rotorkerne 127 und 128 zu bilden. Infolge dieses Aufbaus ist es möglich, die Herstellungskosten für den Rotor niedrig zu halten. Weil außerdem in diesem Ausführungsbeispiel die Spaltpositionen in der Richtung des Umfanges allmählich gestaffelt sind, ist es auch möglich, die Rotorkerne 126, 128, 127 und 129 in dieser Reihenfolge von dem axialen vorderen Ende anzuordnen. Mit anderen Worten, es ist nicht immer notwendig, ein allmähliches Staffeln entlang der Richtung des Umfangs zu bewirken, so lange wie die Rotorkerne derart angeordnet sind, dass sich ihre Hohlraumpositionen in der Richtung des Umfanges unterscheiden.
Weil außerdem in diesem Ausführungsbeispiel vier Arten von Rotorkernen 126 bis 129 verwendet werden, ist auch eine ähnliche Anordnung mit drei oder mehr Arten von Rotorkernen möglich.
Als nächstes wird in Bezug auf die 11 ein fünftes Ausführungsbeispiel beschrieben. In diesem Ausführungsbeispiel sind in einer Rotorkerneinheit 12, ähnlich zu dem des ersten Ausführungsbeispieles, die Hohlräume, die in den äußeren Umfangsoberflächen des ersten Rotorkerns 120 und des zweiten Rotorkerns 121 gebildet sind, jeweils mit nicht-magnetischem Kunststoff 120D und 121D gefüllt.
In diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, die Festigkeit des Rotors zu verstärken. Außerdem ist es möglich, die Erzeugung von Geräusch infolge der Drehung und die Erzeugung von Energieverlust infolge des Luftwiderstandes zu verhindern.
Es sollte beachtet werden, dass das Füllen mit Kunststoff auch in den Rotor des zweiten Ausführungsbeispieles möglich ist, in dem die Durchgangsbohrungen 122B und 123B in dem ersten Rotorkern 122 und dem zweiten Rotorkern 123 gebildet sind. Durch solch ein Füllen der Durchgangsbohrungen 122B und 123B mit Kunststoff ist es möglich, die Festigkeit des Rotors 10 zu verstärken.
In den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen sind zwei Hohlräume pro Permanentmagnet in der äußeren Umfangsoberfläche des Rotors gebildet. Durch das Erhöhen der Anzahl der Hohlräume ist es möglich, die Breite von jedem Spalt zu reduzieren. Außerdem ist es durch das Einstellen ihrer Anzahl möglich, eine Feineinstellung des hemmenden Drehmoments vorzunehmen.
Weil außerdem in den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen die Anzahl der Pole des Rotors acht beträgt, ist diese Erfindung auch in den Fällen anwendbar, in denen die Anzahl der Pole anders als acht ist.
Außerdem ist der Rotorkern nicht auf einen begrenzt, der durch aufeinanderstapeln der elektromagnetischen Stahlplatten erhalten wird. Er kann auch aus einem Massekern bestehen.
Der Begriff „sich drehende elektrische Maschine", der in der vorherigen Beschreibung verwendet wird, bezieht sich im wesentlichen auf einen Elektromotor und 1 oder auf einen Stromgenerator.
Die Hohlräume und Durchgangsbohrungen 120B bis 129B in den zuvor erwähnten Ausführungsbeispielen bilden die Leerräume, auf die in den Ansprüchen Bezug genommen wird.

Claims

Rotor für eine sich drehende elektrische Maschine, aufweisend: eine Drehwelle (11); zumindest einen Rotorkern (120–129), befestigt an der Drehwelle (11) und mit einer Außenumfangsoberfläche (120A–129A) mit einem Kreisquerschnitt; und Permanentmagneten (13), angeordnet in gleichen Umfangsintervallen und die sich durch den Rotorkern (120–129) erstrecken; und Hohlräume (120B–129B), die den Rotorkern (120–129) axial durchdringen, sind zwischen den Außenumfangsoberflächen (120A–129A) des Rotorkerns (120–129) und den Permanentmagneten (13) gebildet, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (10) eine Mehrzahl von Rotorkernen (120–129) aufweist, die axial geteilt sind, wobei jeder der Rotorkerne (120–129) Außenumfangsoberflächen (120A–129A) mit dem kreisförmigen Querschnitt hat; und die Permanentmagneten (13) in gleichen Umfangsintervallen angeordnet sind und jeder der Permanentmagneten (13) sich durch die Mehrzahl der Rotorkerne (120–129) erstreckt, wobei die Hohlräume (120B–129B) zweier benachbarter Rotorkerne (120–129) in Umfangsrichtung an unterschiedlichen Positionen gebildet sind.
Rotor für eine sich drehende elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume (120B–129B) axiale Nuten (120B, 121B, 124B–129B), gebildet in gleichen Winkelabständen in den Außenumfangsoberflächen (120A–129A) sind.
Rotor für eine sich drehende elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume (120B–129B) Durchgangsbohrungen (122B, 123B) sind, die sich axial durch die Rotorkerne (122, 123) erstrecken.
Rotor für eine sich drehende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die der Rotor (10) außerdem nicht-magnetische Kunststoffmaterialien (120D, 121D) aufweist, die die Hohlräume (120B–129B) füllen.
Rotor für eine sich drehende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei benachbarte Rotorkerne (120–129) von denselben Spezifikationen in Bezug auf die Permanentmagneten (13) und die Hohlräume (120B–129B) sind und in axial entgegengesetzten Richtungen angeordnet sind.
Rotor für eine sich drehende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume (120B–129B) der Rotorkerne (120–129) in gleichen Winkelintervallen angeordnet sind, wenn in axialer Richtung gesehen.
Rotor für eine sich drehende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume (120B–129B) der Rotorkerne (120–129) an zwei oder mehr Positionen pro Permanentmagnet (13) gebildet sind.
Rotor für eine sich drehende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (10) einen ersten Rotorkern (126), einen zweiten Rotorkern (127), einen dritten Rotorkern (128) und einen vierten Rotorkern (129) aufweist, die in dieser Reihenfolge angeordnet sind, wobei der erste Rotorkern (126) und der vierte Rotorkern (129) von denselben Spezifikationen in Bezug auf die Permanentmagnete (13) und die Hohlräume (126B, 129B) sind und axial in entgegengesetzten Richtungen angeordnet sind, und wobei der zweite Rotorkern (127) und der dritte Rotorkern (128) von denselben Spezifikationen in Bezug auf die Permanentmagneten (13) und die Hohlräume (127B, 128B) sind und axial in entgegengesetzten Richtungen angeordnet sind.