DE69823239T2

DE69823239T2 - Permanentmagnet-Synchronmotor

Info

Publication number: DE69823239T2
Application number: DE69823239T
Authority: DE
Inventors: Yasuo Anjo-shi Yamaguchi; Masahiro Anjo-shi Hasebe; Satoru Anjo-shi Wakuta
Original assignee: Aisin AW Co Ltd
Current assignee: Aisin AW Co Ltd
Priority date: 1997-02-21
Filing date: 1998-02-19
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2018-02-20
Also published as: JPH10295051A; US5990591A; DE69810677D1; DE69810677T2; EP0860929B1; EP0860929A2; EP0860929A3; JP3509508B2; EP1115189A2; DE69823239D1; EP1115189B1; EP1115189A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Permanentmagnet-Synchronmotor.
Herkömmliche Permanentmagnet-Synchronmotoren weisen einen drehbar gehaltenen Rotor und einen um den Rotor herum angeordneten Stator auf. Der Rotor weist einen Rotoreisenkern und in mehreren Abschnitten in der Umfangsrichtung des Rotoreisenkerns angeordnete Permanentmagnete auf, und der Stator weist einen Statoreisenkern und in mehreren Abschnitten in der Umfangsrichtung des Statoreisenkerns angeordnete Wicklungen auf.
In einem Permanentmagnet-Synchronmotor mit an der Oberfläche angeordneten sektorförmigen Permanentmagneten, die am Außenumfangsrand des Rotoreisenkerns freiliegen, beträgt die relative magnetische Permeabilität der Permanentmagnete im wesentlichen 1, so daß die Luftspaltlänge, bezogen auf die Statorseite, der Summe aus dem Abstand zwischen dem Stator und dem Rotor und der Dicke der Permanentmagnete gleicht. Dadurch wird die Reaktion des Stators vermindert, wodurch die Feldschwächungsregelung schwierig wird.
Daher wurde, wie in der JP-A-8-107639 beschrieben, ein Permanentmagnet-Synchronmotor mit innen angeordneten Magneten bereitgestellt, in dem die Permanentmagnete im Rotoreisenkern versenkt angeordnet sind. In diesem Fall ist die Luftspaltlänge, bezogen auf die Statorseite, dem Abstand zwischen dem Stator und dem Rotor gleich, so daß die Reaktion des Stators größer ist und die Feldschwächungsregelung erleichtert wird.
Weil die Permanentmagnete, die einen hohen magnetischen Widerstand aufweisen, auf dem magnetischen Weg einer d-Achse, jedoch nicht auf dem magnetischen Weg einer q-Achse angeordnet sind, ändert sich andererseits der magnetische Widerstand mit der Position in der Umfangsrichtung, so daß eine q-Achsen-Induktivität Lq in höherem Maße zunimmt als eine d-Achsen-Induktivität, wodurch eine nachteilige Wirkung erhalten wird. Durch Zuführen eines geeigneten d-Achsen-Stroms kann daher nicht nur das Magnetdrehmoment auf der Basis des magnetischen Flusses der Permanentmagnete und des q-Achsen-Stroms erzeugt werden, sondern auch das Reluktanzdrehmoment, wodurch der zum Erzeugen des Drehmoments erforderliche q-Achsen-Strom reduziert wird.
Im vorstehend erwähnten herkömmlichen Permanentmagnet-Synchronmotor muß jedoch die Größe der Abschnitte außerhalb der Permanentmagneten in der radialen Richtung des Rotoreisenkerns vergrößert werden, um eine ausreichende Festigkeit für die Zentrifugalkraft bereitzustellen, die in den Permanentmagneten erzeugt wird, wenn der Synchronmotor sich mit einer hohen Geschwindigkeit dreht. Sowohl die auf dem Eigengewicht der Abschnitte außerhalb der Permanentmagnete in der radialen Richtung des Rotoreisenkerns basierende Zentrifugalkraft als auch die in den Permanentmagneten zu erzeugende Zentrifugalkraft werden auf die relativ dünnen Abschnitte außerhalb der Endabschnitte der Permanentmagnete in der radialen Richtung des Rotoreisenkerns ausgeübt, so daß die Festigkeit des Rotoreisenkerns reduziert ist.
Daher ist es denkbar, die Abschnitte außerhalb der Endabschnitte der Permanentmagnete in der radialen Richtung des Rotoreisenkerns zu vergrößern. In diesem Fall nehmen jedoch die Streuungen der magnetischen Flüsse so stark zu, daß nicht nur kein hohes Drehmoment erzeugt werden kann, sondern auch eine Störung in der magnetischen Flußverteilung der Zwischenräume bzw. Spalte verursacht wird, so daß harmonische Komponenten in den magnetischen Flußdichtewellenformen erzeugt und Drehmomentoszillationen verursacht werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die bei einem herkömmlichen Permanentmagnet-Synchronmotor auftretenden, vorstehend erwähnten Probleme zu lösen und einen Permanentmagnet-Synchronmotor bereitzustellen, dessen Rotoreisenkern eine höhere Festigkeit aufweist, und der in der Lage ist, ein hohes Drehmoment zu erzeugen, um Drehmomentoszillationen zu unterdrücken.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst.
Es wird ein Permanentmagnet-Synchronmotor bereitgestellt mit: einem Rotoreisenkern, der drehbar angeordnet ist und in mehreren Abschnitten in der Umfangsrichtung Öffnungen aufweist, in den Öffnungen angeordneten Permanentmagneten, einem Statoreisenkern und im Statoreisenkern angeordneten Wicklungen.
Der vorstehend beschriebene Permanentmagnet weist einen sich in die Breitenrichtung erstreckenden geraden Abschnitt, schräge Abschnitte, die an beiden Enden des geraden Abschnitts ausgebildet sind und sich jeweils in Richtung ihrer wechselseitigen Annäherung schräg nach außen erstrecken, und einen die beiden schrägen Abschnitte verbindenden Bogenabschnitt, und der Permanentmagnet wird durch schräge Abschnitte gehalten, die an beiden Enden der Öffnungen ausgebildet sind und sich jeweils in Richtung ihrer wechselseitigen Annäherung schräg nach außen erstrecken.
Gemäß einer anderen Ausführungsform eines Permanentmagnet-Synchronmotors ist darüber hinaus zwischen dem Bogenabschnitt des Permanentmagneten und dem Bogenabschnitt des Rotoreisenkerns ein Zwischenraum ausgebildet.
Gemäß einer noch anderen Ausführungsform eines Permanentmagnet-Synchronmotors sind außerdem die schrägen Abschnitte und der Bogenabschnitt des Permanentmagneten auf eine Polarität magnetisiert, während der gerade Abschnitt des Permanentmagneten auf die andere Polarität magnetisiert ist.
Ein erfindungsgemäßer Permanentmagnet-Synchronmotor weist auf: einen Rotor, der drehbar angeordnet ist und einen Rotoreisenkern und in der Nähe des Außenumfangsrandes des Rotoreisenkerns angeordnete Permanentmagnete aufweist, und einen um den Außenumfang des Rotors angeordneten Stator mit einem Statoreisenkern und auf dem Statoreisenkern gewickelten Wicklungen.
Außerdem weist der vorstehend beschriebene Permanentmagnet einen Hauptmagnetpolabschnitt und Hilfspolabschnitte auf, die an den Magnetpolendabschnitten quer über gebogene Abschnitte integral mit dem Hauptmagnetpolabschnitt ausgebildet und auf die gleiche Polarität magnetisiert sind wie der Hauptmagnetpolabschnitt, so daß die magnetischen Wege an den Magnetpolendabschnitten durch die von den Hilfspolabschnitten ausgehenden magnetischen Flüsse gesättigt sind an.
Gemäß einer noch anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Permanentmagnet-Synchronmotors weist der Hilfspolabschnitt außerdem schräge Abschnitte auf.
Gemäß einer noch anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Permanentmagnet-Synchronmotors sind in mehreren Abschnitten in der Umfangsrichtung des Rotoreisenkerns Öffnungen in der Form der Permanentmagnete ausgebildet, wobei die Öffnungen schräge Abschnitte aufweisen und die Permanentmagnete einzeln in die Öffnungen eingesetzt sind und durch die schrägen Abschnitte gehalten werden.
Gemäß einer noch anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Permanentmagnet-Synchronmotors wird außerdem der Öffnungswinkel θ des Hauptmagnetpolabschnitts etwa auf den folgenden Wert der Nut- oder Schlitzteilung p des Statoreisenkerns eingestellt: θ = (n + 1/2)·p (wobei n eine ganze Zahl ist).
1 zeigt eine Querschnittansicht eines wesentlichen Abschnitts eines Rotors in einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt eine Längsschnittansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Permanentmagnet-Synchronmotors;
3 zeigt eine Querschnittansicht eines wesentlichen Abschnitts der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Permanentmagnet-Synchronmotors;
4 zeigt ein Diagramm zum Vergleichen einer ersten Kenngröße des Permanetmagnet-Synchronmotors;
5 zeigt ein Diagramm der ersten Kenngröße der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Permanentmagnet-Synchronmotors;
6 zeigt ein Diagramm zum Vergleichen einer zweiten Kenngröße des Permanentmagnet-Synchronmotors;
7 zeigt ein Diagramm der zweiten Kenngröße der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Permanentmagnet-Synchronmotors;
8 zeigt ein Diagramm zum Vergleichen einer dritten Kenngröße des Permanentmagnet-Synchronmotors;
9 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Rotors in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
10 zeigt ein Diagramm zum Darstellen eines magnetischen Flußmusters in der zweiten Ausführungsform der Erfindung;
11 zeigt ein Diagramm zum Vergleichen von Größen magnetischer Flüsse in der zweiten Ausführungsform der Erfindung; und
12 zeigt ein Diagramm zum Vergleichen von Motordrehmomenten in der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Die Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit ihren Ausführungsformen unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
2 zeigt eine Längsschnittansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Permanentmagnet-Synchronmotors.
In 2 bezeichnen Bezugszeichen 111 eine Motoranordnung und 14 ein Motorgehäuse zum Aufnehmen eines Permanentmagnet-Synchronmotors 115.
Das Motorgehäuse 14 besteht aus einem im allgemeinen mit einem Boden versehenen zylindrischen Abschnitt 14a und einem Deckelabschnitt 14b, der ein Ende des zylindrischen Abschnitts 14a abdeckt, um eine geschlossene Motorkammer 118 zu definieren. Mehrere Kühlrippen 24 sind auf dem Außenumfang des zylindrischen Abschnitts 14a ausgebildet.
Außerdem weisen der zylindrische Abschnitt 14a und der Deckelabschnitt 14b an der Bodenmitte und an der Deckelmitte Öffnungen auf, durch die eine Motorwelle 27 angeordnet wird, und diese Motorwelle 27 wird durch Lager 29 und 30 drehbar gehalten. Außerdem weist der Deckelabschnitt 14b in der Nähe der Öffnung eine Vertiefung auf, und diese Vertiefung ist durch ein Abdeckeckelement 33 geschlossen, um eine Sensorkammer 34 zu bilden.
In dieser Sensorkammer 34 ist ein Resolver 35 zum Erfassen der Position der Magnetpole des Permanentmagnet-Synchronmotors 115 auf der Basis der Drehbewegung der Motorwelle 27 angeordnet.
Insbesondere weist der Permanentmagnet-Synchronmotor 115 auf: einen Rotor 10, der auf der Motorwelle 27 etwa in dessen Mitte in der axialen Richtung so angeordnet ist, daß er sich zusammen mit der Motorwelle 27 dreht, und einen Sta tor 51, der auf dem Innenumfang des zylindrischen Abschnitts 14a fixiert und gegenüberliegend dem Rotor 10 angeordnet sit. Der Stator 51 besteht aus einem Statoreisenkern 52 und auf den Statoreisenkern 52 gewickelten Dreiphasen- (d. h. U-Phase, V-Phase und W-Phase) Wicklungen 39.
Der Rotor 10 kann in Drehbewegung versetzt werden, indem den einzelnen Wicklungen 39 Dreiphasen-AC-Ströme zugeführt werden, die durch einen nicht dargestellten Wechselrichter erzeugt werden.
Der Rotor 10 besteht aus einem auf der Motorwelle 27 angepaßten, nicht dargestellten Rotoreisenkern mit mehreren laminierten elektromagnetischen Stahlplatten und in der Nähe der Außenumfangsränder des Rotoraußenkerns angeordneten Permanentmagneten 13. Die Permanentmagnete 13 sind in gleichen Abständen in mehreren Umfangsabschniten des Rotors 10 angeordnet und durch an beiden Enden des Rotors 10 angeordnete Anschlagelemente 56 und 57 fixiert, um die Magnetpole zu bilden.
Andererseits ist ein rückseitiges Gehäuse 81 am Boden des zylindrischen Abschnitts 14a befestigt, um eine Drehmomentübertragungskammer 83 zwischen dem Boden des zylindrischen Abschnitts 14a und dem rückseitigen Gehäuse 81 zu bilden. In der Drehmomentübertragungskammer 83 ist darüber hinaus eine buchsenähnliche Transmissionswelle 161 angeordnet, die durch Keilverzahnungen koaxial auf der Welle 27 angepaßt ist. Die Transmissionswelle 161 wird durch Lager 162 und 163 drehbar gehalten. Parallel zur Transmissionswelle 161 ist eine Gegenwelle 84 angeordnet, die durch Lager 64 und 65 drehbar gehalten wird.
Außerdem ist ein Vorgelegerad 87 auf der Transmissionswelle 161 fixiert, und ein Parkzahnrad 85 und ein angetriebenes Vorgelegerad 88 sind auf der Gegenwelle 84 angeordnet, so daß das antreibende Vorgelegerad 87 und das angetriebene Vorgelegerad 88 miteinander in Eingriff stehen.
Außerdem ist ein Abtriebsrad 89 auf der Gegenwelle 84 angeordnet, und die Drehbewegung des Abtriebrads wird auf eine Differentialeinheit 90 übertragen.
Die Differentialeinheit 90 besteht aus einem Differentialgehäuse 92 mit einem auf dem Außenumfang angeordneten Hohlrad 91, das durch Lager 79 und 80 drehbar gehalten wird, einer im Differentialgehäuse 92 fixierten Ritzelwelle 93, einem durch die Ritzelwelle 93 drehbar gehaltenen Ritzel 94 und einem linken und einem rechten Seitenrad 95 und 96, die mit dem Ritzel 94 in Eingriff stehen. Dadurch überträgt die Differentialeinheit 90 die zum Hohlrad 91 übertragene Drehbewegung separat zu einer linken und einer rechten Antriebswelle 97 bzw. 98.
Nachstehend wird der Permanentmagnet-Synchronmotor 115 beschrieben.
1 zeigt eine Querschnittansicht eines wesentlichen Abschnitts eines Rotors in der ersten Ausführungsform der Erfindung, und 3 zeigt eine Querschnittansicht eines wesentlichen Abschnitts der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Permanentmagnet-Synchronmotors.
In diesen Figuren bezeichnen Bezugszeichen 10 einen drehbar angeordneten Rotor und 11 einen Rotoreisenkern. Der Stator 51 ist um den Rotor 10 herum angeordnet. Bezugszeichen 52 bezeichnet einen Statoreisenkern, und Bezugszeichen 53 bezeichnet Statorpole, die so ausgebildet sind, daß sie von mehreren Umfangsabschnitten des Statoreisenkerns 52 zum Rotor 10 hin hervorstehen. Im Statoreisenkern 52 sind die Wicklungen 39 angeordnet, die aus einer U-Phasen-Wicklung 61, einer V-Phasen-Wicklung 62 und einer W-Phasen-Wicklung 63 bestehen. In mehreren Umfangsabschnitten des Rotoreisenkerns 11, in dieser Ausfürhungsform in sechs Abschnitten, sind Öffnungen 12 mit einem D-förmigen Querschnitt ausgebildet. Die Permanentmagnete 13, die ebenfalls einen D-förmigen Querschnitt aufweisen, werden in die Öffnungen 12 eingesetzt und darin fixiert.
Jede Öffnung 12 besteht aus einem sich in die tangentiale Richtung erstreckenden geraden Abschnitt 15, an beiden Enden des geraden Abschnitts 15 ausgebildeten Ausschnittabschnitten 16, schrägen Abschnitten 17, die sich jeweils von den Ausschnittabschnitten 16 in Richtung ihrer wechselseitigen Annäherung schräg nach außen erstrecken, und einem Bogenabschnitt 18, der sich etwa parallel zum Außenumfangsrand des Rotoreisenkerns 11 erstreckt.
Der Permanentmagnet 13 ist der Form der Öffnung 12 entsprechend geformt und weist auf: einen sich in die tangentiale Richtung erstreckenden geraden Abschnitt 25, an beiden Enden des geraden Abschnitts 25 ausgebildeten senkrechten Abschnitten 26, schrägen Abschnitten 17, die sich jeweils von den senkrechten Abschnitten 26 in Richtung ihrer wechselseitigen Annäherung schräg nach außen erstrecken, und einen Bogenabschnitt 28, der die beiden schrägen Abschnitte 27 verbindet und sich ungefähr parallel zum Außenumfangsrand des Rotoreisenkerns 11 erstreckt.
Die Öffnung 12 und der Permanentmagnet 13 weisen eine derartige Größe auf, daß die einzelnen schrägen Abschnitte 17 und 27 aneinander anliegen, wenn der Permanentmagnet 13 in die Öffnung 12 eingesetzt ist, während zwischen den Bogenabschnitten 18 und 28 ein kleiner Zwischenraum verbleibt. Dadurch werden die Permanentmagnete 13 durch die schrägen Abschnitte 17 gehalten, wobei, wenn der Rotor 10 in Drehbewegung versetzt wird, eine Zentrifugalkraft in den Permanentmagneten 13 erzeugt und auf die schrägen Abschnitte 17 ausgeübt wird, jedoch nicht auf die Bogenabschnitte 18, so daß diese nicht zur Halterung der Permanentmagnete 13 bei tragen und verhindert werden kann, daß die Bogenabschnitte 18 brechen. Außerdem wird zwischen den einzelnen Bogenabschnitten 18 und 28 der kleine Zwischenraum gebildet, so daß die Bogenabschnitte 18 und 28 sich gegenüberliegen.
Außerdem ist jeder der schrägen Abschnitte 17 so ausgebildet, daß er von den Ausschnittabschnitten 16 in Richtung ihrer wechselseitigen Annäherung schräg verläuft, so daß zwischen den schrägen Abschnitten 17 und dem Außenumfangsrand des Rotoreisenkerns 11 eine ausreichende Dicke bereitgestellt werden kann. Dadurch werden die schrägen Abschnitte 17 auch dann nicht brechen, wenn der Rotor 10 sich mit einer hohen Geschwindigkeit dreht, bei der eine hohe Zentrifugalkraft auf die schrägen Abschnitte 17 ausgeübt wird. Darüber hinaus werden zwischen den Ausschnittabschnitten 16 und den schrägen Abschnitten 17 und zwischen den schrägen Abschnitten und dem Bogenabschnitt 18 stumpfe Winkel gebildet, so daß Belastungskonzentrationen verhindert werden können. Dadurch kann die Festigkeit des Rotoreisenkerns 11 in der Nähe der schrägen Abschnitte 17 erhöht werden.
Die Bogenabschnitte 18 bedecken die Permanentmagnete 13 radial außerhalb der Permanentmagnete 13, so daß verhindert wird, daß Bruchstücke der Permanentmagnete 13, die entstehen können, wenn die Permanentmagnete aufgrund eigener innerer Defekte oder durch eine übermäßige Drehbewegung des Rotors brechen oder zertrümmert werden, außerhalb der Bogenabschnitte gelangen. In diesem Fall ist es ausreichend, wenn die Bogenabschnitte 18 lediglich die Funktion haben, die Permanentmagnete 13 abzudecken, so daß ihre radiale Größe und damit die radiale Größe der schrägen Abschnitte 17 reduziert werden kann. Dadurch können Streuverluste des magnetischen Flusses von den Bogenabschnitten 18 reduziert und die Größe des magnetischen Flusses, der den Zwischenraum zwischen dem Stator 51 und dem Rotor 10 passiert, erhöht wer den, so daß durch den Permanentmagnet-Synchronmotor 115 (2) ein dieser Größe entsprechendes höheres Drehmoment erzeugt werden kann. Außerdem kann die in der magnetischen Flußverteilung des Zwischenraums auftretende Störung wesentlich reduziert werden, wodurch die harmonischen Komponenten der Wellenformen der magnetischen Flußdichte reduziert und Drehmomentoszillationen verhindert werden.
In der Nähe der schrägen Abschnitte 17 ist der Rotoreisenkern 11 außerdem gesättigt, wodurch der Durchgang der magnetischen Flüsse der Bogenabschnitte 18 in der Nähe der schrägen Abschnitte 17 unterdrückt wird. Dadurch kann der Kurzschluß der magnetischen Flüsse der Bogenabschnitte 18 am Rotoreisenkern 11 unterdrückt werden, wodurch die Größe des den Zwischenraum zwischen dem Stator 51 und dem Rotor 10 passierenden magnetischen Flusses erhöht wird. Dadurch kann das Motordrehmoment erhöht werden.
Die schrägen Abschnitte 27 und die Bogenabschnitte 28 der Permanentmagnete 13 sind auf eine Polarität magnetisiert, und die geraden Abschnitte 25 der Permanentmagnete 13 sind auf die andere Polarität magnetisiert.
Wenn der den Wicklungen 39 zuzuführende Strom z. B. in einem Fall, in dem der Permanentmagnet-Synchronmotor 115 in einem niedrigen Drehmomentbereich angetrieben wird, klein ist, durchdringt ein Teil des magnetischen Flusses der Bogenabschnitte 18 nicht den Statoreisenkern 52, sondern schließt den Rotoreisenkern 11 kurz. Dieses Kurzschließen und die wesentliche Reduzierung der Luftspaltlänge, wodurch der magnetischen Widerstand vermindert wird, wirken zusammen, wodurch die elektromotorische Gegenkraft reduziert wird, so daß die Drehzahl des Rotors 10 ohne Erhöhung der Zufuhrspannung erhöht werden kann. Dadurch kann der d-Achsen-Strom für eine Feldschwächungssteuerung entsprechend reduziert und der Wirkungsgrad des Permanentmagnet-Synchronmotors 115 erhöht werden.
Beim Zusammenbau des derart konstruierten Permanentmagnet-Synchronmotors 115 ist der Arbeitsschritt zum Einsetzen der Permanentmagnete 13 in die Öffnungen 12, nachdem die Permanentmagnete 13 magnetisiert wurden, extrem schwierig, weil die Öffnungen 12 durch die magnetischen Kräfte der Permanentmagnete 13 angezogen werden. Daher werden die Permanentmagnete 13 in die Öffnungen 12 eingesetzt, bevor sie magnetisiert werden, und anschließend wird ein gepulstes Magnetfeld erzeugt, um die Permanentmagnete 13 zu magnetisieren. Die Magnetisierung ist möglich, weil die radiale Größe der Bogenabschnitte 18 klein ist.
Nachstehend werden Kenngrößen des erfindungsgemäßen Permanentmagnet-Synchronmotors 115 und Kenngrößen des herkömmlichen Permanentmagnet-Synchronmotors beschrieben.
4 zeigt ein Diagramm zum Vergleichen einer ersten Kenngröße des Permanentmagnet-Synchronmotors. In 4 bezeichnet die Abszisse die Arten der Permanentmagnet-Synchronmotoren und die Ordinate das Ausgangsdrehmoment.
Wie gemäß dem Diagramm ersichtlich ist, weist, wenn der Permanentmagnet-Synchronmotor 115 (2) ein Ausgangsdrehmoment von 100 (in willkürlichen Einheiten) aufweist, der herkömmliche Permanentmagnet-Synchronmotor ein Ausgangsdrehmoment von 80,7 auf. Hierbei sind die Dicke der Bogenabschnitte 18 (1) des erfindungsgemäßen Permanentmagnet-Synchronmotors 115 und die Dicke zwischen dem Außenumfangsrand des Rotoreisenkerns und den Permanentmagneten im herkömmlichen Permanentmagnet-Synchronmotor, d. h. die Eisenkerndicke der oberen Magnetpolabschnitte, auf 1,5 mm eingestellt, um den Magneten das gleiche Volumen zu verleihen und dadurch gleiche elektromagnetische Gegenkräfte zu erzeugen.
5 zeigt ein Diagramm der ersten Kenngröße der ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Permanentmagnet-Synchronmotors. In 5 bezeichnet die Abszisse die Dicke der Bogenabschnitte 18 (1) und die Ordinate das Ausgangsdrehmoment.
Wie gemäß dem Diagramm ersichtlich ist, haben, wenn der Permanentmagnet-Synchronmotor 115 (2) für eine Dicke von 0,5 mm der Bogenabschnitte 18 ein Ausgangsdrehmoment von 100 (in willkürlichen Einheiten) aufweist, die Ausgangsdrehmomente für die Dicken von 0,75 mm, 1 mm und 1,5 mm der Bogenabschnitte 18 die Werte 99,5, 98,1 bzw. 95,9.
6 zeigt ein Diagramm zum Vergleichen einer zweiten Kenngröße des Permanentmagnet-Synchronmotors. In 6 bezeichnet die Abszisse die Arten des Permanentmagnet-Synchronmotors 115 (von 2) und die Ordinate die elektromotorische Gegenkraft.
Wie gemäß dem Diagramm ersichtlich ist, weist, wenn der erfindungsgemäße Permanentmagnet-Synchronmotor eine elektromotorische Gegenkraft von 100 (in willkürlichen Einheiten) aufweist, der herkömmliche Permanentmagnet-Synchronmotor eine elektromotorische Gegenkraft von 102,5 auf. Hierbei sind die Dicke der Bogenabschnitte 18 (1) des erfindungsgemäßen Permanentmagnet-Synchronmotors 115 und die Eisenkerndicke der oberen Magnetpolabschnitte des herkömmlichen Permanentmagnet-Synchronmotors auf 1,5 mm eingestellt, um den Magneten das gleiche Volumen zu verleihen und gleiche elektromagnetische Gegenkräfte zu erzeugen.
7 zeigt ein Diagramm der zweiten Kenngröße der ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Permanentmagnet-Synchronmotors. In 7 bezeichnet die Abszisse die Dicke der Bogenabschnitte 18 (1) und die Ordinate die elektromotorische Gegenkraft.
Wie gemäß dem Diagramm ersichtlich ist, haben, wenn der Permanentmagnet-Synchronmotor 115 (2) für eine Dicke von 0,5 mm der Bogenabschnitte 18 eine elektromotorische Gegenkraft von 100 (in willkürlichen Einheiten) aufweist, die elektromotorischen Gegenkräfte für die Dicken von 0,75 mm, 1 mm und 1,5 mm der Bogenabschnitte 18 die Werte 97,3, 94,7 bzw. 89,2.
8 zeigt ein Diagramm zum Vergleichen einer dritten Kenngröße des Permanentmagnet-Synchronmotors. In 8 bezeichnet die Abszisse die Arten des Permanentmagnet-Synchronmotors 115 (von 2) und die Ordinate das Ausgangsdrehmoment bzw. die elektromotorische Gegenkraft.
Wie gemäß dem Diagramm ersichtlich ist, weist, wenn der erfindungsgemäße Permanentmagnet-Synchronmotor ein Ausgangsdrehmoment bzw. eine elektromotorische Gegenkraft von 100 (in willkürlichen Einheiten) aufweist, der herkömmliche Permanentmagnet-Synchronmotor ein Ausgangsdrehmoment bzw. eine elektromotorische Gegenkraft von 78,7 auf. Hierbei sind die Dicke der Bogenabschnitte 18 (1) des erfindungsgemäßen Permanentmagnet-Synchronmotors 115 und die Eisenkerndicke der oberen Magnetpolabschnitte des herkömmlichen Permanentmagnet-Synchronmotors auf 1,5 mm eingestellt, um den Magneten das gleiche Volumen zu verleihen und gleiche elektromagnetische Gegenkräfte zu erzeugen.
Nachstehend wird die zweite Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
9 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Rotors in der zweiten Ausführungsform der Erfindung; 10 zeigt ein Diagramm zum Darstellen eines magnetischen Flußmusters in der zweiten Ausführungsform der Erfindung; 11 zeigt ein Diagramm zum Vergleichen von Größen der magnetischen Flüsse in der zweiten Ausführungsform der Erfindung; und 12 zeigt ein Diagramm zum Vergleichen der Motordrehmomente in der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
In 9 bezeichnen Bezugszeichen 11 einen durch Laminieren elektromagnetischer Stahlplatten oder -bleche hergestellten Rotoreisenkern, Bezugszeichen 37 einen Rotor und Bezugszeichen 55 Permanentmagnete. Im Rotoreisenkern 11 sind Öffnungen zum Aufnehmen und Halten der Permanentmagnete 55 ausgebildet.
Der Permanentmagnet 55 ist im wesentlichen halbzylinderförmig ausgebildet und besteht aus einem sich in die tangentiale Richtung erstreckenden geraden Abschnitt 55a, an beiden Enden des geraden Abschnitts 55a ausgebildeten senkrechten Abschnitten 55b, schrägen Abschnitten 55c, die sich jeweils in Richtung ihrer wechselseitigen Annäherung von den senkrechten Abschnitten 55b schräg nach außen erstrecken, und einem Bogenabschnitt 55d, der die beiden schrägen Abschnitte verbindet und sich ungefähr parallel zum Außenumfangsrand des Rotoreisenkerns 11 erstreckt.
Außerdem ist zwischen dem geraden Abschnitt 55a und dem Bogenabschnitt 55d ein Hauptmagnetpolabschnitt 44 ausgebildet. An den Magnetpolendabschnitten in der Nähe des Hauptmagnetpolabschnitts 44 und damit integral sind Hilfspolabschnitte 45 ausgebildet, wobei geknickte Abschnitte an den Verbindungspunkten zwischen den schrägen Abschnitten 55c und dem Bogenabschnitt 55d Grenzen definieren. Sowohl der Hauptmagnetpolabschnitt 44 als auch die Hilfspolabschnitte 45 sind auf die gleiche Polarität magnetisiert. In dieser Ausführungsform sind die schrägen Abschnitte 55c und der Bogenabschnitt 55d auf eine Polarität magnetisiert, während der gerade Abschnitt 55a auf die andere Polarität magnetisiert ist.
Andererseits ist die Öffnung 12 im wesentlichen halbzylinderförmig ausgebildet und besteht aus einem sich in die tangentiale Richtung erstreckenden geraden Abschnitt 15, an beiden Enden des geraden Abschnitts 55a ausgebildeten Ausschnittabschnitten 16, schrägen Abschnitten 17, die sich jeweils in Richtung ihrer wechselseitigen Annäherung von den Ausschnittabschnitten 16 schräg nach außen erstrecken, und einem Bogenabschnitt 18, der die beiden schrägen Abschnitte 17 verbindet und sich ungefähr parallel zum Außenumfangsrand des Rotoreisenkerns 11 erstreckt.
Außerdem verlaufen, weil die Hilfspolabschnitte 45 magnetisiert sind, die durch die Hilfspolabschnitte 45 erzeugten magnetischen Flüsse ungefähr normal zur nicht dargestellten schrägen Fläche von den schrägen Abschnitten 55c zum Rotoreisenkern 11.
Daher kann der magnetische Weg in der Nähe der Magnetpolendabschnitte im Rotoreisenkern 11, d. h. in der Nähe der Hilfspolabschnitte 45, in höherem Maße gesättigt sein. Dadurch kann verhindert werden, daß die magnetischen Flüsse an den Magnetpolendabschnitten kurzgeschlossen werden, wodurch die Größe des den Zwischenraum zwischen dem Stator 51 (3) und dem Rotor 10 passierenden magnetischen Flusses zunimmt, wie in 11 dargestellt, so daß das Motordrehmoment erhöht wird, wie in 12 dargestellt. d. h., wenn die Größe des magnetischen Flusses mit den Hilfspolabschnitten 45 den Wert 100 (in willkürlichen Einheiten) hat, hat der magnetische Fluß ohne die Hilfspolabschnitte den Wert 95. Wenn das Motordrehmoment mit den Hilfspolabschnitten den Wert 100 (in willkürlichen Einheiten) aufweist, hat das Motordrehmoment ohne die Hilfspolabschnitte den Wert 88.
Weil der Hauptmagnetpolabschnitt 44 und die Hilfsmagnetpolabschnitte 45 integral ausgebildet sind, kann die Struktur des Permanentmagnet-Synchronmotors 115 vereinfacht werden, wodurch die Anzahl von Teilen und Montageschritten reduziert wird und die Kosten des Permanentmagnet-Synchronmotors 115 gesenkt werden.
Außerdem weisen die Hilfspolabschnitte 45 an den Verbindungspunkten zwischen den schrägen Abschnitten 55c und dem Bogenabschnitt 55d geknickte Abschnitte auf, die Grenzen definieren, so daß der Abstand zwischen den N-Polen und den S-Polen der Hilfspolabschnitte 45 kleiner gemacht werden kann. Dadurch kann nicht nur das Volumen der Magnete in den Hilfspolabschnitten 45 reduziert, sondern auch der Abstand zwischen dem Außenumfang des Rotoreisenkerns 11 und den Hilfspolabschnitten 45 vergrößert werden, so daß der magnetische Weg ausreichend gesättigt sein kann.
Außerdem kann der Pol-Polabstand in der Umfangsrichtung des Rotors 37 vergrößert werden, wodurch die Festigkeit des Rotoreisenkerns 11 erhöht wird.
Die Permanentmagnete 55 werden durch die schrägen Abschnitte 17 gehalten, und es werden Zentrifugalkräfte in den Permanentmagneten 55 erzeugt, wenn der Rotor 10 sich dreht. Die Zentrifugalkräfte werden auf die schrägen Abschnitte 17 ausgeübt, jedoch nicht auf den Bogenabschnitt 18, so daß diese nicht zur Halterung der Permanentmagnete 55 beitragen und verhindert werden kann, daß die Bogenabschnitte 18 brechen. Außerdem wird zwischen den Bogenabschnitten 18 und 55d ein kleiner Zwischenraum gebildet, so daß die Bogenabschnitte 18 und 55d sich geeignet gegenüberliegen.
Außerdem verläuft jeder der schrägen Abschnitte 17 von den Ausschnittabschnitten 16 in Richtung ihrer wechselseitigen Annäherung unter einem Winkel, so daß zwischen den schrägen Abschnitten 17 und dem Außenumfangsrand des Rotoreisenkerns 11 eine ausreichende Dicke bereitgestellt werden kann. Dadurch werden die schrägen Abschnitte auch dann nicht brechen, wenn der Rotor 10 sich mit einer hohen Geschwindigkeit dreht und eine hohe Zentrifugalkraft auf die schrägen Abschnitte 17 ausübt. Darüber hinaus werden zwischen den Ausschnittabschnitten 16 und den schrägen Abschnitten 17 und zwischen den schrägen Abschnitten 17 und dem Bogenabschnitt 18 stumpfe Winkel gebildet, so daß Belastungskonzentrationen verhindert werden können. Dadurch kann die Festigkeit des Rotoreisenkerns 11 in der Nähe der schrägen Abschnitte 17 erhöht werden.
Die Bogenabschnitte 18 bedecken die Permanentmagnete 55 radial außerhalb der Permanentmagnete 55, so daß verhindert wird, daß Bruchstücke der Permanentmagnete 55, die entstehen, wenn die Permanentmagnete aufgrund eigener innerer Defekte oder durch übermäßige Drehbewegungen des Rotors 10 brechen oder zertrümmert werden, außerhalb der Bogenabschnitte gelangen. In diesem Fall ist es ausreichend, wenn die Bogenabschnitte 18 lediglich die Funktion haben, die Permanentmagnete 55 abzudecken, so daß ihre radiale Größe und damit die radiale Größe der schrägen Abschnitte 17 reduziert werden kann. Dadurch können Streuverluste des magnetischen Flusses von den Bogenabschnitten 18 reduziert und die Größe des magnetischen Flusses, der den Zwischenraum zwischen dem Stator 51 und dem Rotor 10 passiert, erhöht werden, so daß durch den Permanentmagnet-Synchronmotor 115 (2) ein dieser Größe entsprechendes höheres Drehmoment erzeugt werden kann. Außerdem kann die in der magnetischen Flußverteilung des Zwischenraums auftretende Störung wesentlich reduziert werden, wodurch die harmonischen Komponenten der Wellenformen der magnetischen Flußdichte reduziert und Drehmomentoszillationen verhindert werden.
Wenn der den Wicklungen 39 zuzuführende Strom z. B. in einem Fall, in dem der Permanentmagnet-Synchronmotor 115 in einem niedrigen Drehmomentbereich angetrieben wird, klein ist, durchdringt ein Teil des magnetischen Flusses der Bogenabschnitte 18 nicht den Statoreisenkern 52, sondern schließt den Rotoreisenkern 11 kurz. Dieses Kurzschließen und die wesentliche Reduzierung der Luftspaltlänge, wodurch der magnetische Widerstand vermindert wird, wirken zusammen, wodurch die elektromotorische Gegenkraft reduziert wird, so daß die Drehzahl des Rotors 10 ohne Erhöhung der Zufuhrspannung erhöht werden kann. Dadurch kann der d-Achsen-Strom für eine Feldschwächungssteuerung entsprechend reduziert und der Wirkungsgrad des Permanentmagnet-Synchronmotors 115 erhöht werden.
Beim Zusammenbau des derart konstruierten Permanentmagnet-Synchronmotors 115 ist der Arbeitsschritt zum Einsetzen der Permanentmagnete 55 in die Öffnungen 12, nachdem die Permanentmagnete 13 magnetisiert sind, extrem schwierig, weil die Öffnungen 12 durch die magnetischen Kräfte der Permanentmagnete 55 angezogen werden. Daher werden die Permanentmagnete 55 in die Öffnungen 12 eingesetzt, bevor sie magnetisiert werden, und anschließend wird ein gepulstes Magnetfeld erzeugt, um die Permanentmagnete 55 zu magnetisieren. Hierbei ist die Magnetisierung möglich, weil die radiale Größe der Bogenabschnitte 18 klein ist.
Wenn der Öffnungswinkel des Magnetpolabschnitts 44 durch θ bezeichnet wird und die Teilung bzw. der Winkelabstand der einzelnen Statorpole 53 des Statoreisenkerns 52, d. h. die Schlitzteilung, durch p bezeichnet wird, wird der Öffnungswinkel folgendermaßen dargestellt: θ = (n + 1/2)·p (n: ganze Zahl)
In diesem Fall wird, auch wenn der Rotor 37 so gedreht ist, daß er in einer beliebigen Position bezüglich des Stators 51 angeordnet ist, die Anzahl von Schlitzen zwischen jedem der Statorpole 53 des Statoreisenkerns 52, die einem der Hauptmagnetpolabschnitten 44 gegenüberliegen, immer bei dem konstanten Wert n gehalten. Dadurch kann die Erzeugung eines Cogging- oder Rastdrehmoments und damit die Erzeugung von Schwingungen unterdrückt werden.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsformen beschränkt, sondern kann innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung auf verschiedene Weisen modifiziert werden.
Erfindungsgemäß weist ein Permanentmagnet-Synchronmotor, wie vorstehend beschrieben wurde, auf: einen Rotoreisenkern, der drehbar angeordnet ist und in mehreren Abschnitten in Umfangsrichtung Öffnungen aufweist, in den Öffnungen angeordnete Permanentmagnete, einen Statoreisenkern und im Statoreisenkern angeordnete Wicklungen.
Außerdem weist jeder Permanentmagnet auf: einen sich in die Breitenrichtung erstreckenden geraden Abschnitt, schräge Abschnitte, die an beiden Enden des geraden Abschnitts ausgebildet sind und sich jeweils in Richtung ihrer wechselseitigen Annäherung schräg nach außen erstrecken, und einen die beiden schrägen Abschnitte verbindenden Bogenabschnitt, und der Permanentmagnet wird durch schräge Abschnitte gehalten, die an beiden Enden der Öffnungen ausgebildet sind und sich jeweils in Richtung ihrer wechselseitigen Annäherung schräg nach außen erstrecken.
In diesem Fall werden die Permanentmagnete durch die schrägen Abschnitte gehalten, und wenn der Rotor gedreht wird, wird eine Zentrifugalkraft in den Permanentmagneten erzeugt und auf die schrägen Abschnitte der Öffnungen ausgeübt, jedoch nicht auf die Bogenabschnitte, so daß diese nicht zur Halterung der Permanentmagnete beitragen und verhindert werden kann, daß die Bogenabschnitte brechen.
Jeder der schrägen Abschnitte verläuft von den Ausschnittabschnitten an beiden Enden der Öffnungen in Richtung ihrer wechselseitigen Annäherung unter einem Winkel, so daß zwischen den schrägen Abschnitten und dem Außenumfangsrand des Rotoreisenkerns eine ausreichende Dicke bereitgestellt werden kann. Dadurch werden die schrägen Abschnitte auch dann nicht brechen, wenn der Rotor sich mit einer hohen Geschwindigkeit dreht und eine hohe Zentrifugalkraft auf die schrägen Abschnitte ausübt. Darüber hinaus werden zwischen den schrägen Abschnitten und dem Bogenabschnitt stumpfe Winkel gebildet, so daß Belastungskonzentrationen verhindert werden können. Dadurch kann die Festigkeit des Rotoreisenkerns in der Nähe der schrägen Abschnitte erhöht werden.
Außerdem bedecken die Bogenabschnitte die Permanentmagnete radial außerhalb der Permanentmagnete, so daß verhindert wird, daß Bruchstücke der Permanentmagnete, die entstehen können, wenn die Permanentmagnete aufgrund eigener innerer Defekte oder durch eine übermäßige Drehbewegung des Rotors bricht oder zertrümmert wird, außerhalb der Bogenabschnitte gelangen. In diesem Fall ist es ausreichend, wenn die Bogenabschnitte lediglich die Funktion haben, die Permanentmagnete abzudecken, so daß ihre radiale Größe und damit die radiale Größe der schrägen Abschnitte reduziert werden kann. Dadurch können Streuverluste des magnetischen Flusses von den Bogenabschnitten reduziert und die Größe des magnetischen Flusses, der den Zwischenraum zwischen dem Stator und dem Rotor passiert, erhöht werden, so daß durch den Permanentmagnet-Synchronmotor ein dieser Größe entsprechendes höheres Drehmoment erzeugt werden kann. Außerdem kann die in der magnetischen Flußverteilung des Zwischenraums auftretende Störung wesentlich reduziert werden, wodurch die harmonischen Komponenten der Wellenformen der magnetischen Flußdichte reduziert und Drehmomentoszillationen verhindert werden.
In der Nähe der schrägen Abschnitte ist der Rotoreisenkern außerdem gesättigt, wodurch der Durchgang der magnetischen Flüsse der Bogenabschnitte in der Nähe der schrägen Abschnitte unterdrückt wird. Dadurch kann der Kurzschluß der magnetischen Flüsse der Bogenabschnitte am Rotoreisenkern unterdrückt werden, wodurch die Größe des den Zwischenraum zwischen dem Stator und dem Rotor passierenden magnetischen Flusses erhöht wird.
Wenn der den Wicklungen zuzuführende Strom z. B. in einem Fall, in dem der Permanentmagnet-Synchronmotor in einem niedrigen Drehmomentbereich angetrieben wird, klein ist, durchdringt ein Teil des magnetischen Flusses der Bogenabschnitte nicht den Statoreisenkern sondern schließt den Rotoreisenkern kurz. Dieses Kurzschließen und die wesentliche Reduzierung der Luftspaltlänge, durch die der magnetische Widerstand reduziert wird, wirken zusammen, wodurch die elektromotorische Gegenkraft vermindert wird, so daß die Drehzahl des Rotors ohne Erhöhung der Zufuhrspannung erhöht werden kann. Dadurch kann der d-Achsen-Strom für eine Feldschwächungssteuerung entsprechend reduziert und der Wirkungsgrad des Permanentmagnet-Synchronmotors erhöht werden.
Darüber hinaus können die Permanentmagnete magnetisiert werden, weil die radiale Größe der Bogenabschnitte klein ist.
In einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Permanentmagnet-Synchronmotors ist zwischen dem Bogenabschnitt des Permanentmagneten und dem Bogenabschnitt des Rotoreisenkerns ein Zwischenraum ausgebildet.
In diesem Fall ist der Zwischenraum zwischen dem Bogenabschnitt des Permanentmagneten und dem Bogenabschnitt des Rotoreisenkerns so ausgebildet, daß die einzelnen Bogenabschnitte sich geeignet gegenüberliegen.
Gemäß einer noch anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Permanentmagnet-Synchronmotors sind die schrägen Abschnitte auf eine Polarität magnetisiert, während die geraden Abschnitte des Permanentmagneten auf die andere Polarität magnetisiert sind.
In diesem Fall ist der Rotoreisenkern in der Nähe der schrägen Abschnitte gesättigt, wodurch der Durchgang der magnetischen Flüsse der Bogenabschnitte in der Nähe der schrägen Abschnitte unterdrückt wird. Dadurch kann der Kurzschluß der magnetischen Flüsse der Bogenabschnitte am Rotoreisenkern unterdrückt werden, wodurch die Größe des den Zwischenraum zwischen dem Stator und dem Rotor passierenden magnetischen Flusses erhöht wird. Dadurch kann das Motordrehmoment erhöht werden.
Eine noch andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Permanentmagnet-Synchronmotors weist auf: einen Rotor, der drehbar angeordnet ist und einen Rotoreisenkern und in der Nähe des Außenumfangsrandes des Rotoreisenkerns angeordnete Permanentmagnete aufweist, und einen um den Außenumfang des Rotors angeordneten Stator mit einem Statoreisenkern und auf den Statoreisenkern gewickelten Wicklungen.
Außerdem weist der Permanentmagnet einen Hauptmagnetpolabschnitt und Hilfspolabschnitte auf, die an den Magnetpolendabschnitten mit dem Hauptmagnetpolabschnitt integral ausgebildet sind und geknickte Abschnitte aufweisen, die Grenzen definieren und auf die gleiche Polarität magnetisiert sind wie der Hauptmagnetpolabschnitt, so daß die magnetischen Wege an den Magnetpolendabschnitten durch die magnetischen Flüsse gesättigt sind, die an den Hilfspolabschnitten erzeugt werden.
In diesem Fall sind, weil die Hilfspolabschnitte magnetisiert sind, die durch die Hilfspolabschnitte erzeugten magnetischen Flüsse zum Rotoreisenkern gerichtet. Daher kann der magnetische Weg in der Nähe der Magnetpolendabschnitte im Rotoreisenkern gesättigt sein. Dadurch kann verhindert werden, daß die magnetischen Flüsse an den Magnetpolendab schnitten kurzgeschlossen werden, wodurch die Größe des den Zwischenraum zwischen dem Stator und dem Rotor durchlaufenden magnetischen Flusses erhöht wird und das Motordrehmoment zunimmt.
Weil der Hauptmagnetpolabschnitt und die Hilfsmagnetpolabschnitte integral ausgebildet sind, kann die Struktur des Permanentmagnet-Synchronmotors vereinfacht werden, wodurch die Anzahl von Teilen und Montageschritten reduziert wird und die Kosten des Permanentmagnet-Synchronmotors gesenkt werden.
Außerdem weisen die Hilfspolabschnitte die geknickten Abschnitte auf, die Grenzen definieren, so daß der Abstand zwischen den N-Polen und den S-Polen in den Hilfspolabschnitten kleiner gemacht werden kann. Dadurch kann nicht nur das Volumen der Magnete in den Hilfspolabschnitten reduziert werden, sondern auch der Abstand zwischen dem Außenumfang des Rotoreisenkerns und den Hilfspolabschnitten vergrößert werden, so daß der magnetische Weg ausreichend gesättigt werden kann.
Außerdem kann der Pol-Polabstand in der Umfangsrichtung des Rotors vergrößert werden, wodurch die Festigkeit des Rotoreisenkerns erhöht wird.
Gemäß einer noch anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Permanentmagnet-Synchronmotors weist der Hilfspolabschnitt schräge Abschnitte auf.
In diesem Fall sind, weil die Hilfspolabschnitte magnetisiert sind, die durch die Hilfspolabschnitte erzeugten magnetischen Flüsse von den schrägen Abschnitten ungefähr senkrecht zum Rotoreisenkern zum Rotoreisenkern ausgerichtet. Daher kann der magnetische Weg in der Nähe der Magnetpolendabschnitte des Rotoreisenkerns in höherem Maße gesättigt sein. Infolgedessen kann verhindert werden, daß die magnetischen Flüsse an den Magnetpolendabschnitten kurzge schlossen werden, wodurch die Größe der den Zwischenraum zwischen dem Stator und dem Rotor passierenden magnetischen Flüsse entsprechend zunimmt und das Motordrehmoment erhöht wird.
Gemäß einer noch anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Permanentmagnet-Synchronmotors sind in mehreren Abschnitten in der Umfangsrichtung des Rotoreisenkerns Öffnungen ausgebildet, die bezüglich der Form den Permanentmagneten entsprechen und schräge Abschnitte aufweisen, und die Permanentmagnete sind einzeln in den Öffnungen angeordnet und werden durch die schrägen Abschnitte gehalten.
In diesem Fall wird eine Zentrifugalkraft in den Permanentmagneten erzeugt, wenn der Rotor sich dreht. Die Zentrifugalkraft wird auf die schrägen Abschnitte der Öffnungen ausgeübt, jedoch nicht auf die Bogenabschnitte, so daß diese nicht zur Halterung der Permanentmagnete beitragen und verhindert werden kann, daß die Bogenabschnitte brechen.
Außerdem kann zwischen den schrägen Abschnitten und dem Außenumfangsrand des Rotoreisenkerns eine ausreichende Dicke bereitgestellt werden. Dadurch werden die schrägen Abschnitte auch dann nicht brechen, wenn der Rotor sich mit einer hohen Geschwindigkeit dreht und eine hohe Zentrifugalkraft auf die schrägen Abschnitte ausübt. Darüber hinaus werden zwischen den schrägen Abschnitten und dem Bogenabschnitt stumpfe Winkel gebildet, so daß Belastungskonzentrationen verhindert werden können. Dadurch kann die Festigkeit des Rotoreisenkerns in der Nähe der schrägen Abschnitte erhöht werden.
Die Bogenabschnitte bedecken die Permanentmagnete radial außerhalb der Permanentmagnete, so daß verhindert wird, daß Bruchstücke der Permanentmagnete, die entstehen können, wenn die Permanentmagnete aufgrund eigener innerer Defekte oder durch eine übermäßige Drehbewegung des Rotors brechen oder zertrümmert werden, außerhalb der Bogenabschnitte gelangen. In diesem Fall ist es ausreichend, wenn die Bogenabschnitte lediglich die Funktion haben, die Permanentmagnete abzudecken, so daß ihre radiale Größe und damit die radiale Größe der schrägen Abschnitte reduziert werden kann. Dadurch können Streuverluste des magnetischen Flusses von den Bogenabschnitten reduziert und die Größe des magnetischen Flusses, der den Zwischenraum zwischen dem Stator und dem Rotor passiert, erhöht werden, so daß durch den Permanentmagnet-Synchronmotor ein dieser Größe entsprechendes höheres Drehmoment erzeugt werden kann. Außerdem kann die in der magnetischen Flußverteilung des Zwischenraums auftretende Störung wesentlich reduziert werden, wodurch die harmonischen Komponenten der Wellenformen der magnetischen Flußdichte reduziert und Drehmomentoszillationen verhindert werden.
Wenn der den Wicklungen zuzuführende Strom z. B. in einem Fall, in dem der Permanentmagnet-Synchronmotor in einem niedrigen Drehmomentbereich angetrieben wird, klein ist, passiert ein Teil des magnetischen Flusses der Bogenabschnitte nicht den Statoreisenkern, sondern schließt den Rotoreisenkern kurz. Dieses Kurzschließen und die wesentliche Reduzierung der Luftspaltlänge, wodurch der magnetische Widerstand vermindert wird, wirken zusammen, wodurch die elektromotorische Gegenkraft vermindert wird, so daß die Drehzahl des Rotors ohne Erhöhung der Zufuhrspannung erhöht werden kann. Dadurch kann der d-Achsen-Strom für eine Feldschwächungssteuerung entsprechend reduziert und der Wirkungsgrad des Permanentmagnet-Synchronmotors erhöht werden.
Außerdem können die Permanentmagnete magnetisiert werden, weil die radiale Größe der Bogenabschnitte klein ist.
Gemäß einer noch anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Permanentmagnet-Synchronmotors wird außerdem der Öffnungswinkel θ des Hauptmagnetpolabschnitts etwa auf den folgenden Wert der Schlitzteilung p des Statoreisenkerns eingestellt: θ = (n + 1/2)·p (wobei n eine ganze Zahl ist).
In diesem Fall wird, auch wenn der Rotor so gedreht ist, daß er in einer beliebigen Position bezüglich des Stators angeordnet ist, die Anzahl der Schlitze des Statoreisenkerns, die den Hauptmagnetpolabschnitten gegenüberliegen, immer bei dem konstanten Wert n gehalten. Dadurch kann die Erzeugung eines Cogging- oder Rastdrehmoments und damit die Erzeugung von Schwingungen unterdrückt werden.
Auf die gesamte Offenbarung der japanischen Patentanmeldung Nr. 9-317120, eingereicht am 18. November 1997, einschließlich der Beschreibung, der Ansprüche und der Zeichnungen, wird hierin durch Verweis Bezug genommen.
Obwohl die Erfindung unter Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden ist, dienen die vorstehenden Ausführungsformen lediglich zur Erläuterung der Erfindung und sollen die Erfindung nicht einschränken. Für Fachleute ist ersichtlich, daß innerhalb des durch die beigefügten Patentansprüche definierten Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung zahlreiche Modifikationen und Anwendungen möglich sind.

Claims

Permanentmagnet-Synchronmotor mit: einem drehbar angeordneten Rotor (10; 37) mit einem Rotoreisenkern (11) und in der Nähe des Außenumfangsrandes des Rotoreisenkerns (11) angeordneten Permanentmagneten (13; 55); und einem um den Außenumfang des Rotors (10; 37) angeordneten Stator (51) mit einem Statoreisenkern (52) und um den Statoreisenkern (52) gewickelten Wicklungen (39); wobei der Permanentmagnet (13; 55) einen Hauptmagnetpolabschnitt (25; 44) und Hilfspolabschnitte (45) aufweist, die an Magnetpolendabschnitten mit dem Hauptmagnetpolabschnitt (25; 44) integral ausgebildet sind, wobei geknickte oder gebogene Abschnitte Grenzen bilden, und wobei die Hilfspolabschnitte auf die gleiche Polarität polarisiert sind wie der Hauptmagnetpolabschnitt (25, 44), so daß die magnetischen Wege an den Magnetpolendabschnitten durch die aus den Hilfspolabschnitten (45) heraus fließenden magnetischen Flüsse gesättigt sind.
Permanentmagnet-Synchronmotor nach Anspruch 1, wobei der Hilfspolabschnitt (45) schräge Abschnitte (27; 55C) aufweist.
Permanentmagnet-Synchronmotor nach Anspruch 1 oder 2, wobei in mehreren Abschnitten in der Umfangsrichtung des Rotoreisenkerns (11) den Permanentmagneten angepaßte Öffnungen (12) mit schrägen Abschnitten (17) ausgebildet sind, und wobei die Permanentmagnete (13; 55) in den Öffnungen (12) einzeln angeordnet sind und durch die schrägen Abschnitte (17) gehalten werden.
Permanentmagnet-Synchronmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Öffnungswinkel θ des Hauptmagnetpolabschnitts (25; 44) etwa auf den folgenden Wert der Schlitzteilung p des Statoreisenkerns (52) eingestellt wird: θ = (n + 1/2)·pwobei n eine ganze Zahl ist.