DE69928363T2 - Motor mit im Rotor eingebetteten geteilten Dauermagneten - Google Patents

Motor mit im Rotor eingebetteten geteilten Dauermagneten Download PDF

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Motor mit einem Rotor mit inneren Permanentmagneten und spezieller bezieht sie sich auf einen Motor mit inneren, getrennten Permanentmagneten, wodurch sie einen Wirbelstrom hindert aufzutreten und eine Wärme-Entmagnetisierung verhindert.
  • Hintergrund der Erfindung
  • 6 stellt einen Rotor mit inneren Permanentmagneten eines konventionellen Motors dar. Der Motor besitzt einen Rotor 310, in den Permanentmagneten 312 eingebettet sind und Rotor 310 besteht aus einem Stator (nicht gezeigt) mit konzentrierten Wicklungen, so dass der Motor nicht nur durch magnetische Drehkraft sondern auch durch Reluktanzdrehkraft angetrieben werden kann. Dieser Rotor wird im Folgenden als ein "Rotor mit inneren Permanentmagneten" bezeichnet.
  • Dieser konventionelle Motor leidet jedoch unter folgenden Problemen:
    Verglichen mit einem Motor mit einem Stator mit einer verteilten Wicklung unterwirft sich ein Motor mit einem Stator mit einer konzentrierten Wicklung selbst größeren Veränderungen des magnetischen Flusses, der mit Rotor 310 verbunden ist, wenn der Motor rotiert. Als ein Ergebnis tritt ein großer Wirbelstrom in den, in dem Rotor eingebetteten Magneten 312 auf und somit ist der Motor mit einem Stator mit einer konzentrierten Wicklung anfällig auf irreversible Wärme-Entmagnetisierung. Indes ist der Stator mit einer verteilten Wicklung in der folgenden Weise strukturiert: Ein Spalt ist zwischen zwei Statorzähnen ausgebildet und eine Vielzahl von Zähnen bildet somit eine Vielzahl von Spalten. Wicklungen, die über zumindest einen Spalt laufen sind vorgesehen und ein Teil einer Wicklung einer Phase existiert zwischen Abschnitten einer anderen Phasenwicklung. Der Stator mit einer konzentrierten Wicklung andererseits ist strukturiert durch Lieferung einer Wicklung von einer Phase jeweils auf einem Statorzahn.
  • Der Grund, warum der Motor mit dem Stator mit einer konzentrierten Wicklung anfällig ist auf Wärme-Entmagnetisierung wird im Folgenden im Detail beschrieben.
  • Es ist gut bekannt, dass Wirbelstromveriust "We" proportional zu dem Quadrat der maximal betreibbaren Magnetflussdichte "Bm" ist und diese Beziehung kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden. We = Pt/t = {1/(6ρ)}π2f2Bm 2t2 [W/m3]wobei Pt = Stromverbrauch
    t = Blechbreite, die mit dem magnetischen Fluss verbindet
    ρ = Wiederstandswert, der dem Permanentmagneten eigen ist
    f = Anregungsfrequenz
  • Da der Motor mit dem Stator mit einer konzentrieren Wicklung größeren Veränderungen bezüglich des magnetischen Flusses, der durch den Rotor läuft unterworfen ist, wird die maximal betreibbare Magnetflussdichte "Bm" in der obigen Gleichung größer und somit wächst der Wirbelstromverlust "We" stärker an.
  • Wenn ein Motor den Stator mit einer konzentrierten Wicklung besitzt und die Permanentmagneten noch auf eine äußere Wand des Rotors aufgebracht sind, sind die Veränderungen der Magnetflussdichte nicht so groß, dass die Wärme-Entmagnetisierung auf Grund des Wirbelstromverlustes vernachlässigbar ist. Bei dem Motor mit dem Stator mit einer konzentrierten Wicklung und einem Rotor, bei dem die Permanentmagneten eingebettet sind, bildet der Raum zwischen dem Magneten und dem äußeren Umfang von Rotorkern 314 einen Pfad für den Magnetfluss, um zu fließen. Die Dichte des Magnetflusses von dem Stator verändert sich, abhängig von der Position der Statorzähne mit Hinblick auf die Magneten, so dass die Größe von Veränderungen in der Magnetflussdichte auf dem Pfad erhöht wird. Als ein Ergebnis tritt ein Wirbelstrom bei Magneten 312 auf, die in Rotor 310 eingebettet sind, wodurch der Magnet aufgeheizt wird und eine irreversible Wärme-Entmagnetisierung erzeugt.
  • US 5, 684, 352 beschreibt eine rotierende Maschine des Permanentmagnetfeld-Typs mit einem inneren Rotor des Magnet-Typs mit Permanentmagnetteilen in einem Rotorjoch. Bei der Ausführung von 3 sind zwei Permanentmagneten für jeden magnetischen Pol mit einer Neigung zueinander und zu der radialen Richtung des Rotors vorgesehen.
  • US 5, 936, 323 beschreibt einen Motor mit einem Rotorkern mit Einführungslöchern für die Permanentmagneten. Die Magneten sind in einer Ebene senkrecht zu der Rotorachse in zwei Teile geteilt und zueinander geneigt. Ein Füllmittel wird verwendet, um einen Freiraum zwischen den Magnetstücken und dem Rotorkern zu tiefem.
  • EP 0 823 771 A1 bezieht sich auf einen Motor, der einen Statorkern mit mehreren Zähnen und Schlitzen mit Wicklungen auf den Zähnen umfasst. Der Rotor enthält mehrere Permanentmagneten. Die Magneten sind Einzelteilmagneten.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die oben diskutierten Probleme und zielt darauf ab einen Motor mit einem Rotor mit inneren Permanentmagneten zu liefern. Dieser Rotor erzeugt weniger Wirbelstrom und kann die Wärme-Entmagnetisierung in den Permanentmagneten, die in dem Rotor eingebettet sind verhindern.
  • Der Motor der vorliegenden Erfindung ist in Patentanspruch 1 definiert
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Querschnitt, der einen Motor mit einem Rotor mit inneren Permanentmagneten darstellt.
  • 2 ist eine perspektivische Ansicht der Permanentmagneten, die in den Rotor von dem in 1 gezeigten Motor einzubetten sind.
  • 3 ist eine perspektivische Ansicht der Permanentmagneten, die in einen Rotor eines Motors einzubetten sind.
  • 4 ist ein Querschnitt, der einen Rotor eines Motors darstellt, in den "I"-förmige Permanentmagneten eingebettet sind.
  • 5 ist ein Funktionsschaubild eines elektrischen Fahrzeugs, in das der Motor der vorliegenden Erfindung eingebaut ist.
  • 6 ist ein Querschnitt, der einen konventionellen Motor mit einem Rotor mit inneren Permanentmagneten darstellt.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Beispielhafte Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen dargelegt.
  • 1 ist ein Querschnitt, der einen Motor mit einem Rotor mit inneren Permanentmagneten in Übereinstimmung mit der ersten beispielhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung darstellt und 2 ist eine perspektivische Ansicht der Permanentmagneten, die in den Rotor der gleichen Ausführung einzubetten sind.
  • Bei 1 enthält Motor 10 Rotor 14 mit inneren Permanentmagneten 12 und Stator 15, der Rotor 14 über einen ringförmigen Raum gegenüber steht. Entsprechende Zähne 17 von Stator 15 sind durch Wicklungen 18 auf eine konzentrierte Weise umwunden, d.h. konzentrierte Wicklungen sind an entsprechenden Zähnen vorgesehen.
  • Rotor 14 umfasst die folgenden Elemente:
    einen Rotorkern laminiert mit einer Vielzahl von Stahlblechen;
    Permanentmagneten 12, eingebettet in axial vorgesehene Schlitze; und
    eine rotierende Welle 16, die sich durch ein Zentrum des Rotorkerns erstreckt
  • Entsprechende Magneten 12 besitzen eine Form, die nach vorne in Richtung des Zentrums des Rotorkerns ragt. Als solche sind die Magneten in den Rotor so eingebettet, dass der Rotor 4 entsprechende Richtungen erzeugen kann, damit der magnetische Fluss leicht und schwer fließen kann. Ein Induktionsverhältnis in entsprechende Richtungen kann somit erhalten werden und wird ausgeprägte Polrate genannt.
  • Eine Rotorpolarität zwischen Magnet 12 und einer äußeren Wand des Rotorkerns zu dem die Magneten 12 blicken wird ausgebildet Der Magnetfluss von dem Permanentmagnet fließt leicht durch den Abschnitt, der die Rotorpolarität bedeckt und diese Flussrichtung wird "d-Achse" genannt. Andererseits fließt der Magnetfluss schwer durch einen Abschnitt, der einen Rand zwischen zwei benachbarten Magneten bedeckt und diese Flussrichtung wird "q-Achse" genannt.
  • Stator 15 wird durch eine Verbindung von zwölf Statorblöcken 19 miteinander in einer Ringform gebildet Jeder Statorblock 19 umfasst Zähne 17, die durch Wicklung 18 auf die konzentrierte Weise umwunden sind und die Blöcke werden verschweißt, um einen Ring zu bilden. In dem Fall eines Dreiphasen- und Achtpolmotors zum Beispiel sind Wicklungen, die an einem ersten Satz von vier Zähnen mit jeweils dem dritten Zahn von 12 Zähnen gekoppelt vorgesehen sind und bilden somit die Phase "U". Auf die gleiche Weise sind Wicklungen, die an den zweiten vier Zähnen auf der rechten Seite der oben diskutierten jeweils ersten vier Zähne vorgesehen sind miteinander gekoppelt und bilden somit die Phase "V". Ferner sind die Wicklungen, die an den dritten vier Zähnen auf der linken Seite der ersten vier Zähne vorgesehen sind miteinander gekoppelt und bilden somit die Phase "W". Stator 15 bildet somit drei Phasen mit konzentrierten Wicklungen.
  • Bei dem wie oben konstruierten Motor 1 verläuft der durch Magnet 12 erzeugte magnetische Fluss, d.h. der durch die Rotormagnetpole erzeugte magnetische Fluss zu Zähnen 17 des Stators über den ringförmigen Raum und trägt somit zu der Drehkrafterzeugung bei. Dieser Motor besitzt die ausgeprägte Polrate und steuert die Stromphasen durch den Strom, so dass sie optimal sind und treibt sich nicht nur durch die Magnetdrehkraft sondern auch durch die Reluktanzdrehkraft an.
  • Eines der Kennzeichen der vorliegenden Erfindung besteht in einem Verfahren zur Einbettung der Permanentmagnete in den Rotor. Magnete 12, die bei einer ersten beispielhaften Ausführung in Rotor 14 einzubetten sind, werden im Folgenden detailliert beschrieben.
  • Wie in 2 gezeigt, ist jeder Magnet 12 in der axialen Richtung von Rotor 14 in zwei Magnetteile 13 geteilt. Jeweils zwei Magnetteile 13 sind in ein einzelnes Loch, das in Rotor 14 vorgesehen ist eingebettet und bilden somit jeden Magneten 12. Elektrisch isolierendes Epoxidharz, das als Überzugsmaterial verwendet wird, wird auf die gesamte Oberfläche jedes Magnetteils 13 angewandt. Wenn die Magnetteile 13 aufgesetzt werden, ist jedes Teil elektrisch isoliert und sie können eine unabhängige Schaltung bilden. Ein Raum zwischen den jeweiligen aufgesetzten Magnetteilen 13 ist nicht kleiner als 0,03 mm, entsprechend der Dicke des Überzugsmaterials, das auf die Magnetteile angewandt wird.
  • Die beiden Magnetteile 13 werden benachbart zueinander in das Loch des Rotorkerns eingebettet, so dass Magnet 12 in zwei Abschnitte geteilt ist, die auf Stator 15 blicken. Entsprechende Magnetteile 13 sind auf die folgende Weise angeordnet: Entsprechende Magnetflüsse, die von den in ein Loch eingebetteten beiden Magnetteilen erzeugt werden, fließen in dieselbe Richtung hinsichtlich der äußeren Wand des Rotors auf welchen diese beiden Magnetteile blicken. Ein anders Paar von Magnetteilen, eingebettet in ein Loch benachbart zu dem oben diskutierten Loch erzeugt den magnetischen Fluss in der Richtung entgegengesetzt zu der Richtung des oben diskutierten magnetischen Flusses. Zum Beispiel blicken zwei in ein Loch eingebettete Magnetteile auf die äußere Wand des Rotors mit den Polen "N" und dann sollte ein anders Paar von Magnetteilen, das in das zu diesem Loch benachbarte Loch eingebettet ist auf die äußere Wand mit den Polen "S" blicken.
  • Der Raum zwischen den beiden Magnetteilen besteht nicht notwendigerweise aus Harz und er kann aus irgendeinem elektrisch isolierenden Material bestehen.
  • Magnet 12 wird durch eine Ebene geteilt, die zu Stator 15 blickt und reduziert dadurch den in Magnet 12 erzeugten Wirbelstrom. Die Ebene verläuft von dem Rotorzentrum in Richtung des Stators. Dies geschieht aus dem folgenden Grund:
    Da die Zähne 17 durch konzentrierte Wicklungen 18 umwunden sind, empfängt Stator 15 größere Veränderungen in der Magnetflussdichte, die von den Zähnen 17 geliefert wird. Die maximal betreibbare Magnetflussdichte Bm ausgedrückt in der vorher diskutierten Gleichung wächst somit an. Diese Veränderung in der Magnetflussdichte erzeugt den Wirbelstrom in jedem Magnet 12. Bei dieser ersten beispielhaften Ausführung ist jeder in Rotor 14 eingebettete Magnet 12 in zwei Magnetteile 13 aufgeteilt und Epoxidharz – welches ein nicht magnetisches Material ist – wird zwischen diese beiden Teile gebracht und teilt somit Magnet 12 nicht nur physikalisch sondern auch elektrisch. Als ein Ergebnis wird die Erzeugung von Wirbelstrom gehindert durch Verkleinerung der Breite "t" des Bleches in Verbindung mit dem Magnetfluss in der vorher diskutierten Gleichung.
  • 3 ist eine perspektivische Ansicht von Permtanentmagneten, die in einen Rotor eines Motors in Übereinstimmung mit der zweiten beispielhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung einzubetten sind. Diese zweite Ausführung unterscheidet sich von der ersten in der Art der Teilung des Magneten und alles andere bleibt gleich.
  • Bei der ersten Ausführung wird der Magnet in der axialen Richtung in zwei Teile geteilt, Magnet 22 bei dieser zweiten Ausführung ist jedoch in fünf Teile in der axialen Richtung geteilt und dies erzeugt den gleichen Vorteil wie es die erste Ausführung getan hat.
  • 4 ist ein Querschnitt, der einen Rotor eines Motors darstellt, in den "I"-förmige Permanentmagnete in Übereinstimmung mit der vierten beispielhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung eingebettet sind. Diese vierte Ausführung unterscheidet sich von den vorausgehenden Ausführungen 1 bis 3 in der Form des Magneten. Bei den vorausgehenden Ausführungen liegt der Magnet in einer "V"-Form vor, Magnet 42 in der vierten Ausführung jedoch ist wie ein Buchstabe "I" geformt.
  • In 4 wird jeder Magnet 42 ausgebildet durch zwei Magnetteile, die in einer "I"-Form ausgerichtet sind, in jedes Loch eingeführt, das in Rotor 44 vorgesehen ist. Elektrisch isolierendes Material wird zwischen die zwei Teile gebracht. Die vierte Ausführung kann den gleichen Vorteil erzeugen, wie es die erste Ausführung getan hat.
  • Wenn Seltenerd-Sintermagnete als innere Permanentmagnete in dem Rotor verwendet werden, bewirkt ein Teilen des Magnets den Vorteil deutlich, weil der Seltenerd-Sintermagnet einen geringeren elektrischen Widerstand besitzt und es im Vergleich mit einem Ferritmagneten für den Strom einfacher ist hindurchzufließen (der spezifische Widerstand des Ferritmagneten ist nicht kleiner als 10–4 Ω·m und der des Seltenerd-Sintermagnets beträgt ca. 10–6 Ω·m) . Mit anderen Worten erlaubt es, wenn die gleiche Größe an Veränderung bezüglich der Magnetflussdichte von außen auf den Magneten angewandt wird, der Seltenerd-Sinterrnagnet, dass der Wechselstrom mehr als 100 Mal so viele Volumenabschnitte durchfließt als es der Ferritmagnet tut. Somit verhindert die Teilung eines solchen Magneten wirkungsvoll die Erzeugung von Wirbelstrom.
  • Eine Antriebssteuerung des Motors wird im Folgenden demonstriert, wobei dieser Motor den Rotor mit den inneren Magneten der vorliegenden Erfindung einschließt.
  • Ein Motor mit einem Stator, der durch konzentrierte Wicklungen umwunden ist, erzeugt größere Veränderungen bezüglich der Magnetflussdichte, wenn der Motor mit einer das Magnetfeld schwächenden Steuerung angetrieben wird, weil bei dem Motor mit einem Rotor mit inneren Permanentmagneten der Magnetfluss durch den Raum zwischen dem Magneten und dem äußeren Umfang des Rotorkerns verläuft und somit der Magnetfluss uneinheitlich zwischen dem Rotor und dem Stator verteilt ist.
  • Die das Magnetfeld schwächende Steuerung wendet ein inverses Magnetfeld auf den Motor an, so dass dem Magnetfluss, der durch den Magnet erzeugt wird entgegengewirkt werden kann und deshalb erzeugt dieses Steuerungsverfahren größere Veränderungen bezüglich des Magnetflusses als es ein übliches Steuerungsverfahren tut. Ferner verkleinert das inverse Magnetfeld die Toleranz für eine irreversible Entmagnetisierung und dies erzeugt eine Möglichkeit einer Wärme-Entmagnetisierung bei einer Temperatur, wo sie unter normalen Umständen geringe Bedeutung besitzt. Die das Magnetfeld schwächende Steuerung erzeugt somit klar einen Vorteil durch die Dämpfung der Wärme, die durch den Wirbelstrom erzeugt wird.
  • Es ist zu bevorzugen, sowohl die Erzeugung von Wirbelstrom als auch die Wärmeerzeugung aus dem Wirbelstrom durch Teilen des Magneten zu verhindern und dies zeigt klar seine Auswirkung, wenn der Motor mit einer das Magnetfeld schwächenden Steuerung betrieben wird.
  • Der bei den oben diskutierten Ausführungen verwendete Motor ist ein Innenrotortyp, d.h. ein Rotor ist im Inneren eines Stators angeordnet, ein Außenrotortyp jedoch, d.h. ein Rotor ist an der Außenseite eines Stators angeordnet und ein Linearmotor, d.h. ein Rotor bewegt sich linear hinsichtlich eines Stators erzeugen die gleichen Vorteile.
  • So beweisen die im vorausgehenden diskutierten beispielhaften Ausführungen, dass der Motor mit inneren Permanentmagneten der vorliegenden Erfindung die Erzeugung von Wirbelstrom verhindern und die Wärme-Entmagnetisierung dämpfen kann, weil der Magnet elektrisch getrennt ist und somit ein Gebiet jedes Magneten, das auf den Stator blickt schmaler wird.
  • 5 ist ein Funktionsschaubild eines elektrischen Fahrzeugs, in das der Motor der vorliegenden Erfindung eingebaut ist.
  • Körper 80 des elektrischen Fahrzeugs wird durch Räder 81 getragen. Dieses Fahrzeug wendet ein Vorderradantriebsverfahren an, so dass Motor 83 direkt mit der Vorderradwelle 82 verbunden ist. Motor 83 enthält einen Stator, der durch konzentrierte Wicklungen umwunden ist und mit inneren Permanentmagneten, wie er in den im vorgehenden diskutierten beispielhaften Ausführungen beschrieben ist. Steuerung 84 steuert die Antriebsdrehkraft des Motors 83 und Batterie 85 versorgt Steuerung 84 und versorgt ferner Motor 83. Motor 83 wird somit angetrieben, was dann die Räder 81 dreht.
  • Bei dieser Ausführung wird der Motor angewandt, um die Räder des elektrischen Fahrzeugs anzutreiben. Der Motor kann auch verwendet werden, um Räder einer elektrischen Lokomotive anzutreiben.

Claims (3)

  1. Elektromotor, der umfasst: einen Stator (15) mit Zähnen (17), um die konzentrierte Wicklungen (18) gewickelt sind, und einen Rotor (14, 44) mit einer Drehwelle (16, 46) und inneren Permanentmagneten (12, 22, 42), die im Querschnitt V- oder I-förmig sind und in jeweilige Vertiefungen entsprechender Form an den Polen des Rotors eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, dass: die Permanentmagneten, die in die jeweiligen Vertiefungen eingebettet sind, in der axialen Richtung des Rotors (14) entlang wenigstens einer Ebene, die auf den Stator zu gerichtet ist, in eine Vielzahl von Magnetstücken (13) geteilt sind, wobei auf die Magnetstücke (13) elektrisch isolierendes Beschichtungsmaterial über ihre gesamte Oberfläche aufgetragen ist, um entsprechend der Dicke des Beschichtungsmaterials einen Zwischenraum zwischen den übereinander geschichteten Magnetstücken (13) von nicht mehr als 0,03 mm zu schaffen.
  2. Motor nach Anspruch 1, wobei das elektrisch isolierende Material Epoxydharz umfasst.
  3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Permanentmagnet einen Seltenerd-Sintermagneten umfasst.
DE69928363T 1998-12-25 1999-12-23 Motor mit im Rotor eingebetteten geteilten Dauermagneten Expired - Lifetime DE69928363T2 (de)

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