RU2543526C2

RU2543526C2 - Ротор вращающейся электрической машины

Info

Publication number: RU2543526C2
Application number: RU2013113943/07A
Authority: RU
Inventors: Юити СИБУКАВА; Роберт Дональд ЛОРЕНЦ; Нати ЛИМСУВАН
Original assignee: Ниссан Мотор Ко., Лтд.; Висконсин Алюмни Рисерч Фаундейшн
Priority date: 2010-09-10
Filing date: 2010-09-10
Publication date: 2015-03-10
Also published as: MX2013002634A; RU2013113943A; CN103201932A; WO2012032369A1; JP2013538551A; JP5695747B2; BR112013005245A2; US20120181888A1; EP2614579A1

Abstract

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано во вращающейся электрической машине. Технический результат - повышение точности оценки углового положения ротора посредством самостоятельного определения или управления без датчиков. Вращающаяся электрическая машина снабжена валом (10) ротора, сердечником (20) ротора и группой (30) постоянных магнитов (31). Сердечник (20) ротора включает в себя группу (21) барьеров (211) для потока, размещенных с интервалами. По меньшей мере, один из барьеров (211) для потока включает в себя, по меньшей мере, один мост (212), соединяющий внутренний край (211a) и внешний край (211b) этих барьеров (211) для потока. Постоянные магниты (31) размещены в сердечнике (20) ротора между барьерами (211) для потока, если смотреть в плоскости поперечного сечения. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 14 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение, в целом, относится к ротору для использования во вращающейся электрической машине. В частности, настоящее изобретение относится к ротору, который включает в себя барьеры для магнитного потока, сконфигурированные таким образом, чтобы уменьшать или исключать повреждения в сердечнике ротора, в то же время улучшая определение углового положения и выходной крутящий момент.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Для того чтобы уменьшать затраты на производство и уменьшать размер блока вращающейся электрической машины IPM-типа (с внутренним постоянным магнитом), разрабатывается технология без датчиков, в которой может не использоваться датчик для определения углового положения ротора. Как понятно в области техники, ротор без датчиков, как правило, называется ротором самоопределяющего типа, угловое положение которого может быть определено без использования внешнего датчика или датчика, добавленного к ротору.

Когда ротор вращается с высокой скоростью, возникает большое индуцированное напряжение. Положение постоянного магнита в роторе может быть оценено на основе формы волны индуцированного напряжения. Это оцененное положение постоянного магнита, таким образом, используется, чтобы оценивать угловое положение ротора. Однако, если ротор вращается медленно, индуцированное напряжение является небольшим. Следовательно, если ротор останавливается или вращается слишком медленно, тогда положение постоянного магнита, как правило, не может быть точно оценено на основе формы волны индуцированного напряжения.

Поэтому разрабатываются технологии, в которых положение ротора оценивается на основе измеренного значения электрического тока, и результат получается за счет наложения более высокой частоты на форму волны опорного напряжения, которое формирует вихревое магнитное поле вокруг ротора, чтобы создавать вращающий момент для ротора. Более конкретно, как и с воздухом, магнитная проницаемость постоянного магнита является небольшой, и магнитный поток легко не протекает в постоянном магните. Однако магнитная проницаемость электромагнитных стальных пластин, таких как используемые в роторе, является большой. Следовательно, когда электромагнитные стальные пластины расположены между постоянными магнитами, магнитный поток легко протекает в электромагнитных стальных пластинах. Легкость, с которой магнитный поток может протекать, выражается как индуктивность. Следовательно, прикладывая высокочастотный сигнал напряжения к обмотке статора, чтобы генерировать магнитное поле, которое вращается быстрее, чем ротор, положение ротора может быть оценено на основе контраста между местоположениями на роторе, где магнитный поток протекает легко, и местоположениями на роторе, где магнитный поток легко не протекает. Таким образом, положение ротора может быть оценено, даже когда ротор остановлен или вращается с очень низкой скоростью.

В публикации выложенной заявки на патент Японии № 2008-295138 раскрыт пример вращающейся электрической IPM-машины. В этой машине предусмотрен барьер для потока, чтобы вынуждать индуктивность Lq для q-оси быть большей, чем индуктивность Ld для d-оси.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Однако было определено, что в этом типе вращающейся электрической IPM-машины, во время высокоскоростного вращения большая центробежная сила действует на часть сердечника ротора, который расположен в радиальном направлении к наружной части дальше, чем барьер для потока. Следовательно, необходимо, чтобы конструкция барьера для потока была устойчивой к центробежной силе, чтобы не допускать повреждения, такого как деформация, в этой части сердечника ротора. В частности, толщина между барьером для потока и поверхностью сердечника ротора (которая также называется стальным мостом, близким к поверхности сердечника ротора, который удерживает пластинчатые слои сердечника ротора вместе) сделана довольно большой, чтобы иметь достаточную структуру, чтобы противостоять центробежной силе. Однако эта структура позволяет магнитному потоку легко утекать из этой части сердечника ротора, особенно когда ротор находится под большой нагрузкой. Кроме того, когда магнитный поток, сформированный посредством вращающегося магнитного поля катушки статора, применяется, плотность магнитного потока по q-оси становится большой. В результате, также оказывается влияние на индуктивность по d-оси, так что на противоположных сторонах d-оси формируется ассиметричное распределение магнитного потока. Когда это происходит, оцененные положения d-оси и q-оси смещены от их фактических положений. Следовательно, точность, с которой угловое положение ротора может быть оценено, менее достоверна.

Ротор согласно настоящему открытию был разработан, принимая во внимание эту проблему и другие проблемы, связанные с ротором IPM-типа. Соответственно, одной целью является создание ротора вращающейся электрической машины, угловое положение которой может быть оценено точно посредством самостоятельного определения или управления без датчиков, которое исключает использование датчика. Примеры роторов, которые могут достигать вышеописанной цели, описаны в данном документе.

Принимая во внимание состояние известной технологии, одним аспектом настоящего открытия является предоставление ротора вращающейся электрической машины, который, в своей основе, содержит вал ротора, сердечник ротора и группу постоянных магнитов. Сердечник ротора включает в себя группу барьеров для потока. Барьеры для потока размещены с интервалами. По меньшей мере, один из барьеров для потока включает в себя, по меньшей мере, один мост, соединяющий внутренний край и внешний край этого барьера для потока. Постоянные магниты размещены в сердечнике ротора между барьерами для потока, если смотреть в плоскости поперечного сечения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Теперь ссылка будет сделана на прилагаемые чертежи, которые формируют часть этого описания и на которых:

Фиг. 1A - частичный поперечный разрез части ротора вращающейся электрической машины в соответствии с первым вариантом осуществления, с поперечным сечением, взятым по линии сечения, которая лежит в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала ротора, и который показывает 1/3 (120 градусов) всей окружности ротора;

Фиг. 1B - укрупненный сегмент части ротора вращающейся электрической машины, проиллюстрированной на фиг. 1A;

Фиг. 2 - полное поперечное сечение, включающее в себя часть ротора вращающейся электрической машины, проиллюстрированную на фиг. 1, для иллюстрации эффективности работы первого варианта осуществления;

Фиг. 3A - частичный поперечный разрез части ротора вращающейся электрической машины в соответствии со вторым вариантом осуществления, с поперечным сечением, взятым по линии сечения, которая лежит в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала ротора, и который показывает 1/3 (120 градусов) всей окружности ротора;

Фиг. 3B - укрупненный сегмент части ротора вращающейся электрической машины, проиллюстрированной на фиг. 3A;

Фиг. 4A - частичный поперечный разрез части ротора вращающейся электрической машины, иллюстрированной на фиг. 3, для иллюстрации эффективности работы второго варианта осуществления;

Фиг. 4B - укрупненный сегмент части ротора вращающейся электрической машины, проиллюстрированной на фиг. 4A, в ситуации без нагрузки;

Фиг. 4C - укрупненный сегмент части ротора вращающейся электрической машины, проиллюстрированной на фиг. 4A, в ситуации под нагрузкой;

Фиг. 5 - частичный поперечный разрез части ротора вращающейся электрической машины в соответствии с третьим вариантом осуществления, с поперечным сечением, взятым по линии сечения, которая лежит в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала ротора, и который показывает 1/3 (120 градусов) всей окружности ротора;

Фиг. 6A - частичный поперечный разрез части ротора вращающейся электрической машины в соответствии с четвертым вариантом осуществления, с поперечным сечением, взятым по линии сечения, которая лежит в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала ротора, и который показывает 1/3 (120 градусов) всей окружности ротора;

Фиг. 6B - укрупненный сегмент части ротора вращающейся электрической машины, проиллюстрированной на фиг. 6A;

Фиг. 7A - частичный поперечный разрез части ротора вращающейся электрической машины в соответствии с пятым вариантом осуществления, с поперечным сечением, взятым по линии сечения, которая лежит в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала ротора, и который показывает 1/3 (120 градусов) всей окружности ротора;

Фиг. 7B - укрупненный сегмент части ротора вращающейся электрической машины, проиллюстрированной на фиг. 7A; и

Фиг. 8 - график, содержащий результаты, полученные с помощью ротора вращающейся электрической машины второго-пятого вариантов осуществления.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Выбранные варианты осуществления далее поясняются со ссылкой на чертежи. Специалистам в данной области техники из этого раскрытия сущности должно быть очевидным, что последующие описания вариантов осуществления предоставляются только для иллюстрации, а не для ограничения изобретения, заданного посредством прилагаемой формулы изобретения и ее эквивалентов.

Обращаясь сначала к фиг. 1A, частичный поперечный разрез части ротора вращающейся электрической машины проиллюстрирован в соответствии с первым вариантом осуществления, с поперечным сечением, взятым по линии сечения, которая лежит в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала ротора, и который показывает 1/3 (120 градусов) всей окружности ротора.

Фиг. 1B представляет собой укрупненный вид части B на фиг. 1A, а фиг. 2 - полный поперечный разрез, включающий часть, показанную на фиг. 1A. Ротор 1 вращающейся электрической машины в этом примере имеет вал 10 ротора, сердечник 20 ротора и группу 30 постоянных магнитов 31. Вал 10 ротора является вращающимся валом ротора 1. Сердечник 20 ротора предусмотрен по окружности вала 10 ротора. Примерный сердечник 20 ротора включает в себя множество электромагнитных стальных пластин, наслоенных в осевом направлении вала 10 ротора. Сердечник 20 ротора также включает в себя группу 21 барьеров 211 для потока. Барьеры 211 для потока являются частями, имеющими более низкую магнитную проницаемость, чем в частях электромагнитных стальных пластин сердечника 20 ротора. Таким образом, магнитному потоку трудно проходить через барьеры 211 для потока.

Как показано на фиг. 1A, барьеры 211 для потока размещены с фиксированными интервалами механического угла, так что они выступают в направлении вала 10 ротора. В этом варианте осуществления барьерами 211 для потока являются воздушные слои. Барьеры 211 для потока размещены с или примерно с 60-градусными интервалами механического угла и имеют форму, похожую на дуги окружности, размещенные так, чтобы проходить к валу 10 ротора. То есть дугообразная часть каждого барьера 211 для потока является близкой к валу, а концы каждого барьера 211 для потока являются близкими к внешней поверхности сердечника 20 ротора. В этом варианте осуществления группа 21 барьеров для потока включает в себя шесть барьеров 211 для потока, размещенных вокруг полной окружности сердечника 20 ротора. Как показано в укрупненном виде на фиг. 1B, каждый барьер 211 для потока включает в себя мост 212, который соединяет внутренний край 211a и внешний край 211b барьера 211 для потока. Мост 212, имеющий длину L1 и ширину W1, сформирован вдоль q-оси, которая электрически ортогональна d-оси, совпадающей с центральной осью магнитного полюса постоянного магнита 31, как обсуждается более подробно ниже. Длина L1 может быть 4,4 мм, или приблизительно 4,4 мм, или любой другой подходящей длиной, а ширина W1 может быть 0,5 мм, или около 0,5 мм, или любой другой подходящей шириной (например, как определено из возможности процесса изготовления сердечника 20 ротора). Барьеры 211 для потока вместе составляют группу 21 барьеров для потока.

Группа 30 постоянных магнитов предусмотрена в сердечнике 20 ротора. Как показано на фиг. 1A и 2, группа 30 постоянных магнитов является группой постоянных магнитов 31, размещенных между барьерами 211 для потока группы 21 барьеров для потока. В этом варианте осуществления группа 30 постоянных магнитов включает в себя шесть постоянных магнитов 31, размещенных вокруг полной окружности сердечника 20 ротора. Постоянные магниты 31 размещены так, что смежные постоянные магниты 31 имеют попеременно разные полярности. На фиг. 1A постоянный магнит 31 с левой стороны, который пересечен d-осью, размещен так, что его N-полюс расположен радиально наружу, а его S-полюс расположен радиально внутрь. Альтернативно, постоянный магнит 31 с правой стороны на фиг. 1A размещен так, что его S-полюс расположен радиально наружу, а его N-полюс расположен радиально внутрь. Естественно, полюсы этих постоянных магнитов 31 могут быть перевернуты. Также, один или более из барьеров 211 для потока могут быть размещены со своими концами, проходящими в направлении магнитов 31, как показано в частичном разрезе на фиг. 2 и обсуждается ниже.

Фиг. 2 дополнительно иллюстрирует пример преимуществ работы, которые достигаются в роторе 1 вращающейся электрической машины согласно первому варианту осуществления. Когда ротор 1 вращающейся электрической машины вращается, центробежная сила, указанная стрелкой A, действует на часть 22 сердечника 20 ротора, которая расположена дальше наружу в радиальном направлении, чем барьеры 211 для потока. Если мост 212 этого варианта осуществления не был предусмотрен, тогда левая и правая крайние части 22a части 22 ротора должны быть толще для того, чтобы противостоять центробежной силе, чтобы препятствовать деформации центробежной силой части 22 сердечника ротора. Однако увеличение толщины сделает более простой утечку магнитного потока постоянных магнитов 31 с крайних частей 22a. Следовательно, ассиметричное распределение влево-вправо плотности магнитного потока будет развиваться в противоположные стороны d-оси. В результате, оцененные положения d-оси и q-оси будут смещены от их фактических положений, и точность, с которой угловое положение ротора 1 может быть оценено, будет снижаться.

Однако, поскольку барьеры 211 для потока имеют мосты 212, левая и правая крайние части 22a частей 22 сердечника ротора могут быть выполнены более узкими. То есть ширина W1 моста 212 меньше, чем величина толщины, убранная с левой и правой крайних частей 22a части 22 сердечника ротора для того, чтобы предоставлять мост 212. Следовательно, магнитному потоку труднее утекать, когда мост 212 сформирован, чем когда левая и правая крайние части 22a части 20 сердечника ротора выполнены более толстыми. В результате, формируется плотность магнитного потока, которая симметрична влево-вправо с противоположных сторон d-оси, и угловое положение ротора может, таким образом, быть оценено с повышенной точностью.

Фиг. 3A и 3B показывают ротор вращающейся электрической машины согласно второму варианту осуществления. Фиг. 3A представляет собой поперечный разрез в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала 10 ротора, и показывает 1/3 (120 градусов механического угла) всей окружности ротора, а Фиг. 3B - укрупненный вид части B на фиг. 3A. Сердечник 20 ротора этого варианта осуществления дополнительно включает в себя группу 25, по меньшей мере, из одного барьера 251 для потока, расположенного радиально наружу, из барьеров 211 для потока. В этом варианте осуществления ширина барьера 211 для потока в радиальном направлении ротора 1, что соответствует длине L21 моста 212, как показано, меньше, чем ширина барьера 211 для потока в радиальном направлении ротора 1 в первом варианте осуществления, что соответствует длине L1 моста 212 в этом первом варианте осуществления. Длина L21 может быть 3,1 мм, или приблизительно 3,1 мм, или любой другой подходящей длиной. Эти ширины барьеров 211 и 251 для потока могут также, таким образом, называться радиальными длинами. В этом примере сумма радиальной длины L21 барьера 211 для потока и радиальной длины L22 барьера 251 для потока (которая может быть 2,56 мм или приблизительно 2,56 мм) равна или, по существу, равна радиальной длине L1 барьера 211 для потока в первом варианте осуществления. Кроме того, в этом примере, барьер 251 для потока не снабжен мостом, проходящим между внутренним краем 251a и внешним краем 251b. В частности, никакой из барьеров 251 для потока в группе 25 не включает в себя мост. Также, как показано на фиг. 3B, ширина W2 моста 212 может быть 0,5 мм, или приблизительно 0,5 мм, или может быть меньше ширины W1 моста 212 в первом варианте осуществления по причинам, обсуждаемым ниже.

Фиг. 4A, 4B и 4C иллюстрируют пример эффективности работы, которая достигается в роторе 1 вращающейся электрической машины согласно второму варианту осуществления. Фиг. 4A представляет собой поперечный разрез в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала 10 ротора, и показывает 1/3 (120 градусов механического угла) всей окружности ротора 1; Фиг. 4B иллюстрирует анализ магнитного потока части B, когда магнитный поток, вызванный вращающимся магнитным полем обмотки статора, не протекает; а фиг. 4C иллюстрирует анализ магнитного потока части B, когда магнитный поток, вызванный вращающимся магнитным полем обмотки статора, протекает, как указано прерывистыми линиями на фиг. 4A. В этом варианте осуществления часть, радиально снаружи от барьеров 211 для потока, разделена на внутреннюю часть 221, которая расположена радиально внутрь от барьеров 251 для потока, и внешнюю часть 222, которая расположена радиально наружу от барьеров 251 для потока. Внутренняя часть 221 меньше, чем часть 22 сердечника ротора первого варианта осуществления. Таким образом, когда ротор 1 вращающейся электрической машины вращается, центробежная сила, действующая на внутреннюю часть 221, меньше, чем центробежная сила, которая действует на часть 22 сердечника ротора первого варианта осуществления. Следовательно, ширина W2 моста 212 может быть выполнена более узкой, чем ширина W1 моста 212 в первом варианте осуществления.

Когда магнитный поток, вызванный вращающимся магнитным полем обмотки статора, не протекает в мосте 212, состояние является таким, как показано на фиг. 4B. Однако, когда магнитный поток, вызванный вращающимся магнитным полем обмотки статора, протекает в мосте 212, состояние является таким, как показано на фиг. 4C. Фиг. 4C указывает степени магнитного насыщения с помощью светлого и темного затенения. Как указано, мост 212 затенен темным оттенком, указывающим, что мост 212 магнитно насыщен. Мост 212 становится магнитно-насыщенным, когда присутствует даже небольшая нагрузка, и величина магнитного потока, проходящего через мост 212, не увеличивается после того, как мост 212 насыщен.

В этом варианте осуществления, как объяснено ранее, ширина W2 моста 212 меньше, чем ширина W1 моста 212 в первом варианте осуществления. Таким образом, мост 212 становится насыщенным и не позволяет магнитному потоку протекать при меньшей нагрузке, чем в первом варианте осуществления. Следовательно, это размещение предотвращает утечку магнитного потока даже более эффективно, чем первый вариант осуществления. Таким образом, угловое положение ротора 1 оценивается с повышенной точностью. Также следует отметить, что, как и со вторым вариантом осуществления, барьер 251 для потока не снабжен мостом, проходящим между внутренним краем 251a и внешним краем 251b. В частности, никакой из барьеров 251 для потока в группе 25 не включает в себя мост. Если мост присутствует в барьере 251 для потока, тогда существует вероятность того, что магнитный поток, вызванный вращающимся магнитным полем обмотки статора, будет утекать из этого моста. Кроме того, центробежная сила, действующая на внешнюю часть 222, расположенную радиально наружу от барьера 251 для потока, как правило, является небольшой, поскольку внешняя часть 222 является небольшой. В результате, барьеры 251 для потока могут противостоять центробежной силе без моста, присутствующего в барьерах 251 для потока.

Фиг. 5 представляет собой поперечный разрез ротора 1 вращающейся электрической машины согласно третьему варианту осуществления. Как и с первым и вторым вариантами осуществления, поперечное сечение лежит в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала 10 ротора, и показывает 1/3 (120 градусов механического угла) всей окружности ротора 1. В этом варианте осуществления, если смотреть в поперечном разрезе, перпендикулярном валу 10 ротора, два моста 212 сформированы в каждом барьере 211 для потока в сердечнике 20 ротора. Барьеры 212 для потока сформированы симметричными или, по существу, симметричными влево-вправо с противоположных сторон q-оси, т.е. электрически ортогональными d-оси, совпадающей с центральной осью магнитного полюса постоянного магнита 31.

Когда два моста 212 сформированы таким образом, ширина каждого моста 212 меньше, чем ширина моста 212 во втором варианте осуществления. Постоянные магниты 31 группы 30 постоянных магнитов размещены так, что смежные постоянные магниты 31 имеют поочередно различные полярности, как в первом и втором вариантах осуществления. Как указано прерывистой линией на фиг. 5, часть магнитного потока постоянных магнитов 31 протекает через два моста 212. Мосты 212 становятся магнитно-насыщенными за счет магнитного потока от постоянных магнитов 31 достаточно просто, поскольку они узкие. Таким образом, магнитный поток, вызванный вращающимся магнитным полем обмотки статора, легко не утекает с мостов 212. Следовательно, этот вариант осуществления предотвращает утечку магнитного потока даже более эффективно, чем первый и второй варианты осуществления. Соответственно, угловое положение ротора 1 может быть оценено с дополнительной повышенной точностью.

Фиг. 6A и 6B показывают ротор вращающейся электрической машины согласно четвертому варианту осуществления. Фиг. 6A представляет собой поперечный разрез в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала 10 ротора, и показывает 1/3 (120 градусов механического угла) всей окружности ротора 1; а Фиг. 6B иллюстрирует анализ магнитного потока части B с фиг. 6A. В этом варианте осуществления, если смотреть в поперечном сечении, перпендикулярном валу ротора, два моста 212 сформированы в каждом барьере 211 для потока сердечника 20 ротора в положениях, смежных с постоянными магнитами 31. Два моста 212 также сформированы так, чтобы быть симметричными влево/вправо с противоположных сторон q-оси, которая электрически ортогональна d-оси, совпадающей с центральной осью магнитного полюса постоянного магнита 31.

Как показано на фиг. 6B, магнитный поток постоянного магнита 31 протекает, как указано прерывистой линией, через область, смежную с постоянным магнитом 31. Поскольку ширина электромагнитной стальной пластины является небольшой между постоянным магнитом 31 и барьером 211 для потока, область становится магнитно-насыщенной за счет магнитного потока постоянного магнита 31. Таким образом, предоставление двух мостов 212 в положениях, смежных с постоянными магнитами 31, затрудняет протекание магнитного потока, вызванного вращающимся магнитным полем обмотки статора. Кроме того, расстояние между одним из барьеров 211 для потока и соответствующим одним из постоянных магнитов 31, с которым мост 212 этого барьера 211 для потока является смежным, является обратно пропорциональным степени, до которой мост 212 этого барьера 211 для потока становится магнитно-насыщенным посредством магнитного потока, обеспечиваемого этим постоянным магнитом 31, смежным с этим мостом 212. Другими словами, мост 212 сконфигурирован, чтобы становиться насыщенным посредством магнитного потока от постоянного магнита. Таким образом, если мост 212 не насыщен (насыщение низкое), это означает, что расстояние между барьером 211 для потока и магнитом 31 является слишком большим и должно быть сделано меньшим, чтобы увеличивать насыщение. С другой стороны, если насыщение в мосте 212 уже высокое, это означает, что расстояние между барьером 211 для потока и магнитом 31 уже достаточно мало. Следовательно, расстояние между барьером 211 для потока и магнитом 31 может оставаться таким, как есть, или расстояние между барьером 211 для потока и магнитом 31 может быть увеличено, пока насыщение в мосте 212 остается достаточно высоким.

Следовательно, с вышеописанными конфигурациями магнитному потоку еще труднее утекать с мостов 212. Таким образом, угловое положение ротора 1 может быть оценено с повышенной точностью.

Фиг. 7A и 7B показывают ротор вращающейся электрической машины согласно пятому варианту осуществления. Фиг. 7A представляет собой поперечный разрез в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала 10 ротора, и показывает 1/3 (120 градусов механического угла) всей окружности ротора; а Фиг. 7B иллюстрирует анализ магнитного потока части B с фиг. 7A с протеканием магнитного потока, указанным прерывистой линией. В этом варианте осуществления два моста 212 сформированы в каждом барьере 211 для потока сердечника 20 ротора в положениях, смежных с постоянными магнитами 31 так, чтобы быть симметричными влево-вправо относительно q-оси. Дополнительно мосты 212 сконфигурированы таким образом, чтобы проходить диагонально в направлении от постоянных магнитов 31 так, что они приближаются к радиально наружной поверхности сердечника 20 ротора, когда они достигают другой стороны барьера 211 для потока. Другими словами, конец моста 212, близкий к постоянному магниту, находится дальше от радиально наружной поверхности сердечника 20 ротора, чем противоположный конец этого моста 212.

Когда мосты 212 сконфигурированы таким образом, чтобы быть диагональными согласно способу этого варианта осуществления, изгибающий момент, вызванный центробежной силой, действующей на внутреннюю часть 221, пресекается, так что получающееся в результате механическое напряжение уменьшается. В результате, прочность увеличивается. Таким образом, с помощью этого варианта осуществления мост 221 может быть выполнен еще более узким, чем с помощью четвертого варианта осуществления. Когда это сделано, магнитному потоку, вызванному вращающимся магнитным полем обмотки статора, становится труднее протекать в мостах 212, чем в четвертом варианте осуществления. Следовательно, этот вариант осуществления предотвращает утечку магнитного потока еще более эффективно, чем предыдущие варианты осуществления. Соответственно, может быть дополнительно повышена точность, с которой оценивается угловое положение ротора.

Фиг. 8 сравнивает примерные результаты, полученные с помощью второго-пятого вариантов осуществления. На фиг. 8 примерные результаты, полученные с помощью второго варианта осуществления, представлены ромбами, примерные результаты, полученные с помощью третьего варианта осуществления, представлены квадратами, примерные результаты, полученные с помощью четвертого варианта осуществления, представлены треугольниками, и примерные результаты, полученные с помощью пятого варианта осуществления, представлены символами X. На фиг. 8 горизонтальная ось указывает нагрузку, а вертикальная ось указывает погрешность оцененного положения (погрешность оценки положения). Погрешность указывается как положительная или отрицательная погрешность относительно основной погрешности, равной нулю. Со вторым вариантом осуществления погрешность оценки ошибки небольшая по сравнению с ротором 1, не снабженным мостом, и угловое положение ротора 1 оценивается с повышенной точностью. С третьим вариантом осуществления, выходной крутящий момент является удовлетворительным, но погрешность оценки положения больше в области низкой нагрузки. С четвертым вариантом осуществления, погрешность оценки положения небольшая даже при низких нагрузках, и угловое положение ротора оценивается с повышенной точностью во всех областях нагрузки. С пятым вариантом осуществления, погрешность оценки положения даже меньше во всех областях нагрузки, и угловое положение ротора оценивается с повышенной точностью.

Настоящее изобретение не ограничено вариантами осуществления, объясненными в данном документе. Скорее, должно быть очевидно специалистам в данной области техники, что различные варианты и модификации могут быть выполнены без отступления от технических рамок изобретения. Например, в вариантах осуществления, барьерами для потока являются слои воздуха, но применимо, чтобы барьеры для потока были пространствами, заполненными смолой или другим материалом, имеющим меньшую магнитную проницаемость, чем электромагнитные стальные пластины, используемые в сердечнике 20 ротора. Также, хотя во втором варианте осуществления группа 25 барьеров 251 для потока предусмотрена в положениях, находящихся радиально снаружи группы 21 барьеров 211 для потока, можно предусматривать еще одну группу барьеров для потока или множество дополнительных групп барьеров для потока. Кроме того, хотя не предусмотрен мост, соединяющий внутренний край 251a и внешний край 251b барьеров 251 для потока, например во втором варианте осуществления, можно предусматривать такой мост в любом из барьеров для потока в любом из вариантов осуществления. Кроме того, в пятом варианте осуществления, мосты 212 размещены так, что они приближаются к внешней поверхности, поскольку они проходят от постоянных магнитов 31. Однако также можно размещать мосты 212 под углом в противоположном направлении, так что концы мостов 212, ближайшие к постоянным магнитам 31, находятся ближе к внешней поверхности ротора 1. Мосты могут иметь другие формы и могут быть расположены в других местоположениях в барьерах для потока, чтобы оказывать влияние на утечку потока по желанию.

Например, в вариантах осуществления, описанных выше, барьеры для потока (например, 21, 211, 251, упомянутые выше) размещены симметрично вокруг q-оси. Также следует отметить, что барьеры для потока могут быть размещены симметрично с фиксированным углом вокруг центра магнита (т.е. d-оси), в таком случае барьеры для потока не размещаются с фиксированным механическим углом в сердечнике 20 ротора. Также барьеры для потока необязательно должны выступать в направлении вала 10 ротора, а могут также выступать в направлении внешней поверхности сердечника 20 ротора. Другими словами, закругленная часть барьера для потока будет близкой к внешней поверхности сердечника 20 ротора, а концы барьера для потока будут проходить в направлении вала 10 ротора. Конечно, барьеры для потока могут быть размещены и ориентированы любым подходящим образом относительно вала 10 ротора и внешней поверхности сердечника 20 ротора. Кроме того, барьеры для потока (например, 21, 211, 251, которые обсуждены выше) могут быть над и под магнитом, если смотреть в плоскости поперечного сечения. Примеры, обсужденные выше, иллюстрируют барьеры для потока, находящиеся над магнитом. Однако один или более барьеров для потока могут быть сконфигурированы так, что каждый из концов барьера для потока находится близко к соответствующему магниту, а дугообразная часть барьера для потока находится близко к валу 10 ротора. Другими словами, обращаясь к фиг. 1A, конец барьера для потока, имеющего ссылочный номер 211 (21), указывающий на него, будет расположен близко к S-полюсу магнита, пересеченного d-осью, а противоположный конец барьера для потока будет ближе к N-полюсу другого магнита с дугообразной частью барьера для потока, находящейся близко к валу 10 ротора, как показано в частичном разрезе на фиг. 2. В этом случае, мост 212 вероятно сконфигурирован таким образом, чтобы иметь большую W1, чем в вариантах осуществления, в которых барьер для потока находится под магнитами. Естественно, как обсуждалось выше, по меньшей мере, некоторые из барьеров для потока во всех конфигурациях, обсужденных выше, могут не включать в себя мост.

Кроме того, структуры и функции одного варианта осуществления могут быть приняты в другом варианте осуществления. Необязательно, чтобы все преимущества присутствовали в отдельном варианте осуществления в одно и то же время. Каждый признак, который является уникальным от предшествующего уровня техники, один или в комбинации с другими признаками, также должен рассматриваться как отдельное описание дополнительных изобретений заявителем, включающим в себя структурные и/или функциональные концепции, осуществленные посредством такого признака (признаков). Таким образом, предшествующие описания вариантов осуществления согласно настоящему изобретению предоставлены только для иллюстрации, а не с целью ограничения изобретения, которое определено прилагаемой формулой изобретения и ее эквивалентами.

Claims

1. Ротор вращающейся электрической машины, содержащий:
вал ротора;
сердечник ротора, предусмотренный на валу ротора и включающий в себя группу барьеров для потока, размещенных с интервалами, причем, по меньшей мере, один из барьеров для потока включает в себя, по меньшей мере, один мост, соединяющий внутренний край и внешний край барьера; и
группу постоянных магнитов, размещенную в сердечнике ротора между барьерами для потока, если смотреть в плоскости поперечного сечения;
при этом мост сформирован вдоль q-оси, которая электрически ортогональна d-оси, совпадающей с центральной осью магнитного полюса постоянного магнита; причем конец барьера для потока расположен вблизи S-полюса магнита, пересеченного d-осью, а противоположный конец барьера для потока расположен вблизи N-полюса другого магнита с дугообразной частью барьера для потока, находящейся вблизи вала ротора.

2. Ротор по п.1, в котором мост имеет ширину, достаточную для противостояния центробежной силе, действующей на часть сердечника ротора, расположенную радиально снаружи от барьеров для потока, чтобы предотвращать деформацию части сердечника ротора вследствие центробежной силы.

3. Ротор по п.1, в котором мост сформирован вдоль q-оси, которая электрически ортогональна d-оси, соответствующей центральной оси магнитного полюса одного из постоянных магнитов, если смотреть в плоскости поперечного сечения.

4. Ротор по п.1, в котором два моста сформированы в, по меньшей мере, одном из барьеров для потока таким образом, чтобы быть симметрично разнесенными с противоположных сторон q-оси, которая электрически ортогональна d-оси, соответствующей центральной оси магнитного полюса одного из постоянных магнитов, если смотреть в плоскости поперечного сечения.

5. Ротор по п.4, в котором каждый из мостов сформирован рядом с соответствующим одним из постоянных магнитов;
причем расстояние между одним из барьеров для потока и соответствующим одним из постоянных магнитов обратно пропорционально степени, до которой мост этого одного из барьеров для потока становится магнитно-насыщенным посредством магнитного потока, обеспечиваемого постоянными магнитами рядом с мостами этого одного из барьеров для потока.

6. Ротор по п.5, в котором мосты сконфигурированы таким образом, чтобы приближаться к внешней окружности сердечника ротора, поскольку они проходят от их соответствующих постоянных магнитов.

7. Ротор по п.1, в котором сердечник ротора дополнительно снабжен, по меньшей мере, одной дополнительной группой барьеров для потока, размещенных дальше в направлении внешней окружности сердечника ротора, чем барьеры для потока.

8. Ротор по п.7, в котором каждый из барьеров для потока дополнительной группы барьеров для потока сконфигурирован без какого-либо из мостов.

9. Ротор по п.1, в котором барьеры для потока размещены с интервалами фиксированного механического угла.

10. Ротор по п.2, в котором мост сформирован вдоль q-оси, которая электрически ортогональна d-оси, соответствующей центральной оси магнитного полюса одного из постоянных магнитов, если смотреть в плоскости поперечного сечения.

11. Ротор по п.2, в котором два моста сформированы в, по меньшей мере, одном из барьеров для потока так, чтобы быть симметрично разнесенными с противоположных сторон q-оси, которая электрически ортогональна d-оси, соответствующей центральной оси магнитного полюса одного из постоянных магнитов, если смотреть в плоскости поперечного сечения.

12. Ротор по п.11, в котором каждый из мостов сформирован рядом с соответствующим одним из постоянных магнитов;
причем расстояние между одним из барьеров для потока и соответствующим одним из постоянных магнитов обратно пропорционально степени, до которой мост этого одного из барьеров для потока становится магнитно-насыщенным посредством магнитного потока, обеспечиваемого постоянными магнитами рядом с мостами этого одного из барьеров для потока.

13. Ротор по п.12, в котором мосты сконфигурированы таким образом, чтобы приближаться к внешней окружности сердечника ротора, поскольку они проходят от их соответствующих постоянных магнитов.

14. Ротор по п.13, в котором сердечник ротора дополнительно снабжен, по меньшей мере, одной дополнительной группой барьеров для потока, размещенных дальше в направлении внешней окружности сердечника ротора, чем барьеры для потока.

15. Ротор по п.14, в котором каждый из барьеров для потока дополнительной группы барьеров для потока сконфигурирован без какого-либо из мостов.

16. Ротор по п.2, в котором сердечник ротора дополнительно снабжен, по меньшей мере, одной дополнительной группой барьеров для потока, размещенных дальше в направлении внешней окружности сердечника ротора, чем барьеры для потока.

17. Ротор по п.16, в котором каждый из барьеров для потока дополнительной группы барьеров для потока сконфигурирован без какого-либо из мостов.

18. Ротор по п.1, в котором форма, по меньшей мере, одного из барьеров для потока является дугообразной с изогнутой частью, выступающей в направлении оси вращения вала ротора, и открытой частью, обращенной к внешней поверхности сердечника ротора.

19. Ротор вращающейся электрической машины, содержащий:
вал ротора;
сердечник ротора, предусмотренный на валу ротора и включающий в себя группу барьеров для потока, размещенных с интервалами, причем, по меньшей мере, один из барьеров для потока включает в себя, по меньшей мере, один мост, соединяющий его внутренний край и внешний край; и
группу постоянных магнитов, размещенную в сердечнике ротора между барьерами для потока, если смотреть в плоскости поперечного сечения;
при этом барьеры для потока выступают в направлении вала ротора, если смотреть в плоскости поперечного сечения, которая перпендикулярна оси вращения вала ротора.

20. Ротор по п.19, в котором, по меньшей мере, один из барьеров для потока имеет дугообразную форму с изогнутой частью, выступающей в направлении оси вращения вала ротора, и открытой частью, обращенной к внешней поверхности сердечника ротора.