DE102005009523A1

DE102005009523A1 - Elektrische Axialspalt-Rotationsmaschine

Info

Publication number: DE102005009523A1
Application number: DE102005009523A
Authority: DE
Inventors: Masahiro Hasebe; Masami Ishikawa; Akira Mizuno
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2004-03-03
Filing date: 2005-03-02
Publication date: 2005-10-06
Also published as: US7187098B2; US20050194855A1

Abstract

Eine elektrische Axialspalt-Rotationsmaschine ist mit Permanentmagneten und Kernen in einem Rotor versehen. Die Permanentmagnete sind derart orientiert, dass die Magnetisierungsoberflächen in die Umlaufrichtung des Rotors zeigen. Die Kerne sind abwechselnd mit dem Permanentmagneten in der Umlaufrichtung des Rotors angeordnet. Die Größe des magnetischen Flusses auf der Außenseite des Rotors in radialer Richtung ist größer als die Größe des magnetischen Flusses auf der Innenseite des Rotors in radialer Richtung gemacht. Als Ergebnis kann die magnetische Flussdichte an den Rotorkernen in der radialen Richtung des Rotors im Wesentlichen konstant gemacht werden, und die Drehmomentabgabe in Bezug auf die Größe der Permanentmagneten wird verbessert, indem eine magnetische Sättigung der Kerne verhindert wird.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Rotationsmaschine wie einen Motor oder einen Generator. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine elektrische Axialspalt-Rotationsmaschine (Rotationsmaschine mit einem axialen Spalt), bei der ein scheibenförmiger Rotor und ein Stator in axialer Richtung einander gegenüberliegend orientiert sind.
Ein sogenannter Axialspaltmotor ist bekannt, bei dem ein Stator derart angeordnet ist, dass er in axialer Richtung Endoberflächen eines scheibenförmigen Rotors über einem Luftspalt (Lücke) entgegengesetzt ist. Dieser Motor erhält eine Rotationsantriebskraft aus einer Magnetkraft, die zwischen den axial gegenüberliegenden Oberflächen des Rotors und des Stators wirkt. Der Axialspaltmotor (Motor mit axialem Spalt) ist vorteilhaft dahingehend, dass er in axialer Richtung dünner als ein sogenannter Radialmotor ausgeführt werden kann, der einen herkömmlichen zylindrischen Rotor und einen ringförmigen Stator aufweist, die die Umfangsoberfläche des Rotors umgibt.

Gegenwärtige sind verschiedene Bauarten von Rotoren für Axialspaltmotoren bekannt: eine Reluktanzbauart, die Magnetmaterialverdichtungen (asperities) an einer Endoberfläche aufweist, die einem Stator zugewandt ist, eine Permanentmagnetbauart, die N-Pole und S-Pole entsprechend Rotationsantriebsmagnetpole des Stators aufweist, und eine Induktionskörperbauart, bei dem Induktionsstäbe in Radialrichtung ausgerichtet sind (vgl. JP-A-10-80113 , Absatz 0022). Zur Konstruktion eines dünnen Motors mit einem Rotor und einem Paar von Statoren, die den Rotor sandwichartig umgeben, wendet der in JP-A-10-80113 offenbarte Motor einen Aufbau an, in der hervorspringende Pole an einer Seite des Rotors angeordnet sind, und Permanentmagnete an der anderen Seite des Rotors angeordnet sind, so dass ihre Magnetisierungsoberflächen (Magnetpole) in axialer Richtung des Rotors zeigen. Als Ergebnis wird ein Reluktanzdrehmoment an der Seite mit den vorspringenden Polen erzeugt, und wird auf der Seite mit den Permanentmagneten ein Permanentmagnetdrehmoment erzeugt.

Der Anmelder hat einen Aufbau erfunden, bei der Kerne und Permanentmagnete abwechselnd in Umlaufrichtung an einer Seite des Rotors angeordnet sind, wobei die Permanentmagnete derart orientiert sind, dass ihre Magnetisierungsoberflächen in Umlaufrichtung des Rotors zeigen. Als Ergebnis können sowohl ein Reluktanzdrehmoment als auch ein Permanentmagnetdrehmoment auf einer Seite des Rotors erzeugt werden. Somit ermöglicht dieser Aufbau, dass das an einer Rotorseite erzeugbare Drehmoment im Vergleich zu der in der JP-A-10-80113 (die nachstehend einfach als Stand der Technik bezeichnet ist) erhöht wird, so dass ein höheres Drehmoment als das erzeugt werden kann, das mit dem Axialspaltmotor gemäß dem Stand der Technik erzeugt wird.

Mit dieser Art des Aufbaus, bei der die Magnetisierungsoberflächen der Permanentmagnete in Umlaufrichtung des Motors zeigen, gelangt jedoch der Magnetpfad von dem Permanentmagneten durch die Kerne, die benachbart zu dem Permanentmagneten liegen. Als Ergebnis wird die Breite des Magnetpfads an der inneren umlaufenden Seite des Rotors enger, als er an der äußeren umlaufenden Seite ist, so dass der Magnetpfad an dem äußeren Umfang und der Magnetpfad an dem inneren Umfang ungleichmäßig sind. Wenn auf diese Weise der Magnetpfad an dem inneren Umfang eng ist und an dem äußeren Umfang breit ist, befindet sich der Magnetflussvektor von dem Permanentmagneten nicht in Umlaufrichtung, sondern zeigt stattdessen zu dem äußeren Umfang. Wenn eine Komponente in radialer Richtung des Rotors in dem Magnetflussvektor erzeugt wird, trägt diese Komponente nicht zu der Antriebskraft bei, die den Rotor in Rotation versetzt, so dass die Magnetkraft der Permanentmagneten sich nicht ausreichend in dem Drehmoment niederschlagen.

Weiterhin ist bei einem Aufbau, bei der die Magnetisierungsoberflächen der Permanentmagneten in Umlaufrichtung des Rotors zeigen, der Magnetpfad an der inneren umlaufenden Seite an dem Kernabschnitt eng, was dazu führt, dass die Magnetflussdichte an der inneren umlaufenden Seite zu groß wird. Als Ergebnis tritt eine magnetische Sättigung aufgrund der Eigenschaften der elektromagnetischen Stahlbleche auf, die als Kernmaterial verwendet werden. Wenn eine magnetische Sättigung auf diese Weise auftritt, verringert sich die Größe des magnetischen Flusses in Bezug auf die Größe (das Volumen) des Magneten. Als Ergebnis können die Permanentmagneten nicht effektiv verwendet werden, was zu Problemen wie eine Erhöhung im Gewicht und in den Kosten führt.

Gemäß dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik sind die Permanentmagneten derart angeordnet, dass ihre Magnetoberflächen in axialer Richtung des Rotors zeigen, und es gibt ein rückseitiges Joch, das den Magnetpfad an einem der Magnetisierungsoberflächen bildet, so dass die vorstehend beschriebenen Probleme nicht auftreten. Da jedoch die Magnetpole der Permanentmagneten in Richtung der Rotationsachse zeigen, kann ein Drehmoment, das durch den vorstehend beschriebenen Aufbau gemäß der Erfindung des Anmelders erhalten wird, nicht ausgegeben werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Hauptaufgabe zugrunde, die Magnetflussdichte in den Kernen des Rotors in radialer Richtung des Rotors im Wesentlichen konstant zu machen und die Drehmomentabgabe in Bezug auf die Größe der Permanentmagneten zu verbessern, indem eine magnetische Sättigung der Kerne in einer elektrischen Rotationsaxialspaltmaschine verhindert wird, die die Ausgabe eines hohen Drehmoments ermöglicht, indem die Magnetisierungsoberflächen der Permanentmagneten in Umlaufrichtung des Rotors ausgerichtet werden, wie es vorstehend beschrieben worden ist.

Zum Lösen dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß eine elektrische Axialspalt-Rotationsmaschine angegeben, bei der ein Rotor und ein Stator sich gegeneinander über einen Luftspalt in axialer Richtung gegenüberliegend angeordent sind, und Permanentmagnete und Kerne in dem Rotor angeordnet sind, wobei die Permanentmagnete derart orientiert sind, dass ihre Magnetisierungsoberflächen in Umlaufrichtung des Rotors zeigen, die Kerne abwechselnd mit den Permanentmagneten in Umlaufrichtung des Rotors angeordnet sind, und eine Größe des magnetischen Flusses auf der Außenseite in radialer Richtung des Rotors derart eingestellt ist, dass sie größer als die Größe des magnetischen Flusses auf der Innenseite in radialer Richtung des Rotors ist.

Bei dem vorstehend beschriebenen Aufbau kann ein Aufbau, bei dem die Größe des Magnetflusses auf der Außenseite in radialer Richtung des Rotors derart eingestellt ist, dass sie größer als die Größe des Magnetflusses auf der Innenseite der radialen Richtung ist, dadurch verwirklicht werden, dass eine Querschnittsfläche pro Längeneinheit der Permanentmagnete in radialer Richtung des Rotors auf der äußeren Umfangsseite größer als auf der inneren Umfangsseite gemacht ist.

Bei dem vorstehend beschriebenen Aufbau kann ein Aufbau, bei dem die Größe des magnetischen Flusses auf der Außenseite des Rotors in radialer Richtung derart eingestellt ist, dass die Größe des magnetischen Flusses auf der Innenseite in radialer Richtung ist, dadurch verwirklicht werden, dass eine magnetomotorische Kraft jeder Position der Permanentmagneten in radialer Richtung des Rotors auf der äußeren Umfangsseite des Rotors größer gemacht wird als auf der inneren Umfangsseite des Rotors.

Bei dem vorstehend beschriebenen Aufbau kann ein Aufbau, bei dem die Größe des Magnetflusses der Permanentmagnete auf der Außenseite in radialer Richtung des Rotors derart eingestellt ist, dass sie größer als die Größe des Magnetflusses auf der Innenseite in radialer Richtung ist, dadurch verwirklicht werden, dass eine Magnetflussdichte jeder Position in radialer Richtung des Rotors an den Magnetisierungsoberflächen der Permanentmagnete auf der äußeren radialen Seite größer als auf der inneren radialen Seite gemacht wird.

Wenn die Größe des Magnetflusses durch Ändern der Querschnittsfläche wie vorstehend beschrieben justiert wird, sind die Permanentmagneten derart aufgebaut, dass sie bei Betrachtung in axialer Richtung des Rotors auf der inneren radialen Seite des Rotors dünner als auf der äußeren radialen Seite des Rotors sind.

Wenn die Größe des Magnetflusses durch Ändern der magnetomotorischen Kraft justiert wird, sind die Permanentmagneten derart aufgebaut, dass sie bei Betrachtung in Umlaufrichtung des Rotors auf der inneren radialen Seite kleiner als auf der äußeren radialen Seite des Rotors sind.

Wenn die Größe des Magnetflusses durch Ändern der Größe der Magnetisierung justiert wird, sind die Permanentmagneten derart aufgebaut, dass die Größe der Magnetisierung der Permanentmagnete in der radialen Richtung des Rotors auf der inneren radialen Seite kleiner als auf der äußeren radialen Seite ist.

In allen vorstehend beschriebenen Fällen ist die Magnetflussdichte in den Kernen des Rotors vorzugsweise in der radialen Richtung des Rotors im Wesentlichen konstant gemacht.

Bei der elektrischen Axialspalt-Rotationsmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Größe des Magentflusses auf der Außenseite des Rotors in radialer Richtung größer als die Größe des Magnetflusses auf der Innenseite des Rotors in radialer Richtung eingestellt, was ermöglicht, dass die Magnetflussdichte in den Kernen des Rotors in radialer Richtung im wesentlichen konstant gemacht wird, als auch die Drehmomentabgabe in Bezug auf die Größe der Permanentmagneten verbessert, indem eine Sättigung der Kerne vermieden wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine repräsentative Teildraufsicht eines Aufbaus eines Rotors einer elektrischen Axialspalt-Rotationsmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung,
2 eine repräsentative Draufsicht eines Aufbaus gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
3 eine Querschnittdarstellung entlang einer Linie A-A' in 2,
4 vergrößerte Querschnittsansichten, die entlang der Linien B-B' und C-C' in 2 genommen sind, die vergrößert und vertikal angeordnet sind,
5 einen Graphen, der das Verhältnis zwischen der Magnetpfadbreite und der Magnetflussdichte veranschaulicht, wenn die Größe des Magnetflusses der Permanentmagneten konstant ist,
6 einen Graphen, der das Verhältnis zwischen der Magnetpfadbreite und der Magnetflussdichte veranschaulicht, wenn die Größe des Magnetflusses der Permanentmagneten an der inneren radialen Seite des Rotors verringert worden ist,
7 eine detailliertere Querschnittsansicht des Aufbaus gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, wenn diese ein Axialmotor mit doppeltem Rotor ist,
8 eine repräsentative Draufsicht eines Aufbaus gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
9 vergrößerte Querschnittsansichten, die entlang der Linien D-D' und E-E' in 8 genommen sind, die vergrößert und vertikal angeordnet worden sind,
10 eine vergrößerte Querschnittsansicht von Querschnitten in Umlaufrichtung an einer äußeren radialen Seite und einer inneren radialen Seite einer elektrischen Axialspalt-Rotationsmaschine gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
11 eine repräsentative Querschnittsansicht einer elektrischen Axialspalt-Rotationsmaschine gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß einer Anwendung der vorliegenden Erfindung,
12 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung eines Aufbaus eines Rotors einer elektrischen Rotationsmaschine,
13 eine Teilquerschnittsansicht des Aufbaus des Rotors der elektrischen Rotationsmaschine,
14 eine repräsentative Vorderansicht verschiedener geschichteter Rotorkernaufbauten,
15 eine Querschnittsansicht eines Aufbaus eines modifizierten Beispiels für die elektrische Rotationsmaschine gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
16 eine repräsentative Querschnittsansicht des Aufbaus der elektrischen Rotationsmaschine gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,
17 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung des Aufbaus des Rotors der elektrischen Rotationsmaschine, und
18 eine Teilquerschnittsansicht des Aufbaus des Rotors der elektrischen Rotationsmaschine.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Magnetflussdichte an dem Kern des Rotors vorzugsweise in der radialen Richtung des Rotors im Wesentlichen konstant gemacht. Der Grund dafür, warum dieses effektiv ist, ist nachstehend beschrieben.
1 zeigt eine Teildraufsicht eines Rotors, wenn dieser von einer Seite betrachtet wird, die einem Stator zugewandt ist. Wie es in der Darstellung gezeigt ist, wird die Fläche der Abschnitte A0 und A1, die durch kleine Punkte in der Darstellung angegeben sind, zu der äußeren radialen Seite des Kerns 12 hin größer. In dem Rotor, der in Umlaufrichtung orientierte Magnetisierungsoberflächen und abwechselnd mit den Kernen in Umlaufrichtung angeordnete Magnete aufweist, gelangt der von den Permanentmagneten erzeugte Magnetfluss durch die Kerne 12. Dabei sind die Kerne allgemein fächerförmig, so dass die Umlauflänge (Magnetpfadbreite) WO der infinitesimalen Länge Dw in radialer Richtung des Abschnitts (an der Außenseite in radialer Richtung), der durch das Bezugszeichen A0 bezeichnet ist, größer als die Umlauflänge (Magnetpfadbreite) W1 der infinitesimalen Länge DW in radialer Richtung des Abschnitts (auf der Innenseite in radialer Richtung) ist, der durch das Bezugszeichen A1 bezeichnet ist.
Die Magnetflussdichte in den Kernen ist umgekehrt proportional zu der Magnetpfadbreite. Falls daher die Magnetflussdichte an den Magnetoberflächen 11a, 11b der Permanentmagneten 11 konstant ist, und in radialer Richtung nicht fluktuiert und die Dicke des Permanentmagneten 11 in axialer Richtung des Rotors (d.h. in der Richtung senkrecht zu der Zeichnungsebene) ebenfalls konstant ist, wird die Magnetflussdichte in den Kernen an dem Abschnitt (an der Innenseite in der Radialrichtung des Rotors), der durch das Bezugszeichen A1 bezeichnet ist, größer, als er an dem Abschnitt (auf der Außenseite in der radialen Richtung des Rotors) ist, der durch das Bezugszeichen A0 bezeichnet ist.
Falls die Magnetpfadbreite in der Umlaufrichtung der Kerne (d.h. der Länge in der Umlaufrichtung der Kerne) durch Änderung seiner radialen Position geändert wird, erzeugt die Magnetflussdichte eine grobe (crude) Dichte in der radialen Richtung, und die Magnetflussdichte verschiebt sich tatsächlich zu der groben Seite. Das heißt, dass der durch die Permanentmagnete 11 erzeugte Magnetflussdichtenvektor eine Komponente in radialer Richtung erzeugt. Da diese radiale Komponente der Magnetflussdichte nicht zu der Kraft beiträgt, die den Rotor in Drehung versetzt, ist diese Größe der Magnetkraft verschwendet. Daher ist es effektiv, die Magnetflussdichte der Kerne an der infinitesimalen Länge DW in der radialen Richtung derart einzustellen, dass sie konstant ist, und in radialer Richtung nicht fluktuiert, wie es vorstehend beschrieben worden ist.
Die vorliegende Erfindung ist durch die Tatsache gekennzeichnet, dass der Rotor mit Permanentmagneten versehen ist, bei denen die Größe des Magnetflusses auf der Außenseite in der radialen Richtung größer als die Größe des Magnetflusses auf der Innenseite in der radialen Richtung eingestellt ist. Die Magnetflussdichte in den Kernen ist proportional zu der durch die Permanentmagneten erzeugte Magnetflussdichte, so dass die Verringerung in der Magnetflussdichte auf der Außenseite des Rotors aufgrund der Magnetpfadbreite, die breiter auf der Außenseite des Rotors als auf der Innenseite des Rotors ist, durch die Erhöhung der Größe des durch die Permanentmagneten erzeugten Magnetflusses auf der Außenseite des Rotors aufgehoben (offset) wird. Als Ergebnis kann die Magnetflussdichte in den Kernen in der radialen Richtung im Wesentlichen konstant gemacht werden, d.h., dass die von dem Permanentmagneten 11 erzeugten Magnetflussvektoren alle derart dazu gebracht werden können, dass sie in die Umlaufrichtung zeigen, so dass die Magnetkraft der Permanentmagneten 11 effizient als Drehmoment verwendet werden kann.
Dabei kann die Größe des durch die Permanentmagneten erzeugten Magnetflusses auf der Außenseite des Rotors beispielsweise dadurch groß eingestellt werden, indem, beispielsweise a) die Permanentmagneten in axialer Richtung auf der äußeren radialen Seite dicker als auf der inneren radialen Seite ausgeführt werden, b) die Permanentmagneten in Umlaufrichtung auf der äußeren radialen Seite breiter als auf der inneren radialen Seite ausgeführt werden, c) die Größe der Magnetisierung der Permanentmagneten an der äußeren radialen Seite größer ausgeführt wird, als wie es auf der inneren radialen Seite ist, oder d) die magnetomotorische Kraft der Permanentmagneten auf der äußeren radialen Seite größer gemacht wird, als wie es auf der inneren radialen Seite ist.
Weiterhin gibt es, wenn die Permanentmagneten des Rotors in radialer Richtung einen gleichförmigen Magnetfluss erzeugen, eine Möglichkeit, dass eine magnetische Sättigung aufgrund der kleinen Magnetpfadbreite der Kerne auf der Innenseite in der radialen Richtung des Rotors auftritt, selbst falls keine magnetische Sättigung in den Kernen aufgrund der großen Magnetpfadbreite der Kerne auf der Außenseite in radialer Richtung auftritt. Mit der vorliegenden Erfindung kann jedoch die Magnetflussdichte innerhalb der Rotorkerne in radialer Richtung konstant gemacht werden. Das heißt, dass keine magnetische Sättigung in den Kernen auftreten wird. Somit kann gemäß der vorliegenden Erfindung die Magnetkraft der Permanentmagnete effektiv für die Rotationsantriebskraft verwendet werden.
Erstes Ausführungsbeispiel
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben. 2 bis 4 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel. Dieses Ausführungsbeispiel verwirklicht einen Aufbau, bei dem die Größe des Magnetflusses auf der Außenseite in radialer Richtung eines Rotors 1 größer als die Größe des Magnetflusses auf der Innenseite in radialer Richtung gemacht wird, indem eine Querschnittsfläche (S) pro Längeneinheit (d.h. die dW) in radialer Richtung des Rotors von Permanentmagneten (die nachstehend in den Ausführungsbeispielen einfach als "Magnete" bezeichnet sind) 11 an der äußeren umlaufenden Seite größer als an der inneren umlaufenden Seite gemacht wird. Genauer sind die Magnete 11 mit diesem Ausführungsbeispiel aus axialer Richtung des Rotors 1 gesehen (in der Richtung senkrecht zu der Zeichnungsebene) auf der inneren radialen Seite des Rotors dünner als auf der äußeren radialen Seite des Rotors gemacht.
2 zeigt eine repräsentative Draufsicht des Rotors, von der Seite aus gesehen, die dem Stator zugewandt ist. 3 zeigt eine repräsentative Querschnittsansicht eines Querschnitts, der entlang einer Linie A-A' in 2 genommen ist. 4 zeigt eine repräsentative Querschnittsansicht von Querschnitten, die entlang der Linien B-B' und C-C' in 2 genommen sind. Wie es in 2 gezeigt ist, sind die Magnete 11 und die Kerne 12 mit diesem Beispiel in dem Rotor 1 angeordnet. Die Magnete 11 sind derart orientiert, dass die Magnetisierungsoberflächen 11a und 11b in Umlaufrichtung des Rotors zeigen und gleiche Pole einander zugewandt sind, d.h. N-Pole sind N-Polen zugewandt und S-Pole sind S-Polen zugewandt, wie es in 4 gezeigt ist. Die Kerne 12 sind abwechselnd mit den Magneten 11 in Umlaufrichtung des Rotors angeordnet. Die Magnete 11 sind stabförmig mit rechteckigen Querschnitten und weisen eine konstante Breite in Umlaufrichtung des Rotors auf.
Um die Fläche der Magnetisierungsoberflächen auf der äußeren Umfangsseite größer als auf der inneren Umfangsseite zu machen, ist jeder Magnet 11 auf der inneren radialen Seite dünner als auf der äußeren radialen Seite gemacht (d.h. die Länge jedes Magneten 11 in axialer Richtung des Rotors ist auf der inneren radialen Seite kürzer als auf der äußeren radialen Seite gemacht), wie es in 3 gezeigt ist. Das heißt, dass die Dicke der Magneten 11 auf der äußersten radialen Seite (die linke Seite in der Zeichnung) dieselbe wie die Dicke der Kerne 12 ist. Von der äußeren radialen Seite zu der inneren radialen Seite werden die Magnete 11 dünner, wenn sich die Oberfläche 11c der Magneten 11 von der Oberfläche 12a der Kerne 12 entfernt, und sind derart abgeschrägt, dass sie näher zu der hinteren Oberfläche 11d der Magneten 11 werden, die eben mit einer hinteren Oberfläche 12b der Kerne 12 ist. Die Dicke der Rotorkerne 12 ist an dem inneren Radius derselbe wie an dem äußeren Radius, um ein Reluktanzdrehmoment zu gewährleisten.
Entsprechend des Aufbaus gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird, wenn die Magnetpfadbreite W ist und die Magnetdicke d ist, die Magnetflussdichte B der Kerne 12 in dem Bereich der infinitesimalen Länge dW in radialer Richtung des Rotors auf der Seite der Kerne 12, die den Stator zugewandt ist: B = k(d × dW/W × dW)
Dabei ist k die Magnetflussdichte an den Magnetisierungsoberflächen 11a und 11b. Dabei stellt der Term d × dW die Fläche durch das Produkt der infinitesimalen Länge dW in radialer Richtung der Magneten 11 und der Länge d in Richtung der Dicke des Rotors dar. Dementsprechend stellt k × d × dW die Größe des Magnetflusses dar, die durch die Magnetisierungsoberflächen dieser Fläche erzeugt wird. Diese Größe des Magnetflusses gelangt durch die Magnetpfadbreite W in Umlaufrichtung unter infinitesimalen Länge dW in radialer Richtung der Rotoroberfläche der Kerne 12, weshalb die Magnetflussdichte d durch die vorstehend beschriebene Gleichung erhalten wird.
Wenn die Magnetpfadbreite auf der äußeren radialen Seite WO und die Magnetdicke auf der äußeren radialen Seite d0 ist, wird, wie es in 4 gezeigt ist, die Magnetflussdichte der Kerne an der äußeren radialen Seite B0 = k(d0/W0)
Wenn die Magnetpfadbreite auf der inneren radialen Seite W1 und die Magnetdicke auf der inneren radialen Seite d1 ist, wird die Magnetflussdichte auf der inneren radialen Seite der Kerne B1 = k(d1/W1)
Dementsprechend muss, da das Verhältnis B0/B1 dieser Magnetflussdichten gleich (d0/d1) × (W1/W0) ist und das Verhältnis der Magnetpfadbreiten (W1/W0) kleiner als 1 ist, das Verhältnis der Magnetdicken (d0/d1) größer als 1 sein, damit die Magnetflussdichten auf der inneren radialen Seite und der äußeren radialen Seite gleich werden. Daher ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Magnetdicke auf der inneren radialen Seite kleiner als die Magnetdicke auf der äußeren radialen Seite gemacht.
Mit diesem Aufbau ist die Magnetpfadbreite W proportional zu deren Radius, so dass, falls in axialer Richtung die Dicke d des Rotors der Magneten 11 proportional zu dem Radius größer gemacht wird, das Verhältnis der Magnetdicken verwendet werden kann, um dem Magnetfluss auf der inneren radialen Seite zu dem Punkt zu verringern, zu dem die Magnetsättigung in dem Kernabschnitt auf der inneren radialen Seite nicht auftreten wird. Weiterhin können durch Einstellung des Verhältnisses der Magnetdicken auf einen vorbestimmten Wert die Magnetflussdichten auf der inneren radialen Seite und der äußeren radialen Seite gleich gemacht werden und können alle Magnetflussvektoren dazu gebracht werden, dass sie in Umlaufrichtung zeigen.
5 und 6 zeigen Graphen, die das Verhältnis zwischen der Magnetpfadbreite und der Magnetflussdichte in dem Kernabschnitt veranschaulichen. 5 zeigt einen Fall, in dem die Magnetflussdichte der Magnete konstant ist. In diesem Fall wird angenommen, dass die Magnete im Wesentlichen eine lineare Magnetflussdichte, die in der Zeichnung durch die abwechselnd lang und kurz gestrichelte Linie gezeigt ist, ebenfalls in den Kernen auf der inneren radialen Seite des Rotors erzeugen können. Jedoch ist die Magnetpfadbreite auf der inneren radialen Seite eng, so dass eine magnetische Sättigung auftritt und die Magnetflussdichte auf der inneren radialen Seite der Kerne abflacht.
Im Gegensatz dazu zeigt 6 einen Fall, in dem die Magnetflussdichte der Magneten auf der inneren radialen Seite verringert ist. In diesem Fall kann, wenn eine Verringerungsgröße der Magnetflussdichte der Magnete derart eingestellt wird, dass die Verringerung der Magnetflussdichte der Magnete und die Verringerung der Magnetpfadbreite sich einander aufheben, eine konstante Magnetflussdichte in den Kernen erzeugt werden. Als Ergebnis kann nicht nur eine magnetische Sättigung an der inneren radialen Seite der Kerne verhindert werden, sondern können alle magnetischen Flussvektoren dazu gebracht werden, dass sie in die Umlaufrichtung zeigen.
Das Verfahren zur Verringerung der Größe des Magnetflusses gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ermöglicht die Verringerung des Magnetflusses, so dass diese sich direkt in der Verringerung des Magnetvolumens niederschlägt, da die Magnetflussverringerungsgröße und die Magnetvolumenverringerungsgröße im Wesentlichen proportional sind. Somit ist dieses Verfahren sehr effektiv zur Verringerung des Gewichts der elektrischen Rotationsmaschine und zur Verringerung von Kosten im Vergleich mit den Verfahren gemäß den nachstehend beschriebenen anderen Ausführungsbeispielen.
7 zeigt eine Schnittdarstellung des detaillierten Aufbaus gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in dem Fall eines Axialspaltmotors mit doppeltem Rotor. Wie es in der Zeichnung dargestellt ist, sind ein Rotor 1 und ein Stator 2, die zusammen die elektrische Rotationsmaschine bilden, in einem Gehäuse 3 untergebracht. Das Gehäuse 3 weist einen Gehäuseabschnitt 31, in dem der Rotor 1 und der Stator 2 untergebracht ist, und einen Abdeckabschnitt 32 auf, der die offene Seite des Gehäuseabschnitts 31 abdeckt.
Die Magnete 11 und die nicht gezeigten Kerne des Rotors 1 sind in einer Rotationsstoppweise durch einen Keileingriff (spline engagement) mit einer Rotorwelle 10 über ein Paar Stützteile 13 gestützt, die aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt sind. Ein Abstandshalter 14 ist zwischen der inneren radialen Seite des Paars der Stützteile 13 und einem Nabenabschnitt angeordnet, der an dem äußeren Umfang der Rotorwelle 10 gepasst ist. Dieser Abstandshalter 14 fixiert über die Stützteile 13 den Abstand zwischen den gegenüberliegenden Magneten 11 und Kernen, die durch die jeweiligen Stützteile gestützt werden. Die Rotorwelle 10 ist drehbar an einer Endseite über Lager 33 in einem Öffnungsabschnitt einer vertikalen Wand des Gehäuseabschnitts 31 und an der anderen Endseite über Lager 34 in einem Öffnungsabschnitt einer vertikalen Wand der Abdeckung 32 gestützt.
In diesem Beispiel ist der gesamte Stator 2 ringförmig mit fächerförmigen Segmenten, in denen Spulen 22 um Statorkerne 21 gewickelt sind, die, in Umlaufrichtung angeordnet, an einem nichtmagnetischen Stützteil 20 befestigt sind. Der Stator 2 ist an dem Gehäuse 3 über das Stützteil 20 dadurch befestigt, dass der äußere Umfang des Stützteils 20 mit einem Bolzen an einem stufenförmigen Abschnitt des Gehäuseabschnitts 31 befestigt ist.
Das Positionsverhältnis in der Umlaufrichtung des Rotors der Magnete 11 und der Kerne des Rotors 1 dieses Aufbaus ist nachstehend beschrieben. Wie es in der Zeichnung dargestellt ist, ist jeder Magnet 11 derart geformt, dass dessen Dicke in der axialen Richtung des Rotors sich allmählich in radialer Richtung des Rotors verringert. In diesem Beispiel sind die Magnete 11 derart geformt, dass die Luftspaltseiten der Magnete 11 des Rotors 1, die dem Stator 2 zugewandt sind, parallel mit dem Luftspalt verlaufen, und die Rückseite der Magnete 11 des Rotors 1 abgeschrägt sind (d.h. derart, dass die Oberfläche 11c der Magneten 11 auf der Seite des Rotors 1, die dem Stator 2 zugewandt ist, auf gleicher Höhe wie die Oberfläche der Kerne 12 des Rotors 1 ist, und die Rückseite 11d der Magnete 11 abgeschrägt sind), was sich von dem vorstehend im Prinzip beschriebenen Ausführungsbeispiel unterscheidet. Die Wirkungen sind jedoch dieselben, wie es aus der vorhergehenden Beschreibung des Betriebs hervorgeht.
Ein Effekt, der spezifisch für diesen besonderen detaillierten Aufbau ist, ist der Vorteil der einfachen Beibehaltung des Luftspalts. Dies wird dadurch erzielt, dass die Rückseiten der Magnete 11 angewinkelt oder abgeschrägt sind, wie es vorstehend beschrieben worden ist, was dazu führt, dass die Stützteile 13 der Stützabschnitte der Magneten 11 in der axialen Richtung zu der inneren radialen Seite dicker sind, wodurch die Gewährleistung der Festigkeit der Stützteile 13 erleichtert wird.
Zweites Ausführungsbeispiel
Gemäß einem gemäß 8 und 9 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel wird ein Aufbau verwirklicht, bei der die Größe des Magnetflusses an der Außenseite in radialer Richtung des Rotors 1 größer als die Größe des Magnetflusses an der Innenseite in radialer Richtung gemacht wird, indem eine magnetomotorische Kraft (F) in jeder Position, in radialer Richtung des Rotors, der Magnete 11 an der äußeren umlaufenden Seite des Rotors größer gemacht wird, als sie an der inneren umlaufenden Seite des Rotors ist. Genauer sind die Magnete 11 in diesem Beispiel derart aufgebaut, dass ihre Breiten, wenn diese von der Umlaufrichtung des Rotors 1 aus gesehen werden, an der inneren radialen Seite des Rotors kleiner gemacht sind, als sie an der äußeren radialen Seite des Rotors sind.
8 zeigt eine repräsentative Draufsicht des Rotors von der Seite aus gesehen, die dem Stator zugewandt ist. 9 zeigt eine repräsentative Querschnittsansicht von Querschnitten, die entlang der Linien D-D' und E-E' von 8 genommen sind. Der grundsätzliche Aufbau gemäß diesem Beispiel ist dieselbe wie diejenige gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, so dass in der nachfolgenden Beschreibung entsprechende Teile durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet sind, und lediglich die Unterschiede gegenüber dem vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel beschrieben sind. Wie es in 8 gezeigt ist, sind die Magnete 11 gemäß diesem Beispiel ebenfalls fächerförmig mit rechteckförmigen Querschnitten und weisen eine konstante Dicke in axialer Richtung des Rotors auf.
Um die magnetomotorische Kraft (F) in radialer Richtung des Rotors größer an der äußeren umlaufenden Seite des Rotors zu machen, als sie an der inneren umlaufenden Seite des Rotors ist, ist die Breite I jedes der Magnete 11 aus der Umlaufrichtung des Rotors 1 gesehen an der inneren radialen Seite des Rotors kleiner als an der äußeren radialen Seite des Rotors gemacht, wie es in 9 gezeigt ist. Das heißt, dass die Dicke in radialer Richtung jedes Magneten 11 dieselbe wie die Dicke der Kerne 12 ist, jedoch die Breite in Umlaufrichtung jedes Magneten 11 enger gemacht ist, indem die Magnetisierungsoberflächen 11a und 11b derart angewinkelt sind, dass sie an der inneren radialen Seite näher aneinander kommen, als sie es an der äußeren radialen Seite sind. In diesem Fall ist ebenfalls die Dicke der Rotorkerne 12 an sowohl der inneren radialen Seite als auch der äußeren radialen Seite gleich ausgeführt, um ein Reluktanzdrehmoment zu gewährleisten.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind das Material und die Magnetisierungsoberflächen der Magnete 11 an der äußeren radialen Seite dieselben wie sie es an der inneren radialen sind, so dass die Koerzitivkraft der Magnete ebenfalls dieselbe an der äußeren radialen Seite ist wie sie es an der inneren radialen Seite ist. Dabei ist die Magnetkraft F(A) der Magnete 11 das Produkt der Koerzitivkraft Hc(kA/m) und der Dicke I (mm) zwischen den Magnetoberflächen. Das heißt: F = Hc × I
Wie es gemäß diesem Ausführungsbeispiel gezeigt ist, wird, wenn die Breite (die dieselbe wie die Dicke zwischen den Magnetisierungsoberflächen ist) I1 der Magnete 11 auf der inneren radialen Seite des Rotors enger als die Breite (d.h. die Dicke zwischen den Magnetisierungsoberflächen) I0 der Magnete 11 an der äußeren radialen Seite des Rotors gemacht ist, das I der inneren radialen Seite kleiner als das I der äußeren radialen Seite in der vorstehend beschriebenen Gleichung. Dementsprechend wird die magnetomotorische Kraft F an der inneren radialen Seite kleiner als an der äußeren radialen Seite.
Im Allgemeinen kann der Magnetfluss φ(Wb) wie nachstehend beschrieben durch die magnetomotorische Kraft F(A) und den Magnetwiderstand Rm(A/Wb) ausgedrückt werden. ϕ = F/Rm
Wenn dementsprechend die Breite der Magneten an der inneren radialen Seite enger als an der äußeren radialen Seite ausgeführt wird, wird die magnetomotorische Kraft F an der inneren radialen Seite kleiner, was dazu führt, dass der Magnetfluss ϕ an der inneren radialen Seite kleiner als an der äußeren radialen Seite wird.
Ähnlich wie gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel kann ebenfalls gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel die Magnetflussdichte an dem Kernabschnitt an der äußeren radialen Seite gleichförmig gemacht werden, ohne dass die Magnetflussdichte an der inneren radialen Seite ansteigt, die die engere Magnetpfadbreite W aufweist, indem der Magnetfluss ϕ an der inneren radialen Seite kleiner als an der äußeren radialen Seite gemacht wird.
Ebenfalls in dem Aufbau gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Magnetflussdichte des Kernabschnitts im Wesentlichen proportional zu der Magnetkraft der Magneten. Daher kann die Magnetflussdichte des Kernabschnitts an den inneren und äußeren radialen Seiten gleich ausgeführt werden, indem die magnetomotorische Kraft der Magneten justiert wird, was durch Justieren der Breiten der Magneten durchgeführt werden kann.
Drittes Ausführungsbeispiel
Nachstehend ist ein drittes Ausführungsbeispiel unter Bezug auf 10 beschrieben, gemäß dem ein Aufbau verwirklicht wird, bei der die Größe des Magnetflusses an der Außenseite in radialer Richtung des Rotors 1 größer als die Größe des Magnetflusses an der Innenseite in radialer Richtung des Rotors 1 gemacht ist, indem die Magnetflussdichte (B) in radialer Richtung des Rotors an den Magnetisierungsoberflächen der Magneten an der äußeren radialen Seite größer als auf der inneren radialen Seite gemacht ist. Genauer sind die Magneten 11 gemäß diesem Beispiel derart aufgebaut, dass die Größe der Magnetisierung in der radialen Richtung des Rotors auf der inneren radialen Seite geringer als auf der äußeren radialen Seite ist.
10 zeigt eine repräsentative Querschnittsansicht, die die elektrische Rotationsmaschine darstellt, die an denselben Abschnitten wie die entlang der Linien B-B' und C-C' in der repräsentativen Draufsicht (2) gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel genommenen Querschnitte aufgeschnitten ist (in diesem Beispiel sind die Querschnitte mit F-F' und G-G' bezeichnet). Der grundsätzliche Aufbau gemäß diesem Beispiel ist ebenfalls wie derjenige gemäß dem vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel, so dass in der nachfolgenden Beschreibung entsprechende Teile durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet sind, und lediglich die Unterschiede gegenüber dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel beschrieben sind. Wie es in 10 gezeigt ist, sind die Magnete 11 in diesem Beispiel stabförmig mit rechteckigen Querschnitten und weisen eine konstante Dicke in axialer Richtung des Rotors und eine konstante Breite in Umlaufrichtung des Rotors auf. Um die Magnetflussdichte (B) in der radialen Richtung des Rotors an den Magnetisierungsoberflächen jedes Magneten 11 an der äußeren radialen Seite größer als an der inneren radialen Seite auszuführen, sind die Magnete 11 gemäß diesem Beispiel derart aufgebaut, dass die Größe der Magnetisierung in jeder Position in radialer Richtung des Rotors auf der inneren radialen Seite geringer als auf der äußeren radialen Seite ist (die Größe der Magnetisierung ist durch den Abstand der Schraffierungslinie in der Zeichnung angegeben, d.h., je enger die Schraffierungslinien sind, umso größer ist die Magnetisierung, und je weiter die Schraffierungslinien voneinander entfernt sind, desto geringer ist die Magnetisierung). Das heißt, dass in radialer Richtung die Dicke der Magnete 11 dieselbe wie die Dicke der Kerne 12 ist, die Breite von der äußeren radialen Seite zu der inneren radialen Seite konstant ist, und lediglich die Größe der Magnetisierung in jedem Abschnitt sich ändert. In diesem Fall ist ebenfalls die Dicke der Rotorkerne 12 an den inneren und äußeren radialen Seiten gleich ausgeführt, um ein Reluktanzdrehmoment zu gewährleisten.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird dadurch, dass die Größe der Magnetisierung auf der inneren radialen Seite kleiner als auf der äußeren radialen Seite gemacht wird, die Remanenzmagnetflussdichte Br(T) auf der inneren radialen Seite kleiner als auf der äußeren radialen Seite gemacht. Wenn die Remanenzmagnetflussdichte Br auf diese Weise klein gemacht wird, ist die Magnetflussdichte ϕ(Wb) derart, dass ϕ = B × S falls die Magnetflussdichte der Magneten bei geschlossenem Magnetkreis zu B(T) gemacht wird und die Querschnittsfläche der Magneten S(M2) ist. In diesem Beispiel ist die Magnetflussdichte B auf der inneren radialen Seite kleiner als auf der äußeren radialen Seite der Magneten gemacht, so dass der Magnetfluss ϕ auf der inneren radialen Seite kleiner als auf der äußeren radialen Seite ist.
Genauso wie gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel kann ebenfalls gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel die Magnetflussdichte an dem Kernabschnitt an der äußeren radialen Seite ebenfalls gleichförmig ausgeführt werden, ohne dass die Magnetflussdichte an der inneren radialen Seite erhöht wird, die die engere Magnetpfadbreite d aufweist, indem der Magnetfluss ϕ auf der inneren radialen Seite kleiner als auf der äußeren radialen Seite gemacht wird.
Bei dem Aufbau gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ist die Magnetflussdichte des Kernabschnitts im Wesentlichen proportional zu der magnetomotorischen Kraft der Magneten. Daher kann die Magnetflussdichte des Kernabschnitts auf der inneren radialen Seite gleich groß gemacht werden, wie sie auf der äußeren radialen Seite ist, indem die magnetomotorische Kraft der Magneten justiert wird, was durch Justieren der Größe der Magnetisierung der Magneten durchgeführt werden kann.
Somit ist es entsprechend der Aufbauten (Strukturen) der vorstehend beschriebenen ersten bis dritten Ausführungsbeispielen möglich, das Drehmoment zu erhöhen, das durch eine einzelne Rotorseite erzeugt werden kann, wodurch ermöglicht wird, dass ein hohes Drehmoment erhalten werden kann. Weiterhin ist nachstehend eine Ausgestaltung der Erfindung unter Verwendung eines vierten und eines fünften Ausführungsbeispiels beschrieben, die ermöglicht, dass das Drehmoment erhöht wird, das durch eine einzelne Rotorseite erzeugt werden kann, wodurch ermöglicht wird, dass ein hohes Drehmoment erhalten wird, selbst falls ein anderer Aufbau verwendet wird.
Gegenwärtig sind verschiedene Bauarten von Rotoren für Axialspaltmotoren bekannt: ein Reluktanzmotor, der vorspringende Pole aus magnetischem Material an einer Endoberfläche des Rotors aufweist, der einem Stator gegenüberliegt, und ein Permanentmagnetmotor, bei dem Permanentmagnete an einem Rotor angeordnet sind, wobei ihre Magnetpole in axialer Richtung zeigen, entsprechend den Rotationsantriebsmagnetpolen des Stators. JP-A-10-80113 offenbart ein Beispiel für einen Motor der axialsymmetrischen Bauart mit einem dünnen Doppelrotor, bei dem ein Stator zwischen einem Paar von Rotoren sandwichartig angeordnet ist, der auf diese Art von Permanentmagnete-Axialspaltmotor basiert.
Der Anmelder hat eine elektrische Rotationsmaschine erfunden, die eine Kombination aus einer Permanentmagnetbauart und einer Reluktanzbauart ist, die unterschiedlich von bisher bekannten ist. Die elektrische Rotationsmaschine gemäß dieser Erfindung verwendet einen Aufbau, bei der Kerne und Permanentmagnete abwechselnd in Umlaufrichtung auf einer Seite des Rotors angeordnet sind, und die Permanentmagnete derart orientiert sind, dass ihre Magnetpole in Umlaufrichtung des Rotors zeigen. Dementsprechend ist der Motor in der Lage, sowohl ein Reluktanzdrehmoment als auch ein Permanentmagnetdrehmoment mit einer einzelnen Seite des Rotors zu erzeugen. Als Ergebnis ermöglicht dieser Aufbau, dass das auf einer einzelnen Seite des Rotors erzeugbare Drehmoment erhöht werden kann, wodurch ermöglicht wird, ein größeres Drehmoment zu erhalten, als es von einem Axialspaltmotor gemäß dem Stand der Technik erhalten werden kann.
Da jedoch dieser Aufbau nicht ein einzelnes Stück ist, bei dem die Kerne jedes Pols des Rotors mit einem rückseitigen Joch verbunden sind, wie es der Aufbau gemäß dem Stand der Technik ist, sondern ein Aufbau angewandt wird, die für jeden Pol unterteilt ist, ist es notwendig, ein Stützteil zum Integrieren der Rotorkerne und der Permanentmagneten bereitzustellen. Da weiterhin dieser Aufbau den Vorteil einer Kompaktheit bietet, da das rückseitige Joch eliminiert ist, was durch ermöglich wird, dass die Magnetpole der Permanentmagneten in Umlaufrichtung zeigen, ist es zu erörtern, wie kompakt das Stützteil der Rotorkerne und Permanentmagneten gemacht werden kann. Falls das Stützteil dieselbe Größe wie das rückseitige Joch aufweist, ist der Vorteil der Kompaktheit verloren.
Ein Anbringungsverfahren, an das üblicherweise gedacht wird, ist das Verfahren, bei dem die Kerne und die Permanentmagneten an das Stützteil geklebt werden. Mit diesem Verfahren können jedoch Probleme in Bezug auf die Lebensdauer in Bezug auf die Anziehungskraft, die auf die Kerne einwirkt, und die Zentrifugalkraft erwartet werden, die sowohl auf die Kerne als auch die Permanentmagneten einwirkt, die aus einer Verringerung der Klebekraft aufgrund einer Erwärmung auftreten. Im Hinblick darauf ist ein Stützaufbau (eine Stützstruktur) erforderlich, der sowohl kompakt ist als auch eine hervorragende Widerstandskraft gegenüber der Anziehungskraft und der Zentrifugalkraft aufweist.
Die Hauptaufgabe der vierten und fünften Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung besteht darin, bei einer elektrischen Axialspalt-Rotationsmaschine gemäß der Erfindung des Anmelders einen kompakten und extrem stabilen Rotoraufbau zu verwirklichen, die einer Anziehungskraft und Zentrifugalkraft widerstehen kann, die auf unabhängige Rotorkerne und Permanentmagneten einwirken, während die kompakte Charakteristik verwendet wird, bei der die elektrische Rotationsmaschine kein spezifisches rückseitiges Joch erfordert.
Um diese Aufgabe zu lösen, wird erfindungsgemäß eine elektrische Axialspalt-Rotationsmaschine bereitgestellt, die mit einem Rotor 1, bei dem Permanentmagnete 11 und Kerne 12 angeordnet sind, und einem Stator 2 versehen ist, der einen Luftspalt G in axialer Richtung zusammen mit Endoberflächen des Rotors sandwichartig umgibt und diesen Endoberflächen zugewandt ist, die hauptsächlich dadurch gekennzeichnet ist, dass der Rotor ein Stützteil 13 aufweist, das durch Einsetzen eine Vielzahl getrennter Kerne stützt und diese mit einer Rotationswelle 10 verbindet, die Permanentmagnete an das Stützteil zwischen den Kernen in Umlaufrichtung des Rotors angebracht sind und derart orientiert sind, dass ihre Magnetpole in Umlaufrichtung des Rotors zeigen, und das Stützteil einen ringförmigen Abschnitt 13b aufweist, der einen äußeren Umfang der Kerne stützt, um zu verhindern, dass die Kerne aufgrund der auf diese einwirkenden Zentrifugalkraft nach außen fliegen.
In diesem Aufbau weist das Stützteil Speichenabschnitte 13c auf, die den ringförmigen Abschnitt und einen auf die Rotationswelle gepassten Nabenabschnitt 13a miteinander verbinden. Die Speichenabschnitte erstrecken sich radial in Freiräume in radialer Richtung des Rotors, die durch benachbarte Kerne und die zwischen diesen Kernen angeordneten Permanentmagneten umgeben sind, und sind daher effektive Aufbauten zur Gewährleistung, dass benachbarte Kerne sich nicht einander berühren.
Ein weiterer effektiver Aufbau ist einer, bei dem das Stützteil Speichenabschnitte aufweist, die den ringförmigen Abschnitt und einen auf die Rotationswelle gepassten Nabenabschnitt miteinander verbinden, die Permanentmagnete entlang der Speichenabschnitte angeordnet sind, und die Kerne getrennt voneinander in den Freiräumen angeordnet sind, die von dem Nabenabschnitt, den Speichenabschnitten und dem ringförmigen Abschnitt umgeben sind.
In all diesen Aufbauten sind die Kerne vorzugsweise mit Rückhalteabschnitten 12a versehen, die gegen das Stützteil an der Rückseite der Oberfläche anstoßen, an der das Stützteil dem Rotor zugewandt ist, um zu verhindern, dass die Kerne aufgrund der auf den Kernen einwirkenden Anziehungskraft des Stators in der Richtung herausrutschen, die den Luftspalt verringern würde.
In diesem Fall sind die Permanentmagnete vorzugsweise an die Oberflächen der Speichenabschnitte auf der Seite angebracht, die dem Stator zugewandt ist.
Es ist ebenfalls effektiv, wenn die Permanentmagnete an die Speichenabschnitte an den Rückseiten der Oberflächen angebracht werden, die dem Stator gegenüberliegen, und wenn die Kerne mit Rückhalteabschnitte 12b versehen sind, die gegen die Rückseiten der Oberflächen der Permanentmagnete anstoßen, die an die Speichenabschnitte angebracht sind, und zu verhindern, dass die Kerne aufgrund der auf die Kerne einwirkenden Anziehungskraft des Stators in der Richtung herausrutschen, die den Luftspalt verringern würde.
Wenn irgendeine dieser Aufbauten angewandt wird, weisen die Rückhalteabschnitte dieser Kerne vorzugsweise Vorsprünge auf, die sich von den Kernen entweder in radialer Richtung oder der Umlaufrichtung des Rotors erstrecken.
Es ist ebenfalls effektiv, wenn die Permanentmagneten derart aufgebaut werden, dass sich ihre Dicke in axialer Richtung nach innen in radialer Richtung des Rotors verringert, und dass die Speichenabschnitte des Stützteils derart sind, dass ihre Dicke sich in axialer Richtung nach innen in radialer Richtung des Rotors erhöht.
Bei den elektrischen Axialspalt-Rotationsmaschinen, die gemäß dem vierten und dem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben sind, ist es möglich, einen kompakte Rotoraufbau zu erzielen, bei der Permanentmagnete und Rotorkerne integriert sind, die in dieselbe Anzahl wie die Anzahl der Pole unterteilt sind, und diese mit einer Rotationswelle unter Verwendung eines Stützteils ohne ein rückseitiges Joch verwendet. Ebenfalls macht die Verwendung eine Konfiguration, bei der der ringförmige Abschnitt des äußeren Umfangs des Stützteils mit dem Nabenabschnitt durch den Speichenabschnitt verbunden ist, die Notwendigkeit für eine Komponente in Form eines rückseitigen Jochs überflüssig, die eine größere Dicke zu der Dicke der Kerne in axialer Richtung addiert. Als Ergebnis kann verhindert werden, dass die Rotorkerne und Permanentmagnete aufgrund einer Zentrifugalkraft herausfliegen, ohne dass der Rotor dicker als die Kerne gemacht wird.
Weiterhin können mit einem Aufbau, bei dem Rückhalteabschnitte an den Kernen vorgesehen sind, verhindert werden, dass die Kerne des Rotors aufgrund der Anziehungskraft des Stators in eine Richtung gezogen werden, die den Luftspalt schließen würden, so dass der Luftspalt strukturell und zuverlässig beibehalten werden kann, ohne dass ein Mechanismus zum Anbringen der Kerne an das Stützteil erforderlich ist.
Der Nabenabschnitt des Stützteils des Rotors gemäß dem vierten und dem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise solang wie möglich ausgeführt, so dass die Länge des Abschnitts, der an der Rotationswelle gepasst ist, innerhalb der Länge der Rotorkerne in der axialen Richtung erhöht ist, um ein Schwanken (Flattern) der Endoberflächen des Rotors, die dem Luftspalt gegenüberliegen, und der Endoberflächen des Stators zu verringern. Es ist ebenfalls effektiv, die Speichenabschnitte derart anzuordnen, dass sie den Nabenabschnitt und den ringförmigen Abschnitt über die zwischen den Kernen und den Permanentmagneten gebildeten Freiräume verbinden. Der Grund für die Anwendung dieser Art der Speichenabschnittsanordnung ist wie nachstehend beschrieben.
In einer elektrischen Axialspalt-Rotationsmaschine müssen die Rotorkerne in der axialen Richtung dick genug sein, so dass keine magnetische Sättigung auftritt. In einer elektrischen Rotationsmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der Permanentmagneten derart orientiert sind, dass ihre Magnetpole in die Umlaufrichtung zeigen, gibt es eine Tendenz dazu, dass die Kerne dicker als die Permanentmagneten in der axialen Richtung des Rotors sind. Falls folglich die Dicke der Kerne derart bestimmt wird, dass keine magnetische Sättigung auftritt, führt dies dazu, dass die Kerne in der axialen Richtung dicker als die Permanentmagneten sind. Daher sind, falls lediglich die magnetischen Eigenschaften berücksichtigt werden, Freiräume in den Abschnitten geformt, die von den Magneten und benachbarten Kernen in axialer Richtung des Rotors umgeben sind. Die vorliegende Erfindung ist hauptsächlich dadurch gekennzeichnet, dass sie magnetische spezifische Überschussräume als Struktur (Aufbau) verwendet, um den Rotor durch Anordnen von Speichenabschnitten stark zu stützen, die den Ringabschnitt des Rotors in den Freiräumen stützen, die durch diese magnetischen Charakteristiken gebildet sind.
Die Anwendung dieses Aufbaus ermöglicht, dass das Rotorstützteil ein elektrischer Rotationsmaschinenaufbau wird, der extrem widerstandsfähig gegenüber Anziehungskraft und Zentrifugalkraft ist, ohne dass die durch Einbetten der Magnete erzielte Kompaktheit verloren geht, aufgrund der Tatsache, dass es innerhalb der Dicke in Axialrichtung der Rotorkerne gehalten wird.
Viertes Ausführungsbeispiel
Nachstehend ist ein viertes Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf 11 bis 13 beschrieben. 11 zeigt einen repräsentativen Querschnitt einer elektrischen Rotationsmaschine. 12 zeigt eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung des Aufbaus eines Rotors. 13 zeigt den Aufbau eines Teils des Querschnitts des Rotors, der in einer Ebene ausgestreckt ist. Die elektrische Rotationsmaschine gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist eine elektrische Rotationsmaschine der Bauart mit doppeltem Rotor, die ein Paar Rotoren 1, in denen Permanentmagnete 11 und Kerne 12 angeordnet sind, und einen Stator 2 mit Rücken-an-Rücken-Endoberflächen aufweist, die über einen Luftspalt in axialer Richtung gegenüberliegenden Endoberflächen der Rotoren zugewandt sind, wie es in 11 gezeigt ist.
Beide Rotoren 1 weisen ein Stützteil 13 auf, das durch Einsetzen eine Vielzahl getrennter Kerne 12 stützt und diese mit einer Rotationswelle 10 verbindet. Die Permanentmagnete 11 sind an die Stützteile 13 zwischen den Kernen 12 in Umlaufrichtung des Rotors angebracht und derart orientiert, dass ihre Magnetpole in Umlaufrichtung des Rotors einander zugewandt sind (d.h. in einer Richtung senkrecht zu der Papierebene in 11). Das Stützteil 13 weist einen ringförmigen Abschnitt 13b auf, der den äußeren Umfang der Kerne 12 stützt, um zu verhindern, dass die Kerne 12 aufgrund der auf sie einwirkenden Zentrifugalkraft nach außen fliegen.
Das Stützteil 13 weist Speichenabschnitte 13c auf, die den ringförmigen Abschnitt 13b mit einem Nabenabschnitt 13a verbinden, der auf die Rotationswelle 10 gepasst ist. Wie es in 12 gezeigt ist, erstrecken sich die Speichenabschnitte radial in Freiräumen in Radialrichtung des Rotors, die von benachbarten Kernen 12 und dem zwischen diesen Kernen 12 angeordneten Permanentmagneten 11 umgeben sind, wodurch gewährleistet wird, dass sich benachbarte Kerne 12 nicht berühren.
Das heißt, dass das Stützteil 13 Speichenabschnitte 13c aufweist, die dem ringförmigen Abschnitt 13b mit einem Nabenabschnitt 13a verbinden, der auf die Rotationswelle 10 gepasst ist. Die Permanentmagnete 11 sind entlang dieser Speichenabschnitte 13c angeordnet, und die Kerne 12 sind getrennt voneinander in den Freiräumen angeordnet, die von dem Nabenabschnitt 13a, den Speichenabschnitten 13c und dem ringförmigen Abschnitt 13b umgeben sind.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind die Kerne 12 mit Rückhalteabschnitten 12a versehen, die gegen das Stützteil 13 an den Rückseiten der Oberflächen des Stützteils 13 anstoßen, die dem Stator 2 zugeordnet sind, um zu vermeiden, dass die Kerne 12 aufgrund der auf die Kerne 12 einwirkende Anziehungskraft des Stators 2 in die Richtung herausrutschen, die den Luftspalt G verringern würde. Die Permanentmagnete 11 sind an Oberflächen der Speichenabschnitte 13c auf der Seite angebracht, die dem Stator 2 zugewandt sind.
Nachstehend ist der detaillierte Aufbau jedes Abschnitts weiter beschrieben. Gemäß 11 stützt das Gehäuse 3, in dem die Rotoren 1 und der Stator 2 untergebracht sind, drehbar über Lager 6 beide Enden der Rotationswelle 10, auf denen das Stützteil 13 der Rotoren 1 gepasst ist.
In Axialrichtung gesehen ist der Stator 2 insgesamt ringförmig, mit in Umlaufrichtung ausgerichteten Segmenten in der gleichen Anzahl wie die gewünschte Anzahl von Polen, an denen Spulen 22 um im wesentliche fächerförmige Kerne 21 gewickelt sind. Der Stator 2 ist an dem Gehäuse 3 über ein plattenförmiges Stützteil 23 angebracht und gestützt. Gemäß 11 sind die Kerne 21 des Stators 2 aus dünnen elektromagnetischen Stahlblechen hergestellt, die entweder in Umlaufrichtung oder Radialrichtung geschichtet sind, oder sind eingegossene Produkte aus einem weichmagnetischen zusammengesetzten Material.
Das Paar der Rotoren 1 weist Permanentmagnete 11 entsprechend der Anzahl der Pole, dieselbe Anzahl von Kernen 12 und ein Stützteil 13 auf, das die Permanentmagnete 11 und die Kerne 12 stützt, wie es in 12 gezeigt ist. Die Permanentmagnete 11 sind nicht besonders auf die in der Zeichnung gezeigte Form begrenzt, jedoch sind sie gemäß diesem Beispiel stabförmig mit rechteckigen Querschnitten und an den vorderen Oberflächen der Speichenabschnitte 13c des Rotorstützteils 13 angeordnet, d.h., auf den Oberflächen der Speichenabschnitte 13c, die auf der Seite liegen, die dem Stator zugewandt ist, und sind derart orientiert, dass ihre Länge in der radialen Richtung verläuft (d.h. der radialen Richtung des Stators). Wenn die Permanentmagnete auf diese Weise angeordnet sind, können die Speichenabschnitte 13c an Positionen angeordnet werden, die von dem Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor in axialer Richtung um einen Abstand beabstandet sind, der gleich der Dicke der Permanentmagneten ist. Je näher die Position eines Teils zu dem Luftspalt ist, desto wahrscheinlicher wird die Erzeugung eines Wirbelstroms in diesem Teil, was zu einer Verschlechterung des Motorwirkungsgrads führen würde. Eine Unterteilung der Permanentmagnete ermöglicht, dass die innerhalb erzeugten Wirbelströme gering gehalten werden, jedoch können die Speichenabschnitte 13c nicht unterteilt werden, da sie den Nabenabschnitt 13a mit dem ringförmigen Abschnitt 13b verbindet. Daher kann in dem vorstehend beschriebenen Aufbau der innerhalb der Speichenabschnitte 13c erzeugte Wirbelstrom dadurch verringert werden, dass die Speichenabschnitte 13c von dem Luftspalt beabstandet werden, was effektiv ist, um eine Verringerung des Motorwirkungsgrads zu verhindern.
Die Kerne 12 sind entweder aus geschichteten elektromagnetischen Stahlblechen oder einem weichmagnetischen pulverisierten Material hergestellt. Sie sind, in Axialrichtung gesehen, im Wesentlichen fächerförmig und sind in axialer Richtung dicker als die kombinierte Dicke der Permanentmagneten 11 und der Speichenabschnitte 13c des Stützteils 13. Rückhalteabschnitte 12a, die gegen das Stützteil 13 stoßen, sind an den Endoberflächen der Kerne 12 auf der Seite der Kerne 12 geformt, die entgegengesetzt zu der Seite liegt, die den Kernen 21 des Stators 2 zugewandt ist (d.h. die Rückhalteabschnitte 12a sind an den Rückseiten der Kerne 12 geformt, die weiter von den Kernen 21 des Stators 2 entfernt sind). Diese Rückhalteabschnitte 12a sind Vorsprünge, die aus jedem Kern 12 hervorspringen. Der in 11 gezeigte Aufbau ist repräsentativ, so dass diese Vorsprünge derart gezeigt sind, dass sie sich in der radialen Richtung in einer Weise aus erstrecken, die gegenüber den anderen Zeichnungen unterschiedlich ist, jedoch können sie tatsächlich sich in radialer Richtung des Rotors erstrecken und gegen die Endoberflächen des Nabenabschnitts 13a und des ringförmigen Abschnitts 13b des Stützteils anstoßen, oder sie können sich in Umlaufrichtung des Rotors erstrecken und mit den Speichenabschnitten 13c des Stützteils 13 eingreifen, wie es in 12 und 13 gezeigt ist. Weiterhin kann jeder dieser Vorsprünge ein kontinuierlicher Vorsprung sein, wie es in 12 gezeigt ist, ein Teilvorsprung (d.h. der lediglich an einem spezifischen Bereich vorspringt), oder eine Reihe von intermittierenden Vorsprüngen sein. Zur Verringerung der Anzahl der Magnetflusskurzschlüsse aus den Rückhalteabschnitten ist es insbesondere effektiv, Vorsprungsrückhalteabschnitte bereitzustellen, die sich von den Kernen in radialer Richtung des Rotors derart erstrecken, dass sie in axialer Richtung gegen das Stützteil auf der inneren radialen Seite und der äußeren radialen Seite anstoßen, wie es in der repräsentativen Querschnittsansicht in 11 gezeigt ist.
Das Stützteil 13 ist aus einem nicht-magnetischen Metall hergestellt und weist in integrierter Weise den Nabenabschnitt 13a, der ein Abschnitt ist, der auf die Rotationswelle 10 passt, den ringförmigen Abschnitt 13b, der die äußere Umfangsseite der Permanentmagnete 11 und die Kerne 12 berührt, und die Speichenabschnitte 13c auf, die den Nabenabschnitt 13a mit dem ringförmigen Abschnitt 13b verbinden. Der Nabenabschnitt 13a erstreckt sich um eine vorbestimmte Länge auf einer Seite in axialer Richtung von dem Abschnitt aus, an dem er mit den Speichenabschnitten 13c verbunden ist, um zu verhindern, dass die dem Luftspalt zugewandten Oberflächen der Rotoren schwanken. Obwohl es in der Zeichnung nicht gezeigt ist, ist der Nabenabschnitt 13a an die Rotationswelle 10 durch einen Rotationsstoppmechanismus wie einen Keileingriff befestigt. Der ringförmige Abschnitt 13b ist in axialer Richtung breiter als die Speichenabschnitte, die die dünnsten Abschnitte des Stützteils sind, und weist eine Dicke auf, die zur Beibehaltung einer Festigkeit notwendig sind.
Die Speichenabschnitte 13c erstrecken sich von dem äußeren Umfang des Nabenabschnitts 13a in radialer Richtung, wodurch Freiräume gebildet werden, in die die fächerförmigen Kerne zwischen dem äußeren Umfang des Nabenabschnitts, dem inneren Umfang des ringförmigen Abschnitts und der Oberfläche der benachbarten Speichenabschnitte in Umlaufrichtung eingesetzt werden. Die Position der Speichenabschnitte 13c in der axialen Richtung befindet sich in Bezug auf die Breite des ringförmigen Abschnitts 13b in axialer Richtung zu der Seite des ringförmigen Abschnitts 13b hin, die weiter entfernt von der Oberfläche sich befindet, die dem Stator zugewandt ist. Die Speichenabschnitte 13c sind auf diese Weise voneinander versetzt, um einen Freiraum zum Anordnen der Permanentmagnete auf der Seite der Speichenabschnitte 13c zu gewährleisten, die dem Stator 2 zugewandt ist.
Die Permanentmagnete 11, die Kerne 12 und das Stützteil 13, die in dieser Weise aufgebaut sind, bilden den integrierten Rotor 1, indem die Kerne 12 in die fächerförmigen Freiräumen eingepasst werden, bis ihre Rückhalteabschnitte 12a gegen die hinteren Oberflächen der Speichenabschnitte anstoßen, die Permanentmagnete 11 in den zwischen benachbarten Kernen 12 und den vorderen Oberflächen der Speichenabschnitte 13c gebildeten Freiräume eingepasst werden, und diese an die Kerne 12 oder die Speichenabschnitte 13c oder an beiden befestigt werden.
Die Rotorkerne 12 sind entweder aus geschichteten Stahlblechen hergestellt, oder sind gegossene Produkte aus einem weichmagnetischen zusammengesetzten Material, wie vorstehend beschrieben. Das weichmagnetische zusammengesetzte Material in diesem Fall ist nicht so stabil, jedoch ist es effektiv, da es die Verringerung von Wirbelströmen ermöglicht. Geschichtete Strahlbleche sind demgegenüber sehr stabil, wenn sie jedoch in axialer Richtung in einem Axialspaltrotor geschichtet werden, wie sie es in einem Radialspaltmotor (Motor mit radialem Spalt) sind, sind sie bei der Verringerung von Wirbelströmen ineffektiv, so dass sie entweder in Umlaufrichtung oder in Radialrichtung geschichtet werden müssen. Eine Schichtung kann unter Verwendung verschiedener Verfahren durchgeführt werden.
14 zeigt repräsentative Beispiele für einen spezifischen Aufbau, wenn die Rotorkerne 12 aus einer geschichteten Konstruktion sind. Mit diesem Aufbau können flache elektromagnetische Stahlbleche S in im Wesentlichen der Umlaufrichtung des Rotors zusammengeschichtet werden, wie es in 14(a) gezeigt ist, können elektromagnetische Stahlbleche S, die in kreisförmiger Weise gekrümmt sind, zusammen in radialer Richtung des Rotors geschichtet werden oder flache elektromagnetische Stahlbleche können zusammengeschichtet werden und dann in Umlaufrichtung gekrümmt werden, wie es in 14(b) gezeigt ist, oder können flache elektromagnetische Stahlbleche S unterschiedlicher Längen zusammengeschichtet werden, um einen Aufbau zu bilden, der im Wesentlichen fächerförmig ist, so dass die Richtung der Schichtung dieselbe wie die radiale Richtung des Rotors ist, wie es in 14(c) gezeigt ist.
15 zeigt eine Schnittansicht eines detaillierteren Beispiels für den Aufbau gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel. In diesem Beispiel ist das Gehäuse 3 aus zwei Gehäuseabschnitten gebildet. Ein Gehäuseabschnitt 3a weist einen Befestigungsabschnitt 31 auf, der in der inneren radialen Richtung von der Umfangswand des Gehäuseabschnitts 3a sich erstreckt, und weist eine Befestigungsreferenzoberfläche zur Befestigung des Stators 2 auf. Der Gehäuseabschnitt 3a weist ebenfalls ein Lagergehäuseabschnitt an der Innenseite in radialer Richtung einer Endwand auf. Der andere Gehäuseabschnitt 3b bedeckt die offene Endseite des Gehäuseabschnitts 3a und weist einen zylindrischen Lagergehäuseabschnitt auf, der sich in das Gehäuse auf dem Inneren in radialer Richtung einer Endwand erstreckt.
Der Stator 2 ist an ein plattenförmiges Stützteil 23 angebracht und wird dadurch gestützt. Das Stützteil 23 weist eine Vielzahl von Bolzendurchgangsöffnungen an dessen äußerer Umfangsseite auf. Angezogene Bolzen werden zur Befestigung des Stützteils 23 an den Befestigungsabschnitt 31 des einen Gehäuseabschnitts 3a mit einem zwischen diesen beiden angeordneten Zwischenstück 4 verwendet, das die axiale Position des Stützteils 23 und daher des Stators 2 in Bezug auf das Paar der Rotoren 1 justiert.
Wie gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist das integrierte Paar der Rotoren 1 auf die Rotationswelle 10 mit den Nabenabschnitten gepasst, die sich in axialer Richtung erstrecken und einander zugewandt sind. Die Länge der axialen Richtung von beiden Nabenabschnitten 13a kombiniert erzeugt eine vorbestimmte Lücke (Spalt) zwischen den gegenüberliegenden Endoberflächen der eingesetzten Rotorkerne 12 und der Rücken an Rücken liegenden Oberflächen der Statorkerne 21. Daher addieren in diesem Beispiel die Nabenabschnitte 13a als Mechanismus, der den Abstand zwischen dem Paar der Rotoren 1 beibehält.
Die Rotorwelle 10, die das Paar der Rotoren 1 stützt, ist derart, dass ein umlaufender Oberflächenabschnitt, auf dem die Nabenabschnitte 13a des Stützteils 13 gepasst ist, einen etwas größeren Durchmesser als der Lagerstützabschnitt für das Gehäuse 3 aufweist. Weiterhin ist die Rotorwelle 10 mit einer Manschette 10a an einem Ende des Wellenabschnitts mit großem Durchmesser versehen. Diese Manschette 10a ist derart positioniert, dass eine Endoberfläche davon gegen den inneren Laufring des Lagers 6 anstößt, und die andere Endoberfläche davon gegen das Stützteil 13 des Rotors 1 anstößt. Die Länge des Wellenabschnitts mit großem Durchmesser in axialer Richtung ist etwas kürzer als die kombinierte Länge in axialer Richtung von beiden Nabenabschnitten 13a eingestellt. Obwohl es in der Zeichnung nicht dargestellt ist, ist ein Rotationsstoppmechanismus wie Keile an der äußeren Umfangsoberfläche des Wellenabschnitts mit großem Durchmesser derart vorgesehen, dass, bei Eingriff dieses Rotationsstoppmechanismus mit einem Rotationsstoppmechanismus wie Keile, der an der inneren Umfangsoberfläche der Nabenabschnitte 13a geformt ist, das Paar der Rotoren 1 und die Rotationswelle 10 Drehmoment ohne relative Rotation zueinander übertragen können.
Die Rotationswelle 10 wird durch das Gehäuse 3 über ein Paar ringförmiger Kugellager 6 gestützt. Diese Rotationswelle 10 ist in Bezug auf den Gehäuseabschnitt 3a durch Anstoßen der Manschette 10a gegen den inneren Laufring einer der Lager positioniert, wie es vorstehend beschrieben worden ist.
Die Rotationswelle 10 ist ebenfalls mit Gewindeabschnitten 10b zum Anschrauben von Muttern auf der Außenseite des Lagereinpassungsabschnitts versehen. Zusätzlich ist eine Schrauböffnung (Gewindeöffnung) zum Befestigen eines Bolzens in der Endwand des einen Gehäuseabschnitts 3a geformt. Eine Rückhalteklammer 8, die einen äußeren Laufring von einem der Lager 6 an dem Gehäuseabschnitt 3a hält, ist an dem Gehäuseabschnitt 3a mit einem Bolzen über die Gewindeöffnung verriegelt.
Die Charakteristik dieses Beispiels besteht darin, dass die Dicke der Permanentmagnete 11 sich in axialer Richtung zu der Innenseite in radialer Richtung der Rotoren 1 verringert, und dass sie die Dicke der Speichenabschnitte 13c der Stützteile 13 in der axialen Richtung zur Innenseite in radialer Richtung der Rotoren 1 hin erhöht.
Bei diesem Aufbau kann das Widerstandsmoment (section modulus) der Speichenabschnitte zu der Innenseite in radialer Richtung erhöht werden, was dahingehend vorteilhaft ist, dass ermöglicht wird, die Biegesteifigkeit (rigid strength) der Speichenabschnitte insgesamt zu erhöhen, und daher ein Schwanken (Flattern) (wobbling) der Oberflächen der Rotoren zu verringern, die an dem Luftspalt liegen.
Weiterhin ist es mit diesem Aufbau möglich, die Magnetgröße (Volumen) auf der inneren radialen Seite derart zu verringern, dass es geringer als an der äußeren radialen Seite ist. Die Magnetgröße kann an der inneren radialen Seite aus zwei Gründen verringert werden. Erstens trägt die zwischen dem Permanentmagneten und dem Stator erzeugte Kraft weniger zu dem Drehmoment an Stellen bei, an denen der Radius von der Rotationswelle kleiner ist (d.h. sie trägt umso weniger bei, je näher die Stelle sich in radialer Richtung an der Rotationswelle befindet). Dadurch kann die Drehmomentabgabe in Bezug auf die Magnetgröße des Motors insgesamt erhöht werden, indem die Magnetgröße auf der äußeren radialen Seite relativ groß gemacht wird, und die Magnetgröße auf der inneren radialen Seite relativ klein gemacht wird. Zweitens ist die Größe des Magnetflusses, die zur magnetischen Sättigung der Kerne führt, zu der inneren radialen Seite hin ansteigend kleiner. Daher ist es durch Verringerung der Magnetgröße (d.h. Verringerung des durch die Magneten erzeugten magnetischen Flusses) auf der inneren radialen Seite derart, dass sie kleiner als auf der äußeren radialen Seite ist, möglich, einen so großen Magnetfluss wie möglich zu erzeugen, zumindest einen, der gleich oder geringer als die zulässige Größe des Magnetflusses ist, die zur magnetischen Sättigung an sowohl der inneren radialen Seite als auch der äußeren radialen Seite führt. Der Grund dafür, dass die magnetische Sättigung stärker an der inneren radialen Seite zum Auftreten tendiert, ist wie nachstehend beschrieben. Die Kerne der Rotoren und der Statoren sind fächerförmig, wenn sie aus axialer Richtung gesehen werden, so dass die Länge des Bogens des Fächers zu der inneren radialen Seite hin kleiner wird. Der Magnetfluss aus dem Permanentmagneten gelangt in axialer Richtung über den Luftspalt aus den Rotorkernen zu den Statorkernen. Das heißt, dass die gesamte fächerförmige Oberfläche der Magnetpfad ist, so dass, wenn die Länge des fächerförmigen Bogens sich zu der inneren radialen Seite hin verringert, dies bedeutet, dass die Querschnittsfläche des Magnetpfads pro Längeneinheit in radialer Richtung sich verringert. Je kleiner die Schnittfläche des Magnetpfads wird, desto kleiner wird die Magnetflussgröße, die zur magnetischen Sättigung führt.
Mit dem vorstehend detailliert beschriebenen vierten Ausführungsbeispiel kann ein kompakte Rotoraufbau erhalten werden, bei der die Permanentmagnete 11 und die Rotorkerne 12, die in derselben Anzahl wie es Pole gibt, unterteilt sind, durch ein Stützteil 13 ohne ein rückseitiges Joch integriert sind und bei der diese mit der Rotationswelle 10 verbunden sind. Weiterhin gibt es durch Verbindung des ringförmigen Abschnitts 13b des äußeren Umfangs des Stützteils mit dem Nabenabschnitt 13a durch die Speichenabschnitte 13c keinen Bedarf nach einem Abschnitt in Form eines rückseitigen Jochs, durch den größere Dicken zu der Dicke der Kerne 12 in axialer Richtung addiert wird, so dass die Dicke der Rotoren 1 nicht dicker als die Dicke der Kerne 12 sein müssen. Weiterhin hält der ringförmige Abschnitt 13b die äußeren Umfangsseiten des Rotors der Rotorkerne 12 und der Permanentmagnete 11, wodurch es möglich wird, zu verhindern, dass die Rotorkerne 12 und die Permanentmagnete 11 aufgrund der Zentrifugalkraft herausfliegen, ohne dass auf eine Klebekraft bzw. Haftkraft zum Anbringen der Rotorkerne 12 und der Permanentmagnete 11 an das Stützteil 13 zurückgegriffen werden muss. Weiterhin sind die Rückhalteabschnitte 12 an den Kernen 12 vorgesehen, wodurch es möglich wird, zuverlässig den Luftspalt beizubehalten, indem strukturell verhindert wird, dass die Kerne 12 der Rotoren 1 in einer Richtung gezogen werden, die den Luftspalt aufgrund der Anziehungskraft des Stators 2 schließen würde, ebenfalls ohne Zurückgreifen auf Klebekraft bzw. Haftkraft.
Fünftes Ausführungsbeispiel
Nachstehend ist ein fünftes Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf 16 bis 18 beschrieben, wobei im Gegensatz zu dem vierten Ausführungsbeispiel die Permanentmagnete 11 an Rückseiten der Oberflächen der Speichenabschnitte 13c angebracht sind, die dem Stator 2 zugewandt sind, und die Kerne 12 mit Rückhalteabschnitten 12b versehen sind, die gegen die Rückseiten der Oberflächen der Permanentmagnete 11 anstoßen, die an die Speichenabschnitte 13c angebracht sind, um zu verhindern, dass die Kerne 12 aufgrund der auf die Kerne 12 einwirkenden Anziehungskraft des Stators 2 in eine Richtung herausrutschen, die den Luftspalt verringern würde. In diesem Beispiel sind ebenfalls alle strukturellen Elemente, die die elektrische Rotationsmaschine bilden, dieselben wie diejenigen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, mit der Ausnahme des detaillierten Aufbaus des Stützteils 13. Daher sind in der nachfolgenden Beschreibung der strukturellen Elemente entsprechende Elemente durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet, und lediglich die Unterschiede in dem detaillierten Aufbau des Stützteils 13 und der Positionsverhältnisse sind beschrieben.
Gemäß 17 unterscheidet sich das Stützteil 13 gemäß diesem Beispiel von dem Stützteil gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel dahingehend, dass die Position der Speichenabschnitte 13c in axialer Richtung in Bezug auf die Breite des ringförmigen Abschnitts 13b in axialer Richtung zu der Seite hin liegt, die näher an die Oberfläche liegt, die dem Stator 2 zugewandt ist. Die Speichenabschnitte 13c sind auf diese Weise positioniert, um sowohl einen Freiraum zum Anordnen der Permanentmagnete an den Rückseiten der Oberflächen der Speichenabschnitte 13c, die dem Stator 2 zugewandt sind, als auch zur Verhinderung positioniert, dass die Permanentmagnete 11 aufgrund der Zentrifugalkraft in radialer Richtung des Rotors herausfliegen.
In diesem Beispiel bilden die Permanentmagnete 11, die Kerne 12 und das Stützteil 13 den integrierten Rotor 1, indem die Permanentmagnete 11 an die Speichenabschnitte 13c angebracht und angeklebt werden, die Kerne 12 in den vorstehend erwähnten fächerförmigen Freiräumen eingepasst werden, bis ihre Rückhalteabschnitte 12b gegen die Permanentmagnete 11 anstoßen, und diese an das Stützteil 13b durch einen geeigneten Mechanismus wie eine Klebung bzw. eine Haftung befestigt werden.
Dabei sind die Rückhalteabschnitte 12b der Kerne 12 als Vorsprünge geformt, die sich in Umlaufrichtung des Rotors heraus erstrecken. Als Ergebnis stoßen diese Vorsprünge in axialer Richtung gegen die Permanentmagnete 11 an, die in Umlaufrichtung benachbart zu den Kernen 12 sind. Weiterhin können, wenn ein Aufbau angewandt wird, bei der die Kerne 12 in radialer Richtung des Rotors geschichtet sind, wie es in 14(b) oder 14(c) gezeigt ist, Kerne leicht hergestellt werden, die vorsprungsförmige Rückhalteabschnitte aufweisen, die sich in Umlaufrichtung des Rotors heraus erstrecken, indem jedes elektromagnetische Stahlblech in eine konvexe Form bei Betrachtung in radialer Richtung des Rotors gegossen wird, und dann diese zusammengeschichtet (laminiert) werden.
Gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel können dieselben Wirkungen wie diejenigen erzielt werden, die durch das vierte Ausführungsbeispiel erzielt werden können. Außerdem sind gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel die Permanentmagnete 11 sandwichartig zwischen den Speichenabschnitten 13c und den Rückhalteabschnitten 12b der Kerne 12 angeordnet, was vorteilhaft dahingehend ist, dass die Permanentmagnete 11 stärker und zuverlässiger an das Rotorstützteil 13 befestigt werden können, als sie es in dem Aufbau gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel können.
Die vorliegende Erfindung kann auf Rotoren, Generatoren oder Motor-Generatoren für eine Vielzahl von Zwecken angewandt werden, jedoch ist sie insbesondere effektiv, wenn sie bei Motoren oder Generatoren für Anwendungen verwendet wird, die die axialen Ausdehnungen der elektrischen Rotationsmaschine stark einschränken, wie in einem Radmotor, der in dem Rad eines elektrischen Fahrzeugs untergebracht ist, oder einen Motor oder Generator, der entweder auf derselben Achse oder einer parallelen Achse mit einer Brennkraftmaschine und einer Antriebseinheit eines Hybridfahrzeugs angeordnet ist, bei dem die Brennkraftmaschine quer angebracht ist.
Eine elektrische Axialspalt-Rotationsmaschine ist mit Permanentmagneten und Kernen in einem Rotor versehen. Die Permanentmagnete sind derart orientiert, dass die Magnetisierungsoberflächen in die Umlaufrichtung des Rotors zeigen. Die Kerne sind abwechselnd mit dem Permanentmagneten in der Umlaufrichtung des Rotors angeordnet. Die Größe des magnetischen Flusses auf der Außenseite des Rotors in radialer Richtung ist größer als die Größe des magnetischen Flusses auf der Innenseite des Rotors in radialer Richtung gemacht. Als Ergebnis kann die magnetische Flussdichte an den Rotorkernen in der radialen Richtung des Rotors im Wesentlichen konstant gemacht werden, und die Drehmomentabgabe in Bezug auf die Größe der Permanentmagneten wird verbessert, indem eine magnetische Sättigung der Kerne verhindert wird.

Claims

Elektrische Axialspalt-Rotationsmaschine, bei der ein Rotor (1) und ein Stator (2) sich gegeneinander über einen Luftspalt in axialer Richtung gegenüberliegen, und Permanentmagnete (11) und Kerne (12) in dem Rotor angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete derart orientiert sind, dass Magnetisierungsoberflächen (11a, 11b) in Umlaufrichtung des Rotors zeigen, die Kerne abwechselnd mit den Permanentmagneten in Umlaufrichtung des Rotors angeordnet sind, und eine Größe des magnetischen Flusses (φ) auf der Außenseite in radialer Richtung des Rotors derart eingestellt ist, dass sie größer als die Größe des magnetischen Flusses auf der Innenseite in radialer Richtung des Rotors ist.
Elektrische Axialspalt-Rotationsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Magnetflusses auf der Außenseite in radialer Richtung des Rotors derart eingestellt ist, dass sie größer als die Größe des Magnetflusses auf der Innenseite der radialen Richtung ist, indem eine Querschnittsfläche (S) pro Längeneinheit der Permanentmagnete in radialer Richtung des Rotors auf der äußeren Umfangsseite größer als auf der inneren Umfangsseite gemacht ist.
Elektrische Axialspalt-Rotationsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des magnetischen Flusses auf der Außenseite des Rotors in radialer Richtung derart eingestellt ist, dass die Größe des magnetischen Flusses auf der Innenseite in radialer Richtung ist, indem eine magnetomotorische Kraft (F) jeder Position der Permanentmagneten in radialer Richtung des Rotors auf der äußeren Umfangsseite des Rotors größer gemacht wird als auf der inneren Umfangsseite des Rotors.
Elektrische Axialspalt-Rotationsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Magnetflusses der Permanentmagnete auf der Außenseite in radialer Richtung des Rotors derart eingestellt ist, dass sie größer als die Größe des Magnetflusses auf der Innenseite in radialer Richtung ist, indem eine Magnetflussdichte (B) jeder Position in radialer Richtung des Rotors an den Magnetisierungsoberflächen der Permanentmagnete auf der äußeren radialen Seite größer als auf der inneren radialen Seite gemacht wird.
Elektrische Axialspalt-Rotationsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Permanentmagneten bei Betrachtung in axialer Richtung des Rotors auf der inneren radialen Seite des Rotors dünner als auf der äußeren radialen Seite des Rotors ist.
Elektrische Axialspalt-Rotationsmaschine nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Permanentmagnete bei Betrachtung in Umlaufrichtung des Rotors auf der inneren radialen Seite kleiner als auf der äußeren radialen Seite des Rotors ist.
Elektrische Axialspalt-Rotationsmaschine nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Magnetisierung der Permanentmagnete in der radialen Richtung des Rotors auf der inneren radialen Seite kleiner als auf der äußeren radialen Seite ist.