DE112019007108T5

DE112019007108T5 - Rotierende elektrische maschine

Info

Publication number: DE112019007108T5
Application number: DE112019007108.4T
Authority: DE
Inventors: Takahiro MIZUTA; Kazumasa Ito; Takayuki Yasumori
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2021-12-16
Also published as: WO2020194593A1; KR20210120100A; US12057740B2; JP6631763B1; JPWO2020194593A1; US20220085674A1; CN113615041A; KR102652587B1

Abstract

Es besteht die Aufgabe, eine rotierende elektrische Maschine anzugeben, die zum Verringern von Wirbelstromverlusten imstande ist, die in einem Magnetelement hervorgerufen werden, das in einem Stator angeordnet ist. Angeordnet werden ein Rotor (2) und ein Stator (3), der so angeordnet ist, dass er dem Rotor in Radialrichtung des Rotors (2) zugewandt ist. Der Stator (3) hat einen Statorkern (7), eine Statorspule (8) und ein Magnetelement (9). Der Statorkern (7) hat eine Kern-Rückseite (10) und Zähne (11), und die Zähne (11) stehen von der Kern-Rückseite (10) in Richtung des Rotors (2) vor und sind entlang der Umfangsrichtung angeordnet. Die Statorspule (8) ist an jedem der Mehrzahl von Zähnen (11) gewickelt, und sie ist in einer Nut (12) angeordnet, die zwischen den Zähnen (11) ausgebildet ist, die in Umfangsrichtung nebeneinander liegen. Das Magnetelement (9) ist aus einer Mehrzahl von Permanentmagneten (91) in jedem der Zähne (11) gebildet. Die Mehrzahl von Permanentmagneten (91) hat den zueinander gleichen Magnetpol in Umfangsrichtung und ist in der Vorsprungsrichtung der Zähne (11) angeordnet.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine rotierende elektrische Maschine, die mit einem Stator ausgestattet ist, ausgerüstet mit einem Permanentmagneten.
Hintergrund der Erfindung
Bei rotierenden elektrischen Maschinen, wie z. B. einem Motor für die gewerbliche Verwendung und einem Motor zur Verwendung in Fahrzeugen, sind eine Verkleinerung der Außenmaße, eine höhere Ausgangsleistung und eine höhere Betriebsdrehzahl vonnöten. Als eine rotierende elektrische Maschine, die diese Bedürfnisse erfüllen kann, wird eine rotierende elektrische Maschine vorgeschlagen, deren Rotor aus Eisenkernen gebildet ist, und deren Spulen und Permanentmagneten auf der Statorseite angeordnet sind.
Beispielsweise offenbart das Patentdokument 1 eine rotierende elektrische Maschine, bei welcher eine Primärseiten-Magnetpolkomponente eine Mehrzahl von Zahnmodulen aufweist, und wobei die Mehrzahl von Zahnmodulen mit Wicklungsdrähten und mindestens einem Permanentmagneten ausgerüstet ist. Der Permanentmagnet ist aus einem Einzelkörper oder einer Teilungsstruktur gebildet.
Wenn der Rotor einer rotierenden elektrischen Maschine rotiert, fließt ein Strom in einer Spule, und ein Magnetfluss wird erzeugt. Der Magnetfluss verkettet mit einem Permanentmagneten, und ein Wirbelstrom fließt im Permanentmagneten, so dass Variationen des Magnetflusses aufgehoben werden können. Dadurch werden Wirbelstromverluste hervorgerufen. Insbesondere steht bei der rotierenden elektrischen Maschine, die einen Permanentmagneten aufweist, der auf der Statorseite angeordnet ist, der Permanentmagnet bezogen auf das sich drehende Magnetfeld still. Daher wird ein großer Wert von Wirbelstromverlusten hervorgerufen, und der Wirkungsgrad der rotierenden elektrischen Maschine nimmt ab.
Um dieses Problem zu lösen, verwendet beispielsweise das Patentdokument 2 einen Verbindungsmagneten als einen Magneten zur Magnetfeld-Verwendung, der ein Harz mit Isoliereigenschaften einschließt, und zwar als einen der Hauptbestandteile. Da die elektrische Leitfähigkeit des Verbindungsmagneten niedrig ist, kann der Wirbelstrom verringert werden, der im Verbindungsmagneten erzeugt wird. Wenn jedoch ein Verbindungsmagnet mit einer niedrigen elektrischen Leitfähigkeit verwendet wird, fällt die Ausgangsleistung der rotierenden elektrischen Maschine ab, da der Verbindungsmagnet bezogen auf die Magnetkraft schlechter ist als ein gesinterter Magnet.
Außerdem hat man bei einer rotierenden elektrischen Maschine, die einen Permanentmagneten aufweist, der auf der Rotorseite angeordnet ist, das Teilen des Permanentmagneten vorgeschlagen, um die Wirbelstromverluste zu verringern. Beispielsweise wird eine rotierende elektrische Maschine vom Permanentmagnet-Typ im Patentdokument 3 vorgeschlagen, die einen ersten Permanentmagnet aufweist, der aus ersten Magnetteilen gebildet ist, die entlang der Achsenrichtung des Rotorkerns geteilt sind, sowie einen zweiten Permanentmagneten, der aus zweiten Magnetteilen gebildet ist, die entlang der Richtung geteilt sind, die die Achsenrichtung des Rotorkerns kreuzt. Der erste Permanentmagnet und der zweite Permanentmagnet sind separat in die Magnetlöcher des Rotorkerns eingeführt.
Literaturverzeichnis
Patentliteratur

Patentdokument 1: JP 2009 - 509 490 T
Patentdokument 2: JP 2016 - 32 385 A
Patentdokument 3: JP 2013 - 176 259 A

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Bei einer rotierenden elektrischen Maschine, die einen Permanentmagneten aufweist, der auf der Statorseite angeordnet ist, gab es bislang jedoch keine Erwägungen in Hinblick auf ein Teilen des Permanentmagneten, um die Wirbelstromverluste zu verringern. In Abhängigkeit von der Richtung, in welcher die Permanentmagneten geteilt und angeordnet werden, war es schwierig, den Wirbelstrom wirksam einzuschränken und die Wirbelstromverluste zu verringern.
Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um das oben beschriebene Problem zu lösen. Sie hat die Aufgabe, eine rotierende elektrische Maschine anzugeben, die zum Verringern von Wirbelstromverlusten imstande ist, wobei die Wirbelstromverluste im Permanentmagneten hervorgerufen werden, der auf der Statorseite der rotierenden elektrischen Maschine angeordnet ist.
Lösung des Problems
Eine rotierende elektrische Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung hat einen Rotor und einen Stator, der so angeordnet ist, dass er dem Rotor zugewandt ist, wobei ein Zwischenraum in Radialrichtung des Rotors eingehalten wird. Der Stator weist Folgendes auf: einen Statorkern mit einer Kern-Rückseite in zylindrischer Form und einer Mehrzahl von Zähnen, wobei jeder von der Mehrzahl von Zähnen von der Kern-Rückseite in Richtung des Rotors vorsteht und entlang der Umfangsrichtung des Rotors angeordnet ist, eine Statorspule, die um jeden der Mehrzahl von Zähnen gewickelt ist und in einer Nut angeordnet ist, die zwischen Zähnen ausgebildet ist, die in Umfangsrichtung nebeneinander liegen, und ein Magnetelement mit einer Mehrzahl von Permanentmagneten, die in jedem der Mehrzahl von Zähnen angeordnet sind, wobei jeder von der Mehrzahl von Permanentmagneten den zueinander gleichen Magnetpol in Umfangsrichtung aufweist und in Vorsprungsrichtung der Zähne angeordnet ist.
Außerdem hat eine rotierende elektrische Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung einen Rotor und einen Stator, der so angeordnet ist, dass er dem Rotor zugewandt ist, wobei ein Zwischenraum in Radialrichtung des Rotors eingehalten wird. Der Stator weist Folgendes auf: einen Statorkern mit einer Kern-Rückseite in zylindrischer Form und einer Mehrzahl von Zähnen, wobei jeder von der Mehrzahl von Zähnen von der Kern-Rückseite in Richtung des Rotors vorsteht und entlang der Umfangsrichtung des Rotors angeordnet ist, eine Statorspule, die um jeden der Mehrzahl von Zähnen gewickelt ist und in einer Nut angeordnet ist, die zwischen Zähnen ausgebildet ist, die in Umfangsrichtung nebeneinander liegen, und ein Magnetelement mit einem Permanentmagneten, der in jeder von der Mehrzahl von Zähnen angeordnet ist, wobei der Permanentmagnet in Umfangsrichtung magnetisiert ist und ein Nutenbereich, der in Achsenrichtung des Rotors verläuft, auf einer Fläche entlang sowohl der Vorsprungsrichtung der Zähne des Permanentmagneten, als auch der Achsenrichtung des Rotors gebildet ist.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Bei der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung ist die rotierende elektrische Maschine mit einem Magnetelement versehen, wobei jeder von einer Mehrzahl von Permanentmagneten zueinander in Umfangsrichtung den gleichen Magnetpol hat und in Vorsprungsrichtung der Zähne angeordnet ist. Oder die rotierende elektrische Maschine ist mit einem Magnetelement versehen, wobei ein Permanentmagnet in Umfangsrichtung magnetisiert ist, und wobei ein Nutenbereich, der in Achsenrichtung des Rotors verläuft, auf der Fläche entlang sowohl der Vorsprungsrichtung der Zähne des Permanentmagneten, als auch der Achsenrichtung ausgebildet ist. Dadurch wird der Pfad eines Wirbelstroms in Vorsprungsrichtung der Zähne geteilt, und somit kann die Stärke eines Wirbelstroms, der in einem Permanentmagneten fließt, wirksam eingeschränkt werden, und die Wirbelstromverluste können verringert werden.
Figurenliste

1 ist eine Schnittansicht, die die schematische Struktur einer rotierenden elektrischen Maschine zeigt, gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Schnittansicht, die die schematische Struktur der rotierenden elektrischen Maschine zeigt, gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine Schnittansicht, die die schematische Struktur eines weiteren Beispiels der rotierenden elektrischen Maschine zeigt, gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
4 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, wobei ein Bereich einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung vergrößert ist.
5 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, wobei ein Bereich einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung vergrößert ist.
6 ist ein erläuterndes Diagramm zum Erläutern des Wirbelstroms, der im Permanentmagneten der rotierenden elektrischen Maschine erzeugt wird, gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
7 ist ein Relations-Diagramm, das die Relation zwischen der Stärke des Wirbelstroms und dem Abstand in Vorsprungsrichtung der Zähne eines Permanentmagneten zeigt, wobei der Wirbelstrom im Permanentmagneten der rotierenden elektrischen Maschine erzeugt wird, gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
8 ist ein Relations-Diagramm, das die Relation zwischen der Stärke des Wirbelstroms und dem Abstand in Vorsprungsrichtung der Zähne eines Permanentmagneten zeigt, wobei der Wirbelstrom im Permanentmagneten der rotierenden elektrischen Maschine erzeugt wird, gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
9 ist eine Schnittansicht zur Erläuterung der schematischen Struktur eines weiteren Beispiels der rotierenden elektrischen Maschine, gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
10 ist eine Schnittansicht zur Erläuterung der schematischen Struktur eines weiteren Beispiels der rotierenden elektrischen Maschine, gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
11 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, wobei ein Bereich einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung vergrößert ist.
12 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, wobei ein Bereich einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung vergrößert ist.
13 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, wobei ein Bereich einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung vergrößert ist.
14 ist ein erläuterndes Diagramm zum Erläutern des Wirbelstroms, der im Permanentmagneten der rotierenden elektrischen Maschine erzeugt wird, gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung.
15 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, wobei ein Bereich der rotierenden elektrischen Maschine gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung vergrößert ist.
16 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, wobei ein Bereich einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung vergrößert ist.
17 ist eine Schnittansicht zur Erläuterung der schematischen Struktur eines weiteren Beispiels der rotierenden elektrischen Maschine, gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung.
18 ist eine Schnittansicht, die die schematische Struktur einer rotierenden elektrischen Maschine zeigt, gemäß Ausführungsform 6 der vorliegenden Erfindung.

Beschreibung von Ausführungsformen
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In jeder Zeichnungen sind gleichen oder entsprechenden Teilen zur Klarheit der Beschreibung die gleichen Bezugszeichen zugewiesen.
Ausführungsform 1
1 und 2 sind Schnittansichten, die die schematische Konfiguration der rotierenden elektrischen Maschine zeigen, gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung. 1 ist eine Schnittansicht, die auf einer Ebene senkrecht zur Achsenrichtung der Drehwelle gezeichnet ist. 2 ist eine Schnittansicht, die auf einer Ebene entlang der Achsenrichtung der Drehwelle gezeichnet ist, und die eine Schnittansicht entlang der Linie AI - A2 in 1 ist. Wie in 1 gezeigt, ist die rotierende elektrische Maschine 1 mit einem Rotor 2 ausgestattet, sowie mit einem Stator 3, der so angeordnet ist, dass er den Rotor 2 in Umfangsrichtung umgibt, wobei ein Zwischenraum dazwischen eingehalten wird, und zwar auf der Außenseite in Radialrichtung des Rotors 2.
In der folgenden Erläuterung wird die Rotationsrichtung des Rotors 2 als Umfangsrichtung bezeichnet, die Richtung der Drehwelle 4 des Rotors 2 wird als Achsenrichtung bezeichnet, und die Richtung, die vom Rotationszentrum des Rotors 2 in Richtung der Außenumfangsseite weist, wird als Radialrichtung bezeichnet. Außerdem schließt in der folgenden Erläuterung die senkrechte Richtung auch eine annähernd senkrechte Richtung ein. Der Rotor 2 hat eine Drehwelle 4 sowie einen Rotorkern 5, der an der Drehwelle 4 angebracht ist. Der Rotorkern 5 ist an der Drehwelle 4 befestigt, und zwar durch Einbrennen, Press-Einfügen und dergleichen. Der Rotorkern 5 ist mit einer Mehrzahl von Vorsprungselementen 6 versehen, die in Radialrichtung nach außen vorstehen. Jedes der Vorsprungselemente 6 ist so angeordnet, dass es einen Zwischenraum zwischeneinander einhält, und zwar in Umfangsrichtung des Rotorkerns 5.
Der Stator 3 hat einen Statorkern 7, eine Statorspule 8 und ein Magnetelement 9. Der Statorkern 7 ist ein Magnetkörper beispielsweise aus elektromagnetischen Stahlblechen, die entlang der Achsenrichtung in Schichten gestapelt sind. Der Statorkern 7 hat eine Kern-Rückseite 10 in Zylinderform, sowie eine Mehrzahl von Zähnen 11, die von der Innenumfangsflächenseite der Kern-Rückseite 10 in Radialrichtung nach innen vorstehen. Das heißt, jeder Zahn 11 steht von der Kern-Rückseite 10 in Richtung des Rotors 2 vor, und außerdem ist er so angeordnet, dass sie einen Zwischenraum zwischeneinander entlang der Umfangsrichtung einhalten.
Zwischen den Zähnen 11, die einander in Umfangsrichtung benachbart liegen, ist eine Nut 12 ausgebildet, die jeweils räumlich in Richtung des Rotors 2 geöffnet ist, und sie erzeugt einen Zwischenraum, der zur Achsenrichtung verläuft. Die Nut 12 ist mit einer Statorspule 8 versehen, die auf die Zähne 11 gewickelt ist. Außerdem ist ein Magnetelement 9 in jedem der zentralen Teile in Radialrichtung der Mehrzahl von Zähnen 11 angeordnet.
In jedem der Mehrzahl von Zähnen 11 ist das Magnetelement 9 beispielsweise so angeordnet, dass es sowohl in der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 verläuft, als auch in der Achsenrichtung, und es ist aus Permanentmagneten 91 gebildet, die in Umfangsrichtung magnetisiert sind. Die Permanentmagneten 91 der Magnetelemente 9, die einander in Umfangsrichtung mittels der Nut 12 benachbart liegen, sind so angeordnet, dass sie zueinander dem gleichen Magnetpol zugewandt sind. Das heißt, die Permanentmagneten 91 des Magnetelements 9, das in jedem der Mehrzahl von Zähnen 11 angeordnet ist, sind so angeordnet, dass sich deren Magnetpole in Umfangsrichtung abwechseln.
Das Magnetelement 9 liegt beispielsweise von den Zähnen 11 auf der Innenumfangsfläche des Statorkerns 7 frei, und es ist mit der Kern-Rückseite 10 auf der Außenumfangsfläche des Statorkerns 7 bedeckt. In den Zeichnungen bezeichnen N und S einen Magnetpol des Permanentmagneten 91 des Magnetelements 9. Als Permanentmagneten 91 des Magnetelements 9 werden solche Magneten verwendet, deren elektrische Leitfähigkeiten nicht Null sind, beispielsweise gesinterte Seltene-Erden-Magneten, wie z. B. ein gesinterter Neodym-Magnet, und ein Ferrit-Magnet.
In jedem von der Mehrzahl von Zähnen 11 hat das Magnetelement 9 eine Mehrzahl von Permanentmagneten 91, die in der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 angeordnet sind. Das Magnetelement 9 ist in mehrere geteilt, entlang der Vorsprungsrichtung der Zähne 11, und zwar durch eine Fläche, mit welcher eine Mehrzahl der Permanentmagneten 91 einander zugewandt sind. Die Permanentmagneten 91, die in Vorsprungsrichtung der Zähne 11 angeordnet sind, haben den gleichen Magnetpol miteinander in Umfangsrichtung. Hierbei schließt die Definition, dass die Permanentmagneten 91 miteinander den gleichen Magnetpol in Umfangsrichtung haben, nicht nur den Fall ein, in welchem eine Mehrzahl von Permanentmagneten 91 in der gleichen Richtung in Radialrichtung magnetisiert sind, sondern auch den Fall, in welchem Permanentmagneten in der gleichen Richtung in Radialrichtung innerhalb eines festgelegten Bereichs magnetisiert sind, wo Vibrationen berücksichtigt werden.
Außerdem schließt die Definition, dass ein Permanentmagnet 91 in Vorsprungsrichtung der Zähne 11 angeordnet ist, nicht nur den Fall ein, in welchem der Permanentmagnet 91 in der Richtung parallel zur Vorsprungsrichtung 11 angeordnet ist, sondern auch den Fall, in welchem der Permanentmagnet 91 in etwa in der Parallelrichtung angeordnet ist. In dem in 1 gezeigten Beispiel ist das Magnetelement 9 in sechs geteilt, und sechs Permanentmagneten 91 sind angeordnet. Die Ausführungsform hier ist jedoch nicht auf diese Konfiguration beschränkt.
Auf diese Weise wird eine rotierende elektrische Maschine mit den Magnetelementen 9a und 9b versehen, die in der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 verlaufen. Dadurch kann die Möglichkeit verringert werden, dass der Magnetfluss kurzgeschlossen wird, wenn der Magnetfluss durch die Kern-Rückseite 10 oder die Zähne 11 fließt, ohne dass er durch den Rotor 2 fließt. Da außerdem die Permanentmagneten 91, die in Umfangsrichtung magnetisiert sind, in der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 angeordnet sind, können die Permanentmagneten 91 eine größere Querschnittsfläche der Umfangsrichtung aufweisen, und es kann ein verbessertes Drehmoment erzielt werden.
In 1 ist hier der beispielhafte Fall gezeigt, in welchem das Magnetelement 9 eine Mehrzahl von Permanentmagneten 91 aufweist, die in Vorsprungsrichtung der Zähne 11 angeordnet sind. Es ist jedoch auch zulässig, dass ein Magnetelement 9 verwendet wird, das mindestens einen Permanentmagneten 91 aus einem Einzelkörper aufweist, magnetisiert in Umfangsrichtung, und das mit mindestens einem Nutenbereich 13 ausgebildet ist, der in Achsenrichtung verläuft, wo der Nutenbereich 13 auf der Fläche entlang sowohl der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 des Permanentmagneten 91, als auch der Achsenrichtung ausgebildet ist.
3 ist eine Schnittansicht zur Erläuterung der schematischen Struktur eines weiteren Beispiels der rotierenden elektrischen Maschine gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung. Wie in 3 gezeigt, weist das Magnetelement 9 beispielsweise einen Permanentmagneten 91 aus einem Einzelkörper auf, der in Vorsprungsrichtung der Zähne 11 und der Achsenrichtung verläuft. Das Magnetelement ist mit einer Mehrzahl von Nutenbereichen 13 versehen, und zwar auf der Fläche entlang sowohl der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 der Permanentmagneten 91, als auch der Achsenrichtung. Die Nutenbereiche verlaufen in der Achsenrichtung, wobei ein Zwischenraum zwischeneinander eingehalten wird, und zwar entlang der Vorsprungsrichtung der Zähne 11.
Das Magnetelement 9 ist in eine Mehrzahl von Domänen bzw. Gebieten unterteilt, und zwar entlang der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 und mittels des Nutenbereichs 13.
Sowohl die Domäne zwischen Nutenbereichen 13, die einander entlang der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 benachbart sind, und die Domäne, die von der Fläche entlang sowohl der Richtung senkrecht zur Vorsprungsrichtung der Zähne 11 des Permanentmagneten 91, als auch der Achsenrichtung zum Nutenbereich 13 reicht, entsprechen einem Permanentmagneten 91, der in 1 gezeigt ist.
Der Nutenbereich 13 kann so ausgebildet sein, dass er in Achsenrichtung des Permanentmagneten 91 hindurchgeht, und er kann auf einem Teil der Achsenrichtung ausgebildet sein. Außerdem ist in 3 der beispielhafte Fall gezeigt, in welchem Nutenbereiche 13 auf beiden Flächen angeordnet sind, die in der Umfangsrichtung zugewandt sind, und zwar entlang der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 des Permanentmagneten 91 und der Achsenrichtung. Der Nutenbereich 13 kann jedoch auch nur auf einer der zwei Flächen angeordnet sein.
Die Statorspule 8 ist beispielsweise in jedem der Mehrzahl von Zähnen 11 mittels einer konzentrierten Wicklung ausgebildet, und sie ist in der Nut 12 aufgenommen. Der Wicklungsdraht der Statorspule 8 ist auf die Zähne 11 gewickelt, der von einem Paar von Nuten 12 sandwichartig umgeben ist, die in Umfangsrichtung einander benachbart liegen. In der Zeichnung ist der Wicklungsdraht weggelassen, der auf die Zähne 11 gewickelt ist.
Beispielsweise wird ein Dreiphasen-Wechselstrom der Statorspule 8 zugeführt, und es wird ein sich drehendes Magnetfeld erzeugt. Hier sind die jeweiligen Phasen der drei Phasen als U-Phase, V-Phase und W-Phase bezeichnet. Unter den jeweiligen Statorspulen 8 werden zwei U-Phasen-Spulen als U1 und U2 bezeichnet, zwei V-Phasen-Spulen werden als V1 und V2 bezeichnet, und zwei W-Phasen-Spulen werden als W1 und W2 bezeichnet.
Wie in 1 gezeigt, sind beispielsweise die jeweiligen Statorspulen 8 in Gegenuhrzeigersinnrichtung angeordnet, so dass sich die folgende Reihenfolge ergibt: U1, VI, W1, U2, V2 und W2. In der Statorspule 8 sind eine Reihenschaltung, bei welcher U1 und U2 in Reihe geschaltet sind, eine Reihenschaltung, bei welcher V1 und V2 in Reihe geschaltet sind, und eine Reihenschaltung, bei welcher W1 und W2 in Reihe geschaltet sind, mit einem gemeinsamen Neutralpunkt verbunden. Wenn jeder Phase ein Strom zugeführt wird, der mit den anderen um 120° phasenverschoben ist, wird ein sich drehendes Magnetfeld erzeugt.
4 und 5 sind schematische Konfigurationsdiagramme, in welchen ein Bereich einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung vergrößert dargestellt ist. Hier wird angenommen, dass der Rotor 2 in Gegenuhrzeigersinnrichtung rotiert. In 4 und 5 werden die Zähne 11, die einander benachbart sind und beide Seiten einer Nut 12 halten, als ein Zahn 11a und ein Zahn 11b bezeichnet, und zwar in Gegenuhrzeigersinnrichtung. Es wird angenommen, dass der Zahn 11a und der Zahn 11b mit einem Magnetelement 9a bzw. einem Magnetelement 9b versehen sind. Außerdem werden Vorsprungselemente 6, die einander im Rotor 2 benachbart liegen, als ein Vorsprungselement 6a und ein Vorsprungselement 6b bezeichnet, und zwar in Gegenuhrzeigersinnrichtung.
In den Zeichnungen gibt das Richtungssymbol i₁ einen Strom an, der in der Statorspule 8 fließt. Der Pfeil Φ c gibt den Magnetfluss an, der von dem Strom erzeugt wird, der in der Statorspule 8 fließt. Der Pfeil Φ a und der Pfeil Φ b geben die Magnetisierungsrichtungen eines Magnetelements 9a bzw. eines Magnetelements 9b an. Diese Pfeile drücken einen Teil von Magnetflüssen aus, die von dem Permanentmagneten 91 selbst erzeugt werden, ausgebildet im Magnetelement 9a und im Magnetelement 9b. Es wird angenommen, dass das Magnetelement 9a eine Mehrzahl von Permanentmagneten 91 aufweist, die mit einem N-Pol und einem S-Pol magnetisiert sind, und zwar in der Reihenfolge der Rotation im Gegenuhrzeigersinn, und dass das Magnetelement 9b eine Mehrzahl von Permanentmagneten 91 aufweist, die mit einem S-Pol und einem N-Pol magnetisiert sind, und zwar in der Reihenfolge der Rotation im Gegenuhrzeigersinn.
Wie in 4 gezeigt, wird angenommen, dass sich die Magnetelemente 9a und 9b an der Vorderseite in Radialrichtung der Vorsprungselemente 6a und 6b des Rotors 2 befinden. Zu dieser Zeit fließt in der Statorspule 8, die in der Nut 12 angeordnet ist, ein Strom von der einen Seite der Achsenrichtung zur anderen Seite (von der Vorderseite der Zeichenebene zur Rückseite), und von dem Strom wird ein Magnetfluss erzeugt. Der Magnetfluss fließt von den Zähnen 11b zur Kern-Rückseite 10 und verkettet sich mit dem Magnetelement 9a in der Richtung senkrecht zur Vorsprungsrichtung der Zähne 11a. Danach verläuft der Magnetfluss vom Vorsprungselement 6a auf der einen Seite des Rotors 2 zum Vorsprungselement 6b auf der anderen Seite und kehrt dann zu den Zähnen 11b zurück und fließt weiter.
Wie in 5 gezeigt, wird außerdem angenommen, dass sich die Magnetelemente 9a und 9b auf der Rückseite in Radialrichtung der Vorsprungselemente 6a und 6b des Rotors 2 befinden. Zu diesem Zeitpunkt fließt in der Statorspule 8, die in der Nut 12 angeordnet ist, ein Strom von der anderen Seite der Achsenrichtung zu der einen Seite (von der Rückseite der Zeichenebene zur Vorderseite), und ein Magnetfluss wird von dem Strom erzeugt. Der Magnetfluss fließt von den Zähnen 11a zur Kern-Rückseite 10 und verkettet sich mit dem Magnetelement 9b in der Richtung senkrecht zur Vorsprungsrichtung der Zähne 11b. Danach verläuft der Magnetfluss vom Vorsprungselement 6b auf der einen Seite des Rotors 2 zum Vorsprungselement 6a auf der anderen Seite und kehrt dann zu den Zähnen 11a zurück und fließt weiter.
Auf diese Weise ändert sich die Phase des Stroms, dessen elektrische Energie der Statorspule 8 zugeführt wird. Dadurch wird gesteuert, welchen Pfad der Magnetfluss nehmen soll, Zahn 11a oder Zahn 11b, und dann wird ein Drehmoment erzeugt. Zu diesem Zeitpunkt gilt Folgendes: Da die räumliche Relation zwischen den Magnetelementen 9a und 9b des Stators 3 und der Vorsprungselemente 6a und 6b des Rotors 2 sowie die Phase des Stroms einer Veränderung unterzogen werden, werden die Magnetflüsse, die sich mit den Magnetelementen 9a und 9b verketten, einer Stärkevariation unterzogen.
Beispielsweise wird angenommen, dass der Rotor 2 in der Gegenuhrzeigersinnrichtung rotiert und sich der Magnetfluss von dem Zustand in 4 zu dem Zustand in 5 ändert. In 4 wird der Magnetfluss, der sich mit dem Magnetelement 9a in der Richtung senkrecht zur Vorsprungsrichtung der Zähne 11 verkettet, abnehmen, wenn die räumliche Relation der 5 angenommen wird.
Daher fließt ein Wirbelstrom in einem Bereich, der entlang sowohl der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 des Magnetelements 9a, als auch der Achsenrichtung verläuft, so dass Variationen des Magnetflusses aufgehoben werden können. Bei einer rotierenden elektrischen Maschine 1, in welcher ein Permanentmagnet 91 auf Seiten des Stators 3 angeordnet ist, steht das Magnetelement 9 bezogen auf das sich drehende Magnetfeld still, und es ist so konfiguriert, dass es in der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 verläuft. Wenn ein Wirbelstrom entlang der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 fließt, wird dadurch ein großer Wert von Wirbelstromverlusten hervorgerufen.
6 ist ein erläuterndes Diagramm zum Erläutern des Flusses des Wirbelstroms, der im Permanentmagneten der rotierenden elektrischen Maschine erzeugt wird, gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung. In 5 und 6 gibt ein Richtungssymbol, der Pfeil i₂, den Wirbelstrom an, der im Magnetelement 9a erzeugt wird. Wie in 6 gezeigt, gilt Folgendes: Da im Magnetelement 9a eine Mehrzahl von Permanentmagneten 91 entlang der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 angeordnet ist, wird der Pfad eines Wirbelstroms durch den Kontaktwiderstand der Fläche geteilt, mit welcher eine Mehrzahl von Permanentmagneten 91 einander zugewandt sind, und zwar in der Vorsprungsrichtung der Zähne 11.
Das heißt, ein Wirbelstrom fließt in einer Schleifenform, und zwar in jedem der Mehrzahl von Permanentmagneten 91, die das Magnetelement 9a bilden. Da der Pfad des Wirbelstroms entlang der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 geteilt ist, kann die Stärke eines Wirbelstroms kleiner gemacht werden, und die Wirbelstromverluste können verringert werden.
7 ist ein Relations-Diagramm, das die Relation zwischen der Stärke des Wirbelstroms der rotierenden elektrischen Maschine gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung und dem Abstand in Vorsprungsrichtung der Zähne eines Permanentmagneten zeigt. Die vertikale Achse Y gibt die Stärke eines Wirbelstroms an, der in Achsenrichtung durch den Bereich des Permanentmagneten 91 fließt. Die horizontale Achse X gibt den Abstand von einer dem Rotor 2 näheren Fläche zur gegenüberliegenden Fläche an, wobei die dem Rotor nähere Fläche unter den Flächen ist, die einander entlang sowohl der Richtung senkrecht zur Vorsprungsrichtung der Zähne 11 des Permanentmagneten 91, als auch der Achsenrichtung zugewandt sind.
In der Zeichnung geben zwei gestrichelte Linien Q1 und Q2 jeweils die Stärke eines Wirbelstroms an, der von der einen Seite der Achsenrichtung des Permanentmagneten 91 zur anderen Seite fließt (von der Vorderseite der Zeichenebene zur Rückseite), und die Stärke von der anderen Seite der Achsenrichtung zu der einen Seite (von der Rückseite der Zeichenebene zur Vorderseite). In 7 wird die Stärke eines Wirbelstroms innerhalb des Permanentmagneten 91 in Form der Rate ausgedrückt, wobei die Stärke eines Wirbelstroms auf der Fläche des Permanentmagneten 91 mit Eins vorgegeben ist.
Wenn die rotierende elektrische Maschine 1 mit einer hohen Drehzahl arbeitet, konzentriert sich infolge des Skin-Effekts die Stromdichte eines Wirbelstroms auf der Fläche des Permanentmagneten 91. Wie in 7 gezeigt, nimmt daher der Strom, der in der Achsenrichtung des Permanentmagneten 91 fließt, von dessen Fläche aus herab nach innen ab. In einer Eindringtiefe d nimmt der Strom auf 1/e des Stroms ab, der auf der Fläche des Permanentmagneten 91 fließt, wobei e den gewöhnlichen bzw. natürlichen Logarithmus angibt. Wenn der Wirbelstrom im Durchmesser der Schleife klein wird, wechselwirken die Ströme, die in entgegengesetzten Richtungen fließen, miteinander und heben einander auf.
Beispielsweise haben in der Region, die zwischen PI - P2 in 7 gezeigt ist, ein Strom, der von der einen Seite der Achsenrichtung des Permanentmagneten 91 zur anderen Seite geht, und ein Strom, der von der anderen Seite zu der einen Seite geht, beide eine Stärke größer als 1 / e des Stroms, der auf der Fläche fließt. Diese Ströme können einander aufheben, und dann kann der Wirbelstrom so klein wie die mit der durchgezogenen Linie Q3 in der Zeichnung gezeigte Stärke gemacht werden.
Als Nächstes erfolgt die Erklärung der Relation zwischen der Länge in Vorsprungsrichtung der Zähne 11 des Permanentmagneten 91 und der Eindringtiefe des Wirbelstroms. In 5 und 6 gibt der Pfeil w_m1 die Länge in Vorsprungsrichtung der Zähne 11 des Permanentmagneten 91 an. Wie oben beschrieben, gilt Folgendes: Wenn der Magnetfluss, der von einem Strom erzeugt wird, der in der Statorspule 8 fließt, sich mit dem Permanentmagneten 91 verkettet, wird ein Wirbelstrom beginnen, zu fließen.
Zu diesem Zeitpunkt ist die Eindringtiefe d eines Wirbelstroms, der im Permanentmagneten 91 fließt, unten gezeigt, unter Verwendung der Ausdrücke ω, σ und µ, wobei ω die Träger-Winkelfrequenz des Wechselrichters ist, der die rotierende elektrische Maschine antreibt, d. h. die Winkelfrequenz des Stroms, der in der Statorspule 8 fließt, σ die elektrische Leitfähigkeit des Permanentmagneten 91 ist und µ die magnetische Permeabilität ist.
[Gleichung 1] $d = \sqrt{\frac{2}{ω μ σ}}$
Die Länge w_m1 wird als eine Länge in Vorsprungsrichtung der Zähne 11 des Permanentmagneten 91 angenommen. Es ist bevorzugt, dass die Länge w_m1 in der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 des Permanentmagneten 91 und die Eindringtiefe d die folgende Relation erfüllen sollten, um die Wirbelstromverluste durch die Wechselwirkung unter den Wirbelströmen zu verringern.
[Gleichung 2] $w_{m 1} ≦ 2 d$
8 ist ein Relations-Diagramm, das die Relation zwischen der Stärke des Wirbelstroms der rotierenden elektrischen Maschine gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung und dem Abstand in Radialrichtung der Zähne eines Permanentmagneten zeigt. Als ein anderes Beispiel gemäß 7 zeigt 8 die Stärke eines Wirbelstroms in dem Fall, in welchem die Länge w_m1 in Vorsprungsrichtung der Zähne 11 des Permanentmagneten 91 und die Eindringtiefe d die folgende Gleichung erfüllen.
[Gleichung 3] $w_{m 1} = 2 d$
Wie in 8 gezeigt, gilt Folgendes: Wenn die Länge w_m1 in Vorsprungsrichtung der Zähne 11 des Permanentmagneten 91 die doppelte Stärke der Eindringtiefe d beträgt, gibt es keine Region, in welcher Ströme, die in entgegengesetzten Richtungen fließen, in der Achsenrichtung des Permanentmagneten 91 einander aufheben, und zwar bei einer Stärke größer als 1 / e. Wie in Gleichung 2 gezeigt, gilt Folgendes: Wenn die Länge w_m1 in Vorsprungsrichtung der Zähne 11 des Permanentmagneten 91 weniger als das Doppelte der Eindringtiefe d beträgt, in dem Wirbelstrom, der in der Form einer Schleife fließt, dann gibt es eine Region, in welcher Ströme, die in entgegengesetzten Richtungen fließen, einander aufheben, und zwar bei einer Stärke größer als 1 / e. Dadurch kann der Wirbelstrom wirksam eingeschränkt werden, und die Verringerungs-Wirkung eines Wirbelstroms kann vergrößert werden.
Hier wird der beispielhafte Fall erläutert, in welchem das Magnetelement 9 eine Mehrzahl von Permanentmagneten 91 aufweist, die in der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 angeordnet sind. In dem Fall, in welchem das Magnetelement 9 mit einem Permanentmagneten 91 aus einem Einzelkörper versehen ist, in welchem ein Nutenbereich 13 ausgebildet ist, entspricht die Länge w_m1 in Vorsprungsrichtung der Zähne 11 des Permanentmagneten 91 der Länge zwischen Nutenbereichen 13, die einander in Vorsprungsrichtung der Zähne 11 benachbart liegen, und zwar im Permanentmagneten 91, und der Länge von der Fläche des Permanentmagneten 91 zum Nutenbereich 13. Ähnlich gilt: Wenn die Länge w_m1 in Vorsprungsrichtung kleiner als das Doppelte der Eindringtiefe gemacht wird, kann die Verringerungswirkung des Wirbelstroms vergrößert werden.
Wie oben beschrieben, ist die rotierende elektrische Maschine gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit einem Rotor 2 und einem Stator 3 versehen, der in Radialrichtung des Rotors 2 angeordnet ist, wobei ein Zwischenraum in Radialrichtung des Rotors eingehalten wird. Der Stator 3 ist mit einem Statorkern 7 versehen, der eine Kern-Rückseite 10 in Zylinderform hat und eine Mehrzahl von Zähnen 11, einer Statorspule 8, die auf die Zähne 11 gewickelt ist und in der Nut 12 angeordnet ist, und ein Magnetelement 9 aufweist, das eine Mehrzahl von Permanentmagneten 91 aufweist, die an jedem der Mehrzahl von Zähnen 11 angeordnet sind.
Jeder von der Mehrzahl von Permanentmagneten 91 des Magnetelements 9 hat den gleichen Magnetpol zueinander in der Umfangsrichtung, und außerdem ist er entlang der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 angeordnet. Oder das Magnetelement 9 ist aus einem Permanentmagneten 91 aus einem Einzelkörper gebildet, der in Umfangsrichtung magnetisiert ist. Der Permanentmagnet 91 ist mit einem Nutenbereich 13 versehen, der in der Achsenrichtung verläuft, und er ist auf der Fläche entlang sowohl der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 des Permanentmagneten 91, als auch der Achsenrichtung angeordnet.
Da der Permanentmagnet 91 in Umfangsrichtung magnetisiert ist, erzeugt der Strom, der in der Statorspule 8 fließt, den Magnetfluss, der mit einer größeren Fläche verketten kann, und es wird ein verbessertes Drehmoment erzielt.
Ein Strom, der in der Statorspule 8 fließt, erzeugt einen Magnetfluss. Der Magnetfluss verkettet mit dem Magnetelement 9, und ein Wirbelstrom beginnt zu fließen. Der Pfad des Wirbelstroms wird entlang der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 durch Flächen geteilt, mit welchen Permanentmagnete 91 einander zugewandt sind, oder den Nutenbereich 13 des Permanentmagneten 91. Da der Pfad eines Wirbelstroms geteilt wird, kann die Stärke eines Wirbelstroms wirksam verringert werden, und die Wirbelstromverluste können verringert werden, und ein verbessertes Drehmoment kann erzielt werden.
Es sei angemerkt, dass - was das Magnetelement 9 anbelangt - ein Isolator zwischen jedem von der Mehrzahl von Permanentmagneten 91 angeordnet werden kann, sowie auf der Innenseite des Nutenbereichs 13. Außerdem kann eine Beschichtung zu den jeweiligen Permanentmagneten 91 geleitet werden, zur Rostimprägnierung u.dgl.. Dadurch wird die Teilung eines Wirbelstroms noch einfacher, und die Wirbelstromverluste können verringert werden.
Es sei angemerkt, dass in 1 ein beispielhafter Fall beschrieben ist, in welchem - unter den Flächen, die einander entlang der Richtung senkrecht zur Vorsprungsrichtung der Zähne 11 des Permanentmagneten 91 zugewandt sind - eine Fläche, die dem Rotor 2 näher ist, von den Zähnen 11 freiliegt, und zwar auf der Innenumfangsfläche des Statorkerns 7, und dass die gegenüberliegende Fläche mit der Kern-Rückseite 10 auf der Außenumfangsfläche des Statorkerns 7 bedeckt ist. Es können jedoch auch andere Ausführungsformen akzeptiert werden. Nachfolgend wird - unter den Flächen, die einander entlang der Richtung senkrecht zur Vorsprungsrichtung der Zähne 11 zugewandt sind - die Fläche, die dem Rotor 2 näher ist, einfach als eine Fläche auf der zugewandten Seite des Rotors 2 bezeichnet.
9 und 10 sind Schnittansichten zur Erläuterung der schematischen Struktur eines weiteren Beispiels der rotierenden elektrischen Maschine gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung. Wie in 9 gezeigt, liegt die gegenüberliegende Fläche einer Fläche auf der zugewandten Seite des Rotors 2 des Magnetelements 9 auf der Außenumfangsfläche des Statorkerns 7 frei, und die Fläche auf der zugewandten Seite des Rotors 2 kann mit den Zähnen 11 auf der Innenumfangsfläche bedeckt sein.
Wie in 10 gezeigt, ist es außerdem am meisten bevorzugt, dass das Magnetelement 9 sowohl von der Außenumfangsfläche des Statorkerns 7, als auch von dessen Innenumfangsfläche freiliegt, und zwar auf der Fläche auf der zugewandten Seite des Rotors 2 und der gegenüberliegenden Fläche auf der zugewandten Seite. Wenn das Magnetelement 9 mit der Kern-Rückseite 10 oder den Zähnen 11 bedeckt ist, auf der Außenumfangsfläche des Statorkerns 7 oder dessen Innenumfangsfläche, geht der Magnetfluss durch die Kern-Rückseite 10 oder die Zähne 11, ohne durch den Rotor 2 zu gehen, und dann wird ein Kurzschluss hervorgerufen, und das Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine 1 nimmt ab.
Wie in 10 gezeigt, gilt Folgendes: Da das Magnetelement 9 sowohl am Außenumfang des Statorkerns 7, als auch dessen Innenumfang freiliegt, kann verhindert werden, dass der Magnetfluss einen Kurzschluss verursacht, und eine Verringerung des Drehmoments kann eingeschränkt werden.
Außerdem ist in 10 der Statorkern 7 am Mittelteil in Radialrichtung der Zähne 11 geteilt, und er ist fixiert, wobei das Magnetelement 9 dazwischen eingehalten wird. Auf diese Weise kann der Statorkern 7 ein Teilungskern sein, der in mehrere Teile geteilt ist, und zwar in Umfangsrichtung.
Ausführungsform 2
11 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, wobei ein Bereich einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung vergrößert ist. In 11 sind die räumliche Relation zwischen dem Magnetelement 9 des Stators 3 und dem Vorsprungselement 6 des Rotors 2, die Phase des Stroms, sowie die jeweiligen Magnetisierungsrichtungen der Permanentmagneten 91 die gleichen wie diejenigen in 4. Im Folgenden ist die Erläuterung der gleichen Punkte wie bei der Ausführungsform 1 weggelassen, und es erfolgt eine Erläuterung unter Fokussierung auf die sich unterscheidenden Punkte.
Wie in 11 gezeigt, ist das Magnetelement 9 beispielsweise aus einer Mehrzahl von Permanentmagneten 91 gebildet, die entlang der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 angeordnet sind. Außerdem wird bei der vorliegenden Ausführungsform die Länge in Vorsprungsrichtung der Zähne 11 des Permanentmagneten 91 kleiner, und zwar von der Außenumfangsseite des Statorkerns 7 herab zur Innenumfangsseite, d. h., wenn sich der Ort des Nutenbereichs dem Rotor 2 annähert.
Wie in 11 gezeigt, wird angenommen, dass sich die Magnetelemente 9a und 9b an der Vorderseite in Radialrichtung der Vorsprungselemente 6a und 6b des Rotors 2 befinden. Zu dieser Zeit, wenn elektrische Energie dem Stator 8 zugeführt wird, der in der Nut 12 angeordnet ist, fließt ein Strom von der einen Seite der Achsenrichtung zur anderen Seite (von der Vorderseite der Zeichenebene zur Rückseite), und von dem Strom wird ein Magnetfluss erzeugt. Der Magnetfluss fließt von den Zähnen 11b zur Kern-Rückseite 10 und verkettet sich mit dem Magnetelement 9a in der Richtung senkrecht zur Vorsprungsrichtung der Zähne 11a. Danach weist der Magnetfluss vom Vorsprungselement 6a auf der einen Seite des Rotors 2 zum Vorsprungselement 6b auf der anderen Seite und kehrt dann zu den Zähnen 11b zurück und fließt weiter.
Wenn ein Strom durch die Statorspule 8 fließt, erzeugt der Strom Magnetflüsse, die sich mit dem Magnetelement 9a der Zähne 11a verketten und in Richtung des Vorsprungselements 6a auf der einen Seite des Rotors 2 fließen. Unter den jeweiligen Magnetflüssen, die mit dem Magnetelement 9a verketten, wird der Magnetfluss, der mit der durchgezogenen Linie φ a gezeigt ist und durch das Innere in Radialrichtung geht, in der Quantität größer als der Magnetfluss, der mit der gepunkteten Linie φ a gezeigt ist und durch das Äußere in Radialrichtung des Statorkerns 7 geht. Dies rührt daher, dass der Pfad, der durch die Außenumfangsseite des Statorkerns 7 geht, zum Erreichen des Rotors 2 ein Umweg ist, und der Magnetfluss hat das Merkmal, dass er im kürzesten Pfad fließt.
Daher wird der Magnetfluss, der durch das Äußere in Radialrichtung des Statorkerns 7 geht, auch in der Änderung der Magnetflüsse pro Zeiteinheit größer, anstelle desjenigen, der durch das Äußere in Radialrichtung geht. Was den Wirbelstrom anbelangt, der im Magnetelement 9 erzeugt wird, wird der Wirbelstrom größer, der in dem dem Rotor 2 nächsten Permanentmagneten 91 erzeugt wird. Nachfolgend wird der Permanentmagnet 91, der dem Rotor 2 am nächsten ist, im Magnetelement 9 insbesondere als ein Permanentmagnet 91p bezeichnet.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist - unter einer Mehrzahl von Permanentmagneten 91, die entlang der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 angeordnet sind - ein Permanentmagnet auf der Innenseite in Radialrichtung des Statorkerns 7, d. h. der dem Rotor 2 am nächsten liegende, ein Permanentmagnet 91p. Die Länge in Vorsprungsrichtung der Zähne 11 des Permanentmagneten 91p ist klein gemacht, verglichen mit den verbleibenden Permanentmagneten 91. Dadurch wird es einfacher gemacht, dass Ströme, die in entgegengesetzten Richtungen fließen, in Achsenrichtung eines Wirbelstroms, miteinander wechselwirken.
Hier in 11 erfolgt die Erläuterung eines beispielhaften Falls, in welchem eine Mehrzahl von Permanentmagneten 91 im Magnetelement 9 angeordnet sind. Wenn jedoch das Magnetelement 9 einen Nutenbereich 13 aufweist, der in Achsenrichtung verläuft und auf der Fläche entlang sowohl der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 des Permanentmagneten 91, als auch der Achsenrichtung ausgebildet ist, kann der Abstand zwischen den Nutenbereichen 13, die einander in der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 des Permanentmagneten 91 benachbart sind, oder der Abstand von der Fläche des Permanentmagneten 91 zum Nutenbereich 13 kleiner gemacht werden, wenn sich der Ort eines Nutenbereichs dem Rotor 2 annähert.
Wie oben beschrieben, ist die rotierende elektrische Maschine mit einem Magnetelement 9 versehen, das aus einer Mehrzahl von Permanentmagneten 91 gebildet ist, die in der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 angeordnet sind, oder einem Magnetelement 9, das aus einem Permanentmagneten 91 gebildet ist, der mit einer Mehrzahl von Nutenbereichen 13 entlang der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 versehen ist.
Dadurch wird der Wirbelstrom, der im Magnetelement 9 fließt, kleiner gemacht, und die Wirbelstromverluste können verringert werden. Außerdem ist bei der vorliegenden Ausführungsform, in einem Fall, in welchem die rotierende elektrische Maschine mit einem Magnetelement 9 ausgestattet ist, das aus einer Mehrzahl von Permanentmagneten 91 gebildet ist, die Länge in Vorsprungsrichtung der Zähne 11 des Permanentmagneten 91 so konfiguriert, dass sie allmählich kleiner gemacht wird, wenn sich der Ort eine Nutenbereichs dem Rotor 2 annähert.
In einem Fall, in welchem die rotierende elektrische Maschine mit einem Magnetelement 9 ausgestattet ist, das aus dem Permanentmagneten 91 gebildet ist, der mit dem Nutenbereich 13 versehen ist, sind außerdem die Länge zwischen den Nutenbereichen 13, die einander entlang der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 benachbart sind, und die Länge von der Flächen des Permanentmagneten 91 zum Nutenbereich 13, so konfiguriert, dass sie allmählich kleiner gemacht werden, wenn sich der Ort eines Nutenbereichs dem Rotor 2 annähert.
Auf diese Weise ist es einfach, dass der Permanentmagnet 91, der dem Rotor 2 nahe ist, einen Wirbelstrom erzeugt, und der Schleifendurchmesser des Wirbelstroms wird kleiner gemacht. Daher wird es einfach, dass Ströme, die in entgegengesetzten Richtungen fließen, miteinander wechselwirken, und der Wirbelstrom kann wirksam klein gemacht werden.
In dem in 11 gezeigten Beispiel ist hier ein beispielhafter Fall gezeigt, in welchem die Länge w_m1 in Vorsprungsrichtung der Zähne 11 des Permanentmagneten 91 allmählich kleiner gemacht wird, wenn sich der Ort eines Nutenbereichs dem Rotor 2 annähert. Um jedoch die Wirbelstromverluste zu verringern, braucht unter einer Mehrzahl von Permanentmagneten 91, die in der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 angeordnet sind, der dem Rotor 2 nächste Permanentmagnet 91p bloß in der Länge verkleinert zu werden, verglichen mit den jeweiligen Längen der verbleibenden Permanentmagneten 91.
In einem Fall, in welchem das Magnetelement 9 aus einem Permanentmagneten 91 gebildet ist, der mit einem Nutenbereich 13 versehen ist, braucht auf ähnliche Weise die Länge von der Fläche auf der zugewandten Seite des Rotors 2 des Permanentmagneten 91 zum Nutenbereich 13 nur kleiner gemacht zu werden, verglichen mit der Länge zwischen anderen Nutenbereichen 13.
Ausführungsform 3
12 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, wobei ein Bereich einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung vergrößert ist. Im Folgenden ist die Erläuterung der gleichen Punkte wie bei der Ausführungsform 1 weggelassen, und es erfolgt eine Erläuterung unter Fokussierung auf die sich unterscheidenden Punkte. In 12 sind die Phase des Stroms sowie die Magnetisierungsrichtungen der Permanentmagneten 91 die gleichen wie diejenigen in 5.
Das Magnetelement 9 ist aus einer Mehrzahl von Permanentmagneten 91 gebildet, die in der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 angeordnet sind. Oder das Magnetelement 9 ist aus einem Permanentmagneten 91 gebildet, der mit einem Nutenbereich 13 versehen ist, der in der Achsenrichtung verläuft, und ist auf der Fläche entlang sowohl der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 des Permanentmagneten, als auch der Achsenrichtung angeordnet. Außerdem ist bei der vorliegenden Ausführungsform der Abstand vom Magnetelement 9 zum Rotor 2 bezüglich der Radialrichtung größer als der Abstand vom Statorkern 7 zum Rotor 2 bezüglich der Radialrichtung.
Für den Fall beispielsweise, in welchem das Magnetelement 9 eine Mehrzahl von Permanentmagneten 91 aufweist, die in der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 angeordnet sind, befindet sich der dem Rotor 2 nächste Permanentmagnet 91p in Vorsprungsrichtung der Zähne 11 auf der Außenseite in Radialrichtung, anstelle einer Fläche, die entlang der Umfangsrichtung auf Seiten des Rotors 2 des Statorkerns 7 ist.
Wie in 12 gezeigt, wird angenommen, dass sich das Magnetelement 9a dem Vorsprungselement 6a des Rotors 2 zugewandt befindet, und dass sich das Magnetelement 9b auf der Rückseite in Radialrichtung des Vorsprungselements 6b des Rotors 2 befindet. Zu dieser Zeit, wenn elektrische Energie der Statorspule 8 zugeführt wird, die in der Nut 12 angeordnet ist, fließt ein Strom von der anderen Seite der Achsenrichtung zu der einen Seite (von der Rückseite der Zeichenebene zur Vorderseite), und von dem Strom wird ein Magnetfluss erzeugt.
Der Magnetfluss fließt von den Zähnen 11a zur Kern-Rückseite 10 und verkettet sich mit dem Magnetelement 9b in der Richtung senkrecht zur Vorsprungsrichtung der Zähne 1 1b. Danach weist der Magnetfluss vom Vorsprungselement 6b auf der einen Seite des Rotors 2 zum Vorsprungselement 6a auf der anderen Seite und kehrt dann zu den Zähnen 11a zurück und fließt weiter.
Unter den Flächen, die einander entlang der Vorsprungsrichtung des Vorsprungselements 6a zugewandt sind, befindet sich eine erste Fläche auf der Vorderseite in Radialrichtung des Rotors 2, und unter den Flächen, die einander zugewandt sind, entlang der Vorsprungsrichtung der Zähne 11a des Magnetelements 9a, befindet sich eine zweite Fläche in der Vorderseite in Radialrichtung. Wenn die Umfangsrichtungs-Positionen mit der ersten Fläche und der zweiten Fläche vergleichbar sind, fließt der Magnetfluss, der von dem Strom erzeugt wird, der in der Statorspule 8 fließt, vom Vorsprungselement 6a zur Umfangsrichtungs-Position des Magnetelements 9a, das der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 zugewandt ist.
Wenn der Magnetfluss mit dem Magnetelement 9a verkettet ist, wird zu dieser Zeit in der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 ein Wirbelstrom infolge der Variationen des Magnetflusses erzeugt. In dem in 12 gezeigten Beispiel gilt Folgendes: Da sich der dem Rotor 2 nächste Permanentmagnet 91p auf der Außenseite in Radialrichtung befindet, anstelle der Fläche, die entlang der Umfangsrichtung auf Seiten des Rotors 2 des Statorkerns 7 liegt, fließt der Magnetfluss in die Zähne 11a hinein, und zwar ohne Verkettung mit dem Magnetelement 9a.
Wie oben erwähnt, gilt Folgendes: Da die rotierende elektrische Maschine mit einem Magnetelement 9 versehen ist, das eine Mehrzahl von Permanentmagneten 91 aufweist, die entlang der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 angeordnet sind, oder einem Magnetelement 9, das aus dem Permanentmagneten 91 gebildet ist, der mit einem Nutenbereich 13 versehen ist, in Achsenrichtung verläuft und an einer Fläche entlang sowohl der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 des Permanentmagneten 91, als auch der Achsenrichtung angeordnet ist, kann der Wirbelstrom, der im Magnetelement 9 fließt, klein gemacht werden, und die Wirbelstromverluste können verringert werden.
Außerdem ist bei der vorliegenden Ausführungsform der Abstand vom Magnetelement 9 zum Rotor 2 bezüglich der Radialrichtung größer als der Abstand vom Statorkern 7 zum Rotor 2 bezüglich der Radialrichtung. Dadurch kann der Magnetfluss, der von einem Strom erzeugt wird, der in der Statorspule 8 fließt, von der Verkettung mit dem Magnetelement 9 entlang der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 gehindert werden, und die Wirbelstromverluste können noch weiter verringert werden.
Ausführungsform 4
13 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, wobei ein Bereich einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung vergrößert ist. Im Folgenden ist die Erläuterung der gleichen Punkte wie bei der Ausführungsform 1 weggelassen, und es erfolgt eine Erläuterung unter Fokussierung auf die sich unterscheidenden Punkte. In 13 sind die Phase des Stroms sowie die Magnetisierungsrichtungen der Permanentmagneten 91 die gleichen wie diejenigen in 5.
Das Magnetelement 9 ist beispielsweise aus einer Mehrzahl von Permanentmagneten 91 gebildet, die in der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 angeordnet sind. Außerdem hat bei der vorliegenden Ausführungsform das Magnetelement 9 eine Mehrzahl von Permanentmagneten 91, die in der Richtung senkrecht zur Vorsprungsrichtung der Zähne 11 angeordnet sind.
In dem in 13 gezeigten Beispiel ist unter der Mehrzahl von Permanentmagneten 91, die in der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 angeordnet sind, ein Permanentmagnet 91p der dem Rotor 2 nächste, und zwar in der Vorsprungsrichtung der Zähne 11. Der dem Rotor 2 nächste Permanentmagnet 91p ist in zwei Permanentmagneten 911p und 912p aufgeteilt, und zwar entlang der Richtung senkrecht zur Vorsprungsrichtung der Zähne 11.
Wie in 13 gezeigt, wird angenommen, dass sich das Magnetelement 9a dem Vorsprungselement 6a des Rotors 2 zugewandt befindet, und dass sich das Magnetelement 9b auf der Rückseite in Radialrichtung des Vorsprungselements 6b des Rotors 2 befindet. Zu dieser Zeit, wenn elektrische Energie der Statorspule 8 zugeführt wird, die in der Nut 12 angeordnet ist, fließt ein Strom von der anderen Seite der Achsenrichtung zu der einen Seite (von der Rückseite der Zeichenebene zur Vorderseite), und von dem Strom wird ein Magnetfluss erzeugt.
Der Magnetfluss fließt von den Zähnen 11a zur Kern-Rückseite 10 und verkettet sich mit dem Magnetelement 9b in der Richtung senkrecht zur Vorsprungsrichtung der Zähne 11b. Danach weist der Magnetfluss vom Vorsprungselement 6b des Rotors 2 zum Vorsprungselement 6a und kehrt dann zu den Zähnen 11a zurück und fließt weiter.
Unter den Flächen, die einander entlang der Vorsprungsrichtung des Vorsprungselements 6a zugewandt sind, befindet sich eine erste Fläche auf der Vorderseite in Radialrichtung des Rotors 2, und unter den Flächen, die einander zugewandt sind, entlang der Vorsprungsrichtung der Zähne 11a des Magnetelements 9a, befindet sich eine zweite Fläche in der Vorderseite in Radialrichtung.
Wenn die erste Fläche und die zweite Fläche an Umfangsrichtungs-Positionen vergleichbar sind, fließt der Magnetfluss, der von dem Strom erzeugt wird, der in der Statorspule 8 fließt, vom Vorsprungselement 6a entlang der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 zur Umfangsrichtungs-Position des Magnetelements 9a, das dem Vorsprungselement 6a zugewandt ist. Wenn der Magnetfluss sich zu dieser Zeit mit dem Magnetelement 9a verkettet, entlang der Vorsprungsrichtung der Zähne 11, dann wird zu dieser Zeit ein Wirbelstrom erzeugt, so dass Variationen des Magnetflusses aufgehoben werden können.
14 ist ein erläuterndes Diagramm zum Erläutern des Flusses des Wirbelstroms, der im Permanentmagneten der rotierenden elektrischen Maschine erzeugt wird, gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung. Wie in 14 gezeigt, fließt für den Fall, in welchem der Magnetfluss mit dem Magnetelement 9a verkettet ist, entlang der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 ein Wirbelstrom i₃ schleifenförmig in einem Bereich, der entlang der Richtung senkrecht zur Vorsprungsrichtung der Zähne 11 der Permanentmagneten 911p und 912p und der Achsenrichtung ist. Mit anderen Worten: Auf beiden Seiten in Radialrichtung der Permanentmagneten 911p und 912p fließen Ströme in den entgegengesetzten Richtungen der Achsenrichtung.
Da - wie oben erwähnt - die rotierende elektrische Maschine mit dem Magnetelement 9 versehen ist, in welchem eine Mehrzahl von Permanentmagneten 91 in der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 angeordnet sind, kann der Wirbelstrom, der im Magnetelement 9 fließt, klein gemacht werden, und die Wirbelstromverluste können verringert werden. Außerdem ist bei der vorliegenden Ausführungsform die rotierende elektrische Maschine mit einer Mehrzahl von Permanentmagneten 91 ausgerüstet, die in der Richtung senkrecht zur Vorsprungsrichtung der Zähne 11 angeordnet sind, und der Pfad eines Wirbelstroms, der entlang der Richtung senkrecht zur Vorsprungsrichtung der Zähne 11 fließt, ist geteilt.
Selbst in einem Fall, in welchem der Magnetfluss in der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 verkettet ist, heben dadurch die jeweiligen Ströme, die in den entgegengesetzten Richtungen fließen, entlang der Achsenrichtung eines Wirbelstroms einander auf, und der Wirbelstrom kann klein gemacht werden, und die Wirbelstromverluste können weiter verringert werden.
Insbesondere ist der Permanentmagnet 91p, der dem Rotor 2 am nächsten ist und auf einfache Weise mit dem Magnetfluss verkettet wird, entlang der Vorsprungsrichtung der Zähne 11, in der Richtung senkrecht zur Vorsprungsrichtung der Zähne 11 geteilt. Dadurch kann die Verringerung der Wirbelstromverluste weiter verbessert werden.
Es sei angemerkt, dass in 13 und 14 der beispielhafte Fall gezeigt ist, in welchem der dem Rotor 2 nächste Permanentmagnet 91p allein in der Richtung senkrecht zur Vorsprungsrichtung der Zähne 11 geteilt ist. Es können jedoch auch andere Permanentmagneten 91 in der Richtung senkrecht zur Vorsprungsrichtung der Zähne 11 geteilt sein.
Anstatt das Magnetelement 9 in eine Mehrzahl von Bestandteilen zu teilen, entlang der Richtung senkrecht zur Vorsprungsrichtung der Zähne 11, ist es auch möglich, dass die rotierende elektrische Maschine mit einem Permanentmagneten 91 versehen ist, der einen Nutenbereich 14 aufweist, der in der Achsenrichtung verläuft und auf der Fläche auf der dem Rotor 2 zugewandten Seite ausgebildet ist. 15 ist eine Schnittansicht zur Erläuterung der schematischen Struktur eines weiteren Beispiels der rotierenden elektrischen Maschine gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung. In dem in 15 gezeigten Beispiel verläuft der Nutenbereich 14 in der Achsenrichtung und ist auf der Fläche auf der dem Rotor 2 zugewandten Seite des dem Rotor 2 nächsten Permanentmagneten 91p in Vorsprungsrichtung der Zähne 11 angeordnet.
Auf diese Weise verkettet der Magnetfluss entlang der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 des Magnetelements 9, und ein Wirbelstrom wird erzeugt. Der Pfad des Wirbelstroms ist entlang der Richtung senkrecht zur Vorsprungsrichtung der Zähne 11 geteilt. Dadurch kann selbst in einem Fall, in welchem der Nutenbereich 14 ausgebildet ist, die Stärke eines Wirbelstroms verringert werden. Verglichen mit dem Fall, in welchem eine Mehrzahl von Permanentmagneten 91 als das Magnetelement 9 verwendet wird, kann das Magnetelement 9 einfach an den Zähnen 11 installiert werden, und der Stator 3 wird bezogen auf den Zusammenbau vereinfacht.
Hier kann der Nutenbereich 14 in Achsenrichtung des Magnetelements 9 durchdringen und kann in einem Teil in der Achsenrichtung ausgebildet sein, ohne durchzudringen. Die Länge des Nutenbereichs 14 in der Achsenrichtung kann jedoch niemals zu groß sein, und zwar bezüglich der Länge des Magnetelements 9 in der Achsenrichtung. Wenn die Länge des Nutenbereichs 14 in der Achsenrichtung groß gemacht wird, kann die Verringerungswirkung der Wirbelstromverluste verbessert werden, die durch die Wechselwirkung des Wirbelstroms induziert werden.
Außerdem ist eine Länge w_m2 definiert als die Länge der Richtung senkrecht zur Vorsprungsrichtung der Zähne 11 des Permanentmagneten 91, die geteilt ist in der Richtung senkrecht zur Vorsprungsrichtung der Zähne 11. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass die Eindringtiefe d die folgende Relation erfüllt.
[Gleichung 4] $w_{m 2} ≦ 2 d$
Wie in Gleichung (4) gezeigt, gilt Folgendes: Wenn die Länge w_m2 weniger als das Doppelte der Eindringtiefe d beträgt, wobei die Länge w_m2 die Länge in der Richtung senkrecht zur Vorsprungsrichtung der Zähne 11 des Permanentmagneten 91 ist, gibt es eine Region, in welcher jeweilige Ströme des Wirbelstroms, die in entgegengesetzten Richtungen fließen, einander aufheben, und zwar bei einer Stärke größer als 1 / e. Dadurch können diese Ströme einander wirksam aufheben, und die Verringerungs-Wirkung eines Wirbelstroms kann vergrößert werden.
Hier wird angenommen, dass das Magnetelement 9 aus dem Permanentmagneten 91 gebildet ist, der einen Nutenbereich 14 aufweist, der in der Richtung senkrecht zur Vorsprungsrichtung der Zähne 11 ausgebildet ist. Wenn der Abstand von der Vorderfläche des Permanentmagneten 91 zum Nutenbereich 14 oder der Abstand zwischen benachbarten Nutenbereichen 14 kleiner gemacht wird als das Doppelte der Eindringtiefe d, dann kann die Verringerungs-Wirkung eines Wirbelstroms auf ähnliche Weise vergrößert werden.
Ausführungsform 5
16 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, wobei ein Bereich einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung vergrößert ist. Im Folgenden ist die Erläuterung der gleichen Punkte wie bei der Ausführungsform 1 weggelassen, und es erfolgt eine Erläuterung unter Fokussierung auf die sich unterscheidenden Punkte. In 16 sind die Phase des Stroms sowie die Magnetisierungsrichtungen der Permanentmagneten 91 die gleichen wie diejenigen in 5.
Das Magnetelement 9 ist beispielsweise aus einer Mehrzahl von Permanentmagneten 91 gebildet, die in der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 angeordnet sind. Oder das Magnetelement 9 ist beispielsweise aus einem Permanentmagneten 91 gebildet, der mit einem Nutenbereich 13 versehen ist, der in der Achsenrichtung verläuft, und ist auf der Fläche entlang sowohl der Vorsprungsrichtung als auch der Achsenrichtung angeordnet. Außerdem ist bei der vorliegenden Ausführungsform ein Eckbereich durch Kreuzen einer Fläche entlang sowohl der Vorsprungsrichtung der Zähne 11, als auch der Achsenrichtung des Rotors und einer Fläche auf der dem Rotor 2 zugewandten Seite gebildet.
Beim Permanentmagneten 91 des Magnetelements 9 ist der Eckbereich weggenommen, und eine angeschrägte Fläche 15 ist ausgebildet. Im Folgenden wird der Eckbereich, der durch Kreuzen einer Fläche entlang sowohl der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 des Permanentmagneten 91, als auch der Achsenrichtung des Rotors und einer Fläche auf der dem Rotor 2 zugewandten Seite gebildet ist, einfach als ein Eckbereich auf der dem Rotor 2 zugewandten Seite bezeichnet.
In dem in 16 gezeigten Beispiel ist der Eckbereich an der Vorderseite in Rotationsrichtung auf der dem Rotor 2 zugewandten Seite weggenommen, so dass eine angeschrägte Fläche 15 gebildet wird. Unter den Permanentmagneten 91, die in der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 angeordnet sind, ist der dem Rotor 2 nächste Permanentmagnet 91p mit der angeschrägten Fläche 15 ausgebildet. Im Permanentmagneten 91p ist die Form des Querschnitts, der senkrecht zur Achsenrichtung ist, ein Fünfeck.
Wie in 16 gezeigt, wird angenommen, dass sich das Magnetelement 9a dem Vorsprungselement 6a des Rotors 2 zugewandt befindet, und dass sich das Magnetelement 9b auf der Rückseite in Radialrichtung des Vorsprungselements 6b des Rotors 2 befindet. Zu dieser Zeit, wenn elektrische Energie der Statorspule 8 zugeführt wird, die in der Nut 12 angeordnet ist, fließt ein Strom von der anderen Seite der Achsenrichtung zu der einen Seite (von der Rückseite der Zeichenebene zur Vorderseite), und von dem Strom wird ein Magnetfluss erzeugt. Der Magnetfluss fließt von den Zähnen 11a zur Kern-Rückseite 10 und verkettet sich mit dem Magnetelement 9b in der Richtung senkrecht zur Vorsprungsrichtung der Zähne 11b. Danach weist der Magnetfluss vom Vorsprungselement 6b des Rotors 2 zum Vorsprungselement 6a und kehrt dann zu den Zähnen 11a zurück und fließt weiter.
Von einem Paar von Flächen, die einander entlang der Vorsprungsrichtung des Vorsprungselements 6a zugewandt sind, befindet sich eine erste Fläche an der Vorderseite in Radialrichtung des Rotors 2, und von einem Paar von Flächen, die einander zugewandt sind, entlang der Vorsprungsrichtung der Zähne 11a des Magnetelements 9a, befindet sich eine zweite Fläche an der Vorderseite in Radialrichtung.
Wenn die Umfangsrichtungs-Positionen mit der ersten Fläche und der zweiten Fläche vergleichbar sind, fließt der Magnetfluss, der von dem Strom erzeugt wird, der in der Statorspule 8 fließt, vom Vorsprungselement 6a entlang der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 zur Umfangsrichtungs-Position des Magnetelements 9a, das dem Vorsprungselement 6a gegenüberliegt. Wenn der Magnetfluss sich zu dieser Zeit mit dem Magnetelement 9a verkettet, entlang der Vorsprungsrichtung der Zähne 11, dann wird zu dieser Zeit ein Wirbelstrom erzeugt, so dass Variationen des Magnetflusses aufgehoben werden können, und Wirbelstromverluste werden hervorgerufen.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist ein Eckbereich an der Vorderseite in Rotationsrichtung auf der dem Rotor 2 zugewandten Seite weggenommen, so dass eine angeschrägte Fläche 15 gebildet wird. Unter den Permanentmagneten 91, die in der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 angeordnet sind, hat der dem Rotor 2 nächste Permanentmagnet 91p die angeschrägte Fläche 15, und dann fließt der Magnetfluss vom Vorsprungselement 6a zu den Zähnen 11a ohne die Verkettung mit dem Magnetelement 9a zurück.
Wie oben beschrieben, ist die rotierende elektrische Maschine mit einem Magnetelement 9 ausgestattet, das aus einer Mehrzahl von Permanentmagneten 91 gebildet ist, die in der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 angeordnet sind, oder einem Magnetelement 9, das aus einem Permanentmagneten 91 gebildet ist, der mit einem Nutenbereich 13 versehen ist, der in der Achsenrichtung verläuft, und auf der Fläche entlang sowohl der Vorsprungsrichtung der Zähne 11, als auch der Achsenrichtung angeordnet. Dadurch kann der Wirbelstrom, der im Magnetelement 9 fließt, klein gemacht werden, und die Wirbelstromverluste können verringert werden.
Außerdem ist bei der vorliegenden Ausführungsform ein Eckbereich auf der dem Rotor 2 zugewandten Seite weggenommen, so dass eine angeschrägte Fläche 15 gebildet wird, und der Permanentmagnet 91p hat die angeschrägte Fläche 15. Da der Magnetfluss vom Vorsprungselement 6a zu den Zähnen 11a zurückfließt, und zwar ohne Verkettung mit dem Magnetelement 9a, wird die Erzeugung eines Wirbelstroms eingeschränkt, und die Wirbelstromverluste können weiter verringert werden.
Es sei angemerkt, dass in 16 angenommen wird, dass der Rotor in Gegenuhrzeigersinnrichtung rotiert, und es ist ein beispielhafter Fall gezeigt, in welchem ein Eckbereich, der sich auf Seiten der Gegenuhrzeigersinnrichtung befindet, auf der dem Rotor 2 zugewandten Seite des Permanentmagneten 91, weggenommen ist. Wenn jedoch der Rotor in Uhrzeigersinnrichtung rotiert, ist es bevorzugt, dass ein Eckbereich auf Seiten der Uhrzeigersinnrichtung weggenommen ist, und zwar auf der dem Rotor 2 zugewandten Seite des Permanentmagneten 91.
Wenn der Rotor 2 sowohl in der Gegenuhrzeigersinnrichtung, als auch in der Uhrzeigersinnrichtung rotiert, ist es außerdem bevorzugt, dass ein Eckbereich auf Seiten der Gegenuhrzeigersinn-Rotationsrichtung und ein Eckbereich auf Seiten der Uhrzeigersinn-Rotationsrichtung weggenommen werden, und dass der Permanentmagnet zwei angeschrägte Flächen 15 hat.
17 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das ein weiteres Beispiel der rotierenden elektrischen Maschine gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung zeigt. In dem in 17 gezeigten Beispiel ist der Eckbereich des Permanentmagneten 91 der Zähne 11 auf der dem Rotor 2 zugewandten Seite weggenommen, und zwar sowohl auf der Rotationsrichtungs-Vorderseite, als auch auf der Rotationsrichtungs-Rückseite, und der Permanentmagnet 91p hat zwei angeschrägte Flächen 15.
Das heißt, der Querschnitt senkrecht zur Achsenrichtung des Permanentmagneten 91p ist in der Konfiguration ein Sechseck. Auf diese Weise sind beide Eckbereiche auf der dem Rotor 2 des Permanentmagneten 91p zugewandten Seite angeschrägt, und der Permanentmagnet 91p hat zwei angeschrägte Flächen 15. Daher können ohne Abhängigkeit von der Rotationsrichtung des Rotors 2 die Wirbelstromverluste des Magnetelements 9 verringert werden.
Außerdem ist sowohl in 16, als auch in 17 der beispielhafte Fall gezeigt, in welchem ein Eckbereich weggenommen ist, und der Permanentmagnet 91p hat eine angeschrägte Fläche 15, und der Querschnitt senkrecht zur Achsenrichtung ist in der Konfiguration fünfeckig oder sechseckig. Der Eckbereich kann jedoch eine jegliche Konfiguration annehmen, die zum Steuern des Wirbelstroms mittels des Magnetflusses geeignet ist, der vom Rotor 2 zu den Zähnen 11 kommt. Eine Polygonform von mehr als einem Fünfeck und einem Sechseck kann verwendet werden, und der Eckbereich kann in einer Bogenart weggenommen werden.
Ausführungsform 6
18 ist eine Schnittansicht, die die schematische Struktur eines weiteren Beispiels der rotierenden elektrischen Maschine gemäß Ausführungsform 6 der vorliegenden Erfindung zeigt. Im Folgenden ist die Erläuterung der gleichen Punkte wie bei der Ausführungsform 1 weggelassen, und es erfolgt eine Erläuterung unter Fokussierung auf die sich unterscheidenden Punkte. In den Ausführungsformen 1 bis 6 sind beispielhafte Fälle gezeigt, bei welchen die rotierende elektrische Maschine 1 eine vom Innenrotortyp ist, die einen Rotor 2 aufweist, der in Radialrichtung des Stators 3 auf der Innenseite angeordnet ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der beispielhafte Fall gezeigt, in welchem die rotierende elektrische Maschine 1 vom Außenrotortyp ist und einen Rotor 2 aufweist, der auf der Außenseite in Radialrichtung des Stators 3 angeordnet ist.
Wie in 18 gezeigt, ist die rotierende elektrische Maschine 1 mit einem Rotor 2 und einem Stator 3 in Zylinderform ausgestattet, der auf der Innenseite in Radialrichtung des Rotors 2 angeordnet ist, wobei ein Zwischenraum dazwischen eingehalten wird. Der Rotor 2 hat einen Rotorkern 5. Der Rotorkern 5 ist mit einer Mehrzahl von Vorsprungselementen 6 versehen, die in Radialrichtung nach innen vorstehen. Jedes der Vorsprungselemente 6 ist in Umfangsrichtung des Rotorkerns 5 angeordnet, wobei es einen Zwischenraum zwischeneinander hält.
Der Stator 3 hat einen Statorkern 7, eine Statorspule 8 und ein Magnetelement 9. Der Statorkern 7 ist beispielsweise ein Magnetkörper beispielsweise aus elektromagnetischen Stahlblechen, die entlang der Achsenrichtung in Schichten gestapelt sind. Der Statorkern 7 hat eine Kern-Rückseite 10 in Zylinderform, sowie eine Mehrzahl von Zähnen 11, die von der Außenumfangsfläche der Kern-Rückseite 10 in Radialrichtung nach außen vorstehen. Das heißt, jeder von der Mehrzahl von Zähnen 11 steht in Richtung des Rotors 2 vor, und außerdem ist er entlang der Umfangsrichtung der Kern-Rückseite 10 von , wobei ein Zwischenraum zwischen ihnen eingehalten wird.
Zwischen den Zähnen 11, die einander in Umfangsrichtung benachbart liegen, ist eine Nut 12 ausgebildet, die jeweils räumlich nach außen in Radialrichtung des Stators 3 geöffnet ist, und sie erzeugt einen Zwischenraum, der in der Achsenrichtung verläuft. In der Nut 12 ist eine Statorspule 8 angeordnet, die auf die Zähne 11 gewickelt ist. Außerdem ist ein Magnetelement 9 in jedem der zentralen Teile in Radialrichtung der Mehrzahl von Zähnen 11 angeordnet.
Beispielsweise ist in den jeweiligen zentralen Bereichen der Mehrzahl von Zähnen 11 das Magnetelement 9 so angeordnet, dass es in der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 und der Achsenrichtung verläuft, und es ist aus Permanentmagneten 91 gebildet, die jeweils in Umfangsrichtung magnetisiert sind. Die Permanentmagneten 91 der Magnetelemente 9, die einander in Umfangsrichtung mittels der Nut 12 benachbart liegen, sind so angeordnet, dass sie zueinander dem gleichen Magnetpol zugewandt sind. Das heißt, die Permanentmagneten 91 des Magnetelements 9, das in jedem der Mehrzahl von Zähnen 11 angeordnet ist, sind so angeordnet, dass sich deren Magnetpole in Umfangsrichtung abwechseln.
Das Magnetelement 9 liegt beispielsweise von den Zähnen 11 auf der Innenumfangsfläche des Statorkerns 7 frei, und es ist mit der Kern-Rückseite 10 auf der Außenumfangsfläche des Statorkerns 7 bedeckt. In den Zeichnungen bezeichnen N und S einen Magnetpol des Permanentmagneten 91 des Magnetelements 9. Als Permanentmagneten 91 des Magnetelements 9 werden beispielsweise ein gesinterter Seltene-Erden-Magnet und ein Ferrit-Magnet verwendet.
Das Magnetelement 9 ist aus einer Mehrzahl von Permanentmagneten 91 gebildet, die jeweils in der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 angeordnet sind. Oder das Magnetelement 9 ist aus einem Permanentmagneten 91 aus einem Einzelkörper gebildet, der einen Nutenbereich 13 aufweist, der entlang der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 verläuft, wobei ein Zwischenraum dazwischen eingehalten wird, wobei der Nutenbereich 13 in der Achsenrichtung verläuft, und ist auf der Fläche entlang der Vorsprungsrichtung der Zähne 11 und der Achsenrichtung angeordnet.
Da die rotierende elektrische Maschine mit einem solchen Magnetelement 9 versehen ist, kann der Pfad eines Wirbelstroms entlang der Richtung senkrecht zur Vorsprungsrichtung der Zähne 11 geteilt werden. Geteilte Wirbelströme fließen in entgegengesetzten Richtungen der Achsenrichtung, und diese Ströme heben einander auf. Dann können die Wirbelstromverluste wirksam verringert werden.
Es sei angemerkt, dass bei den Ausführungsformen 1 bis 6 ein beispielhafter Fall gezeigt ist, in welchem die Anzahl von Vorsprungselementen des Rotors 2 einen Wert von Fünf hat, und sowohl die Zähne 11 des Stators 3, als auch die Magnetelemente 9 eine Anzahl von Sechs haben. Die Anzahl von Polen, die Anzahl von Nuten und die Größe der anderen jeweiligen Bereiche sind jedoch nicht besonders beschränkt.
Beispielsweise kann die Anzahl von Vorsprungselementen des Rotors 2 einen Wert von Vier haben, und sowohl die Zähne 11 des Stators 3, als auch die Magnetelemente 9 können eine Anzahl von Sechs haben. Außerdem kann die Anzahl von Vorsprungselementen 6 des Rotors 2 einen Wert von Zehn haben, und sowohl die Zähne 11 des Stators 3, als auch die Magnetelemente 9 können eine Anzahl von Zwölf haben.
Außerdem erfolgt bei den Ausführungsformen 1 bis 6 eine Erläuterung der Elektromotoren, die Wicklungsdrähte mit drei Phasen aufweisen, als eine rotierende elektrische Maschine 1. Diese Motoren sind jedoch nur Beispiele, und ein Elektromotor, der Wicklungsdrähte mit mehreren Phasen aufweist, die von drei Phasen verschieden sind, kann ebenfalls verwendet werden.
Außerdem kann bei der vorliegenden Erfindung jede der Ausführungsformen mit einer anderen kombiniert werden, und zwar frei innerhalb des Umfangs der Erfindung, oder sie kann jede der Ausführungsformen geeignet abändern und dabei Merkmale weglassen.
Bezugszeichenliste

1: Rotierende elektrische Maschine
2: Rotor
3: Stator
4: Drehwelle
5: Rotorkern
6: Vorsprungselement
6a: Vorsprungselement
6b: Vorsprungselement
7: Statorkern
8: Statorspule
9: Magnetelement
9a: Magnetelement
9b: Magnetelement
10: Kern-Rückseite
11: Zähne
11a: Zähne
11b: Zähne
12: Nut
13: Nutenbereich
14: Nutenbereich
91: Permanentmagnet
91p: Permanentmagnet

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2009509490 T [0006]
JP 2016032385 A [0006]
JP 2013176259 A [0006]

Claims

Rotierende elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator, der so angeordnet ist, dass er dem Rotor zugewandt ist, wobei ein Zwischenraum in Radialrichtung des Rotors eingehalten wird, wobei der Stator Folgendes aufweist: einen Statorkern mit einer Kern-Rückseite in zylindrischer Form und einer Mehrzahl von Zähnen, wobei jeder von der Mehrzahl von Zähnen von der Kern-Rückseite in Richtung des Rotors vorsteht und entlang der Umfangsrichtung des Rotors angeordnet ist, eine Statorspule, die um jeden von der Mehrzahl von Zähnen gewickelt ist und in einer Nut angeordnet ist, die zwischen Zähnen ausgebildet ist, die in Umfangsrichtung nebeneinander liegen, und ein Magnetelement mit einer Mehrzahl von Permanentmagneten, die in jedem von der Mehrzahl von Zähnen angeordnet sind, wobei jeder von der Mehrzahl von Permanentmagneten den zueinander gleichen Magnetpol in Umfangsrichtung aufweist und in Vorsprungsrichtung der Zähne angeordnet ist.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei die Permanentmagneten, die in Umfangsrichtung mittels der Nuten nebeneinander liegen, so angeordnet sind, dass sie zueinander dem gleichen Magnetpol zugewandt sind.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Länge des Permanentmagneten entlang der Vorsprungsrichtung der Zähne geringer ist als das Doppelte der Eindringtiefe d, die gegeben ist durch $d = {2 / (ωμσ)}^{1 / 2},$
wobei ω die Winkelfrequenz des Stroms ist, der in der Statorspule fließt, µ die magnetische Permeabilität des Permanentmagneten ist und σ die elektrische Leitfähigkeit des Permanentmagneten ist.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei im Magnetelement zumindest eine von einer Fläche auf der dem Rotor zugewandten Seite und einer gegenüberliegenden Fläche auf der zugewandten Seite vom Statorkern freiliegt.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei unter der Mehrzahl von Permanentmagneten, die in Vorsprungsrichtung der Zähne angeordnet sind, der dem Rotor nächste Permanentmagnet kleiner ist als die verbleibenden Permanentmagneten, und zwar in der Länge entlang der Vorsprungsrichtung der Zähne.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Abstand vom Magnetelement zum Rotor in Radialrichtung größer ist als der Abstand vom Statorkern zum Rotor in Radialrichtung.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei im Magnetelement die Mehrzahl von Permanentmagneten in einer Richtung angeordnet sind, die senkrecht zur Vorsprungsrichtung der Zähne ist.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Länge der jeweiligen Permanentmagneten entlang der Richtung senkrecht zur Vorsprungsrichtung der Zähne weniger als das Doppelte der Eindringtiefe d ist, die gegeben ist durch d = {2/(ωµσ)}^1/2, wobei ω die Winkelfrequenz des Stroms ist, der in der Statorspule fließt, µ die magnetische Permeabilität des Permanentmagneten ist und σ die elektrische Leitfähigkeit des Permanentmagneten ist.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei unter der Mehrzahl von Permanentmagneten, die in Vorsprungsrichtung der Zähne angeordnet sind, der dem Rotor nächste Permanentmagnet einen Nutenbereich aufweist, der in Achsenrichtung des Rotors verläuft und auf einer Fläche der dem Rotor zugewandten Seite ausgebildet ist.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Permanentmagnet eine angeschrägte Fläche hat, die gebildet ist durch Wegnehmen eines Eckbereichs, wobei der Eckbereich durch Kreuzen einer Fläche entlang sowohl der Vorsprungsrichtung der Zähne als auch der Achsenrichtung des Rotors und einer Fläche auf der dem Rotor zugewandten Seite gebildet ist.
Rotierende elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator, der so angeordnet ist, dass er dem Rotor zugewandt ist, wobei ein Zwischenraum in Radialrichtung des Rotors eingehalten wird, wobei der Stator Folgendes aufweist: einen Statorkern mit einer Kern-Rückseite in zylindrischer Form und einer Mehrzahl von Zähnen, wobei jeder von der Mehrzahl von Zähnen von der Kern-Rückseite in Richtung des Rotors vorsteht und entlang der Umfangsrichtung des Rotors angeordnet ist, einen Statorspule, die um jeden von der Mehrzahl von Zähnen gewickelt ist und in einer Nut angeordnet ist, die zwischen Zähnen ausgebildet ist, die in Umfangsrichtung nebeneinander liegen, und ein Magnetelement mit einem Permanentmagneten, der in jeder von der Mehrzahl von Zähnen angeordnet ist, wobei der Permanentmagnet in Umfangsrichtung magnetisiert ist und ein Nutenbereich, der in Achsenrichtung des Rotors verläuft, auf einer Fläche entlang sowohl der Vorsprungsrichtung der Zähne des Permanentmagneten, als auch der Achsenrichtung des Rotors gebildet ist.