DE112013006500T5

DE112013006500T5 - Drehender elektrischer Mechanismus der Permanentmagnetbauart

Info

Publication number: DE112013006500T5
Application number: DE112013006500.2T
Authority: DE
Inventors: Toshinori Tanaka; Tomoya Tachibana; Eigo Totoki
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-01-24
Filing date: 2013-12-09
Publication date: 2015-12-03
Also published as: JPWO2014115436A1; CN104937815A; WO2014115436A1; US20150270752A1; CN104937815B; JP5813254B2; US9716411B2

Abstract

Ein drehender elektrischer Mechanismus der Permanentmagnetbauart umfasst: einen Stator (20) mit Statorwicklungen (3), die auf mehrere an einem Statorkern (2) ausgebildete Zahnabschnitte (2a) aufgewickelt sind; und einen Rotor (30) mit Permanentmagneten (5), die zwischen mehreren entlang einer Umfangsrichtung eines Rotorkerns (4) ausgebildeten Magnetpolen eingebettet sind, wobei der Rotor (30) integral mit einer Welle (6) drehbeweglich ist. Der Rotorkern (4) hat einen Bereich (4a, 4b) geringer Permeabilität, der eine geringere Permeabilität hat als das Material des Rotorkerns (4), zwischen einem Außenumfang jedes Magnetpols und einer Seitenfläche jedes Permanentmagneten (5). Die Bereiche (4a, 4b) geringer Permeabilität sind im Hinblick auf eine geometrische Mitte jedes Magnetpols asymmetrisch ausgebildet, so dass eine magnetische Mitte des Magnetpols im Hinblick auf die geometrische Mitte zu einer Seite hin verschoben ist. Die Rotorkerne (4) sind in Bezug aufeinander umgedreht so angeordnet, dass sich eine relative Position in der Umfangsrichtung der Bereiche (4a, 4b) geringer Permeabilität im Hinblick auf die Permanentmagnete (5) unterscheidet.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen drehenden elektrischen Mechanismus der Permanentmagnetbauart mit innenliegenden Magneten (IPM), der über in einen Rotor eingebettete Permanentmagnete verfügt.
Stand der Technik
Bei drehenden elektrischen Mechanismen wie etwa industriellen oder Fahrzeugmotoren müssen ein hohes Drehmoment, ein niedriges Rastmoment, ein weiter Betriebsbereich und dergleichen realisiert werden. Als ein technisches Verfahren, um solche Anforderungen zu erfüllen, ist beispielsweise ein Rotor für einen drehenden elektrischen Mechanismus offenbart, der einen Rotor aufweist, der über nahe seinem Außenumfang eingebettete Permanentmagnete verfügt und Luftspaltöffnungen hat, die an der Außenumfangsseite im Hinblick auf die Permanentmagnete so ausgebildet sind, dass die Position in der Umfangsrichtung der Luftspaltöffnungen je nach einer Position in der axialen Richtung unterschiedlich ist. Da sich die Luftspaltöffnungen an in der Umfangsrichtung unterschiedlichen Positionen befinden, heben die jeweiligen Rastmomente einander auf, und somit wird ein Rastmoment unterbunden (siehe z.B. Patentschrift 1).
Es ist ein anderer drehender elektrischer Mechanismus offenbart, der mehrere Rotorkerne hat, wovon jeder eine in der Umfangsrichtung asymmetrische Permanentmagneteinsetzbohrung aufweist und an beiden Enden der Einsetzbohrung über zueinander in der Umfangsrichtung symmetrische Öffnungen verfügt, wobei die mehreren Rotorkerne abwechselnd umgekehrt und integral in der axialen Richtung befestigt sind, um einen einzelnen Rotorkern zu bilden (siehe z.B. Patentschrift 2).
Anführungsliste
Patentdokumente

Patentschrift 1: japanische Patentveröffentlichung mit der Offenlegungsnummer 2005-176424 (Seite 5, 5 und 6)
Patentschrift 2: japanische Patentveröffentlichung mit der Offenlegungsnummer 2000-134841 (Seiten 3 und 4, 2 bis 4)

Zusammenfassung der Erfindung
Probleme, die von der Erfindung gelöst werden sollen
Bei dem wie in der obigen Patentschrift 1 aufgezeigten herkömmlichen Aufbau sind Luftspaltöffnungen in einem Rotorkernteil vorgesehen, um ein Rastmoment zu reduzieren. Allerdings üben solche nahe einer Rotorfläche vorgesehene Luftspaltöffnungen kaum eine Wirkung aus, eine von einem q-Achsen-Magnetfluss herrührende q-Achsen-Induktivität zu senken. Deshalb besteht ein Problem, dass eine Induktivität im Vergleich zu einem SPM-Motor mit einem Oberflächenmagnetaufbau zunimmt und ein Betriebsbereich aufgrund einer Energieversorgungsspannungszwangsbedingung reduziert ist.
Ähnlich ändern sich in dem wie in der Patentschrift 2 aufgezeigten Aufbau die Formen beider Enden der Permanentmagneteinsetzbohrung in der axialen Richtung, um ein Rastmoment und Drehmomentwelligkeit zu reduzieren. Jedoch wird eine von einem q-Achsen-Magnetfluss herrührende q-Achsen-Induktivität kaum reduziert. Deshalb besteht insbesondere im Fall eines IPM-Motors, dessen Induktivität größer ist als diejenige eines SPM-Motors, immer noch ein Problem, dass ein Betriebsbereich reduziert ist.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die vorstehenden Probleme zu lösen, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, insbesondere einen drehenden elektrischen Mechanismus der Permanentmagnetbauart bereitzustellen, bei dem sowohl ein Rastmoment als auch Drehmomentwelligkeit reduziert sind und dabei die q-Achsen-Induktivität gesenkt ist.
Lösung für die Probleme
Ein drehender elektrischer Mechanismus der Permanentmagnetbauart nach der vorliegenden Erfindung umfasst: einen Stator mit Statorwicklungen, die auf mehrere an einem Statorkern ausgebildete Zahnabschnitte aufgewickelt sind; und einen Rotor mit Permanentmagneten, die zwischen mehreren entlang einer Umfangsrichtung eines Rotorkerns ausgebildeten Magnetpolen eingebettet sind, wobei der Rotor integral mit einer Welle drehbeweglich ist. Der Rotorkern hat einen Bereich geringer Permeabilität, der eine geringere Permeabilität hat als das Material des Rotorkerns, zwischen einem Außenumfang jedes Magnetpols und einer Seitenfläche jedes Permanentmagneten. Der Bereich geringer Permeabilität ist im Hinblick auf eine geometrische Mitte in der Umfangsrichtung jedes Permanentmagneten asymmetrisch ausgebildet, so dass eine magnetische Mitte des Magnetpols im Hinblick auf die geometrische Mitte zu einer Seite hin verschoben ist. Die Rotorkerne sind in Bezug aufeinander umgedreht so angeordnet, dass sich eine relative Position in der Umfangsrichtung der Bereiche geringer Permeabilität im Hinblick auf die Permanentmagnete unterscheidet.
Wirkungen der Erfindung
Nach dem drehenden elektrischen Mechanismus der Permanentmagnetbauart der vorliegenden Erfindung hat der Rotorkern einen Bereich geringer Permeabilität, der eine geringere Permeabilität hat als das Material des Rotorkerns, zwischen einem Außenumfang jedes Magnetpols und einer Seitenfläche jedes Permanentmagneten, der Bereich geringer Permeabilität ist im Hinblick auf eine geometrische Mitte in der Umfangsrichtung jedes Magnetpols asymmetrisch ausgebildet, so dass die magnetische Mitte jedes Magnetpols zu einer Seite hin verschoben ist, und die Rotorkerne sind in Bezug aufeinander umgedreht so angeordnet, dass sich eine relative Position in der Umfangsrichtung der Bereiche geringer Permeabilität im Hinblick auf die Permanentmagnete unterscheidet. Deshalb kann eine q-Achsen-Induktivität dank der Ausbildung der Bereiche geringer Permeabilität gesenkt und eine Reduktion eines Betriebsbereichs aufgrund einer Energieversorgungsspannungszwangsbedingung unterbunden werden. Außerdem sind, da sich die relative Position in der Umfangsrichtung der Bereiche geringer Permeabilität unterscheidet, Rastmoment- und Drehmomentwelligkeitsphasen verschoben, wodurch dieselbe Wirkung wie im Falle einer Schrägstellung von Permanentmagneten erzielt wird und ein Rastmoment und Drehmomentwelligkeit reduziert werden können.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Schnittansicht eines drehenden elektrischen Mechanismus der Permanentmagnetbauart nach Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung entlang einer zur axialen Richtung senkrechten Richtung.
2 ist eine Schnittansicht eines Rotors des drehenden elektrischen Mechanismus der Permanentmagnetbauart in 1 entlang einer zur axialen Richtung senkrechten Richtung.
Bei 3 handelt es sich um Schnittansichten eines Kerns I und eines Kerns II, aus denen sich der Rotor in 2 zusammensetzt.
4 ist eine Ansicht, die den Kern I und den Kern II in 3 zeigt, die in der axialen Richtung kombiniert sind.
5 ist eine Schnittansicht eines Rotors eines drehenden elektrischen Mechanismus der Permanentmagnetbauart entlang einer zur axialen Richtung senkrechten Richtung als ein Vergleichsbeispiel.
6 ist ein Wellenformschema von Rastmomenten in dem Fall, dass die in 3 und 5 gezeigten Rotorkerne verwendet werden.
Bei 7 handelt es sich um Schnittansichten, die ein anderes Beispiel des Kerns I und des Kern II des Rotors des drehenden elektrischen Mechanismus der Permanentmagnetbauart nach Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigen.
8 ist eine Ansicht des Kerns I und des Kerns II von 7, die in der axialen Richtung kombiniert sind.
9 ist eine Schnittansicht entlang einer zur axialen Richtung senkrechten Richtung, die noch ein anderes Beispiel des Rotors des drehenden elektrischen Mechanismus der Permanentmagnetbauart nach Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
10 ist eine Schnittansicht des Rotors in dem Fall, in dem die Anzahl von Hohlräumen, die in der ersten Ausführungsform einen Bereich geringer Permeabilität des Rotorkerns bilden, verändert ist.
11 ist ein Schema, welches das Verhältnis zwischen der Anzahl von Hohlräumen des Bereichs geringer Permeabilität und der Größe einer Oberschwingung in dem in 10 gezeigten Rotor zeigt.
12 ist eine Schnittansicht eines Rotors eines drehenden elektrischen Mechanismus der Permanentmagnetbauart nach Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung entlang einer zu axialen Richtung senkrechten Richtung.
13 ist ein Schema, welches das Verhältnis zwischen einer Induktivitätsreduktionsrate und einer Tiefe, bis zu der ein Bereich geringer Permeabilität ausgebildet ist, in einem Bereich bis zu einer Tiefe L in einer radialen Richtung des in 12 gezeigten Rotorkerns zeigt.
14 ist ein Schema, welches das Verhältnis zwischen einer Tiefe, bis zu der der Bereich geringer Permeabilität ausgebildet ist, und einer Differenz bei einer Induktivitätsreduktionsrate zeigt, die ausgehend von 13 berechnet ist.
15 ist eine Teilschnittansicht eines Rotors eines drehenden elektrischen Mechanismus der Permanentmagnetbauart nach Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung entlang einer zur axialen Richtung senkrechten Richtung.
16 ist ein Schema, welches das Verhältnis zwischen Drehmomentwelligkeit und einem Winkel, um den eine Magnetpolmitte verschoben wird, bei einem Rotor eines drehenden elektrischen Mechanismus der Permanentmagnetbauart nach Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung zeigt.
17 ist ein Schema zur Erläuterung des Falls, dass die axiale Länge des Rotors des drehenden elektrischen Mechanismus der Permanentmagnetbauart nach Ausführungsform 4 verändert wird.
18 ist ein Schema, welches das Verhältnis zwischen einer 6f-Komponenten von Drehmomentwelligkeit und einem Winkel, um den eine Magnetpolmitte verschoben ist, in jedem Rotor von 17 zeigt.
19 ist eine Ansicht eines in der axialen Richtung kombinierten Kerns I und Kerns II eines Rotors eines drehenden elektrischen Mechanismus der Permanentmagnetbauart nach Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung der Ausführungsformen
Ausführungsform 1
1 ist eine Schnittansicht eines drehenden elektrischen Mechanismus der Permanentmagnetbauart nach Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung entlang einer zur axialen Richtung einer Drehwelle senkrechten Richtung. 2 ist eine Schnittansicht eines Rotors, die nur ein Rotorteil von 1 zeigt. Bei dem in 1 und 2 gezeigten drehenden elektrischen Mechanismus beträgt als Beispiel die Anzahl von Zähnen eines Stators 12, und die Anzahl von Magnetpolen des Rotors beträgt 10.
Zuerst wird mit Bezug auf 1 die Zusammenfassung des Gesamtaufbaus des drehenden elektrischen Mechanismus der Permanentmagnetbauart beschrieben. Ein drehender elektrischer Mechanismus 10 der Permanentmagnetbauart hat einen Stator 20, der durch eine Innenwand eines Gehäuses 1 gehaltert ist, und einen Rotor 30, der über einen extrem kleinen Spalt im Inneren des Stators 20 eingesetzt ist.
Der Stator 20 hat einen Statorkern 2, der durch Übereinanderschichten dünner elektromagnetischer Stahlbleche mit einer Ringform ausgebildet ist, und eine Statorwicklung 3, die über einen Isolator um zwölf Zahnabschnitte 2a gewickelt ist, die auf der Innenumfangsseite des Statorkerns 2 ausgebildet sind.
Andererseits hat der Rotor 30 einen Rotorkern 4 mit zehn Magnetpolen, zehn Permanentmagneten 5, die zwischen den Magnetpolen des Rotorkerns 4 eingebettet sind, und eine Welle 6, die in der Mitte des Rotorkerns 4 befestigt ist und durch (nicht gezeigte) Lager gelagerte Enden hat, die an Bügeln des Gehäuses 1 so vorgesehen sind, dass die Welle 6 drehbeweglich ist. Die Permanentmagnete 5 haben eine rechteckige Querschnittsform, deren Längsrichtung in eine radiale Richtung gerichtet ist, und sind aus der in 1 gezeigten Richtung gesehen ausgehend von der Mittenseite zur Außenumfangsseite des Rotorkerns 4 radial und entlang der Umfangsrichtung gleich angeordnet.
Der Rotorkern 4 hat Bereiche geringer Permeabilität 4a und 4b, die eine geringere Permeabilität haben als ein den Rotorkern 4 bildendes Material. Deren Einzelheiten werden später noch beschrieben.
Wenn Strom an die Statorwicklung 3 angelegt wird, um ein Drehmagnetfeld zu bilden, dreht sich der Rotor 30 um die Welle 6.
Mit Bezug auf 2 wird der Aufbau des Rotors 30 ausführlicher beschrieben.
Der Rotorkern 4 besteht aus vielfachen dünnen elektromagnetischen Stahlblechen, die in der axialen Richtung des Rotors 30 übereinandergeschichtet sind.
Die Permanentmagnete 5 sind im Wesentlichen über die gesamte axiale Länge des Rotorkerns 4 eingebettet, und deren Magnetisierungsrichtungen sind wie in 2 gezeigt. Um jeden Permanentmagnet 5 daran zu hindern, bei Drehung des Rotors 30 durch Zentrifugalkraft vom Rotorkern 4 hervorzuspringen, ist ein Nagelabschnitt 4c auf der Außenumfangsseite des Rotorkerns 4 vorgesehen, um den Permanentmagneten 5 zu verrasten. Obwohl in 2 nicht gezeigt, kann ein nichtmagnetisches Material zwischen dem Nagelabschnitt 4c und dem Permanentmagneten 5 vorgesehen sein. Das nichtmagnetische Material ist nur auf der Rotoraußenumfangsseite des Permanentmagneten 5 vorgesehen und spielt auch eine Rolle darin, eine Belastung, die vom Nagelabschnitt 4c auf den Permanentmagneten 5 ausgeübt wird, zu zerstreuen. Der Permanentmagnet 5 und der Rotorkern 4 können durch einen Klebstoff oder dergleichen fixiert sein, um deren Festigkeit zu erhöhen.
Im Rotorkern 4 von 2 sind die Magnetpole einzeln ausgebildet und dann mit den Permanentmagneten 5 kombiniert. Jedoch können auch scheibenartige elektromagnetische Stahlbleche mit darin eingestanzten Permanentmagneteinstecköffnungen und Welleneinstecköffnungen übereinandergeschichtet sein.
Als ein Merkmal der vorliegenden Erfindung besitzt der Rotorkern 4 die Bereiche 4a und 4b geringer Permeabilität nahe seinem Außenumfang, die in der Umfangsrichtung bei jedem einzelnen Pol der Magnetpole des Rotorkerns 4 asymmetrisch sind.
Bei jedem einzelnen Pol ist aus der Richtung von 2 gesehen eine Mittellinie in der radialen Richtung, welche die Mitte der Außenumfangslänge des fächerartigen Magnetpols und die Mitte der Welle 6 verbindet, d.h. eine geometrische Mittellinie des Magnetpols, mit A bezeichnet, und eine magnetische Mittellinie des Magnetpols ist mit B bezeichnet. In diesem Fall sind der Bereich 4a geringer Permeabilität und der Bereich 4b geringer Permeabilität im Hinblick auf die Mittellinie A asymmetrisch ausgebildet, so dass die Mittellinie B von der Mittellinie A um einen vorbestimmten Winkel θ verschoben ist. Somit ist die magnetische Mitte (im Folgenden einfach als Magnetpolmitte bezeichnet), bei der es sich um die Mitte eines durch den Magnetpolabschnitt verlaufenden Magnetflusses handelt, von der Mittellinie A verlagert. Das heißt, die asymmetrische Formation der Bereiche 4a und 4b geringer Permeabilität verlagert die Magnetpolmitte von der geometrischen Mitte zu einer Seite in der Umfangsrichtung hin.
Die Bereiche 4a und 4b geringer Permeabilität sind beispielsweise durch mehrere dünne Hohlräume gebildet, die eine Bogenform haben, wie in 2 gezeigt ist. In 2 haben die Bögen verschiedene Längen, um die Asymmetrie zu bewerkstelligen.
Die Verlagerungsrichtung der asymmetrischen Bereiche 4a und 4b geringer Permeabilität ist in der Mitte in der axialen Richtung des Rotors 30 umgekehrt, so dass die Verlagerungsrichtung je nach einer Position in der axialen Richtung des Rotors 30 umgekehrt wird. Dies wird mit Bezug auf 3 und 4 beschrieben. 3 ist eine Schnittansicht des Rotorkerns 4 aus der axialen Richtung gesehen. 4 ist eine Draufsicht auf den Rotorkern 4 aus einer zur axialen Richtung senkrechten Richtung gesehen. In 4 sind die Permanentmagnete 5 nicht gezeigt.
In 3 hat ein Kern I bei (a) dieselbe Form des in 2 gezeigten Rotorkerns 4, und ein Kern II bei (b) hat den Bereich 4a geringer Permeabilität und den Bereich 4b geringer Permeabilität im Vergleich zum Kern I in der Umfangsrichtung umgekehrt. Das heißt, die relative Position der Bereiche 4a und 4b geringer Permeabilität unterscheidet sich in der Umfangsrichtung im Hinblick auf die Permanentmagnete 5 zwischen (a) und (b). Tatsächlich wird der Kern II erhalten, indem der Kern I umgedreht wird.
Das heißt, bei der Fertigung des Rotors werden der Kern I und der Kern II mit demselben Formgesenk hergestellt. Wenn beispielsweise die bei (a) zu sehende Fläche als eine Vorderseite angenommen wird, besteht der Kern I aus mehreren übereinandergelegten elektromagnetischen Stahlblechen, wobei deren Vorderseiten nach oben gewandt sind, und der Kern II besteht aus mehreren übereinandergelegten elektromagnetischen Stahlblechen, wobei deren Rückseiten nach oben gewandt sind. Deshalb können, da dasselbe Formgesenk verwendet werden kann, die Herstellungskosten gesenkt werden.
In 3 gezeigte Blöcke des Kerns I und des Kerns II, die jeweils auf dieselbe Höhe gestapelt sind, sind kombiniert, um die Gesamtheit so zu bilden, dass eine Hälfte in der axialen Richtung des Rotors 30 dem Block des Kerns I und die andere Hälfte dem Block des Kerns II entspricht, wie in 4 gezeigt ist.
Hier ist, während die geometrische Mittellinie des Kerns mit A und die magnetische Mittellinie jedes Magnetpols mit B bezeichnet ist, wie in 2 gezeigt ist, in 3 eine Überkreuzung der Linie B und des Kernaußenumfangs als Punkt C beim Kern I und als Punkt D beim Kern II bezeichnet. In diesem Fall sind, wie in 4 gezeigt ist, der Punkt C und der Punkt D in der axialen Richtung voneinander versetzt. Zusätzlich erscheint im Bereich des Kerns I der Punkt C kontinuierlich an derselben Position in der axialen Richtung, und ähnlich erscheint im Bereich des Kerns II der Punkt D kontinuierlich an derselben Position in der axialen Richtung.
5 ist eine Schnittansicht eines Rotors eines drehenden elektrischen Mechanismus der Permanentmagnetbauart, die ein Vergleichsbeispiel zum Erläutern der Funktionsweise und Wirkung der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Anzahl an Magnetpolen des Rotors beträgt 10 wie in 2, und Bereiche 4d geringer Permeabilität sind symmetrisch in jedem einzelnen Pol des Rotorkerns 4 ausgebildet. Das heißt, die geometrische Mitte und die magnetische Mitte jedes Magnetpols stimmen miteinander überein.
In dem Fall, in dem eine Magnetflussachse des Rotorkerns 4 als d-Achse und eine zur d-Achse in Bezug auf einen elektrischen Winkel orthogonale Achse als q-Achse definiert ist, ist ein q-Achsenmagnetfluss in einem Zweipunktstrichlinienteil in 5 repräsentativ dargestellt. Die wie in 5 gezeigten Bereiche 4d geringer Permeabilität, die im Rotorkern 4 ausgebildet sind, blockieren einen Verlauf des q-Achsenmagnetflusses, wodurch die q-Achseninduktivität gesenkt wird. Selbiges trifft für den Fall zu, in dem die Bereiche 4a und 4b geringer Permeabilität in jedem einzelnen Pol des Rotorkerns wie im Kern I und dem Kern II, die in 3 der vorliegenden Erfindung gezeigt sind, asymmetrisch ausgebildet sind, und die q-Achseninduktivität kann gesenkt werden.
Als Nächstes werden die Funktionsweise und Wirkung der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 6 beschrieben.
6 ist ein Schema, das Wellenformen von Rastmomenten zeigt, die auftreten, wenn der Rotor des in 5 gezeigten Vergleichsbeispiels und der in 4 gezeigte Rotor 30 der vorliegenden Erfindung, der über eine in 3 gezeigte Kombination aus dem Kern I und dem Kern II verfügt, in dem Fall in Drehung versetzt werden, in dem die Anzahl an Zähnen des Stators 20 wie in 1 gezeigt 12 beträgt.
Wellenformen von Rastmomenten, die am Kern I und Kern II beim Rotor 30 der vorliegenden Erfindung auftreten, haben Phasen, die von einer (durch eine dünne durchgezogene Linie gezeigten) Rastmomentwellenform bei dem Rotor verschoben sind, der über die Bereiche 4d geringer Permeabilität verfügt, die wie in 5 gezeigt, in jedem einzelnen Pol symmetrisch ausgebildet sind. Das heißt, eine durch eine Strichlinie gezeigte Wellenform tritt im Kern I auf, und eine durch eine Punktlinie gezeigte Wellenform tritt im Kern II auf. Im Ergebnis werden im Rotor 30 der vorliegenden Erfindung, der über den Kern I und den Kern II verfügt, die wie in 4 gezeigt, in der axialen Richtung kombiniert sind, beide Wellenformen synthetisiert, um zu einer durch eine dicke durchgezogene Linie in 6 gezeigten Wellenform zu werden, und es stellt sich heraus, dass ein Rastmoment im Vergleich zum Rotor von 5 reduziert wird.
Zusätzlich kann, wie vorstehend beschrieben, da die q-Achseninduktivität dank der Formation der Bereiche 4a und 4b geringer Permeabilität im Rotorkern 4 gesenkt werden kann, eine Reduktion bei einem Betriebsbereich aufgrund einer Energieversorgungsspannungszwangsbedingung unterbunden werden, und beispielsweise kann ein Drehgeschwindigkeitsbereich, in dem ein Betrieb mit konstantem Drehmoment erfolgen kann, ausgeweitet werden.
In 1 beträgt die Anzahl an Zähnen des Stators 12, und die Anzahl an Magnetpolen des Rotors beträgt 10. Jedoch sind die Anzahl an Zähnen des Stators und die Anzahl an Magnetpolen des Rotors nicht auf diejenigen in 1 beschränkt. Dieselbe Wirkung lässt sich auch durch einen drehenden elektrischen Mechanismus mit einer anderen Kombination der Anzahl an Zähnen und der Anzahl an Magnetpolen erzielen.
In der vorstehenden Beschreibung sind die Bereiche geringer Permeabilität im Rotorkern durch mehrere bogenförmige Hohlräume gebildet. Jedoch können die Bereiche geringer Permeabilität auch durch eine Verformung in der Dickenrichtung gebildet werden, um einen magnetischen Abbau zu bewirken, und deren Formen sind nicht besonders eingeschränkt. Jedoch können die Bereiche geringer Permeabilität, die durch mehrere bogenförmige Hohlräume zwischen dem Außenumfang der Magnetpole und Seitenflächen der Permanentmagnete ausgebildet sind, die Induktivität am effektivsten reduzieren.
Bei dem vorstehend beschriebenen Rotor sind die zwei Bereiche 4a und 4b geringer Permeabilität im Hinblick auf die geometrische Mittellinie A jedes Magnetpols asymmetrisch ausgebildet, wodurch die magnetische Mitte des Magnetpols im Hinblick auf die geometrische Mitte zu einer Seite hin verschoben wird. Als Nächstes werden Abwandlungen davon beschrieben.
Bei 7 handelt es sich um Schnittansichten entlang einer zur axialen Richtung senkrechten Richtung, die ein anderes Beispiel des Kerns I und des Kerns II des Rotors des drehenden elektrischen Mechanismus der Permanentmagnetbauart zeigen. 8 ist eine Ansicht des Kerns I und des Kerns II, die in 7 gezeigt sind, die in der axialen Richtung kombiniert sind. Ein Unterschied zu 3 besteht darin, dass ein Bereich 4e geringer Permeabilität nahe dem Außenumfang des Rotorkerns 4 auf nur einer Seite in der Umfangsrichtung jedes einzelnen Pols des Rotorkerns 4 ausgebildet ist.
Wie in 7 gezeigt ist, ist der Bereich 4e geringer Permeabilität zwischen dem Außenumfang jedes Magnetpols des Rotorkerns 4 und einer Seitenfläche eines der Permanentmagnete 5 ausgebildet, die auf beiden Seiten des Magnetpols angeordnet sind. Der Bereich 4e geringer Permeabilität im Kern II von (b) ist auf der entgegengesetzten Seite in der Umfangsrichtung in Bezug auf diejenige im Kern I von (a) ausgebildet. Tatsächlich wird der Kern II erhalten, indem der Kern I umgedreht wird. Deshalb kann der Kern II durch Stanzen mit demselben Formgesenk hergestellt werden.
In 7 gezeigte Blöcke des Kerns I und des Kerns II sind in der axialen Richtung des Rotorkerns 4 an der Mittelposition zusammengeführt, um integriert zu sein, wie in 8 gezeigt ist.
Dieselbe Funktionsweise und Wirkung wie in 3 lässt sich auch durch einen solchen Aufbau erzielen. Wenn die Bereiche geringer Permeabilität des Rotorkerns 4 vermehrt werden, wird die Festigkeit des Rotorkerns 4 geschwächt. Da jedoch die Bereiche 4e geringer Permeabilität im Vergleich zum Fall von 3 nur auf einer Seite ausgebildet sind, ist die Festigkeit des gesamten Rotorkerns 4 erhöht, und deshalb kann die Drehgeschwindigkeit des Rotors erhöht werden.
9 ist eine Schnittansicht entlang einer zur axialen Richtung senkrechten Richtung, die noch ein anderes Abwandlungsbeispiel des Rotors des drehenden elektrischen Mechanismus der Permanentmagnetbauart zeigt. In der vorstehenden Beschreibung sind die Permanentmagnete 5 radial angeordnet. Im vorliegenden Beispiel sind zwei Permanentmagnete 5 für einen Pol des Rotorkerns 4 vorgesehen. Die zwei Permanentmagnete 5 sind so angeordnet, dass sie sich in einer V-Form ausgehend von der Mittenseite zur Außenumfangsseite des Rotorkerns 4 erstrecken. Die Magnetisierungsrichtungen der Permanentmagnete 5 sind wie mit N und S in 9 gezeigt.
Wie im Falle von 2 ist eine Mittellinie in der radialen Richtung, welche die Mitte in der Außenumfangsrichtung des fächerartigen Magnetpols und die Mitte der Welle 6 verbindet, d.h. eine geometrische Mittellinie des Magnetpols, mit A bezeichnet, und eine magnetische Mittellinie des Magnetpols ist mit B bezeichnet. In diesem Fall sind der Bereich 4a geringer Permeabilität und der Bereich 4b geringer Permeabilität im Hinblick auf die Mittellinie A asymmetrisch ausgebildet, so dass die Mittellinie B von der Mittellinie A um einen vorbestimmten Winkel θ verschoben ist. Somit ist die Magnetpolmitte verlagert. Außerdem ist wie im Fall von 4 die Verschiebungsrichtung in der axialen Richtung des Rotors in der Mitte umgekehrt.
Dieselbe Funktionsweise und Wirkung wie vorstehend lässt sich auch durch den drehenden elektrischen Mechanismus der Permanentmagnetbauart erzielen, der wie in 9 gezeigt ausgebaut ist. Außerdem lässt sich der wie in 9 gezeigt aufgebaute drehende elektrische Mechanismus der Permanentmagnetbauart außer auf Ausführungsform 1 auch auf die später noch zu beschreibenden Ausführungsformen anwenden.
Als Nächstes wird die Anzahl von Hohlräumen in dem Fall beschrieben, in dem die Bereiche geringer Permeabilität durch dünne Hohlräume gebildet sind. Beispielsweise können die Bereiche geringer Permeabilität verändert werden, indem die Länge jedes Hohlraums verändert, die Anzahl an Hohlräumen erhöht oder die Fläche jedes Hohlraums verändert wird. Unter diesen Verfahren ist das Verändern der Anzahl der mehreren Hohlräume auf in Bezug auf Oberwellenunterdrückung wirksam, wie nachstehend beschrieben wird.
10 ist eine Schnittansicht des Rotors des drehenden elektrischen Mechanismus der Permanentmagnetbauart ähnlich 2. In 10 beträgt als Beispiel die Anzahl an Hohlräumen in einem (4f) der asymmetrisch ausgebildeten Bereiche geringer Permeabilität vier, und die Anzahl an Hohlräumen in dem anderen (4g) beträgt zwei. 11 ist eine Schema, das die Größenordnung einer Oberwelle zeigt, die auftritt, wenn der Rotor von 10 in dem Fall im Gegenuhrzeigersinn dreht, in dem die Anzahl an Hohlräumen im Bereich 4f geringer Permeabilität auf einer verzögerten Seite in der Drehrichtung verändert ist. Eine Oberwelle in dem Fall, in dem die Anzahl an Hohlräumen im Bereich 4f geringer Permeabilität vier beträgt, ist als 1 definiert.
Aus 11 lässt sich feststellen, dass eine Oberwelle weiter reduziert werden kann, indem die Anzahl an den Bereich 4f geringer Permeabilität bildenden Hohlräumen ausgehend von vier weiter erhöht wird. Wenn eine Oberwelle reduziert wird, können Drehmomentwelligkeit und Eisenverlust reduziert werden. Somit ist eine Erhöhung der Anzahl an Hohlräumen in Bezug auf eine Maßnahme gegen eine Oberwelle wirksam. Allerdings bewirkt eine übermäßige Erhöhung bei der Anzahl an Hohlräumen ein Problem in Bezug auf Bearbeitung und Festigkeit. Deshalb ist es wünschenswert, die Anzahl an Hohlräumen vor dem Hintergrund der Größe, Kapazität, Gebrauchsbedingung, etc. des drehenden elektrischen Mechanismus zu bestimmen.
Wie vorstehend beschrieben, umfasst der drehende elektrische Mechanismus der Permanentmagnetbauart der Ausführungsform 1 einen Stator mit Statorwicklungen, die auf mehrere an einem Statorkern ausgebildete Zahnabschnitte aufgewickelt sind; und einen Rotor mit Permanentmagneten, die zwischen mehreren entlang einer Umfangsrichtung eines Rotorkerns ausgebildeten Magnetpolen eingebettet sind, wobei der Rotor integral mit einer Welle drehbeweglich ist. Der Rotorkern hat einen Bereich geringer Permeabilität, der eine geringere Permeabilität hat als das Material des Rotorkerns, zwischen dem Außenumfang jedes Magnetpols und einer Seitenfläche jedes Permanentmagneten. Der Bereich geringer Permeabilität ist im Hinblick auf die geometrische Mitte in der Umfangsrichtung jedes Magnetpols asymmetrisch ausgebildet, so dass die magnetische Mitte jedes Magnetpols im Hinblick auf die geometrische Mitte zu einer Seite hin verschoben ist. Solche Rotorkerne sind in Bezug aufeinander umgedreht so angeordnet, dass sich eine relative Position in der Umfangsrichtung der Bereiche geringer Permeabilität im Hinblick auf die Permanentmagnete unterscheidet. Deshalb kann bei einem drehenden elektrischen IPM-Mechanismus mit einem innenliegenden Magnetaufbau, der im Allgemeinen eine größere Induktivität hat als ein drehender elektrischer SPM-Mechanismus mit einem Oberflächenmagnetaufbau, eine q-Achseninduktivität dank der Formation der Bereiche geringer Permeabilität gesenkt werden, und eine Reduktion bei einem Betriebsbereich aufgrund einer Energieversorgungsspannungszwangsbedingung kann unterbunden werden. Da sich die relative Position der Bereiche geringer Permeabilität in der Umfangsrichtung unterscheidet, sind Rastmoment- und Drehmomentwelligkeitsphasen verschoben, wodurch dieselbe Wirkung wie im Falle einer Schrägstellung von Permanentmagneten erzielt wird und ein Rastmoment und eine Drehmomentwelligkeit reduziert werden können.
Die Permanentmagnete sind ausgehend von der Mittenseite zur Außenumfangsseite des Rotorkerns hin radial angeordnet. Deshalb können die Bereiche geringer Permeabilität wirksam in einem drehenden elektrischen IPM-Mechanismus vorgesehen werden, und eine Wirkung, die q-Achseninduktivität zu senken, ist erhöht.
Es können zwei Permanentmagnete für einen Magnetpol des Rotorkerns vorgesehen werden, und die zwei Permanentmagnete können so angeordnet werden, dass sie sich in einer V-Form ausgehend von der Mittenseite zur Außenumfangsseite des Rotorkerns hin erstrecken. Somit lässt sich dieselbe Wirkung wie vorstehend auch bei einem drehenden elektrischen IPM-Mechanismus mit in einer V-Form angeordneten Permanentmagneten erzielen.
Jeder Bereich geringer Permeabilität ist durch mehrere dünne Hohlräume gebildet, die zwischen dem Außenumfang jedes Magnetpols des Rotorkerns und jeder Seitenfläche der auf beiden Seiten des Magnetpols angeordneten Permanentmagnete ausgebildet sind, und die Anzahl oder die Länge der Hohlräume unterscheidet sich zwischen rechts und links im Hinblick auf die geometrische Mitte jedes Magnetpols. Deshalb können die Bereiche geringer Permeabilität bei der Herstellung des Rotorkerns einfach und wirksam mit einem Formgesenk ausgebildet werden. Außerdem kann eine Oberwelle mit einer Magnetflusswellenform, die ausgehend von der Oberfläche des Rotorkerns erzeugt wird, reduziert werden, und ein Rastmoment und eine Drehmomentwelligkeit können weiter reduziert werden.
Jeder Bereich geringer Permeabilität kann durch mehrere Hohlräume gebildet sein, die zwischen dem Außenumfang jedes Magnetpols des Rotorkerns und einer Seitenfläche eines der Permanentmagnete ausgebildet sind, die auf beiden Seiten des Magnetpols angeordnet sind. In diesem Fall ist im Vergleich zu dem Fall, die Bereiche geringer Permeabilität auf beiden Seiten vorzusehen, die Steifigkeit des Rotors erhöht, und deshalb kann die Drehgeschwindigkeit erhöht werden.
Ausführungsform 2
12 ist eine Schnittansicht eines Rotors eines drehenden elektrischen Mechanismus der Permanentmagnetbauart nach Ausführungsform 2. Die Schnittform des gesamten drehenden elektrischen Mechanismus der Permanentmagnetbauart ist gleich derjenigen der Ausführungsform 1 von 1, so dass die Zeichnung und deren Beschreibung weggelassen werden. 13 ist ein Schema, welches das Verhältnis zwischen einer Tiefe, bis zu der der Bereich geringer Permeabilität ausgebildet ist, und einer Induktivitätsreduktionsrate in der vorliegenden Ausführungsform zeigt. 14 ist ein Schema, welches das Verhältnis zwischen einer Tiefe, bis zu der der Bereich geringer Permeabilität ausgebildet ist, und einer Differenz bei der Induktivitätsreduktionsrate zeigt. Die vorliegende Ausführungsform bezieht sich auf einen Bereich, in dem der Bereich geringer Permeabilität im Rotorkern 4 ausgebildet ist.
In 12 bezeichnet L eine Tiefe ausgehend von der Außenumfangsfläche des Rotorkerns 4 zur Mittenseite der Welle hin.
13 zeigt das Verhältnis zwischen einer Tiefe, bis zu der die Bereiche 4a und 4b geringer Permeabilität ausgebildet sind, und der Induktivitätsreduktionsrate innerhalb eines Bereichs bis zur Tiefe L ausgehend von der Außenumfangsfläche des Rotorkerns 4. Hier gibt L = 0 an, dass überhaupt keine Bereiche 4a und 4b geringer Permeabilität ausgebildet sind.
14 zeigt eine Tiefe, bis zu welcher der Bereich geringer Permeabilität ausgebildet ist, und eine Differenz bei der Induktivitätsreduktionsrate auf Grundlage von 13.
Wie in 13 gezeigt ist, ist ausgehend von der Außenumfangsseite zur Wellenseite im Rotorkern 4, je tiefer der Bereich geringer Permeabilität ist, die Induktivitätsreduktionsrate umso geringer. Da eine Reduktionswirkung erzielt wird, wird die Iduktivität umso mehr reduziert, je tiefer der Bereich geringer Permeabilität ausgebildet wird. Wenn jedoch der Bereich geringer Permeabilität tief ausgebildet wird, wird die Festigkeit des Rotorkerns 4 reduziert. Deshalb ist es notwendig, die Induktivität effektiv zu senken, ohne die Tiefe des Bereichs geringer Permeabilität mehr als nötig zu erhöhen.
Wie durch das Verhältnis zwischen einer Tiefe, bis zu welcher der Bereich geringer Permeabilität ausgebildet ist, und einer Differenz bei der Induktivitätsreduktionsrate in 14 gezeigt ist, kann die Induktivität bei einer Tiefe von ca. ¼ L am effektivsten gesenkt werden. Eine Position, an der die Differenz bei der Reduktionsrate denselben Wert hat wie in dem Fall, in dem der Bereich geringer Permeabilität nahe dem Außenumfang ausgebildet ist, liegt bei einer Tiefe von ca. ½ L.
Ausgehend von Obigem ist es wirksam, dass die Tiefe, bis zu welcher der Bereich geringer Permeabilität ausgebildet wird, auf innerhalb ½ der Tiefe L ausgehend von der Außenumfangsfläche des Rotors zur Mittenseite der Welle hin eingestellt wird.
Wie vorstehend beschrieben, ist in dem drehenden elektrischen Mechanismus der Permanentmagnetbauart von Ausführungsform 2 in dem Fall, in dem L eine Tiefe ausgehend vom Außenumfang des Statorkerns zur Oberfläche der Welle hin ist, der Bereich geringer Permeabilität innerhalb eines Bereichs von ½ L ausgehend von der Außenumfangsseite ausgebildet. Deshalb kann, während eine Reduktion bei der Festigkeit des Rotorkerns unterbunden wird, der Bereich geringer Permeabilität wirksam ausgebildet und dieselbe Wirkung wie in Ausführungsform 1 erzielt werden.
Ausführungsform 3
15 ist eine Teilschnittansicht eines Rotors eines drehenden elektrischen Mechanismus der Permanentmagnetbauart nach Ausführungsform 3. Die gesamte Form des Rotors ist gleich derjenigen der Ausführungsform 1 in 2, so dass die Zeichnung und deren Beschreibung weggelassen werden. Die vorliegende Ausführungsform schreibt die Position, wo der Bereich geringer Permeabilität ausgebildet wird, ausführlicher vor.
Wie in 15 in einem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung gezeigt ist, bezeichnet a einen Abstand von der Außenumfangsfläche des Rotorkerns 4 zu Enden der Bereiche 4a und 4b geringer Permeabilität (im Folgenden durch 4a dargestellt), die nahe an der Außenumfangsfläche liegen, und b bezeichnet einen Abstand von einer Seitenfläche des Permanentmagneten 5 (eine Längsseite von dessen Rechteckschnittform) zu einem Ende des Bereichs 4a geringer Permeabilität, der nahe der Seitenfläche liegt.
Eine Verkürzung der Länge a ermöglicht es, den Bereich 4a geringer Permeabilität zu verlängern, wodurch eine Wirkung bereitgestellt wird, eine q-Achseninduktivität zu senken. Jedoch wird im Falle, dass der Rotorkern 4 mit einem Formgesenk hergestellt wird, normalerweise ein elektromagnetisches Stahlblech bei der Herstellung gestanzt. Deshalb ist es notwendig, die Länge so sicherzustellen, dass das elektromagnetische Stahlblech daran gehindert wird, sich beim Stanzen zu verziehen.
Im Hinblick auf die Verwindung stellte sich in dem Fall, in dem beispielsweise der Rotorkern 4 mit einem allgemeinen elektromagnetischen Stahlblech mit einer Dicke von 0,35 mm hergestellt wurde, heraus, dass die Länge a auf 0,2 mm bis 0,7 mm je nach der Ausführungsweise des Formgesenks oder dessen Genauigkeit eingestellt werden kann.
Andererseits entspricht die Länge b ausgehend von einer Seitenfläche des Permanentmagneten 5 zum Bereich 4a geringer Permeabilität der Fläche des Permanentmagneten 5, die mit dem Rotorkern 4 in Kontakt ist, und die Fläche ist einer vom Permanentmagneten 5 ausgehenden Kraft ausgesetzt, wenn sich der Rotor 30 dreht. Da außerdem der Nagelabschnitt 4c den Permanentmagneten 5 daran hindert, durch Zentrifugalkraft zu zerstreuen, liegt eine große Kraft am Nagelabschnitt 4c an. Deshalb ist, wenn die Länge b kurz ist, die Festigkeit des Rotors 30 gesenkt. Deshalb ist es notwendig, die Länge b in einem Ausmaß zu verlängern, in dem eine Induktivitätsreduktionswirkung nicht verloren geht.
Angesichts des Obigen stellte sich heraus, dass, wenn die Länge a innerhalb des obigen Maßes eingestellt ist und die Länge a und die Länge b so eingestellt sind, dass a < b erfüllt ist, sich ein Aufbau erzielen lässt, der Induktivität reduzieren kann, während eine gewünschte Festigkeit des Rotors erzielt werden kann. Außerdem wurde festgestellt, dass, wenn die Länge b auf ca. 3 mm oder kürzer eingestellt wird, eine Induktivitätsreduktionswirkung kaum verloren geht.
Wenn die Rotorfestigkeit reduziert ist, besteht eine Möglichkeit, dass die Permanentmagnete durch Zentrifugalkraft auseinanderstreben, und deshalb ist es schwierig, die Drehgeschwindigkeit des Rotors zu erhöhen. Indem jedoch der Aufbau von Ausführungsform 3 verwendet wird, wird es möglich, die Drehgeschwindigkeit des Rotors zu erhöhen, ohne die Festigkeit des Rotors zu senken.
Wie vorstehend beschrieben, wird bei dem drehenden elektrischen Mechanismus der Permanentmagnetbauart von Ausführungsform 3 in dem Fall, in dem a ein Abstand von der Außenumfangsfläche jedes Magnetpols des Rotorkerns zu einem Ende jedes Bereichs geringer Permeabilität ist, der nahe an der Außenumfangsfläche liegt, und b ein Abstand von einer Seitenfläche jedes Permanentmagneten zu einem Ende jedes Bereichs geringer Permeabilität ist, der nahe an der Seitenfläche liegt, a auf 0,2 mm bis 0,7 mm und b länger als a aber nicht länger als 3 mm eingestellt. Deshalb ist es zudem, dieselbe Wirkung wie in Ausführungsform 1 bereitzustellen, möglich, die Drehgeschwindigkeit zu erhöhen, während eine Abnahme bei der Steifigkeit des Rotors aufgrund der Ausbildung der Bereiche geringer Permeabilität unterbunden wird.
Während der Drehung des Motors tritt ein Eisenverlust der Rotoroberfläche aufgrund einer Veränderung der Durchlässigkeit von Nuten auf. Um den Eisenverlust zu senken, um einen Streufluss zu senken und eine Leistung zu verbessern, während die Festigkeit beibehalten wird, ist es vorzuziehen, die Länge a auf 0,2 mm einzustellen, welches der Mindestwert ist, und die Länge b auf ca. 0,35 mm einzustellen, was gleich der Blechdicke ist, wobei ein Stanzpressen berücksichtigt wird.
Ausführungsform 4
16 ist ein Schema zur Erläuterung einer Wirkung, eine 6f-Komponente und eine 12f-Komponente von Drehmomentwelligkeit in einem drehenden elektrischen Mechanismus der Permanentmagnetbauart nach Ausführungsform 4 zu reduzieren. Der gesamte Aufbau des drehenden elektrischen Mechanismus ist gleich demjenigen von 1, und die Schnittansicht des Rotors ist gleich denjenigen von 2, 7, 9, 10 usw., so dass die Zeichnungen und deren Beschreibung weggelassen werden. Die vorliegende Ausführungsform bezieht sich auf einen elektrischen Winkel, um den die magnetische Mitte jedes Magnetpols durch die Ausbildung der Bereiche geringer Permeabilität verschoben ist.
Bei einer grafischen Drehmomentwelligkeitsdarstellung in 16 handelt es sich um eine grafische Darstellung in einem Idealzustand, bei dem kein magnetischer Streufluss in der axialen Richtung oder dergleichen auftritt. Die Größenordnungen einer 6f-Komponente und einer 12f-Komponente von Drehmomentwelligkeit in einem Zustand, in dem die magnetische Mitte jedes Magnetpols nicht verschoben ist, sind als 1 definiert. Es ist anzumerken, dass f ein elektrischer Zyklus ist.
Wenn die Anzahl an Nuten (= Anzahl an Zähnen) des Stators mit Z bezeichnet wird (Z ist eine natürliche Zahl), die Anzahl an Phasen mit m bezeichnet wird und die Anzahl an Polen des Rotors mit P bezeichnet wird (P ist eine natürliche Zahl), wird eine Anzahl q von Nuten pro Pol pro Phase als q = Z/(m × P) dargestellt. Eine Größenordnungshauptkomponente von Drehmomentwelligkeit, die während einer Ansteuerung auftritt, differiert je nach dem Wert von q.
Beispielsweise ist in dem Fall des in 1 gezeigten dreiphasigen drehenden elektrischen Mechanismus q = 2/5, und eine Drehmomentwelligkeitshauptkomponente ist eine 12f-Komponente. Im Falle, dass q = ½ oder q = 1 ist, ist eine Drehmomentwelligkeitshauptkomponente eine 6f-Komponente.
Deshalb kann in dem Fall, in dem die magnetische Mitte jedes Magnetpols wie in der vorliegenden Erfindung mittels der Bereiche geringer Permeabilität verschoben wird, wenn der Verschiebungswinkel in Übereinstimmung mit dem Wert von q verändert wird, eine Drehmomentwelligkeit weiter effektiv reduziert werden.
Ausgehend von 16 kann theoretisch in dem Fall, dass q = 2/5 ist, wenn die Magnetpolmitte um einen elektrischen Winkel von 15 Grad verschoben wird, um eine 12f-Komponente zu reduzieren, eine Drehmomentwelligkeitshauptkomponente reduziert werden, und in dem Fall, dass q = ½ oder q = 1, d.h. q ≥ ½ ist, kann, wenn die Magnetpolmitte um einen elektrischen Winkel von 30 Grad verschoben wird, um eine 6f-Komponente zu reduzieren, eine Drehmomentwelligkeitshauptkomponente reduziert werden.
16 zeigt einen Idealzustand. Tatsächlich variiert aufgrund eines Einflusses gestreuten Magnetflusses und dergleichen der Verschiebungswinkel je nach der Länge des Rotorkerns. Dies wird nachstehend beschrieben.
17 ist eine Axialrichtungsansicht, die Modelle von Rotorkernen von drehenden elektrischen Mechanismen, die verschiedene Längen haben, im Falle von q = ½ zeigt. Jedes Modell verfügt über eine Kombination von Kernen, die an der mittleren Position in der axialen Richtung zueinander umgekehrt sind. Obwohl eine axiale Länge L eines Modells, bei dem der Durchmesser und die axiale Länge des Rotors im Wesentlichen gleich sind, als Referenz verwendet wird, sind insgesamt drei Modelle mit axialen Längen L, 1,5 L und 2 L gezeigt. 18 zeigt eine 6f-Drehmomentwelligkeitskomponente, die in dem Fall erhalten wird, in dem die Magnetpolmitte in jedem Modell von 17 verschoben wird.
In dem Fall, in dem die Länge des Rotorkerns des drehenden elektrischen Mechanismus differiert, kann die Drehmomentwelligkeit auch dann nicht auf dieselbe Weise reduziert werden, wenn der Verschiebungswinkel der Magnetpolmitte derselbe ist. In dem in 16 gezeigten Idealzustand ist der Verschiebungswinkel der Magnetpolmitte, der eine 6f-Drehmomentwelligkeitskomponente am meisten reduzieren kann, 30 Grad im Falle von q = ½. Allerdings ist tatsächlich, wie in 18 gezeigt, der Verschiebungswinkel davon versetzt, und der Versatzbetrag variiert auch je nach der axialen Länge. In jedem Fall stellt sich jedoch heraus, dass eine Drehmomentwelligkeit weiter effektiv gesenkt werden kann, wenn der Verschiebungswinkel größer als 30 Grad ist.
In dieser Hinsicht wird dasselbe Ergebnis auch für eine 12f-Drehmomentwelligkeitskomponente erzielt. Im Falle von q = 2/5 ist der Verschiebungswinkel der Magnetpolmitte in dem in 16 gezeigten Idealzustand 15 Grad. Wenn der Verschiebungswinkel größer ist als 15 Grad, kann eine Drehmomentwelligkeit weiter effektiv reduziert werden.
Ausgehend von Obigem kann im Falle von q = 2/5, wenn der Verschiebungswinkel der Magnetpolmittel auf größer als 15 Grad eingestellt wird, bei denen eine 12f-Drehmomentwelligkeitskomponente in einem Idealzustand am meisten reduziert werden kann, eine Drehmomentwelligkeit weiter effektiv reduziert werden, und im Falle von q ≥ ½ kann, wenn der Verschiebungswinkel der Magnetpolmitte auf mehr als 30 Grad eingestellt wird, bei denen eine 6f-Drehmomentwelligkeitskomponente in einem Idealzustand am meisten reduziert werden kann, eine Drehmomentwelligkeit weiter effektiv reduziert werden.
Allerdings ist es je nach der tatsächlichen Größe oder Form des drehenden elektrischen Mechanismus wünschenswert, auch in Bezug auf die Herstellung eine Obergrenze bei ca. 50 Grad oder darunter anzusetzen.
Wie vorstehend beschrieben, wird bei dem drehenden elektrischen Mechanismus der Permanentmagnetbauart von Ausführungsform 4 in dem Fall, in dem Z die Anzahl von Nuten des Stators ist (Z ist eine natürliche Zahl), P die Anzahl von Magnetpolen des Rotors ist (P ist eine natürliche Zahl), m die Anzahl von Phasen ist, und eine Anzahl q von Nuten pro Pol pro Phase als q = Z/(m × P) dargestellt ist, ein elektrischer Winkel, um den die magnetische Mitte im Hinblick auf die geometrische Mitte jedes Magnetpols verschoben wird, wenn q (2/5) ≤ q < (1/2) erfüllt, auf 15 Grad oder größer eingestellt, und wenn q (1/2) ≤ q erfüllt, auf 30 Grad oder größer eingestellt. Somit können, indem der Verschiebungswinkel der magnetischen Mitte jedes Magnetpols in Übereinstimmung mit einer Kombination aus der Anzahl von Polen und der Anzahl von Nuten verändert wird, ein Rastmoment und eine Drehmomentwelligkeit weiter effektiv reduziert werden.
Ausführungsform 5
19 ist eine Draufsicht auf einen Rotorkern eines drehenden elektrischen Mechanismus der Permanentmagnetbauart nach Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung aus einer zur axialen Richtung senkrechten Richtung gesehen. In dem Rotorkern sind der in 3 oder 7 gezeigte Kern I und der Kern II verwendet, der durch Umdrehen des Kerns I erhalten ist.
Wenn die axiale Länge des gesamten Rotorkerns als 1 definiert ist, sind wie in 19 gezeigt ein Block eines Kerns I mit einer Länge von ¼, eine Block eines Kerns II mit einer Länge von ½ und dann ein Block eines Kerns I mit einer Länge von ¼ in der axialen Richtung zusammengefügt, um die Gesamtheit zu bilden. Eine gesamte axiale Länge der Blöcke des Kerns I und eine gesamte axiale Länge der Blöcke des Kerns II sind zueinander gleich.
Bei dem in 4 gezeigten Aufbau, der in Ausführungsform 1 beschrieben ist, sind die Verschiebungsrichtungen der magnetischen Mitten der Magnetpole im Kern I und Kern II zwischen beiden axialen Endseiten unterschiedlich. Deshalb wird, wenn eine Last angelegt wird, eine Kraft in einer Schubrichtung angelegt und ein Lager oder dergleichen könnte zu Bruch gehen. Hingegen sind in der vorliegenden Ausführungsform die magnetischen Mitten der Magnetpole auf einer axialen Endseite und der anderen axialen Endseite an derselben Position in eine Linie gebracht. Deshalb heben sich Schubkräfte auf, so dass keine Schubkraft auftritt.
In 19 umfassen die Kerne I und die Kerne II zwei Umkehrungen zwischen sich. Allerdings können sie auch eine größere Anzahl an Umkehrungen umfassen (bei der es sich um eine gerade Zahl handeln sollte).
Wie vorstehend beschrieben, ist im drehenden elektrischen Mechanismus der Permanentmagnetbauart von Ausführungsform 5 die relative Position in der Umfangsrichtung der Bereiche geringer Permeabilität je nach einer Position in der axialen Richtung des Rotors umgekehrt, wobei es sich bei der Anzahl der Umkehrungen um eine gerade Zahl handelt, so dass die magnetischen Mitten der Magnetpole auf einer axialen Endseite und der anderen axialen Endseite des Rotors an derselben Position in eine Linie gebracht sind. Deshalb heben sich an die Welle des Rotors angelegte Schubkräfte auf, so dass keine Schubkraft auftritt. Deshalb kann ein Leistungsabbau aufgrund von Schubkraft unterbunden werden.
Es ist anzumerken, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung die vorstehenden Ausführungsformen frei miteinander kombiniert oder jede der vorstehenden Ausführungsformen je nach Zweckmäßigkeit abgewandelt oder abgekürzt werden können.
Beschreibung der Bezugszeichen

1 Gehäuse, 2 Statorkern, 2a Zahnabschnitt, 3 Statorwicklung, 4 Rotorkern, 4a, 4b, 4d, 4e, 4f, 4g Bereich geringer Permeabilität, 4c Nagelabschnitt, 5 Permanentmagnet, 6 Welle, 10 drehender elektrischer Mechanismus, 20 Stator, 30 Rotor

Claims

Drehender elektrischer Mechanismus der Permanentmagnetbauart, Folgendes umfassend: einen Stator mit Statorwicklungen, die auf mehrere an einem Statorkern ausgebildete Zahnabschnitte aufgewickelt sind; und einen Rotor mit Permanentmagneten, die zwischen mehreren entlang einer Umfangsrichtung eines Rotorkerns ausgebildeten Magnetpolen eingebettet sind, wobei der Rotor integral mit einer Welle drehbeweglich ist, wobei der Rotorkern einen Bereich geringer Permeabilität hat, der eine geringere Permeabilität hat als das Material des Rotorkerns, zwischen einem Außenumfang jedes Magnetpols und einer Seitenfläche jedes Permanentmagneten, der Bereich geringer Permeabilität im Hinblick auf eine geometrische Mitte in der Umfangsrichtung jedes Magnetpols asymmetrisch ausgebildet ist, so dass eine magnetische Mitte des Magnetpols im Hinblick auf die geometrische Mitte zu einer Seite hin verschoben ist, und die Rotorkerne in Bezug aufeinander umgedreht so angeordnet sind, dass sich eine relative Position in der Umfangsrichtung der Bereiche geringer Permeabilität im Hinblick auf die Permanentmagnete unterscheidet.
Drehender elektrischer Mechanismus der Permanentmagnetbauart nach Anspruch 1, wobei die Permanentmagnete ausgehend von einer Mittenseite zu einer Außenumfangsseite des Rotorkerns hin radial angeordnet sind.
Drehender elektrischer Mechanismus der Permanentmagnetbauart nach Anspruch 1, wobei die Permanentmagnete paarweise für einen Pol der Magnetpole des Rotorkerns vorgesehen sind, und die zwei Permanentmagnete so angeordnet sind, dass sie sich in einer V-Form von einer Mittenseite zu einer Außenumfangsseite des Rotorkerns hin erstrecken.
Drehender elektrischer Mechanismus der Permanentmagnetbauart nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Bereich geringer Permeabilität durch mehrere dünne Hohlräume gebildet ist, die zwischen dem Außenumfang jedes Magnetpols des Rotorkerns und jeder Seitenfläche der Permanentmagnete ausgebildet sind, die auf beiden Seiten des Magnetpols angeordnet sind, und eine Anzahl oder eine Länge der Hohlräume zwischen rechts und links im Hinblick auf die geometrische Mitte jedes Magnetpols unterschiedlich ist.
Drehender elektrischer Mechanismus der Permanentmagnetbauart nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Bereich geringer Permeabilität durch mehrere dünne Hohlräume gebildet ist, die zwischen dem Außenumfang jedes Magnetpols des Rotorkerns und einer Seitenfläche eines der Permanentmagnete ausgebildet sind, die auf beiden Seiten des Magnetpols angeordnet sind.
Drehender elektrischer Mechanismus der Permanentmagnetbauart nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in dem Fall, in dem L eine Tiefe ausgehend von einem Außenumfang des Statorkerns zu einer Oberfläche der Welle ist, der Bereich geringer Permeabilität innerhalb eines Bereichs von ½ L ausgehend von der Außenumfangsseite ausgebildet ist.
Drehender elektrischer Mechanismus der Permanentmagnetbauart nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei in dem Fall, in dem a ein Abstand von einer Außenumfangsfläche jedes Magnetpols des Rotorkerns zu einem Ende des Bereichs geringer Permeabilität ist, der nahe an der Außenumfangsfläche liegt, und b ein Abstand von einer Seitenfläche jedes Permanentmagnets zu einem Ende des Bereichs geringer Permeabilität ist, der nahe an der Seitenfläche liegt, a auf 0,2 bis 0,7 mm und b länger als a aber nicht länger als 3 mm eingestellt ist.
Drehender elektrischer Mechanismus der Permanentmagnetbauart nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei in dem Fall, in dem Z eine Anzahl von Nuten des Stators ist (Z ist eine natürliche Zahl), P die Anzahl von Magnetpolen des Rotors ist (P ist eine natürliche Zahl), m eine Anzahl von Phasen ist, und eine Anzahl q von Nuten pro Pol pro Phase als q = Z/(m × P) dargestellt ist, ein elektrischer Winkel, um den die magnetische Mitte im Hinblick auf die geometrische Mitte jedes Magnetpols verschoben ist, wenn q (2/5) ≤ q < (1/2) erfüllt, auf 15 Grad oder größer eingestellt ist, und wenn q (1/2) ≤ q erfüllt, auf 30 Grad oder größer eingestellt ist.
Drehender elektrischer Mechanismus der Permanentmagnetbauart nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die relative Position in der Umfangsrichtung der Bereiche geringer Permeabilität je nach einer Position in einer axialen Richtung des Rotors umgekehrt ist, wobei es sich bei einer Anzahl der Umkehrungen um eine gerade Zahl handelt, so dass die magnetischen Mitten der Magnetpole auf einer axialen Endseite und der anderen axialen Endseite des Rotors an derselben Position in eine Linie gebracht sind.