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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Bereich der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektrodynamische Wechselstromarbeitsmaschine mit einem Rotor, bei dem Permanentmagneten zwischen benachbarten klauenförmigen Magnetpolen angeordnet sind.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Es sind herkömmliche Automobil-Wechselstromgeneratoren bekannt, bei denen Permanentmagneten zwischen benachbarten klauenförmigen Magnetpolen angeordnet sind, um den Magnetflussverlust zwischen den benachbarten klauenförmigen Magnetpolen zu reduzieren (siehe beispielsweise Druckschrift 1) .
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Druckschrift 1: Japanische Patentschrift
JP 2548882 B2 (Amtsblatt:
3).
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Bei derartigen Konstruktionen besteht ein Problem dahingehend, dass, wenn die klauenförmigen Magnetpole in einer Drehrichtung des Rotors betrachtet werden, die Permanentmagneten von einer Projektionsebene, die durch einander überlappende klauenförmige Magnetpole gebildet ist, vorstehen, und da derartige vorstehende Bereiche nicht zur Reduzierung des Magnetflussverlustes beitragen ist ein unangemessen großes Volumen der Permanentmagneten erforderlich, um ihre Eigenschaften zu verbessern, wodurch auch gleichzeitig die Kosten proportional ansteigen.
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Ein weiteres Problem besteht darin, dass eine Vergrößerung des Volumens der Permanentmagneten auch die auf den Rotor wirkende Zentrifugalkraft proportional erhöht, wodurch die Lebensdauer verringert wird.
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DE 10 2004 051 317 A1 offenbart eine Elektromaschine für Kraftfahrzeuge mit Permanentmagneten, die zwischen in Umfangsrichtung benachbarten Paaren von klauenförmigen Magnetpolabschnitten so angeordnet sind, dass sie eine umfangseitige Oberfläche der Magnetpolabschnitten berühren.
US 6 002 194 A beschreibt einen Rotor für eine Elektromaschine mit einer Motorspule, die einen magnetischen Fluss erzeugt, wenn sie einen elektrischen Strom führt. Zwei klauenförmige Magnetpole werden hierdurch polarisiert. Aus
DE 198 02 786 A1 ist eine Synchronmaschine für ein Kraftfahrzeug bekannt, wobei ein Erregersystem mehrere elektrisch erregte klauenförmige Einzelpole in Stator oder Rotor aufweist. Zur Kompensation des magnetischen Streuflusses sind an den Enden des Stators oder Rotors Permanentmagnete eingesetzt.
US 5 903 084 A offenbart einen Rotor für eine Elektromaschine, der Magnetflussverluste zwischen dreieckigen Magnetpolen reduzieren kann. Es sind hierzu mehrere Permanentmagnete zwischen benachbarten dreieckigen Magnetpolen angeordnet.
DE 195 08 212 A1 zeigt einen Gleichstrommotor mit Hauptmagnetpol und Hilfsmagnetpol.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung soll die zuvor genannten Probleme lösen, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrodynamische Wechselstromarbeitsmaschine mit geringeren Kosten und verbesserter Lebensdauer bei reduziertem Volumen der Permanentmagneten zu schaffen, wobei die elektrodynamische Wechselstromarbeitsmaschine beispielsweise im Falle eines Generator-Motors ein großes Anfangsdrehmoment erzeugt und eine reduzierte induzierte aberregte Nulllast-Spannung aufweist.
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Zur Lösung der zuvor genannten Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung eine elektrodynamische Wechselstromarbeitsmaschine nach Anspruch 1 mit: einem Stator, der aufweist: einen Statorkern, bei dem sich in einer axialen Richtung erstreckende Schlitze an einer Innenumfangsseite ausgebildet sind; und eine Statorwicklung, die durch Wickeln leitender Drähte in die Schlitze an dem Statorkern angeordnet ist; und einem drehbaren Rotor, der aufweist: eine Feldwicklung, die in dem Stator angeordnet ist; einen Rotorkern, der einen ersten Rotorkernbereich und einen zweiten Rotorkernbereich aufweist, die jeweils klauenförmige Magnetpole umfassen, die derart angeordnet sind, dass sie die Feldwicklung bedecken und abwechselnd ineinandergreifen; und eine Mehrzahl von Permanentmagneten, die zwischen benachbarten klauenförmigen Magnetpolen angeordnet sind und Magnetfelder aufweisen, die derart ausgerichtet sind, dass ein Magnetflussverlust zwischen den klauenförmigen Magnetpolen reduziert ist, wobei: jeder der Permanentmagneten ein Paar von Magnetteilen aufweist, die parallel zu zueinander weisenden Seitenflächen der benachbarten klauenförmigen Magnetpole geschnitten sind, jedes der Magnetteile ein Paar von Magnetsegmenten aufweist, die in einer Drehrichtung des Rotors geschnitten sind, und eine Ausdehnung in der Drehrichtung in einem Magnetsegment nahe eines Spitzenbereichs der klauenförmigen Magnetpole größer als in einem Magnetsegment nahe eines Wurzelbereichs der klauenförmigen Magnetpole ist.
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Eine elektrodynamische Wechselstromarbeitsmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine Reduzierung der Kosten und eine Verbesserung der Lebensdauer durch Verringerung des Volumens der Permanentmagnete, und erzeugt beispielsweise im Falle eines Generator-Motors ein großes Anfangsdrehmoment und weist eine verringerte induzierte aberregte Nulllast-Spannung auf.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Querschnittsansicht, die einen Fahrzeugwechselstromgenerator-Motor gemäß einer ersten Ausführungsform, die nicht gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, zeigt;
- 2 ist eine perspektivische Ansicht, die ein in 1 dargestellten Rotor zeigt;
- 3 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen Permanentmagneten und klauenförmigen Magnetpolen gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
- 4 ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel einer Beziehung zwischen den Permanentmagneten und den klauenförmigen Magnetpolen zeigt;
- 5 ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel einer Beziehung zwischen den Permanentmagneten und den klauenförmigen Magnetpolen zeigt;
- 6 ist ein Diagramm, das noch ein weiteres Beispiel einer Beziehung zwischen den Permanentmagneten und den klauenförmigen Magnetpolen zeigt;
- 7 ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel einer Beziehung zwischen den Permanentmagneten und den klauenförmigen Magnetpolen zeigt;
- 8 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen der prozentualen Verringerung der Permanentmagneten-Querschnittsfläche innerhalb einer Projektionsebene und einem Quotienten „induzierter Anfangsdrehmomentanstieg/aberregte Nulllastspannung“ zeigt;
- 9 ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel einer Beziehung zwischen den Permanentmagneten und den klauenförmigen Magnetpolen der ersten Ausführungsform zeigt;
- 10 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen Permanentmagneten und klauenförmigen Magnetpolen gemäß einer zweiten Ausführungsform, die nicht gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, zeigt;
- 11 ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel einer Beziehung zwischen den Permanentmagneten und den klauenförmigen Magnetpolen zeigt;
- 12 ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel einer Beziehung zwischen den Permanentmagneten und den klauenförmigen Magnetpolen zeigt;
- 13 ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel einer Beziehung zwischen den Permanentmagneten und den klauenförmigen Magnetpolen zeigt;
- 14 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einem Verhältnis eines Oberflächenbereichs von vorstehenden Bereichen zu einem Oberflächenbereich von Permanentmagneten in 3 und einem Quotienten „induzierter Anfangsdrehmomentanstieg/aberregte Nulllastspannung“ bei vorstehenden Formen der Permanentmagneten zeigt;
- 15 ist eine Querschnittsansicht eines Raums zwischen klauenförmigen Magnetpolen gemäß einer dritten Ausführungsform, die nicht gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist;
- 16 ist eine perspektivische Ansicht, welche die in 15 dargestellten klauenförmigen Magnetpole zeigt;
- 17 ist ein Diagramm, das Permanentmagnete zeigt, die zwischen den in 15 dargestellten klauenförmigen Magnetpolen angeordnet sind;
- 18 ist ein Graph, der die Größe der Magnetflussverlustdichte zeigt, wenn die klauenförmigen Magnetpole nicht parallel zueinander angeordnet und wenn sie parallel zueinander angeordnet sind;
- 19 ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem Permanentmagneten gemäß einer vierten Ausführungsform, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, geteilt sind;
- 20 ist eine perspektivische Ansicht eines Rotors gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 21 ist eine Draufsicht eines Permanentmagneten, der zwischen benachbarten klauenförmigen Magnetpolen gemäß einer fünften Ausführungsform, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, angeordnet ist;
- 22 ist eine Draufsicht, die ein weiteres Beispiel eines Permanentmagneten zeigt, der gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zwischen benachbarten klauenförmigen Magnetpolen angeordnet ist;
- 23 ist eine Draufsicht, die ein weiteres Beispiel eines Permanentmagneten zeigt, der gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zwischen benachbarten klauenförmigen Magnetpolen angeordnet ist; und
- 24 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen Permanentmagneten und klauenförmigen Magnetpolen gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen genauer beschrieben, wobei identische oder einander entsprechende Bauteile und Bereiche in den Zeichnungen mit identischen Bezugsziffern bezeichnet sind. Die erste bis dritte Ausführungsform entspricht nicht der beanspruchten Erfindung, während die vierte und fünfte Ausführungsform solche der vorliegenden Erfindung sind.
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Ferner wird in den nachfolgenden Ausführungsformen ein Fahrzeugwechselstromgenerator-Motor als Beispiel für eine elektrodynamische Wechselstromarbeitsmaschine beschrieben.
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Erste Ausführungsform
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1 ist eine Querschnittsansicht, die einen Fahrzeugwechselstromgenerator-Motor gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt, und 2 ist eine perspektivische Ansicht eines in 1 dargestellten Rotors.
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Dieser Fahrzeugwechselstromgenerator-Motor (nachfolgend als „Generator-Motor“ bezeichnet), der eine elektrodynamische Arbeitsmaschine darstellt, umfasst: ein Gehäuse 3, das aus einer vorderen Klammer 1 und einer hinteren Klammer 2 aus Aluminium gebildet ist; eine Welle 6, die innerhalb des Gehäuses 3 angeordnet ist, eine Riemenscheibe 4, die an einem ersten Endbereich der Welle 6 befestigt ist; einen Lundell-Rotor 7, der an der Welle 6 befestigt ist; Fächer 5, die an zwei Endflächen des Rotors 7 befestigt sind; einen Stator 8, der an einer Innenwandfläche des Gehäuses 3 befestigt ist; Schleifringe 9, die an einem zweiten Endbereich der Welle 6 zum Versorgen des Rotors 7 mit elektrischem Strom befestigt sind; ein Paar von Bürsten 10, die auf den Schleifringen 9 gleiten; einen Bürstenhalter 11, der die Bürsten 10 aufnimmt; einen Endblock 12, der an der vorderen Klammer 1 zwecks Verbinden mit einer (nicht dargestellten) Inverterschaltung angeordnet ist; und eine Schaltplatte 13, die mit dem Endblock 12 verbunden ist.
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Der Rotor 7 umfasst: eine Feldwicklung 14 zum Erzeugen eines Magnetflusses, wenn durch diese ein elektrischer Strom fließt; und einen Rotorkern 15, der derart angeordnet ist, dass er die Feldwicklung 14 bedeckt, wobei durch den Magnetfluss von der Feldwicklung 14 Magnetpole in dem Rotorkern 15 gebildet werden. Der Rotorkern 15 umfasst einen ersten Rotorkernbereich 16 und einen zweiten Rotorkernbereich 17, die abwechselnd ineinandergreifen. Der erste Rotorkernbereich 16 und der zweite Rotorkernbereich 17 sind aus Eisen hergestellt und weisen klauenförmige Magnetpole 18 und 19 auf. Die Permanentmagneten 20, die magnetische Felder aufweisen, die derart ausgerichtet sind, dass sie den Verlust des Magnetflusses zwischen diesen klauenförmigen Magnetpolen 18 und 19 reduzieren, sind an benachbarten klauenförmigen Magnetpolen 18 und 19 befestigt.
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Der Stator 8 umfasst: einen Statorkern 21; und eine Statorwicklung 22, bei der leitende Drähte in diesen Statorkern 21 gewickelt sind, wobei durch mit der Drehung des Rotors 7 einhergehende Änderungen des Magnetflusses von der Feldwicklung 14 ein Wechselstrom erzeugt wird.
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Nachfolgend wird die Funktionsweise beschrieben, wenn ein Generator-Motor mit dem zuvor beschriebenen Aufbau als Generator verwendet wird.
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Der Feldwicklung 14 wird von einer (nicht dargestellten) Batterie über die Bürsten 10 und die Schleifringe 9 ein elektrischer Strom zugeführt, wodurch ein Magnetfluss erzeugt und die klauenförmigen Magnetpole 18 des ersten Rotorkernbereichs 16 zu Nordpolen (N) und die klauenförmigen Magnetpole 19 des zweiten Rotorkernbereichs 17 zu Südpolen (S) magnetisiert werden. Da die Riemenscheibe 4 durch einen Motor angetrieben und der Rotor 7 durch die Welle 6 gedreht wird, wird die Statorwicklung 22 gleichzeitig einem rotierenden Magnetfeld ausgesetzt, wodurch eine elektromotorische Kraft erzeugt wird. Diese wechselnde elektromotorische Kraft wird durch einen (nicht dargestellten) Gleichrichter geleitet und in einen Gleichstrom konvertiert, dessen Größe durch eine (nicht dargestellte) Reguliereinrichtung eingestellt wird, und die Batterie wird wieder aufgeladen.
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Nachfolgend wird die Funktionsweise beschrieben, wenn ein Generator-Motor mit dem zuvor beschriebenen Aufbau als Elektromotor verwendet wird.
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Während des Starts der Maschine wird der Statorwicklung 22 ein Wechselstrom zugeführt. Ferner wird der Feldwicklung 14 von einer (nicht dargestellten) Batterie über die Bürsten 10 und die Schleifringe 9 auch ein Feldstrom zugeführt, wodurch ein Magnetfluss erzeugt und die klauenförmigen Magnetpole 18 des ersten Rotorkernbereichs 16 zu Nordpolen (N) und die klauenförmigen Magnetpole 19 des zweiten Rotorkernbereichs 17 zu Südpolen (S) magnetisiert werden. Die Statorwicklung 8 und der Rotor 7 wirken als Elektromagneten, die den Rotor 7 innerhalb des Stators 8 über die Welle 6 drehen. Das Drehmoment wird mit Hilfe der Riemenscheibe 4 von der Welle 6 auf eine Ausgangswelle der Maschine übertragen, wodurch die Maschine gestartet wird.
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Bei einem Generator-Motor ist es zum Starten der Maschine erforderlich, ein großes erzeugtes Drehmoment, also ein Startdrehmoment in dem Elektromotor zu schaffen. Wenn das Volumen der verwendeten Permanentmagneten 20 zu diesem Zweck vergrößert wird, wird das erzeugte Drehmoment verbessert, da der effektive Magnetfluss, der zur Erzeugung des Drehmoments beiträgt, zunimmt, jedoch ist es bei der Vergrößerung des Volumens der Permanentmagneten 20 erforderlich, das Volumen der Permanentmagneten minimal zu halten, da Permanentmagneten 20 beispielsweise teuer sind, und da ferner die Gefahr besteht, dass sie bei Rotation mit hoher Geschwindigkeit aufgrund der vorhandenen Zentrifugalkräfte zersplittern.
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Ein weiteres Problem besteht darin, dass bei einem Generator-Motor eine Inverterschaltung mit der Statorwicklung 22 verbunden ist und das Anfangsdrehmoment erzeugt wird, indem ein elektrischer Strom durch diese Inverterschaltung geleitet wird; in der Inverterschaltung werden jedoch Halbleiterelemente verwendet, und derartige Halbleiterelemente können zerstört werden, wenn eine Spannung auf die Halbleiterelemente wirkt, die größer oder gleich einer vorgegebenen Spannungstoleranz ist, etc.
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Folglich kann bei diesem Generator-Motor die induzierte Spannung bei der maximalen Drehfrequenz, wenn sich der Feldstrom in einem „Null“-Zustand befindet, diejenige Spannung, die zum Versagen des Halbleiterelements führt, nicht übersteigen. Nachfolgend wird die induzierte Spannung bei maximaler Drehfrequenz und dem Feldstrom im „Null“-Zustand als „induzierte aberregte Nulllast-Spannung“ bezeichnet.
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Wenn diese induzierte aberregte Nulllast-Spannung die Batteriespannung überschreitet, kann dies in manchen Fällen zur Überladung führen, und es bestehen ferner Probleme dahingehend, dass beispielsweise die Möglichkeit besteht, dass die Halbleiterelemente durch Stoßspannungen zerstört werden, die entstehen, wenn dieses Phänomen gesteuert werden soll, etc.
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Folglich haben die Permanentmagneten 20 gemäß dieser Ausführungsform eine Form, die die zuvor genannten Probleme löst, und die es ermöglicht, ein großes erzeugtes Drehmoment zu schaffen, während auch die induzierte aberregte Nulllast-Spannung reduziert wird, wobei das Volumen der Permanentmagneten so gering wie möglich gehalten wird.
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Diesbezüglich variierten die vorliegenden Erfinder die Form der Permanentmagneten 20, während das Volumen der Permanentmagneten 20 konstant gehalten wurde, und ermittelten das Anfangsdrehmoment und die induzierte aberregte Nulllast-Spannung mit Hilfe einer dreidimensionalen elektromagnetischen Feldanalyse.
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Das Anfangsdrehmoment ist das Drehmoment, wenn ein Feldstrom durch die Feldwicklung 14 geleitet wird, und es wird angenommen, dass der Feldstrom, der durch den Generator-Motor geleitet wird, der thermisch maximal zulässige Strom ist. Ferner wird angenommen, dass der Ankerstrom, der durch die Schalterwicklung 22 geleitet wird, der maximale Momentanstrom ist, und das Anfangsdrehmoment ist derart eingestellt, dass ein Phasenwinkel, der durch den Feldmagnetfluss und den Ankermagnetfluss gebildet wird, der Phasenwinkel ist, der das maximale Drehmoment erzeugt. Da die Batteriespannung begrenzt ist, muss das Startdrehmoment das maximale Drehmoment innerhalb dieser Spannungsgrenze sein.
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Die induzierte aberregte Nulllast-Spannung ist die sogenannte „Interterminal“-Spannung, wenn sich der Generator-Motor bei maximaler Drehfrequenz dreht, und der Feldstrom ist „Null“.
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Ein Wert beziehungsweise ein Quotient, bei dem der Anstieg des Anfangsdrehmoments mit vorhandenen Permanentmagneten 20, verglichen mit dem Anfangsdrehmoment ohne Permanentmagneten 20 (nachfolgend als „Anfangsdrehmomentanstieg“ bezeichnet) durch die induzierte aberregte Nulllast-Spannung geteilt wird (Anfangsdrehmomentanstieg/induzierte aberregte Nulllast-Spannung), wurde als ein Index zur Bewertung der zuvor genannten Eigenschaften herangezogen. Je größer der Wert dieses Index ist, desto besser sind die Eigenschaften, da das Anfangsdrehmoment groß ist und die induzierte aberregte Nulllast-Spannung klein ist.
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Die vorliegenden Erfinder variierten die Größe der Permanentmagneten 20 zwischen den benachbarten klauenförmigen Magnetpolen 18 und 19 und ermittelten den Quotienten „Anfangsdrehmomentanstieg/induzierte aberregte Nulllast-Spannung“ für jeden entsprechenden Fahrzeugwechselstromgenerator-Motor mit Hilfe einer dreidimensionalen elektromagnetischen Feldanalyse.
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3 zeigt einen Fall, in dem eine projizierte Form der Permanentmagneten 20 innerhalb einer Projektionsebene A, die durch benachbarte klauenförmige Magnetpole gebildet ist, die einander überlappen, wenn die klauenförmigen Magnetpole 18 und 19 in einer Drehrichtung des Rotors 7 betrachtet werden, enthalten ist, wobei sie im Wesentlichen eine ähnliche Form wie die Form der Projektionsebene A aufweist.
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Im Gegensatz dazu sind 4 und 5 Diagramme, die Permanentmagneten 20 zeigen, die derart zwischen den klauenförmigen Magnetpolen 18 und 19 angeordnet sind, dass sie von der Projektionsebene A vorstehen.
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Tabelle 1 zeigt berechnete Werte für den Quotienten „Anfangsdrehmomentanstieg/induzierte aberregte Nulllast-Spannung“ für Permanentmagneten
20, die die in den
3 bis
5 dargestellten Formen aufweisen. Das Volumen der Permanentmagnete
20 und die Dicke der Permanentmagnete
20 (die Dicke in der Drehrichtung des Rotors
7) war in den in den
3 bis
5 dargestellten Beispielen konstant.
Tabelle 1: Beziehung zwischen vorstehendem Teil und Eigenschaften
| | Anfangsdrehmomentanstieg/induzierte aberregte Nulllast-Spannung |
| Form in 3 | 0,514 |
| Form in 4 | 0,495 |
| Form in 5 | 0,493 |
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Wie anhand dieser Tabelle ersichtlich ist, stellte sich heraus, dass der Quotient „Anfangsdrehmomentanstieg/induzierte aberregte Nulllast-Spannung“ größer ist und die Eigenschaften daher besser sind, wenn die Permanentmagneten 20 innerhalb der Projektionsebene A angeordnet sind.
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Ferner stellte sich heraus, dass die Eigenschaften fast ebenso gut wie diejenigen der in 3 dargestellten Form sind, wenn die Permanentmagneten eine mit der Projektionsebene A identische Form und ein mit den 3 bis 5 identisches Volumen aufweisen, mit anderen Worten, wenn die Querschnittsform des Querschnitts der Permanentmagneten 20 senkrecht zur Drehrichtung des Rotors 7 im Wesentlichen fünfeckig ist, wie in 6 gezeigt ist.
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Ferner wurde eine dreidimensionale elektromagnetische Feldanalyse durchgeführt und Werte für den Quotienten „Anfangsdrehmomentanstieg/induzierte aberregte Nulllastspannung“ für Fälle berechnet, in denen die Querschnittsfläche der Permanentmagneten 20 auf eine von der Form der Projektionsebene A verschiedene Form reduziert war, wie in 7 gezeigt ist.
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8 ist ein Graph, der die entsprechenden berechneten Ergebnisse zeigt, und anhand dieses Graphen ist zu erkennen, dass die Eigenschaften besser sind, wenn die Querschnittsfläche der Permanentmagneten 20 innerhalb der Projektionsebene A vergrößert ist.
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Wenn der Generator-Motor als ein Elektromotor verwendet wird, besteht eine Eigenschaft darin, dass ein großer Ankerstrom und Feldstrom verwendet werden, da der Generator-Motor normalerweise über eine geringere Zeitdauer verwendet wird, als würde er als Generator verwendet werden. Wenn jedoch große elektrische Ströme fließen, werden auch auf die Permanentmagneten wirkende Gegenmagnetfelder verstärkt, was eine irreversible Entmagnetisierung wahrscheinlicher macht. Dies stellt ein spezifisches Problem in Bezug auf Generator-Motoren dar, das bei Generatoren nicht festgestellt wurde, da jedoch der magnetische Leitwert der magnetischen Schaltung und die Magnetflussdichte innerhalb der Permanentmagneten 20 aufgrund der Anordnung der Permanentmagnete 20 innerhalb der Projektionsebene A der benachbarten klauenförmigen Magnetpole 18 und 19 vergrößert wurde, besteht eine Wirkung darin, dass die Wahrscheinlichkeit in Bezug auf eine irreversible Entmagnetisierung abnimmt.
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Ferner zeigt 9 Eckenbereiche C der in 3 dargestellten Permanentmagneten 20, die eine bogenförmige Oberflächenform aufweisen, wobei ein Krümmungsradius R der Eckenbereiche C 0,2 mm beträgt. Auf diese Weise können verschiedene Wirkungen erzielt werden; so wird beispielsweise ein irreversible Entmagnetisierung unwahrscheinlicher. Die Eckenbereiche C splittern nicht so leicht, und es kann verhindert werden, dass Oberflächenbehandlungsfilme, wie beispielsweise Plattierungen oder dergleichen, an den Eckenbereichen C dick werden.
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Zweite Ausführungsform
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Wenn das erforderliche Anfangsdrehmoment noch nicht erreicht wurde, indem die Permanentmagneten 20 innerhalb der Projektionsebene A der benachbarten klauenförmigen Magnetpole 18 und 19 angeordnet sind, kann es erforderlich sein, das Volumen der Permanentmagneten 20 weiter zu vergrößern. Eine einfache Möglichkeit, das Volumen der Permanentmagneten 20 zu vergrößern, besteht darin, die Dicke der Permanentmagneten 20 des Rotors 7 (Dimensionen in Drehrichtung des Rotors 7) zu erhöhen.
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Da der Raum zwischen den benachbarten klauenförmigen Magnetpolen 18 und 19 jedoch begrenzt ist, kann auch die Dicke der Permanentmagneten 20 nur begrenzt vergrößert werden.
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Entsprechend kann es erforderlich sein, Permanentmagneten 20 anzuordnen, die teilweise von der Projektionsebene vorstehen.
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Die 10 bis 13 zeigen Beispiele, bei denen ein Teil der Permanentmagnete 20 von dem Bereich der Projektionsebene A vorsteht, wobei jedoch die Art und Weise, wie dieser Teil vorsteht, jeweils verschieden ist.
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Mit Hilfe der elektromagnetischen Feldanalyse wurden Werte für den Quotienten „Anfangsdrehmomentanstieg/induzierte aberregte Nulllast-Spannung“ für ein Beispiel ermittelt, bei dem ein radial am weitesten einwärts gelegener Punkt T der Permanentmagneten 20 in der Nähe einer radial innen gelegenen Umfangsfläche Q der klauenförmigen Magnetpole 18 und 19 angeordnet ist, wie in 10 gezeigt ist, und für Beispiele, bei denen der radial am weitesten innen gelegene Punkt T der Permanentmagneten 20 innerhalb der Projektionsebene A angeordnet ist, wie in den 11 und 12 gezeigt ist.
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14 ist ein Graph, der die entsprechend berechneten Ergebnisse zeigt. Zu Vergleichszwecken ist das Volumen der Permanentmagneten 20 hier konstant.
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Wie anhand dieser Tabelle ersichtlich ist, sind die Eigenschaften der in 10 dargestellten Permanentmagneten 20 besser als diejenigen der in den 11 und 12 dargestellten Permanentmagneten 20.
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Zufriedenstellende Eigenschaften, die diejenigen der in 10 dargestellten Permanentmagneten 20 ähneln, können auch erreicht werden, wenn die Querschnittsform der Permanentmagneten 20 mit Ausnahme eines überstehenden Bereichs der Form der Projektionsebene A entspricht, und wenn der radial am weitesten innen gelegene Punkt T der Permanentmagneten 20 auf der radial innen gelegenen Umfangsfläche Q der klauenförmigen Magnetpole 18 und 19 angeordnet ist, wie in 13 gezeigt ist.
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Dritte Ausführungsform
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15 ist eine Querschnittsansicht eines Magnetpols, wenn die klauenförmigen Magnetpole 18 und 19 nicht parallel zueinander angeorndet sind, und wenn sie parallel zueinander angeordnet sind, 16 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Fall zeigt, in dem die klauenförmigen Magnetpole 18 und 19 parallel zueinander angeordnet sind, und 17 ist eine teilweise Draufsicht, wenn die Permanentmagneten 20 zwischen den in 15 dargestellten klauenförmigen Magnetpolen 18 und 19 angeordnet sind.
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18 zeigt die Magnetflussverlustdichte, wenn die klauenförmigen Magnetpole 18 und 19 nicht parallel zueinander und wenn sie parallel angeordnet sind. Wenn die klauenförmigen Magnetpole 18 und 19 nicht parallel zueinander angeordnet sind, ist die Gesamtmenge des Magnetflusses (Fläche in 18) größer, als wenn sie parallel angeordnet sind, da der Magnetflussverlust φ dort, wo der Abstand zwischen den klauenförmigen Magnetpolen 18 und 19 gering ist (an der radial äußeren Seite des Rotors 7) umgekehrt proportional zum Abstand zwischen den klauenförmigen Magnetpolen 18 und 19 ansteigt, wobei die Menge des Magnetflussverlustes jedoch reduziert werden kann, wenn der Abstand zwischen den klauenförmigen Magnetpolen 18 und 19 einheitlich ist.
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Vierte Ausführungsform
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In Bezug auf Tabelle 2 wurde eine elektromagnetische Feldanalyse durchgeführt und Werte für den Quotienten „Anfangsdrehmomentanstieg/induzierte aberregte Nulllast-Spannung“ ermittelt, wobei eine Dickendimension der Permanentmagneten
20 in der Drehrichtung des Rotors
7 variiert wurde und ein Querschnittsbereich demjenigen der in
3 dargestellten Permanentmagneten
20 entsprach.
Tabelle 2: Permanentmagnetendicke
| | Anfangsdrehmomentanstieg/ induzierte aberregte Nulllast-Spannung |
| Permanentmagnetendicke 5,8 mm | 0,514 |
| Permanentmagnetendicke 6,2 mm | 0,497 |
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Wie anhand dieser Tabelle zu erkennen ist, besteht eine Tendenz dahingehend, dass der Wert des Quotienten „Anfangsdrehmomentanstieg/induzierte aberregte Nulllast-Spannung“ abnimmt, wenn die Dickendimension der Permanentmagneten 20 zunimmt, und Eigenschaften werden verbessert, wenn die Dicke der Permanentmagneten 20 so weit reduziert wird, dass keine irreversible Entmagnetisierung auftritt.
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Dieses Modell wurde derart gewählt, dass das Volumen der Permanentmagneten 20 um ein Maß vergrößert wurde, das proportional zur Dickenzunahme der Permanentmagneten 20 ist.
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Diesbezüglich ist es vorteilhaft, wenn die Permanentmagneten 20 ein Paar von Magnetteilen 20a und 20b aufweisen, die parallel zu den zueinander weisenden Seitenflächen der benachbarten klauenförmigen Magnetpole 18 und 19 geschnitten sind, wie in den 19 und 20 gezeigt ist, und wenn ein Spalt vorgesehen ist, der die Magnetteile 20a und 20b voneinander trennt.
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Durch den Spalt in den Permanentmagneten 20 wird der magnetische Leitwert verringert, was das Auftreten einer irreversiblen Entmagnetisierung in den Permanentmagneten 20 fördert, durch das Erzeugen des Spalts werden die Permanentmagneten 20 jedoch gekühlt, da Kühlluft hindurchgeleitet werden kann, so dass beispielsweise bei Neodym-Eisen-Bor-Permanentmagneten 20, bei denen eine irreversible Entmagnetisierung bei hohen Temperaturen auftritt, keine nachteiligen Wirkungen eintreten, da die erhöhte Wahrscheinlichkeit einer irreversiblen Entmagnetisierung aufgrund des verringerten magnetischen Leitwerts und die verringerte Wahrscheinlichkeit einer irreversiblen Entmagnetisierung aufgrund der Kühlung einander aufheben.
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Da erste Seitenflächen der Magnetteile 20a und 20b zueinanderweisen und zweite Seitenflächen stets die klauenförmigen Magnetpole 18 und 19 berühren, wird der magnetische Leitwert nur geringfügig verringert, so dass der Verlust bezüglich der Magnetflussreduktion gering ist.
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Fünfte Ausführungsform
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Zur effektiven Nutzung der Permanentmagneten 20 variierten die vorliegenden Erfinder die Magnetfeldstärke der Magnetteile 20a und 20b an Spitzenbereichen der klauenförmigen Magnetpole 18 und 19 sowie der Magnetteile 20a und 20b an Wurzelbereichen und führten eine dreidimensionale elektromagnetische Feldanalyse durch.
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Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 aufgeführt.
Tabelle 3: Spitzenbereichpermanentmagneten und Wurzelbereichpermanentmagneten
| | Anfangsdrehmomentanstieg/ induzierte aberregte Nulllast-Spannung |
| Permanentmagneten an Spitzenbereichen der klauenförmigen Magnetpole stark | 0,591 |
| Permanentmagneten an Spitzenbereichen und Wurzelbereichen der klauenförmigen Magnetpole gleich | 0,514 |
| Permanentmagneten an Wurzelbereichen der klauenförmigen Magnetpole stark | 0,466 |
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In Magnetbereichen 20a und 20b mit identischem Volumen ist der Wert des Quotienten „Anfangsdrehmomentanstieg/induzierte aberregte Nulllast-Spannung“ größer, wenn das Magnetfeld an den Spitzenbereichen stärker als an den Wurzelbereichen ist, wie in Tabelle 3 dargestellt ist. Vorliegend wird vorausgesetzt, dass die Permanentmagneten 20 innerhalb der Projektionsebene A angeordnet sind und dass die Gesamtmagnetkraft identisch ist.
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Als Beispiel für einen Fall, bei dem das Magnetfeld in den Spitzenbereichen stärker als in den Wurzelbereichen ist, zeigt 21 ein Beispiel, bei dem Dimensionen der Magnetteile 20a und 20b in der Drehrichtung des Rotors 7 nach und nach von den Wurzelbereichen der klauenförmigen Magnetpole 18 und 19 zu den Spitzenbereichen zunehmen.
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22 zeigt ein Beispiel, bei dem jeder der Permanentmagneten 20 ein Paar von Magnetteilen 20a und 20b aufweist, die parallel zu den zueinanderweisenden Seitenflächen der benachbarten klauenförmigen Magnetpole 18 und 19 geschnitten sind, und jedes dieser Magnetteile 20a und 20b umfasst ein Paar von ersten und zweiten Magnetsegmenten 30 und 31, die in der Drehrichtung des Rotors 7 geschnitten sind, und von diesen weisen die ersten Magnetsegmente 30, die nahe der Spitzenbereiche der klauenförmigen Magnetpole 18 und 19 angeordnet sind, eine größere remanente Magnetflussdichte als die zweiten Magnetsegmente 31 auf, die nahe der Wurzelbereiche der klauenförmigen Magnetpole 18 und 19 angeordnet sind.
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23 zeigt ein Beispiel, bei dem jeder der Permanentmagneten 20 ein Paar von Magnetteilen 20a und 20b aufweist, die parallel zu den zueinanderweisenden Seitenflächen der benachbarten klauenförmigen Magnetpole 18 und 19 geschnitten sind, und jedes dieser Magnetteile 20a und 20b umfasst ein Paar von ersten und zweiten Magnetsegmenten 32 und 33, die in der Drehrichtung des Rotors 7 geschnitten sind, wobei die ersten Magnetsegmente 32 nahe der Spitzenbereiche der klauenförmigen Magnetpole 18 und 19 größere Dimensionen in einer Drehrichtung als die zweiten Magnetsegmente 33 nahe der Wurzelbereiche der klauenförmigen Magnetpole 18 und 19 aufweisen.
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Wie in 24 gezeigt ist, können ähnliche Wirkungen erzielt werden, wenn die projizierte Fläche an den Spitzenbereichen der klauenförmigen Magnetpole 18 und 19 vergrößert wird, wodurch die Magnetkraft von den Permanentmagneten 20 an den Spitzenbereichen erhöht werden kann, da die Querschnittsfläche der Permanentmagneten 20 an den Spitzenbereichen der klauenförmigen Magnetpole 18 und 19 vergrößert werden kann.
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Genauer gesagt umfassen eine Innenumfangsfläche des ersten Rotorkernbereichs 16 und eine Innenumfangsfläche des zweiten Rotorkernbereichs 17 jeweils einen ersten Umfangsbereich 34 nahe der Spitzenbereiche der klauenförmigen Magnetpole 18 und 19 und einen zweiten Umfangsbereich 35 nahe der Wurzelbereiche der klauenförmigen Magnetpole 18 und 19, die medial gebogen sind, wobei die ersten Umfangsbereiche 34 einen größeren Richtwinkel von einem Radius als die zweiten Umfangsbereiche 35 aufweisen (β > α).
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Es wurden ein Aufbau, bei dem der Richtwinkel der Innenumfangsfläche der klauenförmigen Magnetpole
18 und
19 in den Spitzen- und Wurzelbereichen identisch war, wie in
3 gezeigt ist, und ein Aufbau, bei dem der Richtwinkel in den Spitzenbereichen größer war, wie in
24 gezeigt ist, unter Bedingungen miteinander verglichen, bei denen das Volumen der Permanentmagneten
20 identisch war (nur durch die Dicke der Permanentmagneten eingestellt), wobei die Ergebnisse in Tabelle 4 gezeigt sind.
Tabelle 4: Richtwinkel
| | Anfangsdrehmomentanstieg/ induzierte aberregte Nulllast-Spannung |
| Richtwinkel identisch | 0,514 |
| Richtwinkel in Spitzenbereichen der klauenförmigen Magnetpole größer | 0,527 |
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Wie anhand dieser Tabelle zu erkennen ist, werden die Wirkungen durch Erhöhung des Richtwinkels in den Spitzenbereichen verstärkt.
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Bei jeder der zuvor genannten Ausführungsformen wurde ein Fahrzeuggenerator-Motor als ein Beispiel einer elektrodynamischen Wechselstromarbeitsmaschine beschrieben, wobei jedoch klar sein sollte, dass die vorliegende Erfindung nicht auf Fahrzeuggenerator-Motoren beschränkt ist, sondern auch bei Fahrzeugwechselstromgeneratoren als elektrodynamische Wechselstromarbeitsmaschinen verwendet werden kann. Ferner ist die vorliegende Erfindung nicht auf Kraftfahrzeuge beschränkt, sondern sie kann beispielsweise auch bei Außenbordmotoren oder auch bei Elektromotoren angewendet werden.
