DE102013219022B4

DE102013219022B4 - Elektrische Drehmaschine mit innenliegenden Dauermagneten

Info

Publication number: DE102013219022B4
Application number: DE102013219022.0A
Authority: DE
Inventors: Masahiro Aoyama
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2013-09-23
Publication date: 2020-08-06
Anticipated expiration: 2033-09-24
Also published as: CN103715800A; DE102013219022A1; CN103715800B

Abstract

Elektrische Drehmaschine mit innenliegenden Dauermagneten (IPM), umfassend:einen Stator (11), der zur Aufnahme von Statorwicklungen eingerichtet ist;einen Rotor (12), der in Bezug auf den Stator (11) mit einer Antriebswelle (13) um eine Rotorachse drehbar ist, wobei der Rotor (12) einen Außenumfang (12a) und einen Innenumfang aufweist;Dauermagnete (16), die in den Rotor (12) eingebettet sind; undÖffnungen (17c) mit einer geringen Permeabilität, wobei jede davon den in einem vorherbestimmten Bereich befindlichen Abschnitt eines der Dauermagnete (16) ersetzt, der so gerichtete Magnetflusslinien erzeugen würde, dass von dem Stator (11) ausgehende Magnetflusslinien in der Nähe einer Längsachse eines der durch die Dauermagnete (16) gebildeten Magnetpole ausgelöscht würden, wenn sich der Dauermagnet (16) in dem vorherbestimmten Bereich befinden würde,wobei die Öffnung (17c) die nachstehend alsundausgedrückten Beziehungen erfüllt,wobei R1 der Außenradius von der Rotorachse zu dem Außenumfang (12a) des Rotors (12) ist, R2 der radiale Abstand von der Rotorachse zu jenem Ende der Öffnung (17c) ist, die sich in der Nähe der Rotorachse befindet, und R3 der Innenradius von der Rotorachse zu dem Innenumfang des Rotors (12) ist,wobei an der Öffnung (17c) ein Haltevorsprung für den Dauermagneten (16) vorgesehen ist, der einen um eine Ecke des Dauermagnets (16) herum laufenden und sich an den Dauermagneten (16) anschmiegenden Abschnitt und einen daran anschließenden geraden Endabschnitt umfasst;wobei der Haltevorsprung im Wesentlichen senkrecht von einer Berandung der Öffnung (17c) in die Öffnung (17c) hinein ragt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Drehmaschine mit innenliegenden Dauermagneten (IPM) und genauer eine elektrische IPM-Drehmaschine mit einem hocheffizienten Betrieb in einem Antriebsmodus.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Elektrische Drehmaschinen müssen verschiedene Ausgangsleistungseigenschaften erfüllen, um verschiedene Anforderungen durch Vorrichtungen, woran sie angebracht sind, zu erfüllen. Wenn eine elektrische Drehmaschine zum Beispiel in einem Hybridelektrofahrzeug (HEV: Hybrid Electric Vehicle, Hybridfahrzeug) als Kraftquelle in Zusammenwirkung mit einem Verbrennungsmotor oder in einem Elektrofahrzeug (EV: Electric Vehicle, Elektrofahrzeug) als einzige Kraftquelle die Funktion eines Traktionsmotors durchführen soll, muss der Traktionsmotor in einem Antriebsmodus bei einer veränderlichen Geschwindigkeit über einen weiten Geschwindigkeitsbereich arbeiten und bei geringen Geschwindigkeiten ein ausreichend hohes Drehmoment bereitstellen.
Bei den Fahrzeugen der obigen Art verlangt eine Verbesserung der Kraftstoffeffizienz eine Verbesserung bei der Effizienz der Energieumwandlung eines jeden der Bestandteile einschließlich einer elektrischen Drehmaschine, und im Fall einer fahrzeugeigenen elektrischen Drehmaschine insbesondere eine Verbesserung der Effizienz in einem häufig verwendeten Bereich. Ferner muss die fahrzeugeigene elektrische Drehmaschine von dem Gesichtspunkt von Beschränkungen hinsichtlich des Platzes für ihre Montage und von dem Gesichtspunkt der Miniaturisierung her einen kompakteren Aufbau mit einer hohen Energiedichte aufweisen.
Übrigens arbeitet eine elektrische Drehmaschine in HEVs oder EVs in einem normalen Antriebsmodus im Allgemeinen bei geringen Geschwindigkeiten unter geringen Belastungsbedingungen. Aus diesem Grund wird dazu geneigt, starke Dauermagnete für eine hohe Effizienz zu verwenden, da das magnetische Moment mehr zu der Erzeugung von Drehmoment für die fahrzeugeigene elektrische Drehmaschine beiträgt, als das Reluktanzmoment, das mit der Amplitude der Ströme der Statorwicklungen veränderlich ist.
Diese Neigung zeigt sich in der zunehmenden Verwendung von Synchronmotoren vom Dauermagnettyp, die einen Neodym-Magnet mit einer hohen Remanenz umfassen, der in einen Magnetkern eingebettet ist, und als IPM-Synchronmotoren (Synchronmotoren mit innenliegenden Dauermagneten) bezeichnet werden. Bei einer solchen elektrischen IPM-Drehmaschine wird vorgeschlagen, mehrere Pare von Dauermagneten auf eine solche Weise in einen Rotor einzubetten, dass die Dauermagnete jedes Paars in einer „V“-förmigen Gestaltung angeordnet sind, die sich zu einem Außenumfang des Rotors hin öffnet, um einen Magnetkreis zu erzeugen, der fähig ist, aktiv sowohl das Reluktanzmoment als auch das magnetische Moment zu benutzen (siehe zum Beispiel die Patentliteraturbeispiele 1 und 2). Ferner wird bei einer elektrischen IPM-Drehmaschine auch vorgeschlagen, in einem Rotor Öffnungen zu bilden, die sich jeweils in einem durch die „V“-Form definierten Bereich auf Seiten des Außenumfangs auf einer Längsachse (direkten Achse) eines Magnetpols, der durch die Dauermagnete jedes in einer „V“förmigen Gestaltung in den Rotor eingebettetes Paars gebildet ist, (einer Mittelachse der Dauermagnete jedes Paars) befinden (siehe die Patentliteraturbeispiele 3 und 4).
STAND DER TECHNIK

Patentliteraturbeispiel 1: JP 2006 - 254 629 A
Patentliteraturbeispiel 2: JP 2012 - 39 775 A
Patentliteraturbeispiel 3: JP 2006 - 217 798 A
Patentliteraturbeispiel 4: JP 2007- 68 357 A

Der Typus des permanent hilfserregten IPM-Rotors, der Permanentmagnetfelder und auch Reluktanzmomente nutzt, ist der Fachwelt bekannt. Vgl. dazu die allgemein zusammenfassende Schrift Meixner et al., Elektrische Kraftfahrzeugantriebstechnik, Erfinderaktivitäten 2011, Deutsches Patent und Markenamt, Oktober 2012, ISSN 2193-8180, S. 51-52, die die Feldverteilungen bei solchen Rotoren anhand der DE 696 29 419 T2 diskutiert.
Die 8 der US 2012 / 0 200 193 A1 zeigt einen eher konventionellen V-Magnet Rotor mit kleineren Fluss-Sperren an der Spitze des V.
Die JP 2012 - 34 432 A oder die US 2012 / 0 139 378 A1 oder die US 2011 / 0 241 468 A1 zeigt einen IPM-Rotor mit V-Magneten mit vergrößerten Fluss-Sperren, zum Einsparen von Magnetmaterial.
Aus der Schrift Müller et al., Berechnung elektrischer Maschinen, 6. Auflage, WILEY VCH Verlag, 2008, S. 4, 5, 21 ist zu entnehmen, wie die Lochzahl eines Stators definiert wird.
Aus der Schrift Breimer et al., Fachkunde Elektrotechnik, Verlag Willing & Co., 7. Auflage, 1965, S. 202 sind gängige Werte für die Nutzahl und die Polzahl von Statoren zu entnehmen, z. B. 48 und 2.
Es ist der Fachwelt bekannt, dass Permanentmagnete nicht weiter aufmagnetisiert werden können, also differentiell sich wie Luft verhalten und nicht wie Eisen, was auch aus den Feldbildern hervorgeht, siehe dazu auch die Schrift Beckert, Berechnung magnetischer Kreise mit Permanentmagneten, Skriptum für Nichtelektrotechniker, TU Bergakademie Freiberg, Januar 2008, S. 4, relative Permeabilität von NdFeB und SmCo Magneten.
Es ist bekannt, dass störende Harmonische durch Kerben oder Vertiefungen im Rotor, die an bestimmten Stellen und mit bestimmten Abmessungen unterzubringen sind, kompensiert werden können. Die Schrift Studer et al., Study of Cogging Torque in Permanent Magnet Machines, IEEE, Industry Applications Conference, Conference Record of the Thirty-Second IAS Annual Meeting, 1997 zeigt explizit die Berechnung des Effektes von Kerben am Rotorumfang bei den Magneten und auch die Effekte bei Modifikation dieser Kerben.
Solches wird auch in der JP 2004 - 328 956 A , JP 2002 - 165 394 A oder US 2005 / 0 121 990 A1 gezeigt.
Die letztere zeigt insbesondere auch Kerben am Rand und in der Polmitte von Magnetpolen (vgl. 2A und 2B), sowie auch eine besonders große, „rund“ geformte Kerbe in der Polmitte (vgl. 13).
Einige Fachveröffentlichungen zeigen die effizienten und schnell durchführbaren Finite-Elemente Berechnungen als lang etablierte Methoden, wie die Schrift Miller, Small motor drives expand their technology horizons, Power Engineering Journal, Sep. 1987, S. 283-289, oder die Schrift Miller et al., Finite Elements applied to synchronous and switched reluctance motors, IEE Seminar Current trends in the use of finite elements (FE) in electromechanical analysis and design, IEE Savoy Place, 2000, oder die Schrift Reece, Electrical machines and electromagnetics - computer aids to design, Power Engineering Journal, Nov. 1988, S. 315-321.
Dies schlägt sich auch in der Lehre nieder, z. B. in der Studienordnung der Fachhochschule Dortmund, 1999, S. 7, Wahlpflichtkatalog EU2, NBE Numerische Berechnung elektrischer Maschinen, FEM Finite- Elemente-Theorie und -Anwendung, oder in der Schrift Aschendorf, Erst berechnen, dann bauen, Zeitschrift Konstruktionspraxis, Nr. 6., 7. Jahrgang, Juni 1996, S. 16 -19, oder in der Schrift Aschendorf, Amperehaltiger Röntgenblick, Zeitschrift KEM, 2001, S. 56 ff.
Übrigens kommen in den jüngsten elektrischen Drehmaschinen vermehrt Dauermagnete, die Seltenerdelemente wie Nd, Dy und Tb enthalten, in Verwendung, um den Magnetismus und die Wärmebeständigkeit zu erhöhen, doch verursachen steigende Preise, die durch ihre Seltenheit und die Instabilität ihres Vertriebs verursacht werden, einen zunehmenden Bedarf an einer Verbesserung der Effizienz bei einer Verringerung der Verwendungsmenge dieser Seltenerdelemente.
Doch da eine elektrische Drehmaschine in HEVs und EVs in einem normalen Antriebsmodus bei geringen Geschwindigkeiten unter geringen Belastungsbedingungen arbeitet, besteht die Neigung, selbst in IPM-Motoren wie den in den Patentliteraturbeispielen 1 bis 4 beschriebenen die Verwendungsmenge von Dauermagneten mit hohem Magnetismus zu erhöhen, um das magnetische Moment, das im Antriebsmodus zum Betrieb bei geringen Geschwindigkeiten unter geringen Belastungsbedingungen beiträgt, zu erhöhen. Dieser Ansatz entfernt sich von der Erfüllung der Aufgabe einer Verringerung der Verwendungsmenge von Seltenerdelementen.
Ferner kann das wie in den Patentliteraturbeispielen 3 und 4 angeführte Bilden der Öffnungen in einem Rotor den Verlauf der Magnetfluss-Fließwege beeinträchtigen, wodurch verabsäumt wird, zu einer Erhöhung des Drehmoments beizutragen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Daher ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine billige elektrische Drehmaschine mit hoher Energiedichte bereitzustellen, die in einem Antriebsmodus einen hocheffizienten Betrieb vornimmt, während die Verwendungsmenge der Dauermagnete verringert ist.
Nach einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung umfasst eine elektrische Drehmaschine mit innenliegenden Dauermagneten (IPM) Folgendes:

einen Stator, der zur Aufnahme von Statorwicklungen eingerichtet ist;
einen Rotor, der in Bezug auf den Stator mit einer Antriebswelle um eine Rotorachse drehbar ist, wobei der Rotor einen Außenumfang und einen Innenumfang aufweist;
Dauermagnete, die in den Rotor eingebettet sind; und
Öffnungen mit einer geringen Permeabilität, wobei jede davon den in einem vorherbestimmten Bereich befindlichen Abschnitt eines der Dauermagnete ersetzt, der so gerichtete Magnetflusslinien erzeugen würde, dass von dem Stator ausgehende Magnetflusslinien in der Nähe einer direkten Achse (Längsachse) eines der durch die Dauermagnete gebildeten Magnetpole ausgelöscht würden, wenn sich der Dauermagnet in dem vorherbestimmten Bereich befinden würde,
wobei die Öffnung die nachstehend als $0,56 ≦ R2/R1 ≦ 0,84$
und $0,54 ≦ R3/R2 ≦ 0,82$
ausgedrückten Beziehungen erfüllt,
wobei R1 der Außenradius von der Rotorachse zu dem Außenumfang des Rotors ist, R2 der radiale Abstand von der Rotorachse zu jenem Ende der Öffnung ist, die sich in der Nähe der Rotorachse befindet, und R3 der Innenradius von der Rotorachse zu dem Innenumfang des Rotors ist,
wobei an der Öffnung ein Haltevorsprung für den Dauermagneten vorgesehen ist, der einen um eine Ecke des Dauermagnets herum laufenden und sich an den Dauermagneten anschmiegenden Abschnitt und einen daran anschließenden geraden Endabschnitt umfasst;
wobei der Haltevorsprung im Wesentlichen senkrecht von einer Berandung der Öffnung in die Öffnung hinein ragt.

Nach einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung zusätzlich zu dem bestimmten technischen Merkmal des ersten Gesichtspunkts erfüllt jeder der Dauermagnete dann, wenn eine Schlitzanzahl q pro Pol pro Phase 2 (q = 2) beträgt, die als $1,38 ≦ (P^{\times} W_{pm}) / R1 < 1,84$

ausgedrückte Gleichheit,
wobei P die Anzahl der durch die Dauermagnete gebildeten Pole ist, und W_pm die Breite eines jeden der Dauermagnete in einer radialen Ebene des Rotors in einer quer zu dem Abstand zwischen zwei Polen des Dauermagnets verlaufenden Richtung ist.

Da nach dem oben genannten ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung jede Öffnung mit einer geringen Permeabilität den in einem vorherbestimmten Bereich befindlichen Abschnitt eines der Dauermagnete ersetzt, der so gerichtete Magnetflusslinien erzeugen würde, dass von dem Stator ausgehenden Magnetflusslinien in der Nähe einer Längsachse eines der durch die Dauermagnete gebildeten Magnetpols entgegengewirkt würde (sie dadurch ausgelöscht würden), wirken Magnetflusslinien, die durch die Dauermagnete erzeugt werden, in der Nähe der Längsachse nicht gegen Magnetflusslinien, die durch den Stator erzeugt werden (löschen sie diese nicht aus), und wird der Durchgang von Magnetflusslinien des Stators durch den vorherbestimmten Bereich beschränkt. Daher wird sowohl das magnetische Moment als auch das Reluktanzmoment wirksam verwendet, indem Magnetflusslinien der Dauermagnete, die in der Nähe der Längsachse Magnetflusslinien des Stators unnütz machen würden, beseitigt werden und die Verwendungsmenge der Dauermagnete verringert wird, während ein Drehmoment erhalten wird, das gleich oder größer als vor dem Ersatz des Abschnitts eines der Dauermagnete auf Seiten der Längsachse durch jede Öffnung ist.
Darüber hinaus verbessert der Ersatz des Abschnitts des Dauermagnets durch die Öffnung die Ausgangsleistung bei hohen Geschwindigkeiten, da eine Verringerung der Magnetflusslinien der Dauermagnete eine Verringerung der induzierten Spannungskonstanten verursacht. Zusätzlich verursacht eine Gewichtsersparnis eine Verringerung der Trägheit.
Eine Verringerung der Magnetflusslinien der Dauermagnete verursacht eine Verringerung der eine magnetische Verzerrung (Magnetostriktion) verursachenden Raumharmonischen aufgrund einer Verringerung von Feldschwächebereichen (einer Verringerung eines Ausmaßes der Feldschwächung). Dies beschränkt die Erzeugung von Wärme, indem die Erzeugung von Wirbelströmen beeinflusst wird, und beschränkt die Entmagnetisierung, die durch eine Temperaturveränderung der Dauermagnete verursacht wird, was zu geringeren Kosten führt, da der Grad der Wärmebeständigkeit gesenkt werden kann.
Zusätzlich ist die Öffnung so gebildet, dass sie derartige Formabmessungen aufweist, dass ein radialer Abstand R2 von der Rotorachse des Rotors zu jenem Ende der Öffnung, die sich nahe an der Rotorachse befindet, in Bezug auf einen Außenradius R1 und einen Innenradius R3 des Rotors die Beziehungen erfüllt, die als 0,56 ≦ R2/R1 ≦ 0,84 und 0,54 ≦ R3/R2 ≦ 0,82 ausgedrückt sind, und dass sie in einer radial einwärts gerichteten Richtung beträchtlich weiter zu der Rotorachse hin verlängert ist, als sich lediglich die Magnetöffnung für den Dauermagnet erstreckt. Dies vermeidet die Erzeugung einer Sättigung in der äußeren Umfangsseite eines Magnetpols, indem eine Umleitung hergestellt wird, um zu verursachen, dass sich Magnetflusslinien, die von dem Stator entlang einer von zwei Querachsen für den Magnetpol in den Rotor eingedrungen sind, zu der anderen Querachse hin erstrecken. Diese Umleitung beschränkt die Weitergabe der Magnetflusslinien des Stators zu der äußeren Umfangsseite des Magnetpols.
Daher wird das von den Magnetflusslinien des Stators erlangte Reluktanzmoment wirksam benutzt und werden überlagernde Harmonische unterdrückt. Dies führt zu einer Verringerung der Drehmomentwelligkeit zusammen mit einer Zunahme des gesamten Durchschnittsdrehmoments. Zusätzlich fördert die Vergrößerung der Fläche der Öffnungen die Gewichtsersparnis, und verursacht sie eine weitere Verringerung der Trägheit. Eine Verringerung der 12. und der 24. harmonischen Drehmomentkomponente und insbesondere eine beträchtliche Verringerung der 12. harmonischen Drehmomentkomponente unterdrückt das Auftreten eines Ruckelns bei der Beschleunigung beim Hinauffahren einer Schräge und verringert den Grad des elektromagnetischen Rauschens beträchtlich.
Folglich wird eine billige elektrische Drehmaschine verwirklicht, die im Antriebsbetrieb einen qualitativ hochwertigen Betrieb mit einer hohen Energiedichte bereitstellt.
Da nach dem oben genannten zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung im Fall eines Aufbaus, bei dem eine Schlitzanzahl q pro Pol pro Phase 2 beträgt, ein Verhältnis von (P^×W_pm)/R1 auf größer als oder gleich 1,38, aber geringer als 1,84 eingerichtet ist, wird die Verwendungsmenge der Dauermagnete weiter als in dem Fall verringert, in dem die Dauermagnete so positioniert sind, dass sie sich bis zu der Seite der Längsache erstrecken. Im Besonderen wird die Verwendung der Dauermagnete bei dem Wert von 1,38 um 24,7 % verringert, während ein Höchstdrehmoment erhalten wird, das dem bisherigen gleich oder größer als dieses ist.
Figurenliste

1 ist eine Draufsicht auf einen Rotor und einen Stator einer elektrischen IPM-Drehmaschine, die Merkmale der Erfindung verkörpert.
2 ist eine diagrammatische Ansicht eines Rotors, der Merkmale der Erfindung verkörpert, wobei der Stator mit elektrischem Strom bestromte Wicklungen aufweist, aber wobei die Dauermagnete nicht enthalten sind und die Magnetflusslinien (ψ_r ) nur durch die nicht dargestellten bestromten Statorwicklungen erzeugt werden, während eines Betriebs in einem Antriebsmodus unter geringen Belastungsbedingungen.
3 ist eine 2 ähnliche Ansicht, wobei der Stator keinen Strom aufweist und die Magnetflusslinien (ψ_m ) von den Nordpolen (N) zu den Südpolen (S) nur durch die Dauermagnete, die in Magnetöffnungen in dem Rotor aufgenommen sind, während eines Betriebs in einem Antriebsmodus unter geringen Belastungsbedingungen, erzeugt werden.
4 ist eine Darstellung, die Drehmomenteigenschaften in Bezug auf verschiedene Grade von Stromphasen für einen IPM-Motor vom V-Typ zeigt, der einen herkömmlichen Rotor umfasst, welcher mit einer Öffnung ausgeführt ist, die nicht groß ist und sich an der Seite der Längesachse jedes der Dauermagnete befindet;
5A ist eine diagrammatische Ansicht des herkömmlichen Rotors, wobei der Stator keinen Strom aufweist und die Magnetflusslinien (ψ_m ) nur durch die Dauermagnete, die in Magnetöffnungen in dem Rotor aufgenommen sind, erzeugt werden.
5B ist eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs in der Nachbarschaft einer jeden der Längsachsen des in 5A gezeigten Rotors, die ein Vektorfeld (V_m) angibt, das nur durch die Magnetflusslinien, die durch die Dauermagnete erzeugt werden, ausgebildet wird.
6A ist eine 5A ähnliche Ansicht, wobei der Stator mit elektrischem Strom bestromte Statorwicklungen aufweist, aber wobei die Dauermagnete nicht enthalten sind und die Magnetflusslinien (ψ_r ) nur durch die bestromten Statorwicklungen während eines Betriebs in einem Antriebsmodus unter maximaler Belastung erzeugt werden.
6B ist eine 5B ähnliche vergrößerte Ansicht, die ein Vektorfeld (V_r) angibt, das nur durch die Magnetflusslinien, die durch die bestromten Statorwicklungen erzeugt werden, ausgebildet wird.
7 ist ein Diagramm eines Modells, das eine Beziehung der Vektorverteilung durch die Dauermagnete jedes Paars, das einen Magnetpol bildet, in Bezug auf die Vektorverteilung durch die bestromten Statorwicklungen in einem Bereich an der äußeren Umfangsseite des Magnetpols des in 5A gezeigten herkömmlichen Rotors während eines Betriebs in einem Antriebsmodus unter maximaler Belastung zeigt.
8 ist eine Darstellung, die die Übereinstimmung des Drehmoments mit der Phase des Eingangsstroms in Bezug auf den IPM-Motor vom V-Typ, der den in 5A gezeigten Rotor enthält, zeigt.
9 ist eine 5A und 6A ähnliche Ansicht, wobei die Magnetflusslinien (ψ_r ) nur durch die bestromten Statorwicklungen erzeugt werden, während eines Betriebs in einem Antriebsmodus unter geringer Belastung.
10 ist eine den 5A, 6A und 9 ähnliche Ansicht, die in einem Antriebsmodus unter geringer Belastung aber zusätzlich zu den synthetischen Magnetflusslinien (ψ_s) Flussfließwege enthält, die durch die Flussfließverteilung der synthetischen Magnetflusslinien (ψ_s) definiert sind, welche durch die kombinierte Wirkung von Magnetflusslinien (ψ_m ), die durch die Dauermagnete erzeugt werden, und Magnetflusslinien (ψ_r ), die durch die bestromten Statorwicklungen erzeugt werden, ausgebildet werden.
11 ist ein Diagramm, das die Schwankung des Ausgangsdrehmoments und die Rate der Verringerung der Drehmomentwelligkeit zeigt, wenn jeder der eingebetteten Dauermagnete in einem Rotor, der Merkmale der Erfindung verkörpert, verkürzt ist, wobei der in den 5A, 6A und 9 gezeigte Rotor zum Vergleich und als Basiseinheit verwendet wird.
12 ist ein Diagramm, das die Schwankung der Raumharmonischen der 5. Ordnung zeigt, wenn jeder der eingebetteten Dauermagnete in dem Rotor, der die Merkmale der Erfindung verkörpert, verkürzt ist.
13 ist ein Diagramm, das einen Vergleich von Prozentsätzen von Drehmomenten, die erzeugt werden, wenn der in den 5A, 6A und 9 gezeigte herkömmliche Rotor während eines Betriebs in einem Antriebsmodus unter geringen Belastungen verwendet wird, mit Prozentsätzen von Drehmomenten, wenn der Rotor, der die Merkmale der Erfindung verkörpert, während eines Betriebs in einem Antriebsmodus unter geringen Belastungen verwendet wird, zeigt.
14 ist ein 13 ähnliches Diagramm, das aber einen Vergleich von Prozentsätzen von Drehmomenten, die erzeugt werden, wenn der in den 5A, 6A und 9 gezeigte herkömmliche Rotor während eines Betriebs in einem Antriebsmodus unter einer Höchstbelastung verwendet wird, mit Prozentsätzen von Drehmomenten, wenn der Rotor, der die Merkmale der Erfindung verkörpert, während eines Betriebs in einem Antriebsmodus unter einer Höchstbelastung verwendet wird, zeigt.
15 ist eine 2 ähnliche Ansicht, wobei der Stator mit elektrischem Strom bestromte Statorwicklungen aufweist, aber wobei die Dauermagnete nicht enthalten sind und die Magnetflusslinien (ψ_r ) nur durch die nicht dargestellten bestromten Statorwicklungen erzeugt werden, während eines Betriebs in einem Antriebsmodus unter einer Höchstbelastung.
16 ist eine den 2 und 15 ähnliche Ansicht, die aber synthetische Magnetflusslinien (ψ_s) enthält, welche durch die kombinierte Wirkung von Magnetflusslinien, die durch die Dauermagnete erzeugt werden, und Magnetflusslinien, die durch die bestromten Statorwicklungen erzeugt werden, ausgebildet werden, während eines Betriebs in einem Antriebsmodus unter geringen Belastungen.
17 ist eine den 2, 15 und 16 ähnliche Ansicht, die aber synthetische Magnetflusslinien (ψ_s) enthält, welche durch die kombinierte Wirkung von Magnetflusslinien, die durch die Dauermagnete erzeugt werden, und Magnetflusslinien, die durch die bestromten Statorwicklungen erzeugt werden, ausgebildet werden, während eines Betriebs in einem Antriebsmodus unter einer Höchstbelastung.
18 ist eine diagrammatische Ansicht eines Vergleichsaufbaus eines Rotors zum Vergleich mit dem Aufbau der in 17 gezeigten Ausführungsform, die synthetische Magnetflusslinien (ψ_s) enthält, welche durch die kombinierte Wirkung von Magnetflusslinien, die durch die Dauermagnete erzeugt werden, und Magnetflusslinien, die durch die bestromten Statorwicklungen erzeugt werden, ausgebildet werden, während eines Betriebs in einem Antriebsmodus unter einer Höchstbelastung.
19 ist eine Darstellung des augenblicklichen Drehmoments in dem durchschnittlichen Drehmoment in Bezug auf den elektrischen Winkel, das durch den Aufbau A der in 17 gezeigten Ausführungsform erzeugt wird, und jenes des in 18 gezeigten Vergleichsaufbaus B.
20 ist ein Diagramm, das den Prozentsatz jeder Harmonischen, die der in 19 gezeigten Wellenform des augenblicklichen Drehmoments überlagert ist, für jeden aus dem in 17 gezeigten Aufbau A der vorliegenden Ausführungsform und dem in 18 gezeigten Vergleichsaufbau B zeigt.
21 ist ein Diagramm, das den Prozentsatz jedes Gehalts der mit einem Zahn verbundenen Flusswellenform für jeden aus dem in 17 gezeigten Aufbau A der vorliegenden Ausführungsform und dem in 18 gezeigten Vergleichsaufbau B zeigt.
22 ist eine Darstellung des Drehmoments in Bezug auf R2/R1 als Parameter, wobei R2 der radiale Abstand jener Endwand einer jeden der Flussbarrieren 17c, die sich näher an der Rotorachse befindet, von der Rotorachse ist, und R1 der Außenradius des Rotors ist.
23 ist eine Darstellung des Drehmoments in Bezug auf R1/R2 als Parameter, wobei R1 der Innenradius des Rotors ist, und R2 der radiale Abstand jener Endwand einer jeden der Flussbarrieren 17c, die sich näher an der Rotorachse befindet, von der Rotorachse ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen wird eine (werden) Ausführungsform(en) der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die 1 bis 17 zeigen eine Ausführungsform einer elektrischen IPM-Drehmaschine nach der vorliegenden Erfindung. In der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform dreht sich ein Rotor nur zu Erläuterungszwecken in eine solche Richtung, dass er sich zum Beispiel in Bezug auf eine Stator in eine Richtung gegen den Uhrzeigersinn (CCW: counterclockwise, gegen den Uhrzeigersinn) dreht.
In 1 umfasst eine elektrische Drehmaschine oder ein Motor 10 einen Stator 11, der in der Form einer im Allgemeinen zylinderförmigen Gestaltung geformt ist, und einen Rotor 12, der von diesem Stator 11 umgeben ist, auf einer Drehachse oder einer Rotorachse drehbar ist, und fest mit einer Antriebswelle 13, die koaxial mit der Drehachse angeordnet ist, gekoppelt ist. Die elektrische Drehmaschine 10 erbringt eine Leistung, die an Spezifikationen angepasst ist, welche für eine Kraftquelle eines Hybridfahrzeugs (HEV) oder eines Elektrofahrzeugs (EV) erforderlich ist, so wie ein Verbrennungsmotor für ein Fahrzeug als Kraftquelle erforderlich ist, oder an Spezifikationen angepasst ist, die für eine eingebaute Kraftquelle in jedem der Antriebsräder eines Fahrzeugs erforderlich ist.
Der Stator 11 ist mit mehreren Statorzähnen 15 ausgeführt, die sich auf eine solche Weise in radialen Richtungen von der Rotorachse erstrecken, dass ein Innenumfang 15a des Stators 11 und ein Außenumfang 12a des Rotors 12 einander mit einem dazwischen befindlichen Zwischenraum G gegenüberliegen. Der Stator 11 ist mit dreiphasigen Wicklungen umwickelt, die jeweils für jede Phase eine verteilte Wicklung darstellen (nicht dargestellt), um Statorwicklungen zu bilden, die fähig sind, einen Magnetfluss zu erzeugen, der mit dem Rotor 12 in Wechselwirkung tritt, um ein Rotordrehmoment zu erzeugen.
Der Rotor 12 ist als Rotor eines IPM-Motors (Motors mit innenliegenden Dauermagneten) ausgeführt; und darin sind mehrere Sätze von Dauermagneten 12 eingebettet, wobei jeder Satz pro Pol ein Paar von Dauermagneten 16 aufweist, die in einer „V“-förmigen Gestaltung angeordnet sind, die sich zu dem Außenumfang 12a hin öffnet. Für die Dauermagnete 16 jedes Paars ist der Rotor 12 mit einem Satz von Öffnungen 17 ausgeführt, die in einer „V“-förmigen Gestaltung angeordnet sind, welche sich zu dem Außenumfang 12a hin öffnet, um die Dauermagnete 16, die jeweils über ihre Länge hinweg das gleiche rechteckige Querschnittprofil aufweisen und sich in der Achsenrichtung entlang der Rotorachse erstrecken, fest aufzunehmen, indem gestattet wird, dass ihre Ecken 16a in den Satz von Öffnungen 17 eingesetzt werden.
Die Öffnungen 17 jedes Satzes, die in einer „V“förmigen Gestaltung angeordnet sind, umfassen Magnetöffnungen 17a, die so gestaltet sind, dass sie die Dauermagnete 16 des entsprechenden Paars aufnehmen und einschließen, und Öffnungen 17b und 17c, die über jeden der Dauermagnete 16 angeordnet sind und voneinander in der Richtung seiner Breite getrennt sind und als Flussbarrieren dienen, um zu verhindern, dass sich der Magnetfluss um den Dauermagnet 16 dreht (nachstehend als „Flussbarrieren“ 17b und 17c) bezeichnet. Jeder Satz von Öffnungen 17, die in einer „V“förmigen Gestaltung angeordnet sind, weist eine Mittelbrücke 20 auf, die sich zwischen den Öffnungen 17c, welche sich zwischen den Dauermagneten 16 jedes Paars befinden, in einer radialen Richtung von der Rotorachse erstreckt, um die Innen- und die Außenkante, welche die Öffnung definieren, zu verbinden, um die Dauermagnete gegen die Zentrifugalkraft, die erzeugt wird, wenn sich der Rotor 12 mit einer hohen Geschwindigkeit dreht, in Position zu halten.
In dieser elektrischen Drehmaschine 10 bilden Öffnungen, die sich jeweils zwischen zwei benachbarten Statorzähnen 15 des Stators 11 befinden, Schlitze 18, in die Statorwicklungen eingesetzt sind, um Spulengruppen um die Statorzähne 15 zu bilden. Andererseits ist jeder der acht Sätze von Dauermagneten 16 an dem Stator 12 zu den entsprechenden sechs der Statorzähne 15 des Stators 11 gerichtet. Kurz gesagt ist diese elektrische Drehmaschine 10 so gestaltet, dass jeder Pol, der durch ein Paar von Dauermagneten 16 an dem Rotor 12 gebildet ist, zu den benachbarten sechs Schlitzen 18 des Stators 11 gerichtet ist. Das bedeutet, dass die elektrische Drehmaschine 10 als Drehstrom-IPM-Motor ausgeführt ist, in dem die beiden zueinander gerichteten Seiten eines Paars von Magneten in jedem zweiten Magnetpol die Nordpole aufweisen, während die beiden zueinander gerichteten Seiten eines Paars von Magneten in dem benachbarten Magnetpol die Südpole aufweisen, und ein 48-Schlitz-Stator in verteilten Wicklungen umwickelt ist, um Spulen zu bilden, wobei jede unter jeder Phase einen Spulenabstand in elektrischen Grad von fünf Statorzähnen aufweist, wodurch 8 Magnetpole (4 Paare von Magnetpolen) gebildet werden. Mit anderen Worten ist die elektrische Drehmaschine 10 als Aufbau vom IPM-Typ ausgeführt, in dem (Schlitzanzahl pro Pol und Phase q) = {(Schlitzanzahl)/(Polanzahl)}/(Phasenanzahl) = 2 ist.
Dies ermöglicht, dass der Rotor 12 in einem Antriebsmodus arbeitet, indem die Statorwicklungen, die in den Schlitzen 18 des Stators 11 aufgenommen sind, bestromt werden, um Magnetflusslinien zu erzeugen, die sich von den Statorzähnen 15 radial einwärts gerichtet in den gegenüberliegenden Rotor 12 erstrecken. In diesem Fall wird bei der elektrischen Drehmaschine 10 (Stator 11 und Rotor 12) ein Reluktanzmoment, das danach trachtet, den Flussfließweg zu verkürzen, mit einem magnetischen Moment, das von den Anziehungs- und Abstoßungskräften zwischen den Dauermagneten 16 stammt, kombiniert, um ein zusammengesetztes Drehmoment zu erzeugen. Daher wird elektrische Energie, die durch einen Strom erzeugt wird, der in die Statorwicklungen eingespeist wird, von einer Antriebswelle, die in Bezug auf den Stator 11 mit dem Rotor 12 drehbar ist, als mechanische Energie entnommen.
Jeder aus dem Stator 11 und dem Rotor 12 umfasst mehrere Schichten, die in einer gestapelten Beziehung angeordnet sind. Jede der Schichten ist aus einem elektrischen Stahl wie etwa Siliziumstahl gebildet. Die Schichten werden durch Befestigungsmittel 19 zu einer passenden axialen Dicke für ein gewünschtes Ausgangsdrehmoment axial gestapelt.
Die elektrische Drehmaschine 10 weist für jede Phase eine Spulengruppe auf, die in Schlitzen 18 in einer verteilten Wicklung aufgenommen ist, so dass wie in 2 veranschaulicht für jeden Satz von Statorzähnen 15, die zu einem Paar von Dauermagneten 16, welche einen Magnetpol bilden, gerichtet sind, ein durch die bestromten Statorwicklungen erzeugter Flussfließweg einen Flussfließweg (von Magnetflusslinien, die nur durch die bestromten Statorwicklungen erzeugt werden) definiert, der zwischen den Schlitzen 18 durch den Stator 11 radial einwärts verläuft, nachdem er sich in der Nähe des Außenumfangs des Stators 11, d.h., hinter dem Satz von Statorzähnen 15 in einer Umfangsrichtung bewegt hat, um in den Rotor 15 einzudringen und durch diesen zu verlaufen. Die Dauermagnete 16 jedes Paars sind in den Magnetöffnungen 17a eines in einer „V“-förmigen Gestaltung angeordneten Satzes von Öffnungen 17, die entlang des Flussfließwegs der Magnetflusslinien ψ_r , welche nur durch die bestromten Statorwicklungen erzeugt werden, gebildet sind, mit anderen Worten so gebildet sind, dass sie den Aufbau dieser Magnetflusslinien ψ_r nicht verhindern, aufgenommen.
Die durch die Dauermagnete 16 erzeugten Flussfließwege (der Magnetflusslinien ψ_m , die nur durch die Dauermagnete erzeugt werden), die durch eine wie in 3 veranschaulichte Flussfließverteilung definiert sind, verlaufen nur senkrecht von den Nordpolen (N-Polen) an den einen Seiten der Dauermagnete 16 jedes Paars, das einen Magnetpol bildet, und dringen senkrecht in die Südpole (S-Pole) an entgegengesetzten Seiten der Dauermagnete 16 ein. Im Besonderen verläuft jeder der Flussfließwege nach dem Eindringen in den Stator 11 von den entsprechenden Statorzähnen 15 in der Nähe des Außenumfangs des Stators 11 in einer Umfangsrichtung.
Bei dem IPM-Aufbau, in dem die Dauermagnete 16 jedes Paars in den Rotor 12 eingebettet sind und in einer „V“-förmigen Gestaltung angeordnet sind, wird eine Richtung der Flusslinien, die durch jeden der Magnetpole gebildet wird, d.h., eine Mittelachse zwischen den Dauermagneten 16 jedes Paars, die in einer „V“-förmigen Gestaltung angeordnet sind, als eine Längsachse (d-Achse) bezeichnet, und wird eine Mittelachse, die in Bezug auf die Längsachse elektrische und magnetische Orthogonalität zeigt, zwischen benachbarten Dauermagneten 16 zwischen benachbarten Magnetpolen als Querachse (q-Achse) bezeichnet. In dem Rotor 12 erstrecken sich radial innere Öffnungen 17c, die sich an der Seite der LÄngsachse jedes Satzes von Öffnungen 17, die in einer „V“-förmigen Gestaltung angeordnet sind, befinden, radial einwärts zu der Rotorachse, und sind sie dazu gestaltet, die Funktion von Flussbarrieren 17c auszuführen. Passende Formabmessungen der Flussbarrieren 17c jedes Satzes von Öffnungen 17, die in einer „V“-förmigen Gestaltung angeordnet sind, werden später beschrieben werden.
In dieser elektrischen Drehmaschine 10 ermöglicht dies, dass sich durch die Statorwicklungen erzeugten Flusslinien ψ_r , die in radial einwärts gerichteten Richtungen von den Statorzähnen 15 in den Rotor 12 eingedrungen sind, nahe an dem Innenumfang (der Rotorachse) auf eine solche Weise weiter einwärts bewegen, dass sie nicht in den radial auswärts befindlichen Bereich der Öffnungen 17 jedes Satzes, die in einer „V“-förmigen Gestaltung angeordnet sind, eindringen, bevor sie zu den Statorzähnen 15 zurückkehren, wie in 2 veranschaulicht ist. Mit einem Wort ist die elektrische Drehmaschine 10 als IPM-Motor vom V-Typ ausgeführt, der einen Rotor 12 umfasst, welcher in der Nähe der Längsachsen mit Öffnungen ausgeführt ist.
Ferner umfasst die elektrische Drehmaschine 10 zur Verhinderung einer schweren Überlagerung der 5. und der 7. Raumharmonischen auf den Flusslinien ψ_r , die durch die Statorwicklungen erzeugt werden und von Statorzähnen 15, die den Längsachsen entsprechen, in radial einwärts gerichteten Richtungen in den Rotor 12 eindringen, Mittelnuten (Mittenregulierungsnuten) 21, die in dem Außenumfang des Rotors 12 gebildet sind und sich jeweils auf Längsachsen befinden. Jede der Mittelnuten 21 erstreckt sich parallel zu dem Innenfang 15a eines der entsprechenden Statorzähne 15 (in einer Richtung entlang der Rotorachse).
In der elektrischen Drehmaschine 10 mit dem IPM-Aufbau, in dem Dauermagnete 16 in einer „V“-förmigen Gestaltung in den Rotor 12 eingebettet sind, ist das Drehmoment T durch die folgende Gleichung (1) als $T = P_{P} {ψ_{m} i_{q} + (L_{d} - L_{q}) i_{d} i_{q}}$

ausgedrückt, wobei
P_p die Anzahl der Polpaare ist, ψ_m die Flusslinien von Magneten sind, die mit dem Stator (Statorzähnen 15) verkettet sind,
i_d der Strom der Längsachse ist, i_q der Strom der Querachse ist,
L_d die Induktivität der Längsachse ist, und L_q die Induktivität der Querachse ist.

Wie in 4 gezeigt wird durch einen Betrieb mit der Stromphase, bei der die Summe des magnetischen Moments T_m und des Reluktanzmoments T_r den Höchstwert erreicht, ein hocheffizienter Betrieb mit einem hohen Drehmoment der elektrischen Drehmaschine 10 bereitgestellt.
Unter Bezugnahme auf 5A bis 6B sind im Fall eines Vergleichsrotors 12A nach der verwandten Technologie die Flussbarrieren 17c (siehe 1 bis 3) in der Form von Öffnungen, die sich an der Seite der Längsachse befinden, durch Flussbarrieren 17d ersetzt. Die Flussbarrieren 17d sind hinsichtlich der Formabmessungen im Allgemeinen mit Flussbarrieren 17b, die sich an den radial äußeren Seiten der in einer „V“-förmigen Gestaltung angeordneten Öffnungen 17 jedes Satzes befinden, identisch. Im Hinblick auf den Vergleichsrotor 12A sind die Flussfließwege durch die Dauermagnete 16 durch eine in 5A veranschaulichte Flussfließverteilung definiert. Die Magnetflusslinien ψ_m , die durch die Magnete erzeugt werden, definieren Vektoren V_m, die wie durch ein Vektorfeld in 5B angegebene Richtungen aufweisen. Zusätzlich sind Magnetflusslinien ψ_r , die durch bestromte Statorwicklungen, welche in Schlitzen 18 aufgenommen sind, erzeugt werden, durch eine in 6A veranschaulichte Flussfließverteilung angegeben und definieren sie Vektoren V_r, die wie durch ein Vektorfeld in 6B angegebene Richtungen aufweisen.
Die elektrische Drehmaschine, die den Rotor 12A von der oben genannten Art umfasst, wird durch Vorrücken eines Phasenwinkels des Stroms betrieben, um im Antriebsmodus unter einer Höchstbelastung ein hohes Drehmoment mit einer hohen Effizienz zu erzeugen. Unter dieser Bedingung wird der Rotor 12A nach der verwandten Technologie in einem Zustand betrieben, in dem Magnetflusslinien ψ_m der Magnete und Magnetflusslinien ψ_r der Statorwicklungen in einem kleinen Bereich A1 (siehe 6B), der sich von dem Satz der in einer „V“-förmigen Gestaltung angeordneten Öffnungen 17 radial auswärts und in der Nähe der Längsachse befindet, entgegengesetzte Felder erzeugen, so dass das Reluktanzmoment T_r das magnetische Moment T_m auslöscht (ausgleicht), wie durch die veranschaulichten Vektorfelder in 5B und 6B gezeigt ist. Kurz gesagt ist dieser kleine Bereich A1 wie in 7 gezeigt ein Wechselwirkungsbereich, in dem Magnetflusslinien ψ_m der Magnete und Magnetflusslinien ψ_r der Statorwicklungen mit einem induzierten Winkel, der gleich oder größer als 90 Grad ist, gegeneinander wirken, so dass die Magnetflusslinien ψ_r der Statorwicklungen verschwendet werden, da sie jenen Magnetflusslinien ψ_m der Magnete entgegenwirken (sie auslöschen), die von Bereichen B in der Nähe der Längsachse der Dauermagnete 16 jedes Paars, welche an den radial auswärts von dem Satz der in einer „V“-förmigen Gestaltung angeordneten Öffnungen 17 befindlichen kleinen Bereich A1 angrenzen, ausgehen.
Aus diesem Grund lässt sich sagen, dass es wegen des Umstands, dass es den Bereichen B der Dauermagnete 16, die sich in der Nähe der Längsachse befinden, nicht gelingt, irgendeinen positiven Beitrag zur Erzeugung von Drehmoment T zu leisten, möglich ist, die Verwendungsmenge der Dauermagnete 16 an sich zu verringern, indem das Volumen der Bereiche B, in der Nähe der Längsachse, der Dauermagnete 16 reduziert wird, während ein Verhältnis der Schenkeligkeit (Saliency-Ratio) in dem magnetischen Kreis so hoch wie das frühere Verhältnis der Schenkeligkeit (Saliency-Ratio) gehalten wird.
Nun wird das durch die vorher genannte Gleichung (2) ausgedrückte Drehmoment T bei einer Verringerung der Verwendungsmenge der Dauermagnete 16 so hoch wie das frühere Drehmoment, das vor der Verringerung der Verwendungsmenge der Dauermagnete 16 erzeugt worden war, gehalten werden, indem das Reluktanzmoment T_r erhöht wird. Dieses Reluktanzmoment T_r wird erhöht, indem ein Unterschied zwischen der Induktivität L_d der Längsachse und der Induktivität L_q der Querachse erhöht wird, das heißt, indem ein Verhältnis der Schenkeligkeit (Saliency-Ratio) erhöht wird.
Daher wird das Drehmoment T nach der vorliegenden Ausführungsform des Rotors 12 so hoch wie das frühere Drehmoment gehalten, indem jeder der Bereiche B, in der Nähe der Längsachse, der Dauermagnete 16 durch eine Öffnung mit einer geringen magnetischen Permeabilität (als „beschränkter Bereich“ bezeichnet) ersetzt wird, um ein Verhältnis der Schenkeligkeit (Saliency-Ratio) zu erhöhen, während die Verwendungsmenge der Dauermagnete 16 verringert wird. Von einem anderen Blickwinkel her betrachtet wird das Reluktanzmoment T_r erhöht, indem jener Anteil der Magnetflusslinien ψ_r der Statorwicklungen, der durch die Wirkung gegen die Magnetflusslinien ψ_m durch die Dauermagnete, die von den in der Nähe der Längsachse befindlichen Bereichen B ausgehen, verschwenderisch verwendet wurde, wirksam verwendet wird, so dass das Drehmoment T trotz der Verringerung der Verwendungsmenge der Dauermagnete 16 unverändert bleibt.
Das Drehmoment T kann auch durch die folgende Gleichung (2) ausgedrückt werden. Das Verhältnis des magnetischen Moments T_m wird unter geringen Belastungsbedingungen, unter denen die Amplitude des Stroms I_a verringert wird, hoch. Wie in 8 gezeigt nähert sich der Phasenwinkel des Stroms β, bei dem das Drehmoment den Höchstwert beträgt, um so mehr Null, je geringer die Amplitude des Stroms I_a ist. Die veranschaulichten Wellenformen i, ii, iii, iv und v in 8 sind charakteristische Kurven, die jeweils die Beziehung zwischen dem Drehmoment und dem Phasenwinkel des Stroms bei einer von verschiedenen Amplituden des Stroms I_a(i), I_a(ii), I_a(iii), I_a(iv) und I_a(v) zeigen, wobei die Amplituden der Ströme die Beziehung der folgenden Ungleichheit aufweisen: i < ii < iii < iv < v. Daher ist es trotz des Umstands, dass das Verhältnis des (die Abhängigkeit von dem) magnetischen Moments T_m während des Betriebs unter geringen Belastungsbedingungen naturgemäß hoch ist, erwünscht, einen Magnetkreis herzustellen, der die wirksame Verwendung dieses magnetischen Moments T_m maximiert. $T = P_{P} {ψ_{m} I_{a} cos β + \frac{1}{2} (L_{d} - L_{q}) I_{a}^{2} sin2 β}$
wobei β der Phasenwinkel des Stroms ist, und I_a die Amplitude des Phasenstroms ist.
Wie in 9 gezeigt nimmt die Anzahl der Magnetflusslinien ψ_r der Statorwicklungen bei dem Rotor 12A nach der verwandten Technologie an jeder der Querachsen zwischen den benachbarten beiden Magnetpolen (zwischen den Dauermagneten 16 der benachbarten beiden unterschiedlichen Magnetpole) zu, da der Phasenwinkel des Stroms β aufgrund des Betriebs unter niedrigen Belastungsbedingungen mit einer geringen Amplitude des Stroms nahe an Null liegt. Daher ist es ideal, wenn ein Magnetkreis über in 10 gezeigte Flussfließwege MP1 und MP2 als Strecken der aufeinander gefügten Flusslinien ψ_s, die durch die kombinierte Wirkung der Magnetflusslinien der Magnete ψ_m und die oben genannten Magnetflusslinien ψ_r der Statorwicklungen ausgebildet werden, verläuft. Dies wird eine aktive Verwendung der Reluktanzmoments T_r ermöglichen, da die aufeinander gefügten Flusslinien ψ_s die Induktivität L_q der Querachse entlang jeder Querachse durch Verteilen des Querachsen-Flussfließwegs (Magnetflusslinien durch die Querachse), der sich entlang der Querachse erstreckt (ohne irgendeine Sättigung zu induzieren) erhöhen.
Der Flussfließweg MP1 wendet sich nach dem Eindringen in den Rotor 12A in dem interpolaren Abschnitt zwischen den benachbarten beiden Magnetpolen über den Luftspalt G von einem der Statorzähne 15 in einer verketteten Beziehung in eine Richtung zu dem benachbarten eines Paars von Dauermagneten 16, die in Bezug auf die Drehrichtung des Rotors einen vorangehenden der beiden Magnetpole bilden (in 10 gesehen zur linken Seite), und verläuft von dessen Seite in der Nähe des Innenumfangs des Rotors 12A durch ihn hindurch. Der Flussfließweg MP1 quert dann den äußeren Umfangsbereich A2 des Magnetpols und kehrt über den Luftspalt G erneut zu einem anderen der Statorzähne 15 zurück.
Der Flussfließweg MP2 wendet sich, nachdem er auf die gleiche Weise wie der Flussfließweg MP1 in dem interpolaren Abschnitt in den Rotor 12A eingedrungen ist, in einer Umfangsrichtung zu dem entfernten der Dauermagnete 16, die in Bezug auf die Drehrichtung des Rotors den vorangehenden der beiden Magnetpole bilden, und verläuft von dessen Seite in der Nähe des Innenumfangs des Rotors 12A durch ihn hindurch. Der Flussfließweg MP2 quert dann den äußeren Umfangsbereich A2 des Magnetpols und kehrt über den Luftspalt G erneut zu einem anderen der Statorzähne 15 zurück.
Wenn die Dauermagnete 16 jedes Paars einwärts gerichtet zu der Rotorachse hin gerückt sind, indem Abschnitte, die von ihren entferntesten beiden Enden (den radial äußeren Enden des Pols) einwärts liegen, entfernt wurden, wird es diesen Flussfließwegen nicht gelingen, den gesamten äußeren Umfangsbereich A2 jedes Pols wirksam zu verwenden, da sich vergrößerte Flussbarrieren, die an die entferntesten beiden Enden der Dauermagnete des Paars angrenzen, in der Nachbarschaft der Mitte des Pols konzentrieren und es für die Flussfließwege schwierig machen, sich insbesondere durch die rechte Hälfte des äußeren Umfangsbereichs A2 zu erstrecken.
Wenn die Dauermagnete 16 andererseits nach außen gerückt sind, indem Abschnitte, die von ihren am nächsten befindlichen Enden (den radial inneren Enden des Magnetpols) in der Nähe der Mittelachse der Dauermagnete einwärts liegen, entfernt wurden, treten in der Nähe der Mittelachse der Dauermagnete große Flussbarrieren auf, was verursacht, dass die Flussfließwege gestreut werden, so dass sie durch beide Seitenabschnitte des Magnetpols verlaufen, weshalb die Magnetflusslinien gleichmäßig durch den äußeren Umfangsbereich A2 des Magnetpols verlaufen, indem sie wirksam den gesamten äußeren Umfangsbereich A2 einschließlich seiner rechten Hälfte verwenden. Bei diesem Aufbau verbindet ein Flussfließweg MP3 die benachbarten Magnetpole von dem Nordpol (N-Pol) eines Dauermagnets 16 des nachfolgenden der benachbarten beiden Magnetpole zu dem Südpol (S-Pol) des benachbarten Dauermagnets 16 des vorangehenden der benachbarten beiden Magnetpole in Bezug auf die Drehrichtung des Rotors, nachdem er durch den Dauermagnet 16 des nachfolgenden Magnetpols - von dessen Außenseite in der Nähe des Außenumfangs des Rotors zu seiner Innenseite in der Nähe des Innenumfangs des Rotors - verlaufen ist. Auf eine Weise, die dem Flussfließweg MP1 ähnlich ist, erstreckt sich der Flussfließweg MP3 durch den äußeren Umfangsbereich A2 des vorangehenden Magnetpols in Bezug auf die Drehrichtung des Rotors, was verursacht, dass die Wirkung der Dezentralisierung der Magnetflusslinien hoch wird.
Aus diesem Grund ist es günstig, wenn ein Rotor 12 für den Aufbau zur Einbettung der Dauermagnete 16 jedes Paars, das einen Magnetpol bildet, die Gestaltung einsetzt, bei der die Dauermagnete 16 des Paars nach außen zu ihren entferntesten beiden Enden (den radial äußersten Enden des Magnetpols) gerückt sind, während die „V“-förmige Gestaltung der Dauermagnete 16 beibehalten wird, um die Verteilung der Magnetflusslinien ψ_r , die das Reluktanzmoment T_r erzeugen, nicht zu beeinträchtigen. Ferner ist es günstig, die Gestaltung einzusetzen, bei der zwischen den Dauermagneten 16 des Paars (den radial inneren Enden des Magnetpols) Flussbarrieren 17c gebildet sind, um den Kurzschlusspfad der Magnetflusslinien zu beschränken. Zusätzlich ist es günstig, die Gestaltung einzusetzen, bei der sich an jeder der Längsachsen eine Mittelnut 21 in der äußeren Umfangsfläche des Rotors 12 befindet, um die Erzeugung einer Sättigung der Magnetflusslinien ψ_r der Statorwicklungen, die von den Statorzähnen 15 des Stators 11 kommen, zu beschränken oder, mit anderen Worten, die Magnetflusslinien ψ_r der Statorwicklungen zu streuen. Durch das Einsetzen dieser Gestaltungen kann der Rotor 12 das Reluktanzmoment T_r positiv benutzen, indem die Querachsen-Flussfließwege (Magnetflusslinien) gestreut werden, um die Induktivität L_q der Querachse zu erhöhen.
Der optimale Wert für eine in den beiliegenden Zeichnungen längsgerichtete Länge W_pm (Breite) eines jeden der Dauermagnete 16 wird nach einem Vergleich mit dem Fall, in dem die längsgerichtete Länge W_pm nicht verlängert ist, als Standard bestimmt.
Im Besonderen wird sie bestimmt, indem ein Verhältnis δ, das durch Berechnen der folgenden Gleichung (3) gegeben ist, wobei eine Polanzahl P fest ist, ein Außenradius R1, der sich von der Achse des Rotors 12 zu dessen Außenumfang erstreckt, fest ist, und die Länge W_pm eines jeden Dauermagnets 16 eines Paars, der an einem äußeren Endabschnitt eines Magnetpols angeordnet ist, variabel gestaltet wird, das heißt, die Position eines jeden der inneren Enden der Dauermagnete 16 des Paars verändert wird. Als bestimmende Faktoren des Verhältnisses sind die Veränderung des Werts pro Einheit des Drehmoments T unter der Bedingung der Höchstbelastung in Bezug auf das Verhältnis δ und die Veränderung der Rate der Verringerung der Schwankung dieses Drehmoments T, d.h., der Drehmomentwelligkeit, in Bezug auf das Verhältnis δ nach einer Magnetfeldanalyse gegeben und wie in der Darstellung von 11 gezeigt graphisch dargestellt. In dem „pro-Einheit“-System bedeutet zum Beispiel 1,0 [pro Einheit], dass die Größe einer Basiseinheit gleich ist. $δ = (P \times W_{pm}) / R1$
In 11 stellt das Verhältnis δ von 1,84 (δ = 1,84) den Fall dar, in dem jeder der Dauermagnete 16 eine Formabmessung aufweist, bei der eine Länge W_pm des Dauermagnets 16 nicht verkürzt ist (d.h., eine Verringerung der Menge des Dauermagnetmaterials 0 % beträgt). Es ist ersichtlich, dass dann, wenn die Formabmessung das Verhältnis von δ = 1,38 erfüllt (d.h., wenn die Verringerung der Menge des Dauermagnetmaterials 24,7 % beträgt), das erzeugte Drehmoment T dem Drehmoment gleichwertig ist, das durch den Rotor 12A der verwandten Technologie mit Dauermagneten 16, deren Länge W_pm nicht verkürzt ist, erzeugt wird (d.h., das Drehmoment T beträgt 1,0 [pro Einheit]). Mit den Dauermagneten 16 wird dann, wenn das Verhältnis δ 1,38 beträgt (δ = 1,38) im Betrieb selbst bei langsamen Geschwindigkeiten unter geringen Belastungsbedingungen, die gewöhnlich verwendet werden, das gleiche Drehmoment erzeugt.
In 11 wird der Rotor 12A der verwandten Technologie zum Vergleich benutzt. Bei diesem Vergleichsrotor 12A definiert jeder Satz von in einer „V“-förmigen Gestaltung angeordneten Öffnungen 17 an seinen radial äußeren und inneren Enden äußere und innere Flussbarrieren 17b und 17d von der gleichen Größe. Im Gegensatz dazu teilt und trennt der Rotor 12 nach der vorliegenden Ausführungsform die Magnetflusslinien ψ_r der Statorwicklungen dank der Bereitstellung der Flussbarrieren 17c und einer Mittelnut 21 pro Magnetpol wirksam in zwei. Dies verursacht, dass der Rotor wirksam ein Reluktanzmoment T_r erzeugt und die Drehmomentwelligkeit beschränkt wird, während das Drehmoment T bei dem Verhältnis δ = 1,84, bei dem die Länge W_pm eines jeden der Dauermagnete 16 nicht verkürzt ist, d.h., die Dauermagnete 16 in der Länge W_pm jenen des Rotors 12A gleich sind, verbessert wird. Mit anderen Worten zeigt 11 Veränderungen des Drehmoments und jene der Drehmomentwelligkeit bei unterschiedlichen Werten für das Verhältnis δ, wenn die Länge W_pm eines jeden der Dauermagnete 16 im Aufbau des Rotors 16 nach der vorliegenden Ausführungsform verkürzt wird. Es wird angenommen, dass über den Bereich des Verhältnisses δ von 1,84 bis in die Nähe von 1,38 keine merkliche Veränderung im Drehmoment T auftritt, d.h., das Drehmoment T im Wesentlichen 1,0 [pro Einheit] bleibt, wenn die Länge W_pm eines jeden der Dauermagnete 16 in dem Aufbau des Rotors 12A der verwandten Technologie verkürzt wird.
In elektrischen Drehmaschinen kommt es mit der Drehung eines Rotors aufgrund einer magnetischen Verzerrung, die von einer Feldschwächung bei Erzeugung einer induzierten Spannung (d.h., einer umgekehrten Spannung), deren Amplitude je nach der Verwendungsmenge der eingebetteten Dauermagnete variabel ist, stammt, zu einer Überlagerung von Raumharmonischen. Die Raumharmonischen verursachen eine Zunahme des Eisenverlusts, da die 5., 7., 11. und 13. Raumharmonische die Erzeugung einer Drehmomentwelligkeit verursachen. Die Erzeugung der 5. Raumharmonischen ist wie in 12 gezeigt graphisch pro Einheit in Bezug auf das Verhältnis δ dargestellt. Aus 12 ist ersichtlich, dass die Erzeugung der 5. Raumharmonischen um so mehr verringert wird, je geringer das Verhältnis δ ab 1,75 wird (δ = 1,75). In diesem Fall ist die Verwendungsmenge der Dauermagnete um 4,7 % oder mehr verringert und ist die Erzeugung von Wärme verringert, indem dank einer Verbesserung der Effizienz, die sich aus einer Verringerung des Eisenverlusts infolge der Verringerung der durch eine magnetische Verzerrung verursachten Raumharmonischen ergibt, Wirbelströme in den Dauermagneten 16 beschränkt werden.
Daraus folgt, dass es bei dem Rotor 12 nach der vorliegenden Ausführungsform zur Verringerung der Menge des Dauermagnetmaterials, das zur Herstellung der Dauermagnete 16 verwendet wird, während der Ausgang des Drehmoments so hoch wie beim dem Rotor 12A der verwandten Technologie gehalten wird, günstig ist, dass das Verhältnis δ durch Verkürzen der Länge W_pm eines jeden der Dauermagnete auf etwa 1,38 eingerichtet wird, d.h., dass δ ≒ 1,38 beträgt (Verringerung der Menge des Dauermagnetmaterials um 24,7 %). Dies verringert auch die Drehmomentwelligkeit. Kurzum können die Form und Abmessungen eines jeden der Dauermagnete 16 so gewählt werden, dass sie für eine gewünschte Eigenschaft des Ausgangs des Drehmoments T und der Drehmomentwelligkeit passend sind, so dass das Verhältnis δ in einen Bereich von δ = 1,38 (eine Verringerung der Menge des Dauermagnetmaterials von 24,7 %) bis δ = 1,75 (eine Verringerung der Menge des Dauermagnetmaterials von 4,7 %) fällt.
Eine magnetische Analyse von zwei unterschiedlichen IPM-Motoren, die fähig sind, das gleiche Drehmoment zu erzeugen, wobei die Länge W_pm der Dauermagnete 16 jedes Paars, das in einer „V“-förmigen Gestaltung angeordnet ist, in einem Motor so verkürzt ist, um in der Nähe jeder Längsachse (d-Achse) Öffnungen zu belassen, dass Formabmessungen bereitgestellt werden, bei der das Verhältnis δ = 1,38 beträgt, während die Dauermagnete 16 jedes Paars, das in einer „V“-förmigen Gestaltung angeordnet ist, in dem anderen Motor nicht verkürzt sind, zeigt, dass wie in den 13 und 14 gezeigt die elektrische Drehmaschine 10 im Wesentlichen das gleiche Drehmoment T erzeugt, wenn das Verhältnis des Reluktanzmoments T_r zu dem magnetischen Moment T_m verändert wird. Der IMP-Motor vom V-förmigen Typ mit Öffnungen in der Nähe jeder Längsachse ist so gestaltet, dass Flussbarrieren 17c große Öffnungen, die sich in der Nähe jeder Längsachse befinden, belegen, während der IPM-Motor vom bloßen V-förmigen Typ so gestaltet ist, dass Flussbarrieren 17d kleine Öffnungen, die sich in der Nähe jeder Längsachse befinden, belegen.
13 zeigt ein Verhältnis zwischen dem Moment T_m und dem Moment T_r während des Betriebs im Bereich mit geringer Belastung, während 14 ein Verhältnis zwischen dem Moment T_m und dem Moment T_r während des Betriebs im Höchstbelastungsbereich zeigt. Wie 13 und 14 zeigen, nimmt im Fall des IPM-Motors von dem V-förmigen Typ mit großen Öffnungen in der Nähe jeder Längsachse das Verhältnis des Reluktanzmoments T_r in beiden Belastungsbereichen mit einer Verringerung in dem Verhältnis des magnetischen Moments T_m, die durch eine Verkürzung der Länge jedes Dauermagnets 16 verursacht wird, zu. In einem kleinen Bereich A1, der sich wie in 6B und 7 gezeigt in der Nähe des Außenumfangs jedes Pols befindet, werden durch das Bilden der Flussbarrieren 17c, die große Öffnungen belegen, anstelle von Dauermagneten 16 in der Nähe der Längsachse und auch das Bilden einer Mittelnut 21 die Magnetflusslinien ψ_m der Magnete, die den Magnetflusslinien ψ_r der Statorwicklungen entgegenwirken, verringert. Dies führt zu einer Zunahme der Induktivität L_q der Querachse (q-Achse), die verursacht, dass ein Unterschied zwischen der Induktivität L_q der Querachse (q-Achse) und der Induktivität L_d der Längsachse (oder das Verhältnis der Schenkeligkeit (Saliency-Ratio)) größer als jener (oder das Verhältnis der Schenkeligkeit (Saliency-Ratio)) des IPM-Motors von dem V-förmigen Typ mit nicht verkürzten Dauermagneten wird, was ermöglicht, dass die elektrische Drehmaschine 10 durch wirksames Nutzen des Reluktanzmoments T_m ein gleichwertiges Drehmoment erzeugt.
Wie durch die Flussfließverteilung in 15 gezeigt gestattet dieser Aufbau, dass die elektrische Drehmaschine 10 einige der Magnetflusslinien ψ_r der Statorwicklungen, die in dem kleinen Bereich A1 konzentriert sind, der sich radial auswärts von den Dauermagneten jedes Paars, das einen Magnetpol bildet, befindet, wirksam von dem Flussfließweg M_r1, der durch den radial auswärts befindlichen kleinen Bereich A1 verläuft, in den Flussfließweg M_r2 streut (abtrennt), welcher um die in der Nähe der Längsachse befindliche radial einwärts befindliche Seite der Öffnungen 17c eines Satzes von Öffnungen 17, die in einer „V“-förmigen Gestaltung angeordnet sind, verläuft. Als Ergebnis verringert die magnetische Drehmaschine 10 die magnetische Wechselwirkung zwischen Magnetflusslinien ψ_m der Magnete und Magnetflusslinien ψ_r der Statorwicklungen (d-Achse, q-Achse), um eine lokale magnetische Sättigung an der vorangehenden Seite in Bezug auf die Drehrichtung des radial auswärts befindlichen kleinen Bereichs A1 des Magnetpols zu vermeiden, wodurch sie wirkungsvoll zur Erzeugung von Drehmoment T beitragen können.
Daher verläuft wie durch die Flussfließverteilung in 16 veranschaulicht der Großteil der synthetischen Magnetflusslinien ψ_s, die durch die kombinierte Wirkung der Magnetflusslinien ψ_m der Magnete und die Magnetflusslinien ψ_r der Statorwicklungen ausgebildet werden, durch Flussfließwege MPO, die sich durch die Dauermagnete 16 jedes Paars erstrecken, wenn die elektrische Drehmaschine 10 in einem Antriebsmodus unter geringen Belastungen arbeitet, während sich die synthetischen Magnetflusslinien ψ_s wie durch die Flussfließverteilung von 17 veranschaulicht in einen Flussfließweg MP1 und einen Flussfließweg MP2 teilen, wenn sie im Antriebsmodus unter einer Höchstbelastung arbeitet. Als Ergebnis verwirklicht die elektrische Drehmaschine 10 die Vermeidung einer lokalen magnetischen Sättigung zusammen mit einer Verringerung der magnetischen Wechselwirkung, um wirksam den gleichen oder einen höheren Grad an Drehmoment T zu erzeugen, als der IPM-Motor von V-förmigen Typ mit nicht verkürzten Dauermagneten, während eine Verringerung der Menge des Dauermagnetmaterials der Dauermagnete 16 erzielt wird.
Mit anderen Worten ist es, wie leicht aus den veranschaulichten Flussfließlinien in 18 ersichtlich ist, dann, wenn sich zum Beispiel jede der Flussbarrieren 17e nicht in einer radial einwärts gerichteten Richtung zu der Achse des Rotors 12 erstreckt, schwierig, den synthetischen Magnetfluss ψ_s in einem ausreichenden Maß in zwei Ströme zu teilen, wodurch eine lokale magnetische Sättigung, die dem kleinen Bereich A1 in der Nähe des Umfangs jedes der Magnetpole in Bezug auf die Richtung der Rotordrehung (in 18 gesehen die linke Seite) vorangeht, nicht vermieden werden kann. Während des Betriebs in einem Antriebsmodus unter niedrigen Belastungsbedingungen machen die Magnetflusslinien ψ_m der Magnete verglichen mit den Magnetflusslinien ψ_r der Statorwicklungen in den synthetischen Magnetflusslinien ψ_s einen hohen Prozentsatz aus.
Wenn der in 17 gezeigte, mit den Flussbarrieren 17c versehene Aufbau A nach der vorliegenden Ausführungsform unter Verwendung der Menge des Ausgangsdrehmoments und seiner Schwankungen (Drehmomentwelligkeit) mit dem in 18 gezeigten Vergleichsaufbau B, der mit den Flussbarrieren 17e versehen ist, verglichen wird, ist aus 19, die die Ausgangsdrehmomenteigenschaften im Höchstbelastungszustand zeigt, ersichtlich, dass der Aufbau A dem Aufbau B dahingehend überlegen ist, dass das Ausgangsdrehmoment um etwa 6 % zunimmt, und die Drehmomentwelligkeit fällt, wodurch eine Drehung mit einer qualitativ hochwertigen Leistung bereitgestellt wird. In 19 sind nach einer Berechnung des durchschnittlichen Drehmoments unter Verwendung des in 18 gezeigten Aufbaus B als Basiseinheitsgröße das augenblickliche Ausgangsdrehmoment des in 17 gezeigten Aufbaus A und jenes des in 18 gezeigten Aufbaus B in Bezug auf den Drehwinkel (den elektrischen Winkel) in Größen, die „pro Einheit“ ausgedrückt sind, dargestellt.
Um die harmonischen Drehmomentkomponenten, die das Ausgangsdrehmoment des Aufbaus A überlagern, mit jenen auf dem Ausgangsdrehmoment des Aufbaus B zu vergleichen, werden die in 19 gezeigten Wellenformen durch eine Fourier-Reihenentwicklung verarbeitet, wodurch sich wie in 20 gezeigte Ergebnisse ergeben, die zeigen, dass insbesondere die 12. und die 24. harmonische Drehmomentkomponente, die das Ausgangsdrehmoment überlagern, beim Aufbau A beträchtlich niedriger als beim Aufbau B sind. Bei dem Aufbau A nach der vorliegenden Ausführungsform unterdrückt dies das Auftreten eines Ruckelns bei der Beschleunigung beim Hinauffahren einer Schräge, und verringert es den Grad des elektromagnetischen Rauschens beträchtlich, indem insbesondere die 12. harmonische Drehmomentkomponente beträchtlich verringert wird. In 20 sind die Prozentsätze (%) der harmonischen Drehmomentkomponenten, die in Ausgangsdrehmomenten von den Aufbauten A und B enthalten sind, veranschaulicht.
Um den Gehalt der 11. und der 13. Raumharmonischen bei Aufbau A mit jenem bei Aufbau B zu vergleichen, wird die Wellenform des Magnetflusses in Verkettung mit einem der Statorzähne 15 über den Spalt G durch eine Fourier-Reihenentwicklung verarbeitet, wodurch sich wie in 21 gezeigte Ergebnisse ergeben, die zeigen, dass der Gehalt der 11. und der 13. Raumharmonischen bei Aufbau A beträchtlich geringer ist, als bei Aufbau B. In 21 ist der Gehalt der Raumharmonischen nach Normalisieren einer Basiswellenformkomponente des mit einem Zahn verketteten Magnetflusses bei dem Aufbau A und jenes bei dem Aufbau B als Basiseinheit „pro Einheit“ ausgedrückt.
Wenn die Dauermagnete 16 eine Form und eine Abmessung aufweisen, die zum Beispiel durch das Verhältnis δ = 1,44 ausgedrückt sind, und die Menge des Dauermagnetmaterials um 23 % verringert ist und durch Flussbarrieren 17c mit einer geringen magnetischen Permeabilität ersetzt ist (Verringerung des Magnetflusses ψ_m ), macht es eine Verringerung der Gegen-EMK-Konstanten von etwa 13,4 %, die von einer Verringerung der Trägheit begleitet wird, für die elektrische Drehmaschine 10 möglich, dass ihre Ausgangsleistung bei hohen Geschwindigkeiten zunimmt. Daneben verringert eine Reduktion der Raumharmonischen, die eine magnetische Verzerrung verursachen, die Wärme und den Eisenverlust in den Dauermagneten 16 infolge von Wirbelströmen, und beschränkt sie das elektromagnetische Rauschen.
Übrigens ist ersichtlich, dass in der elektrischen Drehmaschine 10 die Drehmomentwelligkeit, die im Fall von drei Phasen durch Raumharmonische, welche eine Flusswellenform pro Phase pro Magnetpol überlagern, und Zeitharmonische, die in Phasenströmen enthalten sind, in elektrischen Grad bei der Komponente der 6f-ten Ordnung (wobei f eine natürliche Zahl von 1, 2, 3, ... ist) erzeugt wird.
Wenn nachstehend der Grund für die Erzeugung der Drehmomentwelligkeit beschrieben wird, können die dreiphasige Ausgangsleistung (die elektrische Leistung) P(t) und das Drehmoment τ_t durch die Formeln (4) und (5) als $P (t) = E_{u} (t) I_{u} (t) + E_{v} (t) I_{v} (t) + E_{w} (t) I_{w} (t)$
$\begin{matrix} τ (t) = P (t) / ω_{m} \\ = [E_{u} (t) I_{u} (t) + E_{v} (t) I_{v} (t) + E_{w} I_{w} (t)] \end{matrix}$

ausgedrückt werden,
wobei ω_m die Winkelgeschwindigkeit ist, E_u(t), E_v(t) und E_w(t) die induzierten elektromotorischen Kräfte der Phase U, der Phase V bzw. der Phase W sind, und I_u(t), I_v(t) und I_w(t) der Strom der Phase U, der Phase V bzw. der Phase W ist.

Das dreiphasige Drehmoment ist die Summe des Drehmoments der Phase U, des Drehmoments der Phase V und des Drehmoments der Phase W; und wenn der Strom I_u(t) der Phase U durch die Formel (6) ausgedrückt wird, in der „m“ die Ordnung der in dem Strom enthaltenen harmonischen Komponente ist, und „n“ die Ordnung der in der Spannung enthaltenen harmonischen Komponente ist, kann das Drehmoment τ_u(t) der Phase U durch die folgende Formel (7) ausgedrückt werden: $I_{u} (t) = \sum_{m = 1}^{m} I_{m} sin m \cdot (θ + β_{m})$
$τ_{u} (t) = \frac{1}{ω_{m}} [\sum_{n = 1}^{n} \sum_{m = 1}^{m} E_{m} I_{m} {- \frac{1}{2} (cos ((n + m) θ + n α_{a} + m β_{m}) - cos ((n - m) θ + n α_{a} - m β_{m})}]$
Sowohl der Phasenstrom I(t) als auch die Phasenspannung E(t) sind symmetrische Wellen, weshalb es nötig ist, dass m und n ungerade sind. Im Hinblick auf die anderen Drehmomente als jenes der Phase U - das Drehmoment der Phase V und das Drehmoment der Phase W - betragen die Phasenverschiebung des Drehmoments der Phase V von der induzierten Spannung E_u(t) der Phase U und dem Strom I_u(t) der Phase U und die Phasenverschiebung des Drehmoments der Phase W von ihnen +2π/3 (rad.) bzw. -2π/3 (rad.). Das sich ergebende Drehmoment ist durch Streichen der Glieder mit Ausnahme von Gliedern mit einem Koeffizienten von „6“ gegeben und kann durch die folgende Formel (8)= ausgedrückt werden. $τ (t) = \frac{1}{ω_{m}} [\sum_{n = 1}^{n} \sum_{m = 1}^{m} E_{m} I_{m} {- \frac{1}{2} {3 cos (6 f θ + s) - 3 cos (6 f θ + t)}}]$
wobei 6f = n ± m (f ist eine natürliche Zahl) ist, s = nα_n + mβ_m ist, und t = nα_n - mβ_m ist.
Da eine Induktionsspannung eine Zeitableitung eines Magnetflusses ist, treten zusätzlich harmonische Komponenten der gleichen Ordnung wie die in einer Induktionsspannung in jeder Phase enthaltenen auch in einem Magnetfluss pro Pol pro Phase auf. Daraus folgt, dass in einem Drehstrommotor die 6f-te Drehmomentharmonische als Drehmomentwelligkeit erscheint, wenn n, d.h., die Zahl der Ordnung der Raumharmonischen, die im Magnetfluss (der Induktionsspannung) enthalten ist, und m, d.h., die Zahl der Ordnung der Zeitharmonischen, die in dem Phasenstrom enthalten ist, so kombiniert sind, dass sie 6f ergeben.
Da bei dieser elektrischen Drehmaschine 10 eine Drehmomentwelligkeit auftritt, wenn die Gleichung 6f = n ± m erfüllt wird, wenn ein Magnetfluss pro Pol pro Phase die n-te Raumharmonische enthält und ein Phasenstrom die m-te Zeitharmonische enthält, entsteht zum Beispiel als Reaktion auf eine Kombination aus, zum Beispiel, der überlagernden 11. und der 13. Raumharmonischen (n = 11, 13) und der Grundwelle (m = 1) eines Phasenstroms das 12. harmonische Drehmoment.
Bei dieser elektrischen Drehmaschine 10 ist die Position einer Endwand an der Seite in der Nähe der Rotorachse, die jede der Flussbarrieren 17c der in dem Rotor 12 gebildeten Öffnungen 17 jedes in einer „V“-förmigen Gestaltung angeordneten Satzes in einer radial einwärts gerichteten Richtung vergrößert, so bestimmt, dass ihre vergrößerte Größe zu der Rotorachse hin optimiert wird, während die Formabmessungen eines jeden der Dauermagnete 16 auf eine solche Weise bewahrt werden, dass die Bedingung, bei der das Verhältnis δ 1,44 beträgt (δ = 1,44), erfüllt wird.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 wird der Aufbau des Rotors 12 durch Bewerten der in den 22 und 23 gezeigten Drehmomenteigenschaften unter Veränderung eines radialen Abstands R2 jener Endwand der Flussbarrieren 17c, die sich in der Nähe der Rotorachse befindet, von der Rotorachse in den Verhältnissen R2/R1 und R3/R2, die als Parameter benutzt werden, wobei R1 der Außenradius zu einem Außenumfang des Rotors ist, und R3 der Innenradius zu seinem Innenumfang ist, erlangt. Da sich die Permeabilität (die Leichtigkeit, mit der ein Magnetfluss erzeugt wird) gestapelter elektrischer Stahlplatten abhängig von der Von-Mises-Spannung, die sich aus der durch die Presspassung zu ihrer Verbindung mit der Antriebswelle verursachten Druckspannung, mit der die elektrischen Stahlplatten zusammengepresst werden, ergibt, verschlechtert, werden die Formabmessungen des Rotors bei den Drehmomenteigenschaften unter Berücksichtigung der Von-Mises-Spannung bestimmt. In 22 und 23 sind Größen des Drehmoments, das im Zustand der Höchstbelastung erzeugt wird, als „pro-Einheit“-Größen ausgedrückt, die sich auf die anhand des in 18 gezeigten Vergleichsaufbaubeispiels B definierte Basis beziehen.
Aus 22 ist ersichtlich, dass ein Drehmoment, das dem durch den Aufbau B erzeugten Drehmoment gleich oder größer als dieses ist, erzeugt wird, wenn das Verhältnis R2/R1 in einen Bereich A von 0,56 bis 0,84 fällt. Vorzugsweise wird der radiale Abstand R2 der Endwand der Flussbarriere 17c von der Rotorachse aus einem Bereich B von 0,565 in der Nähe eines Wendepunkts bis 0,75 in der Nähe eines anderen Wendepunkts gewählt. Insbesondere wird er aus einem Bereich C von 0,59 bis zu etwa 0,63, in dem ein Anstieg des Drehmoments von etwa 5 % erwartet wird, gewählt.
Als nächstes ist aus 23 ersichtlich, dass ein Drehmoment, das dem durch den Aufbau B erzeugten Drehmoment gleich oder größer als dieses ist, erzeugt wird, wenn das Verhältnis R3/R2 in einen Bereich A von 0,54 bis 0,82 fällt. Vorzugsweise wird der radiale Abstand R2 der Endwand der Flussbarriere 17c von der Rotorachse aus einem Bereich B von 0,60 in der Nähe eines Wendepunkts bis 0,81 in der Nähe eines anderen Wendepunkts gewählt. Insbesondere wird er aus einem Bereich C von 0,72 bis 0,77, in dem ein Anstieg des Drehmoments von etwa 5 % erwartet wird, gewählt.
Dies ermöglicht, dass die Größe der Flussbarrieren 17c auf eine solche Weise bestimmt wird, dass eine ausreichende Breite für den in 17 gezeigten Magnetpfad MP2 sichergestellt wird, ohne dass in dem Magnetpfad MP2 irgendeine magnetische Sättigung hervorgerufen wird.
Da nach der vorliegenden Ausführungsform jene Teile eines jeden der mehreren Paare von Dauermagneten 16, die sich in den vorherbestimmten Bereichen B an der Seite einer Längsachse befinden, beseitigt und durch große Flussbarrieren 17c ersetzt sind, kommt es an der Seite der Längsachse nicht zu einer gegenseitigen Wechselwirkung oder Auslöschung des Dauermagnetflusses und des Elektromagnetflusses, da die Magnetflusslinien ψ_m der Magnete, die in solche Richtungen abgegeben werden, dass sie gegen die Magnetflusslinien ψ_r der Statorwicklungen wirken oder diese auslöschen, beseitigt sind und der Durchgang der Magnetflusslinien ψ_r durch die vorherbestimmten Bereiche B an der Seite der Längsachse beschränkt ist.
Daher wird durch wirksames Nutzen der Magnetflusslinien ψ_r und der Magnetflusslinien ψ_m an der Seite der Längsachse eine wesentliche Zunahme des magnetischen Moments T_m und des Reluktanzmoments T_r erhalten, während die Verwendungsmenge der Dauermagnete verringert wird. Zusätzlich wird dank der Verringerung der induzierten Spannungskonstanten eine Zunahme der Ausgangsleistung bei hohen Geschwindigkeiten hervorgerufen und wird durch eine Senkung des Grads der Wärmebeständigkeit, die sich aus einer Beschränkung der von Wirbelströmen stammenden Wärmeerzeugung durch die Dauermagnete 16 und einer Beschränkung der durch Temperaturveränderungen verursachten Entmagnetisierung ergibt, eine Kostenverringerung bereitgestellt.
Darüber hinaus kann ein großes Drehmoment T wirksam erzeugt werden, indem der Trennungsabstand R2 zu dem achsenzentrumsseitigen Ende der Flussbarriere 17c so festgelegt wird, dass die Beziehungen (die Formabmessungen) zu dem Außenradius R1 und dem Innenradius R3 des Rotors 12 0,56 ≦ R2/R1 ≦ 0,84 und 0,54 ≦ R3/R2 ≦ 0,82 betragen.
Folglich wird eine billige elektrische Drehmaschine verwirklicht, die in einem Antriebsmodus einen qualitativ hochwertigen Betrieb mit einer hohen Energiedichte bereitstellt.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wurde eine elektrische Drehmaschine 10 mit der Form eines Motors mit 8 Polen und 48 Schlitzen als Beispiel herangezogen, doch wird bemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt ist, sondern vorzugsweise auf jeden beliebigen Aufbau angewendet werden kann, bei dem eine Schlitzanzahl q pro Pol pro Phase 2 beträgt (q = 2). Zum Beispiel kann die vorliegende Erfindung ohne jegliche Abänderungen auf Motoraufbauten mit 6 Polen und 36 Schlitzen oder 4 Polen und 24 Schlitzen oder 10 Polen und 60 Schlitzen angewendet werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die beschriebene und veranschaulichte beispielhafte Ausführungsform beschränkt, sondern umfasst alle Ausführungsformen, die Wirkungen erbringen, welche jenen, auf die die vorliegende Erfindung abzielt, gleichwertig sind. Ferner ist die vorliegende Erfindung nicht auf Kombinationen von Merkmalen der Gegenstände, die durch die einzelnen Ansprüche definiert sind, beschränkt, sondern wird sie durch alle beliebigen gewünschten Kombinationen von bestimmten aus allen offenbarten Merkmalen definiert.
Im Vorhergehenden wurde eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben, doch ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben genannte Ausführungsform beschränkt, sondern kann sie innerhalb der technischen Ideen der vorliegenden Erfindung in verschiedensten Formen ausgeführt werden.

Claims

Elektrische Drehmaschine mit innenliegenden Dauermagneten (IPM), umfassend: einen Stator (11), der zur Aufnahme von Statorwicklungen eingerichtet ist; einen Rotor (12), der in Bezug auf den Stator (11) mit einer Antriebswelle (13) um eine Rotorachse drehbar ist, wobei der Rotor (12) einen Außenumfang (12a) und einen Innenumfang aufweist; Dauermagnete (16), die in den Rotor (12) eingebettet sind; und Öffnungen (17c) mit einer geringen Permeabilität, wobei jede davon den in einem vorherbestimmten Bereich befindlichen Abschnitt eines der Dauermagnete (16) ersetzt, der so gerichtete Magnetflusslinien erzeugen würde, dass von dem Stator (11) ausgehende Magnetflusslinien in der Nähe einer Längsachse eines der durch die Dauermagnete (16) gebildeten Magnetpole ausgelöscht würden, wenn sich der Dauermagnet (16) in dem vorherbestimmten Bereich befinden würde, wobei die Öffnung (17c) die nachstehend als $0,56 ≦ R2/R1 ≦ 0,84$
und $0,54 ≦ R3/R2 ≦ 0,82$
ausgedrückten Beziehungen erfüllt, wobei R1 der Außenradius von der Rotorachse zu dem Außenumfang (12a) des Rotors (12) ist, R2 der radiale Abstand von der Rotorachse zu jenem Ende der Öffnung (17c) ist, die sich in der Nähe der Rotorachse befindet, und R3 der Innenradius von der Rotorachse zu dem Innenumfang des Rotors (12) ist, wobei an der Öffnung (17c) ein Haltevorsprung für den Dauermagneten (16) vorgesehen ist, der einen um eine Ecke des Dauermagnets (16) herum laufenden und sich an den Dauermagneten (16) anschmiegenden Abschnitt und einen daran anschließenden geraden Endabschnitt umfasst; wobei der Haltevorsprung im Wesentlichen senkrecht von einer Berandung der Öffnung (17c) in die Öffnung (17c) hinein ragt.
Elektrische Drehmaschine nach Anspruch 1, wobei jeder der Dauermagnete (16) dann, wenn eine Schlitzanzahl q pro Pol pro Phase 2 (q = 2) beträgt, die als $1,38 ≦ (P^{\times} W_{pm}) / R1 < 1,84$
ausgedrückte Gleichheit erfüllt, wobei P die Anzahl der durch die Dauermagnete (16) gebildeten Pole ist, und W_pm die Breite eines jeden der Dauermagnete (16) in einer radialen Ebene des Rotors (12) in einer quer zu dem Abstand zwischen zwei Polen des Dauermagnets (16) verlaufenden Richtung ist.