DE10392673B4

DE10392673B4 - Elektrischer Motor mit Permanentmagneten

Info

Publication number: DE10392673B4
Application number: DE10392673.9T
Authority: DE
Inventors: Takashi Miyazaki; Tomohiro Kikuchi; Haruyuki Kometani; Shinichi Yamaguchi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-04-11
Filing date: 2003-04-11
Publication date: 2015-02-26
Anticipated expiration: 2023-04-12
Also published as: US7342338B2; WO2004093298A1; TWI225724B; DE10392673T5; US20060244335A1; JPWO2004093298A1; CN1613172A; JP4214998B2; TW200421691A; CN100385779C

Abstract

Elektrischer Motor (10) mit Permanentmagneten, der Folgendes aufweist: – einen Rotor (30) mit einem Rotor-Eisenkern (32, 34), der an seiner äußeren Umfangsfläche mit Permanentmagneten (32m, 34m) versehen ist, die in axialer Richtung in zwei Stufen unterteilt sind, wobei die Permanentmagnete (34m) der zweiten Stufe bezüglich der Permanentmagnete (32m) der ersten Stufe in Umfangsrichtung im elektrischen Winkel um einen ersten Stufenversatzwinkel (θr) versetzt sind, um eine erste Frequenzkomponente eines Rastmoments zu reduzieren, und – einen Stator (20) mit einem Stator-Eisenkern (21) mit einer zylindrischen Gestalt und einer Statorwicklung (25) zum Erzeugen eines sich drehenden magnetischen Feldes, das den Rotor (30) in Drehung versetzt, wobei der Stator-Eisenkern (21) in der axialen Richtung in mehrere Blöcke (22, 24, 26) unterteilt ist, von denen zumindest ein Block (22, 24) bezüglich eines zweiten Blocks (24, 26) in Umfangsrichtung im elektrischen Winkel um einen zweiten Stufenversatzwinkel (θs) versetzt ist, um eine zweite Frequenzkomponente des Rastmoments zu reduzieren dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stufenversatzwinkel (θr) die folgende Beziehung erfüllt: θt < θr < (700 × 10–3/Lc + θt)mit Lc ... axiale Länge des Stator-Eisenkerns (21), [Lc] = mund θt ... theoretischer Wert des ersten Stufenversatzwinkels (θr), der sich wie folgt berechnet: θt = (360°/kleinstes gemeinsames Vielfaches der Anzahl der magnetischen Statorpole und der Anzahl der magnetischen Rotorpole)/2.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen bei einem elektrischen Motor mit Permanentmagneten, um ein Rastmoment zu reduzieren.
STAND DER TECHNIK
Ein elektrischer Motor mit Permanentmagneten erzeugt eine als Rastmoment [cogging moment] bezeichnete Rotationsschwankung. Dieses Rastmoment erzeugt eine Schwingung oder ein Geräusch, wodurch sich die Steuerungsleistung des elektrischen Motors verschlechtert. Ein Verfahren zum Reduzieren dieses Rastmoments war offenbart in JP H04-21 330 A . Gemäß dieser Offenlegungsschrift sind, um zwei Frequenzkomponenten des Rastmoments zu entfernen, Permanentmagneten in vier Stufen in axialer Richtung eines Rotor-Eisenkerns angeordnet und in Umfangsrichtung des Rotor-Eisenkerns versetzt, um einen Versatzeffekt hervorzurufen, so dass eine Mehrzahl von Permanentmagneten in Umfangsrichtung abhängig von einer axialen Position des Rotors versetzt sind, nämlich angeordnet an der Oberfläche des Rotor-Eisenkerns in einem Versatzwinkel (im Folgenden bezeichnet als Stufenversatzwinkel).
Ein theoretisch berechneter Winkel (im Folgenden bezeichnet als theoretischer Winkel θt) für den Stufenversatzwinkel wird verwendet. Der theoretische Winkel θt1 für eine Grundwellenkomponente des Rastmoments ist gegeben durch θt1 = (360°/kleinstes gemeinsames Vielfaches der Anzahl von magnetischen Statorpolen und der Anzahl von magnetischen Rotorpolen)/2 (3)
Außerdem beträgt der theoretische Winkel θt2 für die höhere harmonische Wellenkomponente der zweiten Ordnung des Rastmoments die Hälfte von θt1.
Wenn jedoch der theoretische Winkel des Stufenversatzwinkels tatsächlich auf den elektrischen Motor mit dem permanenten Magneten angewandt wird, ist ein reduziertes Rastmoment möglicherweise nicht ausreichend. Der Grund dafür ist, dass ein axialer Verlustfluss aufgrund der Anwendung des Stufenversatzes auftritt, aber der Einfluss einer magnetischen Sättigung mit diesem Verlustfluss ist nicht berücksichtigt. Der das Rastmoment erzeugende Verlustfluss kann an dem Stufenbereich des Permanentmagneten und innerhalb des Rotor-Einsenkerns auftreten, aber der Verlustfluss innerhalb des Stator-Eisenkerns ist ein Hauptgrund für das Rastmoment. Daher bestand das Problem, dass das Rastmoment nicht vollständig reduziert war, weil der theoretische Winkel als Versatzwinkel des Rotors verwendet wurde.
Der Aufbau des Rotors, um die beiden Frequenzkomponenten des Rastmoments zu entfernen, war außerdem komplex.
JP H02-254 954 A offenbart einen elektrischen Motor mit Permanentmagneten, bei dem entweder im Rotor oder im Stator ein Stufenversatzwinkel ausgebildet ist, um das Rastmoment zu vermindern.
Aus US 6 462 452 B2 ist ein permanentmagneterregter Synchronmotor bekannt, bei dem zur Verringerung des Rastmoments sowohl Rotor als auch Stator in Axialrichtung um einen bestimmten Wert geschrägt sind.
US 2002/0047431 A1 offenbart einen Servomotor, bei dem zwei Gruppen eines Permanentmagnetrotors um einen Winkel gegeneinander versetzt sind, wobei der Versatzwinkel 4/3 eines theoretischen Wertes betragen soll.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist gemacht worden, um die oben erwähnten Probleme zu lösen, und es ist ein Ziel der Erfindung, einen elektrischen Motor mit Permanentmagneten zu schaffen, bei welchem zwei Frequenzkomponenten des Rastmoments entfernt werden und der Rotor einen einfachen Aufbau hat.
Ein zusätzliches Ziel der Erfindung ist es, einen elektrischen Motor mit Permanentmagneten zu schaffen, bei welchem das Rastmoment geringer ist als bei dem als Stufenversatzwinkel verwendeten theoretischen Winkel.
Ein elektrischer Motor mit Permanentmagneten gemäß dieser Erfindung weist die Merkmale des Patentanspruchs 1 auf.
Dieser elektrische Motor mit Permanentmagneten hat einen Vorteil, dass zwei Frequenzkomponenten des Rastmoments vermindert werden und der Rotor einen einfachen Aufbau hat, weil der Rotor und der Stator mit dem ersten bzw. dem zweiten Stufenversatz versehen sind.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Motors sind in den abhängigen Patentansprüchen wiedergegeben:
Wenn die aktuelle Länge des Stator-Eisenkerns gleich Lc ist und der theoretische Wert des ersten Stufenversatzwinkels gleich θt ist, können die folgenden Ausdrücke erfüllt sein: θt = (360°/kleinstes gemeinsames Vielfaches der Anzahl der magnetischen Statorpole und der Anzahl der magnetischen Rotorpole)/2 (1) und θt < θr < (700 × 10^–3/Lc + θt) mit [Lc] = m (2).
Dies hat den Vorteil, dass zwei Frequenzkomponenten des Rastmoments geringer sind als bei dem theoretischen Winkel, der als Stufenversatzwinkel verwendet wird, und der Rotor einen einfachen Aufbau hat.
Der Stator-Eisenkern kann in der axialen Richtung in Statorblöcke unterteilt sein, wobei der zweite Stufenversatzwinkel zwischen dem ersten und dem zweiten Statorblock sowie zwischen dem zweiten und dem dritten Statorblock ausgebildet ist.
Dies hat den Vorteil, dass der Stator einen einfachen Aufbau hat.
Schließlich kann ein Zwischenraum zwischen dem ersten und dem zweiten und zwischen dem zweiten und dem dritten Statorblock ausgebildet sein, wobei die Ungleichung 0 < Lcg < 2,2 × gm gilt, wobei gm ein in axialer Richtung ausgebildeter Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor ist.
Dies hat den Vorteil, dass das konstante Verhältnis der induzierten Spannung nicht reduziert wird, und zwar durch Absenken des Verlustflusses in der axialen Richtung am oberen Ende der magnetischen Polzähne des Stators aufgrund dieses Zwischenraums zwischen dem ersten und dem zweiten und zwischen dem zweiten und dem dritten Statorblock.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Seitenansicht eines elektrischen Motors mit Permanentmagneten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt.
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Rotors in dem in 1 dargestellten elektrischen Motor mit Permanentmagneten.
3A und 3B sind Draufsichten des Rotors in dem in 1 dargestellten elektrischen Motor mit Permanentmagneten.
4 ist eine perspektivische Ansicht eines Stators in dem in 1 dargestellten elektrischen Motor mit Permanentmagneten.
5A–5C sind teilweise Draufsichten eines Statorblocks der oberen Stufe, eines Statorblocks der mittleren Stufe, und eines Statorblocks der unteren Stufe, wie sie in 4 dargestellt sind.
6 ist eine Kurve, die die magnetische Kennlinie eines Stator-Eisenkerns und eines Rotor-Eisenkerns in dem in 1 gezeigten elektrischen Motor mit Permanentmagneten darstellt.
7 ist eine Kennlinie, die die Grundwellenkomponente des Rastmoments und den Rotorversatzwinkel darstellt, die als Ergebnis einer dreidimensionalen Magnetfeldanalyse für den in 1 dargestellten elektrischen Motor mit Permanentmagneten erhalten werden.
8 ist eine Kennlinie, die die höhere Wellenkomponente der zweiten Ordnung des Rastmoments sowie den Rotorversatzwinkel darstellt, die als Ergebnis der dreidimensionalen Magnetfeldanalyse für den in 1 dargestellten elektrischen Motor mit Permanentmagneten erhalten werden.
9A–9D sind Kennlinien, welche die Beziehung zwischen dem Rotorversatzwinkel und dem Rastmoment durch Verändern der axialen Länge des Stators in dem in 1 dargestellten elektrischen Motor mit Permanentmagneten zeigen.
10 ist eine Kennlinie, die die Beziehung zwischen dem konstanten Verhältnis der induzierten Spannung und Lcg/gm für einen elektrischen Motor mit Permanentmagneten gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt.
11 ist eine seitliche Querschnittsansicht des elektrischen Motors mit Permanentmagneten gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
12 ist eine seitliche Querschnittsansicht eines elektrischen Motors mit Permanentmagneten gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Beste Art und Weise zum Ausführen der Erfindung
Ausführungsform 1
Mit Bezug auf die 1 bis 5 wird nun eine Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1 ist eine Seitenansicht eines elektrischen Motors mit Permanentmagneten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Rotors in dem in 1 dargestellten elektrischen Motor mit Permanentmagneten. 3A und 3B sind Draufsichten des Rotors in dem in 1 dargestellten elektrischen Motor mit Permanentmagneten. 4 ist eine perspektivische Ansicht eines Stators in dem in 1 dargestellten elektrischen Motor mit Permanentmagneten. 5A–5C sind teilweise Draufsichten eines Statorblocks der oberen Stufe, eines Statorblocks der mittleren Stufe, und eines Statorblocks der unteren Stufe, wie sie in 4 dargestellt sind.
In den 1 bis 5 besteht der elektrische Motor mit Permanentmagneten 10 aus einer elektromagnetischen Stahlplatte, in der magnetische Stator-Polzähne 22t ausgestanzt sind, die über einem dünnen Verbindungsbereich verbunden sind, und er weist einen Stator-Eisenkern 21 mit zylindrischer Gestalt auf, einen Stator 20 mit zwölf magnetischen Polen, die durch Herumwickeln einer Vielzahl von Stator-Wicklungen 25 um den inneren Umfang des Stator-Eisenkerns 21 herum ausgebildet ist, und einen Rotor 30 mit acht magnetischen Polen mit einem Rotor-Eisenkern 32, der um die Mitte des Stators 20 herum drehbar ist und einen Spalt gm mit dem Stator 20 bildet, wodurch der Rotor 30 um eine Drehwelle herum unter einem sich drehenden magnetischen Feld durch Anregen der Stator-Wicklungen 25 gedreht wird.
In den 2 und 3 hat der Rotor 30 acht magnetische Pole, und er weist zwei Rotor-Eisenkerne 32 und 34 mit zylindrischer Gestalt auf, die aus einer elektromagnetischen Stahlplatte in zwei Stufen ausgeformt sind, einen Permanentmagneten 32m der oberen Stufe und einen Permanentmagneten 34m der unteren Stufe, die bogenförmig sind und verbunden sind, wobei Nordpole und Südpole abwechselnd an der äußeren Umfangsfläche der Rotor-Eisenkerne 32 und 34 angeordnet sind. Um eine Grundwellenkomponente des Rastmoments zu entfernen, ist der Permanentmagnet 34m der unteren Stufe in Umfangsrichtung versetzt um einen Winkel θr in dem elektrischen Winkel bezüglich der Linie O-m, die die Mitte des Permanentmagneten 32m der oberen Stufe und die Mitte O des Rotor-Eisenkerns verbindet, um so einen Rotorversatzwinkel θr (elektrischen Winkel) als den ersten Stufenversatzwinkel zu bilden.
In 4 besteht der Statorkern 21 aus einem Statorblock 22 der oberen Stufe als dem ersten Statorblock, einem Statorblock 24 der mittleren Stufe auf dem zweiten Statorblock, und einem Statorblock 26 der unteren Stufe als den dritten Statorblock, welche in der axialen Richtung vorgesehen sind, wobei die axiale Länge Lc ist. Außerdem weist der Stator 21 zwei Füll-Statorblöcke 22i auf, wobei die axiale Länge Lcg zwischen dem Statorblock 22 der oberen Stufe und dem Statorblock 24 der mittleren Stufe eingesetzt ist, und zwischen dem Statorblock 24 der mittleren Stufe und dem Statorblock 26 der unteren Stufe, wobei der Statorblock 24 der mittleren Stufe und der Statorblock 26 der unteren Stufe in Umfangsrichtung um einen Stator-Versatzwinkel θs (elektrischen Winkel) von 15° versetzt sind als einem Versatzwinkel der zweiten Stufe, der dem theoretischen Winkel entspricht, um die höhere harmonische Wellenkomponente der zweiten Größenordnung des Rastmoments zu entfernen.
Und der Statorblock 22 der oberen Stufe, der Statorblock 24 der mittleren Stufe und der Statorblock 26 der unteren Stufe sind mit der axialen Länge (Lc/4–Lcg/2), (Lc/2–Lcg) beziehungsweise (Lc/4–Lcg/2) ausgebildet.
In den 5A–5C sind, um den Versatz um den Stator-Versatzwinkel θs zu implementieren, der Statorblock 22 der oberen Stufe und der Statorblock 26 der unteren Stufe um einen Winkel θs/2 entgegen dem Uhrzeigersinn von der Mittellinie S0 des Schlitzes versetzt, der Füll-Statorblock 221 passt zusammen mit der Mittellinie S0 des Schlitzes, und der Statorblock 24 der mittleren Stufe ist um einen Winkel θs/2 im Uhrzeigersinn von der Mittellinie S0 des Schlitzes versetzt.
Der Stator 20 ist versehen mit einem Zwischenraum Lcg in der axialen Richtung des Stators zwischen den Endbereichen des Statorblocks 22 der oberen Stufe und des Statorblocks 24 der mittleren Stufe durch Einsetzen des Füll-Statorblocks 221. In gleicher Art und Weise ist der Stator 20 mit einem Zwischenraum Lcg in der axialen Richtung des Stators 20 zwischen den Endbereichen des Statorblocks 24 der mittleren Stufe und des Statorblocks 26 der unteren Stufe versehen. Es gilt eine Beziehung 0 < Lcg < 2,2 × gm zwischen dem Spalt gm und dem Zwischenraum Lcg.
Mit Bezug auf die 6 bis 9 wird nun der Grund dafür erklärt, warum der Versatzwinkel von dem theoretischen Wert abweicht. 6 ist eine BH-Kennlinie des Stator-Eisenkerns 20 und des Rotor-Eisenkerns, die für die Analyse verwendet werden. In 6 steht das Verhältnis der magnetischen Flussdichte in der Längsachse für das Verhältnis der magnetischen Flussdichte zu dem Bezugswert, welcher eine magnetische Flussdichte bei Sättigung des Materials mit der magnetischen Kennlinie A ist, und die magnetisierende Kraft ist in der Querachse angezeigt. Die magnetische Kennlinie A zeigt einen Fall, wo es keinen Einfluss einer Belastung oder Arbeit gibt. Die magnetische Kennlinie B zeigt einen Fall, wo das Verhältnis der magnetischen Flussdichte um ungefähr 20% in der Nähe einer magnetisierenden Kraft H = 1000 A/m reduziert ist verglichen mit der magnetischen Kennlinie A, entsprechend dem elektrischen Motor mit Permanentmagneten 10 mit Permanentmagneten, der tatsächlich verwendet wird. Dies beruht darauf, dass sich die Eigenschaften des Elektrischen Motors mit Permanentmagneten 10 während des Vorgangs des Bearbeitens des Status 20 und des Rotors 30 verschlechtern.
Mit Bezug auf die 7 und 8 werden nun die Beziehung zwischen dem Rastmoment und dem Rotor-Versatzwinkel θr und dem Stator-Versatzwinkel θs in den Fällen der magnetischen Kennlinien A und B erläutert. Die 7 ist eine Kennlinie, die die Ergebnisse der dreidimensionalen Magnetfeldanalyse für die Grundwellenkomponente des Kennmoments in dem Elektrischen Motor mit Permanentmagneten 10 zeigt. In gleicher Art und Weise ist 8 eine Kennlinie, die der Ergebnisse von der dreidimensionalen Magnetanalyse für die höhere harmonische Wellenkomponente der zweiten oder einer höheren Ordnung des Kennmoments zeigt.
In den 7 und 8 zeigt für die magnetischen Kennlinien A und B des Stator-Eisenkerns 20 die Längsachse an, wie das Kennmoment des Rotors 30 oder des Stators 20 mit dem Stufenversatzwinkel, wenn das Rastmoment ohne den Stufenversatz bei 1 angenommen wird, und die Querachse zeigt den Versatzwinkel (elektrischen Winkel) θr, θs an.
In 7 wird für die Grundwellenkomponente des Rastmoments der Rotor-Kämmwinkel θr, bei welchem das Verhältnis des Rastmoments minimal ist, erhöht, wenn sich die magnetische Kennlinie von A nach B verschlechtert. Dies beruht darauf, dass ein Verlustfluss in der axialen Richtung innerhalb des Stator-Eisenkerns 21 durch Verwenden des Stufenversatzes auftritt.
Der Rotor-Versatzwinkel θr ist größer als der theoretische Winkel 30°, bei welchem das Rastmoment minimal ist, da sich die magnetische Eigenschaft des Stator-Eisenkerns verschlechtert. Bei der magnetischen Kennlinie B beträgt, wenn der Rotor-Versatzwinkel θr gleich dem theoretischen Wert von 30° ist, das Verhältnis des Rastmoments am Punkt fc ungefähr 0,18. Wenn der Rotor-Versatzwinkel θr jenseits des theoretischen Winkels von 30° liegt und das Verhältnis des Rastmomentes geringer als oder gleich 0,18 am Punkt fc ist, wird der Rotor-Versatzwinkel θr nach unterhalb des Stufenversatzwinkels θr (ungefähr 37°) reduziert, der der Maximalwert am Punkt fc' ist, wodurch die Grundwellenkomponente des Rastmoments geringer ist als bei dem theoretischen Wert 30°.
In 8 ist für die höhere harmonische Wellenkomponente der zweiten oder einer höheren Ordnung des Rastmoments, wenn der Stator-Versatzwinkel θs gleich dem theoretischen Winkel et ist, das Rastmomentverhältnis minimal bei den elektrischen Winkeln von 15° und 45°. Dies beruht darauf, dass die höhere harmonische Wellenkomponente der zweiten Ordnung des Rastmoments weniger anfällig ist für den axialen magnetischen Verlustfluss oder die magnetische Sättigung.
Die 9A bis 9D zeigt die Ergebnisse der dreidimensionalen Analyse für die Grundwellenkomponente des Rastmoments, wenn die axiale Länge Lc des Stator-Eisenkerns verändert wird, und zwar auf der Basis des Rotor-Versatzwinkels θr = 0, nämlich des Rastmoments in dem Rotor 30 ohne Versatz. Der Rotor-Versatzwinkel θr, bei welchem das Rastmoment minimal ist, ist anders als der theoretische Winkel, weil ein axialer Verlustfluss innerhalb des Stator-Eisenkerns 21k auftritt, wenn der Stator 20 bearbeitet wird und sich in einem Bereich des Stufenversatzes verschlechtert. Das Rastmoment auf der Basis des axialen Verlustflusses ist fast konstant ohne Berücksichtigung der axialen Länge Lc, weil der axiale Verlustfluss in der Nähe des Stufen-Versatzbereiches auftritt. Wenn demzufolge die axiale Länge Lc des Stator-Eisenkerns 21 gering ist, muss der Rotor-Versatzwinkel θr größer sein als der theoretische Winkel θt, weil der axiale Verlustfluss einen relativ großen Einfluss hat. Wenn dagegen die axiale Länge Lc des Stator-Eisenkerns 21 groß ist, liegt der Rotor-Versatzwinkel θr näher an dem theoretischen Winkel θs, weil der axiale Verlustfluss einen relativ geringen Einfluss hat.
In 9A ist, wenn die axiale Länge Lc des Stators 20 Lc = 40 × 10^–3 m ist, der Rotor-Versatzwinkel θr größer als der theoretische Winkel θt = 30° am Punkt fc, der Minimalwert des Rastmoments ist 40,1°, und der Rotor-Versatzwinkel θr am Punkt fc', bei welchem das Rastmoment gleich dem theoretischen Winkel θr = 30° ist, beträgt 47,5°. Das heißt, wenn der Rotor-Versatzwinkel θr größer als der theoretische Winkel θt = 30° und kleiner als 47,5°, ist das Rastmoment reduziert verglichen mit dem Fall, in dem der Rotor-Versatzwinkel auf den theoretischen Winkel θt festgelegt ist.
In 9B ist, wenn die axiale Länge Lc des Stators 20 Lc = 80 × 10^–3 m ist, der Rotor-Versatzwinkel θr größer als der theoretische Winkel θt = 30° am Punkt fc, der Minimalwert des Rastmoments ist 33,81°, und der Rotor-Versatzwinkel θr am Punkt fc', bei welchem das Rastmoment gleich dem theoretischen Winkel θr = 30° ist, beträgt 38,8°. Das heißt, wenn der Rotor-Versatzwinkel θr größer als der theoretische Winkel θt = 30° und kleiner als 38,8°, ist das Rastmoment reduziert verglichen mit dem Fall, in dem der Rotor-Versatzwinkel auf den theoretischen Winkel θt festgelegt ist.
In 9C ist, wenn die axiale Länge Lc des Stators 20 Lc = 100 × 10^–3 m ist, der Rotor-Versatzwinkel θr größer als der theoretische Winkel θt = 30° am Punkt fc, der Minimalwert des Rastmoments ist 33°, und der Rotor-Versatzwinkel θr am Punkt fc', bei welchem das Rastmoment gleich dem theoretischen Winkel θr = 30° ist, beträgt 37,0°. Das heißt, wenn der Rotor-Versatzwinkel θr größer als der theoretische Winkel θt = 30° und kleiner als 37,0°, ist das Rastmoment reduziert verglichen mit dem Fall, in dem der Rotor-Versatzwinkel auf den theoretischen Winkel θt festgelegt ist.
In 9D ist, wenn die axiale Länge Lc des Stators 20 Lc = 120 × 10^–3 m ist, der Rotor-Versatzwinkel θr größer als der theoretische Winkel θt = 30° am Punkt fc, der Minimalwert des Rastmoments ist 32°, und der Rotor-Versatzwinkel θr am Punkt fc', bei welchem das Rastmoment gleich dem theoretischen Winkel θr = 30° ist, beträgt 35,8°. Das heißt, wenn der Rotor-Versatzwinkel θr größer als der theoretische Winkel θt = 30° und kleiner als 35,8°, ist das Rastmoment reduziert verglichen mit dem Fall, in dem der Rotor-Versatzwinkel auf den theoretischen Winkel θt festgelegt ist.
Aus dieser Diskussion wird der maximale Wert θrmax des Rotor-Versatzwinkels, bei welchem das Rastmoment gleich dem theoretischen Winkel θt = 30° ist, durch den folgenden Ausdruck aus der empirischen Formel auf der Grundlage der Analyseergebnisse gegeben. θrmax = 700 × 10^–3/Lc + θt mit [Lc] = m (4)
Demzufolge ist es, um das Rastmoment weniger zu reduzieren als bei dem theoretischen Wert θt = 30° durch Wählen des Rotor-Versatzwinkels θr, notwendig, die Ungleichung θt > θr > (700 × 10^–3/Lc + θt), mit [Lc] = m, zu erfüllen.
Bei dem elektrischen Motor mit Permanentmagneten 10 zeigen diese Kennlinien die Ergebnisse der dreidimensionalen Analyse für die Beziehung zwischen dem Verhältnis Lcg/gm und dem konstanten Verhältnis der induzierten Spannung auf der Basis des konstanten Verhältnisses der induzierten Spannung, wenn das Verhältnis Lcg/gm des Zwischenraums Lcg am oberen Bereich der magnetischen Stator-Polzähne zu dem Rotorspalt gm gleich Null ist.
In 10 ist das konstante Verhältnis der induzierten Spannung erhöht, erreicht den Maximalwert, und sinkt dann ab, wenn das Verhältnis Lcg/gm größer wird. Um das konstante Verhältnis der induzierten Spannung zu erhalten, bei welchem das Verhältnis Lcg/gm ist gleich Null ist, ist es daher notwendig, das Verhältnis Lcg/gm auf weniger als 2,2 zu reduzieren.
Daher befindet sich der Zwischenraum Lcg am oberen Bereich der magnetischen Stator-Polzähne zum Verbessern des konstanten Verhältnisses der induzierten Spannung in einem Bereich 0 < Lcg < 2,2 × gm.
Ausführungsform 2
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf die 11 beschrieben. 11 ist eine perspektivische Ansicht des Stators gemäß einer anderen Ausführungsform.
In der oben beschriebenen Ausführungsform 1 wird die Grundwellenkomponente des Rastmoments reduziert durch Versehen der Stator-Eisenkerne 34 und 32 mit dem Rotor-Versatzwinkel θr, und die höhere harmonische Wellenkomponente des Rastmoments der zweiten Ordnung wird reduziert durch Versehen der Stator-Eisenkerne 22, 24 und 26 mit dem Stator-Versatzwinkel θs.
In dieser Ausführungsform ist der Rotor 30 gleich wie in der Ausführungsform 1, aber der Stator 120 ist in vier Stator-Eisenkerne 122, 124, 126 und 128 aufgeteilt, wodurch die Türe harmonische Wellenkomponente der zweiten Ordnung des Rastmoments reduziert wird, indem der Stator-Versatzwinkel θs vorgesehen wird.
Der Stator-Versatzwinkel zwischen dem Stator-Eisenkern 122 und dem oberen Bereich der magnetischen Stator-Polzähne in dem Stator-Eisenkern 126 und zwischen dem Stator-Eisenkern 124 und dem oberen Bereich der magnetischen Statorpolzähne in dem Stator-Eisenkern 128 ist Null, und der Stator-Versatzwinkel θs zwischen dem Stator-Eisenkern 122 und dem Stator-Eisenkern 124 und zwischen dem Stator-Eisenkern 126 und dem Stator-Eisenkern 128 ist ausgebildet.
Ausführungsform 3
Mit Bezug auf 12 wird eine andere Ausführungsform der Erfindung nun beschrieben. 12 ist eine seitliche Querschnittsansicht eines elektrischen Motors mit Permanentmagneten gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen 1 und 2 hat der elektrische Motor mit Permanentmagneten den Stator 20 außerhalb angeordnet und den Rotor 30 innerhalb des Stators 20.
Der elektrische Motor mit Permanentmagneten 2000 gemäß dieser Ausführungsform hat einen Rotor 230 außerhalb und einen Stator 220 innerhalb des Rotors 230.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen 1 bis 3 ist der Rotor 30, 230 mit dem Versatzwinkel θr versehen zum Entfernen der Grundwellenkomponente des Rastmoments, und der Stator 20, 220 ist mit dem Versatzwinkel θs versehen zum Entfernen der höheren harmonischen Wellenkomponente der zweiten Ordnung des Rastmoments. Im Gegensatz dazu kann der Rotor 30, 230 mit dem Versatzwinkel θs ausgebildet sein zum Entfernen der höheren harmonischen Wellenkomponente der zweiten Ordnung des Rastmoments, und der Stator 20, 220 kann mit dem Versatzwinkel θr versehen sein um Entfernen der Grundwellenkomponente des Rastmoments.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Wie oben beschrieben, ist die vorliegende Erfindung geeignet für die Zwecke des elektrischen Motors mit Permanentmagneten.

Claims

Elektrischer Motor (10) mit Permanentmagneten, der Folgendes aufweist: – einen Rotor (30) mit einem Rotor-Eisenkern (32, 34), der an seiner äußeren Umfangsfläche mit Permanentmagneten (32m, 34m) versehen ist, die in axialer Richtung in zwei Stufen unterteilt sind, wobei die Permanentmagnete (34m) der zweiten Stufe bezüglich der Permanentmagnete (32m) der ersten Stufe in Umfangsrichtung im elektrischen Winkel um einen ersten Stufenversatzwinkel (θr) versetzt sind, um eine erste Frequenzkomponente eines Rastmoments zu reduzieren, und – einen Stator (20) mit einem Stator-Eisenkern (21) mit einer zylindrischen Gestalt und einer Statorwicklung (25) zum Erzeugen eines sich drehenden magnetischen Feldes, das den Rotor (30) in Drehung versetzt, wobei der Stator-Eisenkern (21) in der axialen Richtung in mehrere Blöcke (22, 24, 26) unterteilt ist, von denen zumindest ein Block (22, 24) bezüglich eines zweiten Blocks (24, 26) in Umfangsrichtung im elektrischen Winkel um einen zweiten Stufenversatzwinkel (θs) versetzt ist, um eine zweite Frequenzkomponente des Rastmoments zu reduzieren dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stufenversatzwinkel (θr) die folgende Beziehung erfüllt: θt < θr < (700 × 10^–3/Lc + θt) mit Lc ... axiale Länge des Stator-Eisenkerns (21), [Lc] = m und θt ... theoretischer Wert des ersten Stufenversatzwinkels (θr), der sich wie folgt berechnet: θt = (360°/kleinstes gemeinsames Vielfaches der Anzahl der magnetischen Statorpole und der Anzahl der magnetischen Rotorpole)/2.
Elektrischer Motor (10) mit Permanentmagneten nach Patentanspruch 1, bei welchem der Stator-Eisenkern (21) in der axialen Richtung in einen ersten (22), einen zweiten (24) und einen dritten Statorblock (26) unterteilt ist und der zweite Stufenversatzwinkel (θs) zwischen dem ersten (22) und dem zweiten Statorblock (24) sowie zwischen dem zweiten (24) und dem dritten Statorblock (26) vorgesehen ist.
Elektrischer Motor (10) mit Permanentmagneten nach einem der Patentansprüche 1 und 2, bei welchem in axialer Richtung ein Zwischenraum (Lcg) zwischen dem ersten (22) und dem zweiten Statorblock (24) und zwischen dem zweiten (24) und dem dritten Statorblock (26) vorgesehen ist und die Ungleichung 0 < Lcg < 2,2 × gm gilt, wobei gm ein in radialer Richtung ausgebildeter Spalt zwischen dem Stator (20) und dem Rotor (30) ist.