DE112011101641T5

DE112011101641T5 - Rotor einer rotierenden elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE112011101641T5
Application number: DE112011101641T
Authority: DE
Inventors: Ryosuke Utaka
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2010-05-13
Filing date: 2011-05-12
Publication date: 2013-03-21
Also published as: JP5862048B2; JP2011259692A; CN102893499B; WO2011142413A1; US20130093284A1; CN102893499A

Abstract

Die Wellenform einer von einem Rotor erzeugten magnetomotorischen Kraft besteht aus einer Anzahl von Abschnitten, welche jeweils einer Anzahl von magnetischen Polen des Rotors entsprechen. Bei Blickrichtung längs der Axialrichtung des Rotorkerns enthält jeder der Abschnitte der Wellenform zwei schräg verlaufende Linien und eine Verbindungslinie. Jede der schräg verlaufenden Linien erstreckt sich von einer 0-Bezugslinie, welche durch eine äußere Umfangsfläche des Rotorkerns definiert ist, schräg mit Bezug auf eine Radialrichtung des Rotorkerns. Die Verbindungslinie verbindet die beiden schräg verlaufenden Linien in der Umfangsrichtung des Rotorkerns. Wenn man ferner die umfangsmäßige Breite der Verbindungslinie durch 2π·Duty, die umfangsmäßige Breite der schräg verlaufenden Linien durch 2π·Slope, die radiale Höhe der schräg verlaufenden Linien durch B, die Ordnungszahl einer harmonischen Komponente der magnetomotorischen Kraft durch n und die Amplitude der n-ten harmonischen Komponente durch Amp1 darstellt, dann wird die folgende Beziehung erfüllt: Slope = k/n (hierin ist k eine beliebige natürliche Zahl). Die Amplitude der n-ten harmonischen Komponente bestimmt sich durch: Amp1(n) = (4B/nπ) × {sin(nπ·Slope)/nπ·Slope} × sin{nπ(Duty + Slope)}Gleichung (1).

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft Rotoren von rotierenden elektrischen Maschinen, beispielsweise Elektromotoren und elektrischen Generatoren, welche in Kraftfahrzeugen verwendet werden.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Wie in 11 gezeigt, enthält ein herkömmlicher Kraftfahrzeugmotor 10 eine rotierende Welle 11, einen Rotor 14 und einen Stator 18. Der Rotor 14 enthält einen ringförmigen Rotorkern 12 und eine Anzahl von Permanentmagneten 13. Der Rotorkern 12 ist durch Aufeinanderschichten einer Vielzahl von ringförmigen Stahlblechen in axialer Richtung mit Bezug auf die Drehung gebildet und am Außenumfang der Rotorwelle 11 befestigt. Darüber hinaus sind in dem Rotorkern 12 mehrere Durchgangsöffnungen 12a gebildet, welche axial den Rotorkern 12 durchdringen und in einer Umfangsrichtung des Rotorkerns 12 mit vorbestimmten Abständen angeordnet sind. Die Permanentmagnete 13 sind jeweils in entsprechenden der Durchgangsöffnungen 12a des Rotorkerns 12 gehalten. Der Stator 18 enthält einen ringförmigen Statorkern 17 und eine Statorwicklung 16. Der Statorkern 12 besitzt eine Anzahl von Nuten (nicht dargestellt), welche in der radial inneren Umfangsfläche längs der Umfangsrichtung ausgebildet sind. Der Statorkern 12 ist koaxial mit Bezug auf eine äußere Umfangsfläche des Rotorkerns 12 mit vorbestimmtem Zwischenraum angeordnet, der zwischen den Teilen vorgesehen ist. Die Statorwicklung 16 ist auf den Statorkern 17 gewickelt.
12 zeigt von dem ringförmigen Rotor 14, welcher in seiner Umfangsrichtung in eine Anzahl von Segmenten unterteilt ist, zwei benachbarte Rotorkernsegmente 14-1 und 14-2, welche jeweils zwei Magnetpolen entsprechen. Wie in 12 dargestellt ist, sind die Permanentmagneten 13-1 und 13-2 in den Durchgangsöffnungen 12a eingebettete, welche in der Nachbarschaft des Außenumfangs des Rotorkerns 12 vorgesehen sind. In dem in 12 gezeigten Beispiel ist bei Blickrichtung längs der Axialrichtung des Rotorkerns 12 in dem linksseitigen Rotorkernsegment 14-1, welches einem Magnetpol entspricht, ein Paar von Permanentmagneten 13-1 symmetrisch mit Bezug auf eine radiale Mittellinie L1 des Rotorkernsegments 14-1 so angeordnet, dass die Permanentmagnete einander mit vorbestimmten Schrägungswinkeln zur radialen Mittellinie L1 gegenüberstehen. Das Paar der Permanentmagnete 13-1 ist so angeordnet, dass sie entgegengesetzt zur Polarität eines Paars der Permanentmagneten 13-2 orientiert sind, welche in dem rechtsseitigen Rotorkernsegment 14-2 eingebettet sind. Beispielsweise ist das Paar von Permanentmagneten 131 so angeordnet, dass der Nordpol auf der radialen Außenseite liegt und der Südpol auf der radialen Innenseite liegt; das benachbarte Paar von Permanentmagneten 13-2 ist so angeordnet, dass der Südpol auf der radialen Außenseite liegt und der Nordpol auf der radialen Innenseite gelegen ist. Ein Motor, welcher diese Art von Rotor enthält, ist beispielsweise in dem Patentdokument 1 offenbart.
DOKUMENT DES STANDES DER TECHNIK
Das Patentdokument 1 ist die japanische ungeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2001-54271 .
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Durch die Erfindung zu lösende Aufgaben
In dem oben beschriebenen Rotor 14 des herkömmlichen Motors 10 ist die Wellenform einer elektromotorischen Kraft, welche durch die Rotorkernsegmente erzeugt wird, wie durch gestrichelte Linien Amp in 13 angeordnet ist, von solcher Wellenform, dass sie radial nach außen in Gestalt eines Trapezes an Teilen der Permanentmagnete 13-1 vorsteht, während sie radial nach innen in Gestalt eines Trapezes an Teilen der benachbarten Permanentmagnete 13-2 ausgenommen ist, wobei die äußere Umfangsfläche des Rotors 10 als Null-Bezugslinie gilt. Nimmt man den Idealfall an, dass nur die erste Komponente der elektromotorischen Kraft enthalten ist, welche als Drehmoment des Motors abgenommen werden kann, dann ist die Wellenform Amp der elektromotorischen Kraft in Gestalt einer Sinuswelle zwischen den Paaren von Permanentmagneten 13 gegeben, welche zueinander mit vorbestimmten Zwischenräumen benachbart sind.
Wenn jedoch, wie in der Realität gemäß der Darstellung in 14(a) die Wellenform Amp der magnetomotorischen Kraft in dem Bereich des elektrischen Winkels von 0 bis 360° aufgezeichnet wird, dann ist die Amplitude (welche ein Relativwert und daher dimensionslos ist) an der Position von 90° (π/2) in Gegenphase zu derjenigen an der Position von 270° (3π/2). Darüber hinaus enthält, wie in 14(b) gezeigt ist, die magnetomotorische Kraft zusätzlich zu der ersten Komponente, deren Amplitude am höchsten ist, die dritten, fünften, ... und neunten harmonischen Komponenten, deren Amplituden allmählich im Vergleich zu der ersten Komponente abnehmen. Demzufolge wird die Wellenform Amp der magnetischen Form trapezoidförmig, wie in 15 dargestellt ist.
Weiter hat in der Wellenform Amp der magnetomotorischen Kraft, wie in 15 gezeigt ist, eine Verbindungslinie, deren Höhe von der Null-Bezugslinie aus gleich B ist, eine Breite von 2π·Tastungsdauer (2π·Duty), wobei die Mitte bei dem elektrischen Winkel von π/2 (= 90°) liegt; die schrägen Linien, welche jeweils schräg von den Enden der Verbindungslinie zu der Null-Bezugslinie verlaufen, haben eine Breite von 2π-Schrägungsflanke (2π·Slope). Die Abmessungen der Abschnitte in dem Rotorkernsegment 14-1, welche zu denjenigen der Wellenform Amp der magnetomotorischen Kraft gehören, sind in 13 durch Hinzufügen eines Zusatzes Q zu denselben Bezugszeichen wie in 15 dargestellt. Das bedeutet, die Abmessungen sind als 2π·DutyQ, 2π·SlopeQ und KQ dargestellt. Nachfolgend und in den Ansprüchen ist für ”Tastungsdauer” durchgehend die Bezeichnung ”Slope” gewählt.)
Wie oben gesagt enthält die magnetomotorische Kraft des Rotors 14 tatsächlich harmonische Komponenten, welche nicht nutzbare Komponenten des magnetischen Flusses darstellen und ein Problem der Erhöhung der Eisenverluste des Motors 10 verursachen. Mit anderen Worten, der Wirkungsgrad ist am höchsten ohne harmonische Komponenten und fällt mit einer Zunahme der harmonischen Komponenten ab.
Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung der oben beschriebenen Umstände geschaffen und hat die Lösung des Problems zum Ziel, einen Rotor einer rotierenden elektrischen Maschine zu schaffen, mit welchem die Eisenverluste aufgrund der harmonischen Komponenten der magnetomotorischen Kraft vermindert werden können, welche durch den Rotor erzeugt wird, wodurch er Wirkungsgrad verbessert werden soll.
Mittel zur Lösung der Probleme
Der Erfinder der vorliegenden Anmeldung hat vielerlei Untersuchungen und Analysen zur Verminderung der Eisenverluste aufgrund der harmonischen Komponenten einer magnetomotorischen Kraft durchgeführt, welche durch einen Rotor erzeugt werden (nachfolgend auch als ”harmonische Eisenverluste” bezeichnet), und fand heraus, dass die harmonischen Eisenverluste durch Erniedrigung der harmonischen Komponenten der magnetomotorischen Kraft herabgesetzt werden können. Darüber hinaus hat der Erfinder Untersuchungen und Analysen zur Bestimmung durchgeführt, welche Teile des Rotors einen Einfluss auf die Erzeugung der harmonischen Eisenverluste haben, und hat herausgefunden, dass als Faktor, welcher Einfluss nur auf die harmonischen Komponenten der elektromotorischen Kraft ausübt, der Einfluss der Oberflächengestalt des Rotors am größten ist. Basierend auf den obigen Erkenntnissen hat der Erfinder der vorliegenden Anmeldung sorgfältige Untersuchungen durchgeführt, bei welchen er seine Aufmerksamkeit auf die Wellenform der magnetomotorischen Kraft fokussiert hat, welche durch den Rotor erzeugt wird. Als Folge hiervon hat der Erfinder die folgenden Faktoren (1) bis (3) festgestellt, wodurch die vorliegende Erfindung in ihrer Gesamtheit geschaffen werden konnte.

(1) Es ist möglich, eine harmonische Komponente beliebiger Ordnung der magnetomotorischen Kraft durch geeignete Einstellung eines Bereichs (Bogenwinkels) zu beseitigen, innerhalb welchem magnetischer Fluss von der äußeren Umfangsfläche des Rotors erzeugt wird.
(2) Es ist möglich, eine harmonische Komponente beliebiger Ordnung der magnetomotorischen Kraft durch geeignete Einstellung der Neigung der magnetischen Flussänderung in denjenigen Bereichen der Oberfläche des Rotors zu beseitigen, in denen die magnetische Flussdichte sich rasch ändert.
(3) Es ist möglich, eine harmonische Komponente beliebiger Ordnung der magnetomotorischen Kraft durch geeignete Einstellung des Scheitelwerts des magnetischen Flusses in denjenigen Bereichen der Oberfläche des Rotors zu beseitigen, in denen sich die magnetische Flussdichte rasch ändert.

Das bedeutet, dass durch die erste Erfindung, welchen im anliegenden Anspruch 1 definiert ist, und welche zur Lösung der oben beschriebenen Probleme geschaffen wurde, ein Rotor einer rotierenden elektrischen Maschine angegeben wird. Der Rotor enthält einen ringförmigen Rotorkern und eine Anzahl von Permanentmagneten, die in den Rotorkern eingebettet sind. Eine Anzahl von magnetischen Polen ist in der Nachbarschaft eines Außenumfangs des Rotorkerns durch die Permanentmagnete ausgebildet. Die magnetischen Pole sind in einer Umfangsrichtung des Rotorkerns in vorbestimmten Abständen angeordnet, so dass die Polaritäten zwischen einem Nordpol und einem Südpol in der Umfangsrichtung abwechseln. Eine Wellenform einer magnetomotorischen Kraft, welche durch den Rotor erzeugt wird, besteht aus einer Anzahl von Abschnitten, welche jeweils den magnetischen Polen entsprechen. Bei Blickrichtung längs einer Achse des Rotorkerns ragen entweder die Abschnitte der Wellenform von einer 0-Bezugslinie radial nach außen, wobei die 0-Bezugslinie durch die äußere Umfangsfläche des Rotorkerns definiert ist, oder sind radial nach innen von der 0-Bezugslinie abgesenkt. Unter den Abschnitten der Wellenform wechseln sich diejenigen Abschnitte, welche radial nach außen vorstehen, in Umfangsrichtung des Rotorkerns mit denjenigen Abschnitten ab, welche radial nach innen ausgenommen sind. Jeder der Abschnitte der Wellenform enthält zwei schräge Linien, von denen jede sich von der 0-Bezugslinie schräg relativ zu einer Radialrichtung des Rotorkerns aus erstreckt, und eine Verbindungslinie, welche die beiden schrägen Linien in der Umfangsrichtung des Rotorkerns verbindet. Bezeichnet man eine umfangsmäßige Breite der Verbindungslinie mit 2π·Duty, eine umfangsmäßige Breite der schrägen Linien mit 2π·Slope, eine radiale Höhe der schrägen Linien mit B, die Ordnungsnummer einer harmonischen Komponente der magnetomotorischen Kraft mit n und eine Amplitude der n-ten harmonischen Komponente mit Amp₁, dann ist die folgende Beziehung erfüllt: Slope = k/n (vorliegend ist k eine beliebige natürliche Zahl). Die Amplitude der n-ten harmonischen Komponente bestimmt sich durch die folgende Gleichung (1):
Gemäß der in Anspruch 1 definierten Erfindung ist es möglich, die Amplitude Amp₁ der n-ten harmonischen Komponente der magnetomotorischen Kraft auf Null durch Gestaltung jedes Abschnittes der Wellenform der magnetomotorischen Kraft herabzusetzen, welche durch den Rotor erzeugt wird, um die Beziehung von Slope = k/n zu erfüllen. Das bedeutet, da Slope = k/n abgeleitet worden ist, indem sin(nπ·Slope) in Gleichung (1) auf Null gesetzt worden ist, wird die Amplitude Amp₁ der n-ten harmonischen Komponenten der magnetomotorischen Kraft zu Null, wenn die Beziehung Slope = k/n erfüllt wird. Folglich ist es möglich, die harmonische Komponente beliebiger gewünschter Ordnung aus der magnetomotorischen Kraft zu eliminieren, welche durch den Rotor erzeugt wird. Wenn beispielsweise gewünscht wird, die harmonische Komponente der fünften Ordnung zu eliminieren, welche harmonische Eisenverluste verursacht, dann ist es möglich, Amp1(5) = 0 werden zu lassen, worin n = 5, wodurch die harmonische Komponente der fünften Ordnung eliminiert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es daher möglich, die harmonische Komponente beliebiger Ordnung der magnetomotorischen Kraft, welche durch den Rotor erzeugt wird, zu beseitigen, wodurch die harmonischen Eisenverluste vermindert werden, um den Wirkungsgrad zu verbessern.
Die zweite Erfindung, welche in Anspruch 2 definiert ist, und welche zur Lösung der oben beschriebenen Probleme geschaffen worden ist, sieht einen Rotor für eine rotierende elektrische Maschine vor. Der Rotor enthält einen ringförmigen Rotorkern und eine Anzahl von Permanentmagneten, die in den Rotorkern eingebettet sind. Eine Anzahl von Magnetpolen sind in der Nachbarschaft des Außenumfangs des Rotorkerns durch Permanentmagneten gebildet. Die Magnetpole sind in einer Umfangsrichtung des Rotorkerns in vorbestimmten Abständen angeordnet, so dass ihre Polaritäten sich zwischen einem Nordpol und einem Südpol in der Umfangsrichtung abwechseln. Eine Wellenform einer magnetomotorischen Kraft, welche durch den Rotor erzeugt wird, besteht aus einer Anzahl von Abschnitten, die jeweils den Magnetpolen entsprechen. Bei Blickrichtung in Axialrichtung des Rotorkerns stehen die Abschnitte der Wellenform von einer 0-Bezugslinie, welche durch eine äußere Umfangsfläche des Rotorkerns definiert ist, entweder radial nach außen oder sind radial nach einwärts von der 0-Bezugslinie weg ausgenommen. Unter den Abschnitten der Wellenform wechseln sich diejenigen Abschnitte, welche radial nach außen ragen, in Umfangsrichtung des Rotorkerns mit denjenigen Abschnitten ab, welche radial nach einwärts ausgenommen sind. Jeder der Abschnitte der Wellenform enthält zwei schräg verlaufende Linien, welche sich von der 0-Bezugslinie schräg relativ zu einer Radialrichtung des Rotorkerns erstrecken, und eine Verbindungslinie, welche die beiden schräg verlaufenden Linien in Umfangsrichtung des Rotorkerns verbindet. Bezeichnet man eine umfangsmäßige Breite der Verbindungslinie mit 2π·Duty, eine umfangsmäßige Breite der schräg verlaufenden Linien mit 2π·Slope, eine radiale Höhe der schräg verlaufenden Linien mit B, die Ordnungsnummer einer harmonischen Komponente der magnetomotorischen Kraft mit n und eine Amplitude der n-ten harmonischen Komponente mit Amp₁, dann wird folgende Beziehung erfüllt: Duty + Slope = k/n (hierin ist k eine beliebige natürliche Zahl). Die Amplitude der n-ten harmonischen Komponente wird durch die folgende Gleichung (1) bestimmt:
Gemäß der in 2 definierten Erfindung ist es möglich, die Amplitude Amp₁ der n-ten harmonischen Komponente der magnetomotorischen Kraft auf Null zu erniedrigen, indem jeder Abschnitt der Wellenform der magnetomotorischen Kraft, welche durch den Rotor erzeugt wird, so konfiguriert wird, dass die Beziehung Duty + Slope = k/n erfüllt wird. Das bedeutet, da Duty + Slope = k/n abgeleitet wird, indem sin(nπ·Duty + Slope)) in Gleichung (1) auf Null gesetzt wird, wird die Amplitude Amp₁ der n-ten harmonischen Komponente der magnetomotorischen Kraft zu Null, wenn die Beziehung Duty + Slope = k/n erfüllt wird. Folglich ist es möglich, die harmonische Komponente beliebiger Ordnung aus der magnetomotorischen Kraft, welche durch den Rotor erzeugt wird, zu entfernen. Wenn beispielsweise gewünscht wird, die fünfte harmonische Komponente zu eliminieren, welche harmonische Eisenverluste verursacht, dann ist es möglich, Amp₁(5) = 0 zu machen, worin n = 5, wodurch die fünfte harmonische Komponente beseitigt wird.
Demgemäß ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, eine harmonische Komponente beliebiger Ordnung der magnetomotorischen Kraft, welche durch den Rotor erzeugt wird, zu beseitigen, wodurch die harmonischen Eisenverluste vermindert werden, um den Wirkungsgrad zu verbessern.
Die in Anspruch 3 definierte Erfindung ist durch Folgendes gekennzeichnet: der Rotorkern besteht aus einer Anzahl von Segmenten, welche jeweils den Magnetpolen entsprechen; und in einer äußeren Umfangsfläche jedes Segments des Rotorkerns sind entweder eine Anzahl von Nuten vorgesehen, welche radial nach einwärts ausgenommen sind und sich in einer Axialrichtung der Drehachse erstrecken, oder eine Anzahl von Vorsprüngen, welche radial nach außen vorstehen und sich in Axialrichtung der Drehachse erstrecken.
Gemäß der in Anspruch 3 definierten Erfindung werden die Nuten oder die Vorsprünge, welche in der äußeren Umfangsfläche jedes Segments des Rotorkerns vorgesehen sind, Bereiche, in denen sich die magnetische Flussdichte rasch ändert; aus diesem Grunde ist es möglich, die Neigung der magnetischen Flussänderung zu optimieren, indem in geeigneter Weise die Gestalt, Größe und Lage der Nuten oder Vorsprünge gewählt werden. Folglich ist es möglich, die harmonischen Eisenverluste wirkungsvoller herabzusetzen.
Die in Anspruch 4 definierte Erfindung ist folgendermaßen gekennzeichnet: in jedem Segment des Rotorkerns sind die Nuten oder Vorsprünge innerhalb eines Umfangsbereiches vorgesehen, in welchem die Permanentmagnete vorhanden sind, und sind in solchen Positionen angeordnet, dass sie bei Blickrichtung in Axialrichtung des Rotorkerns symmetrisch mit Bezug auf eine Umfangsmittellinie des entsprechenden Magnetpols gelegen sind, welcher durch die Permanentmagnete gebildet ist.
Gemäß der in Anspruch 4 definierten Erfindung hat jeder Abschnitt der Wellenform der vom Rotor erzeugten magnetomotorischen Kraft eine Gestalt, in welcher die Wellenform symmetrisch mit Bezug auf die umfangsmäßige Mittellinie der Verbindungslinie ist; daher kann die Wellenform der magnetomotorischen Kraft, welche durch den Rotor erzeugt wird, so gestaltet werden, dass sie nahe an der idealen Wellenform liegt, welche für eine Verminderung der harmonischen Eisenverluste vorteilhaft ist.
Die in Anspruch 5 definierte Erfindung ist durch Folgendes gekennzeichnet: in jedem Segment des Rotorkerns ist jede der Nuten oder Vorsprünge mit einer gegebenen Breite von einem Ende des umfangsmäßigen Bereichs, wo sich die Permanentmagnete befinden, zur Innenseite des Bereichs hin ausgebildet.
Gemäß der in Anspruch 5 gekennzeichneten Erfindung ist es möglich, innerhalb des Bereichs (Bogenwinkels), in welchem Magnetfluss von der äußeren Umfangsfläche des Rotorkernsegments erzeugt wird, die Nuten oder Vorsprünge über einen weiten Umfangsbereich vorzusehen.
Die in Anspruch 6 definierte dritte Erfindung, welche ebenfalls zur Lösung der oben beschriebenen Probleme geschaffen wurde, sieht einen Rotor einer rotierenden elektrischen Maschine vor. Der Rotor enthält einen ringförmigen Rotorkern und eine Anzahl von Permanentmagneten, die in den Rotorkern eingebettet sind. Eine Anzahl von Magnetpolen sind in der Nachbarschaft zur äußeren Umfangsfläche des Rotorkerns durch die Permanentmagnete gebildet. Die Magnetpole sind in der Umfangsrichtung des Rotorkerns mit vorbestimmten Abstand so angeordnet, dass sich ihre Polaritäten zwischen einem Nordpol und einem Südpol in der Umfangsrichtung abwechseln. In einer äußeren Umfangsfläche des Rotorkerns ist an einer umfangsmäßigen Mitte jedes der Magnetpole entweder eine Nut, welche radial nach einwärts ausgenommen ist und sich in einer Axialrichtung der Drehachse erstreckt, oder ein Vorsprung vorgesehen, welcher radial nach außen ragt und sich in der Axialrichtung der Drehachse erstreckt. Eine Wellenform einer von dem Rotor erzeugten magnetomotorischen Kraft enthält eine Anzahl von Abschnitten, welche jeweils den Magnetpolen entsprechen. Bei Blickrichtung längs der Axialrichtung des Rotorkerns stehen die Abschnitte der Wellenform von einer 0-Bezugslinie, welche durch die äußere Umfangsfläche des Rotorkerns definiert ist, entweder radial nach außen vor oder sind radial nach innen von der 0-Bezugslinie weg ausgenommen. Unter den Abschnitten der Wellenform sind diejenigen Abschnitte, welche radial nach außen vorstehen, in der Umfangsrichtung des Rotorkerns im Wechsel mit denjenigen Abschnitten angeordnet, welche radial nach innen ausgenommen sind. Jeder der Abschnitte der Wellenform enthält zwei erste schräg verlaufende Linien, von denen jede sich von der 0-Bezugslinie schräg mit Bezug auf eine Radialrichtung des Rotorkerns erstreckt, und eine erste Verbindungslinie, welche die ersten schräg verlaufenden Linien in Umfangsrichtung des Rotorkerns verbindet. Die erste Verbindungslinie enthält zwei zweite schräg verlaufende Linien, von denen jede sich schräg mit Bezug auf die Radialrichtung des Rotorkerns erstreckt, und eine zweite Verbindungslinie, welche die zweiten schräg verlaufenden Linien in Umfangsrichtung des Rotorkerns verbindet. Beschreibt man eine umfangsmäßige Breite der ersten Verbindungslinie mit 2π·Duty₁, eine umfangsmäßige Breite der ersten schräg verlaufenden Linien mit 2π·Slope₁, eine radiale Höhe der ersten schräg verlaufenden Linien mit B₁, eine umfangsmäßige Breite der zweiten Verbindungslinie mit 2π·Duty₂, eine umfangsmäßige Breite der zweiten schräg verlaufenden Linien mit 2π·Slope₂, eine radiale Höhe der zweiten schräg verlaufenden Linien mit B₂, die Ordnungsnummer einer harmonischen Komponente der magnetomotorischen Kraft mit n und eine Amplitude der n-ten harmonischen Komponente mit Amp₂, welche durch die folgende Gleichung (2) bestimmt, dann genügt B₂ der folgenden Gleichung (3):
Gemäß der in Anspruch 6 definierten Erfindung ist es möglich die Amplitude Amp₂ der n-ten harmonischen Komponente der magnetomotorischen Kraft auf Null zu reduzieren, indem jeder Abschnitt der Wellenform der magnetomotorischen Kraft, welche von dem Rotor erzeugt wird, so konfiguriert wird, dass die Gleichung (3) befriedigt wird. Das bedeutet, da Gleichung (3) durch Lösung von B₂ mit Bezug auf B₁ für Amp₂ = 0 in Gleichung (2) abgeleitet wird, wird die Amplitude Amp₂ der n-ten harmonischen Komponente der magnetomotorischen Kraft zu Null, wenn die Beziehung von Gleichung (3) befriedigt wird. Folglich ist es möglich, die harmonische Komponente beliebiger Ordnung aus der magnetomotorischen Kraft, welche durch den Rotor erzeugt wird, zu eliminieren. Wenn es beipielsweise wünschenswert ist die fünfte harmonische Komponente, welche harmonische Eisenverluste verursacht, zu eliminieren, dann ist es möglich, Amp₂(5) = 0 zu machen, wobei n = 5, wodurch die fünfte harmonische Komponente beseitigt wird.
Es ist daher gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, die harmonische Komponente beliebiger Ordnung der magnetomotorischen Kraft, welche durch den Rotor erzeugt wird, zu eliminieren, und dadurch die harmonischen Eisenverluste zur Verbesserung des Wirkungsgrades zu reduzieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es stellen dar:
1 eine Querschnittsansicht entsprechend einem Schnitt längs einer Axialrichtung mit Bezug auf die Drehachse, wobei die Ansicht den Aufbau einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 eine Querschnittsansicht, welche bei einem Rotor gemäß der ersten Ausführungsform, welcher in Umfangsrichtung in eine Anzahl von Segmenten unterteilt ist, zwei benachbarte Rotorkernsegmente zeigt, welche jeweils zwei magnetischen Polen entsprechen;
3 eine erläuternde Darstellung, welche einen Vergleich bezüglich der Wellenform der magnetomotorischen Kraft zwischen einem Rotorkern gemäß der ersten Ausführungsform und einem herkömmlichen Rotorkern ermöglicht;
4(a) ein schematisches Wellenformdiagramm, welches über den elektrischen Winkel aufgetragen die Wellenform einer von dem Rotor gemäß der ersten Ausführungsform erzeugten magnetomotorischen Kraft darstellt;
4(b) eine Darstellung, welche die Amplitude einer harmonischen Komponente der magnetomotorischen Kraft für jede Ordnungsnummer aufzeigt;
5 eine Querschnittsansicht, welche bei einem Rotor gemäß einer zweiten Ausführungsform, welcher in umfangsrichtung in eine Anzahl von Segmenten unterteilt ist, ein Rotorkernsegment zeigt, welches einem Magnetpol entspricht;
6(a) ein schematisches Wellenformdiagramm, welches über dem elektrischen Winkel aufgetragen die Wellenform einer von dem Rotor gemäß der zweiten Ausführungsform erzeugten magnetomotorischen Kraft zeigt;
6(b) eine Ansicht, welche die Amplitude einer harmonischen Komponente der magnetomotorischen Kraft für jede Ordnungszahl zeigt;
7 eine Querschnittsansicht, welche bei einem Rotor gemäß einer dritten Ausführungsform, welcher in Umfangsrichtung in eine Anzahl von Segmenten unterteilt ist, ein Rotorkernsegment zeigt, welches einem Magnetpol entspricht;
8 eine erläuternde Darstellung, welche die Dimension jedes Abschnittes der Wellenform der magnetomotorischen Kraft zeigt, welche durch den Rotor gemäß der dritten Ausführungsform erzeugt wird;
9 ein Wellenformdiagramm, welches die Abmessung jedes Abschnittes der Wellenform der magnetomotorischen Kraft zeigt, welche durch den Rotor gemäß der dritten Ausführungsform erzeugt wird;
10 eine Querschnittsansicht, welche bei einem Rotor gemäß einer Modifikation der dritten Ausführungsform, welcher in Umfangsrichtung in eine Anzahl von Segmenten unterteilt ist, ein Rotorkernsegment zeigt, das einem Magnetpol entspricht;
11 eine Querschnittsansicht mit axialer Schnittrichtung mit Bezug auf die Drehachse, wobei die Ansicht den Aufbau einer herkömmlichen rotierenden elektrischen Maschine zeigt;
12 eine Querschnittsansicht, welche bei einem Rotor der herkömmlichen rotierenden elektrischen Maschine, welcher in Umfangsrichtung in eine Anzahl von Segmenten unterteilt ist, zwei benachbarte Rotorkernsegmente zeigt, welche jeweils zwei Magnetpolen entsprechen;
13 eine erläuternde Darstellung, welche die Abmessung jedes Abschnitts der Wellenform der elektromotorischen Kraft zeigt, welche durch den Rotor der herkömmlichen rotierenden elektrischen Maschine erzeugt wird;
14(a) ein schematisches Wellenformdiagramm, welches über den elektrischen Winkel aufgetragen die Wellenform der magnetomotorischen Kraft zeigt, welche durch den Rotor der herkömmlichen rotierenden elektrischen Maschine erzeugt wird;
14(b) eine Ansicht, welche die Amplitude einer harmonischen Komponente der magnetomotorischen Kraft für jede Ordnungszahl zeigt; und
15 ein Wellenformdiagramm, welches die Abmessung jedes Abschnittes der Wellenform einer magnetomotorischen Kraft zeigt, welche durch einen Rotor erzeugt wird.
AUSFÜHRUNGSFORMEN ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Nachfolgend werden Ausführungsformen zur Verwirklichung der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Erste Ausführungsform
1 ist eine Querschnittsansicht mit Schnittrichtung längs der Axialrichtung der Drehachse, wobei die Ansicht den Aufbau einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt. 2 ist eine Querschnittsansicht, welche bei einem Rotor gemäß der ersten Ausführungsform, welcher in Umfangsrichtung in eine Anzahl von Segmenten unterteilt ist, zwei benachbarte Rotorkernsegmente zeigt, welche jeweils zwei Magnetpolen entsprechen. 3 ist eine erläuternde Darstellung, welche einen Vergleich bezüglich der Wellenform der magnetomotorischen Kraft zwischen einem Rotorkern gemäß der ersten Ausführungsform und einem Rotorkern herkömmlicher Bauart ermöglicht. 4(a) ist ein schematisches Wellenformdiagramm, welches über den elektrischen Winkel aufgetragen die Wellenform einer magnetomotorischen Kraft zeigt, welche durch den Rotor gemäß der ersten Ausführungsform erzeugt wird; 4(b) ist eine Ansicht, welche die Amplitude einer harmonischen Komponente für jede Ordnungszahl erkennen lässt.
Die rotierende elektrische Maschine 30 der vorliegenden Ausführungsform wird beispielsweise als Kraftfahrzeugmotor verwendet. Wie in 1 gezeigt, enthält die rotierende elektrische Maschine 30 einen Stator 18, welcher als Anker arbeitet, den Rotor 34, welcher als Felderzeugungsmittel arbeitet sowie vordere und hintere Gehäuseteile 10a und 10b, welche den Stator 18 und den Rotor 34 aufnehmen und mittels Verbindungsschraubbolzen (nicht dargestellt) miteinander verbunden und aneinander befestigt sind.
Der Stator 18 enthält einen ringförmigen Statorkern 17 und eine dreiphasige Statorwicklung 16. Der Statorkern 17 besitzt eine Anzahl von Nuten (nicht dargestellt), die in der radial inneren Umfangsfläche längs der Umfangsrichtung des Stators eingeformt sind. Die Statorwicklung 16 ist auf den Statorkern 17 gewickelt und an einen Inverter (nicht dargestellt) zur elektrischen Leistungsumformung angeschlossen. Darüber hinaus ist der Stator 18 durch Einspannung zwischen die vorderen und hinteren Gehäuseteile 10a und 10b befestigt und radial auf der Außenseite des Rotors 24 mit vorbestimmtem Luftspalt dazwischen angeordnet.
Der Rotor 34 ist so ausgebildet, dass er sich zusammen mit einer Rotorwelle 11 dreht, welche durch die vorderen und hinteren Gehäuseteile 10a und 10b über Lager 10c abgestützt ist. Der Rotor 34 enthält einen Rotorkern 32 und eine Anzahl von Permanentmagneten 33. Der Rotorkern 32 ist durch Aufeinanderschichten einer Vielzahl von ringförmigen Stahlblechen in Axialrichtung gebildet und am Außenumfang der Rotorwelle 11 befestigt. Darüber hinaus sind in der äußeren Umfangsseite des Rotorkerns 32, welche einer radial inneren Seite des Stators 18 zugewandt ist, mehrere Durchgangsöffnungen 32a gebildet, welche dem Rotorkern 32 in Axialrichtung durchdringen und mit vorbestimmten Zwischenräumen in Umfangsrichtung angeordnet sind. Die Permanentmagnete 33 sind jeweils in entsprechende der Durchgangsöffnungen 32a des Rotorkerns 32 eingebettet. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist jedes Paar von Permanentmagneten 33 in Gestalt von ”∧” angeordnet, um einen magnetischen Pol in der Nachbarschaft zum Außenumfang des Rotorkerns 32 auszubilden. Ferner ist eine Anzahl von Magnetpolen (in der vorliegenden Ausführungsform acht Pole, nämlich vier Nordpole und vier Südpole), welche durch die Anzahl von Paaren von Permanentmagneten 33 in der Nachbarschaft des Außenumfangs des Rotorkerns 32 gebildet sind, in Umfangsrichtung des Rotorkerns mit vorbestimmten Zwischenräumen angeordnet, so dass sich ihre Polaritäten zwischen Nordpol und Südpol in Umfangsrichtung abwechseln.
Wie in 2 gezeigt, ist bei Blickrichtung längs der Axialrichtung des Rotorkerns 32 in einem Rotorkernsegment 32-1, welches einem Magnetpol entspricht, ein Paar von Permanentmagneten 33-1 symmetrisch angeordnet (in Gestalt von ”∧”), und zwar mit Bezug auf eine Mittellinie L1, so dass sie einander mit vorbestimmten Neigungswinkeln relativ zur Mittellinie L1 gegenüberstehen; Die Mittellinie L1 erstreckt sich radial durch die Mitte des Magnetpols. Weiter ist das Paar von Permanentmagneten 33-1 so angeordnet, dass sie bezüglich ihrer Polarität einem Paar von Permanentmagneten 33-2 entgegengesetzt sind, welches umfangsmäßig benachbart zu dem Paar von Permanentmagneten 33-1 gelegen ist. Beispielsweise ist das Paar von Permanentmagneten 33-1 so angeordnet, dass die Nordpole radial auf der Außenseite liegen und die Südpole radial auf der Innenseite gelegen sind; das benachbarte Paar von Permanentmagneten 33-2 ist so angeordnet, dass die Südpole radial auf der Außenseite liegen und die Nordpole radial auf der Innenseite gelegen sind.
Der Rotor 34 nach der vorliegenden Ausführungsform besitzt einen Bereich (Bogenwinkel), innerhalb welchem magnetischer Fluss von der äußeren Umfangfläche des Rotors 34 erzeugt wird, welcher optimal so eingestellt ist, dass die Eisenverluste aufgrund harmonischer Komponenten der magnetomotorischen Kraft vermindert werden, welche durch den Rotor 34 erzeugt wird. Das bedeutet, die Wellenform der magnetomotorischen Kraft, welche durch den Rotor 34 der vorliegenden Ausführungsform erzeugt wird, besteht aus einer Anzahl von Abschnitten, welche jeweils der Anzahl von Magnetpolen (oder der Anzahl der Rotorkernsegmente) entsprechen. Bei Blickrichtung in Axialrichtung des Rotorkerns 32 ragen diese Abschnitte entweder radial von einer 0-Bezugslinie auswärts, welche durch die äußeren Umfangsfläche des Rotorkerns 32 definiert ist, oder sie sind radial von der 0-Bezugslinie aus nach einwärts ausgenommen. Unter den obigen Abschnitten der Wellenform wechseln sich ferner diejenigen Abschnitte, welche radial nach außen vorstehen, in Umfangsrichtung des Rotorkerns 32 mit denjenigen Abschnitten ab, welche radial nach einwärts ausgenommen sind. Fernerhin enthält jeder der Abschnitte der Wellenform zwei schräge Linien und eine Verbindungslinie. Jede der schrägen Linien erstreckt sich von der 0-Bezugslinie schräg relativ zu einer Radialrichtung des Rotorkerns 32. Die Verbindungslinie verbindet die beiden schräg verlaufenden Linien in der Umfangsrichtung des Rotorkerns 32.
Stellt man weiter die umfangsmäßige Breite der Verbindungslinie durch 2π·Duty, die umfangsmäßige Breite der schräg verlaufenden Linien durch 2π·Slope, die radiale Höhe der schräg verlaufenden Linien durch B, die Ordnungszahl einer harmonischen Komponente der magnetomotorischen Kraft, die durch den Rotor 34 erzeugt wird, durch n und die Amplitude der n-ten harmonischen Komponente durch Amp₁ dar, dann ist folgende Beziehung erfüllt: Slope = k/n (hierin ist k eine beliebige natürliche Zahl). Die Amplitude der n-ten harmonischen Komponente bestimmt sich durch folgende Gleichung (1):
In diesem Falle sei in Gleichung (1) beispielsweise n = 7, um die siebte harmonische Komponente zu beseitigen, welche harmonische Eisenverluste verursacht.
Im Einzelnen wird Slope auf 51,4° (elektrischer Winkel) durch Einstellung des Anordnungszustands des Paares von Permanentmagneten 33 in jedem Rotorkernsegment eingestellt, um die siebte Komponente, welche harmonische Eisenverluste verursacht, zu eliminieren. Wie in 3 gezeigt bedeutet das bei dem herkömmlichen Rotor 14 (siehe 12), dass das Paar von Permanentmagneten 13 so angeordnet ist, dass ihre Längsachsen schräg unter einem Winkel von θ1 relativ zur Mittellinie L1 verlaufen; bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Paar von Permanentmagneten 33 so angeordnet, dass ihre Längsachsen schräg relativ zur Mittellinie L1 unter einem Winkel θ2 verlaufen, der kleiner als der Winkel θ1 ist. Folglich wird Slope1 der Wellenform der magnetomotorischen Kraft auf Slope2 vergrößert.
In der vorliegenden Ausführungsform wird durch Einstellung von Slope auf 51,4° (elektrischer Winkel) die Wellenform der durch den Rotor 34 erzeugten magnetomotorischen Kraft, wie in 4(a) gezeigt. Folglich wird es, wie in Fig. (b) dargestellt, möglich, die siebte harmonische Komponente zu eliminieren. Dies geschieht, da jedwede harmonische Komponente, deren Ordnungszahl ein ganzzahliges Vielfaches von 7 ist, eliminiert wird, da Slope = k/7. Demgemäß kann auch die vierzehnte harmonische Komponente eliminiert werden. Die fünfzehnte harmonische Komponente existiert jedoch ursprünglich nicht und aus diesem Grunde macht die Beseitigung dieser Komponente keinen physikalischen Sinn.
Wie oben ausgeführt kann der Rotor 34 nach der vorliegenden Ausfühungsform die Amplitude Amp₁ der n-ten harmonischen Komponente der magnetomotorischen Kraft auf 0 vermindern, indem er so gestaltet ist, dass jeder Abschnitt der Wellenform der magnetomotorischen Kraft, welche von dem Rotor 34 erzeugt wird, die Beziehung Slope = k/n erfüllt. Da die harmonische Komponente beliebiger Ordnungszahl der magnetomotorischen Kraft beseitigt werden kann, bedeutet dies, dass es möglich ist, die harmonischen Komponenten derjenigen Ordnungszahlen zu beseitigen, welche harmonische Eisenverluste verursachen, wodurch die harmonischen Eisenverluste vermindert werden, um den Wirkungsgrad zu verbessern.
Zweite Ausführungsform
5 ist eine Querschnittsansicht, welche bei einem Rotor gemäß einer zweiten Ausführungsform, welcher in Umfangsrichtung in eine Anzahl von Segmenten unterteilt ist, ein Rotorkernsegment zeigt, welches einem Magnetpol entspricht.
Der Rotor 44 dieser Ausführungsform unterscheidet sich von dem Rotor 34 der ersten Ausführungsform nur dadurch, dass die äußere Umfangsfläche jedes Rotorkernsegments zwei Nuten 45, welche darin ausgebildet sind, zeigt, welche radial nach einwärts ausgenommen sind und das Rotorkernsegment in der Axialrichtung mit Bezug auf die Drehachse durchdringen. Demgemäß werden detaillierte Erläuterungen von Bauteilen und Gestaltungen, welche die gegenwärtige Ausführungsform mit der ersten Ausführungsform gemeinsam haben, hier weggelassen und die Unterschiede werden hauptsächlich behandelt. Zusätzlich ist in dem Rotorkern 32 der vorliegenden Ausführungsform genauso wie bei dem Rotorkern 31 der ersten Ausführungsform innerhalb des Bereiches eines Magnetpols ein Paar von Permanentmagneten 43 symmetrisch mit Bezug auf eine Mittellinie L1 (in Gestalt von ”∧”) angeordnet, so dass die Permanentmagnete einander mit vorbestimmtem Neigungswinkel relativ zur Mittellinie L1 gegenüberstehen; die Mittellinie L1 erstreckt sich in einer Radialrichtung des Rotorkerns 32 durch die Mitte des Magnetpols.
Die beiden Nuten 45 sind innerhalb eines umfangsmäßigen Bereichs des Rotorkernsegments vorgesehen, in welchem die Permanentmagnete 43 vorhanden sind, und sind symmetrisch mit Bezug auf die Mittellinie L1 angeordnet. Jede der zwei Nuten 45 ist innerhalb eines Umfangsbereiches für einen Magnetpol gebildet, in welchem die Permanentmagnete 43 vorhanden sind, und zwar in einer bestimmten Breite von dem äußeren Ende des Bereiches in Richtung auf die Innenseite des Bereichs.
Der Rotor 44 der vorliegenden Ausführungsform besitzt einen Bereich (Bogenwinkel), innerhalb welchem magnetischer Fluss von der äußeren Umfangsfläche des Rotors 44 erzeugt wird, welcher optimal so eingestellt ist, dass Eisenverluste vermindert werden, die durch harmonische Komponenten der von dem Rotor 44 erzeugten magnetomotorischen Kraft verursacht werden. Das bedeutet, die Wellenform der magnetomotorischen Kraft, welche durch den Rotor 44 der vorliegenden Ausführungsform erzeugt wird, besteht aus einer Anzahl von Abschnitten, welche jeweils der Anzahl von magnetischen Polen entspricht (oder der Anzahl der Rotorkernsegmente). Bei Blickrichtung längs der Axialrichtung des Rotorkerns 42 ragen diese Segmente entweder radial nach außen von einer 0-Bezugslinie vor, welche durch die äußere Umfangsfläche des Rotorkerns 42 definiert wird, oder sie sind radial nach einwärts von der 0-Bezugslinie ausgenommen. Weiter sind unter den oben genannten Abschnitten der Wellenform diejenigen Abschnitte, welche radial nach außen vorstehen, in der Umfangsrichtung des Rotorkerns 42 im Wechsel mit denjenigen Abschnitten vorgesehen, welche radial nach einwärts ausgenommen sind. Fernerhin enthält jedes der Segmente der Wellenform zwei schräg verlaufende Linien und eine Verbindungslinie. Jede der schräg verlaufenden Linien erstreckt sich von der 0-Bezugslinie schräg relativ zu einer Radialrichtung des Rotorkerns 42. Die Verbindungslinie verbindet die beiden schräg verlaufenden Linien in der Umfangsrichtung des Rotorkerns 42.
Stellt man weiter die umfangsmäßige Breite der Verbindungslinie durch 2πDuty die umfangsmäßige Breite der schräg verlaufenden Linien durch 2π·Slope, die radiale Höhe der schräg verlaufenden Linien durch B, die Ordnungszahl einer harmonischen Komponente der durch den Rotor 44 erzeugten magnetomotorischen Kraft durch n und die Amplitude der n-ten harmonischen Komponente durch Amp₁ dar, dann ist die folgende Beziehung erfüllt: Duty + Slope = k/n (worin k eine beliebige natürliche Zahl ist). Die Amplitude der n-ten harmonischen Komponente wird durch die folgende Gleichung (1) bestimmt:
Im Einzelnen wird der Bogenwinkel auf 120° (elektrischer Winkel) durch Einstellen der Gestalt der äußeren Umfangsfläche des Rotorkerns 42 so festgesetzt, dass die dritte Komponente, welche harmonische Eisenverluste verursacht, eliminiert wird. Das bedeutet, der Bogenwinkel wird auf 120° (elektrischer Winkel) durch Bilden der zwei Nuten 45 in der äußeren Umfangsfläche des Rotorkerns 42 in der oben genannten Weise eingestellt. Zusätzlich sind diejenigen Bereiche, in welchen die beiden Nuten 45 vorgesehen sind, Bereiche, in denen sich die magnetische Flussdichte rasch ändert; die Neigung der magnetischen Flussänderung in diesen Bereichen kann durch Verändern der Tiefe der Nuten 45 eingestellt werden.
In der vorliegende Ausführungsform erhält durch Einstellung des Bogenwinkels auf 120° (elektrischer Winkel) die Wellenform der magnetomotorischen Kraft die in 6(a) gezeigte Gestalt. Folglich wird es, wie in 6(b) gezeigt, möglich, die dritte, die neunte und die fünfzehnte harmonische Komponente zu eliminieren. Dies geschieht, da jede harmonische Komponente, deren Ordnungszahl ein ganzzahliges Vielfaches von 3 ist, eliminiert wird, da Duty + Slope = 1/3 gilt. Demgemäß können auch die sechste und die zwölfte harmonische Komponente eliminiert werden, doch existieren diese harmonischen Komponenten ursprünglich nicht und somit macht ihre Beseitigung physikalisch keinen Sinn.
Wie oben ausgeführt kann der Rotor 44 der vorliegenden Ausführungsform die Amplitude Amp₁ der n-ten harmonischen Komponente der magnetomotorischen Kraft auf 0 erniedrigen, indem er so gestaltet ist, dass jeder Abschnitt der Wellenform der magnetomtorischen Kraft, welche von dem Rotor 44 erzeugt wird, die Beziehung Duty + Slope = k/n erfüllt. Das bedeutet, da eine harmonische Komponente beliebiger Ordnungszahl der magnetomotorischen Kraft eliminiert werden kann, ist es möglich, die harmonischen Komponenten mit denjenigen Ordnungszahlen zu beseitigen, welche harmonische Eisenverluste verursachen, wodurch die harmonischen Eisenverluste vermindert und der Wirkungsgrad verbessert wird.
Fernerhin werden bei der vorliegenden Ausführungsform die beiden Nuten 45, die in der äußeren Umfangsfläche jedes Rotorkernsegments gebildet sind, Bereiche, in denen sich die magnetische Flussdichte rasch ändert; daher ist es möglich, die Neigung der magnetischen Flussänderung durch geeignetes Einstellen der Gestalt, der Größe und der Lage der Nuten 45 zu optimieren.
Weiter sind die beiden Nuten 45 innerhalb desjenigen Umfangsbereichs vorgesehen, in welchem Permanentmagnete 34 des Rotorkernsegments vorhanden sind, und sind symmetrisch mit Bezug auf die umfangsmäßig Mittellinie L1 des Magnetpols angeordnet, der durch die Permanentmagnete 34 gebildet wird; folglich hat die Wellenform der durch das Rotorkernsegment erzeugten magnetomotorischen Kraft eine Gestalt, welche symmetrisch mit Bezug auf die Mittellinie L1 ist, die durch das umfangsmäßige Zentrum der Verbindungslinie verläuft, wodurch eine ideale Wellenform angenähert wird, die für die Verminderung der harmonischen Eisenverluste vorteilhaft ist.
Weiter ist jede der beiden Nuten 45 innerhalb des Umfangsbereichs des Rotorkernsegments, in welchem die Permanentmagneten 43 vorhanden sind, mit einer gegebenen Breite von dem äußeren Ende des Bereichs in Richtung auf die Innenseite des Bereichs gebildet; aus diesem Grunde ist es möglich, innerhalb des Bereichs (Bogenwinkels), in welchem Magnetfluss von der äußeren Umfangsfläche des Rotorkernsegments erzeugt wird, die beiden Nuten 45 über einen breiten Umfangsbereich hinweg auszubilden.
Zusätzlich sind bei der vorliegenden Ausführungsform in der äußeren Umfangsfläche jedes Rotorkernsegments die beiden Nuten 45 vorgesehen, welche radial nach einwärts ausgenommen sind, und das Rotorkernsegment in axialer Richtung mit Bezug auf die Drehachse durchdringen; anstelle der beiden Nuten 45 ist es jedoch auch möglich, zwei Vorsprünge vorzusehen, welche radial nach auswärts vorstehen und sich in der Axialrichtung mit Bezug auf die Drehachse erstrecken.
Dritte Ausführungsform
7 ist eine Querschnittsansicht, welche bei einem Rotor gemäß einer dritten Ausführungsform, welcher in Umfangsrichtung in eine Anzahl von Segmenten unterteilt ist, ein Rotorkernsegment darstellt, welches einem Magnetpol entspricht. 8 ist eine erläuternde Ansicht, welche die Abmessung jedes Abschnitts der Wellenform der von dem Rotor gemäß der dritten Ausführungsform erzeugten magnetomotorischen Kraft zeigt. 9 ist ein Wellenformdiagramm, welches die Abmessung jedes Teils der Wellenform der von dem Rotor gemäß der dritten Ausführungsform erzeugten magnetomotorischen Kraft darstellt.
Der Rotor 54 bei dieser Ausführungsform unterscheidet sich von dem Rotor 34 der ersten Ausführungsform nur dadurch, dass in der äußeren Umfangsfläche des Rotorkernsegments an der umfangsmäßigen Mitte des Magnetpols, welcher durch die Permanentmagnete 53 gebildet ist, eine Nut 55 vorgesehen ist, welche radial nach einwärts ausgenommen ist und sich in Axialrichtung mit Bezug auf die Drehachse erstreckt. Demgemäß werden detaillierte Erläuterungen von Bauteilen und Gestaltungen, welche die vorliegende Ausführungsform mit der ersten Ausführungsform gemeinsam haben, hier weggelassen und es werden hier in erster Linie die Unterschiede erläutert.
Zusätzlich ist bei dem Rotorkern 52 der vorliegenden Ausführungsform, wie bei dem Rotorkern 32 der ersten Ausführungsform, innerhalb des Bereichs eines magnetischen Pols ein Paar von Permanentmagneten 53 symmetrisch bezüglich einer Mittellinie L1 angeordnet (in Gestalt von ”∧”), so dass die Magnete einander mit vorbestimmten Neigungswinkeln gegenüber der Mittellinie L1 gegenüberstehen; die Mittellinie L1 erstreckt sich in Radialrichtung des Rotorkerns 52 durch die Mitte des magnetischen Pols.
In dem Rotor 54 der vorliegenden Ausführungsform ist zur Verminderung der Eisenverluste aufgrund harmonischer Komponenten der vom Rotor 54 erzeugten magnetomotorischen Kraft in der äußeren Umfangsfläche jedes Rotorkernsegments an der umfangsmäßigen Mitte des durch die Permanentmagnete 53 gebildeten Magnetpols (Mitte des Bogenwinkels) die Nut 55 ausgebildet, welche eine gegebene Tiefe D aufweist.
Das bedeutet, dass, wie in den 8 und 9 gezeigt, die von dem Rotor 54 nach der vorliegenden Ausführungsform erzeugte Wellenform der magnetomotorischen Kraft aus einer Anzahl von Abschnitten besteht, die jeweils der Anzahl von Magnetpolen (oder der Anzahl von Rotorkernsegmenten) entspricht. Bei Blickrichtung längs der Axialrichtung des Rotorkerns 52 ragen diese Abschnitte entweder von einer 0-Bezugslinie aus radial nach außen, wobei die 0-Bezugslinie durch die äußere Umfangsfläche des Rotorkerns 52 definiert ist, oder sie sind radial nach innen von der Bezugslinie weg ausgenommen. Weiter sind unter den obigen Abschnitten der Wellenform diejenigen Abschnitte, welche radial nach außen wegragen, in Umfangsrichtung des Rotorkerns 52 im Wechsel zu denjenigen Abschnitten vorgesehen, welche radial nach innen ausgenommen sind. Weiterhin enthält jeder der Abschnitte der Wellenform zwei erste schräg verlaufende Linien und eine erste Verbindungslinie. Jede der ersten schräg verlaufenden Linien erstreckt sich von der 0-Bezugslinie schräg mit Bezug auf eine Radialrichtung des Rotorkerns 52. Die erste Verbindungslinie verbindet die beiden ersten schräg verlaufenden Linien in der Umfangsrichtung des Rotorkerns 52. Weiter enthält die erste Verbindungslinie zwei zweite schräg verlaufende Linien, welche sich jeweils schräg mit Bezug auf eine Radialrichtung des Rotorkerns 52 erstrecken, sowie eine zweite Verbindungslinie, welche die zweiten schräg verlaufenden Linien in Umfangsrichtung des Rotorkerns 52 verbindet.
Ferner erfüllt, wie in 9 gezeigt, dann, wenn man die umfangsmäßige Breite der ersten Verbindungslinie durch 2π·Duty₁, die umfangsmäßige Breite der ersten schräg verlaufenden Linien durch 2π·Slope₁, die radiale Höhe der ersten schräg verlaufenden Linien durch B₁, die umfangsmäßige Breite der zweiten Verbindungslinien durch 2π·Duty₂, die umfangsmäßige Breite der zweiten schräg verlaufenden Linien durch 2π·Slope₂, die radiale Höhe der zweiten schräg verlaufenden Linien durch B₂, die Ordnungszahl einer harmonischen Komponente der von dem Rotor 54 erzeugten magnetomotorischen Kraft durch n und die Amplitude der n-ten harmonischen Komponente durch Amp₂ darstellt, welche durch die folgende Gleichung (2) bestimmt wird, die Größe B₂ die folgende Gleichung (3):
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Nut 55, welche in der äußeren Umfangsfläche des Rotorkernsegments vorgesehen ist, mit einer Tiefe D versehen, welche so gewählt ist, dass die Gleichung (3) erfüllt wird. Bei der Bildung der Nut 55 in der äußeren Umfangsfläche des Rotorkernsegments wird dann, wenn die Tiefe D der Nut 55 groß gewählt ist, die Neigung von Slope₂ steil; wenn die Tiefe D der Nut 55 klein gewählt ist, dann wird die Neigung von Slope₂ sanft. Wenn folglich die Beziehung von Gleichung (3) erfüllt wird, ist es möglich, die Amplitude Amp₂ der n-ten harmonischen Komponente der vom Rotor 54 erzeugten magnetomotorischen Kraft auf 0 herabzusenken. Das bedeutet, dies ist für eine harmonische Komponente der magnetomotorischen Kraft beliebiger Ordnungszahl möglich.
Da also bei dem Rotor 54 nach der vorliegenden Ausführungsform die harmonische Komponente der vom Rotor 54 erzeugten magnetomotorischen Kraft beliebiger Ordnungszahl eliminiert werden kann, ist es möglich, die harmonischen Komponenten derjenigen Ordnungszahlen zu eliminieren, welche harmonische Eisenverluste verursachen, wodurch die harmonischen Eisenverluste vermindert und der Wirkungsgrad verbessert werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist weiter in der äußeren Umfangsfläche jedes Rotorkernsegments die Nut 55 vorgesehen, welche radial nach einwärts ausgenommen ist und das Rotorkernsegment in Axialrichtung mit Bezug auf die Drehachse durchdringt. Anstelle der Nut 55 ist es jedoch auch möglich, wie für einen Rotorkern 62 in 10 gezeigt, einen Vorsprung an der äußeren Umfangsfläche des Rotorkernsegments vorzusehen, der radial nach außen ragt und sich über die Axialrichtung mit Bezug auf die Drehachse erstreckt.
Fernerhin ist bei den oben beschriebenen ersten bis dritten Ausführungsformen in jedem Rotorkernsegment, welches einem Magnetpol entspricht, ein Paar von Permanentmagneten angeordnet. Bei einem Aufbau, bei welchem nur ein Permanentmagnet vorgesehen ist, ist es jedoch auch möglich, gleiche vorteilhafte Wirkungen zu erzielen, wie bei den obigen Ausführungsformen.
Bezugszeichenliste

10, 30: rotierende elektrische Maschine
11: umlaufende Welle
12, 12-1, 12-2, 32-1, 32-2, 42, 52, 62: Rotorkern
12a, 32a: Durchgangsöffnung
13, 33, 33-1, 33-2: Permanentmagnet
14, 34, 44, 54: Rotor
16: Statorwicklung
17: Statorkern
18: Stator
45, 55: Nut
66: Vorsprung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2001-54271 [0004]

Claims

Rotor einer rotierenden elektrischen Maschine, wobei der Rotor einen ringförmigen Rotorkern und eine Anzahl von Permanentmagneten enthält, welche in den Rotorkern eingebettet sind, wobei eine Anzahl von Magnetpolen in der Nachbarschaft eines Außenumfangs des Rotorkerns durch die Permanentmagnete gebildet ist, die Magnetpole in einer Umfangsrichtung des Rotorkerns in vorbestimmten Abständen angeordnet sind, so dass ihre Polaritäten sich in der Umfangsrichtung zwischen einem Nordpol und einem Südpol abwechseln, eine Wellenform einer durch den Rotor erzeugten magnetomotorischen Kraft aus einer Anzahl von Abschnitten besteht, welche jeweils den Magnetpolen entsprechen, bei Blickrichtung längs einer Axialrichtung des Rotorkerns die Abschnitte der Wellenform entweder radial nach außen von einer 0-Bezugslinie vorstehen, welche durch eine äußere Umfangsfläche des Rotorkerns definiert ist, oder radial nach einwärts von der 0-Bezugslinie weg ausgenommen sind, unter den Abschnitten der Wellenform diejenigen Abschnitte, welche radial nach außen vorstehen, in Umfangsrichtung des Rotorkerns sich abwechselnd mit denjenigen Abschnitten vorgesehen sind, welche radial nach einwärts ausgenommen sind, jeder der Abschnitte der Wellenform zwei schräg verlaufende Linien, welche jeweils von der 0-Bezugslinie schräg relativ zu einer Radialrichtung des Rotorkerns verlaufen, und eine Verbindungslinie enthält, welche die beiden schräg verlaufenden Linien in der Umfangsrichtung des Rotorkerns verbindet, und bei Darstellung einer umfangsmäßigen Breite der Verbindungslinie durch 2π·Duty, einer umfangsfmäßigen Breite der schräg verlaufenden Linien durch 2π·Slope, einer radialen Höhe der schräg verlaufenden Linien durch B, der Ordnungszahl einer harmonischen Komponente der magnetomotorischen Kraft durch n und einer Amplitude der n-ten harmonischen Komponente durch Amp₁ die folgende Beziehung erfüllt ist: Slope = k/n (worin k eine beliebige natürliche Zahl ist), die Amplitude der n-ten harmonischen Komponente durch die folgende Gleichung (1) bestimmt ist:
Rotor einer rotierenden elektrischen Maschine, wobei der Rotor einen ringförmigen Rotorkern und eine Anzahl von Permanentmagneten enthält, welche in dem Rotorkern eingebettet sind, wobei eine Anzahl von Magnetpolen in der Nachbarschaft eines Außenumfangs des Rotorkerns durch die Permanentmagnete gebildet wird, die Magnetpole in einer Umfangsrichtung des Rotorkerns in vorbestimmten Abständen so angeordnet sind, dass sich ihre Polaritäten zwischen einem Nordpol und einem Südpol in Umfangsrichtung abwechseln, eine Wellenform einer magnetomotorischen Kraft, welche durch den Rotor erzeugt wird, aus einer Anzahl von Abschnitten besteht, welche jeweils den Magnetpolen entsprechen, bei Blickrichtung längs einer Axialrichtung des Rotorkerns die Abschnitte der Wellenform von einer 0-Bezugslinie aus, welche durch eine äußere Umfangsfläche des Rotorkerns definiert ist, entweder radial nach außen vorstehen oder von der 0-Bezugslinie aus radial nach einwärts ausgenommen sind, unter den Abschnitten der Wellenform diejenigen Abschnitte, welche radial nach außen vorstehen, in Umfangsrichtung des Rotorkerns sich mit denjenigen Abschnitten abwechselnd angeordnet sind, welche radial nach einwärts ausgenommen sind, jeder der Abschnitte der Wellenform zwei schräg verlaufende Linien, die sich jeweils von der 0-Bezugslinie schräg relativ zu einer Radialrichtung des Rotorkerns erstrecken, sowie eine Verbindungslinie enthält, welche die zwei schräg verlaufenden Linien in Umfangsrichtung des Rotorkerns verbindet, und bei Darstellung einer umfangsmäßigen Breite der Verbindungslinie durch 2π·Duty, einer umfangsmäßigen Breite der schräg verlaufenden Linien durch 2π·Slope, einer radialen Höhe der schräg verlaufenden Linien durch B, der Ordnungszahl einer harmonischen Komponente der magnetomotorischen Kraft durch n und einer Amplitude der n-ten harmonischen Komponente durch Amp₁ die folgende Beziehung erfüllt ist: Duty + Slope = k/n (worin k eine beliebige natürliche Zahl ist), die Amplitude der n-ten harmonischen Komponente durch die folgende Gleichung (1) bestimmt ist:
Rotor der rotierenden elektrischen Maschine nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der Rotorkern aus einer Anzahl von Segmenten besteht, welche jeweils den Magnetpolen entsprechen, und in einer äußeren Umfangsfläche jedes Segments des Rotorkerns entweder eine Anzahl von Nuten, welche radial nach einwärts ausgenommen sind und sich in Axialrichtung mit Bezug auf die Drehachse erstrecken, oder eine Anzahl von Vorsprüngen vorgesehen sind, die radial nach auswärts vorstehen und sich in der Axialrichtung mit Bezug auf die Drehachse erstrecken.
Rotor der rotierenden elektrischen Maschine nach Anspruch 3, bei welchem in jedem Segment des Rotorkerns die Nuten oder Vorsprünge innerhalb eines Umfangsbereichs angeordnet sind, in welchem die Permanentmagnete vorhanden sind, und an solchen Positionen angeordnet sind, dass bei Blickrichtung längs der Axialrichtung des Rotorkerns sie symmetrisch mit Bezug auf eine Umfangsmittellinie des entsprechenden Magnetpols sind, der durch die Permanentmagnete gebildet ist.
Rotor der rotierenden elektrischen Maschine nach Anspruch 4, bei welchem in jedem Segment des Rotorkerns jede der Nuten oder jeder der Vorsprünge in einer bestimmten Breite von dem äußeren Ende des umfangsmäßigen Bereichs, in welchem die Permanentmagnete existieren, zu der Innenseite des Bereichs gebildet sind.
Rotor einer rotierenden elektrischen Maschine, wobei der Rotor einen ringförmigen Rotorkern und eine Anzahl von Permanentmagnete aufweist, die in den Rotorkern eingebettet sind, wobei eine Anzahl von Magnetpolen in der Nachbarschaft eines Außenumfangs des Rotorkerns durch die Permanentmagneten gebildet ist, die Magnetpole in einer Umfangsrichtung des Rotorkerns in vorbestimmten Abständen so angeordnet sind, dass sich ihre Polaritäten in Umfangsrichtung zwischen einem Nordpol und einem Südpol abwechseln, in einer äußeren Umfangsfläche des Rotorkerns an einer umfangsmäßigen Mitte jedes der Magnetpole entweder eine Nut, welche radial nach einwärts ausgenommen ist und sich in Axialrichtung mit Bezug auf die Drehachse erstreckt, oder ein Vorsprung vorgesehen ist, der radial nach außen vorsteht und sich in Axialrichtung mit Bezug auf die Drehachse erstreckt, eine Wellenform einer magnetomotorischen Kraft, welche durch den Rotor erzeugt wird, aus einer Anzahl von Abschnitten besteht, welche jeweils den Magnetpolen entsprechen, bei Blickrichtung längs einer Axialrichtung des Rotorkerns die Abschnitte der Wellenform entweder radial nach außen von einer 0-Bezugslinie, welche durch die äußere Umfangsfläche des Rotorkerns definiert ist, vorstehen oder von der 0-Bezugslinie aus radial nach einwärts ausgenommen sind, unter den Abschnitten der Wellenform diejenigen Abschnitte, welche radial nach außen vorstehen, sich in der Umfangsrichtung des Rotorkerns mit denjenigen Abschnitten abwechseln, welche radial nach einwärts ausgenommen sind, jeder der Abschnitte der Wellenform zwei erste schräg verlaufende Linien, welche sich jeweils von der 0-Bezugslinie aus schräg mit Bezug auf eine Radialrichtung des Rotorkerns erstrecken, sowie eine erste Verbindungslinie enthält, welche die ersten schräg verlaufenden Linien in Umfangsrichtung des Rotorkerns verbindet, die erste Verbindungslinie zwei zweite schräg verlaufende Linien enthält, welche jeweils schräg mit Bezug auf eine Radialrichtung des Rotorkerns verlaufen, sowie eine zweite Verbindungslinie, welche die zweiten schräg verlaufenden Linien in der Umfangsrichtung des Rotorkerns verbindet, und bei Darstellung einer umfangsmäßigen Breite der ersten Verbindungslinie durch 2π·Duty₁, einer umfangsmäßigen Breite der ersten schräg verlaufenden Linien durch 2π·Slope₁, einer radialen Höhe der ersten schräg verlaufenden Linien durch B₁, einer umfangsmäßigen Breite der zweiten Verbindungslinie durch 2π·Duty₂, einer umfangsmäßigen Breite der zweiten schräg verlaufenden Linien durch 2π·Slope₂, einer radialen Höhe der zweiten schräg verlaufenden Linien durch B₂, der Ordnungszahl einer harmonischen Komponente der magnetomotorischen Kraft durch n und einer Amplitude der n-ten harmonischen Komponente durch Amp₂, welche durch die folgende Gleichung (2) erfüllt ist, B₂ die folgende Gleichung (3) erfüllt: