DE112014006430T5

DE112014006430T5 - Synchron-Reluktanzmotor

Info

Publication number: DE112014006430T5
Application number: DE112014006430.0T
Authority: DE
Inventors: Kazumasa Ito; Shinichi Yamaguchi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-03-05
Filing date: 2014-09-24
Publication date: 2016-12-08
Anticipated expiration: 2034-09-25
Also published as: CN106063094B; JP5866074B1; KR101819848B1; TW201535937A; US9825515B2; KR20160117569A; WO2015132991A1; DE112014006430B4; JPWO2015132991A1; TWI538356B; CN106063094A; US20160329787A1

Abstract

Es wird ein Synchron-Reluktanzmotor angegeben, bei welchem die Effizienz verbessert werden kann. Ein Rotorkern (7) hat so viele Fluss-Barrieren in Umfangsrichtung wie die Polzahl, wobei die Fluss-Barrieren durch alternierenede Nebeneinanderreihung von einem oder mehreren Schlitzen (11) und Kernschichten (10) in Radialrichtung gebildet werden. Die Rotation des Synchron-Reluktanzmotors wird durch eine Energie-Beaufschlagung der Wicklung mit einem Strom einer Phase gesteuert, welche ein Verhältnis k zwischen der Gesamtsumme der Breiten der Schlitze (11) in Radialrichtung auf der q-Achse und der Länge des magnetischen Spalts hat, und welche einen Voreilwinkel β von der d-Achse hat. Unter den Kernschichten (10) ist die Breite der Kernschicht in Radialrichtung auf der q-Achse, die sich an einer Position befindet, die in Umfangsrichtung am nächsten zu einem Punkt P liegt, bei welchem sich die äußere Peripherie des Rotors (9) und die gerade Linie schneiden, die durch die Rotormitte geht und unter einem Winkel ψ = arctan(tan β/(1 + 0,2k)) von der d-Achse gezeichnet wird, größer als die Breite der anderen Kernschichten (10) auf der q-Achse in Radialrichtung.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Synchron-Reluktanzmotor, der auf ein Reluktanzmoment angewiesen ist und der in Fabriken, Klimaanlagen, Automobilen und dergleichen verwendet wird. Sie betrifft insbesondere die Konfiguration eines Synchron-Reluktanzmotors.
Stand der Technik
Synchron-Reluktanzmotoren sind Motoren, in welchen ein Drehmoment durch Nutzung einer Konfiguration erzeugt wird, bei welcher die Magnetoresistenz in Rotationsrichtung des Rotors variiert, und zwar durch die Ausbildung von schlitzartigen Fluss-Barrieren im Rotorkern. Im Vergleich zu Induktionsmotoren (Induktionsmaschinen), haben Synchron-Reluktanzmotoren den Vorteil, dass z. B. keine sekundären Kupferverluste im Rotor auftreten. Auf die Verwendung von Synchron-Reluktanzmotoren in Fabriken, Klimaanlagen, Automobilen und dergleichen ist man deshalb aufmerksam geworden.
Es wird jedoch gewöhnlicherweise davon ausgegangen, dass Synchron-Reluktanzmotoren schlechte Leistungsfaktoren haben und dass weitere Verbesserungen in dieser Hinsicht nötig sind, damit sie bei den obigen Anwendungszwecken verwendet werden können. Das Ausgangsmoment eines Synchron-Reluktanzmotors, das als Reluktanzmoment T bezeichnet wird, kann gemäß der nachstehenden Gleichung (1) ausgedrückt werden, wobei das Erzeugungsprinzip die oben erwähnte Differenz der Magnetoresistenz in Rotationsrichtung des Rotors ist. T = Pn(Ld – Lq)idiq (1)
Im Ausdruck (1) ist Pn die Anzahl von Polpaaren, Ld und Lq sind die d-Achsen-Induktivität bzw. die q-Achsen-Induktivität, und id und iq sind der d-Achsenstrom bzw. der q-Achsenstrom.
Der Ausdruck (1) zeigt, dass ein Erhöhen der Differenz Ld – Lq zwischen der d-Achsen-Induktivität und der q-Achsen-Induktivität wirksam ist im Hinblick auf eine Vergrößerung der Effizienz, indem das Drehmoment pro Strom im der Synchron-Reluktanzmotor erhöht wird.
Wie bekannt, genügt es außerdem, das Verhältnis Ld/Lq zwischen der d-Achsen-Induktivität und der q-Achsen-Induktivität zu erhöhen, um einen Anstieg des Leistungsfaktors von Synchron-Reluktanzmotoren zu erzielen. Der Wert des Verhältnisses Ld/Lq der d-Achsen-Induktivität und der q-Achsen-Induktivität wird allgemein als das Schenkelpolverhältnis bezeichnet.
Um die Differenz zwischen Ld – Lq zwischen der d-Achsen-Induktivität und der q-Achsen-Induktivität oder das Schenkelpolverhältnis Ld/Lq in einem Synchron-Reluktanzmotor zu erhöhen, wurden daher Konfigurationen verwendet, bei welchen eine Mehrzahl von Schichten von Schlitzen, die als Fluss-Barrieren bezeichnet werden, in einem Rotorkern vorgesehen ist, so dass im Ergebnis d-Achsen-Magnetpfade ausgebildet werden, durch welche der magnetische Fluss leicht in einer Richtung entlang der Mehrzahl von Schichten von Schlitzen fließt, während die Magnetoresistenz in den q-Achsen-Magnetpfaden erhöht wird, welche die Mehrzahl von Schichten von Schlitzen kreuzen.
Außerdem wurden Technologien inklusive der folgenden vorgeschlagen, welche auf der obigen Fluss-Barrierenstruktur als einer Basisstruktur beruhen, um das Drehmoment zu erhöhen und die Effizienz zu verbessern.
Unter der Annahme, dass der Stator so gesteuert wird, dass der magnetische Fluss, der von dem Stator in den Rotor fließt, in Richtung der Rotormitte fließt, wurde z. B. ein Synchron-Reluktanzmotor vorgeschlagen, bei welchem in einem Rotorkern, der durch Stapeln von Kernblechen in Rotor-Axialrichtung erhalten wird, in welchen Kernschichten (Streifen) angeordnet sind, so dass sie sich in Richtung der Mitte auswölben, die Breite der Kernschichten in Radialrichtung so eingestellt ist, dass sie in den zentralen Kernschichten des Rotors breiter ist als in den äußeren Kernschichten des Rotors, und die Breite der Schlitze in Radialrichtung so eingestellt ist, dass sie in den zentralen Schlitzen des Rotors breiter ist als in den äußeren Schlitzen des Rotors oder zwischen diesen gleich groß ist (siehe z. B. PTL 1, insbesondere die Absätze [0002] bis [0017], 2).
In diesem Synchron-Reluktanzmotor sind die Kernschichten so eingestellt, dass sie an der Rotorseite dicker sind, wo sich der magnetische Fluss konzentriert, der von dem Stator aus fließt, und das Drehmoment des Motors kann daher verbessert werden, ohne dass eine magnetische Sättigung auftritt.
Ein weiterer Synchron-Reluktanzmotor ist beispielsweise vorgeschlagen worden, bei welchem die Drehmoment-Welligkeit verringert werden kann, indem die Breiten der Mehrzahl von Kernschichten (geteilten Magnetpfaden), welche eine Fluss-Barrier (einen Satz von Magnetpfaden) bilden, schmaler an dem Mittelseitenbereich und an dem äußersten Bereich eingestellt werden und breiter am Mittelbereich innerhalb jener Fluss-Barrierengruppe eingestellt werden (siehe z. B. PTL 2, insbesondere Absatz [0021], 4).
Literaturverzeichnis
Patentliteratur

PTL 1: Japanische Patentanmeldungs-Veröffentlichung JP H11-127 560 A
PTL 2: Japanische Patentanmeldungs-Veröffentlichung JP 2004-096 808 A

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Bei den herkömmlichen Technologien ergeben sich jedoch einige dahingehende Probleme, die noch gelöst werden müssen, inklusive dem folgenden.
Der Synchron-Reluktanzmotor gemäß der PTL1 beruht darauf, dass der Stator so gesteuert wird, dass, je näher sich eine Kernschicht an der Mitte des Rotors befindet, desto größer der magnetische Fluss ist. PTL 1 widmet sich jedoch nicht den spezifischen Steuerungsbedingungen oder offenbart solche, welche angemessen sind, um die Effizienz zu erhöhen, indem das Drehmoment vergrößert wird; Probleme hinsichtlich der Steuerungsbedingungen zum Erhöhen der Effizienz sind daher ungelöst geblieben.
Der Synchron-Reluktanzmotor gemäß der PTL2 ermöglicht eine Verringerung der Drehmoment-Welligkeit, aber da der Größe von deren durchschnittlichem Ausgangsmoment oder der Effizienz keine Beachtung geschenkt wird, sind Probleme hinsichtlich von Konfigurationen für eine weitere Verbesserung der Effizienz ungelöst geblieben.
In Anbetracht der obigen Probleme ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Synchron-Reluktanzmotor anzugeben, der es ermöglicht, dass die Effizienz erhöht wird.
Lösung des Problems
Der Synchron-Reluktanzmotor gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Synchron-Reluktanzmotor, welcher mit einem Rotor versehen ist, der so konfiguriert ist, dass ein Rotorkern an einer Welle befestigt ist, und welcher mit einem Stator versehen ist, der eine Wicklung hat, wobei der Rotor und der Stator über einen magnetischen Spalt hinweg relativ zueinander drehbar angeordnet sind, wobei der Rotorkern so viele Fluss-Barrieren in Umfangsrichtung hat wie die Polzahl, wobei die Fluss-Barrieren durch alternierenede Nebeneinanderreihung von einem oder mehreren Schlitzen und Kernschichten in Radialrichtung gebildet werden; wobei die Rotation des Synchron-Reluktanzmotors durch eine Energie-Beaufschlagung der Wicklung mit einem Strom einer Phase gesteuert wird, welche ein Verhältnis k zwischen der Gesamtsumme der Breiten der Schlitze in Radialrichtung auf der q-Achse und der Länge des magnetischen Spalts hat, und welche einen Voreilwinkel β von der d-Achse hat; und wobei unter den Kernschichten die Breite der Kernschicht in Radialrichtung auf der q-Achse, die sich an einer Position befindet, die in Umfangsrichtung am nächsten zu einem Punkt P liegt, bei welchem sich die äußere Peripherie des Rotors und eine gerade Linie schneiden, die durch die Rotormitte geht und unter einem Winkel ψ = arctan(tan β/(1 + 0,2k)) von der d-Achse gezeichnet wird, größer ist als die Breite der anderen Kernschichten auf der q-Achse in Radialrichtung ist.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Bei dem Synchron-Reluktanzmotor gemäß der vorliegenden Erfindung gilt Folgendes: Die Breite der Kernschicht in Radialrichtung auf der q-Achse, die sich an der nächsten Position in Umfangsrichtung zu dem Punkt P befindet, bei welchem sich die äußere Peripherie des Rotors und eine gerade Linie schneiden, die unter einem Winkel ψ von der d-Achse gezeichnet wird und die durch die Rotormitte geht, ist größer als die Breite der anderen Kernschichten auf der q-Achse in Radialrichtung.
Im Ergebnis ist die Kernschicht, die sich an einer Position befindet, wo der magnetische Fluss, der in den Rotor von dem Stator aus fließt, maximal ist, so eingestellt, dass sie dick ist. Die magnetische Sättigung dieser Kernschicht wird vermieden, so dass die d-Achsen-Induktivität vergrößert werden kann und ein großes Moment erzeugt werden kann.
Es wird daher möglich, die Effizienz des Synchron-Reluktanzmotors zu erhöhen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Konfigurations-Diagramm, das ein System veranschaulicht, bei welchem ein Synchron-Reluktanzmotor gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
2 ist ein Querschnitts-Diagramm, das den Synchron-Reluktanzmotor gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, und zwar im Schnitt entlang der Axialrichtung.
3 ist ein Querschnitts-Diagramm des Synchron-Reluktanzmotors gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung, und zwar im Schnitt entlang der Linie A-A in 2.
4 ist ein Querschnitts-Diagramm des Synchron-Reluktanzmotors gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung, und zwar mit entferntem Rotor.
5 ist ein Blockdiagramm, das eine Steuerungseinrichtung veranschaulicht, welche den Synchron-Reluktanzmotor gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung antreibt und steuert.
6 ist ein weiteres Blockdiagramm, das eine Steuerungseinrichtung veranschaulicht, welche den Synchron-Reluktanzmotor gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung antreibt und steuert.
7 ist ein erläuterndes Diagramm, das die Vektoren der Spannung, des Stroms und des magnetischen Flusses in dem Synchron-Reluktanzmotor gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
8 ist ein erläuterndes Diagramm, das das Verhältnis zwischen dem Schenkelpolverhältnis und einem Verhältnis der Gesamt-Schlitzbreite in Bezug auf die Breite des magnetischen Spalts veranschaulicht, und zwar bei dem Synchron-Reluktanzmotor gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
9 ist ein erläuterndes Diagramm, das die Breite der Schitze in Radialrichtung auf der q-Achse veranschaulicht, und zwar in dem Rotor des Synchron-Reluktanzmotors gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
10 ist ein schematisches Diagramm, das die Verteilung der magnetischen Flussdichte an einer Spaltfläche in dem Synchron-Reluktanzmotor gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
11 ist ein erläuterndes Diagramm, das das Verhältnis zwischen der Effizienz und einem Verhältnis der Gesamt-Schlitzbreite in Bezug auf die Breite des magnetischen Spalts veranschaulicht, und zwar in einem Synchron-Reluktanzmotor gemäß den Ausführungsformen 2 und 3 der vorliegenden Erfindung.
12 ist ein erläuterndes Diagramm, das das Ausgangsmoment in Bezug auf eine Stromführungs-Phase während der Energie-Beaufschlagung mit konstantem Strom veranschaulicht, und zwar bei einem Synchron-Reluktanzmotor gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung.
13 ist ein erläuterndes Diagramm, das das Verhältnis zwischen einem Winkel ψ in einem Fall, in welchem eine Stromführungs-Phase 45° beträgt, und einem Verhältnis der Gesamt-Schlitzbreite in Bezug auf die Breite des magnetischen Spalts veranschaulicht, und zwar in dem Synchron-Reluktanzmotor gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung.
14 ist ein erläuterndes Diagramm, das das Verhältnis zwischen dem Leistungsfaktor und der Stromführungs-Phase in einem Synchron-Reluktanzmotor gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
15 ist ein erläuterndes Diagramm, das das Verhältnis zwischen einer Stromführungs-Phase, bei welcher der Maximalwert des Leistungsfaktors in 14 vorliegt, und einem Verhältnis der Gesamt-Schlitzbreite in Bezug auf die Breite des magnetischen Spalts veranschaulicht.
16 ist ein erläuterndes Diagramm, das das Verhältnis zwischen dem Winkel ψ in einem Fall, in welchem eine Stromführungs-Phase den in 15 dargestellten Wert hat, und einem Verhältnis der Gesamt-Schlitzbreite in Bezug auf die Breite des magnetischen Spalts veranschaulicht, und zwar in dem Synchron-Reluktanzmotor gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung.
17 ist ein erläuterndes Diagramm, das das Verhältnis zwischen einer Stromführungs-Phase und einem Verhältnis der Gesamt-Schlitzbreite in Bezug auf die Breite des magnetischen Spalts veranschaulicht, und zwar in dem Synchron-Reluktanzmotor gemäß Ausführungsform 6 der vorliegenden Erfindung.
18 ist ein Diagramm des Rotors eines Synchron-Reluktanzmotors gemäß Ausführungsform 7 der vorliegenden Erfindung in Perspektivdarstellung.
19 ist ein erläuterndes Diagramm, das die Rollrichtung von Rotorkern-Anordnungenen in einem Synchron-Reluktanzmotor gemäß Ausführungsform 8 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
20 ist ein erläuterndes Diagramm, das ein Beispiel von Positionen der Bildung von Quetschverbindungen von Rotorkernblechen in einem Synchron-Reluktanzmotor gemäß Ausführungsform 9 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
21 ist ein weiteres erläuterndes Diagramm, das ein Beispiel von Positionen der Bildung von Quetschverbindungen von Rotorkernblechen in dem Synchron-Reluktanzmotor gemäß Ausführungsform 9 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
22 ist ein Querschnitts-Diagramm, das den Rotor eines Synchron-Reluktanzmotors gemäß Ausführungsform 11 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Beschreibung der Ausführungsformen
Bevorzugte Ausführungsformen des Synchron-Reluktanzmotors gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Bei der Erläuterung sind identische oder korrespondierende Teile in den Zeichnungen mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Ausführungsform 1
1 ist ein Konfigurations-Diagramm, das ein System veranschaulicht, bei welchem ein Synchron-Reluktanzmotor 1 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung verwendet wird. In 1 ist ein Synchron-Reluktanzmotor 1 eine elektrische Maschine, die an eine Steuerungseinrichtung 2 über eine Energiequellen-Versorgungsleitung 3 angeschlossen ist und welche elektrische Energie, die von der Steuerungseinrichtung 2 zugeführt wird, in mechanische Energie umwandelt.
2 ist ein Querschnitts-Diagramm, das den Synchron-Reluktanzmotor 1 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, und zwar im Schnitt entlang der Axialrichtung. In 2 sind ein Stator 6 und ein Rotor 9, die in einen Rahmen 15 eingesetzt und dort befestigt sind, und zwar gemäß einem Verfahren, wie z. B. Presspassen oder einer Schrumpfverbindung, relativ zueinander drehbar über einen mechanischen Freiraum hinweg (über einen magnetischen Spalt hinweg) unter Verwendung von Lagern 14 angeordnet.
Der Stator 6 ist so konfiguriert, dass eine Wicklung 5 an einem Statorkern 4 vorgesehen wird, welcher aus einem Eisenkern gebildet ist. Ein magnetisches Rotationsfeld wird in dem magnetischen Spalt durch die Anwendung von elektrischer Energie erzeugt, die von der Steuerungseinrichtung 2 an die Wicklung 5 zugeführt wird. Der Rotor 9 wird durch Einführen einer Welle 8 durch Presspassen oder eine Schrumpfverbindung in die Mitte eines Rotorkerns 7 integriert, der aus einem Eisenkern gebildet ist.
3 ist ein Querschnitts-Diagramm des Synchron-Reluktanzmotors 1 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung, und zwar im Schnitt entlang der Linie A-A in 2. In 3 sind der Stator 6 und der Rotor 9 im Wesentlichen konzentrisch angeordnet, wobei ein Abstand g in Radialrichtung (die Spaltlänge), der ein mechanischer Freiraum ist, dazwischen besteht.
4 ist ein Querschnitts-Diagramm, das den Synchron-Reluktanzmotor 1 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, wobei der Rotor 9 (ein Rotorteil in 3) entfernt ist. In 4 sind vier Fluss-Barrieren 12 mit identischer Form in dem Rotorkern 7 ausgebildet, und zwar im Wesentlichen äquidistant in Umfangsrichtung. Daher ist der Synchron-Reluktanzmotor 1 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung so konfiguriert, dass er als Vierpolmotor betreibbar ist.
In jeder der Fluss-Barrieren 12 sind fünf Schlitze 11 (11a bis 11e), die aus einem Material gebildet sind, das verschieden ist von dem Eisenkern, der den Rotorkern 7 bildet, unter Ausbildung von Reihen in der Radialrichtung aufgereiht, wobei der verbleibende Eisenkern-Teil Kernschichten 10a bis 10f bildet. Die Anzahl von Schlitzen 11 ist nicht auf fünf beschränkt, und sie kann auch eine andere Zahl sein.
Hierbei ist einer der Schlitze 11 so ausgebildet, dass zumindest dessen Breite in Radialrichtung auf der q-Achse am größten ist. Bevorzugterweise behalten die Schlitze 11 die gleiche Breite von dem einen Ende zu dem anderen Ende in Längsrichtung bei. In manchen Fällen kann jedoch die gleiche Breite in der äußersten Peripherie des Rotors 9 nicht beibehalten werden, wie z. B. in dem Fall des Schlitzes 11e. Die Enden der Schltize 11 können so abgefast sein, dass sie bogenförmig sind, und solch eine Abfasung ist zulässig.
In dem Querschnitt des Rotorkerns 7 in 4 ist die d-Achse als eine Richtung definiert, in welcher der magnetische Fluss leicht fließt, und die q-Achse ist als eine Richtung definiert, in welcher der magnetische Fluss nicht leicht fließt. Die d-Achse und die q-Achse bilden eine elektrische Phasendifferenz von 90°. Ein Schnitt P wird hier zwischen der äußeren Peripherie des Rotors 9 und einer geraden Linie definiert, die durch die Rotormitte O geht und elektrisch um einen Winkel ψ in Bezug auf die d-Achse gedreht ist. Die Breite der Kernschicht 10b in Radialrichtung auf der q-Achse, die an der nächsten Position zu dem Schnitt P entlang der Umfangsrichtung ausgebildet ist, ist so geformt, dass sie dicker ist als die Breite in Radialrichtung der anderen Kernschichten 10 auf der q-Achse.
Der Winkel ψ wird als nächstes beschrieben. Im Synchron-Reluktanzmotor 1 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung wird, wie oben beschrieben, der Strom, der durch die Wicklung 5 des Stators 6 fließt, durch die Steuerungseinrichtung 2 gesteuert, die in 1 dargestellt ist.
5 ist ein Blockdiagramm, das eine Steuerungseinrichtung 2 veranschaulicht, welche den Synchron-Reluktanzmotor 1 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung antreibt und steuert. 6 ist ein weiteres Blockdiagramm, das die Steuerungseinrichtung 2 veranschaulicht, welche den Synchron-Reluktanzmotor 1 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung antreibt und steuert. 5 und 6 sind Blockdiagramme der sogenannten Vektorsteuerung.
In 5 überträgt ein Rotations-Positionsdetektor 20, der mit dem Synchron-Reluktanzmotor 1 verbunden ist und der die Rotationsposition des Rotors 9 detektiert, eine Rotationsposition θ an die Steuerungseinrichtung 2. Der Rotations-Positionsdetektor 20 kann durch einen Rotations-Positionsschätzer 26 ersetzt werden, der innerhalb der Steuerungseinrichtung 2 angeordnet ist, wie in 6 dargestellt.
Die Verwendung des Rotations-Positionsdetektors 20 ist dahingehend vorteilhaft, dass die Position des Rotors mit hoher Präzision detektiert wird. Eine Verwendung des Rotations-Positionsschätzers 26 ist wiederum dahingehend vorteilhaft, obwohl die Detektionsgenauigkeit schlechter ist als in dem Fall des Rotations-Positionsdetektors 20, dass die Anzahl von benötigten Teilen kleiner ist, was ökonomische Vorteile ergibt. Ein geeigneter Synchron-Reluktanzmotor 1 kann so erhalten werden, indem das Vorstehende gemäß dem beabsichtigten Verwendungszweck ausgewählt wird.
Um den Synchron-Reluktanzmotor 1 zu steuern, wird der Strom auf der Basis von Strombefehlen id* und iq* gesteuert, die intern oder von außerhalb der Steuerungseinrichtung 2 abgesetzt werden. Genauer gesagt: Es werden zunächst die Werte von drei Phasenströmen iu, iv und iw eingegeben, die von einem Stromdetektor 25 erhalten werden, und zwar zusammen mit der Rotationsposition θ an einen Dreiphasen-Zweiphasen-Umsetzer 24.
Danach werden zwei Phasenströme id und iq als die Ausgabe des Dreiphasen-Zweiphasen-Umsetzers 24 eingegeben, und zwar als Rückführungsinformation an einen Stromregler 21. Spannungsbefehle Vd* und Vq* werden als nächstes auf der Basis der zwei Phasenströme id und iq und der Strombefehle id* und iq* gemäß einem Verfahren, wie z. B. einer PID-Regelung in dem Stromregler 21 berechnet, und die berechneten Spannungsbefehle Vd* und Vq* werden ausgegeben.
Die ausgegebenen Spannungsbefehle Vd* und Vq* werden zusammen mit der Rotationsposition θ in einen Zweiphasen-Dreiphasen-Umsetzer 22 eingegeben, und Spannungsbefehle Vu*, Vv* und Vw* für die drei Phasen werden berechnet und ausgegeben. Die Spannungsbefehle Vu*, Vv* und Vw* für die drei Phasen werden in einen Leistungsumsetzer 23 eingegeben, welcher die Leistung ausgibt, die dem Synchron-Reluktanzmotor 1 zugeführt werden soll. Es wird folglich eine solche Steuerung durchgeführt, dass die Differenz zwischen den zwei Phasenströmen id und iq und den Strombefehlen id* und iq* verringert wird.
Die Spannung, die an den Synchron-Reluktanzmotor 1 angelegt wird, und der Strom, der durch diese zum Fließen veranlasst wird, wird nachfolgend auf der Basis eines Vektordiagramms erläutert. 7 ist ein erläuterndes Diagramm, das die Vektoren der Spannung, des Stroms und des magnetischen Flusses in dem Synchron-Reluktanzmotor 1 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Wenn der Fluss der zwei Phasenströme id und iq von der Steuerungseinrichtung 2 veranlasst wird, dann werden die magnetischen Flüsse Ld·id und Lq·iq aufgrund der Anwesenheit der d-Achsen-Induktivität Ld und der q-Achsen-Induktivität Lq in dem Motor erzeugt. Der magnetischer Fluss φ ist die Vektorsumme der vorangegangenen Flüsse in dem Synchron-Reluktanzmotor 1. Durch die Drehung des Synchron-Reluktanzmotors 1 wird eine induzierte Spannung E induziert, die elektrisch dem magnetischen Fluss φ um 90° vorauseilt.
Der Winkel, der von der d-Achse und dem Vektor eingeschlossen wird, welcher den magnetischen Fluss φ angibt, ist der Winkel ψ. Der Winkel ψ ist durch den Ausdruck (2) unten gegeben, unter Verwendung der magnetischen Flüsse Ld∙id und Lq∙iq. ψ = arctan(Lq∙iq/(Ld∙id)) (2)
Hierbei ist der Winkel β definiert als der Winkel, der von dem Strom id und dem Strom ia gebildet wird, welcher die Vektorsumme der zwei Phasenströme id und iq ist. Der Winkel β wird als Stromführungs-Phase (Voreilwinkel) bezeichnet. Die Ausdrücke (3) und (4), welche den Winkel β verwenden, sind unten angegeben. id = ia∙cosβ (3) iq = ia∙sinβ (4)
Der nachstehende Ausdruck (5) kann erhalten werden, indem die Ausdrücke (3) und (4) in den obenstehenden Ausdruck (2) eingesetzt werden. ψ = arctan(Lq/Ld∙tanβ) (5)
Ferner ist das Verhältnis der d-Achsen-Induktivität Ld zu der q-Achsen-Induktivität Lq als ein Schenkelpolverhältnis ζ definiert, wie in Ausdruck (6) angegeben, wobei k als das Verhältnis der Gesamtsumme der Breite der Schlitze 11 in Radialrichtung auf der q-Achse zu der Spaltlänge definiert ist. ζ = Ld/Lq (6)
Ein Verhältnis wie das gemäß 8, d. h. ein Verhältnis wie das gemäß Ausdruck (7) zwischen dem Schenkelpolverhältnis ζ und dem Verhältnis k kann durch elektromagnetische Feldanalyse unter Verwendung eines Finite-Elemente-Verfahrens hergeleitet werden. 8 ist ein erläuterndes Diagramm, das das Verhältnis zwischen dem Schenkelpolverhältnis ζ und dem Verhältnis k der Gesamt-Schlitzbreite in Bezug auf die Breite des magnetischen Spalts veranschaulicht, und zwar in dem Synchron-Reluktanzmotor 1 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung. ζ = 0,2k + 1 (7)
Der nachstehende Ausdruck (8) kann erhalten werden, indem die Ausdrücke (6) und (7) in den obenstehenden Ausdruck (5) eingesetzt werden. ψ = arctan(tanβ/(1 + 0,2k)) (8)
Wie unter Bezugnahme auf 9 ersichtlich, ist das Verhältnis k durch den nachstehenden Ausdruck (9) gegeben. 9 ist ein erläuterndes Diagramm, das die Breite (a bis e) der Schitze 11 in Radialrichtung auf der q-Achse veranschaulicht, und zwar für den Rotor 9 des Synchron-Reluktanzmotors 1 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung. k = (a + b + c + d + e)/g (9)
Im Ausdruck (9) bezeichnet g die Spaltlänge. Während 9 ein Beispiel zeigt, in welchem die Anzahl von Schlitzen 11 in den Fluss-Barrieren 12 fünf beträgt und daher das Verhältnis k durch den Ausdruck (9) gegeben ist, kann das Verhältnis k auch angegeben werden, indem der gleiche Ausdruck verwendet wird, selbst wenn die Anzahl von Schlitzen 11 verschieden von fünf ist, da das Verhältnis k in jedem Fall als das Verhältnis der Gesamtsumme der Breite der Schlitze 11 in Radialrichtung auf der q-Achse zu der Spaltlänge definiert ist, ungeachtet der Anzahl von Schlitzen 11.
10 ist ein schematisches Diagramm, das die Verteilung der magnetischen Flussdichte veranschaulicht, die an einer Spaltfläche erzeugt wird, d. h. das die Verteilung der magnetischen Flussdichte veranschaulicht, die in dem magnetischen Spalt induziert wird, und zwar bei dem Synchron-Reluktanzmotor 1 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
In 10 ist die magnetische Flussdichte im magnetischen Spalt im Wesentlichen sinusförmig verteilt, mit einem Scheitelwert, der von der d-Achse um den Winkel ψ verschoben ist. Es wurde folgendes Problem bemerkt: Da der Wert des magnetischen Flusses, der in den Kernschichten 10 fließt, das Integral der magnetischen Flussdichte ist, so ist der Wert des magnetischen Flusses, der in eine Position hineinfließt, die um einen Winkel ψ entfernt ist, größer als derjenige an anderen Positionen, woraufhin eine magnetische Sättigung auftritt und das Ausgangsmoment abnimmt.
Bei dem Synchron-Reluktanzmotor 1 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung gilt daher Folgendes: Bei der Definition des Schnittes P der äußeren Peripherie des Rotors 9 und einer geraden Linie, die durch die Rotormitte O geht und um den Winkel ψ von der d-Achse elektrisch gedreht ist, wird die Breite der Kernschicht 10b auf der q-Achse in Radialrichtung, die an der nächsten Position zu dem Schnitt P entlang der Umfangsrichtung gebildet ist, so ausgebildet, dass sie größer ist als die Breite der anderen Kernschichten 10 in Radialrichtung auf der q-Achse.
Hierbei ist der Winkel ψ ein Winkel, der durch den obigen Ausdruck (8) gegeben ist, und zwar auf der Basis der Stromführungs-Phase β und des Verhältnisses k der Gesamtbreite der Schlitze in Radialrichtung auf der q-Achse bezogen auf die Spaltlänge.
Bei solch einer Konfiguration ist die Breite der Kernschicht 10 in Radialrichtung an der Position, die der Position der Mitte am nächsten liegt, bei welcher der magnetische Fluss φ induziert wird, so ausgebildet, dass sie groß ist. Dies ermöglicht es, die Wirkung hervorzurufen, dass es möglich gemacht wird, eine Abnahme des Drehmoments infolge von magnetischer Sättigung zu verhindern, und dass eine bessere Effizienz als bei den herkömmlichen Beispielen erzielt wird.
Bei der Konfiguration gemäß der Ausführungsform 1 ist die Breite derjenigen Kernschicht 10 in Radialrichtung auf der q-Achse, die an der nächsten Position in Umfangsrichtung zu dem Punkt P liegt, bei welchem sich die äußere Peripherie des Rotors und eine gerade Linie schneiden, die unter einem Winkel ψ von der d-Achse gezogen wird und die durch die Rotormitte geht, größer als die Breite der anderen Kernschichten 10 in Radialrichtung auf der q-Achse.
Im Ergebnis ist die Kernschicht 10, die sich an einer Position befindet, wo der magnetische Fluss, der in den Rotor von dem Stator aus fließt, maximal ist, so eingestellt, dass sie dick ist. Die magnetische Sättigung dieser Kernschicht 10 wird vermieden. Im Ergebnis können die d-Achsen-Induktivität vergrößert werden und ein großes Moment erzeugt werden.
Es wird daher möglich, die Effizienz des Synchron-Reluktanzmotors zu erhöhen.
Ausführungsform 2
Das kennzeichnende Merkmal gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung ist zusätzlich zu demjenigen gemäß Ausführungsform 1, dass hier das Verhältnis der Gesamtbreite der Schlitze in Radialrichtung auf der q-Achse in Bezug auf die Spaltlänge auf einen Wert eingestellt ist, der niedriger ist als 67.
11 ist ein erläuterndes Diagramm, das das Verhältnis zwischen der Effizienz und dem Verhältnis k der Gesamt-Schlitzbreite in Bezug auf die Breite des magnetischen Spalts veranschaulicht, und zwar in einem Synchron-Reluktanzmotor 1 gemäß den Ausführungsformen 2 und 3 der vorliegenden Erfindung. 11 veranschaulicht einen Graphen, bei welchem das Verhältnis k der Gesamtbreite der Schlitze in Radialrichtung auf der q-Achse in Bezug auf die Spaltlänge auf der horizontalen Achse dargestellt ist, und bei welchem die Effizienz auf der vertikalen Achse dargestellt ist.
In 11 fällt die Effizienz in einem Bereich ab, in welchem das Verhältnis k der Gesamtbreite der Schlitze in Radialrichtung auf der q-Achse in Bezug auf die Spaltlänge höher ist als 67. Dies kann wie folgt erklärt werden. Wenn das Verhältnis k der Gesamtbreite der Schlitze in Radialrichtung auf der q-Achse in Bezug auf die Spaltlänge hoch ist, dann ist die Schlitzbreite im Rotorkern 7 groß, und die Kernschichten 10 sind demzufolge relativ schmal. Wenn die Kernschichten 10 schmaler werden, wird die magnetische Pfadbreite der Magnetpfade auf der d-Achse ebenfalls schmal, und es tritt im Ergebnis leicht eine magnetische Sättigung auf.
Bei einer Definition des Schnittes P der äußeren Peripherie des Rotors 9 und einer geraden Linie, die durch die Rotormitte O geht und um den Winkel ψ von der d-Achse elektrisch gedreht ist, wie bei der Ausführungsform 1 erläutert, gilt Folgendes: Es tritt eine magnetische Sättigung auf, das Drehmoment nimmt ab, und die Effizienz wird beeinträchtigt, wenn das Verhältnis k der Gesamtbreite der Schlitze in Radialrichtung auf der q-Achse in Bezug auf die Spaltlänge groß ist, und zwar bei Überschreitung von 67, selbst wenn die Breite der Kernschicht 10b in Radialrichtung auf der q-Achse, die an der nächsten Position zu dem Schnitt P entlang der Umfangsrichtung gebildet ist, so ausgebildet ist, dass sie größer ist als die Breite der anderen Kernschichten 10 in Radialrichtung auf der q-Achse.
Bevorzugt wird daher das Verhältnis k der Gesamtbreite der Schlitze in Radialrichtung auf der q-Achse in Bezug auf die Spaltlänge auf einem Wert kleiner als 67 gehalten. Wenn eine solche Konfiguration verwendet wird, wird es möglich, die magnetische Sättigung zu unterbinden und eine gute Effizienz zu erhalten.
Ausführungsform 3
Das kennzeichnende Merkmal gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung ist zusätzlich zu demjenigen gemäß Ausführungsform 1, dass hier das Verhältnis der Gesamtbreite der Schlitze in Radialrichtung auf der q-Achse in Bezug auf die Spaltlänge auf einen Wert eingestellt ist, der höher ist als 34.
In der oben beschriebenen 11 fällt die Effizienz in einem Bereich ab, in welchem das Verhältnis k der Gesamtbreite der Schlitze in Radialrichtung auf der q-Achse in Bezug auf die Spaltlänge niedriger ist als 34. Dies kann wie folgt erklärt werden. Wenn das Verhältnis k der Gesamtbreite der Schlitze in Radialrichtung auf der q-Achse in Bezug auf die Spaltlänge verringert wird, dann nimmt die Schlitzbreite im Rotorkern 7 ebenfalls ab, und die Wirkung, dass der Fluss des magnetischen Flusses der q-Achse verhindert wird, wird abgeschwächt. Mit anderen Worten: Die q-Achsen-Induktivität Lq nimmt zu, und das Drehmoment kann nicht angemessen ausgegeben werden.
Bei einer Definition des Schnittes P der äußeren Peripherie des Rotors 9 und einer geraden Linie, die durch die Rotormitte O geht und um den Winkel ψ von der d-Achse elektrisch gedreht ist, wie bei der Ausführungsform 1 erläutert, gilt Folgendes: Die q-Achsen-Induktivität Lq nimmt zu, das Drehmoment nimmt ab, und die Effizienz wird beeinträchtigt, wenn das Verhältnis k der Gesamtbreite der Schlitze in Radialrichtung auf der q-Achse in Bezug auf die Spaltlänge niedriger ist als 34, selbst wenn die Breite der Kernschicht 10b in Radialrichtung auf der q-Achse, die an der nächsten Position zu dem Schnitt P entlang der Umfangsrichtung gebildet ist, so ausgebildet ist, dass sie größer ist als die Breite der anderen Kernschichten 10 in Radialrichtung auf der q-Achse.
Daher sind vorzugsweise die Schlitze 11 auf eine solche Weise konfiguriert, dass das Verhältnis k der Gesamtbreite der Schlitze in Radialrichtung auf der q-Achse in Bezug auf die Spaltlänge einen Wert annimmt, der höher ist als 34. Solch eine Konfiguration ermöglicht es, dass die q-Achsen-Induktivität Lq verringert wird und eine gute Effizienz erhalten wird.
Die q-Achsen-Induktivität Lq kann verringert werden, während die magnetische Sättigung unterbunden wird und eine gute Effizienz erhalten wird, indem das Verhältnis k der Gesamtbreite der Schlitze in Radialrichtung auf der q-Achse in Bezug auf die Spaltlänge höher als 34 und niedriger als 67 eingestellt wird.
Ausführungsform 4
Bei der Ausführungsform 1 ist die Stromführungs-Phase β nicht detailliert beschrieben. Die Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung betrifft eine Erläuterung der Stromführungs-Phase β. Wie oben beschrieben, ist β der Winkel, der von dem Strom ia gebildet wird, welcher die Vektorsumme des d-Achsen-Stroms id und des q-Achsen-Stroms iq ist. Damit das Rotationsmoment ausgegeben wird, muss der Motor so arbeiten, dass die Stromführungs-Phase β in dem Bereich liegt, der durch den nachstehenden Ausdruck (10) angegeben ist. 0° < β < 90° (10).
PTL1 führt aus, dass „je näher die Kernschicht an der Mitte des Rotors liegt, desto größer der magnetische Fluss ist, der fließt.“ Demzufolge kann abgeschätzt werden, dass die Stromführungs-Phase β nahe bei 0° liegt. Bei der Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung gilt hingegen Folgendes: Die Stromführungs-Phase β wird bevorzugter auf im Wesentlichen 45° eingestellt, um das Drehmoment pro Strom zu maximieren.
Die Wirksamkeit dieses Ansatzes kann auf der Basis des Graphen aus Ausdruck (1) erklärt werden, der in 12 dargestellt ist. 12 ist ein erläuterndes Diagramm, das das Ausgangsmoment in Bezug auf eine Stromführungs-Phase β während der Energie-Beaufschlagung mit konstantem Strom veranschaulicht, und zwar bei dem Synchron-Reluktanzmotor 1 gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung. 12 zeigt die Art und Weise, auf welche das Ausgangsmoment in Bezug auf die Stromführungs-Phase β variiert. Wie 12 zeigt, nimmt das Drehmoment den Maximalwert bei einer Stromführungs-Phase β von 45° an. Es kann daher eine dahingehende Wirkung hervorgerufen werden, dass eine gute Effizienz im Wesentlichen im Bereich von 45° ± 5° erzielt wird.
13 ist ein erläuterndes Diagramm, das das Verhältnis zwischen dem Winkel ψ und dem Verhältnis der Gesamt-Schlitzbreite in Bezug auf die Breite des magnetischen Spalts in einem Fall veranschaulicht, in welchem eine Stromführungs-Phase β den Wert von 45° besitzt, und zwar in dem Synchron-Reluktanzmotor 1 gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung.
In 13 entspricht der angemessene Bereich von 34 bis 67 des Verhältnisses k der Gesamtbreite der Schlitze in Radialrichtung auf der q-Achse in Bezug auf die Spaltlänge, der bei den Ausführungsformen 2 und 3 erläutert worden ist, zu einem Bereich des Winkels ψ = 4 bis 7,5°. Wenn die obige Konfiguration angenommen wird, kann eine dahingehende Wirkung hervorgerufen werden, dass es ermöglicht wird, die Antriebseffizienz des Synchron-Reluktanzmotors 1 durch eine Kombination mit der Steuerungseinrichtung 2 weiter zu verbessern.
Ausführungsform 5
Die Stromführungs-Phase β wird bei der Ausführungsform 4 vorzugsweise auf die unten beschriebene Weise eingestellt, um den Leistungsfaktor des Synchron-Reluktanzmotors 1 zu erhöhen. Zunächst ist ein Leistungsfaktor PF durch den nachstehenden Ausdruck (11) gegeben. PF = cos(π/2 + ψ – β) = –cos(β + arctan((1 + 0.2k)/tanβ)) (11)
14 zeigt einen Graphen des Ausdrucks (11). 14 ist ein erläuterndes Diagramm, das das Verhältnis zwischen dem Leistungsfaktor PF und der Stromführungs-Phase β in dem Synchron-Reluktanzmotor 1 gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. In 14 stellt die horizontale Achse die Stromführungs-Phase β dar, und die vertikale Achse stellt den Leistungsfaktor PF dar.
14 veranschaulicht Kurven für die jeweiligen Werte des Verhältnisses k der Gesamtbreite der Schlitze in Radialrichtung auf der q-Achse in Bezug auf die Spaltlänge, mit Werten von 20 bis 80. Die Kurven für die jeweiligen Werte des Verhältnisses k nehmen einen Maximalwert von ungefähr 66° bis 75° an. Es zeigt sich folglich, dass der Leistungsfaktor der Energie-Beaufschlagung innerhalb dieses Bereichs am besten ist. In der Praxis wird ein Betrieb bei einem höheren Leistungsfaktor durch eine Energie-Beaufschlagung innerhalb eines Bereichs von 56° bis 85° erreicht.
15 ist ein erläuterndes Diagramm, das das Verhältnis zwischen der Stromführungs-Phase β, bei welcher der Maximalwert des Leistungsfaktors in 14 vorliegt, und dem Verhältnis der Gesamt-Schlitzbreite in Bezug auf die Breite des magnetischen Spalts veranschaulicht. Die Stromführungs-Phase β zu einem Zeitpunkt, wo der Leistungsfaktor maximal ist, wird als Funktion des Verhältnisses k der Gesamtbreite der Schlitze in Radialrichtung auf der q-Achse bezogen auf die Spaltlänge gezeichnet. Ein Bereich von ±10° oberhalb und unterhalb der Stromführungs-Phase β, welcher in der Praxis ein unproblematischer Bereich ist, ist schraffiert dargestellt.
16 ist ein erläuterndes Diagramm, das das Verhältnis zwischen dem Winkel ψ und dem Verhältnis k der Gesamt-Schlitzbreite bezogen auf die Breite des magnetischen Spalts in einem Fall veranschaulicht, in welchem die Stromführungs-Phase den in 15 dargestellten Wert (d. h. die Stromführungs-Phase β zu der Zeit des maximalen Leistungsfaktors) annimmt, und zwar in dem Synchron-Reluktanzmotor 1 gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung.
In 16 korrespondiert der angemessene Bereich von 34 bis 67 des Verhältnisses k der Gesamtbreite der Schlitze in Radialrichtung auf der q-Achse in Bezug auf die Spaltlänge, der bei den Ausführungsformen 2 und 3 erläutert worden ist, mit einem Bereich des Winkels ψ = 15° bis 20°. Wenn die obige Konfiguration angenommen wird, kann eine dahingehende Wirkung hervorgerufen werden, dass es ermöglicht wird, den Leistungsfaktor zu erhöhen und die Antriebseffizienz des Synchron-Reluktanzmotors 1 durch eine Kombination mit der Steuerungseinrichtung 2 weiter zu verbessern.
Ausführungsform 6
Die Stromführungs-Phase β wird bevorzugt gemäß dem nachstehenden Ausdruck (12) eingestellt, um die Effizienz mit einem maximalen Drehmoment bei einer gegebenen angelegten Spannung zu erhöhen, und zwar bei den Ausführungsformen 4 und 5. β = arctan(1 + 0,2k) (12).
Der nachstehende Ausdruck (13) beschreibt das Drehmoment beim Anlegen einer gegebenen angelegten Spannung V. T = Pn/2(1/Lq – 1/Ld)(V/ω)2sin(2arctan(tan(β)/(1 + 0,2k))) (13).
Der Ausdruck (12) wird erhalten, indem das Verhältnis zwischen der Stromführungs-Phase β und dem Verhältnis k der Gesamtbreite der Schlitze in Radialrichtung auf der q-Achse bezogen auf die Spaltlänge in einem Fall hergeleitet wird, in welchem das durch den Ausdruck (13) gegebene Drehmoment maximal ist, d. h. wenn der Term der Sinusfunktion 1 ist. Im Ausdruck (13) gibt Pn die Anzahl von Polpaaren des Synchron-Reluktanzmotors 1 an, und ω gibt die Kreisfrequenz an. Das Drehmoment bei einer konstanten Spannungsbedingung kann folglich maximiert werden, und die Effizienz wird demzufolge verbessert, wenn die Stromführungs-Phase β wie in Ausdruck (12) angegeben gesteuert wird.
17 zeigt einen Graphen des Ausdrucks (13). 17 ist ein erläuterndes Diagramm, das das Verhältnis zwischen der Stromführungs-Phase und dem Verhältnis der Gesamt-Schlitzbreite in Bezug auf die Breite des magnetischen Spalts veranschaulicht, und zwar in dem Synchron-Reluktanzmotor 1 gemäß Ausführungsform 6 der vorliegenden Erfindung. Ein Bereich von ±5° oberhalb und unterhalb der Stromführungs-Phase β, welcher in der Praxis ein unproblematischer Bereich ist, ist schraffiert dargestellt.
Der Winkel ψ wird gemäß dem nachstehenden Ausdruck berechnet, und zwar auf der Basis von Ausdruck (8) und Ausdruck (12), und er nimmt einen Wert von 45° an, wenn er in konvertierten Einheiten ausgedrückt wird. ψ = arctan(tan(arctan(1 + 0,2k))/(1 + 0,2k)) = π/4(rad)
Daher ist die Ausführungsform 6 der vorliegenden Erfindung ein Beispiel, bei dem Folgendes gilt: Bei der Definition des Schnittes P der äußeren Peripherie des Rotors 9 und einer geraden Linie, die durch die Rotormitte O geht und um den Winkel ψ = 45° von der d-Achse elektrisch gedreht ist, wird die Breite der Kernschicht 10b auf der q-Achse in Radialrichtung, die an der nächsten Position zu dem Schnitt P entlang der Umfangsrichtung gebildet ist, so ausgebildet, dass sie größer ist als die Breite der anderen Kernschichten 10 in Radialrichtung auf der q-Achse.
Wenn die obige Konfiguration angenommen wird, kann eine dahingehende Wirkung hervorgerufen werden, dass es ermöglicht wird, die Antriebseffizienz des Synchron-Reluktanzmotors 1 durch eine Kombination mit der Steuerungseinrichtung 2, weiter zu verbessern, und zwar auch unter Bedingungen mit begrenzter Spannung.
Ausführungsform 7
18 ist ein Diagramm in Perspektivdarstellung, das den Rotor 9 des Synchron-Reluktanzmotors 1 gemäß Ausführungsform 7 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. In 18 ist der Rotorkern 7 durch einen Stapel konfiguriert, wobei die Positionen der Schlitze 11 in Bezug zueinander ausgerichtet sind, und zwar mit einer gewünschten Anzahl von Rotorkernblechen 37, die durch Stanzen von dünnen Stahlblechen, z. B. von magnetischen Stahlblechen, und durch Ausstanzen der Schltize 11 gebildet werden. Die Positionen der Schlitze 11 können in Umfangsrichtung schräg verlaufen, und zwar allmählich oder schrittweise mit gewünschten Inkrementen.
In einem Fall, in welchem der Strom, der von der Steuerungseinrichtung 2 aus fließt, Komponenten enthält, welche nicht synchron mit der Drehzahl sind, kann sich ein dahingehendes Problem ergeben, dass Verluste infolge des Flusses von Wirbelströmen auftreten, und dass die Effizienz abnimmt, wenn der Rotorkern 7 aus einem Material, wie z. B. einem festen Material oder dergleichen gebildet ist, das in der Axialrichtung durchgängig ausgeführt ist.
Bei der Ausführungsform 7 gemäß der vorliegenden Erfindung werden daher dünne Stahlbleche so gestapelt, dass dadurch der Pfad der Wirbelströme abgeschnitten wird, die von dem Rotorkern 7 gebildet werden. Im Ergebnis wird es möglich, die Wirbelstromverluste extrem zu verringern und eine dahingehende Wirkung zu erzielen, dass es ermöglicht wird, dass die Effizienz des Synchron-Reluktanzmotors 1 zunimmt.
Ausführungsform 8
Bei der Ausführungsform 7 werden bevorzugt Rotorkern-Anordnungen 38 dadurch ausgebildet, dass die gestapelten Rotorkernbleche 37 in jeweilige Sätze einer Mehrzahl von Blechen unterteilt werden, wobei die Rotorkern-Anordnungen 38 bevorzugt wie nachstehend beschrieben gestapelt werden. Noch bevorzugter wird die Anzahl von Rotorkern-Anordnungen 38, die gruppiert werden sollen, auf eine Gesamtzahl eines natürlichen Vielfachen von einer Zahl eingestellt, die ein von 1 verschiedener Faktor der Polzahl ist.
Beispielsweise werden die Rotorkernbleche 37 in vier Rotorkern-Anordnungen 38A, 38B, 38C und 38D unterteilt, wie in 18 gezeigt, wobei die Breiten der Anordnungen identisch sind. Hierbei ist 4 gleich der Polzahl des Synchron-Reluktanzmotors 1 gemäß Ausführungsform 8.
19 ist ein erläuterndes Diagramm, das die Rollrichtung von Rotorkern-Anordnungenen 38 in dem Synchron-Reluktanzmotor 1 gemäß Ausführungsform 8 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Als nächstes werden dünne Stahlbleche auf eine solche Weise ausgerichtet, dass deren Rollrichtungen in die jeweilige Richtung zeigen, die in 19 gezeigt ist, um eine jeweilige Rotorkern-Anordnung 38 zu ergeben. Die Rotorkern-Anordnungen 38 werden gemäß den jeweiligen in 19 gezeigten Rollrichtungen gestapelt, so dass sie den Rotorkern 7 ergeben, der in 18 gezeigt ist.
In dem Beispiel aus 19 sind die Rollrichtungen um 90° relativ zueinander gedreht, wobei der Drehwinkel demzufolge gleichmäßig unter den Rotorkern-Anordnungen 38 aufgeteilt ist. Für den Fall, dass ein Schrägverlauf erreicht werden soll, sind die Rollrichtungen nicht perfekt ausgerichtet, sondern zueinander um einen Schräglaufwinkel innerhalb eines praktikablen Bereichs versetzt. Wenn diese Konfiguration angenommen wird, dann wird es möglich, die Form-Unausgewogenheit in dem Rotorkern 7 zu verringern, die von Abweichungen der Blechdicke der dünnen Stahlbleche herrührt, und einen Synchron-Reluktanzmotor 1 mit hoher Effizienz zu erhalten.
Bei der Ausführungsform 8 gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Anzahl von Rotorkern-Anordnungen 38, die gruppiert werden sollen, bevorzugter auf eine natürliche Zahl eingestellt, die ein Vielfaches der Polzahl ist. Diese Konfiguration ist identisch mit derjenigen, die in 18 veranschaulicht ist, wobei die Differenz darin besteht, dass die Anzahlen, die natürliche Zahlen von Vielfachen der Faktoren der Polzahl sind, hierin enthalten sind. Diese Konfiguration ermöglicht es, die Pol-Unausgewogenheit zu verringern, und folglich kann ein Synchron-Reluktanzmotor 1 mit hoher Effizienz erhalten werden.
Ausführungsform 9
Das kennzeichnende Merkmal gemäß Ausführungsform 9 der vorliegenden Erfindung ist, dass Quetschverbindungen 39 vorgesehen sind, um die gestapelten Rotorkernbleche 37 des Synchron-Reluktanzmotors 1 der Ausführungsformen 6 bis 8 in Richtung der Welle 8 zu befestigen.
20 ist ein erläuterndes Diagramm, das ein Beispiel von Positionen der Bildung von Quetschverbindungen 39 der Rotorkernbleche 37 in dem Synchron-Reluktanzmotor 1 gemäß Ausführungsform 9 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Bei der Definition des Schnittes P der äußeren Peripherie des Rotors 9 und einer geraden Linie, die durch die Rotormitte O geht und um den Winkel ψ von der d-Achse elektrisch gedreht ist, ist mindestens eine Quetschverbindung 39 in 20 in einem Bereich der Kernschicht 10b vorgesehen, die an der nächsten Position zu dem Schnitt P entlang der Umfangsrichtung gebildet ist.
Wie bekannt ist, zieht eine Ausbildung der Quetschverbindungen 39 eine Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften des Kerns in der Peripherie der Quetschverbindungen 39 nach sich. Bei der Ausführungsform 9 gemäß der vorliegenden Erfindung sind daher die Quetschverbindungen 39 in der dicksten Kernschicht 10 ausgebildet, die vorgesehen ist; dadurch kann der Einfluss der Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften signifikant verringert werden, und es kann dadurch ein Synchron-Reluktanzmotor 1 mit hoher Effizienz erhalten werden.
Bei der Ausführungsform 9 der vorliegenden Erfindung sind bevorzugt die Quetschverbindungen 39 in einer Form ausgebildet, welche an die Form der Schlitze 11 angepasst ist. In 20 ist ein Beispiel gezeigt, in welchem eine Quetschverbindung 39 in jeder der jeweiligen Kernschichten 10 vorgesehen ist, aber es kann auch eine Mehrzahl von Quetschverbindungen 39 vorgesehen sein, die identisch angeordnet sind, z. B. wie in 21 gezeigt, um eine gewünschte Befestigungsstärke zu erhalten.
21 ist ein weiteres erläuterndes Diagramm, das ein Beispiel der Positionen zeigt, an welchen Quetschverbindungen 39 der Rotorkernbleche 37 in dem Synchron-Reluktanzmotor 1 gemäß Ausführungsform 9 der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind. Wenn eine Mehrzahl von Quetschverbindungen 39 vorgesehen ist, können die letzteren bevorzugt so angeordnet sein, dass sie liniensymmetrisch zu der q-Achse sind, wie in 21 gezeigt.
Ausführungsform 10
Das kennzeichnende Merkmal gemäß Ausführungsform 10 der vorliegenden Erfindung ist, dass die Breite einer Brücke 13 (20 und 21) in Radialrichtung, die zwischen den Schlitzen 11 und der äußeren Peripherie des Rotorkerns 7 ausgebildet ist, so eingestellt ist, dass sie gleich groß wie oder kleiner als das Doppelte der Blechdicke der dünnen Stahlbleche ist. Bevorzugt werden dünne Stahlbleche verwendet, welche eine Blechdicke im Bereich von ungefähr 0,35 mm bis 1,0 mm haben, und die Breite der Brücke 13 in Radialrichtung liegt im Bereich von ungefähr 0,5 mm bis 2 mm.
Wie bekannt ist, führt das Stanzen und Ausstanzen von magnetischen Stahlblechen zu einer Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften über einen Abstand von im Wesentlichen der Hälfte der Blechdicke, und zwar von der Bruchfläche des Stanzpunkts in der Rollebene. Die Brücke 13 erfüllt die Funktion, die Mehrzahl von Kernschichten 10a bis 10f physisch zu verankern und zu integrieren, die durch das Ausstanzen der Schlitze 11 gebildet werden, wobei die Brücke 13 ebenfalls einen magnetischen Pfad auf der q-Achse ausbildet.
Es ist offensichtlich am besten, dass die q-Achsen-Induktivität Lq klein ist, wie oben beschrieben, während die Brücke 13 in elektromagnetischer Hinsicht ein unnötiges Element ist. Wenn die Breite der Brücke 13 in Radialrichtung so eingestellt wird, dass sie gleich groß wie oder kleiner als das Doppelte der Blechdicke der dünnen Stahlbleche ist, wird demgemäß der größere Teil der Brücke 13 in einen Zustand überführt, in welchem sich die magnetischen Eigenschaften durch Ausstanzen verschlechtert haben. Solch eine Konfiguration ermöglicht es, eine Zunahme der q-Achsen-Induktivität Lq zu vermeiden, und folglich zeigt sich eine dahingehende Wirkung, dass das Ausgangsmoment vergrößert werden kann, wobei durch Erweiterung die Motoreffizienz gleichfalls erhöht werden kann.
Ausführungsform 11
22 ist ein Querschnitts-Diagramm, das den Rotor 9 des Synchron-Reluktanzmotors 1 gemäß Ausführungsform 11 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Bei den Ausführungsformen 1 bis 10, sind die Schlitze 11 als Bögen ausgebildet, aber die Schlitze 11 können auch in der Form von geraden Linien ausgebildet sein, wie in 22 veranschaulicht. Die gleiche Wirkung wie bei den Ausführungsformen 1 bis 10 kann hierbei erhalten werden, wenn die gleichen Merkmale wie bei den Ausführungsformen 1 bis 10 verwendet werden. Die Schlitzform kann eine ähnliche Form sein, beispielsweise eine Kombination von Bögen und geraden Linien.

Claims

Synchron-Reluktanzmotor, der einen Rotor aufweist, der so konfiguriert ist, dass ein Rotorkern an einer Welle befestigt ist, und mit einem Stator, der eine Wicklung aufweist, wobei der Rotor und der Stator über einen magnetischen Spalt hinweg relativ zueinander drehbar angeordnet sind, wobei der Rotorkern so viele Fluss-Barrieren in Umfangsrichtung hat wie die Polzahl, wobei die Fluss-Barrieren durch alternierende Nebeneinanderreihung von einem oder mehreren Schlitzen und Kernschichten in Radialrichtung gebildet sind; wobei die Rotation des Synchron-Reluktanzmotors durch eine Energie-Beaufschlagung der Wicklung mit einem Strom einer Phase gesteuert wird, welche ein Verhältnis k zwischen der Gesamtsumme der Breiten der Schlitze in Radialrichtung auf der q-Achse und der Länge des magnetischen Spalts hat, und welche einen Voreilwinkel von der d-Achse hat, der auf eine Stromführungs-Phase β eingestellt ist; und und wobei unter den Kernschichten die Breite der Kernschicht in Radialrichtung auf der q-Achse, die sich an einer Position befindet, die in Umfangsrichtung am nächsten zu einem Punkt P liegt, bei welchem sich die äußere Peripherie des Rotors und eine gerade Linie schneiden, die durch die Rotormitte geht und unter einem Winkel ψ = arctan(tan β/(1 + 0,2k)) von der d-Achse gezeichnet wird, größer ist als die Breite der anderen Kernschichten auf der q-Achse in Radialrichtung ist.
Synchron-Reluktanzmotor nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis k auf einen Wert niedriger als 67 eingestellt ist.
Synchron-Reluktanzmotor nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis k auf einen Wert höher als 34 eingestellt ist.
Synchron-Reluktanzmotor nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis k auf einen Wert höher als 34 und niedriger als 67 eingestellt ist.
Synchron-Reluktanzmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Stromführungs-Phase β auf einen Wert größer als 0° und kleiner als 90° eingestellt ist.
Synchron-Reluktanzmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Stromführungs-Phase β so eingestellt ist, dass sie in einem Bereich von 55° bis 85° liegt.
Synchron-Reluktanzmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Stromführungs-Phase β auf arctan(1 + 0,2k) ± 5 (°) eingestellt ist.
Synchron-Reluktanzmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Rotorkern durch Stapeln von dünnen Stahlblechen in Axialrichtung der Welle gebildet ist.
Synchron-Reluktanzmotor nach Anspruch 8, wobei der Rotorkern gebildet ist, indem eine Mehrzahl von Rotorkern-Anordnungen verwendet wird, wobei jede davon durch Stapeln von Rotorkernblechen gebildet ist, wobei die Rollrichtungen der dünnen Stahlbleche ausgerichtet sind, wobei die Rotorkern-Anordnungen unter Drehung der Rollrichtung der jeweiligen Rotorkern-Anordnungen um identische Winkel gestapelt sind.
Synchron-Reluktanzmotor nach Anspruch 9, wobei die Anzahl der Rotorkern-Anordnungen eine natürliche Zahl ist, die ein Vielfaches eines Faktors einer Polzahl des Rotorkerns ist.
Synchron-Reluktanzmotor nach Anspruch 9, wobei die Anzahl der Rotorkern-Anordnungen eine natürliche Zahl ist, die ein Vielfaches einer Polzahl des Rotorkerns ist.
Synchron-Reluktanzmotor nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Rotorkernbleche in Axialrichtung mittels mindesteins einer Quetschverbindung befestigt sind, die pro Pol ausgebildet ist, und zwar in der Kernschicht, die sich an der nächsten Position in Umfangsrichtung zu dem Punkt P befindet, bei welchem sich die äußere Peripherie des Rotors und eine gerade Linie schneiden, die durch die Rotormitte geht und die unter einem Winkel ψ von der d-Achse gezeichnet wird.
Synchron-Reluktanzmotor nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die Breite einer Brücke in Radialrichtung, die zwischen den Schlitzen und der äußeren Peripherie des Rotorkerns ausgebildet ist, so eingestellt ist, dass sie gleich groß wie oder kleiner als das Doppelte der Blechdicke der dünnen Stahlbleche ist.