DE102004030831A1

DE102004030831A1 - Permanentmagnet-Rotationsmaschine

Info

Publication number: DE102004030831A1
Application number: DE102004030831A
Authority: DE
Inventors: Haruyuki Kometani; Shinichi Yamaguchi; Tomohiro Kikuchi; Takashi Tamura
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-06-27
Filing date: 2004-06-25
Publication date: 2005-01-20
Also published as: JP4089527B2; US20050012419A1; CN100454716C; CN1578062A; US7034424B2; JP2005020930A

Abstract

Eine Permanentmagnet-Rotationsmaschine weist einen Läufer (3) mit einem Permanentmagneten (32), der eine Vielzahl von umfangsmäßig vorgesehenen Magnetpolen hat und an der Grenzlinie zwischen den Magnetpolen in dem Permanentmagneten (32) mit einer Schrägung versehen ist, und einen Ständer (2) auf, der einen Ständereisenkern (21) von nahezu zylindrischer Gestalt hat, der mit einer Vielzahl von nach innen ragenden konvexen Polen ausgebildet ist, wobei der Läufer (3) in dem Ständer (2) angeordnet ist; die Rotationsmaschine ist dadurch gekennzeichnet, daß der obere Grenzwert eines Schrägungswinkels kleiner als ein theoretischer Winkel THETA¶s¶ (elektrischer Winkel) ist und der untere Grenzwert größer als der halbe theoretische Winkel THETA¶s¶ ist, wobei der theoretische Winkel THETA¶s¶ definiert ist als: DOLLAR A THETA¶s¶ = 180 x (Anzahl von Magnetpolen in dem Läufer)/(kleinstes gemeinsames Vielfaches der Anzahl von Magnetpolen in dem Läufer und der Anzahl von Magnetpolen in dem Ständer) [Grad].

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Permanentmagnet-Rotationsmaschine, wie etwa einen Servomotor, und insbesondere eine Permanentmagnet-Rotationsmaschine geringer Größe und hoher Leistungsdichte, bei der das Hakmoment reduziert ist.
Bei der typischen Konstruktion einer Permanentmagnet-Rotationsmaschine ist ein Läufer im Inneren eines Ständers angeordnet. Der Ständer ist mit einer Vielzahl von Magnetpolen ausgebildet, wobei eine Vielzahl von Ständerwicklungen an dem Innenumfang eines Ständereisenkerns von nahezu zylindrischer Gestalt vorgesehen ist, der mit einer Vielzahl von nach innen ragenden konvexen Polen ausgebildet ist. Der Rotor oder Läufer hat einen Läufereisenkern, der so angeordnet ist, daß er um einen Mittelpunkt des Ständers als einer zentralen Drehachse drehbar ist.
Ein Permanentmagnet ist an der Oberfläche oder im Inneren des Läufereisenkerns vorgesehen und so magnetisiert, daß N-Pole und S-Pole alternierend in einer Umfangs- bzw. Drehrichtung angeordnet sind. Bei dieser Rotationsmaschine werden die Ständerwicklungen in geeigneter Weise erregt, um ein magnetisches Drehfeld zu erzeugen, so daß der Läufer um die zentrale Drehachse gedreht wird.
Bei der vorstehenden Permanentmagnet-Rotationsmaschine tritt eine Drehmomentabweichung auf, die als Hakmoment bezeichnet wird. Das Hakmoment erzeugt Vibrationen oder Lärm oder verschlechtert die Steuerleistung der Rotationsmaschine.
Zur Verringerung dieses Hakmoments ist es wohlbekannt, an der Grenzlinie zwischen Magnetpolen des Permanentmagneten eine Schrägung vorzusehen. Im allgemeinen ist der Zwischenpol zwischen dem N-Pol und dem S-Pol des Permanentmagneten ein linearer Raum, der zu der zentralen Drehachse schräg ist. Ein theoretischer Schrägungswinkel α (mechanischer Winkel) zur stärksten Verringerung des Hakmoments ist α = 360/(kleinstes gemeinsames Vielfaches der Anzahl von Wicklungen und der Anzahl von Magnetpolen auf der Ständerseite)[Grad](siehe JP-A-2000-308286).

Wenn dieser theoretische Schrägungswinkel als elektrischer Winkel dargestellt wird, ausgedrückt durch die Anzahl von Magnetpolen (Polen) des Läufers und die Anzahl von Magnetpolen (Nuten} des Ständers, ist der theoretische Schrägungswinkel θ_s, der das Hakmoment am stärksten reduziert, wie folgt gegeben: θs = 180 × (Anzahl Magnetpole des Läufers)/(kleinstes gemeinsames Vielfaches der Anzahl Wicklungen des Läufers und der Anzahl Magnetpole des Ständers)[Grad] (1).

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Wenn der theoretische Schrägungswinkel θ_s (elektrischer Winkel) theoretisch auf die vorstehende Weise festgelegt und bei einer gebauten umlaufenden Elektromaschine angewandt wird, kann die Verringerung des Hakmoments immer noch ungenügend sein. Der Grund hierfür ist, daß in der Axialrichtung (Richtung der zentralen Drehachse) durch Anwendung der Schrägung ein Streufluß auftritt, aber der Einfluß der magnetischen Sättigung infolge dieses Streuflusses nicht berücksichtigt wird.

Andererseits muß die Permanentmagnet-Rotrationsmaschine eine geringe Größe und eine höhere Leistungsdichte haben, und die physischen Dimensionen sollen bei gleicher Leistung verringert sein. Zur Verringerung der physischen Dimensionen muß aber die elektrische oder magnetische Belastung erhöht werden. Wenn aber die elektrische Belastung erhöht wird, dann wird in den Wicklungen mehr Wärme erzeugt, was mit hoher Wahrscheinlichkeit dazu führt, daß die Dauerbetriebsbedingungen infolge von erhöhten Temperaturen nicht erfüllt werden.

Damit ist es schwierig, die geringe Größe und die höhere Leistungsdichte durch Erhöhung der elektrischen Belastung zu erreichen. Es ist also erwünscht, die geringe Größe und höhere Leistungsdichte durch eine Erhöhung der magnetischen Belastung oder der Magnetflußdichte zu erreichen.

Aufgabe der Erfindung ist die Angabe einer Permanentmagnet-Rotationsmaschine, die fähig ist, eine höhere Leistungsdichte durch Erhöhen der Magnetflußdichte zu erzielen, während zugleich das Hakmoment kleiner als der theoretische Schrägungswinkel gemacht wird.

Die Erfindung gibt eine Permanentmagnet-Rotationsmaschine an, die folgendes aufweist: einen Läufer mit einem Permanentmagneten, der eine Vielzahl von in Umfangsrichtung vorgesehenen Magnetpolen hat und an der Grenzlinie zwischen den Magnetpolen in dem Permanentmagneten mit einer Schrägung versehen ist, und einen Ständer, der einen Ständereisenkern von nahezu zylindrischer Gestalt hat, der mit einer Vielzahl von nach innen vorspringenden konvexen Polen ausgebildet ist, wobei der Läufer mit dem Ständer angeordnet ist, und ist dadurch gekennzeichnet, daß ein oberer Grenzwert eines Schrägungswinkels kleiner ist als ein theoretischer Winkel θ_s (elektrischer Winkel) und ein unterer Grenzwert größer als der halbe theoretische Winkel θ_s ist, wobei der theoretische Winkel θ_s definiert ist als θs = 180 × (Anzahl von Magnetpolen in dem Läufer)/(kleinstes gemeinsames Vielfaches der Anzahl von Magnetpolen in dem Läufer und der Anzahl von Magnetpolen in dem Ständer) [Grad].

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
1 ist eine Perspektivansicht, die die wesentlichen Aspekte einer Permanentmagnet-Rotationsmaschine gemäß einer Ausführungsform 1 der Erfindung zeigt;
2 ist eine Draufsicht, die die Permanentmagnet-Rotationsmaschine gemäß der Ausführungsform 1 der Erfindung zeigt;
3 ist ein Beziehungsdiagramm, das eine Axialverteilung der Größe des Hakmoments zeigt, wobei ein Parameter die Magnetflußdichte (Maximalwert bei Nichtbelastung) in einem zentralen Teil von Ständerzähnen in der Permanentmagnet-Rotationsmaschine ist, die eine Ausgangsleistung von 50 W hat;
4 ist ein Beziehungsdiagramm, das eine Axialverteilung der Größe des Hakmoments zeigt, wobei ein Parameter die Magnetflußdichte (Maximalwert bei Nichtbelastung) in einem zentralen Teil von Ständerzähnen in der Permanentmagnet-Rotationsmaschine ist, die eine Ausgangsleistung von 100 W hat;
5 ist ein Beziehungsdiagramm, das eine Axialverteilung der Größe des Hakmoments zeigt, wobei ein Parameter die Magnetflußdichte (Maximalwert bei Nichtbelastung) in einem zentralen Teil von Ständerzähnen in der Permanentmagnet-Rotationsmaschine ist, die eine Ausgangsleistung von 200 W hat;
6 ist ein Beziehungsdiagramm, das eine Axialverteilung der Größe des Hakmoments zeigt, wobei ein Parameter die Magnetflußdichte (Maximalwert bei Nichtbelastung) in einem zentralen Teil von Ständerzähnen in der Permanentmagnet-Rotationsmaschine ist, die eine Ausgangsleistung von 400 W hat;
7 ist ein Beziehungsdiagramm, das eine Axialverteilung der Größe des Hakmoments zeigt, wobei ein Parameter die Magnetflußdichte (Maximalwert bei Nichtbelastung) in einem zentralen Teil von Ständerzähnen in der Permanentmagnet-Rotationsmaschine ist, die eine Ausgangsleistung von 750 W hat; und
8 ist ein Beziehungsdiagramm, das die gemessenen Ergebnisse der Größe des Hakmoments beim jeweiligen Schrägungswinkel zeigt.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Ausführungsform 1
Die 1 und 2 zeigen eine Permanentmagnet-Rotationsmaschine gemäß einer Ausführungsform 1 der Erfindung. Dabei ist 1 eine Perspektivansicht, die das Wesen der Permanentmagnet-Rotationsmaschine zeigt, und 2 ist eine Draufsicht.
Wie die 1 und 2 zeigen, hat ein Läufer 3 einen Permanentmagneten 32, der an der Außenumfangsfläche eines Läufereisenkerns 31 angeordnet ist, der auf einer Läuferwelle 33 befestigt ist. Die Magnetpole 32a bis 32f des Permanentmagneten 32 sind so magnetisiert, daß N-Pole und S-Pole alternierend in der Umfangsrichtung (Drehrichtung) angeordnet sind, wobei an der Grenzlinie zwischen den Magnetpolen 32a und 32b, 32b und 32c, 32c und 32d, 32d und 32e, 32e und 32f sowie 32f und 32a eine Schrägung (Schrägungswinkel θ) vorgesehen ist. In 2 hat der Läufer 3 sechs Magnetpole.
Der Ständer 2 hat eine Vielzahl von Magnetpolen, die gebildet sind durch Vorsehen einer Vielzahl von Ständerwicklungen 22 an dem Innenumfang eines Ständereisenkerns 21 von nahezu zylindrischer Gestalt, die mit einer Vielzahl von konvexen Polen (Zähnen) ausgebildet sind, die nach innen vorspringen. Die Zahl der Magnetpole (Nuten) des Ständers 2 in 2 ist neun.
Der Läufer 3 hat einen Läufereisenkern 31, der um einen Mittelpunkt des Ständers 2 herum als einer zentralen Drehachse drehbar angeordnet ist, wobei die Ständerwicklungen 22 entsprechend erregt werden, um ein Drehmagnetfeld zu erzeugen, so daß der Läufer 3 um die zentrale Drehachse herum gedreht wird.
Bei dieser Ausführungsform ist der theoretische Schrägungswinkel θ_s (der elektrische Winkel) aus der obigen Gleichung (1) wie folgt gegeben: θs = 180 × (Anzahl von Magnetpolen des Läufers)/(kleinstes gemeinsames Vielfaches der Anzahl von Magnetpolen des Läufers und der Anzahl von Magnetpolen des Ständers) = 180 × 6/18 = 60°,wobei der Schrägungswinkel θ (der elektrische Winkel) des Läufers 3 kleiner als der theoretische Schrägungswinkel von 60° und größer als der halbe theoretische Schrägungswinkel von 30° ist.
Zuerst soll der Mechanismus des Auftretens eines Hakmoments in einer umlaufenden Zweipol-Dreinut-Permanentmagnetmaschine vom Schenkelpoltyp mit konzentrischen Wicklungen erläutert werden, wobei beispielhaft die Anzahl von Magnetpolen des Läufers zwei ist und die Anzahl von Magnetpolen des Ständers drei ist.
Es ist bekannt, daß das Hakmoment hauptsächlich infolge einer Wechselwirkung zwischen Ständernut-Oberwellen (die mit durch Ständernuten verursachten Änderungen des Luftspaltleitwerts zusammenhängen) und MMK-Oberwellen des Läufers auftritt (weil die MMK-Wellenform des Magneten von der Sinuswelle abweicht).
Ferner wird der Einfluß der magnetischen Sättigung auf das Hakmoment als Wechselwirkung zwischen Ständernut-Oberwellen und Oberwellen infolge der magnetischen Sättigung angesehen. Da die Hauptkomponenten von Oberwellen infolge der magnetischen Sättigung die gleiche Ordnung wie die MMK-Oberwellen des Läufers haben, sind im allgemeinen zur einfachen Erläuterung die auf die magnetische Sättigung zurückgehenden Oberwellen in den MMK-Oberwellen des Läufers enthalten.
Dabei hat im Fall des radial magnetisierten ringartigen Magneten 32 die MMK des Magneten eine Rechteckwellenform für die MMK-Oberwellen des Läufers 3. Daher werden die geradzahligen Oberwellen aufgehoben, und es erscheinen nur die ungeradzahligen Oberwellen. Da die Luftspalt-Magnetflußdichte B_r – die von der Läufer-MMK erzeugt wird – hauptsächlich aus dem Produkt der MMK-Oberwellen des Läufers und der gleichmäßigen Permeanz errechnet wird, wird die von den MMK-Oberwellen des Läufers erzeugte Luftspalt-Magnetflußdichte B_r(z) auf die folgende Weise ausgedrückt. Die nachstehende Formel stellt jedoch die Luftspalt-Magnetflußdichte in der z-Koordinate dar, wenn die z-Koordinate entlang der Axialrichtung gesehen wird. [Formel 1 ]
n = 4m + 1mit:
n = Ordnung der Oberwellen
A_n(z) = Amplitudenwert der Magnetflußdichte der Oberwelle n-ter Ordnung in der
z-Koordinate
a = räumlicher Winkel der umlaufenden Maschine
w = Grundwinkelfrequenz
t = Zeit
m = jede ganze Zahl, mit der die Ordnung von räumlichen Oberwellen nicht negativ ist
ψ_n = Anfangsphase der Oberwelle n-ter Ordnung.
Ferner wird die Luftspalt-Magnetflußdichte B_s(z) in der z-Koordinate infolge von Nutoberwellen des Ständers 2 hauptsächlich als Nutpermeanz-Oberwellen × Grund-MMK errechnet und durch die nachstehende Formel ausgedrückt. [Formel 2]
i = Nsj ± 1 (doppelte Vorzeichen in derselben Reihenfolge)mit:
i = Ordnung der Oberwellen
N_s = Anzahl von Ständernuten
S_i(z) = Amplitudenwert der Magnetflußdichte der Oberwelle i-ter Ordnung in der z-Koordinate
j = jede ganze Zahl, mit der die Ordnung von räumlichen Oberwellen nicht negativ ist
ϕ_i = Anfangsphase der Oberwellen i-ter Ordnung
Wenn die Anzahl von Polen (Anzahl der Magnetpole des Läufers 3) ein ganzzahliges Vielfaches von zwei ist, wird natürlich die Ordnung von räumlichen Oberwellen mit der Anzahl von Polpaaren multipliziert, um den gleichen Ausdruck zu erhalten, wobei die Verallgemeinerung in bezug auf die Anzahl von Polen nicht verlorengeht. Außerdem wird der Koeffizient j nur in der Anzahl von Nuten (Anzahl von Magnetpolen des Ständers 2) geändert, so daß die Verallgemeinerung nicht verlorengeht. Somit wird nachstehend eine Zweipol-Dreinut-Maschine beschrieben.
Zuerst wird eine Schrägmagnetisierung des Permanentmagneten 32 in eine Formel gebracht. Die Schrägmagnetisierung bedeutet, daß die Phase der MMK des Läufers 3 axial geändert wird. Unter Berücksichtigung dieses Einflusses in den Ausdrücken (2) und (3) wird die Schrägmagnetisierung durch die nachstehende Formel ausgedrückt. [Formel 3]
n = 4m ± 1
i = 3j ± 1 (doppelte Vorzeichen in derselben Ordnung)
Dabei ist δ(z) die Phase, die sich infolge der Schräge axial ändert.
Das Hakmoment tritt infolge der Wechselwirkung der Oberwellen auf, die durch die Ausdrücke (4) und (5) bezeichnet sind, und wird durch Berechnen von Ausdruck (4) × Ausdruck (5) untersucht.
Das Hakmoment ist keine partielle EMK, sondern als integraler Wert der EMK um die umlaufende Maschine herum dargestellt. Wenn daher die Ordnung von räumlichen Oberwellen nicht Null ist, dann ist der integrale Wert um die Rotationsmaschine herum notwendigerweise Null, so daß das Hakmoment Null ist. Es ist somit nur erforderlich, die Kombinationen von Oberwellen zu untersuchen, bei denen unter den Oberwellen, die durch Ausdruck (4) × Ausdruck (5) errechnet werden, die Ordnung von räumlichen Oberwellen Null ist.
Es gibt zwar eine große Zahl von Kombinationen, bei denen die Ordnung von räumlichen Oberwellen Null ist, das Hakmoment tendiert jedoch dazu, bei einer Komponente kleinerer Ordnung größer zu sein. Ferner kann jede Kombination von Oberwellen gleicher Frequenz (zeitlichen Oberwellen) verwendet werden, ohne den Ausdruck zu ändern.
Dabei wird hier ein Fall von m = 1 mit positivem Vorzeichen nach m und j = 2 mit negativem Vorzeichen nach j betrachtet. In diesem Fall sind die Ordnungen von räumlichen Oberwellen in den Ausdrücken (4) und (5) beide 5 (räumliche Oberwellen fünfter Ordnung), und die Ordnung der räumlichen Oberwellen kann durch Multiplikation derselben Null sein.
Das Hakmoment C wird, wenn die Ordnung von räumlichen Oberwellen Null ist, durch die nachstehende Formel ausgedrückt. [Formel 4]
Dabei ist A eine Konstante, die zu dem Quadrat der Magnetflußdichte proportional ist, wobei es eine axiale Verteilung aufgrund von axialem Magnetfluß gibt, die durch Schrägung verursacht wird. Dabei ist 1 die Länge des Eisenkerns, und γ ist die Anfangsphase.
Das Hakmoment aufgrund der magnetischen Sättigung wird ebenfalls durch genau die gleiche Formel ausgedrückt. [Formel 5]
Dabei ist D eine Konstante, die zu dem Quadrat der Magnetflußdichte proportional ist, wobei es eine axiale Verteilung aufgrund von axialem Magnetfluß, verursacht durch Schrägung, gibt. Dabei ist ξ die Anfangsphase.
Da hier der Koeffizient vor ωt in den Ausdrücken (6) und (7) den Wert 6 hat, ist die Hauptkomponente des Hakmoments 6f (f = Grundfrequenz).
Die Summe des Hakmoments in den Ausdrücken (6) und (7) ist zwar dem tatsächlichen Hakmoment angenähert, man findet jedoch ohne weiteres, daß dann, wenn A(z) und D(z) Konstantwerte ohne axiale Verteilung sind, das Hakmoment der 6f-Komponente am stärksten bei dem theoretischen Winkel von 60° reduziert wird.
Wenn jedoch A(z) und D(z) irgendeine axiale Verteilung haben, wird davon ausgegangen, daß das Hakmoment in dem axialen zentralen Teil kleiner ist, in dem das durch MMK-Oberwellen verursachte Hakmoment und das durch magnetische Sättigung verursachte Hakmoment einander in der Phase aufheben.
Nachstehend wird der in dem Motor auftretende axiale Magnetfluß beschrieben. Der von dem Permanentmagneten 32 erzeugte Magnetfluß kann eventuell in Axialrichtung fließen, wenn irgendeine Schrägung vorliegt. Das heißt, es gibt einen magnetischen Streufluß, der an dem Zwischenpol an der Oberfläche des Läufers 3 axial streut (durch den Pfeil 11 in 1 bezeichnet), einen axialen magnetischen Streufluß an dem Endbereich (durch den Pfeil 12 in 1 bezeichnet) und einen magnetischen Streufluß, der axial durch die Zähne des Ständers fließt und in den Läufer eintritt (durch den Pfeil 13 in 1 bezeichnet und nachstehend als Zahnende-Streumagnetfluß bezeichnet).
In der Praxis wurde für eine Permanentmagnet-Rotationsmaschine mit sechs Polen und neun Nuten (die Zahl von Magnetpolen des Läufers ist sechs und die Zahl von Magnetpolen des Ständers ist neun) mit den Ausgangsleistungen von 50 W, 100 W, 200 W, 400 W und 750 W die dreidimensionale elektromagnetische Analyse in dem zentralen Teil von Zähnen in dem Ständer 2 durchgeführt unter Berücksichtigung des axialen magnetischen Streuflusses (Pfeile 11 bis 13) und unter Nutzung der Parameter der Magnetflußdichte (Maximalwert zum Zeitpunkt der Nichtbelastung).
Als Resultat wurden die axialen Verteilungen des Hakmoments mit dem Wert, der in den 3, 4, 5, 6 und 7 gezeigt ist, erhalten. Die Vergleiche werden nachstehend aufgeführt.
In den 3 bis 7 ist die Querachse die axiale Höhe des Läufers 3, normiert mit der axialen Länge des Läufers 3, und die Längsachse ist der Prozentsatz der 6F-Komponente des Hakmoments des Nenndrehmoments (ungefährer Wert der Summe des Vektors A(z) und des Vektors D(z)).
In den 3 und 4 bezeichnet das schwarze Kreiszeichen
das Ergebnis, wenn der Maximalwert der Magnetflußdichte in dem zentralen Teil von Zähnen 0,4 T ist, das weiße Kreiszeichen (o) bezeichnet den Maximalwert mit 0,8 T, das schwarze Dreieck zeichen
bedeutet 1,0 T, das weiße Dreieczeichen bedeute 1,2 T das schwarze Quadrat
bedeutet 1,3 T, und das weiße Quadrat (☐) bedeutet Ferner bezeichnet in den 5 und 6 das schwarze Kreiszeichen
das Ergebnis, wenn der Maximalwert der Magnetflußdichte in dem zentralen Teil von Zähnen 0,4 T ist, das weiße Kreiszeichen (o) bedeutet 0,8 T, das schwarze Dreieckzeichen
bedeutet 1,0 T, das weiße Dreieckzeichen (Δ) bedeutet 1,3 T, das schwarze Quadrat
bedeutet 1,4 T, und das weiße Quadrat (☐) bedeutet 1,5 T.
Ferner bezeichnet in 7 das schwarze Kreiszeichen
das Resultat, wenn der Maximalwert der Magnetflußdichte in dem zentralen Teil von Zähnen 0,4 T ist, das weiße Kreiszeichen (o) bedeutet 0,7 T, das schwarze Dreieckzeichen
bedeutet 1,0 T, das weiße Dreieckzeichen Δ bedeutet 1,1 T, das schwarze Quadrat
bedeutet 1,2 T, und das weiße Quadrat (☐) bedeutet 1,3 T.
Bei der vorliegenden Erfindung ist der zentrale Teil der Zähne der Bereich um den axialen zentralen Teil des Ständers herum in der Richtung, in welche die Zähne nach innen vorspringen, wie ein gestrichelter Kreis in 2 zeigt, wobei der Bereich um den zentralen Teil herum in der nach innen vorspringenden Richtung weder das vorderste Ende noch der Wurzelteil der Zähne ist.
Da das Hakmoment infolge von MMK-Oberwellen gemäß den Ausdrücken (6) und (7) und das Hakmoment infolge einer magnetischen Sättigung hinsichtlich der Phase, in der es auftritt, verschieden sind, ist die magnetische Sättigungsverteilung im allgemeinen axial unterschiedlich, und das Hakmoment hat eine axiale Verteilung.
Wenn bei der Permanentmagnet-Rotationsmaschine mit höherer Ausgangsleistung und höherer Magnetflußdichte ein größerer Einfluß durch den Zahnende-Streufluß infolge der Schrägung auftritt, wird die magnetische Sättigung in dem axialen zentralen Teil gefördert, so daß das Hakmoment infolge der MMK-Oberwellen und das Hakmoment infolge von magnetischer Sättigung in dem axialen zentralen Bereich versetzt sind, was zu dem Phänomen führt, daß das Hakmoment in dem zentralen Bereich kleiner als das Hakmoment ist, das an dem Endbereich auftritt, wie aus den 3 bis 7 zu sehen ist.
Ferner zeigen die 3 bis 7, daß der Maximalwert der Magnetflußdichte in dem zentralen Teil von Zähnen des Ständers 1 T oder mehr während der Nichtbelastung ist. Bei der Permanentmagnet-Rotationsmaschine mit hoher magnetischer Sättigung und Abschrägung ist das Hakmoment in dem axialen zentralen Bereich kleiner und an dem Endbereich größer.
In der Praxis wurde bei einer Vielzahl von Permanentmagnet-Rotationsmaschinen mit einem eine Schrägung aufweisenden Läufer mit sechs Polen und neun Schlitzen, wobei die Strombedingungen der Dauerleistungs-Spezifikation entsprechen, das Hakmoment durch Ändern des Schrägungswinkels (des elektrischen Winkels) gemessen. Die erhaltenen Ergebnisse sind in 8 angegeben. In diesem Fall wurde durch die dreidimensionale elektromagnetische Analyse bestätigt, daß die Magnetflußdichte in dem zentralen Teil von Zähnen zum Zeitpunkt der Nichtbelastung zwischen ungefähr 1,25 T und 1,35 T lag.
In 8 ist die Querachse der Schrägungswinkel, wobei der theoretische Schrägungswinkel wegen der sechs Pole und neun Schlitze 60° ist. Die Längsachse ist der Prozentsatz des gemessenen Hakmoments zu dem Hakmoment bei dem theoretischen Schrägungswinkel als Hakmoment-Relativwert.
In 8 stellt die mit L1 bezeichnete gestrichelte Kurve die Meßergebnisse in der Permanentmagnet-Rotationsmaschine mit einer Ausgangsleistung von 50 W dar; die mit L2 bezeichnete Strich-Punkt-Kurve stellt die Meßergebnisse in der Permanentmagnet-Rotationsmaschine mit einer Ausgangsleistung von 100 W dar; die mit L3 bezeichnete Vollinienkurve stellt die Meßergebnisse in der Permanentmagnet-Rotationsmaschine mit einer Ausgangsleistung von 200 W dar; die mit L4 bezeichnete Zweipunkt-Strich-Kurve stellt die Meßergebnisse in der Permanentmagnet-Rotations maschine mit einer Ausgangsleistung von 400 W dar; und die mit L5 bezeichnete Vollinienkurve stellt die Meßergebnisse in der Permanentmagnet-Rotationsmaschine mit einer Ausgangsleistung von 750 W dar.
Aus 8 ist ersichtlich, daß bei allen Permanentmagnet-Rotationsmaschinen das Hakmoment den kleinsten Wert hat, wenn der Schrägungswinkel kleiner als der theoretische Schrägungswinkel von 60° ist und größer als der halbe theoretische Schrägungswinkel von 30° ist.
Wenn der Schrägungswinkel kleiner ist, erhöht sich die induzierte Spannung, so daß der zusätzliche Effekt erreicht wird, daß die höhere Leistungsdichte erzielt wird.
8 zeigt zwar die Meßergebnisse für den Wert des Hakmoments bei dem Schrägungswinkel (dem elektrischen Winkel), wenn der Maximalwert der Magnetflußdichte in dem zentralen Bereich von Zähnen des Ständers zwischen ungefähr 1,25 T und 1,35 T im unbelasteten Zustand liegt.
Bei der Permanentmagnet-Rotationsmaschine, bei der der maximale Wert der Magnetflußdichte in dem zentralen Bereich von Zähnen des Ständers 1T oder mehr im unbelasteten Zustand liegt, gibt es eine deutliche Tendenz in die Richtung, daß das Hakmoment in dem axialen zentralen Bereich kleiner und in dem Endbereich größer ist, wie die 3 bis 7 zeigen. Somit können bei 1 T oder mehr die gleichen Ergebnisse wie in 8 erzielt werden.
Wenn in den 3 bis 7 der Maximalwert der Magnetflußdichte in dem zentralen Bereich von Zähnen des Ständers 1 T oder mehr im unbelasteten Zustand ist, besteht eine deutliche Tendenz dahingehend, daß das Hakmoment in dem axialen zentralen Bereich kleiner und an dem Endbereich größer ist. Der Grenzwert der Magnetflußdichte kann jedoch in Abhängigkeit von der Ausgangsleistung der Permanentmagnet-Rotationsmaschine, der axialen Länge, dem Maß der Streuung des Zahnende-Streumagnetflusses und der Anzahl von Magnetpolen des Läufers und des Ständers verändert werden.
Bei der vorstehenden Ausführungsform wird die Erfindung bei einer Permanentmagnet-Rotationsmaschine angewandt, bei der das Verhältnis der Anzahl von Magnetpolen (Polen) des Läufers zu der Anzahl von Magnetpolen (Nuten) des Ständers 2:3 ist. Bei der Permanentmagnet-Rotationsmaschine mit diesem Verhältnis der Anzahl von Magnetpolen ist das kleinste gemeinsame Vielfache der Anzahl von Magnetpolen des Läufers und der Anzahl von Magnetpolen des Ständers relativ klein, und das Hakmoment ist größer, so daß es wirkungsvoller ist, den optimalen Schrägungswinkel zu wählen.
Es erübrigt sich zu sagen, daß die Erfindung nicht auf das obige Verhältnis der Anzahl von Magnetpolen beschränkt ist, sondern auch bei Permanentmagnet-Rotationsmaschinen anwendbar ist, die ein anderes Verhältnis der Anzahl von Magnetpolen haben.
Außerdem wird bei der obigen Ausführungsform eine Permanentmagnet-Rotationsmaschine beschrieben, deren Läufer im Inneren des Ständers vorgesehen ist. Selbstverständlich kann die Erfindung auch bei einer Permanentmagnet-Rotationsmaschine vom Außenläufertyp angewandt werden, bei welcher der Ständer im Inneren des Läufers angeordnet ist.
Wie oben beschrieben, wird gemäß der Erfindung eine Permanentmagnet-Rotationsmaschine angegeben, die folgendes aufweist: einen Läufer mit einem Permanentmagneten, der eine Vielzahl von umfangsmäßig angeordneten Magnetpolen hat und mit einer Schrägung an der Grenzlinie zwischen den Magnetpolen in dem Permanentmagneten versehen ist, und einen Ständer, der einen Ständereisenkern von nahezu zylindrischer Gestalt hat, der mit einer Vielzahl von konvexen Polen ausgebildet ist, die nach innen vorstehen, wobei der Läufer gemeinsam mit dem Ständer angeordnet ist, und ist dadurch gekennzeichnet, daß der obere Grenzwert eines Schrägungswinkels kleiner als ein theoretischer Winkel θ_s (elektrischer Winkel) ist und daß der untere Grenzwert größer als der halbe theoretischer Winkel θ_s ist, wobei der theoretische Winkel θ_s wie folgt definiert ist: θs = 180 × (Anzahl Magnetpole in dem Läufer)/(kleinstes gemeinsames Vielfaches der Anzahl von Magnetpolen in dem Läufer und der Anzahl von Magnetpolen in dem Ständer) [Grad].
Somit kann eine Permanentmagnet-Rotationsmaschine mit höherer Leistungsdichte dadurch produziert werden, daß die Magnetflußdichte erhöht wird, während zugleich das Hakmoment kleiner als bei dem theoretischen Schrägungswinkel gemacht wird.

Claims

Permanentmagnet-Rotationsmaschine, die folgendes aufweist: – einen Permanentmagneten mit einer Vielzahl von Magnetpolen; – einen Läufer (3) mit dem umfangsmäßig angeordneten Permanentmagneten (32), der an der Grenzlinie zwischen den Magnetpolen in dem Permanentmagneten (32) mit einer Schrägung versehen ist; – einen Ständereisenkern (21) mit im wesentlichen zylindrischer Gestalt, der mit einer Vielzahl von nach innen ragenden konvexen Polen ausgebildet ist; und – einen Ständer (2), in dessen Innerem der Ständereisenkern (21) und der Läufer (3) angeordnet sind, wobei ein oberer Grenzwert eines Schrägungswinkels kleiner als ein nachstehend angegebener theoretischer Winkel θs (elektrischer Winkel) ist und ein unterer Grenzwert größer als der halbe theoretische Winkel θ_s ist, wobei der theoretische Winkel θ_s wie folgt definiert ist: θs = 180 × (Anzahl von Magnetpolen in dem Läufer)/(kleinstes gemeinsames Vielfaches der Anzahl von Magnetpolen in dem Läufer und der Anzahl von Magnetpolen in dem Ständer) [Grad].
Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Maximalwert der Magnetflußdichte in einem zentralen Bereich der konvexen Pole zu einem entlasteten Zeitpunkt gleich oder größer 1T ist.
Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Anzahl von Magnetpolen des Läufers zu der Anzahl von Magnetpolen des Ständers 2:3 ist.