DE102011050609A9

DE102011050609A9 - Rotierende elektrische Maschine mit verbessertem Magnetwiderstand

Info

Publication number: DE102011050609A9
Application number: DE102011050609A
Authority: DE
Inventors: Makoto Taniguchi
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2010-05-24
Filing date: 2011-05-24
Publication date: 2012-07-19
Anticipated expiration: 2031-05-25
Also published as: CN102263468B; US8841807B2; DE102011050609A1; FR2960355A1; JP5516068B2; JP2011250508A; CN102263468A; DE102011050609B4; FR2960355B1; US20110285243A1

Abstract

In einem Motor enthält ein Anker ein ringförmiges Joch mit einer Innenoberfläche und einer Anzahl von Zähnen, welche radial einzeln von der Innenoberfläche des ringförmigen Joches wegstehen und ein Rotor ist drehbar innerhalb des Ankers mit einem Spalt zwischen der Außenoberfläche des Rotors und der Innenoberfläche des Ankers angeordnet. Der Anker und der Rotor sind so ausgebildet, dass sie einen ersten magnetischen Widerstand haben, welcher es dem magnetischen Reaktionsfluss erleichtert, durch mindestens einen Zahn aus der Mehrzahl von Zähnen zu einem benachbarten Zahn des mindestens einen Zahnes darin zu fließen, im Vergleich zu dem magnetischen Reaktionsfluss in Richtung auf den Rotor hin. Der Anker und der Rotor sind so konstruiert, dass sie einen zweiten magnetischen Widerstand aufweisen, welcher es den magnetischen Hauptfluss auf der Basis des mindestens einen Paares von Magnetpolen erleichtert, zu einem Joch des Ankers zu fließen, im Vergleich zu dem magnetischen Hauptfluss in Richtung auf mindestens ein Zahn nahe bei dem magnetischen Hauptfluss.

Description

QUERBEZUG AUF ZUGEHÖRIGE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Erfindung basiert auf der japanischen Patentanmeldung 2010-118358 , eingereicht am 24. Mai 2010. Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung, so dass die Beschreibungen dieser japanischen Patentanmeldung hier durch Bezugnahme eingeführt seien.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf rotierende elektrische Maschinen zur Verwendung in elektrischen Haushaltsgeräten, industriellen Geräten, Motorfahrzeugen und dergleichen.
HINTERGRUND
Motoren mit konzentrierter Wicklung, welche Beispiele für Drehfeldmotoren sind, werden in vielerlei Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in elektrischen Haushaltsgeräten, industriellen Geräten und Motorfahrzeugen, aufgrund der Einfachheit ihrer Herstellung. Jedoch verursachen diese Motoren mit konzentrierter Wicklung Geräusche, da die Wellenform der induzierten Spannungen in ihren konzentrierten Ankerwicklungen aufgrund der relativ kurzen Wicklungsteilungen ihrer konzentrierten Wicklungen dazu neigen verzerrt zu werden. Dieses Geräusch ist insbesondere wahrnehmbar, wenn ein Motor mit konzentrierter Wicklung als bürstenloser Motor für Motorfahrzeuge eingesetzt wird.
Im Gegensatz hierzu kann bei Motoren mit verteilter Wicklung, welche Beispiele von Drehfeldmotoren sind, das Geräusch aufgrund der relativ weiten Windungsteilungen ihrer verteilten Ankerwicklungen vermindert werden, wobei ein Beispiel dieser Konstruktion in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2007-293764 offenbart ist.
Solch ein Motor mit verteilter Wicklung hat jedoch Ankerspulen mit Enden, wobei die Drahtlänge größer ist als diejenige der Enden der Ankerspulen eines Motors mit konzentrierter Wicklung, was darin resultiert, dass der Widerstand der Ankerwicklungen eines Motors mit verteilter Wicklung höher ist als derjenige der Ankerwicklungen eines Motors mit konzentrierter Wicklung. Selbst wenn daher der sogenannte Feldschwächungsprozess eingesetzt wird, wobei es sich um einen Prozess der Schwächung des Magnetfeldes des Rotors des Drehfeldmotors handelt, um dadurch das Ausgangsdrehmoment des Motors zu erhöhen, während der Drehfeldmotor insbesondere innerhalb höherer Drehzahlbereiche rotiert, und dieser Prozess auf einen Motor mit verteilter Wicklung angewendet wird, ist diese Anwendung weniger effektiv für einen Motor mit verteilter Wicklung.
Beispielsweise zeigt 1 ein Beispiel der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie eines Motors mit verteilter Wicklung, welche durch die unterbrochenen Linien L1 dargestellt ist. Die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie L1 zeigt auf, dass das Ausgangsdrehmoment des Motors mit verteilter Wicklung rasch mit einer Zunahme der Drehzahl des Motors mit verteilter Wicklung abfällt, auf welchen die Feldschwächung angewendet wird.
Im Gegensatz hierzu zeigt, wie in 1 durch die strichpunktierten Linien L2 dargestellt ist, ein Beispiel einer Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie eines Motors mit konzentrierter Wicklung, auf welchen die Feldschwächung angewendet wird; der Aufbau des Motors mit konzentrierter Wicklung ist im Wesentlichen identisch zu demjenigen des Motors mit verteilter Wicklung mit Ausnahme des Windungsaufbaus. Die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie L2 zeigt auf, dass das Ausgangsdrehmoment des Motors mit konzentrierter Wicklung im Vergleich zum Ausgangsdrehmoment des Motors mit verteilter Wicklung allmählich reduziert wird, wenn die Drehzahl des Motors mit konzentrierter Wicklung zunimmt.
Ein Hauptgrund, warum die Feldschwächung wenig effektiv bei Motoren mit verteilter Wicklung ist, besteht in Folgendem:
Eine Erhöhung der Drehzahl eines Drehfeldmotors erhöht die Gegen-EMK, welche von dem Drehfeldmotor erzeugt wird, was in einer Reduktion des Ankerstroms resultiert. Da die Gegen-EMK proportional zu der Drehzahl des Drehfeldmotors und der Stärke des durch den Rotor erzeugten Magnetfeldes ist, ist es notwendig, die Gegen-EMK zu vermindern, um hierdurch den Ankerstrom zu erhöhen.
Die Feldschwächung soll somit einen reaktiven Magnetfluss gegen den magnetischen Fluss des Rotors des Drehfeldmotors erzeugen, um hierdurch den Magnetfluss des Rotors abzuschwächen. Um daher die Feldschwächung auszuführen, ist es notwendig, eine Spannung an die Ankerwicklungen zu legen; diese Spannung hat einen Wert oder Pegel, der die Erzeugung des reaktiven magnetischen Flusses auf der Basis der Spannung ermöglicht, um dem von dem Rotor erzeugten Magnetfeld entgegenzuwirken.
Da jedoch, wie oben beschrieben, der Widerstand der Ankerwicklungen des Motors mit verteilter Wicklung relativ hoch ist, ist der Spannungsabfall an den Ankerwicklungen verhältnismäßig groß. Dies erschwert es, die Spannung mit ausreichendem Wert oder Pegel an die Ankerwicklungen zu legen, was zur Folge hat, dass der reaktive magnetische Fluss, der auf der Basis einer Spannung mit ausreichendem Pegel erzeugt wird, die an die Ankerwicklungen gelegt wird, unzureichend sein kann, um dem Magnetfeld entgegenzuwirken, das durch den Rotor erzeugt wird. Selbst wenn daher die Feldschwächung bei einem Motor mit verteilter Wicklung angewendet wird, kann die Gegen-EMK nicht ausreichend reduziert werden, was in einer Begrenzung der Zunahme der Drehzahl des Motors mit verteilter Wicklung resultiert. Insbesondere werden Motoren mit verteilter Wicklung für Motorfahrzeuge von Blei-Säure-Batterien angetrieben, welche in den Motorfahrzeugen installiert sind; diese Blei-Säure-Batterien für Motorfahrzeuge haben normalerweise eine niedrig bemessene Spannung von 12 Volt (V). Das bedeutet, die Spannung, welche an die Ankerwicklungen eines Motors mit verteilter Wicklung für ein Motorfahrzeug gelegt wird, ist auf die niedrig bemessene Spannung von 12 V einer Blei-Säure-Batterie begrenzt, die in dem Motorfahrzeug installiert ist. Somit ist die Begrenzung der Zunahme der Drehzahlen von Motoren mit verteilter Wicklung insbesondere in Motoren mit verteilter Wicklung zu beachten, welche in Motorfahrzeugen installiert sind.
ZUSAMMENFASSUNG
Angesichts der oben dargelegten Umstände ist es ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung, rotierende elektrische Maschinen zu schaffen, welche so ausgebildet sind, dass sie mindestens eines der oben geschilderten Probleme lösen.
Im Einzelnen zielt ein alternativer Aspekt der vorliegenden Offenbarung darauf ab, solche rotierende elektrische Maschinen zu schaffen, die jeweils in der Lage sind einen reaktiven magnetischen Fluss zu erzeugen, welcher dazu ausreicht, den magnetischen Fluss ihres Rotors entgegenzuwirken, um hierdurch die Gegen-EMK zu vermindern, welche von der rotierenden elektrischen Maschine erzeugt wird.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird also eine rotierende elektrische Maschine vorgeschlagen. Die rotierende elektrische Maschine enthält einen Anker. Der Anker enthält ein ringförmiges Joch mit einer inneren Oberfläche und einer Anzahl von Zähnen, welche radial einzeln von der inneren Oberfläche des ringförmigen Joches vorstehen. Die Anzahl der Zähne ist umfangsmäßig so angeordnet, dass sich dazwischen eine Anzahl von Nuten bildet, wobei die vorstehenden Endoberflächen der Anzahl von Zähnen eine innere Oberfläche des Ankers ausbilden. Der Anker ist so konstruiert, dass er einen reaktiven magnetischen Fluss erzeugt, wenn er gespeist wird. Die rotierende elektrische Maschine enthält einen Rotor mit mindestens einem Paar von magnetischen Polen und einer Außenoberfläche. Der Rotor ist drehbar innerhalb des Ankers angeordnet, wobei ein Spalt zwischen der Außenoberfläche des Rotors und der Innenoberfläche des Ankers gebildet ist. Der Anker und der Rotor sind so konstruiert, dass sie einen ersten magnetischen Widerstand haben, welcher es dem reaktiven magnetischen Fluss ermöglicht, durch mindestens einen Zahn in der Anzahl von Zähnen zu einem benachbarten Zahn des genannten mindestens einen Zahns seinen Weg zu nehmen, nämlich im Unterschied zu dem reaktiven magnetischen Fluss zu dem Rotor hin. Der Anker und der Rotor sind so ausgebildet, dass sie einen zweiten magnetischen Widerstand aufweisen, welcher es dem magnetischen Hauptfluss auf der Basis des mindestens einen Paares von magnetischen Polen erleichtert, zu dem Joch zu fließen, nämlich im Unterschied zu dem magnetischen Hauptfluss zu mindestens einem Zahn in der Nachbarschaft zu dem magnetischen Hauptfluss.
Obige und/oder weitere Merkmale und/oder Vorteile von verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen weiter verdeutlicht. Verschiedene Aspekte der vorliegenden Offenbarung können unterschiedliche Merkmale und/oder Vorteile, wo anwendbar, umfassen und/oder ausschließen. Zusätzlich können verschiedene Aspekte der vorliegenden Offenbarung eines oder mehrere Merkmale anderer Ausführungsbeispiele, wo anwendbar, miteinander kombinieren. Die Beschreibung der Merkmale und/oder Vorteile bestimmter Ausführungsformen sind nicht als eine Begrenzung anderer Ausführungsformen oder der Ansprüche zu verstehen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Andere Aspekte der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen deutlich. In den Zeichnungen stellen dar:
1 eine Graphik, welche schematisch Beispiele der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie eines Motors mit verteilter Wicklung, die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie eines Motors mit konzentrierter Wicklung und die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie eines dreiphasigen zehnpoligen Motors mit 60 Nuten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wiedergibt;
2A eine Querschnitts-Seitenansicht des Motors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2B eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils des in 2A gezeigten Motors;
3 eine vergrößerte Ansicht eines Teils eines Kerns eines Ankers und eines Teils eines Rotors des Motors gemäß 2A;
4 eine Graphik, welche schematisch eine Änderung der Selbstinduktion einer Phase der Ankerwicklung der dreiphasigen Ankerwicklung relativ zu dem Verhältnis der radialen Dicke a jedes zweiten Teils des Ankerkerns zu der radialen Länge d des Spaltes zwischen der Innenfläche des Ankerkerns 1 und der Außenfläche des Rotors gemäß der Ausführungsform der Erfindung darstellt;
5A eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Ankerkerns des Ankers und eines Teils des Rotors des Motors gemäß 2A;
5B eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines zweiten Teils des Ankerkerns;
6 eine Graphik, welche schematisch eine Änderung der Selbstinduktion einer Phase der Ankerwicklung der dreiphasigen Ankerwicklung relativ zu dem Verhältnis der umfangsmäßigen Länge b jedes Raums zwischen zweiten Teilen des Ankerkerns zu der Länge d des Spalts zwischen der Innenfläche des Ankerkerns und der Außenfläche des Rotors verdeutlicht;
7 eine Graphik, welche schematisch eine Änderung der Selbstinduktion einer Phase der Ankerwicklung der dreiphasigen Ankerwicklung relativ zu dem Verhältnis der radialen Dicke a jedes zweiten Teils des Ankerkerns zu der umfangsmäßigen Breite c des innersten Endes jedes ersten Teils des Ankerkerns zeigt;
8 eine vergrößerte perspektivische Ansicht des Leitersegments, welches für die Ankerwicklungen des Ankers zu verwenden ist; und
9 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Teils des Motors.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORM
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen werden identische Bezugszeichen zur Bezeichnung entsprechender identischer Bauteile verwendet. Es sei bemerkt, dass zur Vereinfachung der Darstellung des Aufbaus und der Wirkungsweisen der Ausführungsformen in der Darstellung einiger der begleitenden Zeichnungen eine Schraffierung weggelassen ist.
Es sei auf die Zeichnungen Bezug genommen und insbesondere auf die 2A und 2B, in welchen ein dreiphasiger, zehnpoliger Motor M mit 60 Nuten dargestellt ist, welcher im Wesentlichen zylindrische Gestalt hat und einfach als Motor M bezeichnet wird.
Der Motor M besteht aus einem Anker AR, welcher aus einem im Wesentlichen ringförmigen Ankerkern 1 mit bestimmter axialer Dicke besteht, sowie einem im Wesentlichen ringförmigen Rotor 2, der koaxial mit Bezug auf den Ankerkern 1 angeordnet und dem Ankerkern 1 über einen Spalt zwischen diesen Teilen gegenübersteht. Der Motor M enthält auch eine Rotorwelle 31, welche beispielsweise aus einem nicht-magnetischen Werkstoff, etwa rostfreiem Stahl, gefertigt ist.
Der Rotor 2 ist aus Magnetstahlblechen gefertigt, beispielsweise aus magnetisch weichem Material, und besteht aus einem im Wesentlichen ringförmigen Joch (Kern) 22, dessen Innenumfang feste Verbindung mit der Rotorwelle 31 hat. Der Rotor 2 enthält auch fünf Permanentmagnetpole 21, welche beispielsweise aus Selten-Erden-Magneten gefertigt sind. Die fünf Permanentmagnetpole 21 haben gleiche magnetische Polarität und sind etwa Nordpole oder Südpole, und sind an dem Außenumfang des Joches 22 befestigt. Die fünf Permanentmagnetpole 21 sind in Umfangsrichtung mit regelmäßiger Teilung dazwischen angeordnet. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel besitzt jeder der fünf Permanentmagnetpole 21 eine Nordpol-Polarität.
Die Außenfläche jedes der Permanentmagnetpole 21 ist mit einem vorbestimmten Krümmungsradius um die Mittelachse der Rotorwelle 31 gekrümmt.
Das Joch 22 ist mit fünf radial sich nach außen erstreckenden Vorsprüngen 23 versehen, die jeweils zwischen den fünf Permantentmagnetpolen 21 angeordnet sind und in Umfangsrichtung mit regelmäßiger Teilung angeordnet sind. Mit dieser Konstruktion des Rotors 2 verursachen die magnetischen Polaritäten der fünf Permanentmagnetpole 21, dass die fünf Vorsprünge 23 folglich mit der magnetischen Polarität entgegengesetzt zur magnetischen Polarität der fünf Permanentmagnetpole 21 magnetisiert sind; die genannten Vorsprünge 23 werden daher als ”Folgepole 23” nachfolgend bezeichnet. Bei der vorliegenden Ausführungsform haben die Folgepole 23 Südpol-Polarität.
Das Joch 22 hat Zwischenräume 24 zwischen den Permanentmagnetpolen 21 und den Folgepolen 23; diese Zwischenräume 24 dienen als magnetische Sperren zwischen den Permanentmagnetpolen 21 und den Folgepolen 23. Die Außenoberfläche jedes der Folgepole 23 ist mit vorbestimmten Krümmungsradius um die Mittelachse der Rotorwelle 31 gekrümmt. Der Rotor 2 besitzt eine Polpaarteilung von 72 mechanischen Graden entsprechend 360 elektrischen Graden.
Die gekrümmten Außenoberflächen der jeweiligen Magnetpole 21 und der Folgepole 23 bilden die Außenoberfläche des Rotors 2.
Der Ankerkern 1 besteht aus einem ringförmigen Joch 11 mit gegebener axialer Dicke und 60 Zähnen 12, die radial von der Innenoberfläche des Jochs 11 nach einwärts vorstehen. Im Einzelnen ist der dreiphasige, zehnpolige Motor mit 60 Nuten so ausgebildet, dass die Anzahl der Pole zehn ist, die Anzahl der Phasen des Motors M drei ist, die Anzahl der Zähne 12 je Pol und Phase zwei beträgt, die Gesamtzahl der Zähne 12 60 beträgt, wie sich aus der Gleichung 10 × 12 × 3 = 60 ergibt.
Die 60 Zähne 12 sind in Umfangsrichtung mit regelmäßigen Teilungen dazwischen angeordnet. Räume, die durch umfangsmäßig benachbarte Zähne und das Joch 11 umgrenzt sind, bilden 60 Nuten des Ankerkerns 1; jede der 60 Nuten besitzt in einem Radialschnitt rechteckige Gestalt.
Wie in den 2A und 2B dargestellt ist, befinden sich zwölf Zähne 22 des Ankerkerns 1 innerhalb von 72 mechanischen Graden entsprechend einer Polpaarteilung des Rotors 2. Die Teilung zwischen benachbarten Nuten (oder Zähnen 22) des Ankerkerns 1 ist auf 30 elektrische Grade eingestellt, was ganzzahlig in 60 elektrischen Graden enthalten ist.
Der Ankerkern 1 wird beispielsweise folgendermaßen hergestellt: Stanzen eines zuvor konstruierten Kernsegments aus jedem einer Anzahl von dünnen Magnetstahlblechen unter Verwendung einer Stanze und einer Form und Laminieren der Anzahl von Kernsegmenten aufeinander.
Der Anker AR enthält auch eine dreiphasige Ankerwicklung 3 (siehe 2B), welche in den Ankerkern 1 beispielsweise in verteilter Wicklungskonfiguration über die volle Teilung eingewickelt ist. Als jede der Dreiphasen-Ankerwicklungen 3 kann die Verbindung einer Anzahl von Leitersegmenten, welche jeweils aus einem Paar von in der Nut befindlichen Abschnitten und einem die beiden in der Nut befindlichen Abschnitte verbindenden Umkehrungsabschnitt bestehen, oder ein kontinuierlicher Leiterdraht verwendet werden, welcher in einem Querschnitt rechteckig oder kreisförmig ist.
Beispielsweise ist in einer elektrischen Winkelperiode (360 elektrische Grade) des Ankerkerns 1, welche einer Polpaarteilung des Rotors 2 entspricht und zwölf Nuten (1), (2), ... (12) enthält, eine erste U-Phasenspule in die erste Nut (1) und die siebente Nut (7) gewickelt und eine zweite U-Phasenspule ist in die zweite Nut (2) und die achte Nut (8) gewickelt. Die erste U-Phasenspule und die zweite U-Phasenspule sind beispielsweise in Serie geschaltet, um die U-Phasenwicklung zu bilden. Die Bezugzeichen ”U” und ”–U” repräsentieren die Richtungen eines Ankerstroms (U-Phasen-Wechselstrom), welcher durch jede der ersten und zweiten U-Phasenspulen fließt. Beispielsweise ist der U-Phasen-Wechselstrom, welcher durch den Teil der ersten U-Phasenspule in der ersten Nut (1) fließt, entgegengesetzt zu der Richtung des Stroms, der durch den Teil der ersten U-Phasenspule in der siebenten Nut (7) fließt.
In entsprechender Weise ist in einer Periode des elektrischen Winkels (360 elektrische Grade) des Ankerkerns 1 eine erste V-Phasenspule in die fünfte Nut (5) und die elfte Nut (11) gewickelt, und eine zweite V-Phasenspule ist in die sechste Nut (6) und die zwölfte Nut (12) gewickelt. Die erste V-Phasenspule und die zweite V-Phasenspule sind beispielsweise in Reihe geschaltet, um die V-Phasenwicklung zu bilden. Die Bezugszeichen ”V” und ”–V” repräsentieren die Richtungen eines Ankerstroms (V-Phasenwechselstrom), welcher durch jede der ersten und zweiten V-Phasenspulen fließt. Beispielsweise ist der V-Phasenwechselstrom, welcher durch den Teil der ersten V-Phasenspule in der fünften Nut (5) fließt, in der Richtung entgegengesetzt zu demjenigen Strom, welcher durch den Teil der ersten V-Phasenspule in der elften Nut (11) fließt.
Weiter ist innerhalb einer Periode des elektrischen Winkels (360 elektrische Grade) des Ankerkerns 1 eine erste W-Phasenspule in die neunte Nut (9) und die dritte Nut (3) gewickelt, und eine zweite W-Phasenspule ist in die zehnte Nut (10) und die vierte Nut (4) gewickelt. Die erste W-Phasenspule und die zweite W-Phasenspule sind beispielsweise in Serie geschaltet, um die W-Phasenwicklung zu bilden. Die Bezugszeichen ”W” und ”–W” repräsentieren die Richtung eines Ankerstroms (W-Phasenwechselstrom), welcher durch jede der ersten und zweiten W-Phasenspulen fließt. Beispielsweise ist der W-Phasenwechselstrom, welcher durch den Teil der ersten W-Phasenspule in der neunten Nut (9) fließt, in der Richtung entgegengesetzt zu demjenigen Strom, welcher durch den Teil der erste W-Phasenwicklung in der dritten Nut (3) fließt.
Ebenso wie in die erste Gruppe von Nuten (1) bis (12) sind U-, V- und W-Phasenwicklungen 3 in jede der zweiten Gruppe von Nuten (13) bis (24) der dritten Gruppe von Nuten (25) bis (36), der vierten Gruppe von Nuten (37) bis (48) und der fünften Gruppe von Nuten (49) bis (60) gewickelt. Mit anderen Worten, die Ankerwicklungen 3 sind in folgende Gruppen zu qualifizieren: die erste Gruppe von Ankerwicklungen, welche in die erste Gruppe von Nuten (1) bis (12) gewickelt sind, die zweite Gruppe von Ankerwicklungen, welche in die zweite Gruppe von Nuten (13) bis (24) gewickelt sind, die dritte Gruppe von Ankerwicklungen, welche in die dritte Gruppe von Nuten (25) bis (36) gewickelt sind, die vierte Gruppe von Ankerwicklungen, welche in die vierte Gruppe von Nuten (37) bis (48) gewickelt sind, und die fünfte Gruppe von Ankerwicklungen, welche in die fünfte Gruppe von Nuten (49) bis (60) gewickelt sind.
Die Ankerströme (U-, V- und W-Phasenwechselströme) haben eine Phasendifferenz von 120°; diese Ankerströme werden auf der Basis von dreiphasigen Wechselspannungen zugeführt, welche von einem Inverter 40 bezogen werden; dieser Inverter 40 erzeugt die dreiphasigen Wechselspannungen beispielsweise auf der Basis einer Blei-Säure-Batterie, welche in dem Motorfahrzeug installiert ist und eine niedrig bemessene Spannung von 12 V hat.
Die Zufuhr einer Periode (360 elektrische Grade) der Ankerströme zu der ersten Gruppe von Ankerwicklungen erzeugt eine Periode (360 elektrische Grade) eines rotierenden Magnetfeldes. Mit anderen Worten, das Magnetfeld, welches durch die Ankerströme erzeugt wird, die zu jeder Gruppe von Ankerwicklungen geführt wird, dreht sich um 360 elektrische Grade entsprechend dem mechanischen Winkel von 72°. Durch Zufuhr der Ankerströme der Reihe nach zu der jeweiligen ersten bis fünften Gruppe von Ankerwicklungen wird somit ein kontinuierlich rotierendes Magnetfeld erzeugt, welches fünf Polpaare um den Ankerkern 1 herum hat (360 mechanische Grade).
Jede der ersten und zweiten U-Phasenwicklungen, der ersten und zweiten V-Phasenwicklungen und der ersten und zweiten W-Phasenwicklungen kann einzeln als Paar von Dreiphasenwicklungen durch ein Paar von Invertern betrieben werden.
Die magnetische Wechselwirkung zwischen dem kontinuierlich umlaufenden Magnetfeld und jedem der Pole (der Permanentmagnetpole 21 und der folgenden Pole 23) des Rotors 2 erzeugt Drehmoment zum Drehen des Rotors 2.
Als nächstes sei nachfolgend der Aufbau des Ankers AR im Einzelnen beschrieben.
Wie in 3 dargestellt, enthält jeder der Zähne 12 einen ersten Abschnitt 14, welcher sich von der Innenfläche des Jochs 11 aus sich verjüngend in Richtung auf die Rotorwelle 31 erstreckt, so dass der Abschnitt im Wesentlichen trapezförmige Gestalt in einem radialen Querschnitt hat. Jeder der Zähne 12 enthält auch einen zweiten Abschnitt (Magnetkreisverlängerung) 15, der radial (vorstehend) von dem inneren Ende des ersten Abschnitts 13 aus verläuft, um der Außenoberfläche des Rotors 2 gegenüberzustehen, und hat im Wesentlichen in seinem Radialquerschnitt rechteckige Gestalt. Der zweite Abschnitt 15 jedes der Zähne 12 besitzt eine Breite, welche im Wesentlichen in Umfangsrichtung des Rotors 2 bemessen ist; diese Breite ist größer als die Breite des innersten Endes des ersten Abschnitts 14 mit Bezug auf die Umfangsrichtung des Rotors 2. Das bedeutet, die Endoberflächen der zweiten Abschnitte 15 der Zähne 12 bilden die Innenoberfläche des Ankerkerns 1 und die Innenoberflächen des Ankerkerns 1 und die Außenoberfläche des Rotors 2 bilden den Spalt zwischen dem Ankerkern 1 und dem Rotor 2.
Die zweiten Abschnitte 15 der Zähne 12 bilden einen magnetischen Weg, über welchen ein Magnetfluss, welcher durch den Rotor 2 erzeugt wird, und derjenige, welcher durch den Anker AR erzeugt wird, fließen können.
Wie in 3 dargestellt, sind die zweiten Abschnitte 15 der Zähne 12 in Umfangsrichtung mit regelmäßigen Abständen dazwischen angeordnet. Die umfangsmäßige Länge jedes der Abstände zwischen den zweiten Abschnitten 15 der Zähne 12 ist mit ”b” bezeichnet, und die radiale Dicke jedes der zweiten Abschnitte 15 ist mit ”a” bezeichnet. Die Breite des innersten Endes des ersten Abschnittes 14 in der Umfangsrichtung des Rotors 2 ist mit ”c” bezeichnet und die radiale Länge des Spaltes zwischen der inneren Oberfläche des Ankerkerns 1 und der Außenoberfläche des Rotors 2 ist mit ”d” bezeichnet. Jeder der Abstände zwischen den zweiten Abschnitten 15 der Zähne 12 kann auch mit ”b” bezeichnet werden und der Spalt zwischen der Innenoberfläche des Ankerkerns 1 und der Außenoberfläche des Rotors 2 kann nachfolgend auch mit ”d” bezeichnet werden.
Das bedeutet, der Ankerkern 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist mit jedem der zweiten Abschnitte 15 der Zähne 12 versehen, welcher eine spezifische Konfiguration aufweist, die durch die Parameter a, b, c und d definiert ist; diese spezifische Konfiguration bedingt verbesserte Eigenschaften des Magnetwiderstandes des magnetischen Weges durch die zweiten Abschnitte 15 der Zähne 12.
4 zeigt als Kurve L3 eine Änderung der Selbstinduktion einer Einphasen-Ankerwicklung der Dreiphasen-Ankerwicklungen 3 relativ zu dem Verhältnis des Parameters a zu dem Parameter d (a/d), wenn die Selbstinduktivität der Einphasen-Ankerwicklung mit dem Verhältnis a/d auf hier 1,0 eingestellt ist. Diese Charakteristik der Selbstinduktion der Einphasen-Ankerwicklung wurde experimentell unter Verwendung des Motors M erhalten.
4 zeigt, dass eine Zunahme in dem Verhältnis a/d monoton die Selbstinduktion der Einphasen-Ankerwicklung ansteigen lässt, was auf der Verminderung der magnetischen Sättigung in den zweiten Abschnitten 15 der Zähne 12 beruht. Wenn das Verhältnis a/d zu 2,0 wird, dann wird die Selbstinduktion der Einphasen-Ankerwicklung im Wesentlichen 1,35. Das bedeutet, die Selbstinduktion der Einphasen-Ankerwicklung mit dem Verhältnis a/d von 2,0 ist im Wesentlichen das 1,35-fache der Selbstinduktion der Einphasen-Ankerwicklung mit dem Verhältnis a/d von 1,0. Dies beruht darauf, dass eine Zunahme in der radialen Dicke jedes der zweiten Abschnitte 15 relativ zu der radialen Länge d des Spaltes ermöglicht, dass die magnetische Sättigung in dem zweiten Abschnitt 15 vermindert wird. Die Zunahme der Selbstinduktion der Einphasen-Ankerwicklung bedeutet, dass der magnetische Widerstand eines magnetischen Weges durch einen zweiten Abschnitt 15 niedriger ist als diejenige eines magnetischen Weges durch den Spalt zwischen der Innenoberfläche des Ankerkerns 1 und der Außenoberfläche des Rotors 2.
Dies hat zur Folge, dass der reaktive magnetische Fluss, der auf der Basis der Erregung der Ankerwicklungen durch einen zweiten Abschnitt 15 erzeugt wird, welcher eine magnetische Polarität entgegen einem magnetischen Hauptfluss eines Magnetpols des Rotors 2 gegenüberstehend dem zweiten Abschnitt 15 mit derselben magnetischen Polarität hat, Schwierigkeiten hat, durch den Luftspalt zwischen der Innenoberfläche des Ankerkerns 1 und der Außenoberfläche des Rotors 2 zu fließen, im Vergleich mit dem Fluss durch den zweiten Abschnitt 15. Mit anderen Worten, der magnetische Weg des reaktiven magnetischen Flusses, welcher mit einer Phasen-Ankerwicklung verkettet ist, durch den zweiten Abschnitt 15, ist vermindert. Dies erzeugt in ausreichendem Maße eine Verkettung des Magnetflusses zu einer Phasen-Ankerwicklung durch einen zweiten Abschnitt 15 unabhängig von der Verwendung eines niedrigen Ankerstroms (Spannung) zur Schwächung der Wirkung des magnetischen Hauptflusses eines Magnetpols des umlaufenden Rotors 2 entgegengesetzt zu dem zweiten Abschnitt 15; dieser magnetische Hauptfluss versucht sich mit einer Phasen-Ankerwicklung zu verketten. Hierdurch vermindert sich der magnetische Hauptfluss eines Magnetpols des rotierenden Rotors 2 entgegengesetzt zu jedem der zweiten Abschnitte 15 und somit wird die Gegen-EMK, welche von dem Motor M erzeugt wird, vermindert. Die Verminderung der Gegen-EMK, welche von dem Motor M erzeugt wird, gestattet es, dass die Drehzahl des Motors M (des Rotors 2) unter geringer Berücksichtigung der Gegen-EMK erhöht werden kann.
Beispielsweise ist der Motor M gemäß der vorliegenden Ausführungsform so ausgelegt, dass das Verhältnis a/d 2,0 beträgt. Die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie L4 des Motors M ist in 1 dargestellt, wobei diese Kennlinie unter der Annahme erhalten wird, dass der Aufbau des Motors M im Wesentlichen identisch zu demjenigen des Motors mit verteilter Wicklung entsprechend der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie L2 ist, mit Ausnahme der Merkmale des Motors M gemäß vorliegender Ausführungsform.
Es sei auf 1 Bezug genommen. Die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie L4 zeigt, dass die Abnahmerate des Ausgangs-Drehmoments des Motors M relativ zu einer Zunahme der Drehzahl des Motors M geringer ist als diejenige der Abnahme des Ausgangs-Drehmoments jedes der herkömmlichen Motoren mit dem Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien L1 und L2. Es ist somit möglich, die Drehzahl des Motors M bis hinauf zu einem Pegel zu erhöhen, welcher höher liegt als bei der Drehzahl jedes der herkömmlichen Motoren mit den Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien L1 und L2.
Es sei bemerkt, dass das Verhältnis a/d auf einem Wert höher als 2,0 eingestellt werden kann. Wegen eines exzessiv erhöhten Wertes des Verhältnisses a/d kann sich jedoch die Fläche der Nuten vermindern, was in einer Erhöhung des Widerstands der Dreiphasen-Ankerwicklungen resultiert, weshalb es vorzuziehen ist, den Motor M entsprechend dem beabsichtigten Verwendungszweck zu konstruieren.
Zusätzlich ist der Motor M gemäß der vorliegenden Ausführungsform so konstruiert, dass der Parameter b auf einen Wert gleich groß wie oder niedriger als der Parameter d eingestellt ist. Wie die Beziehung zwischen den Parametern b und d des Motors M bestimmt wird, sei nachfolgend unter Bezugnahme auf 5A beschrieben.
5A zeigt schematisch den Verlauf eines magnetischen Hauptflusses eines magnetischen Poles des Rotors 2. In 5A wird der magnetische Hauptfluss von einem Permanentmagnetpol 21 erzeugt und enthält den Verkettungsfluss Φ1 der mit einer Ankerwicklung des Ankers AR verkettet ist, sowie einen Leckfluss Φ2, welcher durch die Zähne 12 nahe dem Permanentmagnetpol 21 verläuft und zu einem Folgepol 23 neben dem Permanentmagnetpol 21 zurückkehrt.
Wie in 5A dargestellt muss der Leckfluss Φ2 zusätzlich zu dem Spalt d durch mindestens einen Zwischenraum b verlaufen. Da jedoch der Verkettungsfluss Φ1 durch das Joch 11 zurück zu einem Folgepol 23 verläuft, fließt der Verkettungsfluss Φ1 durch den Spalt d, ohne durch die Abstände b zu fließen. Somit ist der magnetische Widerstand eines Magnetflussweges des Verkettungsflusses Φ1 außerordentlich viel kleiner als derjenige eines Magnetflussweges des Leckflusses Φ2.
Mit anderen Worten, wenn die zweiten Abschnitte 15 miteinander durch magnetisches Material verbunden wären, dann würde der Leckfluss Φ2 extrem ansteigen, so dass das Ausgangsmoment des Motors M bei einem niedrigen Drehzahlbereich vermindert würde.
Somit ist es notwendig, die Zwischenräume b zwischen den zweiten Abschnitten 15 vorzusehen, von denen jeder eine ausreichende Länge hat.
6 zeigt als Kurve L5 eine Änderung der Selbstinduktion der Einphasen-Ankerwicklung der Dreiphasen-Ankerwicklungen 3 relativ zu dem Verhältnis der umfangsmäßigen Weite b jedes Zwischenraumes zwischen den zweiten Abschnitten 15 zu der Länge d des Spaltes zwischen der Innenoberfläche des Ankerkernes 1 und der Außenoberfläche des Rotors 2 (b/d) mit Bezug auf die Selbstinduktion der Einphasen-Ankerwicklung von 1,0. Diese Kennlinie der Selbstinduktion der Einphasen-Ankerwicklung wurde unter Verwendung des Motors M experimentell ermittelt.
6 zeigt, dass dann, wenn die umfangsmäßige Länge b jedes Zwischenraumes zwischen den zweiten Abschnitten 15 größer ist als die Länge d des Spaltes zwischen der Innenoberfläche des Ankerkernes 1 und der Außenoberfläche des Rotors 2, d. h., das Verhältnis b/d größer ist als 1,0, die Selbstinduktion der Einphasen-Ankerwicklung extrem abfällt, beispielsweise aufgrund der magnetischen Sättigung der zweiten Abschnitte 15 der Zähne 12. Es ist somit vorzuziehen, dass die umfangsmäßige Länge b jedes Abstandes zwischen den zweiten Abschnitten 15 gleich groß wie oder kürzer als die Länge d des Spaltes zwischen der Innenoberfläche des Ankerkernes 1 und der Außenoberfläche des Rotors 2 ist.
Wie jedoch oben beschrieben wird der Ankerkern 1 hergestellt durch folgende Schritte: Ausstanzen eines zuvor konstruierten Kernsegmentes aus jeweils einer Anzahl von dünnen Magnetstahlblechen SH unter Verwendung eines Stanzwerkzeugs und einer Form; und Laminieren der Anzahl von Kernsegmenten miteinander (siehe 5B). Die umfangsmäßige Länge b jedes Abstandes zwischen den zweiten Abschnitten 15 muss daher länger als die Dicke t jedes der Anzahl von dünnen Magnetstahlblechen SH aus Gründen der Durchführbarkeit sein. Dies beruht darauf, dass dann, wenn die umfangsmäßige Länge b jedes Abstandes zwischen den zweiten Abschnitten 15 kürzer wäre als die Dicke t jedes der Anzahl von dünnen Magnetstahlblechen SH, es schwierig wäre, die zuvor konstruierten Kernsegmente von jedem der Anzahl von dünnen Magnetstahlblechen SH unter Verwendung eines Stanzwerkzeuges und einer Form auszustanzen, was in einer Zunahme der Zahl der notwendigen Arbeitsstunden bei der Herstellung des Ankerkernes 1 resultieren würde.
Der Motor M gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist somit derart konstruiert, dass das Verhältnis b/d gleich groß wie oder niedriger als 1,0 ist und die umfangsmäßige Länge b jedes Abstandes zwischen den zweiten Abschnitten 15 größer als die Dicke t jedes der Anzahl von dünnen Magnetstahlblechen SH ist.
Diese Bemessung der umfangsmäßigen Länge b jedes Abstandes zwischen den zweiten Abschnitten 15 gestattet das zuvor konstruierte Kernsegment leicht aus jedem der Anzahl von dünnen Magnetstahlblechen SH auszustanzen.
Es wird ermöglicht, die Selbstinduktion oder Eigeninduktivität jeder der Dreiphasen-Ankerwicklungen auf einem hohen Niveau zu halten, während die Anzahl von Arbeitsstunden für die Herstellung des Ankerkerns 1 vermindert wird.
Zusätzlich verläuft, wie in 3 durch unterbrochene Linien Y1 dargestellt ist, ein durch ein Paar benachbarter zweiter Abschnitt 15 gehender Magnetflussweg durch ein entsprechendes Paar der Zähne 12 und einen entsprechenden Abschnitt des Joches 11. Aus diesem Grunde ist es vorzuziehen, dass die radiale Dicke a jedes der zweiten Abschnitte 15 größer als die Breite C des innersten Endes des ersten Abschnittes 14 mit Bezug auf die Umfangsrichtung des Rotors 2 ist. Dies hat zum Ziele, die magnetische Sättigung der zweiten Abschnitte 15 der Zähne 12 zu verhindern.
7 ist eine Graphik, welche schematisch eine Änderung der Selbstinduktion oder Eigeninduktivität der Einphasen-Ankerwicklung der Dreiphasen-Ankerwicklung 3 relativ zu dem Verhältnis der radialen Dicke a jedes zweiten Abschnittes des Ankerkernes 1 zu der umfangsmäßigen Breite c des innersten Endes jedes ersten Abschnittes 14 des Ankerkernes 1 aufzeigt.
Wie durch die Kurve L6 in 7 dargestellt ist, hat jeder zweite Abschnitt 15, wenn das Verhältnis a/c gleich groß wie oder kleiner als 1,0 ist, d. h., wenn die radiale Dicke a jedes zweiten Abschnittes 15 gleich groß wie oder kleiner als die umfangsmäßige Breite c des innersten Endes des ersten Abschnittes 14 ist, die geringste Breite in dem magnetischen Flussweg hierdurch, was darin resultiert, dass die Eigeninduktivität oder Selbstinduktion jeder Ankerwicklung 3 sich mit der Änderung des Verhältnisses von a/c wesentlich ändert, da die Parameter a und c der zweiten Abschnitte 15 die Faktoren sind, welche die Eigeninduktivitäten oder Selbstinduktionen der Ankerwicklungen 3 bestimmen.
Wenn jedoch das Verhältnis a/c größer als 1,0 ist, d. h. die radiale Dicke a jedes der zweiten Abschnitte 15 größer als die umfangsmäßige Breite c des innersten Endes des ersten Abschnittes 14 ist, ist die umfangsmäßige Breite c des innersten Endes des ersten Abschnittes 14 die geringste Breite in dem magnetischen Weg durch einen entsprechenden zweiten Abschnitt 15, was zum Ergebnis hat, dass die Selbstinduktion oder Eigeninduktivität jeder Ankerwicklung 3 sich allmählich ändert, selbst wenn die radiale Dicke a jedes der der zweiten Abschnitte 15 vergrößert ist.
Es sei bemerkt, dass dann, wenn ein durchgehender kontinuierlicher Draht mit kreisförmiger Gestalt seines Querschnittes für jede der Dreiphasen-Ankerwicklungen 3 verwendet würde und der Durchmesser des durchgehenden Drahtes größer wäre als die umfangsmäßige Länge b jedes Abstandes zwischen den zweiten Abschnitten 15, es schwierig wäre, die durchgehenden Drähte in entsprechende Nuten des Ankerkerns 1 von ihren inneren Seiten her durch die entsprechenden Zwischenräume b einzusetzen.
Es ist somit vorzuziehen, dass der Motor M gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Verbindung einer Anzahl von Leitersegmenten für jede der Dreiphasen-Ankerwicklungen 3 verwendet, welche in den Ankerkern 1 als verteilte, volle Teilung aufweisende Wicklungskonstruktion gewickelt sind.
Wie in 8 dargestellt ist die Anzahl von Leitersegmenten 7 vorgesehen. Jedes der Anzahl von Leitersegmenten 7 besteht aus einem Paar von in der Nut befindlichen Abschnitten 4a und einem U- oder V-förmigen Umbiegungsabschnitt 7b, so dass jeder in der Nut befindliche Abschnitt 7a an seinem einen Ende von einem entsprechenden Ende des Umbiegungsabschnittes 7b vorsteht. Vor dem Einbau jedes Leitersegmentes 7 in den Ankerkern 1 steht das andere Ende jedes der in der Nut befindlichen Abschnitte 7a gerade vor.
Einer der in der Nut befindlichen Abschnitte 7a des einen Leitersegmentes 7 wird in eine entsprechende Nut des Ankerkerns 1 eingesetzt und der andere der in der Nut befindlichen Abschnitte 7a wird in eine entsprechende Nut des Ankerkerns 1 von der Unterseite der Darstellung von 9 eingesetzt, so dass die anderen Enden der in der Nut befindlichen Abschnitte 7a von den entsprechenden Nuten des Ankerkerns 1 vorstehen. Diese anderen Enden der in der Nut befindlichen Abschnitte 7a ragen aus den entsprechenden Nuten (des Ankerkerns 1) vor und werden als die vorstehenden Endabschnitte nachfolgend bezeichnet.
Danach wird jeder der vorstehenden Endabschnitte des einen Leitersegmentes 7 um einen vorbestimmten elektrischen Winkel mit Bezug auf die Axialrichtung einer entsprechenden Nut sich nach auswärts neigend abgebogen. Nach dem Biegen wird ein Spitzenende jedes der vorstehenden Endabschnitte des Leitersegmentes 7 durch Schweißung (siehe Bezugszahl 31 in 9) mit einem Spitzenende eines entsprechenden der vorstehenden Endabschnitte eines anderen Leitersegmentes 7 verbunden, welches in entsprechende Nuten in derselben Weise wie das eine Leitersegment 7 eingesetzt ist.
Das bedeutet, die Anzahl von Leitersegmenten 7 wird in entsprechende Nuten des Ankerkerns 1 eingesetzt, die vorstehenden Endabschnitte jedes der eingesetzten Leitersegmente 7 werden gebogen und ein Spitzenende jedes der vorstehenden Endabschnitte jedes der Leitersegmente 7 wird durch Schweißung mit einem Spitzenende eines entsprechenden der vorstehenden Endabschnitte eines entsprechenden der eingeführten Leitersegmente 7 verbunden. Hierdurch entstehen die Dreiphasen-Ankerwicklungen 3, von denen jede aus der Verbindung einer Anzahl von Leitersegmenten 7 besteht, welche in den Ankerkern 1 in verteilter Wicklungskonfiguration über eine volle Teilung eingewickelt sind.
Diese Wicklungskonfiguration gestattet es, dass die Spulenenden oder Spulenköpfe der Ankerwicklungen 3 beispielsweise in Umfangsrichtung und Radialrichtung des Motors M ausgerichtet sind. Dies ermöglicht es, die Motorgröße des Motors M zu vermindern. Im Allgemeinen wird bei Motoren, deren Ankerwicklungen eine verteilte Wicklungskonfiguration haben, die axiale Länge der Spulenenden der Ankerwicklungen vergrößert, was einer Verkleinerung des Motors entgegensteht. Der Motor M, dessen Ankerwicklungen 3 jeweils aus der Verbindung einer Anzahl von Leitersegmenten besteht, verhindert jedoch eine Vergrößerung der Längen der Spulenenden der Ankerwicklungen. Diese Wicklungskonfiguration ermöglicht es, den Motor M in einfacher Weise herzustellen, da beispielsweise keine Maßnahmen zur Wicklung kontinuierlicher Drähte vorgesehen sind. Insbesondere kann durch Verwendung jeweils einer Anzahl von Leitersegmenten 7 mit rechteckigen Querschnitt die elektrische Belastbarkeit des Motors M vergrößert werden, mit anderen Worten, die Zahl der Amperewindungen in jeder der Dreiphasen-Ankerwicklungen 3 kann vergrößert werden.
Wie oben beschrieben besteht der Motor M als Beispiel für eine rotierende elektrische Maschine aus einem Anker AR und einem Rotor 2. Der Anker AR enthält ein ringförmiges Joch 11 mit einer Innenfläche und einer Anzahl von Zähnen 12, welche radial einzeln von der Innenfläche des ringförmigen Joches 11 vorstehen. Die Anzahl von Zähnen 12 ist in Umfangsrichtung angeordnet, um eine Anzahl von Nuten dazwischen auszubilden. Die vorstehenden Endoberflächen der Anzahl von Zähnen 12 bilden eine Innenoberfläche des Ankers AR. Der Anker AR ist so konstruiert, dass er bei seiner Erregung einen induktiven Magnetfluss erzeugt. Der Rotor 2 besitzt mindestens ein Paar von magnetischen Polen 21 und 23 und besitzt eine Außenoberfläche. Der Rotor 2 ist drehbar innerhalb des Ankers AR angeordnet, wobei ein Spalt zwischen der Außenoberfläche des Rotors und der Innenoberfläche des Ankers AR vorgesehen ist.
Der Anker AR und der Rotor 2 sind insbesondere so ausgebildet, dass sie folgendes aufweisen:
einen ersten magnetischen Widerstand, welcher es dem induktiven magnetischen Fluss erleichtert, von mindestens einem Zahn 12 aus der Anzahl von Zähnen 12 zu einem benachbarten Zahn 12 gegenüber dem induktiven magnetischen Fluss zu dem Rotor 2 zu fließen; und
einen zweiten magnetischen Widerstand, welcher es dem magnetischen Hauptfluss erleichtert zu dem Joch 1 zu fließen, im Vergleich zu dem magnetischen Hauptfluss zu mindestens einem Zahn 12 nahe dem magnetischen Hauptfluss. Mit anderen Worten, der Anker AR und der Rotor 2 sind in besonderer Weise ausgebildet, derart, dass:
ein magnetischer Widerstand für den induktiven magnetischen Fluss, welcher durch mindestens einen Zahn 12 aus der Mehrzahl von Zähnen 12 zu einem benachbarten Zahn 12 fließt, kleiner ist als ein magnetischer Widerstand für den induktiven magnetischen Fluss, welcher in Richtung auf den Rotor 2 fließt; und
ein magnetischer Widerstand für den magnetischen Hauptfluss, welcher in Richtung auf das Joch 1 fließt, kleiner ist als ein magnetischer Widerstand für den magnetischen Hauptfluss, welcher in Richtung auf mindestens einen Zahn 12 in der Nachbarschaft zu dem magnetischen Hauptfluss fließt.
Diese Konstruktion erschwert es dem induktiven magnetischen Fluss, welcher von dem Anker AR erzeugt wird, in Richtung zu dem Rotor 2 zu gelangen, wodurch der Magnetweg des induktiven magnetischen Flusses, welcher mit einer Phasenankerwicklung verkettet ist, vermindert wird. Dies erzeugt in ausreichenden Maße einer Verkettung des Magnetflusses zu einer Phasenankerwicklung unabhängig von der Verwendung eines niedrigen Ankerstromes (Spannung) zur Schwächung der Wirkung des magnetischen Hauptflusses eines Magnetpoles des umlaufenden Rotors 2; dieser magnetische Hauptfluss ist bestrebt, sich mit der einen Phasenankerwicklung zu verketten.
Diese vermindert den magnetischen Hauptfluss eines Magnetpols des umlaufenden Rotors 2 und vermindert somit die Gegen-EMK, welche von dem Motor M erzeugt wird. Die Verminderung der Gegen-EMK, welche von dem Motor M erzeugt wird, gestattet es, die Drehzahl des Motors M (des Rotors 2) mit geringer Berücksichtigung der Gegen-EMK zu erhöhen.
Zusätzlich vergrößert die Konstruktion den induktiven magnetischen Fluss ohne eine Verminderung der Zahl der Verkettung zu einer Phasenwicklung, da der zweite magnetische Widerstand es dem magnetischen Hauptfluss erleichtert in Richtung zu dem Joch 11 zu fließen, im Vergleich zu dem magnetischen Hauptfluss. Dies ermöglicht einen Abgleich zwischen sowohl der Aufrechterhaltung des Drehmomentes bei einem niedrigen Drehzahlbereich des Motors M und der Erhöhung der Drehzahl des Motors M.
Bei dem Motor M enthält das mindestens eine Paar von Magnetpolen 21 und 23 einen Permanentmagnetpol 21, der an der Außenoberfläche des Rotors 2 angeordnet ist, und das vorstehende Ende jedes der Anzahl von Zähnen 12 ist mit einer Verlängerung 15 des magnetischen Weges versehen, welche an beiden umfangsmäßigen Seiten dieser Verlängerung vorsteht. Die Magnetwegverlängerungen 15 der Anzahl von Zähnen 12 sind umfangsmäßig mit dazwischenliegenden Zwischenräumen angeordnet. Jede der Magnetwegverlängerung hat eine radiale Dicke a. Die radiale Dicke ist gleich groß wie oder größer als das Doppelte einer radialen Länge d des Spaltes oder Luftspaltes. Eine umfangsmäßige Länge b jedes der Zwischenräume ist gleich groß wie oder kürzer als die radiale Länge d des Spaltes.
Diese Konstruktion ermöglicht eine bloße Änderung eines Stanzwerkzeugs und einer Form zum Ausstanzen des Ankers AR gegenüber einem normalen Stanzwerk und einer Form zur Verminderung des magnetischen Widerstands für den induktiven Magnetfluss, welcher durch mindestens einen der Zähne 12 in der Anzahl von Zähnen 12 zu einem benachbarten Zahn 12 fließt im Vergleich zu dem magnetischen Widerstand für den induktiven magnetischen Fluss, welcher in Richtung zum Rotor 2 fließt.
Der Motor M ist so konstruiert, dass jeder der Mehrzahl von Zähnen 12 in Richtung zum Rotor 2 hin sich verjüngt, um eine umfangsmäßig geringste Breite c zu erreichen und die radiale Dicke a jedes der magnetischen Wegverlängerungen 15 ist größer als die umfangsmäßig geringste Breite c. Diese Konstruktion erhöht in effektiver Weise die Eigeninduktivität oder Selbstinduktion jeder Ankerwicklung 3.
Der Motor M ist so konstruiert, dass das Joch 11 und die Anzahl von Zähnen 12 einen Ankerkern 1 bilden, und der Ankerkern 1 besteht aus einer Anzahl von magnetischen Stahlblechen SH, welche aufeinander laminiert sind. Jedes der Anzahl von magnetischen Stahlblechen SH besitzt eine Dicke t und die umfangsmäßige Länge b jedes der Zwischenräume ist größer als die Dicke t jedes der Anzahl von magnetischen Stahlblechen SH. Diese Konstruktion verhindert, dass der induktive magnetische Fluss entsprechend der Gegen-EMK in Richtung auf den Rotor 2 (siehe 6) fließt, wodurch in wirksame Weise die Eigeninduktivität jeder Ankerwicklung 3 erhöht wird.
Der Motor M ist so konstruiert, dass dann, wenn die Gesamtzahl der Magnetwegverlängerungen 15 durch g repräsentiert wird, die Zahl der Phasen der Mehrphasen-Ankerwicklungen 3 durch m bezeichnet wird (m ist eine ganze Zahl gleich groß wie oder größer als 3), die Zahl der Pole des Rotors 2 mit 2p bezeichnet wird (p ist eine natürliche Zahl), und die Zahl der Zähne 12 je Pol und je Phase durch n bezeichnet wird (n ist eine natürliche Zahl), die Gesamtzahl g der Magnetwegverlängerungen 15 durch folgende Gleichung ausgedrückt wird: g = 2p × m × n × 2
Diese Konfiguration gestattet die Formulierung der Konstruktionsregeln des Motors M, wodurch jedem ermöglicht wird, in einfacher Weise den Motor M mit den vorgenannten Eigenschaften zu konstruieren. Diese Konfiguration vereinheitlicht auch die Qualitäten des Motors M gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
Der Motor M ist so aufgebaut, dass jeder der Anzahl von Zähnen 12 aus einem sich verjüngenden Abschnitt 14 besteht, der radial von der Innenoberfläche des Joches 11 wegragt und sich bis zu einer entsprechenden der Magnetwegverlängerungen 15 verjüngt, so dass er eine im Wesentlichen trapezförmige Gestalt in einem Radialquerschnitt hat.
Wie oben beschrieben verwendet der Motor M gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Verbindung einer Anzahl von Leitersegmenten 7, welche im Querschnitt rechteckige Gestalt besitzen, als jede der Dreiphasen-Ankerwicklungen 3. Wenn bei dem Motor eine Verbindung der Anzahl von Leitersegmenten 7 mit rechteckiger Gestalt ihrer Querschnitte als jede der Dreiphasen-Ankerwicklungen 3 verwendet wird, dann macht die Konfiguration die Konstruktionsregeln für jede der Magnetfeldverlängerungen 15 deutlich.
Der Motor M ist so konstruiert, dass der Permanentmagnetpol 21 aus einem Seltenerdenmagnet hergestellt ist.
Der vorliegende Aufbau erzielt in wirkungsvoller Weise die Feldschwächung bei einem relativ niedrigen Strom im Vergleich zur Verwendung von Ferritmagneten, wodurch ermöglicht wird, einen Ausgleich zwischen der Verminderung der Größe des Motors M und einer Erhöhung der Drehzahl des Motors M ohne Einsatz einer speziellen Steuerung zu erreichen.
Der Motor M ist so aufgebaut, dass jede der mehrphasigen Ankerwindungen 3 eine Verbindung aus den Leitersegmenten 7 ist, und jedes der Leitersegmente 7 hat eine im Wesentlichen U-förmige Gestalt mit ersten und zweiten Enden und ist in einem vorbestimmten Paar von Nuten aus der Mehrzahl von Nuten untergebracht. Die ersten und zweiten Enden stehen aus dem vorbestimmten Paar von Nuten vor, wobei eines der ersten und zweiten Enden eines der Leitersegmente 7 mit einem der ersten und zweiten Enden eines anderen der Leitersegmente 7 verbunden wird und eine Zahl NU der Leitersegmente der mehrphasigen Ankerwicklungen wird durch folgende Gleichung ausgedrückt: NU = 2p × m × n × k.
Hierin ist k eine natürliche Zahl.
Wenn ein durchgehender Draht als jede der Dreiphasen-Ankerwicklungen 3 verwendet würde und die Breite oder Dicke des durchgehenden Drahtes größer wäre als die umfangsmäßige Länge b jedes Zwischenraumes zwischen den zweiten Abschnitten 15, so wäre es schwierig, die durchgehenden Drähte in entsprechende Nuten des Ankerkernes 1 von ihrer Innenseite her durch die entsprechenden Zwischenräume b einzusetzen.
Die vorliegende Konstruktion ermöglicht es jedoch, jede der Ankerwicklungen 3 leicht in die Nuten des Ankerkernes 1 einzuwicklen, wodurch ermöglicht wird, den Anker AR in einfacher Weise herzustellen.
Der Motor M ist so konstruiert, dass jedes der Leitersegmente 7 eine bestimmte Länge und rechteckige Gestalt des Querschnittes senkrecht zur Längsrichtung hat.
Die Verwendung der jeweiligen der Mehrzahl von Leitersegmenten 7 mit rechteckiger Gestalt im Querschnitt längs zur Längsrichtung ermöglicht eine Erhöhung der elektrischen Belastbarkeit des Motors M, mit anderen Worten, eine Erhöhung der Anzahl von Amperewicklungen in jeder der Dreiphasen-Ankerwicklungen 3.
Bei der vorliegenden Ausführungsform findet die hier niedergelegte Offenbarung Anwendung auf einen Motor mit Nachfolgepolen, doch kann sie auch auf verschiedene Arten von rotierenden elektrischen Maschinen angewendet werden, beispielsweise auf Oberflächen-Permanentmagnetmotoren ohne die Verwendung der Folgepole 23, wobei im Wesentlichen dieselben Wirkungen wie bei dem Motor M erzielt werden.
Die vorliegende Offenbarung kann auf Motoren mit konzentrierten Windungen angewendet werden. Es sei bemerkt, dass dann, wenn der Aufbau eines Motors mit einer konzentrierten Wicklung kurzer Teilung im Wesentlichen identisch zu demjenigen eines Motors mit einer verteilten Wicklung mit voller Teilung ist, mit der Ausnahme der Wicklungskonfiguration, das Ausgangsmoment des Motors mit der verteilten Wicklung mit voller Teilung größer als dasjenige des Motors mit konzentrierter Wicklung kurzer Teilung ist, da der Wicklungsfaktor bei dem Motor mit verteilter Wicklung voller Teilung höher ist als bei dem Motor mit konzentrierter Wicklung kurzer Teilung. Eine Verminderung der Größen der magnetischen Kreise des Motors M in der Axialrichtung bei Aufrechterhaltung der Drehmoment-Kennlinie gestattet es, den magnetischen Hauptfluss von dem Rotor 2 zu vermindern. Dies reduziert weiter die Gegen-EMK, welche von dem Motor M erzeugt wird, was ermöglicht, die Drehzahl des Motors M zu erhöhen. Das bedeutet, um die Größen der magnetischen Kreise des Motors M in der Axialrichtung zu reduzieren, kann die Oberflächengröße jedes der Permanentmagnetpole 21 herabgesetzt werden. Diese Modifikation vermindert den magnetischen Hauptfluss von dem Rotor 2, um hierdurch den inneren Spannungsabfall des Motors M herabzusetzen. Dies erhöht den Ausnützungsfaktor der Spannung, welche zu der Ankerwicklung 3 geführt wird, und verursacht somit, dass eine große Menge des Ankerstromes durch jede der Ankerwicklungen 3 fließt. Hierdurch wird weiter die Drehzahl des Motors M erhöht.
Während beispielsweise Ausführungsformen der hier niedergelegten Offenbarung hier beschrieben wurden, ist die vorliegende Offenbarung nicht auf die gegebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern enthält jedwede und alle Ausführungsformen mit Modifikationen, Weglassungen, Kombinationen (beispielsweise von Aspekten über verschiedene Ausführungsformen hinweg), Anpassungen und/oder Alternativen, wie sie sich aufgrund der vorliegenden Offenbarung für die Fachleute ergeben. Die Beschränkungen in den Ansprüchen sind auf der Basis der in den Ansprüchen verwendeten Terminologie breit zu interpretieren und stellen nicht eine Beschränkung auf Beispiele dar, welche in der vorliegenden Beschreibung oder während des Verfahrens bezüglich der vorliegenden Anmeldung diskutiert werden, wobei die Beispiele als nicht-exclusiv anzusehen sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2010-118358 [0001]
JP 2007-293764 [0004]

Claims

Rotierende elektrische Maschine, welche folgendes umfasst: einen Anker, der seinerseits folgendes enthält: ein ringförmiges Ankerjoch mit einer Innenoberfläche; und eine Anzahl von Zähnen, die radial einzeln von der Innenoberfläche des Ankerjoches vorstehen, wobei die Anzahl von Zähnen umfangsmäßig so angeordnet sind, dass sie eine Anzahl von Nuten dazwischen bilden, wobei die vorstehenden Endoberflächen der Anzahl von Zähne eine Innenobefläche des Ankers bilden und der Anker so konstruiert ist, dass er bei seiner Erregung einen magnetischen Reaktanzfluss erzeugt; und einen Rotor mit mindestens einem Paar von magnetischen Polen und einer Außenoberfläche, wobei der Rotor drehbar innerhalb des Ankers mit einem Spalt zwischen der Außenoberfläche des Rotors und der Innenoberfläche des Ankers angeordnet ist, wobei der Anker und der Rotor so aufgebaut sind, dass sie folgendes aufweisen: einen ersten magnetischen Widerstand, welcher es dem magnetischen Reaktanzfluss erleichtert, durch mindestens einen Zahn aus der Anzahl von Zähnen zu einem benachbarten Zahn des mindestens einen Zahnes zu fließen im Vergleich zu dem magnetischen Reaktanzfluss zu dem Rotor hin, und einen zweiten magnetischen Widerstand, welcher es dem magnetischen Hauptfluss auf der Basis des mindestens einen Paares der Magnetpole erleichtert, zu dem Joch hin zu fließen, im Vergleich zu dem magnetischen Hauptfluss zu mindestens einem Zahn nahe an dem magnetischen Hauptfluss.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, bei welcher das mindestens eine Paar von Magnetpolen einen Permanentmagnetpol enthält, welche an der Außenoberfläche des Rotors befestigt ist, und das vorstehende Ende jedes der Anzahl von Zähnen mit einer Magnetwegverlängerung versehen ist, die zu beiden umfangsmäßigen Seiten des Zahnes vorsteht, wobei die Magnetwegverlängerungen der Anzahl von Zähnen umfangsmäßig mit Abständen dazwischen angeordnet sind und jede der Magnetwegverlängerungen eine radiale Dicke aufweist, welche gleich groß wie oder größer als das Doppelte einer radialen Länge des genannten Spaltes ist und eine umfangsmäßige Länge jedes der Zwischenräume gleich groß wie oder kürzer als die radiale Länge des Spaltes ist.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 2, bei welcher jeder der Anzahl von Zähnen eine umfangsmäßig geringste Breite aufweist und die radiale Dicke jedes der Magnetfeldverlängerungen größer als die umfangsmäßig geringste Breite ist.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 2, bei welcher das Joch und die Anzahl von Zähnen einen Kern des Ankers bilden, der Kern des Ankers aus einer Anzahl von Magnetstahlblechen besteht, welche aufeinander laminiert sind, jedes der Anzahl von Magnetstahlblechen eine Dicke hat und die umfangsmäßige Länge jedes der Zwischenräume größer als die Dicke jedes der Anzahl von Magnetstahlblechen ist.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 2, welche weiter mehrphasige Ankerwicklungen enthält, welche in der Anzahl von Nuten vorgesehen sind, um einen magnetischen Reaktanzfluss bei Erregung zu erzeugen, wobei dann, wenn die Gesamtzahl der Magnetwegverlängerungen durch g bezeichnet wird, eine Anzahl von Phasen der Mehrphasenwinkel-Ankerwicklungen durch m (m ist eine ganze Zahl gleich groß wie oder größer 3) bezeichnet wird, eine Zahl der Pole des Rotors durch 2p bezeichnet wird (p ist eine natürliche Zahl) und eine Anzahl der Zähne pro Pol und je Phase in der Anzahl der Phasen durch n bezeichnet wird (n ist eine natürliche Zahl), die Gesamtzahl g der Anzahl von Zähnen durch folgende Gleichung ausgedrückt werden kann: g = 2p × m × n × 2
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 3, bei welcher jeder der Mehrzahl von Zähnen einen sich verjüngenden Abschnitt enthält, der radial von der Innenoberfläche des Joches sich bis zu einer der Magnetwegverlängerungen erstreckt, so dass er im Wesentlichen trapezförmige Gestalt in einem Radialquerschnitt hat.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 2, bei welcher der Permanentmagnetpol aus einem Seltenerdenmagneten hergestellt ist.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 5, bei welcher jede der Mehrphasen-Ankerwicklungen eine Verbindung aus Leitersegmenten ist, welche jeweils U-förmige Gestalt mit ersten und zweiten Enden besitzen und jeweils in einem entsprechenden Paar von Nuten aus der Anzahl von Nuten so untergebracht sind, dass die ersten und zweiten Enden aus dem vorbestimmten Paar von Nuten vorstehen, wobei eines der ersten und zweiten Enden eines der Leitersegmente mit einem der ersten und zweiten Enden eines anderen der Leitersegmente verbunden ist, wobei eine Zahl NU der Leitersegmente der Mehrphasen-Ankerwicklungen durch folgende Gleichung ausgedrückt ist: NU = 2p × m × n × k, worin k eine natürliche Zahl ist.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 8, bei welcher jeder der Leitersegmente eine Länge und eine rechteckige Gestalt in einem Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung hat.