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Die vorliegende Erfindung betrifft einen
Permanentmagnet-Synchronmotor.
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Herkömmliche Permanentmagnet-Synchronmotoren weisen
einen drehbar gehaltenen Rotor und einen um den Rotor herum
angeordneten Stator auf. Der Rotor weist einen
Rotoreisenkern und in mehreren Abschnitten in der Umfangsrichtung des
Rotoreisenkerns angeordnete Permanentmagnete auf, und der
Stator weist einen Statoreisenkern und in mehreren
Abschnitten in der Umfangsrichtung des Statoreisenkerns angeordnete
Wicklungen auf.
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In einem Permanentmagnet-Synchronmotor mit an der
Oberfläche angeordneten sektorförmigen Permanentmagneten, die
am Außenumfangsrand des Rotoreisenkerns freiliegen, beträgt
die relative magnetische Permeabilität der Permanentmagnete
im wesentlichen 1, so daß die Luftspaltlänge, bezogen auf
die Statorseite, der Summe aus dem Abstand zwischen dem
Stator und dem Rotor und der Dicke der Permanentmagnete
gleicht. Dadurch wird die Reaktion des Stators vermindert,
wodurch die Feldschwächungsregelung schwierig wird.
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Daher wurde, wie in der JP-A-8-107639 beschrieben, ein
Permanentmagnet-Synchronmotor mit innen angeordneten
Magneten bereitgestellt, in dem die Permanentmagnete im
Rotoreisenkern versenkt angeordnet sind. In diesem Fall ist
die Luftspaltlänge, bezogen auf die Statorseite, dem Abstand
zwischen dem Stator und dem Rotor gleich, so daß die
Reaktion des Stators größer ist und die Feldschwächungsregelung
erleichtert wird.
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Weil die Permanentmagnete, die einen hohen magnetischen
Widerstand aufweisen, auf dem magnetischen Weg einer d-
Achse, jedoch nicht auf dem magnetischen Weg einer q-Achse
angeordnet sind, ändert sich andererseits der magnetische
Widerstand mit der Position in der Umfangsrichtung, so daß
eine q-Achsen-Induktivität Lq in höherem Maße zunimmt als
eine d-Achsen-Induktivität, wodurch eine nachteilige Wirkung
erhalten wird. Durch Zuführen eines geeigneten d-Achsen-
Stroms kann daher nicht nur das Magnetdrehmoment auf der
Basis des magnetischen Flusses der Permanentmagnete und des q-
Achsen-Stroms erzeugt werden, sondern auch das
Reluktanzdrehmoment, wodurch der zum Erzeugen des Drehmoments
erforderliche q-Achsen-Strom reduziert wird.
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Im vorstehend erwähnten herkömmlichen Permanentmagnet-
Synchronmotor muß jedoch die Größe der Abschnitte außerhalb
der Permanentmagneten in der radialen Richtung des
Rotoreisenkerns vergrößert werden, um eine ausreichende Festigkeit
für die Zentrifugalkraft bereitzustellen, die in den
Permanentmagneten erzeugt wird, wenn der Synchronmotor sich mit
einer hohen Geschwindigkeit dreht. Sowohl die auf dem
Eigengewicht der Abschnitte außerhalb der Permanentmagnete in der
radialen Richtung des Rotoreisenkerns basierende
Zentrifugalkraft als auch die in den Permanentmagneten zu erzeugende
Zentrifugalkraft werden auf die relativ dünnen Abschnitte
außerhalb der Endabschnitte der Permanentmagnete in der
radialen Richtung des Rotoreisenkerns ausgeübt, so daß die
Festigkeit des Rotoreisenkerns reduziert ist.
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Daher ist es denkbar, die Abschnitte außerhalb der
Endabschnitte der Permanentmagnete in der radialen Richtung des
Rotoreisenkerns zu vergrößern. In diesem Fall nehmen jedoch
die Streuungen der magnetischen Flüsse so stark zu, daß
nicht nur kein hohes Drehmoment erzeugt werden kann, sondern
auch eine Störung in der magnetischen Flußverteilung der
Zwischenräume bzw. Spalte verursacht wird, so daß
harmonische Komponenten in den magnetischen Flußdichtewellenformen
erzeugt und Drehmomentoszillationen verursacht werden.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die bei
einem herkömmlichen Permanentmagnet-Synchronmotor
auftretenden, vorstehend erwähnten Probleme zu lösen und einen
Permanentmagnet-Synchronmotor bereitzustellen, dessen
Rotoreisenkern eine höhere Festigkeit aufweist, und der in der Lage
ist, ein hohes Drehmoment zu erzeugen, um
Drehmomentoszillationen zu unterdrücken.
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Erfindungsgemäß wird daher ein
Permanentmagnet-Synchronmotor bereitgestellt mit: einem Rotoreisenkern, der
drehbar angeordnet ist und in mehreren Abschnitten in der
Umfangsrichtung Öffnungen aufweist, in den Öffnungen
angeordneten Permanentmagneten, einem Statoreisenkern und im
Statoreisenkern angeordneten Wicklungen.
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Der vorstehend beschriebene Permanentmagnet weist einen
sich in die Breitenrichtung erstreckenden geraden Abschnitt,
schräge Abschnitte, die an beiden Enden des geraden
Abschnitts ausgebildet sind und sich jeweils in Richtung ihrer
wechselseitigen Annäherung schräg nach außen erstrecken, und
einen die beiden schrägen Abschnitte verbindenden
Bogenabschnitt, und der Permanentmagnet wird durch schräge
Abschnitte gehalten, die an beiden Enden der Öffnungen
ausgebildet sind und sich jeweils in Richtung ihrer
wechselseitigen Annäherung schräg nach außen erstrecken.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Permanentmagnet-Synchronmotors ist darüber hinaus
zwischen dem Bogenabschnitt des Permanentmagneten und dem
Bogenabschnitt des Rotoreisenkerns ein Zwischenraum
ausgebildet.
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Gemäß einer noch anderen Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Permanentmagnet-Synchronmotors sind außerdem
die schrägen Abschnitte und der Bogenabschnitt des
Permanentmagneten auf eine Polarität magnetisiert, während der
gerade Abschnitt des Permanentmagneten auf die andere
Polarität magnetisiert ist.
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Gemäß einer noch anderen Ausführungsform weist der
erfindungsgemäße Permanentmagnet-Synchronmotor auf: einen
Rotor, der drehbar angeordnet ist und einen Rotoreisenkern und
in der Nähe des Außenumfangsrandes des Rotoreisenkerns
angeordnete Permanentmagnete aufweist, und einen um den
Außenumfang des Rotors angeordneten Stator mit einem
Statoreisenkern und auf dem Statoreisenkern gewickelten Wicklungen.
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Außerdem weist der vorstehend beschriebene
Permanentmagnet einen Hauptmagnetpolabschnitt und Hilfspolabschnitte
auf, die an den Magnetpolendabschnitten quer über gebogene
Abschnitte integral mit dem Hauptmagnetpolabschnitt
ausgebildet und auf die gleiche Polarität magnetisiert sind wie
der Hauptmagnetpolabschnitt, so daß die magnetischen Wege an
den Magnetpolendabschnitten durch die von den
Hilfspolabschnitten ausgehenden magnetischen Flüsse gesättigt sind an.
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Gemäß einer noch anderen Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Permanentmagnet-Synchronmotors weist der
Hilfspolabschnitt außerdem schräge Abschnitte auf.
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Gemäß einer noch anderen Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Permanentmagnet-Synchronmotors sind in mehreren
Abschnitten in der Umfangsrichtung des Rotoreisenkerns
Öffnungen in der Form der Permanentmagnete ausgebildet, wobei
die Öffnungen schräge Abschnitte aufweisen und die
Permanentmagnete einzeln in die Öffnungen eingesetzt sind und
durch die schrägen Abschnitte gehalten werden.
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Gemäß einer noch anderen Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Permanentmagnet-Synchronmotors wird außerdem
der Öffnungswinkel des Hauptmagnetpolabschnitts etwa auf den
folgenden Wert der Nut- oder Schlitzteilung des
Statoreisenkerns eingestellt:
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n + 1/2 (wobei n eine ganze Zahl ist).
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Fig. 1 zeigt eine Querschnittansicht eines wesentlichen
Abschnitts eines Rotors in einer ersten Ausführungsform der
Erfindung;
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Fig. 2 zeigt eine Längsschnittansicht einer ersten
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Permanentmagnet-
Synchronmotors;
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Fig. 3 zeigt eine Querschnittansicht eines wesentlichen
Abschnitts der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Permanentmagnet-Synchronmotors;
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Fig. 4 zeigt ein Diagramm zum Vergleichen einer ersten
Kenngröße des Permanetmagnet-Synchronmotors;
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Fig. 5 zeigt ein Diagramm der ersten Kenngröße der
ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Permanentmagnet-
Synchronmotors;
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Fig. 6 zeigt ein Diagramm zum Vergleichen einer zweiten
Kenngröße des Permanentmagnet-Synchronmotors;
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Fig. 7 zeigt ein Diagramm der zweiten Kenngröße der
ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Permanentmagnet-Synchronmotors;
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Fig. 8 zeigt ein Diagramm zum Vergleichen einer dritten
Kenngröße des Permanentmagnet-Synchronmotors;
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Fig. 9 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Rotors in
einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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Fig. 10 zeigt ein Diagramm zum Darstellen eines
magnetischen Flußmusters in der zweiten Ausführungsform der
Erfindung;
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Fig. 11 zeigt ein Diagramm zum Vergleichen von Größen
magnetischer Flüsse in der zweiten Ausführungsform der
Erfindung; und
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Fig. 12 zeigt ein Diagramm zum Vergleichen von
Motordrehmomenten in der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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Die Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit ihren
Ausführungsformen unter Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben.
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Fig. 2 zeigt eine Längsschnittansicht einer ersten
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Permanentmagnet-
Synchronmotors.
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In Fig. 2 bezeichnen Bezugszeichen 111 eine
Motoranordnung und 14 ein Motorgehäuse zum Aufnehmen eines
Permanentmagnet-Synchronmotors 115.
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Das Motorgehäuse 14 besteht aus einem im allgemeinen
mit einem Boden versehenen zylindrischen Abschnitt 14a und
einem Deckelabschnitt 14b, der ein Ende des zylindrischen
Abschnitts 14a abdeckt, um eine geschlossene Motorkammer 118
zu definieren. Mehrere Kühlrippen 24 sind auf dem
Außenumfang des zylindrischen Abschnitts 14a ausgebildet.
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Außerdem weisen der zylindrische Abschnitt 14a und der
Deckelabschnitt 14b an der Bodenmitte und an der Deckelmitte
Öffnungen auf, durch die eine Motorwelle 27 angeordnet wird,
und diese Motorwelle 27 wird durch Lager 29 und 30 drehbar
gehalten. Außerdem weist der Deckelabschnitt 14b in der Nähe
der Öffnung eine Vertiefung auf, und diese Vertiefung ist
durch ein Abdeckeckelement 33 geschlossen, um eine
Sensorkammer 34 zu bilden.
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In dieser Sensorkammer 34 ist ein Resolver 35 zum
Erfassen der Position der Magnetpole des Permanentmagnet-
Synchronmotors 115 auf der Basis der Drehbewegung der
Motorwelle 27 angeordnet.
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Insbesondere weist der Permanentmagnet-Synchronmotor
115 auf: einen Rotor 10, der auf der Motorwelle 27 etwa in
dessen Mitte in der axialen Richtung so angeordnet ist, daß
er sich zusammen mit der Motorwelle 27 dreht, und einen Stator
51, der auf dem Innenumfang des zylindrischen Abschnitts
14a fixiert und gegenüberliegend dem Rotor 10 angeordnet
sit. Der Stator 51 besteht aus einem Statoreisenkern 52 und
auf den Statoreisenkern 52 gewickelten Dreiphasen- (d. h. U-
Phase, V-Phase und W-Phase) Wicklungen 39.
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Der Rotor 10 kann in Drehbewegung versetzt werden,
indem den einzelnen Wicklungen 39 Dreiphasen-AC-Ströme
zugeführt werden, die durch einen nicht dargestellten
Wechselrichter erzeugt werden.
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Der Rotor 10 besteht aus einem auf der Motorwelle 27
angepaßten, nicht dargestellten Rotoreisenkern mit mehreren
laminierten elektromagnetischen Stahlplatten und in der Nähe
der Außenumfangsränder des Rotoraußenkerns angeordneten
Permanentmagneten 13. Die Permanentmagnete 13 sind in gleichen
Abständen in mehreren Umfangsabschniten des Rotors 10
angeordnet und durch an beiden Enden des Rotors 10 angeordnete
Anschlagelemente 56 und 57 fixiert, um die Magnetpole zu
bilden.
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Andererseits ist ein rückseitiges Gehäuse 81 am Boden
des zylindrischen Abschnitts 14a befestigt, um eine
Drehmomentübertragungskammer 83 zwischen dem Boden des
zylindrischen Abschnitts 14a und dem rückseitigen Gehäuse 81 zu
bilden. In der Drehmomentübertragungskammer 83 ist darüber
hinaus eine buchsenähnliche Transmissionswelle 161 angeordnet,
die durch Keilverzahnungen koaxial auf der Welle 27 angepaßt
ist. Die Transmissionswelle 161 wird durch Lager 162 und 163
drehbar gehalten. Parallel zur Transmissionswelle 161 ist
eine Gegenwelle 84 angeordnet, die durch Lager 64 und 65
drehbar gehalten wird.
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Außerdem ist ein Vorgelegerad 87 auf der
Transmissionswelle 161 fixiert, und ein Parkzahnrad 85 und ein
angetriebenes Vorgelegerad 88 sind auf der Gegenwelle 84 angeordnet,
so daß das antreibende Vorgelegerad 87 und das angetriebene
Vorgelegerad 88 miteinander in Eingriff stehen.
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Außerdem ist ein Abtriebsrad 89 auf der Gegenwelle 84
angeordnet, und die Drehbewegung des Abtriebrads wird auf
eine Differentialeinheit 90 übertragen.
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Die Differentialeinheit 90 besteht aus einem
Differentialgehäuse 92 mit einem auf dem Außenumfang angeordneten
Hohlrad 91, das durch Lager 79 und 80 drehbar gehalten wird,
einer im Differentialgehäuse 92 fixierten Ritzelwelle 93,
einem durch die Ritzelwelle 93 drehbar gehaltenen Ritzel 94
und einem linken und einem rechten Seitenrad 95 und 96, die
mit dem Ritzel 94 in Eingriff stehen. Dadurch überträgt die
Differentialeinheit 90 die zum Hohlrad 91 übertragene
Drehbewegung separat zu einer linken und einer rechten
Antriebswelle 97 bzw. 98.
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Nachstehend wird der Permanentmagnet-Synchronmotor 115
beschrieben.
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Fig. 1 zeigt eine Querschnittansicht eines wesentlichen
Abschnitts eines Rotors in der ersten Ausführungsform der
Erfindung, und Fig. 3 zeigt eine Querschnittansicht eines
wesentlichen Abschnitts der ersten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Permanentmagnet-Synchronmotors.
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In diesen Figuren bezeichnen Bezugszeichen 10 einen
drehbar angeordneten Rotor und 11 einen Rotoreisenkern. Der
Stator 51 ist um den Rotor 10 herum angeordnet.
Bezugszeichen 52 bezeichnet einen Statoreisenkern, und Bezugszeichen
53 bezeichnet Statorpole, die so ausgebildet sind, daß sie
von mehreren Umfangsabschnitten des Statoreisenkerns 52 zum
Rotor 10 hin hervorstehen. Im Statoreisenkern 52 sind die
Wicklungen 39 angeordnet, die aus einer U-Phasen-Wicklung
61, einer V-Phasen-Wicklung 62 und einer W-Phasen-Wicklung
63 bestehen. In mehreren Umfangsabschnitten des
Rotoreisenkerns 11, in dieser Ausfürhungsform in sechs Abschnitten,
sind Öffnungen 12 mit einem D-förmigen Querschnitt
ausgebildet. Die Permanentmagnete 13, die ebenfalls einen D-förmigen
Querschnitt aufweisen, werden in die Öffnungen 12 eingesetzt
und darin fixiert.
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Jede Öffnung 12 besteht aus einem sich in die
tangentiale Richtung erstreckenden geraden Abschnitt 15, an beiden
Enden des geraden Abschnitts 15 ausgebildeten
Ausschnittabschnitten 16, schrägen Abschnitten 17, die sich jeweils von
den Ausschnittabschnitten 16 in Richtung ihrer
wechselseitigen Annäherung schräg nach außen erstrecken, und einem
Bogenabschnitt 18, der sich etwa parallel zum Außenumfangsrand
des Rotoreisenkerns 11 erstreckt.
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Der Permanentmagnet 13 ist der Form der Öffnung 12
entsprechend geformt und weist auf: einen sich in die
tangentiale Richtung erstreckenden geraden Abschnitt 25, an beiden
Enden des geraden Abschnitts 25 ausgebildeten senkrechten
Abschnitten 26, schrägen Abschnitten 17, die sich jeweils
von den senkrechten Abschnitten 26 in Richtung ihrer
wechselseitigen Annäherung schräg nach außen erstrecken, und
einen Bogenabschnitt 28, der die beiden schrägen Abschnitte 27
verbindet und sich ungefähr parallel zum Außenumfangsrand
des Rotoreisenkerns 11 erstreckt.
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Die Öffnung 12 und der Permanentmagnet 13 weisen eine
derartige Größe auf, daß die einzelnen schrägen Abschnitte
17 und 27 aneinander anliegen, wenn der Permanentmagnet 13
in die Öffnung 12 eingesetzt ist, während zwischen den
Bogenabschnitten 18 und 28 ein kleiner Zwischenraum verbleibt.
Dadurch werden die Permanentmagnete 13 durch die schrägen
Abschnitte 17 gehalten, wobei, wenn der Rotor 10 in
Drehbewegung versetzt wird, eine Zentrifugalkraft in den
Permanentmagneten 13 erzeugt und auf die schrägen Abschnitte 17
ausgeübt wird, jedoch nicht auf die Bogenabschnitte 18, so
daß diese nicht zur Halterung der Permanentmagnete 13 beitragen
und verhindert werden kann, daß die Bogenabschnitte
18 brechen. Außerdem wird zwischen den einzelnen
Bogenabschnitten 18 und 28 der kleine Zwischenraum gebildet, so daß
die Bogenabschnitte 18 und 28 sich gegenüberliegen.
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Außerdem ist jeder der schrägen Abschnitte 17 so
ausgebildet, daß er von den Ausschnittabschnitten 16 in Richtung
ihrer wechselseitigen Annäherung schräg verläuft, so daß
zwischen den schrägen Abschnitten 17 und dem
Außenumfangsrand des Rotoreisenkerns 11 eine ausreichende Dicke
bereitgestellt werden kann. Dadurch werden die schrägen Abschnitte
17 auch dann nicht brechen, wenn der Rotor 10 sich mit einer
hohen Geschwindigkeit dreht, bei der eine hohe
Zentrifugalkraft auf die schrägen Abschnitte 17 ausgeübt wird. Darüber
hinaus werden zwischen den Ausschnittabschnitten 16 und den
schrägen Abschnitten 17 und zwischen den schrägen
Abschnitten und dem Bogenabschnitt 18 stumpfe Winkel gebildet, so
daß Belastungskonzentrationen verhindert werden können.
Dadurch kann die Festigkeit des Rotoreisenkerns 11 in der Nähe
der schrägen Abschnitte 17 erhöht werden.
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Die Bogenabschnitte 18 bedecken die Permanentmagnete 13
radial außerhalb der Permanentmagnete 13, so daß verhindert
wird, daß Bruchstücke der Permanentmagnete 13, die entstehen
können, wenn die Permanentmagnete aufgrund eigener innerer
Defekte oder durch eine übermäßige Drehbewegung des Rotors
brechen oder zertrümmert werden, außerhalb der
Bogenabschnitte gelangen. In diesem Fall ist es ausreichend, wenn
die Bogenabschnitte 18 lediglich die Funktion haben, die
Permanentmagnete 13 abzudecken, so daß ihre radiale Größe
und damit die radiale Größe der schrägen Abschnitte 17
reduziert werden kann. Dadurch können Streuverluste des
magnetischen Flusses von den Bogenabschnitten 18 reduziert und die
Größe des magnetischen Flusses, der den Zwischenraum
zwischen dem Stator 51 und dem Rotor 10 passiert, erhöht werden,
so daß durch den Permanentmagnet-Synchronmotor 115
(Fig. 2) ein dieser Größe entsprechendes höheres Drehmoment
erzeugt werden kann. Außerdem kann die in der magnetischen
Flußverteilung des Zwischenraums auftretende Störung
wesentlich reduziert werden, wodurch die harmonischen Komponenten
der Wellenformen der magnetischen Flußdichte reduziert und
Drehmomentoszillationen verhindert werden.
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In der Nähe der schrägen Abschnitte 17 ist der
Rotoreisenkern 11 außerdem gesättigt, wodurch der Durchgang der
magnetischen Flüsse der Bogenabschnitte 18 in der Nähe der
schrägen Abschnitte 17 unterdrückt wird. Dadurch kann der
Kurzschluß der magnetischen Flüsse der Bogenabschnitte 18 am
Rotoreisenkern 11 unterdrückt werden, wodurch die Größe des
den Zwischenraum zwischen dem Stator 51 und dem Rotor 10
passierenden magnetischen Flusses erhöht wird. Dadurch kann
das Motordrehmoment erhöht werden.
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Die schrägen Abschnitte 27 und die Bogenabschnitte 28
der Permanentmagnete 13 sind auf eine Polarität
magnetisiert, und die geraden Abschnitte 25 der Permanentmagnete 13
sind auf die andere Polarität magnetisiert.
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Wenn der den Wicklungen 39 zuzuführende Strom z. B. in
einem Fall, in dem der Permanentmagnet-Synchronmotor 115 in
einem niedrigen Drehmomentbereich angetrieben wird, klein
ist, durchdringt ein Teil des magnetischen Flusses der
Bogenabschnitte 18 nicht den Statoreisenkern 52, sondern
schließt den Rotoreisenkern 11 kurz. Dieses Kurzschließen
und die wesentliche Reduzierung der Luftspaltlänge, wodurch
der magnetischen Widerstand vermindert wird, wirken
zusammen, wodurch die elektromotorische Gegenkraft reduziert
wird, so daß die Drehzahl des Rotors 10 ohne Erhöhung der
Zufuhrspannung erhöht werden kann. Dadurch kann der d-
Achsen-Strom für eine Feldschwächungssteuerung entsprechend
reduziert und der Wirkungsgrad des Permanentmagnet-
Synchronmotors 115 erhöht werden.
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Beim Zusammenbau des derart konstruierten
Permanentmagnet-Synchronmotors 115 ist der Arbeitsschritt zum Einsetzen
der Permanentmagnete 13 in die Öffnungen 12, nachdem die
Permanentmagnete 13 magnetisiert wurden, extrem schwierig,
weil die Öffnungen 12 durch die magnetischen Kräfte der
Permanentmagnete 13 angezogen werden. Daher werden die
Permanentmagnete 13 in die Öffnungen 12 eingesetzt, bevor sie
magnetisiert werden, und anschließend wird ein gepulstes
Magnetfeld erzeugt, um die Permanentmagnete 13 zu
magnetisieren. Die Magnetisierung ist möglich, weil die radiale
Größe der Bogenabschnitte 18 klein ist.
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Nachstehend werden Kenngrößen des erfindungsgemäßen
Permanentmagnet-Synchronmotors 115 und Kenngrößen des
herkömmlichen Permanentmagnet-Synchronmotors beschrieben.
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Fig. 4 zeigt ein Diagramm zum Vergleichen einer ersten
Kenngröße des Permanentmagnet-Synchronmotors. In Fig. 4
bezeichnet die Abszisse die Arten der Permanentmagnet-
Synchronmotoren und die Ordinate das Ausgangsdrehmoment.
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Wie gemäß dem Diagramm ersichtlich ist, weist, wenn der
Permanentmagnet-Synchronmotor 115 (Fig. 2) ein
Ausgangsdrehmoment von 100 (in willkürlichen Einheiten) aufweist, der
herkömmliche Permanentmagnet-Synchronmotor ein
Ausgangsdrehmoment von 80,7 auf. Hierbei sind die Dicke der
Bogenabschnitte 18 (Fig. 1) des erfindungsgemäßen Permanentmagnet-
Synchronmotors 115 und die Dicke zwischen dem
Außenumfangsrand des Rotoreisenkerns und den Permanentmagneten im
herkömmlichen Permanentmagnet-Synchronmotor, d. h. die
Eisenkerndicke der oberen Magnetpolabschnitte, auf 1,5 mm
eingestellt, um den Magneten das gleiche Volumen zu verleihen und
dadurch gleiche elektromagnetische Gegenkräfte zu erzeugen.
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Fig. 5 zeigt ein Diagramm der ersten Kenngröße der
ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Permanentmagnet-Synchronmotors. In Fig. 5 bezeichnet die Abszisse die
Dicke der Bogenabschnitte 18 (Fig. 1) und die Ordinate das
Ausgangsdrehmoment.
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Wie gemäß dem Diagramm ersichtlich ist, haben, wenn der
Permanentmagnet-Synchronmotor 115 (Fig. 2) für eine Dicke
von 0,5 mm der Bogenabschnitte 18 ein Ausgangsdrehmoment von
100 (in willkürlichen Einheiten) aufweist, die
Ausgangsdrehmomente für die Dicken von 0,75 mm, 1 mm und 1,5 mm der
Bogenabschnitte 18 die Werte 99,5, 98,1 bzw. 95,9.
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Fig. 6 zeigt ein Diagramm zum Vergleichen einer zweiten
Kenngröße des Permanentmagnet-Synchronmotors. In Fig. 6
bezeichnet die Abszisse die Arten des Permanentmagnet-
Synchronmotors 115 (von Fig. 2) und die Ordinate die
elektromotorische Gegenkraft.
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Wie gemäß dem Diagramm ersichtlich ist, weist, wenn der
erfindungsgemäße Permanentmagnet-Synchronmotor eine
elektromotorische Gegenkraft von 100 (in willkürlichen Einheiten)
aufweist, der herkömmliche Permanentmagnet-Synchronmotor
eine elektromotorische Gegenkraft von 102,5 auf. Hierbei sind
die Dicke der Bogenabschnitte 18 (Fig. 1) des
erfindungsgemäßen Permanentmagnet-Synchronmotors 115 und die
Eisenkerndicke der oberen Magnetpolabschnitte des herkömmlichen
Permanentmagnet-Synchronmotors auf 1,5 mm eingestellt, um den
Magneten das gleiche Volumen zu verleihen und gleiche
elektromagnetische Gegenkräfte zu erzeugen.
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Fig. 7 zeigt ein Diagramm der zweiten Kenngröße der
ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Permanentmagnet-Synchronmotors. In Fig. 7 bezeichnet die Abszisse die
Dicke der Bogenabschnitte 18 (Fig. 1) und die Ordinate die
elektromotorische Gegenkraft.
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Wie gemäß dem Diagramm ersichtlich ist, haben, wenn der
Permanentmagnet-Synchronmotor 115 (Fig. 2) für eine Dicke
von 0,5 mm der Bogenabschnitte 18 eine elektromotorische
Gegenkraft von 100 (in willkürlichen Einheiten) aufweist, die
elektromotorischen Gegenkräfte für die Dicken von 0,75 mm, 1
mm und 1,5 mm der Bogenabschnitte 18 die Werte 97,3, 94,7
bzw. 89,2.
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Fig. 8 zeigt ein Diagramm zum Vergleichen einer dritten
Kenngröße des Permanentmagnet-Synchronmotors. In Fig. 8
bezeichnet die Abszisse die Arten des Permanentmagnet-
Synchronmotors 115 (von Fig. 2) und die Ordinate das
Ausgangsdrehmoment bzw. die elektromotorische Gegenkraft.
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Wie gemäß dem Diagramm ersichtlich ist, weist, wenn der
erfindungsgemäße Permanentmagnet-Synchronmotor ein
Ausgangsdrehmoment bzw. eine elektromotorische Gegenkraft von 100
(in willkürlichen Einheiten) aufweist, der herkömmliche
Permanentmagnet-Synchronmotor ein Ausgangsdrehmoment bzw. eine
elektromotorische Gegenkraft von 78,7 auf. Hierbei sind die
Dicke der Bogenabschnitte 18 (Fig. 1) des erfindungsgemäßen
Permanentmagnet-Synchronmotors 115 und die Eisenkerndicke
der oberen Magnetpolabschnitte des herkömmlichen
Permanentmagnet-Synchronmotors auf 1,5 mm eingestellt, um den
Magneten das gleiche Volumen zu verleihen und gleiche
elektromagnetische Gegenkräfte zu erzeugen.
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Nachstehend wird die zweite Ausführungsform der
Erfindung beschrieben.
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Fig. 9 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Rotors in
der zweiten Ausführungsform der Erfindung; Fig. 10 zeigt ein
Diagramm zum Darstellen eines magnetischen Flußmusters in
der zweiten Ausführungsform der Erfindung; Fig. 11 zeigt ein
Diagramm zum Vergleichen von Größen der magnetischen Flüsse
in der zweiten Ausführungsform der Erfindung; und Fig. 12
zeigt ein Diagramm zum Vergleichen der Motordrehmomente in
der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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In Fig. 9 bezeichnen Bezugszeichen 11 einen durch
Laminieren elektromagnetischer Stahlplatten oder -bleche
hergestellten Rotoreisenkern, Bezugszeichen 37 einen Rotor und
Bezugszeichen 55 Permanentmagnete. Im Rotoreisenkern 11 sind
Öffnungen zum Aufnehmen und Halten der Permanentmagnete 55
ausgebildet.
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Der Permanentmagnet 55 ist im wesentlichen
halbzylinderförmig ausgebildet und besteht aus einem sich in die
tangentiale Richtung erstreckenden geraden Abschnitt 55a, an
beiden Enden des geraden Abschnitts 55a ausgebildeten
senkrechten Abschnitten 55b, schrägen Abschnitten 55c, die sich
jeweils in Richtung ihrer wechselseitigen Annäherung von den
senkrechten Abschnitten 55b schräg nach außen erstrecken,
und einem Bogenabschnitt 55d, der die beiden schrägen
Abschnitte verbindet und sich ungefähr parallel zum
Außenumfangsrand des Rotoreisenkerns 11 erstreckt.
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Außerdem ist zwischen dem geraden Abschnitt 55a und dem
Bogenabschnitt 55d ein Hauptmagnetpolabschnitt 44
ausgebildet. An den Magnetpolendabschnitten in der Nähe des
Hauptmagnetpolabschnitts 44 und damit integral sind
Hilfspolabschnitte 45 ausgebildet, wobei geknickte Abschnitte an den
Verbindungspunkten zwischen den schrägen Abschnitten 55c und
dem Bogenabschnitt 55d Grenzen definieren. Sowohl der
Hauptmagnetpolabschnitt 44 als auch die Hilfspolabschnitte 45
sind auf die gleiche Polarität magnetisiert. In dieser
Ausführungsform sind die schrägen Abschnitte 55c und der
Bogenabschnitt 55d auf eine Polarität magnetisiert, während der
gerade Abschnitt 55a auf die andere Polarität magnetisiert
ist.
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Andererseits ist die Öffnung 12 im wesentlichen
halbzylinderförmig ausgebildet und besteht aus einem sich in die
tangentiale Richtung erstreckenden geraden Abschnitt 15, an
beiden Enden des geraden Abschnitts 55a ausgebildeten
Ausschnittabschnitten 16, schrägen Abschnitten 17, die sich
jeweils in Richtung ihrer wechselseitigen Annäherung von den
Ausschnittabschnitten 16 schräg nach außen erstrecken, und
einem Bogenabschnitt 18, der die beiden schrägen Abschnitte
17 verbindet und sich ungefähr parallel zum Außenumfangsrand
des Rotoreisenkerns 11 erstreckt.
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Außerdem verlaufen, weil die Hilfspolabschnitte 45
magnetisiert sind, die durch die Hilfspolabschnitte 45
erzeugten magnetischen Flüsse ungefähr normal zur nicht
dargestellten schrägen Fläche von den schrägen Abschnitten 55c
zum Rotoreisenkern 11.
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Daher kann der magnetische Weg in der Nähe der
Magnetpolendabschnitte im Rotoreisenkern 11, d. h. in der Nähe der
Hilfspolabschnitte 45, in höherem Maße gesättigt sein.
Dadurch kann verhindert werden, daß die magnetischen Flüsse an
den Magnetpolendabschnitten kurzgeschlossen werden, wodurch
die Größe des den Zwischenraum zwischen dem Stator 51 (Fig.
3) und dem Rotor 10 passierenden magnetischen Flusses
zunimmt, wie in Fig. 11 dargestellt, so daß das
Motordrehmoment erhöht wird, wie in Fig. 12 dargestellt. D. h., wenn die
Größe des magnetischen Flusses mit den Hilfspolabschnitten
45 den Wert 100 (in willkürlichen Einheiten) hat, hat der
magnetische Fluß ohne die Hilfspolabschnitte den Wert 95.
Wenn das Motordrehmoment mit den Hilfspolabschnitten den
Wert 100 (in willkürlichen Einheiten) aufweist, hat das
Motordrehmoment ohne die Hilfspolabschnitte den Wert 88.
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Weil der Hauptmagnetpolabschnitt 44 und die
Hilfsmagnetpolabschnitte 45 integral ausgebildet sind, kann die
Struktur des Permanentmagnet-Synchronmotors 115 vereinfacht
werden, wodurch die Anzahl von Teilen und Montageschritten
reduziert wird und die Kosten des Permanentmagnet-
Synchronmotors 115 gesenkt werden.
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Außerdem weisen die Hilfspolabschnitte 45 an den
Verbindungspunkten zwischen den schrägen Abschnitten 55c und
dem Bogenabschnitt 55d geknickte Abschnitte auf, die Grenzen
definieren, so daß der Abstand zwischen den N-Polen und den
S-Polen der Hilfspolabschnitte 45 kleiner gemacht werden
kann. Dadurch kann nicht nur das Volumen der Magnete in den
Hilfspolabschnitten 45 reduziert, sondern auch der Abstand
zwischen dem Außenumfang des Rotoreisenkerns 11 und den
Hilfspolabschnitten 45 vergrößert werden, so daß der
magnetische Weg ausreichend gesättigt sein kann.
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Außerdem kann der Pol-Polabstand in der Umfangsrichtung
des Rotors 37 vergrößert werden, wodurch die Festigkeit des
Rotoreisenkerns 11 erhöht wird.
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Die Permanentmagnete 55 werden durch die schrägen
Abschnitte 17 gehalten, und es werden Zentrifugalkräfte in den
Permanentmagneten 55 erzeugt, wenn der Rotor 10 sich dreht.
Die Zentrifugalkräfte werden auf die schrägen Abschnitte 17
ausgeübt, jedoch nicht auf den Bogenabschnitt 18, so daß
diese nicht zur Halterung der Permanentmagnete 55 beitragen
und verhindert werden kann, daß die Bogenabschnitte 18
brechen. Außerdem wird zwischen den Bogenabschnitten 18 und 55d
ein kleiner Zwischenraum gebildet, so daß die
Bogenabschnitte 18 und 55d sich geeignet gegenüberliegen.
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Außerdem verläuft jeder der schrägen Abschnitte 17 von
den Ausschnittabschnitten 16 in Richtung ihrer
wechselseitigen Annäherung unter einem Winkel, so daß zwischen den
schrägen Abschnitten 17 und dem Außenumfangsrand des
Rotoreisenkerns 11 eine ausreichende Dicke bereitgestellt werden
kann. Dadurch werden die schrägen Abschnitte auch dann nicht
brechen, wenn der Rotor 10 sich mit einer hohen
Geschwindigkeit dreht und eine hohe Zentrifugalkraft auf die schrägen
Abschnitte 17 ausübt. Darüber hinaus werden zwischen den
Ausschnittabschnitten 16 und den schrägen Abschnitten 17 und
zwischen den schrägen Abschnitten 17 und dem Bogenabschnitt
18 stumpfe Winkel gebildet, so daß Belastungskonzentrationen
verhindert werden können. Dadurch kann die Festigkeit des
Rotoreisenkerns 11 in der Nähe der schrägen Abschnitte 17
erhöht werden.
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Die Bogenabschnitte 18 bedecken die Permanentmagnete 55
radial außerhalb der Permanentmagnete 55, so daß verhindert
wird, daß Bruchstücke der Permanentmagnete 55, die
entstehen, wenn die Permanentmagnete aufgrund eigener innerer
Defekte oder durch übermäßige Drehbewegungen des Rotors 10
brechen oder zertrümmert werden, außerhalb der
Bogenabschnitte gelangen. In diesem Fall ist es ausreichend, wenn
die Bogenabschnitte 18 lediglich die Funktion haben, die
Permanentmagnete 55 abzudecken, so daß ihre radiale Größe
und damit die radiale Größe der schrägen Abschnitte 17
reduziert werden kann. Dadurch können Streuverluste des
magnetischen Flusses von den Bogenabschnitten 18 reduziert und die
Größe des magnetischen Flusses, der den Zwischenraum
zwischen dem Stator 51 und dem Rotor 10 passiert, erhöht
werden, so daß durch den Permanentmagnet-Synchronmotor 115
(Fig. 2) ein dieser Größe entsprechendes höheres Drehmoment
erzeugt werden kann. Außerdem kann die in der magnetischen
Flußverteilung des Zwischenraums auftretende Störung
wesentlich reduziert werden, wodurch die harmonischen Komponenten
der Wellenformen der magnetischen Flußdichte reduziert und
Drehmomentoszillationen verhindert werden.
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Wenn der den Wicklungen 39 zuzuführende Strom z. B. in
einem Fall, in dem der Permanentmagnet-Synchronmotor 115 in
einem niedrigen Drehmomentbereich angetrieben wird, klein
ist, durchdringt ein Teil des magnetischen Flusses der
Bogenabschnitte 18 nicht den Statoreisenkern 52, sondern
schließt den Rotoreisenkern 11 kurz. Dieses Kurzschließen
und die wesentliche Reduzierung der Luftspaltlänge, wodurch
der magnetische Widerstand vermindert wird, wirken zusammen,
wodurch die elektromotorische Gegenkraft reduziert wird, so
daß die Drehzahl des Rotors 10 ohne Erhöhung der
Zufuhrspannung erhöht werden kann. Dadurch kann der d-Achsen-Strom für
eine Feldschwächungssteuerung entsprechend reduziert und der
Wirkungsgrad des Permanentmagnet-Synchronmotors 115 erhöht
werden.
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Beim Zusammenbau des derart konstruierten
Permanentmagnet-Synchronmotors 115 ist der Arbeitsschritt zum Einsetzen
der Permanentmagnete 55 in die Öffnungen 12, nachdem die
Permanentmagnete 13 magnetisiert sind, extrem schwierig,
weil die Öffnungen 12 durch die magnetischen Kräfte der
Permanentmagnete 55 angezogen werden. Daher werden die
Permanentmagnete 55 in die Öffnungen 12 eingesetzt, bevor sie
magnetisiert werden, und anschließend wird ein gepulstes
Magnetfeld erzeugt, um die Permanentmagnete 55 zu
magnetisieren. Hierbei ist die Magnetisierung möglich, weil die
radiale Größe der Bogenabschnitte 18 klein ist.
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Wenn der Öffnungswinkel des Magnetpolabschnitts 44
durch θ bezeichnet wird und die Teilung bzw. der
Winkelabstand der einzelnen Statorpole 53 des Statoreisenkerns 52,
d. h. die Schlitzteilung, durch p bezeichnet wird, wird der
Öffnungswinkel folgendermaßen dargestellt:
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θ = (n + 1/2)·p (n: ganze Zahl)
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In diesem Fall wird, auch wenn der Rotor 37 so gedreht
ist, daß er in einer beliebigen Position bezüglich des
Stators 51 angeordnet ist, die Anzahl von Schlitzen zwischen
jedem der Statorpole 53 des Statoreisenkerns 52, die einem
der Hauptmagnetpolabschnitten 44 gegenüberliegen, immer bei
dem konstanten Wert n gehalten. Dadurch kann die Erzeugung
eines Cogging- oder Rastdrehmoments und damit die Erzeugung
von Schwingungen unterdrückt werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehenden
Ausführungsformen beschränkt, sondern kann innerhalb des
Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung auf verschiedene Weisen
modifiziert werden.
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Erfindungsgemäß weist ein
Permanentmagnet-Synchronmotor, wie vorstehend beschrieben wurde, auf: einen
Rotoreisenkern, der drehbar angeordnet ist und in mehreren
Abschnitten in Umfangsrichtung Öffnungen aufweist, in den
Öffnungen angeordnete Permanentmagnete, einen Statoreisenkern
und im Statoreisenkern angeordnete Wicklungen.
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Außerdem weist jeder Permanentmagnet auf: einen sich in
die Breitenrichtung erstreckenden geraden Abschnitt, schräge
Abschnitte, die an beiden Enden des geraden Abschnitts
ausgebildet sind und sich jeweils in Richtung ihrer
wechselseitigen Annäherung schräg nach außen erstrecken, und einen die
beiden schrägen Abschnitte verbindenden Bogenabschnitt, und
der Permanentmagnet wird durch schräge Abschnitte gehalten,
die an beiden Enden der Öffnungen ausgebildet sind und sich
jeweils in Richtung ihrer wechselseitigen Annäherung schräg
nach außen erstrecken.
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In diesem Fall werden die Permanentmagnete durch die
schrägen Abschnitte gehalten, und wenn der Rotor gedreht
wird, wird eine Zentrifugalkraft in den Permanentmagneten
erzeugt und auf die schrägen Abschnitte der Öffnungen
ausgeübt, jedoch nicht auf die Bogenabschnitte, so daß diese
nicht zur Halterung der Permanentmagnete beitragen und
verhindert werden kann, daß die Bogenabschnitte brechen.
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Jeder der schrägen Abschnitte verläuft von den
Ausschnittabschnitten an beiden Enden der Öffnungen in Richtung
ihrer wechselseitigen Annäherung unter einem Winkel, so daß
zwischen den schrägen Abschnitten und dem Außenumfangsrand
des Rotoreisenkerns eine ausreichende Dicke bereitgestellt
werden kann. Dadurch werden die schrägen Abschnitte auch
dann nicht brechen, wenn der Rotor sich mit einer hohen
Geschwindigkeit dreht und eine hohe Zentrifugalkraft auf die
schrägen Abschnitte ausübt. Darüber hinaus werden zwischen
den schrägen Abschnitten und dem Bogenabschnitt stumpfe
Winkel gebildet, so daß Belastungskonzentrationen verhindert
werden können. Dadurch kann die Festigkeit des
Rotoreisenkerns in der Nähe der schrägen Abschnitte erhöht werden.
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Außerdem bedecken die Bogenabschnitte die
Permanentmagnete radial außerhalb der Permanentmagnete, so daß
verhindert wird, daß Bruchstücke der Permanentmagnete, die
entstehen können, wenn die Permanentmagnete aufgrund eigener
innerer Defekte oder durch eine übermäßige Drehbewegung des
Rotors bricht oder zertrümmert wird, außerhalb der
Bogenabschnitte gelangen. In diesem Fall ist es ausreichend, wenn
die Bogenabschnitte lediglich die Funktion haben, die
Permanentmagnete abzudecken, so daß ihre radiale Größe und damit
die radiale Größe der schrägen Abschnitte reduziert werden
kann. Dadurch können Streuverluste des magnetischen Flusses
von den Bogenabschnitten reduziert und die Größe des
magnetischen Flusses, der den Zwischenraum zwischen dem Stator
und dem Rotor passiert, erhöht werden, so daß durch den
Permanentmagnet-Synchronmotor ein dieser Größe entsprechendes
höheres Drehmoment erzeugt werden kann. Außerdem kann die in
der magnetischen Flußverteilung des Zwischenraums
auftretende Störung wesentlich reduziert werden, wodurch die
harmonischen Komponenten der Wellenformen der magnetischen
Flußdichte reduziert und Drehmomentoszillationen verhindert
werden.
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In der Nähe der schrägen Abschnitte ist der
Rotoreisenkern außerdem gesättigt, wodurch der Durchgang der
magnetischen Flüsse der Bogenabschnitte in der Nähe der schrägen
Abschnitte unterdrückt wird. Dadurch kann der Kurzschluß der
magnetischen Flüsse der Bogenabschnitte am Rotoreisenkern
unterdrückt werden, wodurch die Größe des den Zwischenraum
zwischen dem Stator und dem Rotor passierenden magnetischen
Flusses erhöht wird.
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Wenn der den Wicklungen zuzuführende Strom z. B. in
einem Fall, in dem der Permanentmagnet-Synchronmotor in einem
niedrigen Drehmomentbereich angetrieben wird, klein ist,
durchdringt ein Teil des magnetischen Flusses der
Bogenabschnitte nicht den Statoreisenkern sondern schließt den
Rotoreisenkern kurz. Dieses Kurzschließen und die wesentliche
Reduzierung der Luftspaltlänge, durch die der magnetische
Widerstand reduziert wird, wirken zusammen, wodurch die
elektromotorische Gegenkraft vermindert wird, so daß die
Drehzahl des Rotors ohne Erhöhung der Zufuhrspannung erhöht
werden kann. Dadurch kann der d-Achsen-Strom für eine
Feldschwächungssteuerung entsprechend reduziert und der
Wirkungsgrad des Permanentmagnet-Synchronmotors erhöht werden.
Darüber hinaus können die Permanentmagnete magnetisiert
werden, weil die radiale Größe der Bogenabschnitte klein
ist.
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In einer anderen Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Permanentmagnet-Synchronmotors ist zwischen dem
Bogenabschnitt des Permanentmagneten und dem Bogenabschnitt des
Rotoreisenkerns ein Zwischenraum ausgebildet.
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In diesem Fall ist der Zwischenraum zwischen dem
Bogenabschnitt des Permanentmagneten und dem Bogenabschnitt des
Rotoreisenkerns so ausgebildet, daß die einzelnen
Bogenabschnitte sich geeignet gegenüberliegen.
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Gemäß einer noch anderen Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Permanentmagnet-Synchronmotors sind die
schrägen Abschnitte auf eine Polarität magnetisiert, während die
geraden Abschnitte des Permanentmagneten auf die andere
Polarität magnetisiert sind.
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In diesem Fall ist der Rotoreisenkern in der Nähe der
schrägen Abschnitte gesättigt, wodurch der Durchgang der
magnetischen Flüsse der Bogenabschnitte in der Nähe der
schrägen Abschnitte unterdrückt wird. Dadurch kann der
Kurzschluß der magnetischen Flüsse der Bogenabschnitte am
Rotoreisenkern unterdrückt werden, wodurch die Größe des den
Zwischenraum zwischen dem Stator und dem Rotor passierenden
magnetischen Flusses erhöht wird. Dadurch kann das
Motordrehmoment erhöht werden.
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Eine noch andere Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Permanentmagnet-Synchronmotors weist auf: einen Rotor,
der drehbar angeordnet ist und einen Rotoreisenkern und in
der Nähe des Außenumfangsrandes des Rotoreisenkerns
angeordnete Permanentmagnete aufweist, und einen um den Außenumfang
des Rotors angeordneten Stator mit einem Statoreisenkern und
auf den Statoreisenkern gewickelten Wicklungen.
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Außerdem weist der Permanentmagnet einen
Hauptmagnetpolabschnitt und Hilfspolabschnitte auf, die an den
Magnetpolendabschnitten mit dem Hauptmagnetpolabschnitt integral
ausgebildet sind und geknickte Abschnitte aufweisen, die
Grenzen definieren und auf die gleiche Polarität
magnetisiert sind wie der Hauptmagnetpolabschnitt, so daß die
magnetischen Wege an den Magnetpolendabschnitten durch die
magnetischen Flüsse gesättigt sind, die an den
Hilfspolabschnitten erzeugt werden.
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In diesem Fall sind, weil die Hilfspolabschnitte
magnetisiert sind, die durch die Hilfspolabschnitte erzeugten
magnetischen Flüsse zum Rotoreisenkern gerichtet. Daher kann
der magnetische Weg in der Nähe der Magnetpolendabschnitte
im Rotoreisenkern gesättigt sein. Dadurch kann verhindert
werden, daß die magnetischen Flüsse an den Magnetpolendabschnitten
kurzgeschlossen werden, wodurch die Größe des den
Zwischenraum zwischen dem Stator und dem Rotor
durchlaufenden magnetischen Flusses erhöht wird und das Motordrehmoment
zunimmt.
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Weil der Hauptmagnetpolabschnitt und die
Hilfsmagnetpolabschnitte integral ausgebildet sind, kann die Struktur
des Permanentmagnet-Synchronmotors vereinfacht werden,
wodurch die Anzahl von Teilen und Montageschritten reduziert
wird und die Kosten des Permanentmagnet-Synchronmotors
gesenkt werden.
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Außerdem weisen die Hilfspolabschnitte die geknickten
Abschnitte auf, die Grenzen definieren, so daß der Abstand
zwischen den N-Polen und den S-Polen in den
Hilfspolabschnitten kleiner gemacht werden kann. Dadurch kann nicht
nur das Volumen der Magnete in den Hilfspolabschnitten
reduziert werden, sondern auch der Abstand zwischen dem
Außenumfang des Rotoreisenkerns und den Hilfspolabschnitten
vergrößert werden, so daß der magnetische Weg ausreichend
gesättigt werden kann.
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Außerdem kann der Pol-Polabstand in der Umfangsrichtung
des Rotors vergrößert werden, wodurch die Festigkeit des
Rotoreisenkerns erhöht wird.
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Gemäß einer noch anderen Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Permanentmagnet-Synchronmotors weist der
Hilfspolabschnitt schräge Abschnitte auf.
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In diesem Fall sind, weil die Hilfspolabschnitte
magnetisiert sind, die durch die Hilfspolabschnitte erzeugten
magnetischen Flüsse von den schrägen Abschnitten ungefähr
senkrecht zum Rotoreisenkern zum Rotoreisenkern
ausgerichtet. Daher kann der magnetische Weg in der Nähe der
Magnetpolendabschnitte des Rotoreisenkerns in höherem Maße
gesättigt sein. Infolgedessen kann verhindert werden, daß die
magnetischen Flüsse an den Magnetpolendabschnitten kurzgeschlossen
werden, wodurch die Größe der den Zwischenraum
zwischen dem Stator und dem Rotor passierenden magnetischen
Flüsse entsprechend zunimmt und das Motordrehmoment erhöht
wird.
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Gemäß einer noch anderen Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Permanentmagnet-Synchronmotors sind in mehreren
Abschnitten in der Umfangsrichtung des Rotoreisenkerns
Öffnungen ausgebildet, die bezüglich der Form den
Permanentmagneten entsprechen und schräge Abschnitte aufweisen, und die
Permanentmagnete sind einzeln in den Öffnungen angeordnet
und werden durch die schrägen Abschnitte gehalten.
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In diesem Fall wird eine Zentrifugalkraft in den
Permanentmagneten erzeugt, wenn der Rotor sich dreht. Die
Zentrifugalkraft wird auf die schrägen Abschnitte der Öffnungen
ausgeübt, jedoch nicht auf die Bogenabschnitte, so daß diese
nicht zur Halterung der Permanentmagnete beitragen und
verhindert werden kann, daß die Bogenabschnitte brechen.
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Außerdem kann zwischen den schrägen Abschnitten und dem
Außenumfangsrand des Rotoreisenkerns eine ausreichende Dicke
bereitgestellt werden. Dadurch werden die schrägen
Abschnitte auch dann nicht brechen, wenn der Rotor sich mit einer
hohen Geschwindigkeit dreht und eine hohe Zentrifugalkraft
auf die schrägen Abschnitte ausübt. Darüber hinaus werden
zwischen den schrägen Abschnitten und dem Bogenabschnitt
stumpfe Winkel gebildet, so daß Belastungskonzentrationen
verhindert werden können. Dadurch kann die Festigkeit des
Rotoreisenkerns in der Nähe der schrägen Abschnitte erhöht
werden.
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Die Bogenabschnitte bedecken die Permanentmagnete
radial außerhalb der Permanentmagnete, so daß verhindert wird,
daß Bruchstücke der Permanentmagnete, die entstehen können,
wenn die Permanentmagnete aufgrund eigener innerer Defekte
oder durch eine übermäßige Drehbewegung des Rotors brechen
oder zertrümmert werden, außerhalb der Bogenabsehnitte
gelangen. In diesem Fall ist es ausreichend, wenn die
Bogenabschnitte lediglich die Funktion haben, die Permanentmagnete
abzudecken, so daß ihre radiale Größe und damit die radiale
Größe der schrägen Abschnitte reduziert werden kann. Dadurch
können Streuverluste des magnetischen Flusses von den
Bogenabschnitten reduziert und die Größe des magnetischen
Flusses, der den Zwischenraum zwischen dem Stator und dem Rotor
passiert, erhöht werden, so daß durch den Permanentmagnet-
Synchronmotor ein dieser Größe entsprechendes höheres
Drehmoment erzeugt werden kann. Außerdem kann die in der
magnetischen Flußverteilung des Zwischenraums auftretende Störung
wesentlich reduziert werden, wodurch die harmonischen
Komponenten der Wellenformen der magnetischen Flußdichte
reduziert und Drehmomentoszillationen verhindert werden.
-
Wenn der den Wicklungen zuzuführende Strom z. B. in
einem Fall, in dem der Permanentmagnet-Synchronmotor in einem
niedrigen Drehmomentbereich angetrieben wird, klein ist,
passiert ein Teil des magnetischen Flusses der
Bogenabschnitte nicht den Statoreisenkern, sondern schließt den
Rotoreisenkern kurz. Dieses Kurzschließen und die wesentliche
Reduzierung der Luftspaltlänge, wodurch der magnetische
Widerstand vermindert wird, wirken zusammen, wodurch die
elektromotorische Gegenkraft vermindert wird, so daß die
Drehzahl des Rotors ohne Erhöhung der Zufuhrspannung erhöht
werden kann. Dadurch kann der d-Achsen-Strom für eine
Feldschwächungssteuerung entsprechend reduziert und der
Wirkungsgrad des Permanentmagnet-Synchronmotors erhöht werden.
-
Außerdem können die Permanentmagnete magnetisiert
werden, weil die radiale Größe der Bogenabschnitte klein ist.
-
Gemäß einer noch anderen Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Permanentmagnet-Synchronmotors wird außerdem
der Öffnungswinkel des Hauptmagnetpolabschnitts etwa auf den
folgenden Wert der Schlitzteilung des Statoreisenkerns
eingestellt:
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n + 1/2 (wobei n eine ganze Zahl ist).
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In diesem Fall wird, auch wenn der Rotor so gedreht
ist, daß er in einer beliebigen Position bezüglich des
Stators angeordnet ist, die Anzahl der Schlitze des
Statoreisenkerns, die den Hauptmagnetpolabschnitten gegenüberliegen,
immer bei dem konstanten Wert n gehalten. Dadurch kann die
Erzeugung eines Cogging- oder Rastdrehmoments und damit die
Erzeugung von Schwingungen unterdrückt werden.
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Für Fachleute ist ersichtlich, daß innerhalb des
Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung zahlreiche
Modifikationen und Anwendungen möglich sind.