DE19933009A1

DE19933009A1 - Motor mit interne Permanentmagneten enthaltendem Rotor und einen solchen Motor verwendende Antriebseinheit

Info

Publication number: DE19933009A1
Application number: DE19933009A
Authority: DE
Inventors: Yoshinari Asano; Masayuki Shinto; Toshio Yamamoto
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 1998-07-24
Filing date: 1999-07-14
Publication date: 2000-02-10
Also published as: US6218753B1; CN1243351A; CN1133259C

Abstract

Ein Motor enthält die folgenden Elemente: einen Statorkern mit mehreren Zähnen und ein die Zähne verbindendes Joch, Spulen, die um die Zähne in Form einer konzentrierten Wicklung gewickelt sind, und einen Rotor mit internen Permanentmagneten. Der Rotor mit internen Permanentmagneten enthält die folgenden Elemente: einen Rotorkern mit mehreren Schlitzen, deren Enden sich in die Nähe des Rotorumfangs erstrecken, Permanentmagneten, die in den Schlitzen angeordnet sind, und nichtmagnetische Abschnitte, die zwischen dem Umfang des Rotorkerns und den jeweiligen Enden der Permanentmagneten vorgesehen sind. Durch diesen Aufbau kann der Motor dauerhaft einer Entmagnetisierung widerstehen, eine geringere Größe und einen höheren Wirkungsgrad besitzen und ferner hocheffizient hergestellt werden. Der Motor kann als Antrieb in eine Antriebseinheit integriert sein.

Description

Die Erfindung betrifft einen in Klimaanlagen, industriel len Vorrichtungen und elektrischen Fahrrädern verwendeten Antriebsmotor und insbesondere eine Motorstruktur, die einen Rotorkern mit internen Permanentmagneten verwendet und nicht nur das magnetische Drehmoment, sondern auch das Reluktanzdrehmoment nutzt, so daß ein Motor mit höherem Wirkungsgrad erhalten werden kann.

Ein Motor mit hohem Wirkungsgrad, der sowohl das magneti sche Drehmoment als auch das Reluktanzdrehmoment nutzen kann, indem interne Magneten in einen Rotorkern eingebet tet werden, ist wohlbekannt und beispielsweise in JP H08-331823-A offenbart. Fig. 18 ist ein Querschnitt zur Erläuterung eines solchen Motors.

In Fig. 18 enthält ein ringförmig ausgebildeter Stator 401 mehrere Zähne 403 und ein Joch 405, das die Wurzeln der mehreren Zähne verbindet. Mehrere Schlitze 407, die zwischen den Zähnen 403 ausgebildet sind, sind mit einer Dreiphasenwicklung bewickelt.

Ein Rotor 410 ist zum Stator 401 im wesentlichen koaxial, im wesentlichen wie ein Zylinder geformt und einer inne ren Wand des Stators 401 über einen ringförmigen Zwi schenraum zugewandt. Der Rotor 410 besitzt vier Rotorpole und ist durch ein (nicht gezeigtes) Lager unterstützt, so daß sich der Rotor 410 auf einer Welle 421 drehen kann. Am Rotor 410 sind vier Schlitze 413 vorgesehen, die axial ausgespart sind und in Drehrichtung des Rotorkerns 411 in gleichen Abständen angeordnet sind; in jeden Schlitz ist ein plattenähnlicher Permanentmagnet 415 eingesetzt. An jedem axialen Ende des Rotorkerns 411 ist eine (nicht gezeigte) Abschlußplatte angeordnet, mit denen die Perma nentmagneten 415 befestigt sind. Die Abschlußplatte ist an der Stirnfläche durch einen Nietstift 425, der durch eine Bohrung 423 verläuft, befestigt, wodurch der Perma nentmagnet 415 am Rotorkern 411 befestigt ist. Eine äu ßere Wand des Rotors 410 besitzt an den Grenzflächen zwischen den jeweiligen Rotorpolen Kerben 419, wobei beide longitudinale Enden des Permanentmagneten 415 an entsprechende Kerben 419 angrenzen. Durch die Statorspule fließt ein elektrischer Strom, um ein rotierendes Magnet feld zu erzeugen. Dadurch werden die Zähne 403 des Sta tors 401 durch die Rotorpole abwechselnd angezogen und abgestoßen, wodurch sich der Rotor 410 dreht.

In der obigen Struktur gilt zwischen den Induktivitäten Ld und Lq die folgende Beziehung:

Ld < Lq

wobei Ld eine Induktivität längs der d-Achse ist, die den Rotorpol senkrecht kreuzt, und Lq eine Induktivität längs der q-Achse ist, die durch die Grenzfläche zwischen den Rotorpolen verläuft.

Im allgemeinen ist das Motordrehmoment T durch die fol gende Gleichung gegeben:

T = Pn{ψa.I.cosβ + 0,5(Lq - Ld)I².sin2β}

wobei Pn die Anzahl von Rotorpolpaaren ist, ψa der ver kettete magnetische Fluß ist, I der Statorspulenstrom ist und β der Voreilungsphasenwinkel des Stroms I (elektrischer Winkel) ist.

In der obigen Gleichung repräsentiert der erste Term das magnetische Drehmoment, während der zweite Term das Reluktanzdrehmoment repräsentiert. Da die Beziehung Ld < Lq erfüllt ist, wird der Wicklungsstrom in der Weise gesteuert, daß die Phase des Wicklungsstroms I in bezug auf die jeweils induzierte Spannung, die in jeder Wick lung erzeugt wird, voreilt, wodurch β größer als null (β < 0) wird und das Reluktanzdrehmoment erzeugt wird. Wenn β auf einen vorgegebenen Wert gesetzt wird, kann mit dem gleichen Strom ein größeres Drehmoment T als in dem Fall, in dem nur das magnetische Drehmoment verfügbar ist, erzeugt werden.

Da jedoch in der obigen Struktur der Stahlabschnitt 417 mit hoher Permeabilität zwischen den Schlitzen 413 und der Kerbe 419 vorhanden ist, fließt am Ende des Perma nentmagneten 415 ein magnetischer Fluß durch den magneti schen Pfad 430 des Stahlabschnitts 417. Daher wird der magnetische Fluß wie in Fig. 18 gezeigt kurzgeschlossen, obwohl er den Stator 401 erreichen sollte und zur Drehmo mentproduktion beitragen sollte. Mit anderen Worten, der magnetische Fluß nimmt um den kurzgeschlossenen Betrag ab, wodurch der Motorwirkungsgrad gesenkt wird. Ferner erhöht der aus dem Kurzschluß resultierende magnetische Fluß ein intermittierendes Drehmoment, wodurch Geräusche und Schwingungen des Motors erhöht werden.

Aus JP H08-331783-A ist ein weiterer Motor bekannt, der interne Permanentmagneten verwendet und in Fig. 19 ge zeigt ist. Dieser Motor, der sich von dem obenbeschriebe nen Motor unterscheidet, besitzt an der Außenwand des Rotors keine Kerben, ferner wird für die Bewicklung der Statoren ein Verfahren zur verteilten Bewicklung verwen det.

In Fig. 19 besitzt ein Rotor 503 vier Gruppen von inter nen Permanentmagneten 501 und 502 in einem Rotorkern 507, der aus gestapelten elektromagnetischen Stahllagen herge stellt ist. Die Magneten 501 und 502 sind an jedem Pol in radialer Richtung mit einem Zwischenraum angeordnet. Jede Gruppe von Magneten 501 und 502 ist so angeordnet, daß die S-Pole und die N-Pole aneinandergrenzen. Die Magneten 501 und 502, die eine Lagenstruktur bilden, sind so angeordnet, daß die äußeren Seiten der jeweiligen äußeren Magneten 501, die dem äußeren Rand des Rotors 503 zuge wandt sind, die gleiche Polarität wie die äußeren Seiten der entsprechenden inneren Magneten 502 besitzen. Die Magneten 501 und 502 sind bogenförmig ausgebildet, wobei ihre Scheitelpunkte zum Rotorzentrum zeigen, wobei die beiden Magneten in der Schichtstruktur im wesentlichen konzentrische Kreise bilden und parallel liegen. Der Zwischenraum zwischen den beiden Magneten ist im wesent lichen konstant.

Der Rotor 503, der wie oben definiert ist, dreht sich durch das aus dem magnetischen Drehmoment und dem Reluk tanzdrehmoment zusammengesetzte Drehmoment: Das magneti sche Drehmoment wird durch die Beziehung zwischen dem Magnetfeld der Magneten 501 und 502 und dem rotierenden Magnetfeld, das seinerseits durch den Strom erzeugt wird, der durch eine Gruppe von Spulen 509 fließt, die eine vorgegebene Anzahl von Zähnen 506 überspannt, die durch die unterbrochene Linie 517 definiert sind, erzeugt; andererseits wird das Reluktanzdrehmoment durch magneti sche Pfade erzeugt, die durch das rotierende Magnetfeld gebildet werden und sowohl zwischen den Magneten 501 und 502 als auch auf der Oberfläche des Rotors 503 vorhanden sind. Somit wird das Reluktanzdrehmoment genutzt, wodurch ein Motor verwirklicht wird, der einen höheren Wirkungs grad als der nur das magnetische Drehmoment nutzende Motor hat.

Für Motoren, die interne Permanentmagneten verwenden, ist vorgeschlagen worden, nicht nur den Wirkungsgrad zu erhöhen, sondern auch die Größe des Motors zu verringern, indem ein Verfahren für eine konzentrierte Bewicklung um die Zähne des Stators mit höherer Dichte ausgeführt wird.

In einem herkömmlichen Motor mit konzentrierter Wicklung wird jedoch ein benachbarter magnetischer Pol zu einem entgegengesetzten Pol, wenn der Motor mit einem Dreipha sen-120°-Strom gespeist wird, wodurch das Wicklungsvolu men für einen Pol und eine Phase auf einen Zahn konzen triert wird. Die Magnetisierungskraft ist daher doppelt so groß wie diejenige des Motors mit verteilter Wicklung, weshalb ein magnetischer Fluß zwischen benachbarten Zähnen fließt, wodurch die internen Permanentmagneten entmagnetisiert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die obenbe schriebenen Probleme zu lösen und einen Motor mit stabi lem Antriebsdrehmoment zu schaffen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Motor nach Anspruch 1.

In dem Motor nach Anspruch 1 kann der durch das Entmagne tisierungsfeld bedingte magnetische Fluß durch die nicht magnetischen Abschnitte fließen, wodurch die Entmagneti sierung an den Enden der Permanentmagneten beschränkt werden kann. Insbesondere wird ein Teil des Schlitzes in der Nähe des Umfangs des Rotorkerns der Entmagnetisierung unterworfen; der magnetische Fluß von den Zähnen aufgrund der Entmagnetisierung beeinflußt jedoch die Permanentma gneten wegen des Vorhandenseins des nichtmagnetischen Abschnitts kaum. Der Motor der Erfindung kann somit die Entmagnetisierung an den Enden der jeweiligen Magneten beschränken, wodurch ein stabiles Antriebsdrehmoment geschaffen wird.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird ein Motor nach Anspruch 2 geschaffen, mit dem die Geräusche und Schwin gungen während seiner Drehung verringert werden können.

Gemäß einem nochmals weiteren Merkmal der Erfindung wird ein Motor nach Anspruch 16 geschaffen.

In den Motoren nach Anspruch 5 oder Anspruch 16 kann der Leckfluß zwischen den Rotorpolen reduziert werden, ferner kann das Ungleichgewicht in radialer Richtung beseitigt werden und ein Pseudoschräglauf geschaffen werden. Im Ergebnis können Geräusche und Schwingungen verringert werden.

Gemäß einem nochmals weiteren Merkmal der Erfindung wird eine Antriebsvorrichtung nach Anspruch 25 geschaffen, die einen Motor nach einem der Ansprüche 1, 5 oder 16 verwen det.

Die Antriebsvorrichtung nach Anspruch 25 verbraucht weniger Energie, besitzt eine geringe Größe und eignet sich für den Antrieb beispielsweise eines Kompressors einer in einem Elektrofahrzeug montierten Klimaanlage. Die Antriebsvorrichtung eignet sich außerdem wegen ihrer geringen Größe, ihres geringen Gewichts und ihrer großen Reichweite mit einer Batterieladung für den Antrieb eines Elektrofahrrades.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deut lich beim Lesen der folgenden Beschreibung zweckmäßiger Ausführungen, die auf die beigefügte Zeichnung Bezug nimmt; es zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Motors gemäß einer ersten beispielhaften Ausfüh rung der Erfindung;

Fig. 2 eine Ansicht eines Stators des Motors nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Querschnittsansicht eines Motors gemäß einer zweiten beispielhaften Aus führung der Erfindung;

Fig. 4 eine Ansicht zur Erläuterung der Bezie hung zwischen der Drehzahl und dem Motor wirkungsgrad des Motors nach Fig. 3 mit konzentrierter Wicklung bzw. mit verteil ter Wicklung;

Fig. 5 eine Ansicht zur Erläuterung der Bezie hung zwischen der Drehzahl und dem Ver lust des Motors nach Fig. 3 mit konzen trierter Wicklung bzw. mit verteilter Wicklung;

Fig. 6 eine perspektivische Explosionsansicht eines Motorrotors gemäß einer dritten beispielhaften Ausführung der Erfindung;

Fig. 7 eine Querschnittsansicht des Rotors nach Fig. 6;

Fig. 8A-D Ansichten zur Erläuterung des Funkti onsprinzips des Rotors nach Fig. 6;

Fig. 9 eine perspektivische Explosionsansicht eines Motorrotors gemäß einer vierten beispielhaften Ausführung der Erfindung;

Fig. 10A-D Querschnittsansichten des Rotors nach Fig. 9;

Fig. 11A-D Ansichten zur Erläuterung des Funkti onsprinzips des Rotors nach Fig. 9;

Fig. 12 eine perspektivische Explosionsansicht eines Motorrotors gemäß einer fünften beispielhaften Ausführung der Erfindung;

Fig. 13A-D Querschnittsansichten des Motors nach Fig. 12;

Fig. 14 eine perspektivische Explosionsansicht eines Motorrotors gemäß einer fünften beispielhaften Ausführung der Erfindung;

Fig. 15A, 15B Querschnittsansichten des Motors nach Fig. 14;

Fig. 16 eine Querschnittsansicht einer Kompres sor-Antriebseinheit einer in einem Elek trofahrzeug installierten Klimaanlage ge mäß einer siebten beispielhaften Ausfüh rung der Erfindung;

Fig. 17 eine Querschnittsansicht einer An triebseinheit eines Elektrofahrzeugs ge mäß einer achten beispielhaften Ausfüh rung der Erfindung;

Fig. 18 die bereits erwähnte Querschnittsansicht eines Motors, der einen Rotor mit inter nen Permanentmagneten verwendet; und

Fig. 19 die bereits erwähnte Querschnittsansicht eines Motors, der einen weiteren Rotor mit internen Permanentmagneten verwendet.

Ausführung 1

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht, die einen Motor gemäß einer ersten beispielhaften Ausführung zeigt, während Fig. 2 eine Ansicht eines Stators des Motors nach Fig. 1 ist.

In Fig. 1 enthält der Motor einen Rotor 10 und einen Stator 20, der dem Rotor 10 über einen ringförmigen Zwischenraum zugewandt ist. Der Stator 20 enthält mehrere Zähne 25 und einen Statorkern 21 mit einem die Zähne 25 verbindenden Joch 23 sowie Wicklungen 27, die an den jeweiligen Zähnen 25 gemäß einem Verfahren für konzen trierte Wicklung vorgesehen sind. Der Rotor 10 enthält die folgenden Elemente: vier Gruppen von Permanentmagne ten 13 und 15, die in einer Schichtstruktur voneinander beabstandet sind; einen Rotorkern 11, der gestapelte elektromagnetische Lagen umfaßt, wobei jede Gruppe von Permanentmagneten 13 und 15 in entsprechenden Rotorpolen in radialer Richtung des Rotors eingebettet sind. Jede Gruppe von Magneten 13 und 15 ist in der Weise angeord net, daß der S-Pol und der N-Pol aneinandergrenzen. Die Magneten 13 und 15 in der Schichtstruktur sind so ange ordnet, daß die jeweiligen Außenseiten der Magneten 13, die dem äußeren Rand des Rotors zugewandt sind, die gleiche Polarität wie die Außenseite der Magneten 15 besitzen, die näher als die Magneten 13 an der Rotorwelle angeordnet sind.

Die Magneten 13 und 15 sind Ferritmagneten, so daß sie einfach bogenförmig ausgebildet werden können. Die Magne ten 13 und 15 sind in Schlitze 14 und 16 eingebettet, die sich in der Nähe der Außenwand des Rotors 10 erstrecken. Die Enden der Schlitze 14 und 16, d. h. diejenigen Ab schnitte der Schlitze, die sich am nächsten an der Außen wand des Rotors 10 befindet, bilden die nichtmagnetischen Hohlräume 30. Die Hohlräume 30 sind nur an den Enden der Schlitze 14 und 16 ausgebildet. Die Magneten 13 und 15 sind somit mit dem Rotorkern 11 mit Ausnahme ihrer Enden, die den Hohlräumen 30 zugewandt sind, in Kontakt, so daß der magnetische Fluß von den Magneten 13 und 15 gleichmä ßig fließen kann. Die Magneten 13 und 15 sind bogenför mig, wobei ihre Scheitelpunkte zum Rotorzentrum zeigen, ferner bilden die beiden Magneten 13 und 15 in der Schichtstruktur im wesentlichen konzentrische Kreise und sind zueinander parallel. Der Zwischenraum zwischen den beiden Magneten 13 und 15 ist im wesentlichen konstant.

Durch das Zentrum des Rotorkerns 11 verläuft eine Rotor welle 17, ferner sind an den beiden Stirnflächen des Rotors 10 durch Nietstifte 19 Abschlußplatten (nicht gezeigt) befestigt.

Im folgenden wird die Funktionsweise des Motors mit dem obigen Aufbau beschrieben. Der Rotor 10 wird in der in Fig. 1 gezeigten Richtung R durch das aus dem magneti schen Drehmoment und dem Reluktanzdrehmoment gebildete Drehmoment gedreht: Das magnetische Drehmoment wird durch die Beziehung zwischen dem Magnetfeld der Magneten 13 und 15 und dem rotierenden Magnetfeld, das durch den Strom erzeugt wird, der durch eine Gruppe von Spulen 27 fließt, die an entsprechenden Zähnen 25 des Stators 20 vorgesehen sind, erzeugt; andererseits wird das Reluktanzdrehmoment durch magnetische Pfade erzeugt, die durch das rotierende Magnetfeld gebildet werden und an der Oberfläche 311 des Rotors 10, im Zwischenraum 312 zwischen den Magneten 13 und 15 sowie in dem Zwischenraum 313 zwischen den Polen vorhanden sind. In diesem Fall ergänzt das Reluktanz drehmoment das magnetische Drehmoment, wobei das magneti sche Drehmoment im allgemeinen größer als das Reluktanz drehmoment ist.

Die konzentrierten Wicklungen 27, die an den jeweiligen Zähnen 25 vorgesehen sind, besitzen einen um ungefähr 10% niedrigeren Ausnutzungsgrad als die verteilten Wicklungen, weshalb die Anzahl der Drahtwicklungen gegen über derjenigen der verteilten Wicklungen um ungefähr 10% erhöht sein muß. Selbst bei einer um ungefähr 10% erhöhten Anzahl von Wicklungen kann jedoch der Drahtwick lungswiderstand im Vergleich zu demjenigen der verteilten Wicklungen wegen der folgenden Faktoren wesentlich redu ziert werden: (1) die Höhe des Spulenendes ist um 40% niedriger als diejenige der verteilten Wicklung; (2) die Überspannlänge 29 der Spule überspannt die Breite nur eines Zahns, andererseits bedeckt eine Überspannlänge 517 der verteilten Wicklung in einem vierpoligen Rotor unge fähr ein Viertel des Kreisumfangs im Statorzentrum, wie in Fig. 19 gezeigt ist. Wenn daher wegen eines begrenzten Raums ein Motor mit geringerer Dicke des Rotorkerns 11 verwendet werden muß, wird die konzentrierte Wicklung bevorzugt, da der Drahtwicklungswiderstand wesentlich reduziert werden kann, wodurch der Kupferverlust wesent lich reduziert wird und somit der Wirkungsgrad des Motors erhöht wird.

Da in dieser ersten Ausführung das Magnetende einer Entmagnetisierung unterworfen wird, sind an den Enden der Magneten 13 und 15 nichtmagnetische Hohlräume 30 vorgese hen. Die zwischen den Magnetenden und der Außenwand des Rotors 10 gebildeten Hohlräume 30 können eine Flußsperre für den die benachbarten Pole des Rotors 10 kurzschlie ßenden magnetischen Pfad bilden und somit den Magnetfluß- Kurzschluß beschränken. Der magnetische Fluß zwischen benachbarten Zähnen verläuft durch den Hohlraum 30, wodurch das Entmagnetisierungsfeld über den Magneten 13 und 15 reduziert wird. Statt der Ausbildung der Hohlräume 30 kann ein nichtmagnetisches Material wie etwa ein Harz eingebettet sein. In diesem Fall kann die Stärke des Rotors 10 erhöht werden.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist der Statorkern 21 in Zähne 25 unterteilt, wobei die Zähne 25, nachdem sie mit einer Spule bewickelt worden sind, in den Stator 20 durch Preßpassung oder Schweißen eingebaut werden. Dieses Herstellungsverfahren ermöglicht, daß die Spule einfach und mit hoher Dichte gewickelt werden kann. Ferner kann ein Draht mit hoher Leitfähigkeit für die Bewicklung der Zähne 25 verwendet werden, wodurch der Drahtbewicklungs widerstand wesentlich reduziert wird.

Im folgenden werden zwei Motoren, die denselben Wert einer induzierten Spannung erzeugen, miteinander vergli chen, wobei ein Motor eine verteilte Wicklung aufweist und der andere Motor eine konzentrierte Wicklung auf weist. Der Vergleich ergibt, daß in diesem Fall die Anzahl der Drahtwindungen pro Phase der konzentrierten Wicklung 110% und der Spulendurchmesser 103% gegenüber der Windungsanzahl bzw. dem Spulendurchmesser der ver teilten Wicklung beträgt, ferner beträgt der Leitungswi derstand der konzentrierten Wicklung nur ungefähr 60% der verteilten Wicklung.

In einem Motor mit konzentrierter Wicklung, in dem die Dicke des Statorkerns ungefähr halb so groß wie der Statordurchmesser ist, ist die Gesamtlänge des Motors einschließlich der Spulenenden um ungefähr 25% geringer als diejenige eines Motors mit verteilter Wicklung. Das Verhältnis der Anzahl der Zähne zur Anzahl der Pole beträgt zweckmäßig 3 : 2.

In dem Motor gemäß der ersten beispielhaften Ausführung sind nichtmagnetische Abschnitte, d. h. Hohlräume 30, zwischen der Außenwand des Rotors 10 und den Enden der Magneten 13 und 15 vorgesehen. Mit dieser Anordnung kann verhindert werden, daß ein magnetischer Fluß, der durch das im Volumen zwischen benachbarten Zähnen 25 vorhandene Entmagnetisierungsfeld erzeugt wird, zu den Enden der Magneten 13 und 15 fließt. Ferner ermöglicht das Vorhan densein der nichtmagnetischen Abschnitte, daß die Magne ten 13 und 15 von der Außenwand des Rotors 10 beabstandet sein können, so daß der zwischen den benachbarten Zähnen fließende magnetische Fluß die Magneten 13 und 15 weniger beeinflußt. Der nichtmagnetische Abschnitt ist zwischen der Außenwand des Rotors 10 und den Enden der beiden Magneten 13 und 15 angeordnet. Durch diese Anordnung ist es unnötig, die Magneten bis in die Nähe der Außenwand des Rotors zu verlängern, ferner wird die Rate vorstehen der Pole an die Rate desjenigen Rotors angenähert, bei dem sich die Magneten in die Nähe der Außenwand des Rotors erstrecken. Die Rate vorstehender Pole ist durch Ld/Lq (Induktivität längs der d-Achse zur Induktivität längs der q-Achse) definiert.

Mit anderen Worten, der Vergleich eines herkömmlichen Motors, in dem sich Permanentmagneten in die Nähe der Außenwand des Rotors erstrecken, mit dem Motor der Erfin dung, in dem nichtmagnetische Abschnitte an den Enden der Magneten ausgebildet sind, ergibt das folgende Ergebnis:
Der herkömmliche Motor unterliegt an den Enden der Magne ten einer Entmagnetisierung, wodurch das Volumen des magnetischen Flusses gegenüber der Anfangsstufe reduziert wird, wodurch das Ausgangsdrehmoment geändert wird. Der Motor gemäß der ersten Ausführung der Erfindung unter liegt andererseits keinem Einfluß der Entmagnetisierung, da an den Enden der Magneten die nichtmagnetischen Ab schnitte ausgebildet sind, so daß ein magnetischer Fluß mit konstantem Volumen und ein stabiles Drehmoment erwar tet werden können.

Ausführung 2

Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht eines Motors gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführung der Erfindung. In Fig. 3 enthält der Rotor 31 die folgenden Elemente: vier Platten aus Permanentmagneten 35 und einen Rotorkern 33, der gestapelte elektromagnetische Lagen umfaßt. Jeder Permanentmagnet 35 ist in den Rotorkern 33 quer zur Radialrichtung des Rotors eingebettet. Jeder Magnet 35 ist in der Weise angeordnet, daß der S-Pol und der N-Pol aneinander angrenzen. An den Enden der jeweiligen Magne ten 35 sind nichtmagnetische Abschnitte 37 ausgebildet, um die Entmagnetisierung aufgrund des zwischen den be nachbarten Zähnen 25 fließenden magnetischen Flusses zu beschränken. Der Magnet 35 enthält einen Seltenerd-Ma gnet, dessen magnetische Restflußdichte 1,1 bis 1,4 T (Tesla) beträgt.

Im folgenden wird die Funktionsweise des Rotors mit der obigen Struktur beschrieben. Der Rotor 31 wird in der in Fig. 3 gezeigten Richtung R durch das aus dem magneti schen Drehmoment und dem Reluktanzdrehmoment gebildete Drehmoment gedreht: Das magnetische Drehmoment wird durch die Beziehung zwischen dem Magnetfeld der Magneten 35 und dem rotierenden Magnetfeld, das durch den Strom erzeugt wird, der durch eine Gruppe von Spulen 27 fließt, die an den jeweiligen Zähnen 25 des Stators 20 vorgesehen sind, erzeugt; andererseits wird das Reluktanzdrehmoment durch magnetische Pfade 321 und 323 erzeugt, die durch das rotierende Magnetfeld gebildet werden und an der Oberflä che des Rotors 31 sowie in dem Zwischenraum zwischen den Polen vorhanden sind.

Da der Magnet 35 einen Seltenerd-Magnet verwendet, er zeugt er ein größeres Volumen eines magnetischen Flusses als ein Ferritmagnet. Die Dicke des Rotorkerns 33 kann gegenüber demjenigen des Ferritkerns um 20-60% verrin gert sein. Ferner wird mit dem Verfahren für konzen trierte Wicklung eine geringere Höhe des Spulenendes als mit dem Verfahren für verteilte Wicklung verwirklicht. Im Ergebnis kann ein Motor mit kleineren axialen Abmessungen als der herkömmliche Motor erzielt werden. Da der Magnet 35 plattenförmig ist, sind geringe Herstellungskosten zu erwarten.

Fig. 4 zeigt die Beziehungen zwischen der Drehzahl und dem Wirkungsgrad des Motors gemäß der zweiten Ausführung mit konzentrierter Wicklung bzw. mit verteilter Wicklung. In Fig. 4 gibt eine durchgezogene Linie die Beziehung zwischen der Drehzahl und dem Wirkungsgrad des Motors mit konzentrierter Wicklung gemäß der zweiten Ausführung an. Die unterbrochene Linie gibt die Beziehung zwischen der Drehzahl und dem Wirkungsgrad des Motors an, in dem derselbe Rotor wie in dem obenbeschriebenen Motor verwen det wird, jedoch ein Stator mit verteilter Wicklung verwendet wird, der so beschaffen ist, daß eine indu zierte Spannung und eine magnetische Kernflußdichte erzeugt werden, die jeweils mit jenen des obenbeschriebe nen Motors übereinstimmen. Die beiden Linien stellen die Werte dar, die bei demselben Lastdrehmoment gemessen wurden. Der Motor gemäß der zweiten Ausführung zeigt im Vergleich zu dem Motor des Typs mit konzentrierter Wick lung eine Erhöhung des Wirkungsgrades um 0,5-2%, ferner nimmt die Wirkungsgraddifferenz bei niedrigeren Drehzah len zu.

Fig. 5 zeigt die Beziehungen zwischen der Drehzahl und dem Verlust in den konzentrierten bzw. verteilten Wick lungen unter denselben Bedingungen wie oben beschrieben. In Fig. 5 ist bei demselben Drehmoment der Kupferverlust unabhängig von den Drehzahlen angenähert konstant; der Eisenverlust nimmt jedoch proportional zur Drehzahl zu.

Daher hat der Kupferverlust bei niedriger Drehzahl, bei der der Eisenverlust gering ist, einen größeren Einfluß, so daß die Differenz der Wirkungsgrade zwischen der konzentrierten Wicklung und der verteilten Wicklung zunimmt.

Im allgemeinen nimmt die Stromversorgungsfrequenz für die Erzielung derselben Drehzahl bei einer größeren Anzahl von Polen zu. Andererseits besteht der Eisenverlust aus einem Wirbelstromverlust und einem Hystereseverlust. Der Wirbelstromverlust ist zum Quadrat der Frequenz propor tional, während der Hystereseverlust zur Frequenz propor tional ist.

In der zweiten Ausführung übersteigt die Zunahme des Eisenverlusts die Abnahme des Kupferverlusts, wenn die Anzahl der Rotorpole wenigstens sechs ist, wodurch der Wirkungsgrad abgesenkt wird. Wenn der Rotor zwei Pole besitzt, betragen die elektrischen Winkel zwischen dem N- Pol und dem S-Pol 120° und 240°, wobei die Anziehungs kraft des Rotors zum angrenzenden Abschnitt der N- und S- Pole geneigt wird, wobei beide Pole am Stator durch den elektrischen Strom erzeugt werden. Dann weist der Rotor eine problematische Exzentrizität auf. Daher werden in der zweiten Ausführung im Rotor vier Pole verwendet. Im Fall von vier Polen stehen zwei Paare aus N- und S-Polen zur Verfügung, die gut ausgeglichen sind. Im Hinblick auf Wirkungsgrad, Geräusche und Schwingungen des Motors stellt der Vierpol-Rotor die beste Wahl dar. Außerdem würden bogenförmige Magneten ein größeres Volumen des magnetischen Flusses erzeugen und eine weitere Größenver ringerung des Motors ermöglichen.

Die Konstruktion des Rotors 31 gemäß der zweiten Ausfüh rung wird im folgenden genauer erläutert. Der Rotorkern 33 enthält die axial gestapelten Rotorkernlagen mit gleicher Form, die aus elektromagnetischen Stahllagen hergestellt sind. Permanentmagneten des Vierplattentyps sind in den Rotorkern 33 senkrecht zur radialen Richtung des Rotors eingebettet. Sämtliche Magneten liegen in der Weise nebeneinander, daß sich die S-Pole und N-Pole abwechseln. An den Enden der jeweiligen Magneten 35 sind nichtmagnetische Abschnitte 37 vorgesehen, um die Entma gnetisierung aufgrund des Flusses zwischen den benachbar ten Zähnen 25 zu beschränken.

Der nichtmagnetische Abschnitt 37 stellt ein Langloch 37 oder einen Hohlraum dar, der in Kontakt mit den Enden der entsprechenden Magneten 35 gebohrt ist. Die Langlöcher 37 stehen mit den Schlitzen 34 in Verbindung, an denen die Permanentmagneten angeordnet sind, ferner ist die Form der Löcher 37 durch die gesamte Dicke des Rotorkerns hindurch gleich. An beiden Enden des Rotorkerns sind (nicht gezeigte) Stirnplatten angeordnet, die mit durch die Löcher verlaufenden Nietstiften 19 befestigt sind, so daß der Rotorkern 33 selbst befestigt werden kann und außerdem die Magneten 35 im Rotorkern 33 befestigt werden können. Die Drehwelle 17 ist in das Rotorkernzentrum mittels Preßpassung eingesetzt, wobei sich der Rotor 31 an der Welle 17 dreht.

Mit den eingebetteten Magneten 35 im Rotorkern 33 können Rohre aus rostfreiem Stahl weggelassen werden, die bisher die Außenwand des Rotors abgedeckt haben, um zu verhin dern, daß die Permanentmagneten aus der Außenwand des Rotorkerns herausfallen. Diese Weglassung kann den magne tischen Raum zwischen Rotor und Stator verringern und außerdem den Verlust aufgrund des Wirbelstroms im Rohr absenken. Ferner erzeugt die Konstruktion gemäß der zweiten Ausführung ein nutzbares Reluktanzdrehmoment. Kraft dieser Vorteile kann der Motor gemäß der zweiten Ausführung der Erfindung einen hohen Wirkungsgrad haben.

In dieser zweiten Ausführung kann der Rotor 31 nur schwer schräglaufen, insbesondere dann, wenn in den Rotorkern 33 gesinterte Magneten eingebettet sind. In diesem Fall besteht keine Möglichkeit, den Rotor schräglaufen zu lassen, jedoch kann der Schlitz 34 verbreitert werden. Der Schräglauf des Rotors reduziert Geräusche und Schwin gungen während der Drehung und wird folgendermaßen er zielt: Um den Rotorkern 33 zu bilden, werden Rotorkern- Lagen in der Weise übereinandergestapelt, daß sie in Umfangsrichtung an der Welle 17 um einen kleinen Winkel zueinander verschoben sind. Falls die Schlitze 34 im Hinblick auf einen Schräglauf des Motors verbreitert sind, werden zwischen den Polflächen der entsprechenden Magneten 35 und dem Rotorkern 33 Hohlräume erzeugt, die die Permeabilität reduzieren. Dadurch wird der Wirkungs grad des Motors abgesenkt. Wie oben beschrieben worden ist, bestehen bei der zweiten Ausführung der Erfindung in bezug auf Geräusche und Schwingungen weiterhin Probleme; diese Schwierigkeiten werden jedoch durch die folgenden beispielhaften Ausführungen beseitigt.

Ausführung 3

Fig. 6 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Rotors eines Motors gemäß einer dritten beispielhaften Ausführung. Fig. 7 ist eine Querschnittsansicht des in Fig. 6 gezeigten Rotors. Fig. 8 zeigt das Prinzip, gemäß dem das intermittierende Drehmoment und eine Drehmoment welligkeit beseitigt werden.

Für den Motor, der in den Fig. 6 bis 8 gezeigt ist, werden elektromagnetische Stahlplatten kreisförmig ausge stanzt, wobei diese kreisförmigen Rotorkern-Lagen über einandergestapelt werden, um die Rotorkerne 51, 53, 55 und 57 zu bilden. In diese Rotorkerne sind Permanentma gneten 121 eingebettet. Nichtmagnetische Langlöcher 61, 63, 65, 67, 71, 73, 75 und 77 sind in Kontakt mit den Enden der Magneten 11 vorgesehen. Der so ausgebildete Rotor besitzt vier Pole.

Wenn sich der Rotor in der in Fig. 7 gezeigten R-Richtung dreht, bilden die in Drehrichtung des Rotors vornliegen den Langlöcher 61, 63, 65 und 67 zu einer Polgrenze einen Winkel θ_j. Der Winkel θ_j nimmt vier Werte an, die Anzahl der Statorschlitze (Zähne) des Stators ist 12 (3 × Polanzahl = 4), ferner wird eine verteilte Wicklung verwendet. Somit nimmt θ_j die Werte 3,75°, 11,25°, 18,75° und 26,75° an. Die Rotorkerne 51, 53, 55 und 57 sind so übereinandergestapelt, daß sie jeweils um 90° zueinander verschoben sind. Die Gesamtdicke des Rotors ist jeweils ungefähr zu einem Viertel auf die einzelnen Rotorkerne verteilt.

Das j-te hintenliegende Langloch 71, 73, 75 oder 77 bildet zu der Polgrenze einen Winkel θ'_j. Der Winkel θ'_j besitzt die Werte 26,25°, 18,75°, 11,25° und 3,75°. Daher gilt die Beziehung: θ_j + θ'_j = 30°. Die hinten liegenden Langlöcher sind folgendermaßen definiert: Einem hinten liegenden Langloch eines Rotorpols folgt in Drehrichtung das vorn liegende Langloch des folgenden Rotorpols. Wenn die Rotorkerne 51, 53, 55 und 57 übereinandergestapelt sind, können die vornliegenden Langlöcher oder die hin tenliegenden Langlöcher eines Pols in Drehrichtung vier verschiedene Formen besitzen. Die von θ_jund θ'_j angenom menen Werte folgen nicht notwendig der obenbeschriebenen Folge.

Nun wird mit Bezug auf die Fig. 8A-D das Prinzip erläu tert, gemäß dem die Drehmomentwelligkeit abgesenkt wird. Die Fig. 8A-D zeigen Beziehungen zwischen dem Langloch und dem Zahn an einer Polgrenze bei der gleichen Rotorpo sition. In Fig. 8A bewegt sich der von der Polfläche 135 gelieferte magnetische Fluß zu den Zähnen 131 des Stators längs des Langlochs 65 in Drehrichtung. Die Stator schlitze 133 besitzen jedoch einen großen magnetischen Widerstand.

Die räumliche Beziehung zwischen den Langlöchern 61, 63, 65 und 67 und den Statorschlitzen ist für dieselbe Rotor position in vier Weisen verfügbar. Mit anderen Worten, die Spitzen der jeweiligen Langlöcher definieren ungefähr ein Viertel jedes Zwischenraums zwischen benachbarten Zähnen. Daher bewegt sich der von den Spitzen der jewei ligen Langlöcher zu den Zähnen laufende magnetische Fluß nach jeweils 7,5°, d. h. 360°/(Anzahl der Zähne = 12 × 4) = 7,5° am Statorschlitz vorbei. Falls alle Langlöcher die gleiche Form besäßen, würde sich der magnetische Fluß, der sich von den Spitzen zu den Zähnen bewegt, am Statorschlitz nach jeweils 30°, d. h. 360°/(Anzahl der Zähne = 12) = 30°, vorbeibewegen. Diese dritte Ausführung erzeugt daher im Vergleich zu dem Rotor mit gleicher Form der Langlöcher eine vierfache Wellig keit. Daher ist der Welligkeitsbetrag ungefähr auf ein Viertel reduziert.

Aus JP H09-195379-A, die ebenfalls auf den Anmelder lautet, ist bekannt, daß bei Geltung der Beziehung θ_j+ θ'_j= 30° das Drehmoment maximal wird und das inter mittierende Drehmoment (cogging torque) minimal wird. Außerdem lehrt diese Anmeldung, daß das Vorhandensein der Langlöcher das Flußvolumen, das eine positive Polfläche mit einer negativen Polfläche kurzschließt, verringern kann. Die Konstruktion der dritten beispielhaften Ausfüh rung ermöglicht, daß eine einzige Form für die Rotorkern- Lage ausreicht, wodurch Stanzwerkzeugkosten eingespart werden können, ferner kann durch den mit dem Pseudo schräglauf versehenen Rotor eine Erhöhung der Anzahl der Magneten verringert werden, wodurch Geräusche und Schwin gungen verringert werden.

In dieser Ausführung ist die Polgrenze für gleiche Größe definiert, d. h. 90°, ferner sind die Zähne mit gleichen Zwischenräumen angeordnet. Das Langloch, θ_j oder θ'_j minimale Werte annimmt, kann einen Magneten im Langloch aufnehmen.

Der magnetische Fluß kann an beiden Enden des Rotors in axialer Richtung austreten, weshalb die an den Enden des Rotors angeordneten Rotorkerne 51 und 57 zweckmäßig etwas dicker als die anderen Kerne 53 und 55 ausgebildet sein sollten. Die Dickendifferenz zwischen diesen beiden Typen von Rotorkernen beträgt zweckmäßig nicht weniger als 0,5 mm, wenn Abmessungsfehler der gestapelten Dicke und der Magnetform berücksichtigt werden, und zweckmäßig nicht mehr als 2,5 mm, wenn das Leckflußvolumen berück sichtigt wird.

Ausführung 4

Fig. 9 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Rotors eines Motors gemäß einer vierten beispielhaften Ausführung der Erfindung. Die Fig. 10A-D sind Quer schnittsansichten des in Fig. 9 gezeigten Rotors. Ferner erläutern die Fig. 11A-D das Prinzip, gemäß dem das intermittierende Drehmoment und die Drehmomentwertigkeit für denselben Rotor reduziert werden.

Was die Konstruktion und die Funktionsweise der vierten Ausführung betrifft, wird die Beschreibung desselben Inhalts wie in der dritten Ausführung weggelassen. In der obenbeschriebenen dritten Ausführung besitzt ein Langloch des Rotorkerns die in Fig. 7 gezeigte Form. In der vier ten Ausführung sind vier Rotorkern-Formen verfügbar, d. h. ein Rotorkern 81, 83, 85 oder 87 mit entsprechenden Formen der Langlöcher. Die Anzahl der Statorschlitze (Anzahl der Zähne) beträgt 6, d. h. 3/2 × (Anzahl der Rotorpole = 4), außerdem wird ein Verfahren für konzen trierte Wicklung verwendet.

Die vier Pole besitzen in den entsprechenden Rotorkernen dieselbe Langlochform in Drehrichtung. Nun wird angenom men, daß sich der Rotor in der in Fig. 10A gezeigten Richtung R dreht. Wenn die vornliegenden Langlöcher 91, 93, 95 und 97 in bezug auf eine Polgrenze einen Winkel θ_i bilden, nimmt dieser Winkel θ_i vier Werte an, d. h. θ_i = 3,75°, 11,25°, 18,75° bzw. 26,25°. Die hintenliegen den Langlöcher 101, 103, 105 und 107 bilden in bezug auf die Polgrenze einen Winkel θ'_i Dieser Winkel θ'_i nimmt die Werte 26,25°, 18,75°, 11,25° bzw. 3,75° an. Somit gilt die Beziehung θ_i + θ'_i = 30°. Die obenbeschriebenen hintenliegenden Löcher sind folgendermaßen definiert:
Einem hintenliegenden Langloch eines Rotorpols folgt in Drehrichtung das vornliegende Langloch eines folgenden Rotorpols. Auf eine entsprechende Stapeldicke des Rotor kerns 81, 83, 85, 87 entfällt ungefähr ein Viertel der Gesamtrotordicke.

Wenn diese Rotorkerne übereinandergestapelt sind, sind für die vornliegenden Langlöcher oder die hintenliegenden Langlöcher eines Rotorpols in Drehrichtung des Rotors vier Formen verfügbar. Die von θ_i und θ'_i angenommenen Werte folgen nicht notwendig der obenbeschriebenen Folge. Mit anderen Worten, θ_i nimmt in der vierten Ausführung in dieser Reihenfolge die Werte 26,25°, 18,75°, 11,25° und 3,75° an; die Reihenfolge kann jedoch beliebig geändert werden. Die Formmuster sind nicht auf die vier obener wähnten Muster eingeschränkt, vielmehr kann die Anzahl erhöht werden, um die Drehmomentwelligkeiten stärker abzusenken.

Nun wird mit Bezug auf die Fig. 11A-11D das Prinzip beschrieben, gemäß dem die Drehmomentwelligkeit reduziert wird. Diese Figuren veranschaulichen Beziehungen zwischen dem Langloch und den Zähnen an derselben Rotorposition. In Fig. 11A bewegt sich der von der Polfläche 137 gelie ferte Magnetfluß zu den Zähnen 111 oder 115 des Stators längs des Langlochs 97 in der Drehrichtung R. Der Stator schlitz 119 besitzt jedoch einen großen magnetischen Widerstand. Ebenso bewegt sich der von der Polfläche 138 gelieferte Magnetfluß zu den Zähnen 113 längs des Lang lochs 97 in der Drehrichtung R. Die räumliche Beziehung zwischen den Zähnen und dem Langloch 97, die mit der Polfläche 138 in Kontakt sind, ist gegenüber der räumli chen Beziehung zwischen den Zähnen und dem Langloch 97, die mit der Polfläche 137 in Kontakt sind, um 30° ver schoben.

In der obenbeschriebenen Weise sind in der räumlichen Beziehung zwischen den Statorschlitzen und den Langlö chern 91, 93, 95 und 97 an derselben Rotorposition acht Muster verfügbar. Die Spitzen der jeweiligen Langlöcher definieren ein Achtel der jeweiligen Winkelerstreckung von 60° zwischen den benachbarten Zähnen. Daher bewegt sich der von der Spitze des Langlochs ausgehende Fluß nach jeweils 7,5° am Statorschlitz vorbei.

Die vierte Ausführung schafft damit viermal mehr Wellig keiten als in dem Fall, in dem der Rotor Langlöcher gleicher Form besitzt und der Fluß sich nach jeweils 30° an den Statorschlitzen vorbeibewegt. Daher wird der Welligkeitsbetrag auf ungefähr ein Viertel reduziert.

Aus JP H09-195379-A des Anmelders ist bekannt, daß, wenn θ_i+ θ'_i = 30° erfüllt ist, das Drehmoment maximal wird und das intermittierende Drehmoment minimal wird. Außer dem lehrt diese Anmeldung, daß das Vorhandensein der Langlöcher das Flußvolumen reduzieren kann, das eine positive Polfläche mit einer negativen Polfläche kurz schließt.

Da die Langlöcher auf derselben Kernlage dieselbe Form besitzen, tritt in radialer Richtung kein Ungleichgewicht auf.

Ausführung 5

Fig. 12 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Rotors eines Motors gemäß einer fünften beispielhaften Ausführung der Erfindung. Die Fig. 13A-D sind Quer schnittsansichten desselben Rotors.

Was die Konstruktion und die Funktionsweise der fünften Ausführung betrifft, wird die Beschreibung desselben Inhalts wie in der vierten Ausführung weggelassen.

In dieser Ausführung wird ein vierpoliger Rotor mit Kerben 151, 153, 155 und 157 verwendet. Die Kerben sind an denjenigen Stellen am Rotorumfang vorgesehen, an denen der Abstand zu den Enden der Permanentmagneten 121 am geringsten ist.

Abhängig von den Orten der Kerben sind vier Typen von Rotorkernen 141, 143, 145 und 147 verfügbar, wie in den Fig. 13A-D gezeigt ist. Die Anzahl der Statorschlitze ( = Anzahl der Zähne) beträgt 6 oder 12, d. h. (3/2) × (Anzahl der Pole = 4) oder 3 × (Anzahl der Pole = 4).

Am selben Rotorkern sind die Orte der Kerben in bezug auf die vornliegende Seite und die hintenliegende Seite des Rotorpols in Drehrichtung für alle vier Pole gleich.

Unter der Annahme, daß sich der Rotor in der Richtung R dreht, wie in Fig. 13A gezeigt ist, nimmt der Winkel θ_i vier Werte an, nämlich 3,75°, 11,25°, 18,75° und 26,25°, wobei der Winkel θ_i durch eine Polgrenze und die Kanten entsprechender vornliegender Kerben 161, 163, 165 und 167 in Drehrichtung gebildet wird.

Die Kanten entsprechender hintenliegender Kerben 171, 173, 175 und 177 bilden in bezug auf die Polgrenze einen Winkel θ'_i. Der Winkel θ'_i nimmt die Werte 26,25°, 18,75°, 11,25° und 3,75° an. Somit gilt die Beziehung θ_i + θ'_i = 30°. Die hintenliegenden Kerben, die oben beschrieben worden sind, sind folgendermaßen definiert:
Einer hintenliegenden Kerbe des Rotorpols folgt die vornliegende Kerbe eines folgenden Rotorpols in Drehrich tung. Auf die jeweilige Stapeldicke eines Rotorkerns 141, 143, 145 und 147 entfällt ungefähr ein Viertel der gesam ten Rotordicke.

Die fünfte Ausführungsform besitzt die gleiche Funktions weise und schafft die gleichen Vorteile wie die vierte Ausführung. In der fünften Ausführung liegen die Enden der jeweiligen Magneten innerhalb der entsprechenden Kerben, wodurch der Einfluß des Entmagnetisierungsfeldes auf die jeweiligen Magneten reduziert wird. Dieser Aufbau ermöglicht somit, daß die Magneten ständig der Entmagne tisierung widerstehen.

Ausführung 6

Fig. 14 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Rotors eines Motors gemäß einer sechsten Ausführung der Erfindung. Die Fig. 15A und 15B sind Querschnittsansich ten des Rotors für denselben Motor.

In Fig. 14 sind Permanentmagneten 185 und 187 in Rotor kerne 181 und 183 eingebettet. Der Rotorkern enthält übereinandergestapelte Rotorkern-Lagen, die aus einer elektromagnetischen Platte hergestellt sind, die in eine angenäherte Kreisform ausgestanzt sind. Es sind Langlö cher 195 und 197 vorgesehen, die mit den vornliegenden Enden der Magneten 185 und 187 in Drehrichtung in Kontakt sind. Die Langlöcher 195 und 197 sind nur an zwei von vier Polen des Rotors vorgesehen.

In der sechsten Ausführung ist ein Magnet pro Rotorpol in radialer Richtung in zwei Abschnitte unterteilt, mit anderen Worten, die zwei Abschnitte bilden eine Schichtstruktur. Die jeweiligen Enden des äußeren Magne ten 185 bzw. des inneren Magneten 187 erstrecken sich in die Nähe des Rotorumfangs. Diese Anordnung ermöglicht sowohl einen Anstieg der Rate vorspringender Pole als auch des Reluktanzdrehmoments. Dieser Vorteil ist aus JP H08-331783-A bekannt. Ein Zwischenraum zwischen den vornliegenden Enden der äußeren und inneren Magneten ist breiter als derjenige zwischen den hintenliegenden Enden. Diese Anordnung verringert die Flußkonzentration an einer spezifischen Stelle und verringert ferner den Eisenver lust. Dieser Vorteil ist aus JP H08-336246-A bekannt.

Die sechste Ausführung hat den folgenden Vorteil: Unter der Annahme, daß sich der Rotor in der Drehrichtung R dreht, wie in Fig. 15A gezeigt ist, bilden die vornlie genden Langlöcher 195 und 197 in bezug auf die Polgrenze Winkel θ2 und δ2. Der äußere Magnet 185, dessen vornlie gendes Ende den Winkel θ2 definiert, bildet einen Winkel von 31°, während der innere Magnet 187, dessen vornlie gendes Ende den Winkel δ2 definiert, einen Winkel von 17° bildet. Der an den obenbeschriebenen Rotorpol angrenzende Rotorpol besitzt keine vornliegenden Langlöcher, ferner bilden die jeweiligen Enden der äußeren und inneren Magneten, die sich nahe am Rotorumfang befinden, in bezug auf die Polgrenze Winkel θ1 und δ1. Was den äußeren Magneten 185 betrifft, hat der Winkel θ1 den Wert 23,5°, was hingegen den inneren Magneten 187 betrifft, hat der Winkel δ1 den Wert 9,5°. Die Anzahl der Statorschlitze ( = Zähne) beträgt 24, d. h. (6 × Anzahl der Motorpole = 4), wobei das Verfahren für verteilte Wicklung verwendet wird. Unter dieser Voraussetzung gelten die folgenden Beziehungen: θ_j = 16 + 60.j. 2/4² und δ_j= 2 + 60.j.2/4². Der Rotorkern 183 ist in bezug auf den Rotorkern 181 um 90° gedreht und darauf gesta pelt. Auf jeden der Rotorkerne 181 bzw. 183 entfällt un gefähr die Hälfte der Gesamtdicke des Rotors.

Mit der sechsten Ausführung kann der gleiche Vorteil wie mit der dritten Ausführung erzielt werden.

In den früheren beispielhaften Ausführungen wird ein vierpoliger Rotor für die Beschreibung verwendet; die Anzahl der Pole, die Formen des Rotorkerns, des Perma nentmagneten und des Stators sind jedoch nicht auf die in diesen Ausführungen verwendeten Beispiele eingeschränkt. Der Erfindungsgedanke läßt verschiedene Modifikationen zu.

Ausführung 7

Fig. 16 ist eine Querschnittsansicht einer Kompressoran triebseinheit einer in einem Elektrofahrzeug installier ten Klimaanlage gemäß einer siebten beispielhaften Aus führung der Erfindung. Der Rotor 10 wird in dem Motor gemäß der ersten Ausführung verwendet. Ein bogenförmiger Permanentmagnet pro Pol ist in radialer Richtung in zwei Abschnitte unterteilt, d. h. in die Magneten 13 und 15, die eine Schichtstruktur bilden und deren Scheitelpunkte zum Rotorzentrum zeigen. Die Magneten sind in den Rotor kern 11 eingebettet, ferner sind zwischen den jeweiligen Magneten 13 und 15 sowie dem Rotorumfang nichtmagnetische Abschnitte vorgesehen. An den entsprechenden Zähnen des Stators sind konzentrierte Wicklungen vorgesehen. Der Rotor 10 ist dem Stator 20 über einen ringförmigen Zwi schenraum zugewandt, wodurch der Motor gebildet ist. Die ser Motor ist als Antrieb in ein Gehäuse 40 des Kompres sors integriert.

Nicht nur der Motor der ersten beispielhaften Ausführung, sondern auch jene der zweiten bis sechsten Ausführungen sind auf diese siebte Ausführung anwendbar, wobei die gleichen Funktionsweisen und Vorteile wie in den ur sprünglichen Ausführungen erhalten werden können. Wenn ein bürstenloser Motor als Antrieb in einen Kompressor integriert ist, der eine luftdichte Hülle erfordert, kann die Rotorstellung des Motors mit einem Sensor wie etwa einem Hall-Element nur schwer erfaßt werden, da das Hall- Element eine Eingangs- und Ausgangsverdrahtung erfordert und einem durch den Betrieb des Kompressors sich ergeben den hohen Druck unterliegt, so daß eine genaue Erfassung der Stellung des Rotors nicht zu erwarten ist. Wenn daher der bürstenlose Motor als Antrieb in den Kompressor integriert ist, ist ein Antrieb ohne Verwendung eines Sensors (sensorfreier Antrieb) allgemein üblich.

Wenn hierbei am Stator die konzentrierte Wicklung vorge sehen ist, fließt beim Einschalten ein großer Strom, so daß der Rotor einem starken Entmagnetisierungsfeld unter worfen werden könnte. Da jedoch die Permanentmagneten in den Rotor eingebettet sind, kann das starke Entmagneti sierungsfeld beschränkt werden, das die Magneten nachtei lig beeinflussen könnte. Ferner wird die Motorhöhe ein schließlich der Spulenenden verringert, so daß ein höhe rer Wirkungsgrad zu erwarten ist. Die diesen Motor ver wendende Antriebseinheit eignet sich für den Kompressor einer in einem Elektrofahrzeug installierten Klimaanlage, für den ein geringer Leistungsverbrauch und ein kleiner und leichter Körper notwendig sind. Wenn Seltenerd-Magne ten verwendet werden, kann der Rotorkern weiter ver schlankt werden, was einen kleineren Körper der An triebseinheit zur Folge hat.

Ausführung 8

Fig. 17 ist eine Querschnittsansicht einer Antriebsein heit für ein Elektrofahrzeug gemäß einer achten beispiel haften Ausführung. Sämtliche Motorkonstruktionen, die in den ersten bis sechsten Ausführungen zur Anwendung kom men, können auch auf die in Fig. 17 gezeigte Struktur angewendet werden, um die gleichen Funktionsweisen und Vorteile zu erzielen.

Im folgenden wird der Aufbau und die Funktionsweise der achten Ausführung der Erfindung beschrieben. Die Drehung der Drehwelle 17 des Motors wird an die Abtriebswelle 43 der Antriebseinheit über ein Getriebe 41 übertragen. Die Abtriebswelle 43 ist mit (nicht gezeigten) Pedalen des Fahrrades verbunden. Wenn ein Fahrrad durch einen Elek tromotor unterstützt wird, wird das Lastdrehmoment als Antwort auf die Pedalkraft des Radfahrers gesteuert, weshalb ein großes Drehmoment erforderlich ist und eine Drehzahl von 2000 bis 5000 min^-1 erforderlich ist. Ein Motor mit einem Rotor mit internen Permanentmagneten und vier Polen stellt für diese Anwendung aufgrund der hohen Ausgangsleistung die beste Wahl dar. Da die Antriebsein heit am Fahrrad angebracht ist, ist ein schlanker Körper mit geringem Gewicht wünschenswert. Ein Motor mit höherem Wirkungsgrad würde die Reichweite des Fahrrades mit einer einzigen Batterieladung erhöhen. Wenn der Radfahrer mit dem Fahrrad anfährt oder das Fahrrad bergauf fährt, ist eine große elektrische Unterstützung erforderlich, d. h. der Motor wird mit einem starken Drehmoment belastet, so daß durch den Motor ein großer Strom fließt. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Entmagnetisierungsfeld erzeugt; die internen Permanentmagneten können jedoch die Beaufschla gung mit dem Entmagnetisierungsfeld verhindern. Wie oben beschrieben worden ist, eignet sich der Motor der Erfin dung gut als Antriebseinheit für ein Elektrofahrzeug.

Die Erfindung ist nicht auf die obenbeschriebenen Ausfüh rungen eingeschränkt, vielmehr können Form und Spezifika tion des Motors modifiziert werden, außerdem kann eine Kombination einer Antriebsvorrichtung und eines Motors innerhalb des Erfindungsgedankens modifiziert werden.

Der Motor der Erfindung umfaßt die folgenden Elemente:
Einen Statorkern, der mehrere Zähne und ein diese Zähne verbindendes Joch umfaßt; Spulen, die auf die Zähne in Form einer konzentrierten Wicklung gewickelt sind; und einen Rotor mit internen Permanentmagneten. Der Rotor mit internen Permanentmagneten umfaßt die folgenden Elemente:
Rotorkerne mit mehreren Schlitzen, deren Enden sich in die Nähe des Rotorumfangs erstrecken; Permanentmagneten, die sich in den Schlitzen befinden; und nichtmagnetische Abschnitte, die zwischen dem Umfang der Rotorkerne und den jeweiligen Enden der Permanentmagneten vorgesehen sind. Durch diese Konstruktion kann der Motor einer Entmagnetisierung dauerhaft widerstehen, eine geringere Größe erhalten und dennoch einen hohen Wirkungsgrad aufweisen und außerdem hocheffizient hergestellt werden. Der Motor kann als Antrieb in eine Antriebseinheit inte griert sein. Insbesondere eine Vorrichtung, die eine starke Leistungseinsparung sowie einen kleinen und leich ten Körper erfordert, z. B. ein Kompressor einer Klimaan lage für ein Elektrofahrzeug oder ein Elektrofahrrad, stellt ein gutes Beispiel für die Integration eines Rotors mit internen Permanentmagneten in einen Motor dar, um erhebliche praktische Vorteile zu erzielen.

Claims

1. Motor, mit

a) einem Statorkern (21), der mehrere Zähne (25) und ein die Zähne (25) verbindendes Joch (23) enthält, und
b) Spulen (27), die um die Zähne (25) in Form einer konzentrierten Wicklung gewickelt sind,

gekennzeichnet durch

1. einen Rotor (10) mit internen Permanentmagne ten (13, 15), der enthält:
- 1. (c-1) einen Rotorkern (11) mit mehreren Schlit zen (14, 16), deren Enden sich in die Nähe des Rotorum fangs erstrecken,
- 2. (c-2) Permanentmagneten (13, 15), die in den Schlitzen (14, 16) angeordnet sind, und
- 3. (c-3) nichtmagnetische Abschnitte (30), die zwischen dem Rotorumfang und den jeweiligen Enden der Permanentmagneten (13, 15) vorgesehen sind.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (14, 16) Bogenform besitzen, wovon der Scheitelpunkt zum Rotorzentrum zeigt.

3. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagneten (13, 15) Seltenerd-Magneten sind.

4. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (10) vier Pole besitzt.

5. Motor, mit:

a) einem Statorkern (21), der mehrere Zähne (25) und ein die Zähne (25) verbindendes Joch (23) enthält, und
b) Spulen (27), die um die Zähne (25) gewickelt sind,

gekennzeichnet durch

1. einen Rotor (10) mit internen Permanentmagne ten (13, 15), der enthält:
- 1. (c-1) einen Rotorkern (11), der aus einem Stapel von Rotorkern-Lagen gebildet ist, die aus elektro magnetischen Stahlplatten hergestellt sind,
- 2. (c-2) einen internen Permanentmagneten (13, 15), der in den Rotorkern (11) eingebettet ist, und
- 3. (c-3) einen nichtmagnetischen Abschnitt (30), der mit einer Stirnfläche und/oder einem Ende des positi ven Pols und/oder einem Ende des negativen Pols des Permanentmagneten (13, 15) in Kontakt ist oder sich in der Nähe hiervon befindet,

wobei sich in dem Rotorkern (11) die mehreren Rotorkern-Lagen über verschiedene Winkel zwischen einer Polgrenze und einem vornliegenden nichtmagnetischen Abschnitt in Drehrichtung des Rotors (10) erstrecken.

6. Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich der nichtmagnetische Abschnitt kreisbogenförmig im wesentlichen parallel zum Rotorumfang erstreckt.

7. Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (13, 15), der in den Rotorkern (11) eingebettet ist, eine feste Platte ist.

8. Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (13, 15) geradlinig ist, in axialer Richtung in den Rotorkern (11) eingebettet ist und nicht schräg läuft.

9. Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
der Rotor (10) mit internen Permanentmagneten N- Rotorkern-Lagen besitzt, die zwischen einer Polgrenze und einem vornliegenden nichtmagnetischen Abschnitt des Rotorpols in Drehrichtung des Rotors (10) unterschiedli che Winkel (θ_i) bilden,
jede Rotorkern-Lage ungefähr die gleiche Dicke besitzt, und
die folgende Gleichung gilt:
θ_i + θ₀ + 120.i/(P.N)
wobei P = Anzahl der Rotorpole, die Anzahl der Stator schlitze entweder (3/2) × P oder 3 × P ist und θ₀ eine Konstante ist, derart, daß die Ungleichung 0 ≦ θ_i ≦ 120/P für i = 1, 2, . . ., N erfüllt ist.

10. Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
der Rotor (10) mit internen Permanentmagneten N- Rotorkern-Lagen besitzt, die zwischen einer Polgrenze und einem vornliegenden nichtmagnetischen Abschnitt des Rotorpols in Drehrichtung des Rotors (10) unterschiedli che Winkel (θ_i) bilden,
jede Rotorkern-Lage ungefähr die gleiche Dicke besitzt, und
die folgende Gleichung gilt:
θ_i = θ₀ + 60.i/(P.N)
wobei P = Anzahl der Rotorpole, die Anzahl der Stator schlitze gleich 6 × P ist und wobei θ₀ eine Konstante ist, derart, daß die Ungleichung 0 ≦ θ_i≦ 120/P für i = 1, 2, . . ., N erfüllt ist.

11. Motor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die folgende Gleichung gilt:
θ_i + θ'_i = 120/P,
wobei θ'_i ein Winkel ist, der sich zwischen einer Polgrenze und einem hintenliegenden nichtmagnetischen Abschnitt der i-ten Rotorkern-Lage des Rotorpols in Drehrichtung des Rotors (10) erstreckt.

12. Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der interne Permanentmagnet durch Übereinander stapeln von n/P Rotorkernen gebildet ist, die jedesmal um einen Winkel von 360.j/P zueinander verschoben sind, wobei die folgende Gleichung gilt:
θ_j= θ₀ + 120.j.n/P²
wobei θ_j ein Winkel ist, der sich zwischen einer Polgrenze und einem vornliegenden nichtmagnetischen Abschnitt des Rotorpols in Drehrichtung des Rotors (10) erstreckt und P/n verschiedene Werte annimmt, wovon jeder periodisch n-mal wiederholt wird; P die Anzahl der Rotor pole ist und die Anzahl der Statorschlitze entweder (3/2) × P oder 3 × P ist; θ₀ eine Konstante ist, für die die Ungleichung 0 ≦ θ_j ≦ 120/P für j = 1, 2, . . ., P/n erfüllt ist; und n eine natürliche Zahl kleiner oder gleich P/2 ist.

13. Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
der interne Permanentmagnet durch Übereinander stapeln von n/P Rotorkernen gebildet ist, die jedesmal um einen Winkel von 360.j/P zueinander verschoben sind, wobei die folgende Gleichung gilt:
θ_j = θ₀+ 60.j.n/P²
wobei θ_j ein Winkel ist, der sich zwischen einer Polgrenze und einem vornliegenden nichtmagnetischen Abschnitt des Rotorpols in Drehrichtung des Rotors (10) erstreckt und P/n verschiedene Werte annimmt, wovon jeder periodisch n-mal wiederholt wird; P die Anzahl der Rotor pole ist und die Anzahl der Statorschlitze 6 × P ist; θ₀ eine Konstante ist, für die die Ungleichung
0 ≦ θ_j ≦120/P
für j = 1, 2, . . ., P/n erfüllt ist; und n eine natürliche Zahl kleiner oder gleich P/2 ist.

14. Motor nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn zeichnet, daß n gleich 1 ist.

15. Motor nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn zeichnet, daß die folgende Gleichung gilt:
θ_j + θ'_j = 120/P,
wobei θ'_j ein Winkel ist, der sich zwischen einer Polgrenze und einem hintenliegenden nichtmagnetischen Abschnitt eines Rotorpols erstreckt, der an den vornlie genden nichtmagnetischen Abschnitt des j-ten Rotorpols in Drehrichtung des Rotors (10) angrenzt.

16. Motor, mit

gekennzeichnet durch

1. einen Rotor (10) mit internen Permanentmagne ten (13, 15), der enthält:
- 1. (c-1) einen Rotorkern (11), der aus übereinan dergestapelten Rotorkern-Lagen gebildet ist, die aus elektromagnetischen Stahlplatten hergestellt sind,
- 2. (c-2) einen internen Permanentmagneten (13, 15), der in den Rotorkern (11) eingebettet ist, und
- 3. (c-3) eine Kerbe (151-157), die am Rotorumfang in der Nähe einer Stirnfläche und/oder des Endes des positiven Pols und/oder des Endes des negativen Pols des Permanentmagneten (13, 15) vorgesehen ist,

wobei sich die mehreren Rotorkern-Lagen zwischen einer Polgrenze und einer Kante einer vornliegenden Kerbe in Drehrichtung des Rotors über unterschiedliche Winkel erstrecken.

17. Motor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß
der Rotor (10) mit internen Permanentmagneten N- Rotorkern-Lagen besitzt, die zwischen einer Polgrenze und der Kante der vornliegenden Kerbe des Rotorpols in Dreh richtung des Rotors (10) unterschiedliche Winkel (θ_i) bilden,
jede Rotorkern-Lage ungefähr die gleiche Dicke besitzt, und
die folgende Gleichung gilt:
θ_i = θ₀ + 120.i/(P.N)
wobei P = Anzahl der Rotorpole, die Anzahl der Stator schlitze entweder (3/2) × P oder 3 × P ist und θ₀ eine Konstante ist, derart, daß die Ungleichung 0 ≦ θ_i ≦ 120/P für i = 1, 2, . . ., N erfüllt ist.

18. Motor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß
der Rotor (10) mit internen Permanentmagneten N- Rotorkern-Lagen besitzt, die zwischen einer Polgrenze und der Kante der vornliegenden Kerbe des Rotorpols in Dreh richtung des Rotors (10) unterschiedliche Winkel (θ_i) bilden,
jede Rotorkern-Lage ungefähr die gleiche Dicke besitzt, und
die folgende Gleichung gilt:
θ_i= θ₀ + 60.i/(P.N)
wobei P = Anzahl der Rotorpole, die Anzahl der Stator schlitze gleich 6 × P ist und wobei θ₀ eine Konstante ist, derart, daß die Ungleichung 0 ≦ θ_i ≦ 120/P für 1 = 1, 2, . . ., N erfüllt ist.

19. Motor nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekenn zeichnet, daß die folgende Gleichung gilt:
θ_i + θ'_i = 120/P,
wobei θ'_i ein Winkel ist, der sich zwischen einer Polgrenze und der Kante einer hintenliegenden Kerbe der i-ten Rotorkern-Lage des Rotorpols in Drehrichtung des Rotors erstreckt.

20. Motor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß
der interne Permanentmagnet durch Übereinander stapeln von n/P Rotorkernen gebildet ist, die jedesmal um einen Winkel von 360.j/P zueinander verschoben sind, wobei die folgende Gleichung gilt:
θ_j= θ₀+ 120.j.n/P²
wobei θ_jein Winkel ist, der sich zwischen einer Polgrenze und der Kante einer vornliegenden Kerbe des Rotorpols in Drehrichtung des Rotors (10) erstreckt und P/n verschiedene Werte annimmt, wovon jeder periodisch n mal wiederholt wird; P die Anzahl der Rotorpole ist und die Anzahl der Statorschlitze entweder (3/2) × P oder 3 × P ist; θ₀ eine Konstante ist, für die die Ungleichung 0 ≦ θ_j≦ 120/P für 120/P für j = 1, 2, . . ., P/n erfüllt ist; und n eine natürliche Zahl kleiner oder gleich P/2 ist.

21. Motor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der interne Permanentmagnet durch Übereinander stapeln von n/P Rotorkernen gebildet ist, die jedesmal um einen Winkel von 360.j/P zueinander verschoben sind, wobei die folgende Gleichung gilt:
θ_j = θ₀ + 60.j.n/P²
wobei θ_j ein Winkel ist, der sich zwischen einer Polgrenze und der Kante einer vornliegenden Kerbe des Rotorpols in Drehrichtung des Rotors (10) erstreckt und P/n verschiedene Werte annimmt, wovon jeder periodisch n- mal wiederholt wird; P die Anzahl der Rotorpole ist und die Anzahl der Statorschlitze 6 × P ist; θ₀ eine Kon stante ist, für die die Ungleichung 0 ≦ θ_j ≦ 120/P für j = 1, 2, . . ., P/n erfüllt ist; und n eine natürliche Zahl kleiner oder gleich P/2 ist.

22. Motor nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekenn zeichnet, daß n gleich 1 ist.

23. Motor nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekenn zeichnet, daß die folgende Gleichung gilt:
θ_j+ θ'_j= 120/P,
wobei θ'_j ein Winkel ist, der sich zwischen einer Polgrenze und der Kante der hintenliegenden Kerbe des Rotorpols erstreckt, die an die vornliegende Kerbe des j- ten Rotorpols in Drehrichtung des Rotors angrenzt.

24. Motor nach Anspruch 5 oder Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß von den übereinandergestapelten mehreren Rotorkernen die jeweilige Dicke der Rotorkerne, die an den beiden axialen Enden angeordnet sind, um ungefähr 0,5 mm bis 2,5 mm größer als die Dicke der übrigen Rotorkerne ist.

25. Antriebseinheit, die als Antrieb einen Motor enthält, der umfaßt:

a) einen Statorkern (21), der mehrere Zähne (25) und ein die Zähne (25) verbindendes Joch (23) enthält, und
b) Spulen (27), die um die Zähne (25) in Form einer konzentrierten Wicklung gewickelt sind,

gekennzeichnet durch

26. Antriebseinheit nach Anspruch 25, dadurch gekenn zeichnet, daß sie einen Kompressor einer in einem Elek trofahrzeug installierten Klimaanlage antreibt.

27. Antriebseinheit nach Anspruch 25, dadurch gekenn zeichnet, daß sie ein Elektrofahrrad antreibt.