ВРАЩАЮЩАЯСЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 2019 года по МПК H02K1/27 H02K21/14 

Область техники

Изобретение относится к вращающейся электрической машине и, в частности, к вращающейся электрической машине, имеющей ротор, включающий в себя множество постоянных магнитов, размещенных в многослойной структуре на каждом магнитном полюсе.

Уровень техники

В качестве одного типа вращающейся электрической машины для использования в электрическом транспортном средстве используется вращающаяся электрическая машина с встроенным типом магнита, в которой множество постоянных магнитов встроены в круговом направлении сердечника ротора, чтобы формировать магнитные полюсы, для того, чтобы уменьшать размер и вес машины и улучшать КПД на выходе. Вращающаяся электрическая машина с встроенным типом магнита формирует комбинированный крутящий момент из крутящего момента магнита, формируемого посредством взаимодействия вращающегося магнитного поля статора и постоянных магнитов, и реактивного момента, формируемого на основе магнитной анизотропии сердечника ротора. КПД на выходе может быть дополнительно улучшен посредством размещения встроенных магнитов практически в V-образной конфигурации на одном магнитном полюсе. Также, крутящий момент, который должен быть сформирован, может быть дополнительно увеличен посредством формирования двух слоев встроенных магнитов в радиальных направлениях.

Во вращающейся электрической машине с встроенным типом магнита, описанной в публикации японской нерассмотренной патентной заявки № 2014-200150 (JP 2014-200150 A), два первых постоянных магнита располагаются симметрично относительно d-оси в качестве центральной линии, и два вторых постоянных магнита располагаются на радиально внешней стороне (ближе к статору) первых постоянных магнитов, симметрично относительно d-оси, на одном магнитном полюсе ротора. Здесь, четыре постоянных магнита размещаются так, чтобы не перекрывать друг друга при просмотре со стороны зубцов статора через зазор. С таким размещением выходной крутящий момент улучшается при средних-высоких скоростях, за исключением максимального крутящего момента при низких скоростях, по сравнению с размещением магнитов, в котором четыре магнита перекрывают друг друга при просмотре в том же направлении, как показано на фиг. 3 в JP 2014-200150 A.

Сущность изобретения

Во вращающейся электрической машине, включающей в себя ротор, имеющий множество слоев встроенных магнитов, может возникать интерференция между магнитными потоками постоянных магнитов соседних слоев, и характеристика максимального крутящего момента и т.д. вращающейся электрической машины может ухудшаться вследствие магнитного насыщения. Таким образом, желательно предоставлять вращающуюся электрическую машину, в которой интерференция между магнитными потоками постоянных магнитов соседних слоев менее вероятно должна возникать, и магнитное насыщение смягчается, в роторе, имеющем множество слоев встроенных магнитов, так что характеристика максимального крутящего момента и т.д. менее вероятно или маловероятно должна ухудшаться.

Вращающаяся электрическая машина согласно этому изобретению включает в себя статор, на который намотана обмотка статора, и ротор, расположенный на радиально внутренней стороне статора, концентрически со статором, с предварительно определенным зазором между ротором и статором. Ротор включает в себя сердечник ротора, имеющий множество магнитных полюсов, размещенных в круговом направлении, и множество постоянных магнитов. Постоянные магниты на каждом из магнитных полюсов размещаются в многослойной структуре, которая проходит радиально внутрь от точки пересечения d-оси, в которой d-ось пересекается с внешней круговой поверхностью сердечника ротора. Во вращающейся электрической машине многослойная структура включает в себя первый слой и второй слой в качестве двух соседних слоев, и первый слой находится ближе к точке пересечения d-оси, чем второй слой. Постоянные магниты, которые принадлежат первому слою и второму слою, соответственно включают в себя первый и второй самые внешние постоянные магниты, расположенные наиболее близко к каждой из противоположных q-осей магнитного полюса. Первый и второй самые внешние постоянные магниты располагаются относительно друг друга так, что радиальная позиция крайнего участка на стороне q-оси и радиально внутренней стороне в самом внешнем постоянном магните, который принадлежит первому слою, в сердечнике ротора, располагается на предварительно определенном радиальном расстоянии и на радиально внешней стороне радиальной позиции крайнего участка на стороне q-оси и радиальной внешней стороне во втором самом внешнем постоянном магните, который принадлежит второму слою, в сердечнике ротора.

На пути магнитного потока между двумя соседними слоями в многослойной структуре интерференция между магнитными потоками, создаваемыми постоянными магнитами двух слоев, вероятно должна возникать, в области, в которой два постоянных магнита, расположенных наиболее близко к q-оси в качестве места входа потока для магнитного потока, который создает магнитный момент на магнитном полюсе, обращены друг к другу. В примере вышеописанной конфигурации интерференция между магнитными потоками двух постоянных магнитов вероятно должна возникать, в области, в которой крайний участок на стороне q-оси и радиально внутренней стороне в постоянном магните, который принадлежит первому слою ближе к точке пересечения d-оси, и крайний участок на стороне q-оси и радиально внешней стороне в постоянном магните, который принадлежит второму слою, обращены друг к другу. Согласно вышеописанной конфигурации, крайние фрагменты взаимно обращенных друг к другу двух постоянных магнитов в этой области располагаются друг от друга на предварительно определенном радиальном расстоянии. Таким образом, соответствующая настройка предварительно определенного радиального расстояния делает возможным уменьшение вероятности интерференции между магнитными потоками постоянных магнитов соседних слоев и смягчение магнитного насыщения, с тем, чтобы сдерживать ухудшение характеристики максимального крутящего момента, и т.д.

Во вращающейся электрической машине, как описано выше, предварительно определенное радиальное расстояние может быть установлено в расстояние, которое уменьшает вероятность магнитного насыщения, вызванного взаимной интенсификацией магнитного потока постоянных магнитов, которые принадлежат первому слою, и магнитного потока постоянных магнитов, которые принадлежат второму слою, когда магнитный поток постоянных магнитов, которые принадлежат первому слою, протекает в том же направлении, что и магнитный поток постоянных магнитов, которые принадлежат второму слою.

С вышеописанным размещением вероятность магнитного насыщения вследствие интерференции между магнитными потоками постоянных магнитов соседних слоев может быть уменьшена посредством соответствующей настройки предварительно определенного радиального расстояния, так что характеристика максимального крутящего момента и т.д. вращающейся электрической машины улучшаются.

Во вращающейся электрической машине, как описано выше, предварительно определенное радиальное расстояние может быть установлено в расстояние, которое уменьшает вероятность взаимной нейтрализации магнитного потока постоянных магнитов, которые принадлежат первому слою, и магнитного потока постоянных магнитов, которые принадлежат второму слою, когда магнитный поток постоянных магнитов, которые принадлежат первому слою, протекает в направлении, противоположном направлению, в котором протекает магнитный поток постоянных магнитов, которые принадлежат второму слою.

С вышеописанным размещением вероятность взаимной нейтрализации магнитных потоков вследствие интерференции между магнитными потоками постоянных магнитов соседних слоев может быть уменьшена посредством соответствующей настройки предварительно определенного радиального расстояния, так что характеристика максимального крутящего момента и т.д. вращающейся электрической машины улучшаются.

Во вращающейся электрической машине, как описано выше, постоянные магниты каждого слоя многослойной структуры могут быть размещены симметрично относительно d-оси.

Когда вращающаяся электрическая машина работает, и ротор вращается, магнитные потоки, создаваемые постоянными магнитами двух слоев на стороне q-оси выше по потоку в направлении вращения на магнитном полюсе, вероятно должны усиливать друг друга и вызывать магнитное насыщение, а магнитные потоки, создаваемые постоянными магнитами двух слоев на стороне q-оси ниже по потоку, вероятно должны нейтрализовать друг друга. С вышеописанной компоновкой предварительно определенное радиальное расстояние на стороне выше по потоку q-оси в направлении вращения может быть сделано равным предварительно определенному радиальному расстоянию на стороне ниже по потоку q-оси. Следовательно, магнитное насыщение и взаимная нейтрализация магнитных потоков могут быть ограничены или уменьшены хорошо сбалансированным образом.

Во вращающейся электрической машине, как описано выше, многослойная структура может быть двухслойной структурой, имеющей первый слой и второй слой. Первый слой может состоять из двух постоянных магнитов, размещенных симметрично относительно d-оси и наклоненных под первым углом наклона в качестве предварительно определенного острого угла, относительно d-оси, если смотреть с внешней круговой поверхности сердечника ротора. Второй слой может состоять из четырех постоянных магнитов, включающих в себя два радиально внешних постоянных магнита, которые размещаются симметрично относительно d-оси и наклонены под вторым углом наклона, который меньше первого угла наклона, относительно d-оси, если смотреть с внешней круговой поверхности сердечника ротора, и два радиально внутренних постоянных магнита, которые размещаются симметрично относительно d-оси и наклонены под третьим углом наклона, который является острым углом больше второго угла наклона, относительно d-оси, если смотреть с внешней круговой поверхности сердечника ротора.

С вышеописанной компоновкой второй слой имеет суммарно четыре постоянных магнита, т.е., два магнита на радиально внешней стороне и два магнита на радиально внутренней стороне; следовательно, крутящий момент магнита может быть увеличен, по сравнению со случаем, когда второй слой имеет два постоянных магнита на радиально внешней стороне. Также, третий угол наклона делается больше второго угла наклона, так что путь потока между постоянными магнитами первого слоя и радиально внутренними постоянными магнитами второго слоя становится шире пути потока между постоянными магнитами первого слоя и радиально внешними постоянными магнитами второго слоя. В результате, интерференция менее вероятно должна возникать между магнитным потоком постоянных магнитов первого слоя и магнитным потоком радиально внутренних постоянных магнитов второго слоя. Таким образом, характеристика максимального крутящего момента и т.д. вращающейся электрической машины могут быть дополнительно улучшены.

Согласно вращающейся электрической машине, сконструированной, как описано выше, в роторе, имеющем встроенные магниты во множестве слоев, интерференция между магнитными потоками постоянных магнитов соседних слоев менее вероятно должна возникать, и магнитное насыщение смягчается, так что ухудшение характеристики максимального крутящего момента и т.д. может быть ограничено.

Краткое описание чертежей

Признаки, преимущества и техническое и промышленное значение примерных вариантов осуществления изобретения будут описаны ниже со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых аналогичные номера обозначают аналогичные элементы, и на которых:

Фиг. 1 - вид сверху вращающейся электрической машины одного варианта осуществления;

Фиг. 2 - укрупненный вид участка, соответствующего одному магнитному полюсу, в роторе вращающейся электрической машины с фиг. 1;

Фиг. 3 - вид, показывающий протекание магнитного потока на магнитном полюсе с фиг. 2, когда вращающаяся электрическая машина работает, и ротор вращается, в частности, показывающий магнитное насыщение, которое появляется, когда магнитные потоки постоянных магнитов двух слоев усиливают друг друга; и

Фиг. 4 - вид, показывающий протекание магнитного потока на магнитном полюсе с фиг. 2, когда вращающаяся электрическая машина работает, и ротор вращается, как на фиг. 3, в частности, показывающий взаимную нейтрализацию магнитных потоков, вызванную интерференцией между магнитными потоками постоянных магнитов двух слоев.

Подробное описание вариантов осуществления изобретения

Обращаясь к чертежам, один вариант осуществления изобретения будет описан подробно. В то время как вращающаяся электрическая машина, установленная на транспортном средстве, будет описана ниже, с целью иллюстрации, вращающаяся электрическая машина изобретения может быть использована в прикладных задачах, отличных от установки на транспортных средствах. В то время как способ намотки обмотки статора в этом варианте осуществления является распределенной намоткой, это является просто примером с целью иллюстрации, и способ намотки может быть сконцентрированной намоткой.

В то время как постоянные магниты размещаются в двухслойной конфигурации на каждом магнитном полюсе ротора, это является просто примером с целью иллюстрации, и постоянные магниты могут быть размещены в двух или более слоях, например, в трехслойной конфигурации. В двухслойной конфигурации два постоянных магнита располагаются в первом слое, и четыре постоянных магнита располагаются во втором слое; однако, это является просто примером с целью иллюстрации, и число постоянных магнитов, расположенных в каждом слое, может изменяться при необходимости, согласно спецификациям, и т.д. вращающейся электрической машины и постоянных магнитов. Например, четыре постоянных магнита могут быть расположены в первом слое, и шесть постоянных магнитов могут быть расположены во втором слое. В многослойной конфигурации структуры постоянных магнитов на каждом магнитном полюсе два или более постоянных магнитов в каждом слое размещаются симметрично относительно линии, т.е., d-оси в качестве центральной линии магнитного полюса для магнитного полюса. Однако, этот пример является просто примером с целью иллюстрации, и постоянные магниты могут быть размещены ассиметрично относительно d-оси. В случае, когда спецификации, касающиеся направления вращения вращающейся электрической машины, являются фиксированными, например, ассиметричное размещение постоянных магнитов относительно d-оси может быть более соответствующим или подходящим для направления вращения.

Формы, размеры, число зубцов и пазов, число магнитных полюсов ротора, число постоянных магнитов, материалы и т.д. указываются как простые примеры с целью иллюстрации, и эти детали могут быть изменены при необходимости согласно спецификациям вращающейся электрической машины. На всех чертежах одинаковые номера ссылок назначаются одинаковым или соответствующим элементам, которые не будут повторно описаны.

Фиг. 1 показывает конфигурацию вращающейся электрической машины 10, установленной на транспортном средстве. Вращающаяся электрическая машина 10 является мотор-генератором, который функционирует в качестве электромотора, когда транспортное средство движется с помощью электроэнергии, и функционирует в качестве генератора, когда тормоз применяется к транспортному средству, под управлением управляющей схемы (не показана). Вращающаяся электрическая машина 10 также является трехфазной синхронной вращающейся электрической машиной. Вращающаяся электрическая машина 10 состоит принципиально из статора 12 и ротора 30, расположенного на радиально внутренней стороне статора 12, с заданным зазором, предусмотренным между ротором 30 и статором 12.

Статор 12 вращающейся электрической машины 10 включает в себя сердечник 14 статора и обмотку 16 статора. Сердечник 14 статора является кольцеобразным, магнитным компонентом и включает в себя кольцеобразное заднее ярмо 18 и множество зубцов 20, которые выступают радиально внутрь от заднего ярма 18. Интервалы между соседними зубцами 20 называются пазами 22. В варианте осуществления на фиг. 1 число зубцов 20 равно числу пазов 22, которое равно 48 как кратное трем.

Сердечник 14 статора, который включает в себя заднее ярмо 18 и зубцы 20, является многослойным телом, сформированным посредством укладки друг на друга, в осевом направлении, заданного числа кольцеобразных магнитных тонких листов, сформированных в заданной форме, таким образом, чтобы формировать пазы 22. Противоположные поверхности магнитных тонких листов подвергаются электрически изолирующей обработке. В качестве материала магнитных тонких листов могут быть использованы листы из кремнистой стали в качестве одного типа электромагнитных стальных листов. Сердечник 14 статора может также быть целиком сформированным телом из магнитного порошка, вместо многослойного тела из магнитных тонких листов.

Обмотка 16 статора состоит из трехфазных катушек распределенной обмотки и однофазная обмотка наматывается через два или более зубцов 20. На фиг. 1 иллюстрируются обмотки как часть обмотки 16 статора. Здесь, "U", "V", "W", которыми обозначается каждый паз 22, указывают фазу обмотки, намотанной на паз 22. Например, U-фазная обмотка вставляется в заданный паз 22, обозначенный символом "U", и проходит от заданного паза 22 в круговом направлении, чтобы вставляться в другой паз 22, который обозначен символом "U", следующий и расположенный с интервалом от заданного паза 22 на расстоянии шести пазов. Таким образом, U-фазные обмотки формируются посредством повторения этого процесса. Аналогично, V-фазные обмотки и W-фазные обмотки также формируются таким же образом.

Ротор 30 располагается концентрически со статором 12, с предварительно определенным магнитным зазором, предусмотренным между ротором 30 и внутренним периметром статора 12. Ротор 30 включает в себя сердечник 32 ротора в качестве магнитного тела и множество постоянных магнитов 60, которые встраиваются в сердечник 32 ротора и формируют магнитные полюсы 38 ротора 30.

Сердечник 32 ротора является кольцеобразным магнитным телом, имеющим центральное отверстие 34 и внешнюю круговую поверхность 36, и включает в себя множество отверстий 50 для магнитов, в которых располагаются магниты 60. Вал ротора в качестве выходного вала вращающейся электрической машины 10 прикрепляется к центральному отверстию 34 сердечника 32 ротора.

Радиальные направления, круговое направление и осевое направление вращающейся электрической машины 10 показаны на фиг. 1. Центральная позиция центрального отверстия 34 обозначается как "C", а радиальные направления указываются радиальными линиями, соединяющими центральную позицию C и внешнюю окружность статора 12. Центральная позиция C находится на радиально внутренней стороне, а внешняя окружность статора 12 находится на радиально внешней стороне. Круговое направление является направлением, проходящим по кругу, имеющему центральную позицию C в качестве своего центра. Осевое направление является направлением, в котором вал ротора, вставленный в центральное отверстие 34, проходит, и является перпендикулярным бумаге на фиг. 1.

Сердечник 32 ротора формируется посредством укладки друг на друга, в осевом направлении, заданного числа кольцеобразных, магнитных тонких листов, сформированных в заданной форме, включающей в себя центральное отверстие 34 и множество отверстий 50 для магнитов. В качестве материала магнитных тонких листов могут быть использованы электромагнитные стальные листы, аналогично сердечнику 14 статора. Сердечник 32 ротора может быть целиком сформированным телом из магнитного порошка, вместо многослойного тела из магнитных тонких листов.

Ротор 30 снабжается магнитными полюсами 38, размещенными в круговом направлении, и число магнитных полюсов 38 определяется согласно спецификациям вращающейся электрической машины 10. В варианте осуществления на фиг. 1, число магнитных полюсов 38 равно восьми, а ожидаемый угол φ одного магнитного полюса 38, измеренный в круговом направлении, если смотреть из центральной позиции C, равен 45 градусам. На фиг. 1 восемь магнитных полюсов 38 соответственно обозначаются с помощью символов "P1"-"P8". Магнитные полюсы 38, обозначенные как "P1"-"P8", отличаются друг от друга только с точки зрения позиции размещения, и каждый из магнитных полюсов 38 имеет одинаковую конфигурацию. Таким образом, типичный из магнитных полюсов 38, имеющий множество отверстий 50 для магнитов, множество постоянных магнитов 60 и т.д., будет описан ниже.

Каждый из магнитных полюсов 38, типично, магнитный полюс P8, имеет множество отверстий 50 для магнитов (см. P2) и множество постоянных магнитов 60 (см. P1), которые размещаются в структуре 40 с двухслойной конфигурацией. d-ось 70 в качестве центральной линии CL магнитного полюса для магнитного полюса 38 и внешняя круговая поверхность 36 сердечника 32 ротора пересекаются друг с другом в точке 80 пересечения d-оси. Соответствующие слои структуры 40 с двухслойной конфигурацией отличаются друг от друга, называя слой ближе к точке 80 пересечения d-оси "первым слоем 42" и называя слой дальше от точки 80 пересечения "вторым слоем 44", когда рассматриваются радиально внутрь от точки 80 пересечения d-оси. Этот способ различения соответствующих слоев также применяется к случаю, когда магнитный полюс 38 имеет структуру с многослойной конфигурацией, имеющую три или более слоев. В этом случае слои последовательно считаются как "первый слой", "второй слой", "третий слой", "четвертый слой", … радиально внутрь от точки 80 пересечения d-оси, с наиболее близкого к точке 80 пересечения d-оси к самому отдаленному от той же точки.

Постоянные магниты 60 соответственно вставляются и располагаются в соответствующих отверстиях 50 для магнитов. На фиг. 1 постоянные магниты 60 указываются заштрихованными областями, а отверстия 50 для магнитов указываются как фрагменты, которые не заштрихованы, на продольно противоположных сторонах постоянных магнитов 60. Немного трудно понимать формы отверстий 50 для магнитов в условиях, когда постоянные магниты 60 располагаются в отверстиях 50 для магнитов. Таким образом, на магнитном полюсе P2, постоянные магниты 60 не иллюстрируются, а иллюстрируются только отверстия 50 для магнитов. Отверстия 50 для магнитов существуют в форме сквозных отверстий, размещенных в круговом направлении, в радиально внешнем участке сердечника 32 ротора. Отверстия 50 для магнитов проходят сквозь толщу сердечника 32 ротора и принимают постоянные магниты 60, которые встраиваются в сердечник 32 ротора.

Как типично показано на магнитном полюсе P2, каждый магнитный полюс 38 имеет отверстия 52, 53, 54, 55 для магнитов в качестве отверстий 50 для магнитов. Отверстия 52, 53 для магнитов являются двумя отверстиями для магнитов, которые принадлежат первому слою 42, а отверстия 54, 55 для магнитов являются двумя отверстиями для магнитов, которые принадлежат второму слою 44.

Отверстия 50 для магнитов служат в качестве отверстий, в которые вставляются постоянные магниты 60. В то же самое время, в роторе 30 встроенного типа магнита, отверстия 50 для магнитов служат в качестве полых фрагментов, которые формируют магнитную анизотропию сердечника 32 ротора, необходимую, чтобы формировать реактивный момент. А именно, отверстия 50 для магнитов являются полыми фрагментами, где фрагменты магнитного тела сердечника 32 ротора удалены, и имеют большее магнитное сопротивление, чем фрагменты магнитного тела сердечника 32 ротора. Магнитная проницаемость постоянных магнитов 60, вставленных в отверстия 50 для магнитов, практически равна магнитной проницаемости вакуума; следовательно, постоянные магниты 60 обеспечивают такое же высокое магнитное сопротивление, что и магнитное сопротивление полых фрагментов. Соответственно, магнитный поток в сердечнике 32 ротора не проходит отверстия 50 для магнитов, а протекает в участке магнитного тела между отверстиями 52, 53 для магнитов первого слоя 42 и отверстиями 54, 55 для магнитов второго слоя 44.

На магнитном полюсе P1 постоянные магниты 62, 63, 64, 65, 66, 67 указываются как постоянные магниты 60. Постоянные магниты 62, 63 являются двумя постоянными магнитами, которые принадлежат первому слою 42, и вставляются в отверстия 52, 53 для магнитов, соответственно. Постоянные магниты 64, 65, 66, 67 являются четырьмя постоянными магнитами, которые принадлежат второму слою 44, и постоянные магниты 64, 66 вставляются в отверстие 54 для магнита, в то время как постоянные магниты 65, 67 вставляются в отверстие 55 для магнита.

Все постоянные магниты 60 имеют одинаковую форму, более конкретно, имеют прямоугольную форму поперечного сечения в плоскости, перпендикулярной осевому направлению. Каждый из постоянных магнитов 60 является стержневым магнитом в форме прямоугольного параллелепипеда, имеющего осевую длину слегка короче осевой длины ротора 30. В качестве материала постоянных магнитов 60 могут быть использованы магниты из редкоземельных металлов, такие как неодимовый магнит, имеющий неодим, железо и бор в качестве основных компонентов, и самариево-кобальтовый магнит, имеющий самарий и кобальт в качестве основных компонентов. Другие магниты, такие как ферритовый магнит и альнико магнит, также могут быть использованы.

Постоянные магниты 60 намагничиваются вдоль своих коротких сторон от радиально внешней стороны к радиально внутренней стороне, и направления намагничивания соседних магнитных полюсов являются противоположными друг другу. Например, на магнитном полюсе P1, радиально внешние поверхности постоянных магнитов 62, 63, 64, 65, 66, 67 намагничиваются, чтобы предоставлять северные (N) полюсы, а радиально внутренние поверхности этих магнитов намагничиваются, чтобы предоставлять южные (S) полюсы (см. фиг. 2). С другой стороны, на магнитных полюсах P2, P8, соседних с магнитным полюсом P1, радиально внешние поверхности постоянных магнитов 60 намагничиваются, чтобы предоставлять S-полюсы, а радиально внутренние поверхности намагничиваются, чтобы предоставлять N-полюсы. В результате, полярность магнитного полюса на радиально внешней стороне, обращенной к статору 12, поочередно изменяется от магнитного полюса P1 к магнитному полюсу P8, так что N-полюс, S-полюс, N-полюс, S-полюс, N-полюс, S-полюс, N-полюс и S-полюс размещаются в таком порядке в круговом направлении. При работе вращающейся электрической машины 10 постоянные магниты 60 взаимодействуют с вращающимся магнитным полем, создаваемым статором 12, чтобы создавать крутящий момент магнита.

На фиг. 1 указывается обычное направление 68 вращения ротора 30 во время работы вращающейся электрической машины 10. Вращающаяся электрическая машина 10 может управляться, чтобы вращаться в обычном направлении и обратном направлении. Обычное направление 68 вращения является направлением против часовой стрелки на бумаге фиг. 1 и является таким же, что и направление, в котором размещаются U-фаза, V-фаза и W-фаза статора 12. На фиг. 1 "UP" обозначает сторону выше по потоку для обычного направления 68 вращения, а "DOWN" обозначает его сторону ниже по потоку. Обычное направление 68 вращения будет использовано, когда протекание магнитного потока постоянных магнитов 60 в сердечнике 32 ротора во время работы вращающейся электрической машины 10 анализируется, обращаясь к фиг. 3 и фиг. 4, которые будут описаны позже.

Магнитные полюсы P1-P8 имеют одинаковую конфигурацию. Таким образом, структура 40 с двухслойной конфигурацией для магнитного полюса P1, имеющего два постоянных магнита 62, 63, принадлежащих первому слою 42, и четыре постоянных магнита 64, 65, 66, 67, принадлежащих второму слою 44, будет описана подробно с помощью фиг. 2.

Фиг. 2 показывает центральную линию CL магнитного полюса для магнитного полюса P1. Центральная линия CL магнитного полюса является линией, которая проходит через центральную позицию C и проходит радиально наружу и делит ожидаемый угол φ, взятый вдоль кругового направления магнитного полюса P1, если смотреть с центральной позиции C, на два, каждый равен φ/2. Центральная линия CL магнитного полюса является d-осью 70 в магнитном полюсе P1. На фиг. 2 q-оси 72, 74 на противоположных сторонах магнитного полюса P1 являются пограничными линиями, которые проходят через центральную позицию C и отделяют магнитный полюс P1 от магнитных полюсов P2, P8, соседних с магнитным полюсом P1. Чтобы отличать противоположные q-оси 72, 74 друг от друга, q-ось 72 на стороне выше по потоку для обычного направления 68 вращения ротора 30 будет обозначаться как "QUP", а q-ось 74 на стороне ниже по потоку будет называться "QDN".

Два постоянных магнита 62, 63 первого слоя 42 структуры 40 с двухслойной конфигурацией размещаются симметрично относительно d-оси 70 в качестве центральной линии CL магнитного полюса, так что каждый из постоянных магнитов 62, 63 наклоняется на угол θ1 наклона в качестве заданного острого угла, относительно d-оси 70.

Четыре постоянных магнита 64, 65, 66, 67 второго слоя 44 структуры 40 с двухслойной конфигурацией размещаются симметрично относительно d-оси 70, так что два этих магнита располагаются в отверстии 54 для магнита, имеющем согнутую форму, а другие два магнита располагаются в отверстии 55 для магнита, имеющем согнутую форму. А именно, постоянные магниты 64, 66 располагаются в отверстии 54 для магнита на стороне DN ниже по потоку в круговом направлении, а постоянные магниты 65, 67 располагаются в отверстии 55 для магнита на стороне UP выше по потоку.

Отверстия 54, 55 для магнитов изогнуты симметрично относительно d-оси 70. Таким образом, отверстие 54 для магнита на стороне DN ниже по потоку принимается в качестве типичного отверстия, и соотношение в позиции между двумя постоянными магнитами 64, 66, расположенными в отверстии 54 для магнита, будет описано. Постоянный магнит 64 располагается радиально снаружи постоянного магнита 66. Постоянный магнит 64 наклоняется под углом θ2 наклона в качестве заданного острого угла, относительно d-оси 70. Угол θ2 наклона является ожидаемым углом, если смотреть с внешней стороны круговой поверхности 36 сердечника 32 ротора. Постоянный магнит 66 располагается радиально внутри от постоянного магнита 64. Постоянный магнит 66 наклоняется под углом θ3 наклона в качестве заданного острого угла, относительно d-оси 70. Угол θ3 наклона является ожидаемым углом, если смотреть с внешней стороны круговой поверхности 36 сердечника 32 ротора. Угол θ3 наклона больше угла θ2 наклона. Соотношение между этими углами θ3, θ2 наклона и углом θ1 наклона выражается как θ1 > θ3 > θ2, как показано на фиг. 2.

На каждом магнитном полюсе 38 ротора 30 с встроенным типом магнита магнитный поток постоянных магнитов 62, 63, 64, 65, 66, 67, создаваемый, когда вращающаяся электрическая машина 10 вращает потоки через участок магнитного тела, или путь потока, сердечника 32 ротора, который вставляется между первым слоем 42 и вторым слоем 44. По этому пути потока протекают и магнитный поток от постоянных магнитов 62, 63, принадлежащих первому слою 42, и магнитный поток от постоянных магнитов 64, 65, 66, 67, принадлежащих второму слою 44; следовательно, может возникать интерференция между магнитными потоками, если ширина пути потока является небольшой. Когда соотношение между углами наклона постоянных магнитов 60 относительно d-оси 70 равно θ1 > θ3 > θ2, ширина пути потока между первым слоем 42 и вторым слоем 44 становится больше по направлению к d-оси 70 и становится меньше по направлению к q-осям 72, 74, как показано на фиг. 2. Самые узкие фрагменты пути потока между постоянными магнитами 62, 63 первого слоя 42 и постоянными магнитами 64, 65, 66, 67 второго слоя 44, которые обращены к первому слою 42, находятся между взаимно обращенными друг к другу постоянными магнитами, которые расположены наиболее близко к противоположным q-осям 72, 74.

На стороне q-оси 72, обозначенной как "QUP" на фиг. 2, путь потока между крайним участком 82 на стороне q-оси 72 и радиально внутренней стороне в постоянном магните 63, принадлежащем первому слою 42, и крайним участком 84 на стороне q-оси 72 и радиально внешней стороне в постоянном магните 65, принадлежащем второму слою 44, имеет наименьшую ширину.

Аналогично, на стороне q-оси 74, обозначенной как "QDN" на фиг. 2, путь потока между крайним участком 86 на стороне q-оси 74 и радиально внутренней стороне в постоянном магните 62, принадлежащем первому слою 42, и крайним участком 88 на стороне q-оси 74 и радиально внешней стороне в постоянном магните 64, принадлежащем второму слою 44, имеет наименьшую ширину.

В случае, когда соотношение между углами наклона постоянных магнитов 60 относительно d-оси 70 равно θ1 > θ3 > θ2, ширина между крайним участком 82 и крайним участком 84 на стороне q-оси 72 является наименьшей, когда крайний участок 82 и крайний участок 84 располагаются в одной и той же радиальной позиции (т.е., крайний участок 82 и крайний участок 84 имеют одинаковый радиус, который измеряется из центральной позиции C). Когда R1 представляет радиальную позицию или радиус крайнего участка 82, который измеряется из центральной позиции C сердечника 32 ротора, а R2 представляет радиальную позицию или радиус крайнего участка 84, ширина между крайним участком 82 и крайним участком 84 на стороне q-оси 72 является наименьшей, когда R1 равен R2 (R1=R2). Когда крайний участок 84 сдвигается радиально внутрь относительно крайнего участка 82, так что R1 становится больше R2 (R1>R2), ширина между крайним участком 82 и крайним участком 84 становится больше ширины в случае, когда R1 равен R2 (R1=R2). Это также применяется к соотношению между крайним участком 86 и крайним участком 84 на стороне q-оси 74.

Таким образом, R1 устанавливается больше R2 (R1 > R2), с тем, чтобы уменьшать интерференцию между магнитным потоком постоянных магнитов, принадлежащих первому слою 42, и магнитным потоком постоянных магнитов, принадлежащих второму слою 44, на пути потока, помещенном между первым слоем 42 и вторым слоем 44. А именно, крайний участок 82 на стороне q-оси и радиально внутренней стороне в постоянном магните 63, принадлежащем первому слою 42 и расположенном наиболее близко к q-оси 72, располагается радиально снаружи от крайнего участка 84 на стороне q-оси и радиально внешней стороне в постоянном магните 65, принадлежащем второму слою 44 и расположенном наиболее близко к q-оси 72. Также это применяется к соотношению между крайним участком 86 и крайним участком 88. Радиальное расстояние ΔRth (=R1-R2) устанавливается в предварительно определенное значение, получая соотношение между характеристикой максимального крутящего момента, и т.д., и ΔRth посредством эксперимента или моделирования, на основе фактических рабочих условий для вращающейся электрической машины 10, например.

В случае, который описан выше, два постоянных магнита принадлежат первому слою 42, и четыре постоянных магнита принадлежат второму слою 44, в то время как соотношение между углами наклона этих постоянных магнитов относительно d-оси 70 равно θ1 > θ3 > θ2. Вышеописанное соотношение для уменьшения интерференции в протекании магнитного потока между двумя соседними слоями может также быть применено к случаю, когда постоянные магниты в магнитном поле 38 имеют многослойную структуру, имеющую три или более слоев. Также, в случае ротора с встроенным типом магнита, который применяет многослойную структуру для размещения постоянных магнитов, расстояние между постоянными магнитами, принадлежащими слою, близкому к точке 80 пересечения d-оси, и постоянными магнитами, принадлежащими слою, далекому от точки 80 пересечения, может быть вероятно задано самым узким на стороне q-оси, как показано на фиг. 2 в качестве примера. Вышеописанное соотношение для уменьшения интерференции в протекании магнитного потока между двумя соседними слоями может также быть применено к этому случаю.

Действие и результат вышеописанной конфигурации будут описаны с помощью фиг. 3 и фиг. 4. Фиг. 3 и фиг. 4, которые соответствуют фиг. 2, показывают протекание магнитного потока на магнитном полюсе 38, когда вращающаяся электрическая машина 10 работает, и ротор 30 вращается в обычном направлении 68 вращения. Когда ротор 30 вращается в обычном направлении 68 вращения, магнитный поток протекает со стороны q-оси 72, обозначенной как "QUP". Затем магнитный поток от каждого из постоянных магнитов 65, 67, 66, 64 второго слоя 44 на магнитном полюсе 38 соединяется с магнитным потоком, и результирующий магнитный поток проходит по пути потока между первым слоем 42 и вторым слоем 44, по направлению к стороне q-оси 74, обозначенной как "QDN".

Фиг. 3, в частности, показывает протекание магнитного потока поблизости от места входа магнитного потока q-оси 72, обозначенного как "QUP". Поблизости от места входа магнитного потока q-оси 72 магнитный поток от N-полюса постоянного магнита 63 первого слоя 42 разворачивается и входит на путь потока между первым слоем 42 и вторым слоем 44. Направление магнитного потока, который разворачивается, является тем же направлением, что и направление магнитного потока, протекающего от q-оси 72 к q-оси 74. В результате, магнитные потоки усиливают друг друга, и магнитное насыщение вероятно должно возникать, в области A пути потока между крайним участком 82 постоянного магнита 63 и крайним участком 84 постоянного магнита 65. Таким образом, ΔRth (=R1-R2), где R1 является радиальной позицией крайнего участка 82, которая измеряется от центральной позиции C сердечника 32 ротора, а R2 является радиальной позицией крайнего участка 84, устанавливается в предварительно определенное радиальное расстояние ΔRth1, которое может уменьшать вероятность магнитного насыщения, вызванного взаимным усилением магнитных потоков. Соотношение между характеристикой максимального крутящего потока и т.д. и магнитным насыщением получается посредством эксперимента или моделирования, на основе рабочих условий вращающейся электрической машины 10, например, и радиальное расстояние ΔRth1 устанавливается в значение, при котором характеристика максимального крутящего момента и т.д. не будет ухудшаться.

Фиг. 4, в частности, показывает протекание магнитного потока поблизости от места выхода магнитного потока q-оси 74, обозначенного как "QDN". Поблизости от места выхода магнитного потока q-оси 74 магнитный поток разворачивается от N-полюса постоянного магнита 63 первого слоя 42 и входит на путь потока между первым слоем 42 и вторым слоем 44. Направление магнитного потока, который разворачивается, является противоположным направлению магнитного потока, протекающего от q-оси 72 к q-оси 74. В результате, магнитные потоки нейтрализуют друг друга, и эффективный магнитный поток вероятно должен быть уменьшен, в области B пути потока между крайним участком 86 постоянного магнита 62 и крайним участком 88 постоянного магнита 64. Таким образом, ΔRth (=R1-R2), где R1 является радиальной позицией крайнего участка 86, которая измеряется от центральной позиции C сердечника 32 ротора, а R2 является радиальной позицией крайнего участка 88, устанавливается в предварительно определенное радиальное расстояние ΔRth2, которое может уменьшать вероятность взаимной нейтрализации магнитных потоков. Соотношение между характеристикой максимального крутящего потока и т.д. и эффективным магнитным потоком получается посредством эксперимента или моделирования, на основе рабочих условий вращающейся электрической машины 10, например, и радиальное расстояние ΔRth2 устанавливается в значение, при котором характеристика максимального крутящего момента и т.д. не будет ухудшаться.

Как описано выше, когда вращающаяся электрическая машина 10 работает, и ротор 30 вращается, магнитное насыщение вероятно должно возникать вследствие взаимного усиления магнитных потоков посредством постоянных магнитов двух слоев около q-оси 72 на стороне выше по потоку для обычного направления 68 вращения. Также, магнитные потоки, создаваемые постоянными магнитами двух слоев около q-оси 74 на стороне ниже по потоку, вероятно должны нейтрализовать друг друга. Когда многослойная структура постоянных магнитов является несимметричной относительно d-оси 70, только одно из этих явлений может иметь место. Соответственно, ΔRth1 и ΔRth2 предпочтительно устанавливаются соответствующим образом, согласно содержимому многослойной структуры ротора 30.

Когда многослойная структура постоянных магнитов является симметричной относительно d-оси 70, как показано на фиг. 2, R1 и R2 на стороне q-оси 72 являются равными R1 и R2 на стороне q-оси 74. Соответственно, предварительно определенное радиальное расстояние ΔRth1 на стороне q-оси 72 на стороне выше по потоку для радиального направления может быть сделано равным предварительно определенному радиальному расстоянию ΔRth2 на стороне q-оси 74 на стороне ниже по потоку. В результате, магнитное насыщение и взаимная нейтрализация магнитных потоков могут быть ограничены или уменьшены хорошо сбалансированным образом.

Как описано выше, на пути потока между двумя соседними слоями в многослойной структуре магнитные потоки, создаваемые постоянными магнитами двух слоев, вероятно должны интерферировать друг с другом, в области, где два постоянных магнита, ближайших к q-оси в качестве места входа магнитного потока, который создает крутящий момент магнита в магнитном полюсе, обращены друг к другу. Например, на стороне q-оси 72 в конфигурации на фиг. 2 магнитные потоки вероятно должны интерферировать друг с другом, в области, где крайний участок 82 на стороне q-оси 72 и радиально внутренней стороне в постоянном магните 63, принадлежащем первому слою 42и расположенным близко к точке 80 пересечения d-оси, и крайний участок 84 на стороне q-оси 72 и радиально внешней стороне в постоянном магните 65, принадлежащем второму слою 44 и расположенном далеко от точки 80 пересечения, обращены друг к другу. Согласно вышеописанной конфигурации крайние фрагменты постоянных магнитов, которые обращены друг к другу, отделяются друг от друга предварительно определенным радиальным расстоянием. Соответственно, посредством подходящей настройки предварительно определенного радиального расстояния, возможно сдерживать или уменьшать интерференцию между магнитными потоками постоянных магнитов соседних слоев, смягчать магнитное насыщение и сдерживать ухудшение характеристики максимального крутящего момента, и т.д.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электрическом транспортном средстве. В вращающейся электрической машине ротор включает в себя сердечник ротора и множество постоянных магнитов, размещенных в двухслойной структуре, имеющей первый слой и второй слой в сердечнике ротора. Среди постоянных магнитов первый и второй, самые внешние постоянные магниты, расположенные наиболее близко к каждой из противоположных q-осей каждого магнитного полюса, располагаются относительно друг друга так, что радиальная позиция крайнего участка на стороне q-оси и радиально внутренней стороне в первом самом внешнем постоянном магните, который принадлежит первому слою, отделяется предварительно определенным радиальным расстоянием и находится на радиально внешней стороне от радиальной позиции крайнего участка на стороне q-оси и радиально внешней стороне во втором самом внешнем постоянном магните, который принадлежит второму слою. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Вращающаяся электрическая машина, содержащая:

статор, на который намотана обмотка статора; и

ротор, расположенный на радиально внутренней стороне статора концентрически со статором с предварительно определенным зазором между ротором и статором, причем ротор включает в себя сердечник ротора, имеющий множество магнитных полюсов, размещенных в круговом направлении, и множество постоянных магнитов, при этом постоянные магниты в каждом из магнитных полюсов размещены в многослойной структуре, которая проходит радиально внутрь от точки пересечения d-оси, в которой d-ось пересекается с внешней круговой поверхностью сердечника ротора, причем многослойная структура включает в себя первый слой и второй слой в качестве двух соседних слоев, при этом первый слой находится ближе к точке пересечения d-оси, чем второй слой, причем постоянные магниты, которые принадлежат первому слою и второму слою соответственно включают в себя первый и второй самые внешние постоянные магниты, расположенные наиболее близко к каждой из противоположных q-осей каждого магнитного полюса, при этом первый и второй самые внешние постоянные магниты расположены относительно друг друга так, что радиальная позиция крайнего участка на стороне q-оси и радиально внутренней стороне в первом самом внешнем постоянном магните, который принадлежит первому слою в сердечнике ротора, отделена предварительно определенным радиальным расстоянием и находится на радиально внешней стороне от радиальной позиции крайнего участка на стороне q-оси и радиально внешней стороне во втором самом внешнем постоянном магните, который принадлежит второму слою в сердечнике ротора.

2. Вращающаяся электрическая машина по п. 1, в которой указанное предварительно определенное радиальное расстояние установлено как расстояние, которое уменьшает вероятность магнитного насыщения, вызванного взаимным усилением магнитного потока постоянных магнитов, которые принадлежат первому слою, и магнитного потока постоянных магнитов, которые принадлежат второму слою, когда магнитный поток постоянных магнитов, которые принадлежат первому слою, протекает в том же направлении, что и магнитный поток постоянных магнитов, которые принадлежат второму слою.

3. Вращающаяся электрическая машина по п. 1, в которой указанное предварительно определенное радиальное расстояние установлено как расстояние, которое уменьшает вероятность взаимной нейтрализации магнитного потока постоянных магнитов, которые принадлежат первому слою, и магнитного потока постоянных магнитов, которые принадлежат второму слою, когда магнитный поток постоянных магнитов, которые принадлежат первому слою, протекает в направлении, противоположном направлению, в котором протекает магнитный поток постоянных магнитов, которые принадлежат второму слою.

4. Вращающаяся электрическая машина по п. 1, в которой постоянные магниты каждого слоя многослойной структуры размещены симметрично относительно d-оси.

5. Вращающаяся электрическая машина по п. 4, в которой:

многослойная структура является двухслойной структурой, имеющей первый слой и второй слой;

первый слой содержит два постоянных магнита, размещенных симметрично относительно d-оси и наклоненных под первым углом наклона в качестве предварительно определенного острого угла относительно d-оси, если смотреть с внешней круговой поверхности сердечника ротора; и

второй слой содержит четыре постоянных магнита, содержащих два радиально внешних постоянных магнита, которые размещены симметрично относительно d-оси и наклонены под вторым углом наклона, который меньше первого угла наклона, относительно d-оси, если смотреть с внешней круговой поверхности сердечника ротора, и два радиально внутренних постоянных магнита, которые размещены симметрично относительно d-оси и наклонены под третьим углом наклона, который является острым углом больше второго угла наклона, относительно d-оси, если смотреть с внешней круговой поверхности сердечника ротора.