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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft elektrische Rotationsmaschinen, die
die Menge des effektiven Flusses mechanisch in Abhängigkeit
von dem Drehmoment und der Drehzahl ändern und elektrische Produkte,
Fahrzeuge, mobile Geräte, Windkrafterzeugungssysteme und
Transportfahrzeuge, die solche Maschinen benutzen.
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2. Beschreibung des Stands der Technik
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Die
Verwendung von Permanentmagnetsynchronmotoren (PM Motoren), die
eine ausgezeichnete Effizienz aufweisen, die kompakt und weniger
laut sind hat sich ausgebreitet als eine Alternative zu konventionellen
Induktionsmotoren (IM Motoren). PM Motoren werden beliebt als Antriebesmotoren
für elektrische Haushaltsgeräte, Schienenfahrzeuge
und Elektroautos. IM Motoren weisen das folgende Problem auf: Da
ein Magnetfluss durch einen Erregerstrom eines Stators erzeugt wird,
kann ein Verlust aufgrund eines Erregerstromflusses auftreten. Andererseits
verwenden PM Motoren Permanentmagnete für Rotoren und erzeugen
ein Drehmoment indem der Magnetfluss von den Permanentmagneten verwendet
wird. Mit anderen Worten, PM Motoren haben nicht das den IM Motoren
inhärente Problem, da sie keinen Erregerstrom benötigen.
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In
PM Motoren erzeugt ein Permanentmagnet jedoch eine induzierte elektromotorische
Kraft in der Ankerspule proportional zur Drehgeschwindigkeit. Bei
Anwendungen mit einem großen Drehgeschwindigkeitsbereich,
wie beispielsweise bei Schienenfahrzeugen und Autos, ist es erforderlich
sicherzustellen, dass eine Überspan nung aufgrund einer induzierten
elektromotorischen Kraft, die bei einer maximalen Drehgeschwindigkeit
erzeugt wird, keinen Zusammenbruch des Inverters zur Steuerung des
PM Motors hervorruft.
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Berücksichtigt
man diesen Aspekt von PM Motoren, so wird folgender Ansatz für
einen Betrieb von PM Motoren mit konstanter Speisespannung und für
eine konstante Abgabeleistung, der „Magnetfeldschwächungssteuerung” genannt
wird, verfolgt: Es wird ein Strom zum Entfernen des Magnetflusses
von dem Permanentmagnet in der Ankerspule fließen gelassen,
um die induzierte elektromotorische Kraft äquivalent abzusenken,
um die maximale Drehzahl zu steigern und den Betriebsgeschwindigkeitsbereich
zu erweitern. Die Magnetfeldschwächungssteuerung führt
jedoch zu einer Effizienzverschlechterung, da sie einen Strom verwendet,
der nichts zu dem Drehmoment beiträgt. Ferner, sollte in
der Ankerspule ein großer Strom fließen mit einem
daraus resultierenden Anstieg der in der Spule erzeugten Wärme.
Das heißt, dass folgende Probleme auftreten können:
Ein Sinken der Effizienz der elektrischen Rotationsmaschine im Hochdrehzahlbereich
und eine Demagnetisierung des Permanentmagneten, die einer Wärmeerzeugung über
die Kühlkapazität hinaus zuzurechnen ist.
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Vor
diesem Hintergrund wurde eine elektrische Rotationsmaschine, wie
in der japanischen Patentanmeldung
JP-A 2001-69609 bekannt, bei der die Menge
des effektiven Flusses mechanisch geändert wird, anstelle
des Ansatzes der elektrischen Schwächung des Magnetfeldes.
Die elektrische Rotationsmaschine, wie in
JP A 2001-69609 beschrieben,
verwendet einen Rotor, der in (axialer Wellenrichtung) in zwei halbe
Rotoren unterteilt ist und diese Halbrotoren (Unterrotoren) haben
jeweils Feldmagneten mit verschiedenen Polaritäten, die
abwechselnd in Drehrichtung (Umfangsrichtung) angeordnet sind.
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Wenn
die elektrische Rotationsmaschine als Motor betrieben wird, sind
die Mitten der Pole der Feldmagneten eines Halbrotors mit denen
des anderen Halbrotors ausgerichtet entsprechend der magnetischen
Wechselwirkung zwischen dem Feldmagneten eines Halbrotors und dem
des anderen Halbrotors und eines Drehmomentrichtungsausgleiches zwischen
den Halbrotoren, um die Menge des effektiven Flusses zu maximieren.
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Wenn
die Maschine als Generator betrieben wird sind die Mitten der aufgereihten
Magnetpole der Halbrotoren nicht ausgerichtet, da die Drehmomentrichtungen
der Halbrotoren sich entgegenstehen, um die Menge des effektiven
Flusses zu minimieren. Die Menge des effektiven Flusses wird mechanisch geändert
durch Verschieben der Mitten der Magnetpole der Halbrotoren.
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Als
ein weiteres Beispiel einer anderen elektrischen Rotationsmaschine,
die einen mechanischen Flussveränderungsmechanismus verwendet beschreibt
die
JP-A 2004-64942 eine
elektrische Rotationsmaschine, die einen Mechanismus zur Dämpfung
eines Stoßes aufweist, die ein Halbrotor oder ein mechanischer
Flussänderungsmechanismus während einer Flussänderung
durch die Änderung der Rotordrehmomentrichtung erfährt,
um die Zuverlässigkeit eines Trägers zu verbessern,
auf dem die Maschine montiert ist, wie beispielsweise einem Auto.
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Diese
elektrischen Rotationsmaschinen haben jedoch keinerlei Mittel um
die Relativwinkel der Rotoren kontinuierlich und unabhängig
von der Richtung des Drehmoments zu justieren. Ferner bei Anwendungen,
die einen großen Drehzahl- und Drehmomentbereich erfordern,
wie beispielsweise bei Autos, ist es effektiv den Bereich der effektiven
Flussveränderung zu vergrößern. Bei elektrischen
Rotationsmaschinen, die einen konventionellen mechanischen Flussänderungsmechanismus
verwenden wird eine Anziehungskraft zwischen den Feldmagneten der
beiden Halbrotoren erzeugt, wenn die Menge des effektiven Flusses
auf 50% oder weniger reduziert wird. Aus diesem Grund ist es notwendig,
eine größere Kraft als die Anziehungskraft anzuwenden um
die Mittenwinkel der Magnetpole der Rotoren zu verändern,
um die Menge des effektiven Flusses zu steigern während
eine solche Anziehungskraft anliegt. Dies erfordert einen größeren
Rotorwinkeljustiermechanismus. Im schlimmsten Fall kann die Netto-Anziehungskraft
dazu führen, dass die beiden Rotoren aneinander haften,
was es unmöglich macht zur nächsten Flussveränderungsstufe
fortzuschreiten.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine elektrische Rotationsmaschine
anzugeben, die Relativwinkel zwischen den Unterrotoren kontinuierlich
und unabhängig von der Drehmomentrichtung justieren kann,
ohne eine Anziehungskraft zwischen den Feldmagneten der Unterrotoren
zu erzeugen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER EFINDUNG
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird zur Lösung der obigen
Aufgabe eine elektrische Rotationsmaschine angegeben, die einen Stator
mit einer Wicklung umfasst, sowie einen dualen Rotor, der mit einem
Spalt zum Stator drehbar angeordnet ist und axial entlang einer
Welle in einen ersten Rotor und einen zweiten Rotor unterteilt ist, die
jeweils Feldmagneten mit verschiedenen Polaritäten aufweisen,
die abwechselnd in Drehrichtung angeordnet sind und einen Mechanismus
zur kontinuierlichen Änderung einer axialen Lage des zweiten Rotors
relativ zum ersten Rotor und ein nichtmagnetischen Element, welches
zwischen dem ersten und dem zweiten Rotor angeordnet ist.
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Gemäß eines
zweiten Aspekts der Erfindung wird eine elektrische Rotationsmaschine
angegeben, die einen Stator mit einer Windung umfasst, sowie einen
Rotor, der mit einem Spalt drehbar vom Stator beabstandet angeordnet
ist und axial entlang einer Welle in einen ersten Rotor, einen zweiten
Rotor und einen dritten Rotor unterteilt ist, die jeweils Feldmagneten
mit unterschiedlichen Polaritäten aufweisen, die abwechselnd
in Drehrichtung angeordnet sind, sowie einen Mechanismus zum kontinuierlichen Ändern
der axialen Position des zweiten Rotors und des dritten Rotors relativ
zum ersten Rotor.
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Gemäß eines
dritten Aspekts der Erfindung wird eine elektrische Rotationsmaschine
angegeben, die einen Stator mit einer Windung umfasst, sowie einen
Rotor, der drehbar mit einem Spalt vom Stator getrennt angeordnet
ist und axial längs einer Welle in vier oder mehr Rotoren
unterteilt ist, die jeweils Feldmagneten mit unterschiedlichen Polaritäten
abwechselnd in Rotationsrichtung angeordnet aufweisen, sowie einen
Steuermechanismus zum Steuern der Drehung eines jeden Rotors.
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Erfindungsgemäß kann
ein hocheffizienter Betrieb in einem großen Betriebsdrehzahlbereich
erzielt werden durch mechanische Änderung der effektiven
Magnetflussdichte einer elektrischen Rotationsmaschine. Für
eine elektrische Rotationsmaschine vom Typ Motor-Generator kann
die Effizienz verbessert werden durch Veränderung des effektiven
Flusses in Abhängigkeit von der Drehzahl und des Drehmoments.
Ferner kann erfindungsgemäß in mobilen Vorrichtungen,
wie beispielsweise Fahrzeugen eine elektrische Rotationsmaschine
ein hohes Drehmoment bei niedriger Drehzahl und eine hohe Leistung bei
hohen Drehzahlen erreichen. Insbesondere ist eine elektrische Rotationsmaschine
nach der vorliegenden Erfindung nützlich für Fahrzeuge
und Windkrafterzeugungssystemen, bei denen große Lastvariationen
auftreten.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1A zeigt
den Aufbau einer elektrischen Rotationsmaschine nach einer ersten
Ausführungsform der Erfindung;
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1B zeigt
eine Seitenansicht von 1A;
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Die 2A bis 2C illustrieren
wie die Rotoren der in 1 gezeigten
elektrischen Rotationsmaschinen aktiviert werden, wobei 2A einen Zustand
zum Maximieren des effektiven Flusses zeigt, 2B einen
Zustand zum Senken des effektiven Flusses und 2C zeigt
einen Zustand um den effektiven Fluss zu minimieren;
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Die 3A bis 3C zeigen
wie die Rotoren einer elektrischen Rotationsmaschine gemäß einer
zweiten Ausführungsform der Erfindung aktiviert werden,
wobei 3A einen Zustand zum Maximieren
des effektiven Flusses zeigt, 3B einen
Zustand zum Senken des effektiven Flusses und 3C zeigt
einen Zustand zum Minimieren des effektiven Flusses;
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Die 4A bis 4C zeigen
wie ein „one-touch”-Aufbau arbeitet, wobei 4A eine
Bayonet-Stange zeigt, bevor diese in den Körper eingeführt
ist, 4B zeigt die Stange in arretiertem Zustand und 4C zeigt
wie die Stange gelöst wird;
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Die 5A bis 5F zeigen
ein Beispiel einer Anwendung des „one-touch”-Aufbaus
des Rotors, wobei die 5A bis 5C zeigen
wie ein zweiter und ein dritter Rotor arretiert und gelöst
werden und die 5D bis 5F zeigen
wie der zweite Rotor bewegt wird, um den effektiven Fluss zu senken;
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6 zeigt
eine elektrische Rotationsmaschine mit einem Rotor, der in drei
gleiche Unterrotoren geteilt ist;
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7 zeigt
wie ein Mechanismus gemäß einer dritten Ausführungsform
arbeitet;
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Die 8A bis 8F illustrieren
wie die Rotoren in einer elektrischen Rotationsmaschine, die den
in 7 gezeigten Mecha nismus verwendet, aktiviert werden,
wobei die 8A bis 8C zeigen, dass
der dritte und der zweite Rotor sich zusammen bewegen und die 8D bis 8F zeigen,
dass nur der zweite Rotor sich bewegt, um den effektiven Fluss zu
senken;
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9 zeigt
den Aufbau einer elektrischen Rotationsmaschine mit vier oder mehr
Unterrotoren;
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Die 10A bis 10D illustrieren
einen Zweiwegekupplungsaufbau, wobei 10A Komponenten
des Aufbaus zeigt, 10B zeigt eine Lagebeziehung
zwischen einem Roller und einem äußeren Ring, 10C zeigt eine andere Lagebeziehung zwischen diesen
und 10D zeigt eine dritte Lagebeziehung
zwischen diesen;
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11 zeigt
die Konfiguration eines Antriebssystems eines elektrischen Hybridfahrzeugs nach
einer fünften Ausführungsform; und
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12 zeigt
die Konfiguration eines Antriebssystems eines elektrischen Hybridfahrzeugs nach
einer sechsten Ausführungsform.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
BEVORZUGTER
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AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Als
nächstes werden bevorzugte Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf die zugehörigen
Figuren beschrieben.
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[Erste Ausführungsform]
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Die
erste Ausführungsform wird beschrieben mit Bezug auf die 1 und 2A bis 2C.
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1 zeigt den Aufbau einer elektrischen Rotationsmaschine
nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 1 gezeigt, ist eine Mehrzahl
von Schlitzen mit offenen Enden (auch Kehlen genannt) in der inneren
Oberfläche eines zylinderförmigen Statorkerns 1 in
Rotationsrichtung axial kontinuierlich ausgeformt, wobei eine Ankerwicklung 2 (auch
Statorwicklung oder Primärwicklung genannt) in jeden dieser
Schlitze eingepasst ist. Die Außenseite des Statorkerns 1 ist
an einem Gehäuse (nicht gezeigt) durch Aufschrumpfen oder
Aufpressen befestigt und eines seiner Enden in Axialrichtung ist
durch einen Beschlag 4 abgedeckt.
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Ein
Rotor ist drehbar in dem Statorkern 1 durch eine Spalt
von diesem beabstandet gelagert. Der Rotor ist axial in zwei Halbrotoren
unterteilt, einem ersten Rotor 5, der an einer Welle 3 befestigt
ist und einem zweiten Rotor 6, der axial entlang der Welle
beweglich ist während er sich auf einer in der Welle 3 vorgesehenen
Keilwelle 11 dreht. Der zweite Rotor 6 weist ein
Keilwellenloch auf, in welches die Keilwelle 11 eingefügt
ist.
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Eine
Mehrzahl von Permanentmagneten 5A sind in dem ersten Rotor 5 derart
eingebettet, dass deren Polaritäten sich in Drehrichtung
(Umfangsrichtung) abwechseln. Ebenso ist eine Mehrzahl von Permanentmagneten 6A im
zweiten Rotor 6 so eingebettet, dass deren Polaritäten
in Drehrichtung abwechseln. Beide Enden der Welle 3 sind
Mittelachsrichtung drehbar durch (nicht gezeigte) Lagervorrichtungen
getragen.
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Ein
nicht magnetisches Material 7 ist auf der Welle zwischen
dem ersten Rotor 5 und dem zweiten Rotor 6 auf
die gleiche Weise wie der erste Rotor 5 befestigt. Bei
dieser Ausführungsform ist das nicht magnetische Material 7 auf
der Seitenfläche des ersten Rotors angebracht, die dem
zweiten Rotor gegenüberliegt. Ferner ist ein Trägermechanismus
zum Tragen des zweiten Rotors und zum Steuern seiner Axiallage vorgesehen.
Dieser Trägermechanismus umfasst ein Lager 8,
einen Stopper 9 und ein Betätigungselement 10.
Der Trägermechanismus kann den zweiten Rotor in eine vorgegebene
Stel lung durch das Lager 8 und den Stopper 9 bewegen,
in dem der bewegliche Teil 10A des Betätigungselements 10 bewegt
wird. Als Betätigungselement 10 kann ein Schrittmotor
verwendet werden.
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Bei
dieser Ausführungsform wird der zweite Rotor in Abhängigkeit
von dem Drehmoment und der Drehzahl aktiviert, wie in den 2A bis 2C gezeigt.
Genauer gesagt gibt es bei dieser Ausführungsform drei
in den 2A bis 2C gezeigte Stufen.
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In
der in 2A gezeigten Stufe, in der der effektive
Fluss maximiert werden soll, sind der erste Rotor 5 und
der zweite Rotor 6 näher aneinander angebracht
und vereint und die Permanentmagneten 5A und 6A mit
gleicher Polarität sind axial ausgerichtet angeordnet und
ihre Polmitten sind ausgerichtet. Hier trägt der Trägermechanismus
den zweiten Rotor 6 auf der entgegengesetzten Seite des
ersten Rotors 5. Genauer gesagt, bewegt der bewegliche
Teil 10A den zweiten Rotor gemäß einem
Betätigungselementsteuersignal in eine vorgegebene Stellung durch
das Lager 8 und den Stopper 9.
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2B zeigt
eine Stufe, in der die Menge des effektiven Flusses kleiner ist
als in der in 2A gezeigten Stufe. In dieser
Stufe wird der zweite Rotor 6 in einer Axialrichtung (Richtung
entgegengesetzt zum ersten Rotor 5) weg von dem ersten
Rotor 5 bewegt und während dieser sich auf der
Welle 3 dreht in eine vorgegebene Stellung gebracht.
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In
der Stufe 2C ist die axiale Lage des zweiten Rotors 6 relativ
zum ersten Rotor 5 derart, dass der kombinierte Magnetfeldwert
der Permanentmagneten 5A und 6A Null ist und der
Abstand des zweiten Rotors 6 von dem ersten Rotor 5 durch
den Trägermechanismus optimiert ist. In dieser Stufe ist
der Wert des effektiven Magnetflusses Null und die elektromotorische
Rückkraft ist Null. Das Merkmal, dass der Wert des effektiven
Flusses Null wird kann dazu verwendet werden, die elektrische Rotationsmaschine
zu schützen.
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Die
axiale Lage des zweiten Rotors 6 wird durch Steuern der
Bewegung des beweglichen Teils 10A des Betätigungselements
mit einem Steuersignal gesteuert, wodurch das bewegliche Teil 10A den zweiten
Rotor durch das Lager 8 und den Stopper 9 in eine
gegebene Stellung bewegt. Durch Steuern der axialen Lage des zweiten
Rotors 6 auf diese Weise wird der Drehwinkel des zweiten
Rotors verändert, um die Menge des effektiven Flusses zu
verändern.
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Die
Keilwelle 11 wird verwendet, um den horizontalen Bewegungsabstand
zu steuern, um den Drehwinkel zu verändern. Der Bewegungsabstand und
der relative Drehwinkel werden verändert indem die Druckwinkel
und der Spiralwinkel der Keilwelle verändert werden. Wenn
zum Beispiel der Spiralwinkel verdoppelt wird, wird der relative
Drehwinkel mit der gleichen Bewegungsdistanz verdoppelt. Ferner, da
die Welle entweder rechtsspiralig oder linksspiralig ausgeführt
sein kann (bei dieser Ausführungsform linksspiralig für
den linken ersten Rotor 5 und rechtsspiralig für
den zweiten Rotor 6), ist es leicht das Keilwellendesign
für jede Anwendung zu optimieren. Anstelle des Keilwellenmechanismus
kann auch ein Kugelschraubenmechanismus verwendet werden.
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Das
nichtmagnetische Material 7 hat eine Eigenschaft, dass
seinen Einfluss auf ein magnetisches Feld minimal ist und es keinen
remanenten Magnetismus gibt, wenn es das Magnetfeld verlässt. Zum
Beispiel kann das Material Aluminium, Kupfer, SUS 304 nicht rostender
Stahl, eine NiCrAl-Legierung oder dergleichen sein. Obwohl ein Raum,
nämlich eine Luftschicht anstelle eines solchen Materials verwendet
werden kann, ist es hinsichtlich der Kompaktheit der Maschine oder
der Reduktion des Einflusses von remanentem Magnetismus vorzuziehen, ein
nichtmagnetisches Material 7 zu verwenden, welches den
Magnetismus effizienter unterbricht als eine Luftschicht. Was die
Lage des nichtmagnetischen Materials 7 betrifft, so sollte diese
zwischen dem ersten Rotor 5 und dem zweiten Rotor 6 liegen
und das Material kann an einer Oberfläche entweder des
ersten oder des zweiten Rotors befestigt sein oder unabhängig
von diesen zwischen dem ersten Rotor 5 und dem zweiten
Rotor 6 angeordnet sein.
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Bei
dieser Ausführungsform wird das Pulssignal von dem Antrieb
des Betätigungselements 10 so gesteuert, dass
es die axiale Lage des Stoppers 9 frei steuert durch die
Schiebekraft des beweglichen Betätigungsteils (für
eine Vorwärtsbewegung des beweglichen Teils 10a)
und dessen Ziehkraft (für eine Rückwärtsbewegung
des beweglichen Teils 10a). Daher kann die axiale Lage
des zweiten Rotors 6 relativ zum ersten Rotor 5 frei
verändert werden.
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Bei
dieser Ausführungsform kann der effektive Fluss leicht
verändert werden durch Übergang von der in 2A gezeigten
Stufe auf die in 2C gezeigte Stufe durch Steuern
des Betätigungselements, unabhängig von der Drehmomentrichtung
der elektrischen Rotationsmaschine. Die Effizienz kann verbessert
werden durch Verändern des effektiven Flusses in Abhängigkeit
von der Drehzahl und des Drehmoments. Ferner, nachdem der Trägermechanismus
keine Stöße erfährt, wird dessen Belastung reduziert
und die Zuverlässigkeit gesteigert. Ferner unterdrückt
die Anwesenheit des nichtmagnetischen Materials 7 zwischen
dem ersten Rotor 5 und dem zweiten Rotor 6 die
zwischen den Feldmagneten erzeugte Anziehungskraft und erlaubt eine
sanfte Veränderung des effektiven Flusses.
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Obwohl
bei dieser Ausführungsform das Antriebssystem für
den Trägermechanismus eine Kombination aus einem Schrittmotor
und einer Kugelschraube verwendet, kann stattdessen die Kombination
eines Magnetschalters und einer Feder verwendet werden, um den beweglichen
Kern elektromagnetisch anzutreiben oder es kann ein hydraulisches Betätigungselement
oder ein Linearmotor verwen det werden. Somit ist diese Ausführungsform
leicht zu realisieren, da es ausreicht einen Servomechanismus vorzusehen,
der wie oben erwähnt in der Lage ist, eine Lagesteuerung
vorzunehmen.
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[Zweite Ausführungsform]
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Die
zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird
weiter unten mit Bezug auf die 3A bis 3C beschrieben.
In der unten stehenden Beschreibung werden die gleichen Komponenten
wie sie bei der ersten Ausführungsform verwendet werden
mit den gleichen Bezugszeichen versehen und ihre Beschreibung wird
weggelassen und nur Komponenten, die sich von denen der ersten Ausführungsform
unterscheiden, werden beschrieben.
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Diese
Ausführungsform betrifft eine elektrische Rotationsmaschine,
die einen dritten Rotor 12 zwischen dem ersten Rotor 5 und
dem zweiten Rotor 6 aufweist, wie in den 3A bis 3C dargestellt. Bei
dieser elektrischen Rotationsmaschine werden der zweite Rotor 6 und
der dritte Rotor 12 in Abhängigkeit vom Drehmoment
und der Drehzahl aktiviert, wie in den 3A bis 3C gezeigt.
Genauer gesagt, gibt es bei dieser Ausführungsform drei
Stufen, in dem der zweite Rotor 6 und der dritte Rotor 12 axial auf
der Keilwelle 11 bewegt werden, wie in den 3A bis 3C gezeigt.
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In
der in 3A gezeigten Stufe, in der der effektive
Fluss maximiert werden soll, werden der erste Rotor 5,
der dritte Rotor 12 und der zweite Rotor 6 einander
näher gebracht und vereinigt und die Permanentmagneten 5A, 12A und 6A mit
gleicher Polarität werden axial ausgerichtet und ihre Polmitten
auf eine Linie gebracht. Hier trägt der Trägermechanismus
den zweiten Rotor 6 auf der dem dritten Rotor 12 gegenüberliegenden
Seite, um die axialen Lagen der Rotoren zu steuern. Genauer gesagt,
wird die Bewegung des beweglichen Teils 10A nach Maßgabe
eines Betätigungselementsteuersignals so gesteuert, dass
der bewegliche Teil 10A den zweiten und den dritten Rotor
in ihre jeweiligen vorgegebenen Stellungen durch das Lager 8 und
den Stopper 9 bringt.
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Als
nächstes wird erklärt, wie der effektive Fluss
bei dieser Ausführungsform verändert wird. Wie
in 3B gezeigt, werden nach der Stufe gemäß 3A der
dritte Rotor 12 und der zweite Rotor 6 aufeinander
zu bewegt und gestoppt, wenn die Polmitten (N oder S Polmitten)
der Permanentmagneten 12A des dritten Rotors 12 versetzt
gegenüber den Polmitten der Permanentmagneten 5A des
ersten Rotors sind, und zwar, um die Hälfte des mechanischen
Winkels jedes Magneten. In dieser Stufe ist die magnetische Anziehungskraft
und Abstoßungskraft zwischen dem ersten Rotor 5 und
dem dritten Rotor 12 ausgeglichen. Zum Beispiel, wenn jeder
Rotor acht Permanentmagneten hat ist der mechanische Winkel eines
jeden Permanentmagneten 45° und der Magnetpolmittenwinkel
beträgt 22,5°.
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Dann
nach der in 3B gezeigten Stufe bewegt sich
nur der zweite Rotor 6 während er gedreht wird
bis die Polaritäten der Polmitten der Permanentmagneten
des zweiten Rotors 6 gegenüber denen des ersten
Rotors 5 liegen, wie in 3C gezeigt.
In dieser Stufe ist der dritte Rotor 12 in einer wie in 3B gezeigten
Stellung, durch Stopper, die an der Welle 3 befestigt sind.
Der an der Welle 3 befestigte Stopper liegt in einer Vertiefung
des zweiten Rotors 6 während der in 3A gezeigten
Stufe. In der Stufe gemäß 3B, nachdem
der zweite Rotor 6 und der dritte Rotor 12 sich
axial bewegt haben, wird der Stopper in Kontakt mit dem dritten
Rotor 12 gebracht und der dritte Rotor 12 wird
durch den Stopper befestigt.
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Als
nächstes wird ein Beispiel eines Mechanismus zur Erzielung
der in den 3A bis 3C gezeigten
Sequenz erläutert mit Bezug auf die 4A bis 4C und
die 5A und 5B. Der „one-touch”-Aufbau 13 gemäß 4A bis 4c umfasst
einen Körper 14, eine Hülse 15 und
eine Klemme 16. Das Verfahren von dem in 4A gezeigten
Schritt zum Schritt gemäß 4C kann
wiederholt werden.
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Wie
in den 4A und 4B illustriert
ist, wird die Bayonet-Stange 17 durch die Klemme 16 arretiert,
wenn die Bayonet-Stange 17 in den Körper 14 des „one-touch”-Aufbaus 13 eingeführt
wird. Somit sind der Körper 14 und die Bayonet-Stange 17 fest verbunden.
Um die Bayonet-Stange 17 von dem Körper 14 zu
lösen wird die Stange 17 gelöst indem
die Hülse 15, wie in 4C gezeigt,
geschoben wird und die Stange kann herausgezogen werden, während die
Hülse 15 angedrückt bleibt.
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Ein
Beispiel der Anwendung dieses „one-touch”-Aufbaus
auf den zweiten Rotor 6 und den dritten Rotor 12 wird
unten beschrieben. Der zweite Rotor 6 hat die Bayonet-Stange 17 und,
wie in 5D gezeigt, der dritte Rotor 12 hat
den „one-touch”-Aufbau 13 mit dem Körper 14,
dem Kragen 16 und den Klemmen 16.
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Der
zweite Rotor 6 und der dritte Rotor 12, die einen „one-touch”-Aufbau 13 bilden
funktionieren wie folgt. Zuerst, wie in 5A gezeigt,
werden der zweite Rotor und der dritte Rotor durch den „one-touch”-Aufbau
(4B) aneinander befestigt und zusammen vom ersten
Rotor wegbewegt, während sie sich drehen, bis sie um den
halben mechanischen Winkel eines jeden Magneten gedreht sind. Wenn
sie um den halben mechanischen Winkel gedreht sind wird der dritte
Rotor 12 an der Welle 3 befestigt und durch den
Stopper 18 gestoppt. Der Stopper 18, wie in 5F gezeigt,
hat Glieder 17', zum Schieben der Hülsen 15 des
dritten Rotors 12. Während der Stopper 18 in
Kontakt mit dem dritten Rotor 12 ist, schieben die Glieder 17' des
Stoppers 18 die Hülsen 15 des dritten
Rotors 12 um den „one-touch”-Aufbau 13 zwischen
dem zweiten Rotor 6 und dem dritten Rotor 12 zu
lösen.
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Danach,
wie in 5B gezeigt, bewegt sich der
zweite Rotor unabhängig während er sich dreht, bis
die Polmitten des ersten Rotors 5 mit den Polmitten des
zweiten Rotors 6 mit umgekehrten Polaritäten fluchten,
um den effektiven Fluss zu schwächen. Wenn dieser Prozess
umgekehrt wird, wird der effektive Fluss verstärkt.
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Bei
dieser Ausführungsform sind aufgrund des Vorhandenseins
des dritten Rotors zwischen dem ersten und dem zweiten Rotor, wenn
der effektive Fluss Null ist, die Anziehungskräfte und
Abstoßungskräfte der Permanentmagneten zwischen
dem ersten Rotor und dem dritten Rotor und zwischen dem dritten
Rotor und dem zweiten Rotor ausgeglichen, sodass als nächster
Schritt die Veränderung des Magnetflusses sanft durchgeführt
werden kann ohne zusätzliche Belastung des Trägermechanismus.
Das heißt, die Menge des effektiven Magnetflusses kann
von Null bis zum Maximum verändert werden, ohne dass nicht
magnetisches Material, wie es bei der ersten Ausführungsform
verwendet wird, benützt werden muss. Bei dieser Ausführungsform ist
die axiale Länge jedes Rotors nicht begrenzt, vorzugsweise
ist das axiale Längenverhältnis des ersten Rotors
zum zweiten Rotor jedoch 1:1.
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Ferner,
ist vorzugsweise der dreifache Rotor in drei gleiche Unterrotoren
geteilt, wie in 6 gezeigt. Mit anderen Worten,
das axiale Längenverhältnis der drei Unterrotoren,
des ersten, des zweiten und des dritten Rotors, sollte 1:1:1 betragen.
Die Verwendung von Unterrotoren mit der gleichen axialen Länge
macht das magnetische Ausgleichen einfach.
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Bei
dieser Ausführungsform kann der effektive Fluss leicht
justiert werden durch Steuerung des Betätigungselements,
unabhängig von der Drehmomentrichtung der elektrischen
Rotationsmaschine. Die Effizienz kann verbessert werden durch Veränderung
des effektiven Flusses in Abhängigkeit von der Drehzahl
und des Dreh moments. Ferner, da keine Stöße auf
den Trägermechanismus übertragen werden, ist die
Belastung des Trägermechanismus reduziert und dessen Zuverlässigkeit
ist verbessert.
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[Dritte Ausführungsform]
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Die
dritte Ausführungsform betrifft eine Verbesserung des Mechanismus
zum Drehen der zweiten und dritten Rotoren relativ zum ersten Rotor
in der zweiten Ausführungsform. In der unten stehenden
Beschreibung werden die gleichen Komponenten wie sie in den vorhergehenden
Ausführungsformen verwendet wurden mit den gleichen Bezugszeichen
versehen und ihre Beschreibung ist weggelassen und nur die Komponenten,
die von denen der vorgehenden Ausführungsformen verschieden
sind, werden beschrieben.
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Wie
in 7 gezeigt verwendet das dritte Ausführungsbeispiel
einen Flussänderungsmechanismus, der Verriegelungsmittel 19 und
Nuten 20 aufweist, die beide in dem dritten Rotor 12 angeordnet sind,
um den zweiten Rotor und den dritten Rotor gemäß dem
zweiten Ausführungsbeispiel zu aktivieren. Dieser Mechanismus
ist so gestaltet, dass durch Anwendung einer seitlichen Kraft auf
einen beweglichen Keil ein Verriegelungshalter 23 mit Federn 22 den
anderen beweglichen Keil in ähnlicher Weise bewegt. Wie
der zweite Rotor 6 und der dritte Rotor 13 aktiviert
werden ist mit Bezug auf die 8A bis 8F unten
beschrieben. Wie in den 8A bis 8C gezeigt,
werden Vorsprünge 24 des zweiten Rotors 6 durch
die Verriegelungsmittel 19 des dritten Rotors 12 verriegelt
und der zweite Rotor 6 und der dritte Rotor 12 werden
zusammen von dem ersten Rotor wegbewegt, während sie gedreht
werden bis sie eine Drehung um die Hälfte des mechanischen
Winkels eines jeden Magneten erreicht haben.
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In
den 8D bis 8F wird
der dritte Rotor 12, sobald der erste und der zweite Rotor
um die Hälfte des mechanischen Winkels gedreht sind, durch
einen Stopper 25 gestoppt, der auf der Welle 13 durch
die Verriegelungsmittel 19 befestigt ist und gleichzeitig
wird der Aufbau zwischen dem zweiten Rotor 6 und dem dritten
Rotor 12 gelöst. Danach, wie in 8D gezeigt,
bewegt sich der zweite Rotor unabhängig während
er gedreht wird, bis die Polmitten des ersten Rotors mit den Polmitten
den zweiten Rotors 6 mit umgekehrten Polaritäten
ausgerichtet sind, um den effektiven Fluss zu schwächen.
Wenn der oben beschriebene Prozess umgekehrt wird, wird der effektive
Fluss verstärkt.
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Bei
dieser Ausführungsform, aufgrund der Verwendung des Dreifachrotors
wie bei der zweiten Ausführungsform, sind, wenn der effektive
Fluss Null ist, die Anziehungskraft und die Abstoßungskraft
der Permanentmagneten zwischen dem ersten Rotor und dem dritten
Rotor und zwischen dem dritten Rotor und dem zweiten Rotor ausgeglichen,
sodass ein nächster Schritt zur Veränderung des
Magnetflusses sanft durchgeführt werden kann, ohne zusätzliche Belastung
des Trägermechanismus. Das heißt, dass die Menge
des effektiven Magnetflusses von Null bis zum Maximum verändert
werden kann, ohne dass nichtmagnetisches Material, wie es bei der
ersten Ausführungsform verwendet wird, benutzt werden muss.
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[Vierte Ausführungsform]
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Die
vierte Ausführungsform betrifft ein Beispiel einer elektrischen
Rotationsmaschine, die einen Rotor verwendet, der in vier oder mehr
Unterrotoren entlang seiner Welle unterteilt ist, bei der jeder
Unterrotor Feldmagneten mit unterschiedlichen Polaritäten aufweist,
die abwechselnd in Umfangs-(Dreh-)Richtung angeordnet sind.
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9 zeigt
eine elektrische Rotationsmaschine mit einem Rotoraufbau, der sieben
Unterrotoren aufweist, als Beispiel. Axial in einer Reihe angeordnet
sind die Rotoren 26A bis 26G (Unterrotoren) durch
eine Zweiwegekupplung mit der Welle 3 verbunden, wobei
jeder Rotor Feldmagneten mit unterschiedlichen Polaritäten,
die abwechselnd in Drehrichtung angeordnet sind aufweist.
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Wie
in 10A gezeigt, umfasst die Zweiwegekupplung einen äußeren
Ausgangsring 28, Rollen 29, einen Halter 30,
eine Eingangsachse 31 (genannt „cam”)
und eine Schaltfeder 32. Der Halte 30 und die
Rollen 29 können bewegt werden durch Steuern der
Schaltfeder 32 mittels eines elektromagnetischen Schalters
(nicht gezeigt), sodass die Lage jedes Rollers 29 wie in
den 10B bis 10D kontrolliert
werden kann. Wenn die Rolle 29 in einer Stellung, wie in
den 10B oder 10D gezeigt ist,
kann der äußere Ausgangsring 28 sich
in Verbindung mit der Drehung der Welle 3 drehen und wenn die
Rolle in der in 10C gezeigten Stellung ist wird die
Kraft von der Welle 3 nicht auf den äußeren
Ausgangsring 28 übertragen und der Ring 28 dreht
sich nicht.
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Bei
dieser Ausführungsform wird der effektive Magnetfluss verändert
zu 0, 1/7, 2/7, 3/7, 4/7, 5/7, 6/7 oder 1 des maximalen Magnetflusses,
je nachdem ob oder ob nicht jeder der Rotoren 26A bis 26G sich
in Verbindung mit der Drehung der Welle dreht. Mit anderen Worten,
die Geschwindigkeit kann in acht Stufen variiert werden. Da eine
Anziehungskraft oder eine Abstoßungskraft der Feldmagneten
zwischen benachbarten Rotoren (26A bis 26G) erzeugt wird,
ist es wünschenswert ein nichtmagnetisches Material zwischen
den Rotoren anzuordnen, um Beeinflussungen benachbarter Permanentmagneten untereinander
zu vermeiden.
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Obwohl
der Rotor in sieben Unterrotoren bei dieser Ausführungsform
unterteilt ist, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt.
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Unter
Anwendung desselben Prinzips kann die elektrische Rotationsmaschine
in jede beliebige Anzahl von Unterrotoren aufgeteilt werden. Die
Effizienz kann durch Veränderung der Menge des effektiven
Flusses in Abhängigkeit von der Drehzahl und des Drehmoments
verbessert werden.
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[Fünfte Ausführungsform]
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Die
fünfte Ausführungsform betrifft ein Anwendungsbeispiel
einer elektrischen Rotationsmaschine gemäß der
vorliegenden Erfindung auf ein Antriebssystem eines elektrischen
Hybridfahrzeugs.
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11 zeigt
den Aufbau eines Antriebssystems eines elektrischen Hybridfahrzeugs.
Das Antriebssystem umfasst einen Verbrennungsmotor 33, der
Leistung erzeugt zum Antreiben des Fahrzeugs und eine Getriebe 35 als
einen Mechanismus zum Ändern der Fahrzeuggeschwindigkeit,
wobei eine elektrische Permanentmagnetsynchronrotationsmaschine 34 zwischen
diesen angeordnet und mechanisch mit diesen verbunden ist. Die elektrische
Rotationsmaschine ist eine elektrische Rotationsmaschine gemäß der
ersten, zweiten, dritten oder vierten Ausführungsform.
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Zur
Verbindung des Verbrennungsmotors 33 und der elektrischen
Rotationsmaschine 34 wird eine der folgenden Methoden angewendet:
Direkte Verbindung der Ausgangswelle (nicht gezeigt) des Verbrennungsmotors 33 und
der Welle der elektrischen Rotationsmaschine 34 und Verwendung
eines Reduktionsbetriebmechanismus, wie beispielsweise eines Planetengetriebes.
Da die elektrische Rotationsmaschine 34 als ein Motor oder
Generator arbeitet ist sie elektrische mit einer Batterie 37 als
Speichermittel über einen Inverter 36 als Stromwandler
angeschlossen.
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Wenn
die elektrische Rotationsmaschine 34 als Motor verwendet
wird wandelt der Inverter 36 Gleichstrom von der Batterie 37 in
Wechselstrom, der der elektrischen Rotationsmaschine 34 zugeführt wird.
Die elektrische Rotationsmaschine 34 wir somit angetrieben.
Die Antriebsleistung der elektrischen Rotationsmaschine 34 wird
zum Starten verwendet oder um den Verbrennungsmotor 33 zu
unterstützen.
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Wenn
die elektrische Rotationsmaschine 34 als Generator verwendet
wird wandelt der Inverter 36 (Wandlerfunktion) den durch
die elektrische Rotationsmaschine 34 erzeugten Wechselstrom
in Gleichstrom, der der Batterie 37 zugeführt
wird. Der umgewandelte Gleichstrom wird dann in der Batterie 37 gespeichert.
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Bei
konventionellen elektrischen Permanentmagnetsynchronrotationsmaschinen steigt
die elektromotorische Rückkraft der Magneten mit der Umdrehungszahl,
sodass es schwierig ist, die Maschine im hohen Drehzahlbereich zu
betreiben, aufgrund der Restriktion, die sich aus der Batterie und
dem Inverter ergeben. Um zu helfen, die elektrische Rotationsmaschine
im hohen Drehzahlbereich anzutreiben, kann eine magnetfeldschwächende Steuerung
verwendet werden, bei der Fluss von den Permanentmagneten gleichermaßen
durch einen elektrischen Strom geschwächt wird, aber, die
Verwendung eines Stroms, der nichts zu dem Drehmoment beiträgt
führt zu einer Verminderung der Effizienz. Auf der anderen
Seit erzeugt eine elektrische Rotationsmaschine mit variablem Magnetfluss
nach der Erfindung mechanisch einen optimalen effektiven Magnetfluss
in Abhängigkeit von der Drehzahl und des Drehmoments. Die
Restriktion, die sich aus der Batterie und dem Inverter aufgrund
der elektromotorischen Rückkraft ergeben, werden abgeschwächt und
dank der Abwesenheit eines Stroms, der nicht zu dem Drehmoment beiträgt
wird die Effizienz verbessert.
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Gemäß der
fünften Ausführungsform wird die erforderliche
Widerstandsspannung abgesenkt und die erforderliche Inverterkapa zität
wird reduziert, wenn die elektrische Rotationsmaschine nach der
Erfindung eingesetzt wird. Das kann zu geringeren Inverterkosten
und kleineren Inverterabmessungen führen. Ferner kann die
elektrische Rotationsmaschine mit variablem Magnetfluss gemäß der
vorliegenden Erfindung in einem großen Drehzahlbereich
mit hoher Effizienz arbeiten, sodass die Anzahl der Schaltstufen
reduziert werden kann oder sodass auf Schaltstufen verzichtet werden
kann. Daher kann das gesamte Antriebssystem kompakter sein.
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[Sechste Ausführungsform]
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Die
sechste Ausführungsform betrifft eine Anwendung einer elektrischen
Rotationsmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung
auf ein Antriebssystem eines elektrischen Hybridfahrzeugs.
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12 zeigt
den Aufbau eines Antriebssystems eines Fahrzeugs, in dem eine elektrische
Rotationsmaschine gemäß der ersten, zweiten, dritten oder
vierten Ausführungsform eingesetzt ist. Das Antriebssystem
umfasst eine Kugelscheibe 38 für einen Verbrennungsmotor 33 und
eine Scheibe 40, die mit der Welle der elektrischen Rotationsmaschine 34 verbunden
ist, die über einen Metallriemen 39 miteinander
verbunden sind. Daher sind der Verbrennungsmotor 33 und
die elektrische Rotationsmaschine 34 nebeneinander angeordnet.
In diesem Beispiel eines Fahrzeugantriebsystems kann die elektrische
Rotationsmaschine 34 als Motor oder als Generator oder als
Motor-Generator betrieben werden.
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Bei
dieser Ausführungsform können die Kurbelscheibe 38,
der Metallriemen 39 und die Scheibe 40 einen Geschwindigkeitsänderungsmechanismus (Gangschaltung)
bilden mit einem bestimmten Geschwindigkeitsverhältnis
zwischen dem Verbrennungsmotor 33 und der elektrischen
Rotationsmaschine 34. Zum Beispiel wenn das Radiusverhältnis zwischen
der Kurbelscheibe 38 und der Scheibe 40 2:1 ist,
kann die die elektrische Rotationsmaschine 34 sich mit
einer doppelt so hohen Drehzahl wie der Verbrennungsmotor 33 drehen
und beim Start des Verbrennungsmotors 33 kann das Drehmoment
der elektrischen Rotationsmaschine halb so groß sein wie
das Drehmoment, welches erforderlich ist, um den Verbrennungsmotor 33 zu
starten. Das heißt, dass die elektrische Rotationsmaschine 34 größenmäßig
kleiner ausgelegt werden kann.
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Beispiele
von Fahrzeugen, die eine elektrische Rotationsmaschine nach der
ersten, zweiten, dritten oder vierten Ausführungsform verwenden
sind unten aufgelistet.
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Ein
Beispiel ist ein Fahrzeug, welches aufweist: Einen Verbrennungsmotor,
der die Räder antreibt, eine Batterie, die Strom abgibt
oder lädt, einen Motor-Generator, der mechanisch mit der
Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbunden ist, angetrieben durch
den von der Batterie gelieferten Strom zum Antreiben des Motors
und von dem Motor angetrieben, um Strom zu erzeugen und den erzeugten Strom
an die Batterie abzugeben, einen Stromwandler, der den zum Motorgenerator
gespeisten Strom steuert sowie den Strom der vom Motor-Generator geliefert
wird und eine Steuereinheit, die den Stromwandler steuert, wobei
der Motor-Generator eine elektrische Rotationsmaschine nachdem ersten, zweiten,
dritten oder vierten Ausführungsbeispiel ist. Das Fahrzeug
ist ein übliches Fahrzeug, welches einen Verbrennungsmotor
zum Antreiben der Räder benutzt oder ein elektrisches Hybridfahrzeug,
welches einen Verbrennungsmotor und einen Motor-Generator zum Antreiben
der Räder benutzt.
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Ein
zweites Beispiel ist ein Fahrzeug, welches umfasst: einen Verbrennungsmotor
zum Antreiben der Räder, eine Batterie, die Strom lädt
oder abgibt, einen Motor-Generator, der mit dem von der Batterie
gelieferten Strom gespeist wird, um die Räder anzutreiben und
der ein Antriebskraft von den Rädern empfängt,
um Strom zu erzeugen und diesen erzeugten Strom an die Batterie
zu liefern, einen Stromwandler, der den zum Motor-Generator gespeisten
Strom und den von dem Motor-Generator gelieferten Strom steuert
und eine Steuereinheit, die den Stromwandler steuert, bei dem der
Motor-Generator eine elektrische Rotationsmaschine nach dem ersten,
zweiten, dritten oder vierten Ausführungsbeispiel ist.
Dieses Fahrzeug ist ein elektrisches Hybridfahrzeug, welches den
Verbrennungsmotor und einen Motor-Generator verwendet, um die Räder
anzutreiben.
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Ein
drittes Beispiel ist ein Fahrzeug, welches umfasst: Eine Batterie,
die Strom lädt oder abgibt, ein Motor-Generator, der von
dem von der Batterie gelieferten Strom gespeist wird, um die Räder
anzutreiben und der eine Antriebskraft von den Rädern empfängt, um
Strom zu erzeugen und diesen an die Batterie zu liefern, einen Stromwandler,
der den Strom steuert, der an den Motor-Generator geliefert wird
und den Strom, der vom Motor-Generator erzeugt wird und eine Steuereinheit,
die den Stromwandler steuert, wobei der Motor-Generator eine elektrische
Rotationsmaschine gemäß dem ersten, zweiten, dritten oder
vierten Ausführungsbeispiel ist. Dieses Fahrzeug ist ein
Elektrofahrzeug, welches eine elektrische Rotationsmaschine benutzt,
um die Räder anzutreiben.
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[Siebte Ausführungsform]
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Das
siebte Beispiel betrifft ein Anwendungsbeispiel einer elektrischen
Rotationsmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung
bei einer Waschmaschine.
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Die
konventionelle Technik einer Waschmaschine birgt das Problem in
sich, dass, wenn das Drehmoment des Motors über eine Scheibe
mit einem Riemen und ein Antriebsritzel übertragen wird, ein
bemerkenswerter Pegel von Schleif- oder Schlaggeräuschen
zwischen dem Riemen und dem Antriebsritzel erzeugt wird. Für
eine Waschmaschine von direkt angetriebenen Typ, in dem das Drehmoment
des Motors direkt auf den Rotor oder die Schleudertrommel übertragen
wird, hat die Verwendung einer elektrischen Technik einer magnetfeldschwächenden
Steuerung, um den Hochdrehzahlbetriebsbereich zu vergrößern
ihre Grenzen, da der Strom zur Abschwächung des Magnetfelds
Hitze erzeugt und die Effizienz senkt. Da die oben beschriebene
Direktantriebswaschmaschine keine drehzahlreduzierenden Mechanismen
aufweist, muss der Motor in einem großen Drehzahlbereich
im Wasch- und Spülmodus bei niedriger Geschwindigkeit und
hohem Drehmoment und im Schleudermodus mit hoher Geschwindigkeit
und großer Ausgangsleistung fertig werden und dementsprechend
muss die Waschmaschine groß sein.
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Wenn
eine elektrische Rotationsmaschine mit variablem Magnetfluss gemäß der
vorliegenden Erfindung als Motor verwendet wird und die Mitten der
Magnetpole gleicher Polarität der Unterrotoren des Motors
in dem Wasch- und Spülmodus ausgerichtet sind, wird die
Menge des effektiven Flusses von den Permanentmagneten, die den
Statormagnetpolen gegenüberliegen erhöht und es
wird ein hohes Drehmoment erhalten. Andererseits, beim Betrieb mit
hoher Drehzahl, wie zum Beispiel im Schleudergang, wird durch Drehen
der Unterrotoren relativ zueinander derart, dass die Mitten der
Magnetpole gleicher Polarität zueinander ausgerichtet sind,
die Menge des effektiven Flusses von den Permanentmagneten, die
den Statormagnetpolen gegenüber liegen abgesenkt, es wird
nämlich ein Magnetfeldabschwächungseffekt mechanisch
erzeugt, wodurch eine konstante Ausgangscharakteristik im Hochdrehzahlbereich
erzielt wird.
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[Achtes Ausführungsbeispiel]
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Das
achte Ausführungsbeispiel betrifft ein Beispiel einer elektrischen
Rotationsmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung
angewendet bei einem Generator in einem Windkraftgeneratorsystem.
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Bei
einem konventionellen Windkrafterzeugungssystem wird ein hohes Drehmoment
bei niedriger Drehzahl erhalten, wobei es jedoch Schwierigkeiten
im Hochdrehzahlbereich gibt, aufgrund des engen Bereichs der Drehzahländerungen.
Verschiedene Ansätze wurden zur Lösung dieses
Problems in Betracht gezogen. Ein Ansatz besteht darin, den Hochdrehzahlbetriebsbereich
durch eine elektrische Steuerungstechnik zur Abschwächung
des Magnetfelds zu erweitern. Ebenso wurde bei einigen Stromerzeugungssystemen
zur Erzielung eines gegebenen Leistungsabgabeniveaus in einem großen
Drehzahlbereich ein Generator verwendet, der mit einem Getriebemechanismus
und einem Anstellwinkelverstellmotor versehen ist, um verschiedenen
Windbedingungen gerecht zu werden. Andere Systeme verwenden eine
Vorrichtung, die die Fasenwicklungen des Generators zwischen einer
Wicklung für niedrige Drehzahl und einer Wicklung für
hohe Drehzahl schaltet, in Abhängigkeit von der Drehzahl
der Hauptwelle. Das elektrische Steuerverfahren, welches das Magnetfeld
abschwächt, um den Hochdrehzahlbetriebsbereich zu erweitern,
hat jedoch Grenzen, aufgrund der Hitzeentwicklung und der Effizienzbeeinträchtigung
durch den feldabchwächenden Strom. Ebenso hat ein System,
welches eine Vorrichtung zum Schalten der Fasenwicklungen in Abhängigkeit von
der Drehzahl der Welle folgendes Problem: Das System weist viele
Kabel von dem Generator auf und es wird eine Wicklungsschaltsteuereinheit
benötigt, wodurch die Verkabelung einen komplizierten Aufbau bekommt.
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Bei
einem Windkrafterzeugungssystem, welches eine elektrische Rotationsmaschine
nach dem ersten, zweiten, dritten oder vierten Ausführungsbeispiel
verwendet, können die Unterrotoren wie folgt aktiviert
werden, damit der Generator mit hoher Effizienz in einem großen
Windstärkenbereich effizient arbeiten kann. Wenn der Wind
schwach ist oder die Drehgeschwindigkeit niedrig ist, sind die Mitten
der Magnetpole gleicher Polarität der Unterrotoren zueinander
ausgerichtet, um die Menge des effektiven Magnetflusses von den
Permanentmagneten, die den Statormagnetpolen gegenüber
liegen ausgerichtet, um eine hohe Ausgabecharakteristik zu erreichen. Andererseits,
wenn der Wind stark ist oder die Drehzahl hoch ist, sind die Unterrotoren
relativ zueinander derart gedreht, dass die Mitten der Magnetpole
gleicher Polarität nicht zueinander ausgerichtet sind,
sodass die Menge des effizienten Magnetflusses der Permanentmagneten,
die den Statormagnetpolen gegenüber liegen verringert ist,
es wird nämlich ein magnetfeldreduzierender Effekt mechanisch
erzeugt, wodurch eine konstante Ausgabecharakteristik im Hochdrehzahlbereich
erzielt wird.
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Diese
Ausführungsform bietet den vorteilhaften Effekt, dass die
Menge des effektiven Magnetflusses von den Permanentmagneten mechanisch verändert
werden kann. Insbesondere kann bei einem auf der Welle montierten
Generator eines Windkrafterzeugungssystems das Magnetfeld mechanisch
leicht abgeschwächt werden und ein großer Drehzahlbereich
kann effektiv gesteuert werden. Der Generator kann einfach im Aufbau
und leichtgewichtig sein, sodass der Turmaufbau einfach sein kann.
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[Neunte Ausführungsform]
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Die
neunte Ausführungsform betrifft ein Beispiel für
die Anwendung einer erfindungsgemäßen elektrischen
Rotationsmaschine bei einem Motor-Generator in einem Transportfahrzeug.
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Permanentmagnetsynchronmotoren
haben eine größere Effizienz als Induktionsmotoren
und sind vorteilhaft hinsichtlich ihrer Kompaktheit und ihres leichten
Gewichtes. Ebenso kann eine höhere Effizienz zu reduzierten
Kraftstoffverbrauch und zu einer reduzierten CO2-Emission
führen. Da kompakte leichte Antriebsmotoren für
Transportfahrzeuge stark nachgefragt sind, ist der Permanentmagnetsynchronmotor
eine vielversprechende Option. Ferner, ist der gesamte Kreis, der
nicht nur den Motor beinhaltet sondern auch den Inverter von leichtem
Gewicht. Von dem Gesichtpunkt des Schutzes des Hauptkonverters gesehen
sollte der Motor so konstruiert sein, dass Spitzenwerte der rückelektromotorischen
Kraft der Permanentmagneten wenigstens den Schwellenwert den Überspannungsschutz
des zwischengeschalteten Gleichstromschaltkreises nicht überschreitet.
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Wenn
der Motor so konstruiert ist, ist jedoch eine größere
Inverterkapazität erforderlich.
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Wenn
eine elektrische Rotationsmaschine mit variablem Magnetfluss gemäß der
vorliegenden Erfindung als Motor verwendet wird und die Mitten der
Magnetpole gleicher Polarität der Unterrotoren des Motors
unter geringe Drehzahl – hohes Drehmoment Bedingungen ausgerichtet
sind, ist die Menge des effektiven Flusses von den Permanentmagnet, die
den Statormagnetpolen gegenüber liegen gesteigert und ein
hohes Drehmoment wird erhalten. Andererseits, im Hochdrehzahlbetrieb
wird durch Drehen der Unterrotoren relativ zueinander derart, dass
die Mitten der Magnetpole gleicher Polarität nicht ausgerichtet
sind, die Menge des effektiven Flusses der Permanentmagnete, die
den Statormagnetpolen gegenüber liegen abgesenkt, der magnetfeldabsenkende
Effekt wird nämlich mechanisch erzeugt, wodurch eine konstante
Ausgangscharakteristik im Hochdrehzahlbereich erzielt wird.
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Diese
Ausführungsform bietet den vorteilhaften Effekt, dass die
Menge des effektiven Flusses von Magnetfeldern von den Perma nentmagneten mechanisch
variiert werden kann. Zusätzlich kann das Magnetfeld in
einem Generator eines Transportfahrzeuges mechanisch leicht abgeschwächt
werden und ein großer Drehzahlbereich kann effektiv gesteuert
werden. Ferner, da der effektive Fluss mechanisch variiert wird,
kann die rückelektromechanische Kraft unterdrückt
werden. Als Ergebnis ist die erforderliche Inverterkapazität
kleiner. Somit können die Inverterkosten reduziert werden
und das gesamte Antriebssystem kann kompakter gebaut werden.
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Die
oben stehend beschriebenen Ausführungsformen dienen lediglich
zur Illustration der Erfindung und sind nicht restriktiv zu verstehen.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine elektrische Rotationsmaschine
vor, die in einem mobilen Gerät mit großen Lastvariationen
verwendet werden kann, wie zum Beispiel Fahrzeuge, Windkrafterzeugungssysteme
oder Transportfahrzeuge und stellt ebenso ein mobiles Gerät
vor, welches großen Lastvariationen unterliegt, wie zum
Beispiel Fahrzeuge, Windkrafterzeugungssysteme oder Transportfahrzeuge,
die diese elektrischen Rotationsmaschinen verwenden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2001-69609
A [0005, 0005]
- - JP 2004-64942 A [0008]