DE102016216179B4

DE102016216179B4 - Rotierende elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102016216179B4
Application number: DE102016216179.2A
Authority: DE
Inventors: Yoshihisa Kubota; Masahiro Aoyama
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2015-08-31
Filing date: 2016-08-29
Publication date: 2026-01-29
Anticipated expiration: 2036-08-30
Also published as: JP6561693B2; JP2017050945A; CN106487176B; CN106487176A; DE102016216179A1

Abstract

Rotierende elektrische Maschine (1) mit einer Mittenlängsachse (1C), umfassend:
einen Stator (100), der Ankerspulen (104) umfasst, die um den Stator (100) mit konzentrierter Wicklung gewickelt sind, wobei die Ankerspulen (104) konfiguriert sind, Magnetfluss zu erzeugen, wenn sie erregt werden; und
einen Rotor (300), der um die Mittenlängsachse (1C) in Reaktion auf den Durchfluss des Magnetflusses rotierbar ist,
wobei der Rotor (300) eine Vielzahl von Schenkelpolen (302) umfasst, die von Rotorwicklungen (330) umwickelt sind, die in der Lage sind, zumindest einen Induktionsstrom zu induzieren, wenn der Magnetfluss mit dem Rotor (300) koppelt, wobei der Rotor (300) zumindest eine Gleichrichterschaltung (C1 bis C6) umfasst,
wobei die Rotorwicklungen (330) derart gewickelt sind, dass die Schenkelpole (302) als Elektromagneten arbeiten können, deren Magnetisierungsrichtungen abwechselnd nacheinander entlang einer Bogenlänge eines Kreises um die Mittenlängsachse (1C) umgekehrt sind,
wobei jede Gleichrichterschaltung einen geschlossenen Stromkreis aus einer Gruppe von Rotorwicklungen (330) bildet, wobei in jeder Gruppe einige der Rotorwicklungen (330), deren Stromphasen des Induktionsstroms die gleichen sind, mit einem Gleichrichterelement (D1 bis D8) in Serie verbunden sind,
wobei die Rotorwicklungen (330) entweder in vier Gruppen derart aufgeteilt sind, dass in jeder Gruppe alle Rotorwicklungen (330) mit einem Gleichrichterelement in Serie zu einer Gleichrichterschaltung verbunden sind oder
die Rotorwicklungen (330) in zwei Gruppen derart aufgeteilt sind, dass jede Gruppe mehrere Serienschaltungen umfasst, von denen eine erste und eine zweite Serienschaltung parallel verbunden sind und diese erste und die zweite Serienschaltung jeweils mit einem Gleichrichtelement in Serie verbunden sind.

Description

[Technisches Fachgebiet]
Die vorliegende Erfindung betrifft rotierende elektrische Maschinen, die Wicklungen um einen Rotor aufweisen.
[Allgemeiner Stand der Technik]
Rotierende elektrische Maschinen werden als Leistungsquellen in verschiedenen Apparaten installiert. Bei Anwendungen in beispielsweise Fahrzeugen ist eine rotierende elektrische Maschine unabhängig installiert, um als eine Leistungsquelle eines Elektroautos zu dienen, oder sie ist zusammen mit einem Verbrennungsmotor installiert, um als eine Leistungsquelle eines Hybridelektroautos zu dienen.
In dem Fall des Hybridelektroautos kann eine rotierende elektrische Maschine in ein System in Kombination mit einem Verbrennungsmotor über einen Planetengetriebesatz integriert sein, um je nach Bedarf als ein Generator und als ein Motor zu dienen. In diesem Fall bedarf es der Integration eines Verbrennungsmotors, einer rotierenden elektrischen Maschine zur Stromerzeugung und einer rotierenden elektrischen Maschine zum Antrieb in dem System zusammen mit einem Planetengetriebesatz, was einen Anstieg der Größe des Systems verursacht, wodurch es schwierig wird, dieses in kleinen Autos einzubauen.
JP 2013 - 188 065 A offenbart eine bekannte rotierende elektrische Maschine, die derart kombiniert ist, um als ein Generator, ein Motor und ein Planetengetriebesatz zu arbeiten.
In 9 ist die bekannte rotierende elektrische Maschine, die in JP 2013 - 188 065 A beschrieben ist, im Allgemeinen mit 400 bezeichnet. Die rotierende elektrische Maschine 400 umfasst einen Stator S mit Ankerwicklungen C, die sechs Polpaare aufweisen (Polpaaranzahl A), einen ersten Rotor R1 mit Permanentmagneten PM, die zehn Polpaare aufweisen (Polpaaranzahl P), und einen zweiten Rotor R2 mit Magnetpfaden MP, die 16 Pole aufweisen (Polzahl H = A + P). Diese bekannte rotierende elektrische Maschine 400 nutzt das Prinzip der Magnetmodulation und arbeitet als ein „sog.“ Magnetmodulations-Doppelwellenmotor, indem bewirkt wird, dass der Stator S, der erste Rotor R1 und der zweite Rotor R2 als Elemente eines Planetengetriebesatzes dienen, d.h. als ein Sonnenrad, ein Planetenträger und ein Hohlrad.
Die JP 2010 - 279 165 A offenbart eine rotierende elektrische Maschine mit Schenkelpolen, um die Rotorwicklungen gewickelt sind. Die Rotorwicklungen sind so elektrisch miteinander verbunden, dass sie als unterschiedliche Pole fungieren. Für die unterschiedlichen Polen zugeordneten Rotorwicklungen sind Dioden zur Stromgleichrichtung vorgesehen.
Die DE 10 2014 003 658 A1 offenbart einen Reluktanzmotor mit einem Stator, der Ankerspulen umfasst, die um den Stator mit konzentrierter Wicklung gewickelt sind, wobei die Ankerspulen konfiguriert sind, Magnetfluss zu erzeugen, wenn sie erregt werden. Ein Rotor umfasst eine Vielzahl von Schenkelpolen, die von Rotorwicklungen umwickelt sind, die in der Lage sind, zumindest einen Induktionsstrom zu induzieren, wenn der Magnetfluss mit dem Rotor koppelt. Der Rotor umfasst zumindest eine Gleichrichterschaltung, wobei die Rotorwicklungen derart gewickelt sind, dass die Schenkelpole als Elektromagneten arbeiten können, deren Magnetisierungsrichtungen abwechselnd nacheinander entlang einer Bogenlänge eines Kreises um die Mittenlängsachse umgekehrt sind. Die Gleichrichterschaltung ist ein geschlossener Stromkreis, in welchem einige der Rotorwicklungen, deren Stromphasen des Induktionsstroms die gleichen sind, mit einem Gleichrichterelement in Serie verbunden sind.
Die CN 1 01 951 090 B offenbart eine rotierende elektrische Maschine mit einem zweiten Rotor, der in einem Magnetpfad für den Magnetfluss ist, der durch den zuerst genannten Rotor fließt, wobei der zweite Rotor eine Vielzahl von Elementen aus weichmagnetischem Material umfasst, die voneinander entlang einer Bogenlänge eines Kreises um die Mittenlängsachse beabstandet sind.
[Kurzdarstellung der Erfindung]
[Technisches Problem]
Jedoch ist es mit der bekannten rotierenden elektrischen Maschine 400, die in JP 2013 - 188 065 A beschrieben ist, schwierig, durch Erhöhung der Drehmomentdichte wie bei einem Motor mit innerem Permanentmagneten (IPM), in welchem die Magnetkraft der Permanentmagnete ohnehin schon als ein Magnetmoment verwendbar ist, eine große Leistungsabgabe zu erzeugen, und dies benötigt die Verwendung von teuren Permanentmagneten mit großer Magnetflussdichte, um den Mangel an Drehmoment zu kompensieren.
Des Weiteren benötigt die Konfiguration der rotierenden elektrischen Maschine 400 einen teuren Permanentmagneten, der eine große Koerzitivkraft und eine kleine Entmagnetisierung durch Wärme aufweist, wobei solche seltenen und teuren Erden wie Dysprosium (Dy) und Terbium (Tb) hinzugefügt werden, wie z.B. ein Neodymmagnet (Nd-Fe-B-Magnet), weil die Variationen des Magnetflusses, der mit dem Permanentmagnet koppelt, groß sind.
Hinsichtlich dieses Problems hat der Erfinder der vorliegenden Anmeldung eine rotierende elektrische Maschine vorgeschlagen, in welcher Magnetkräfte, die von Elektromagneten erzeugt werden, durch das Umwandeln der Variationen eines asynchronen Magnetflusses erzeugt werden (d.h. Variationen des Magnetflusses aus einer Differenzfrequenz zwischen dem rotierenden Statormagnetfeld und der Rotordrehzahl).
Diese rotierende elektrische Maschine hat Rotorwicklungen um einen Rotor. Die Rotorwicklungen sind angeordnet, um asynchronen Magnetfluss, der mit dem Rotor koppelt, in induzierte elektromotorische Kraft umzuwandeln, unter der Bedingung synchroner Rotation des Rotors mit dem rotierenden Statormagnetfeld. Die induzierte elektromotorische Kraft wird durch eine Diode einer Gleichrichterschaltung, die an dem Rotor montiert ist, gleichgerichtet. Der gleichgerichtete Strom fließt durch die Rotorwicklungen, um die Rotorwicklung selbst zu erregen, wodurch verursacht wird, dass diese als Elektromagneten arbeiten, die in der Lage sind, Magnetkraft zu erzeugen.
Jedoch wird eine Drehmomentwelligkeit erzeugt und/oder die effiziente Verwendung der induzierten elektromotorischen Kraft als Erregerstrom ist nicht zufriedenstellend hoch, abhängig von der Konfiguration einer Gleichrichterschaltung, wobei die induzierte elektromotorische Kraft, in welche ein mit einem Rotor koppelnder asynchroner Magnetfluss umgewandelt wird, in Erregerstrom umgewandelt wird.
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine rotierende elektrische Maschine bereitzustellen, die in der Lage ist, eine Drehmomentwelligkeit zu ebnen.
[Lösung des Problems]
Gemäß einem Aspekt ist eine rotierende elektrische Maschine mit einer Mittenlängsachse bereitgestellt, umfassend: einen Stator, der Ankerspulen umfasst, die um den Stator mit konzentrierter Wicklung gewickelt sind, wobei die Ankerspulen konfiguriert sind, Magnetfluss zu erzeugen, wenn sie erregt werden; und einen Rotor, der um die Mittenlängsachse in Reaktion auf den Durchfluss des Magnetflusses rotierbar ist, wobei der Rotor eine Vielzahl von Schenkelpolen umfasst, die von Rotorwicklungen umwickelt sind, die in der Lage sind, zumindest einen Induktionsstrom zu induzieren, wenn der Magnetfluss mit dem Rotor koppelt, wobei der Rotor zumindest eine Gleichrichterschaltung umfasst, wobei die Rotorwicklungen derart gewickelt sind, dass die Schenkelpole als Elektromagneten arbeiten, deren Magnetisierungsrichtungen abwechselnd nacheinander entlang einer Bogenlänge eines Kreises um die Mittenlängsachse umgekehrt sind, wobei jede Gleichrichterschaltung einen geschlossenen Stromkreis aus einer Gruppe von Rotorwicklungen bildet, wobei in jeder Gruppe einige der Rotorwicklungen, deren Stromphasen des Induktionsstroms die gleichen sind, mit einem Gleichrichterelement in Serie verbunden sind, wobei die Rotorwicklungen entweder in vier Gruppen derart aufgeteilt sind, dass in jeder Gruppe alle Rotorwicklungen mit einem Gleichrichterelement in Serie zu einer Gleichrichterschaltung verbunden sind oder die Rotorwicklungen in zwei Gruppen derart aufgeteilt sind, dass jede Gruppe mehrere Serienschaltungen umfasst, von denen eine erste und eine zweite Serienschaltung parallel verbunden sind und diese erste und die zweite Serienschaltung jeweils mit einem Gleichrichtelement in Serie verbunden sind.
[Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung].
Auf diese Weise ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der Lage, die Drehmomentwelligkeit zu ebnen.
[Kurze Beschreibung der Zeichnungen]

1 ist ein Querschnitt einer Hälfte (1/2) einer ersten Ausführungsform einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein axialer Querschnitt der rotierenden elektrischen Maschine, die in 1 gezeigt ist.
3 ist eine graphische Repräsentation einer Oberschwingungsanalyse der Magnetflussdichte um einen Spalt zwischen einem inneren Rotor und einem äußeren Rotor der rotierenden elektrischen Maschine.
4 ist ein vereinfachter Querschnitt des inneren Rotors der rotierenden elektrischen Maschine.
5 zeigt Gleichrichterschaltungen, von denen jede ein geschlossener Stromkreis ist, der eine Diode an dem inneren Rotor umfasst.
6 ist ein Querschnitt einer Hälfte (1/2) einer zweiten Ausführungsform einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung.
7 zeigt Gleichrichterschaltungen, von denen jede ein geschlossener Stromkreis ist, der zwei Dioden an einem inneren Rotor der in 6 gezeigten rotierenden elektrischen Maschine umfasst.
8 ist ein Simulationsergebnis, das Magnetkreise des Magnetflusses zeigt, der mit dem inneren Rotor der in 6 gezeigten rotierenden elektrischen Maschine koppelt.
9 ist ein Querschnitt der zuvor erwähnten rotierenden elektrischen Maschine in der Form eines Magnetmodulations-Doppelwellenmotors gemäß dem Stand der Technik.

[Beschreibung der Ausführungsformen]
Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen werden Ausführungsformen einer rotierenden elektrischen Maschine im Folgenden beschrieben.
(Erste Ausführungsform)
Bezug nehmend auf die 1 und 2 ist eine rotierende elektrische Maschine 1 als eine rotierende elektrische Maschine des Doppelläufertyps konfiguriert, die eine Mittenlängsachse 1C aufweist. Die rotierende elektrische Maschine 1 umfasst einen Stator 100, der näherungsweise in Zylinderform ausgebildet ist, einen äußeren oder zweiten Rotor 200, der radial, relativ zu der Mittenlängsachse 1C, innerhalb des Stators 100 angeordnet ist, und einen inneren oder ersten Rotor 300, der radial relativ zu der Mittenlängsachse 1C von dem äußeren Rotor 200 angeordnet ist. Der äußere Rotor 200 und der innere Rotor 300 sind derart gelagert, dass der äußere und der innere Rotor 200 und 300 relativ rotierbar um die Mittenlängsachse 1C sind. 1 zeigt eine radiale Hälfte (1/2) einer Querschnittsansicht der rotierenden elektrischen Maschine, d.h. eine radiale Verschiebung von 180° mechanischem Winkel von 360° mechanischem Winkel. Der innere Rotor 300 bildet einen Rotor gemäß den Ansprüchen.
Der Stator 100 umfasst einen Statorkern 101. Der Statorkern 101 umfasst eine Statorbasis und eine Vielzahl von Statorzähnen 102. Die Statorzähne 102 erstrecken sich radial (relativ zu der Mittenlängsachse 1C) von der Statorbasis nach innen. Wie aus 1 ersichtlich, sind die Statorzähne 101 radial um die Mittenlängsachse 1C derart angeordnet, dass die Statorzähne 102 voneinander entlang einer Bogenlänge um einen Kreis um die Mittenlängsachse 1C beabstandet sind. Die Statorzähne 102 erstrecken sich zu inneren Enden oder inneren Umfangsflächen 102a der Statorzähne 102 derart, dass die inneren Umfangsflächen 102a äußeren Umfangsflächen 201a eines Magnetpfadbauteils 201 des äußeren Rotors 200, welcher später beschrieben wird, über einen Luftspalt G1 gegenüberliegen.
Der Stator 100 enthält Ankerspulen 104, die aufteilbar sind in und bestehen aus W-Phasenspulen, V-Phasenspulen und U-Phasenspulen für einen Drei-Phasen-Wechselstrom, so dass die Ankerspulen 104 in Nuten 103 eingelegt sind, von denen jede zwischen zwei einander gegenüberliegenden Seiten 102b von zwei benachbarten Statorzähnen 102 definiert ist. Die Ankerspulen 104 sind um die Statorzähne 102 mit konzentrierter Wicklung gewickelt. Die Ankerspulen 104 erzeugen Magnetfluss, wenn sie erregt werden.
In dem Stator 100 bewirkt die Zuführung von Drei-Phasen-Wechselstrom zu diesen Ankerspulen 104 die Erzeugung eines rotierenden Magnetfelds. Das erzeugte rotierende Magnetfeld dringt in den äußeren Rotor 200 und den inneren Rotor 300 ein, wodurch es bewirkt, dass diese relativ zu dem Stator 100 rotieren.
Der äußere Rotor 200 umfasst ein Magnetpfadbauteil 201 und eine Vielzahl von nicht-magnetischen Elementen 202. Das Magnetpfadbauteil 201 ist aus weichmagnetischem Material mit hoher Permeabilität hergestellt, wie z.B. Stahl. Jedes der nicht-magnetischen Elemente 201 ist aus einem nicht-magnetischen Material hergestellt, das keinen Fluss von Magnetfluss erlaubt, wie z.B. Polyphenylensulfid-(PPS)-Harz oder dergleichen. Das Magnetpfadbauteil 201 erstreckt sich mit einer Länge entlang der Mittenlängsachse 1C. Jedes der nicht-magnetischen Elemente 202 erstreckt sich mit einer Länge entlang der Mittenlängsachse 1C. Es sei angemerkt, dass die Mittenlängsachse eine Rotationsachse ist, um welche der äußere und der innere Rotor 200 und 300 relativ zu dem Stator 100 rotieren.
Bezug nehmend auf 2 sind das Magnetpfadbauteil 201 und die nichtmagnetischen Elemente 202 verbunden mit und konzentrisch gelagert durch einen scheibenförmigen Teil mit großen Durchmesser 205, der an einer axialen Endseite des äußeren Rotors 200 angeordnet ist, und durch eine zylindrische Welle 206, die an der anderen axialen Endseite des äußeren Rotors 200 angeordnet ist.
Das Magnetpfadbauteil 201 umfasst eine Vielzahl von Polschuhsegmenten 201A und eine Vielzahl von Brückensegmenten 201B. Die Polschuhsegmente 201A sind radial um die Mittenlängsachse 1C derart angeordnet, dass die Polschuhsegmente 201A voneinander entlang einer Bogenlänge eines Kreises um die Mittenlängsachse 1C beabstandet sind. Jedes der nicht-magnetischen Elemente 202 ist zwischen zwei benachbarten Polschuhsegmenten 201A derart angeordnet, dass jedes der Polschuhsegmente 201A dem benachbarten nicht-magnetischen Element 201 gegenüberliegt. Jedes der Brückensegmente 201B ist zwischen zwei benachbarten Polschuhsegmenten 201A angeordnet und verbindet diese an radial (relativ zu der Mittenlängsachse 1C) äußeren und inneren Positionen von dem nicht-magnetischen Element 202, das zwischen den zwei Polschuhsegmenten 201A angeordnet ist.
Die Polschuhsegmente 201A und die Brückensegmente 201B sind einstückig derart ausgebildet, dass das Magnetpfadbauteil 201 als ein einstückiger Kern ausgebildet ist, von dem die Polschuhsegmente 201A und die Brückensegmente 201B einstückige Teile sind. Das Magnetpfadbauteil 201 ist als der einstückige Kern ausgebildet, indem eine Vielzahl von elektromagnetischen Stahlplatten eine nach der anderen entlang der Mittenlängsachse 1C laminiert wird.
Jedes der nicht-magnetischen Elemente 202 ist in einem Raum, der definiert und umgeben ist von den zwei benachbarten Polschuhsegmenten 201A und einem der Brückensegmente 201B. In dem veranschaulichten äußeren Rotor 200, sind die Polschuhsegmente 201A aus weichmagnetischem Material und die nicht-magnetischen Elemente 202 radial um die Mittenlängsachse 1C angeordnet, so dass die Polschuhsegmente 201A voneinander entlang der Bogenlänge des Kreises um die Mittenlängsachse 1C beabstandet sind und sodass jedes der nicht-magnetischen Elemente 202 zwischen zwei benachbarten Polschuhsegmenten 201A angeordnet ist.
Der äußere Rotor 200 ist derart angeordnet, dass eine äußere Umfangsfläche 201a des Magnetpfadbauteils 201 den inneren Umfangsflächen (inneren Enden) 102a der Statorzähne des Stators 100 gegenüberliegt und dass eine äußere Umfangsfläche 201b des Magnetpfadbauteils 201 den äußeren Umfangsflächen (äußeren Enden) 302a der Rotorzähne 302 eines später beschriebenen inneren Rotors 300 gegenüberliegt.
Die Ankerspulen 104 des Stators 100 erzeugen einen Magnetfluss, der in den äußeren Rotor 200 eintritt. Der in den äußeren Rotor 200 eintretende Magnetfluss fließt effizient durch die Polschuhsegmente 201A, jedoch verhindern die nicht-magnetischen Elemente 202 den Durchfluss des Magnetflusses. Nachdem er durch die Polschuhsegmente 201A geflossen ist, tritt der Magnetfluss in die Rotorzähne 302 des inneren Rotors 300 von den äußeren Umfangsflächen 302a her ein und fließt auf seinem Rückweg zu dem Stator 100 abermals durch die Polschuhsegmente 201A, um einen Magnetkreis zu vervollständigen.
Indem der äußere Rotor 200 auf diese Weise rotiert wird, wird es ermöglicht, die Anzahl der Pole und die Frequenz des rotierenden Magnetfelds, das von den Ankerspulen 104 erzeugt wird, zu ändern. Ein Drehmoment wird bei der synchronen Rotation des so modulierten rotierenden Magnetfelds erzeugt und der innere Rotor 300.
Der innere Rotor 300 umfasst einen Rotorkern 301, der durch das Laminieren von elektromagnetischen Stahlplatten entlang der Mittenlängsachse 1C ausgebildet ist. Der Rotorkern 301 umfasst eine Rotorbasis und eine Vielzahl von Rotorzähnen (Schenkelpolen) 302. Die Rotorzähne 302 erstrecken sich radial (relativ zu der Mittenlängsachse 1C) von der Rotorbasis nach außen. Wie aus 1 ersichtlich, sind die Rotorzähne 302 radial um die Mittenlängsachse 1C angeordnet, so dass die Rotorzähne 302 voneinander entlang einer Bogenlänge eines Kreises um die Mittenlängsachse 1C beabstandet sind. Die Rotorzähne 302 erstrecken sich zu äußeren Enden oder äußeren Umfangsflächen 302a der Rotorzähne 302, so dass die äußeren Umfangsflächen 302a einer inneren Umfangsfläche 201b des Magnetpfadbauteils 201 des äußeren Rotors 200 über einen Luftspalt G2 gegenüberliegen.
Die Rotorwicklungen 330 sind um die Rotorzähne 302 gewickelt, wobei Räume, von denen jeder zwischen Seiten 302b der zwei benachbarten Rotorzähne 302 ist, als Nuten verwendet werden.
Die Rotorwicklungen 330 sind jeweils mit konzentrierter Wicklung um die Rotorzähne 330 gewickelt, so dass die Rotorwicklungen 330 um die in Umfangsrichtung benachbarten zwei Rotorzähne 302 in zueinander umgekehrten Wicklungsrichtungen gewickelt sind. Die Rotorwicklungen 330 sind radial um die Mittenlängsachse 1C derart angeordnet, dass die Rotorwicklungen 330 voneinander entlang der Bogenlänge des Kreises um die Mittenlängsachse 1C beabstandet sind. Die Rotorzähne 302 sind geschaffen, um als Elektromagneten zu arbeiten, indem die Rotorwicklungen 330 veranlasst werden, Induktionsströme während der Kopplung des Magnetflusses mit den Rotorwicklungen 330 zur Versorgung der Induktionsströme als Erregerströme zu erzeugen (oder zu induzieren).
Die Rotorwicklungen 330 sind derart verkabelt, dass die benachbarten zwei der Rotorzähne 302 unterschiedlich polarisiert sind.
In 1 ist nur eine Hälfte des inneren Rotors 300 gezeigt. Daher sind nur acht (8) Rotorwicklungen 330 gezeigt. Diese acht Rotorwicklungen 330 werden 330-1, 330-2, 330-3, 330-4, 330-5, 330-6, 330-7 und 330-8 in dieser Reihenfolge entlang der Rotationsrichtung des inneren Rotors 300 genannt, d.h. in einer Gegenuhrzeigersinn-Richtung, um Verwirrung zu vermeiden.
In der rotierenden elektrischen Maschine 1 wird die Magnetkraft von dem Stator 100 durch den äußeren Rotor 200 moduliert und der innere Rotor 300 wird von einem Moment angetrieben, das durch die synchrone Rotation des inneren Rotors mit dem modulierten Magnetfluss erzeugt wird. Zusätzlich zu dem synchronen modulierten Magnetfluss koppelt ein asynchroner Magnetfluss mit dem inneren Rotor 300.
3 zeigt ein Oberschwingungsanalyseergebnis der Oberschwingungskomponenten, die in der Flussdichte um einen Spalt zwischen dem inneren Rotor 300 und dem äußeren Rotor 200 enthalten sind, die sog. „Spaltflussdichte“. Die Polkombination ist derart, dass der Stator 100 4 Polpaare aufweist, der äußere Rotor 200 12 Pol aufweist und der innere Rotor 300 8 Polpaare aufweist. Der innere Rotor 300 ist ein massiver Rotor, d.h. ein Rotor ohne Pulsation eines magnetischen Widerstands.
Es ist aus 3 ersichtlich, dass ein Spaltfluss 8. oder niedrigerer Ordnung und ein Spaltfluss der 16. oder höherer Ordnung bestehen bleiben, nachdem der äußere Rotor 200 einen Fluss 4. Ordnung von dem Stator 100 moduliert hat. Des Weiteren ist es ersichtlich, dass ein Spaltfluss der 4. Ordnung auch bestehen bleibt, aufgrund des Gleichstrom-Überlagerungsterms, der von einer von dem äußeren Rotor 200 abhängigen Permanenz verursacht wird. In 3 zeigt ein einfach strichpunktiert gezeichneter Kreis, der mit dem Bezugszeichen L bezeichnet ist, die Flussdichte des Spaltflusses 8. Ordnung und ein anderer einfach strichpunktiert gezeichneter Kreis, der mit dem Bezugszeichen M bezeichnet ist, zeigt die Flussdichte des Spaltflusses 4. Ordnung.
Die Ordnung der Raumoberschwingung des synchronen Flusses, der nicht moduliert wird, wird das Polpaar des Stators. In dem veranschaulichten Beispiel der Oberschwingungsanalyse koppelt der Magnetfluss der Raumoberschwingung 4. Ordnung mit dem inneren Rotor 300 (unter der Annahme, dass ein mechanischer Winkel von 360° der 1. Ordnung entspricht).
4 ist ein Querschnitt des inneren Rotors 360, der die Anordnung der Rotorwicklungen 330 zeigt. Sechzehn (16) Rotorwicklungen 330 sind gezeigt. Diese sechzehn Rotorwicklungen 330 werden 330-1, 330-2, 330-3, 330-4, 330-5, 330-6, 330-7, 330-8, 330-9, 330-10, 330-11, 330-12, 330-13, 330-14, 330-15 und 330-16 in dieser Reihenfolge entlang einer Rotationsrichtung des inneren Rotors, d.h. einer Gegenuhrzeigersinn-Richtung, genannt, um Verwirrung zu vermeiden.
Die Phasen der Induktionsströme, die aufgrund des Magnetflusses der vierten Raumoberschwingung, die mit dem inneren Rotor 300 von dem Stator 100 koppelt, induziert werden, sind im Turnus von 90° die gleichen.
Die Rotorwicklungen 330 sind aufteilbar in und umfassen vier Gruppen von Rotorwicklungen 330, so dass die Rotorwicklungen 330 von jeder Gruppe Induktionsströme erzeugen, die in Reaktion auf eine Einspeisung von asynchronem Magnetfluss zu dem inneren Rotor 300 die gleiche Phase haben, obwohl die Rotorwicklungen 330 der unterschiedlichen Gruppen Induktionsströme erzeugen, die unterschiedliche Phasen haben. In der veranschaulichten Ausführungsform sind die Rotorwicklungen 330 jeder Gruppe in Serie verbunden und die Induktionsströme werden durch ein Gleichrichterelement, beispielsweise in der Form einer Diode, gleichgerichtet.
Bezug nehmend auf 5 sind die Rotorwicklungen 330-1, 330-5, 330-9 und 330-13, die Induktionsströme mit der gleichen Phase erzeugen, und eine Diode D1 in Serie verbunden, um eine Gleichrichterschaltung C1 auszubilden, die ein geschlossener Stromkreis ist.
Ebenso sind die Rotorwicklungen 330-2, 330-6, 330-10 und 330-14 und eine Diode D2 in Serie verbunden, um eine Gleichrichterschaltung C2 auszubilden, die ein geschlossener Stromkreis ist.
Die Rotorwicklungen 330-3, 330.7, 330-11 und 330-15 und eine Diode D3 sind in Serie verbunden, um eine Gleichrichterschaltung C3 auszubilden, die ein geschlossener Stromkreis ist.
Die Rotorwicklungen 330-4, 330-8, 330-12 und 330-16 und eine Diode D4 sind in Serie verbunden, um eine Gleichrichterschaltung C4 auszubilden, die ein geschlossener Stromkreis ist.
Offensichtlich bilden die Dioden D1, D2, D3 und D4 Gleichrichterelemente gemäß den Ansprüchen.
Diese Konfiguration ebnet die Drehmomentwelligkeit, die von Variationen des Induktionsstroms herrührt, weil die Gleichrichterschaltungen C1, C2, C3 und C4 unterschiedlichen Welligkeitsstrom bzw. Stromrippel aufweisen.
Des Weiteren bewirkt diese Konfiguration einen Anstieg des Erregerstroms, indem ein Spannungsabfall, der von den Dioden verursacht wird, reduziert wird, weil die Anzahl der Dioden im Vergleich zu dem Fall reduziert werden kann, bei dem für die jeweiligen Rotorwicklungen 330 geschlossene Stromkreise ausgebildet werden, die jeder eine Diode umfassen.
Zusätzlich erlaubt die Reduktion der Anzahl der Dioden eine Verkleinerung und eine Gewichtsreduktion der rotierenden elektrischen Maschine 1.
Nun wird das Prinzip der Drehmomenterzeugung in der rotierenden elektrischen Maschine 1 beschrieben. Unter dem Magnetflusskomponenten, die von dem Stator 100 herauskommen, durch den äußeren Rotor 200 fließen, um mit dem inneren Rotor 300 zu koppeln, ist zumindest eine Komponente, die von der Rotation des äußeren Rotors 200 moduliert ist, synchronisiert mit der Rotation des inneren Rotors 300 und koppelt mit dem inneren Rotor 300.
Andererseits enthält der Magnetfluss, der mit einem Anteil der Rotorwicklungen 330 des inneren Rotors 300 koppelt, zumindest eine Komponente, die variiert, ohne von der Rotation des äußeren Rotors 200 moduliert zu sein (d.h. ohne mit der Rotation des inneren Rotors 300 synchronisiert zu sein). Diese Komponente bewirkt, dass der eine Anteil der Rotorwicklungen 330 Induktionswechselstrom erzeugt. Der Induktionswechselstrom wird durch die Dioden gleichgerichtet, um Erregergleichstrom bereitzustellen, um den verbleibenden Anteil der Rotorwicklungen 330 zu erregen, wodurch bewirkt wird, dass die Rotorzähne 302 als Elektromagneten arbeiten, um Erregermagnetfluss zu erzeugen. Dies bewirkt die Produktion von Drehmoment innerhalb der rotierenden elektrischen Maschine 1.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Stromzuführung von einer Wechselstromquelle zu den Ankerspulen 104, welche mit konzentrierter Wicklung gewickelt sind, die Erzeugung von Magnetfluss bewirkt, der von den Statorzähnen 102 des Stators 100 herauskommt, durch die Polschuhsegmente 201A des äußeren Rotors 200 fließt und mit den Rotorzähnen 302 des inneren Rotors 300 koppelt.
Dann können die Ankerspulen 104 mit verteilter Wicklung gewickelt werden, obwohl sie in der vorliegenden Ausführungsform mit konzentrierter Wicklung gewickelt sind.
Die rotierende elektrische Maschine 1 ist konfiguriert, die Rotation des inneren Rotors 300 relativ zu dem Stator 100 durch ein elektromagnetisches Moment (ein Drehmoment) zu ermöglichen, ohne Permanentmagnete bereitzustellen. In diesem inneren Rotor 300 ist es den Rotorzähnen 302 erlaubt, als Elektromagneten zu arbeiten, dessen Magnetisierungsrichtungen (N-Pol oder S-Pol) abwechselnd nacheinander entlang der Bogenlänge des Kreises um die Mittenlängsachse 1C umgekehrt sind, wodurch ein leicht gängiger Übergang von Magnetfluss, der den inneren Rotor 300 und den äußeren Rotor 200 koppelt, um die Nuten 303 ermöglicht wird.
Diese rotierende elektrische Maschine 1 ist in der Lage, zu ermöglichen, dass der äußere Rotor 200 bei niedrigen Drehzahlen rotiert und der innere Rotor 300 bei hohen Drehzahlen rotiert, weil der äußere Rotor 200 relativ zu dem Stator 100 rotierbar ist und weil bewirkt wird, dass der innere Rotor 300, mit dem der Magnetfluss koppelt, der durch den rotierenden äußeren Rotor 200, d.h. durch die Magnetbauteile 201, fließt, relativ zu dem äußeren Rotor 200 durch das elektromagnetische Moment rotiert. Des Weiteren ist die rotierende elektrische Maschine 1 in der Lage, es zu ermöglichen, dass der äußere Rotor 200 bei hohen Drehzahlen rotiert und dass der innere Rotor 300 bei niedrigen Drehzahlen rotiert.
Des Weiteren ist diese rotierende elektrische Maschine 1 konfiguriert, in Abhängigkeit einer Beziehung des Aufbaus des Stators 100, des äußeren Rotors 200 und des inneren Rotors 300 ein Drehmoment zu erzeugen, das für die vorstehend beschriebene Rotation benötigt wird. Wenn „A“ die Polpaaranzahl der Ankerspulen 104 des Stators 100 ist, wenn „H“ die Anzahl der Polschuhsegmente 201A ist, die die Anzahl der Pole des äußeren Rotors 200 ausmachen, und wenn „P“ die Polpaaranzahl der Rotorzähne (Elektromagnete) 302 ist, d.h. die Polpaaranzahl des inneren Rotors 300, kann insbesondere die vorstehend erwähnte Beziehung durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt werden. $H = | A \pm P |$
Wenn diese Beziehung erfüllt ist, wird Drehmoment effizient erzeugt, um eine effiziente relative Rotation zwischen dem äußeren Rotor 200 und dem inneren Rotor 300 relativ zu dem Stator 100 zu ermöglichen. Beispielsweise erfüllt die rotierende elektrische Maschine 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Gleichung (1), weil A (die Polpaaranzahl der Ankerspulen 104 an den Stator 100) = 4, H (die Polpaaranzahl des äußeren Rotors 200) = 12 und P (die Polpaaranzahl der Rotorzähne 302 an dem inneren Rotor 300) = 8.
Nun Bezug nehmend auf 2 ist in der rotierenden elektrischen Maschine 1 der äußere Rotor 200 von dem Stator 100 umgeben. Des Weiteren umgibt der äußere Rotor 200 den inneren Rotor 300. Der äußere Rotor 200 und der innere Rotor 300 sind um die Mittenlängsachse 1C der rotierenden elektrischen Maschine 1 rotierbar.
Eine äußere Welle 210, die um die Mittenlängsachse 1C rotierbar ist, ist einstückig mit dem äußeren Rotors 200 verbunden. Eine innere Welle 300, die rotierbar um die Mittenlängsachse 1C ist, ist einstückig mit dem inneren Rotors 300 verbunden. Dies ermöglicht der rotierenden elektrischen Maschine 1 als Doppelachsenrotor des Flussmodulationstyps konfiguriert zu sein, der Kraft sowohl an die äußere Welle 210, als auch an die innere Welle 310 übertragen kann, indem das Prinzip der Flussmodulation genutzt wird.
Daher kann die rotierende elektrische Maschine 1 gefertigt werden, um dieselbe Funktion wie ein bekannter Planetenradsatz aufzuweisen, so dass der Stator 100 als ein Sonnenrad des Planetenradsatzes, der äußere Rotor 200 als ein Planetenträger des Planetenradsatzes und der innere Rotor 300 als ein Hohlrad des Planetenradsatzes arbeitet. In der veranschaulichten rotierenden elektrischen Maschine 1 ist der äußere Rotor 200 gefertigt, um als Planetenträger zu arbeiten.
Dies ermöglicht es der rotierenden elektrischen Maschine 1, nicht nur als ein Kraftübertragungsmechanismus, sondern auch als eine Antriebsquelle zu arbeiten, wenn die rotierende elektrische Maschine 1 an einem Hybridelektrofahrzeug zusammen mit einem Motor (d.h. einem Verbrennungsmotor) montiert wird, um eine Antriebsquelle auszubilden, in den die äußere Welle 210 des äußeren Rotors 200 und die innere Welle 310 des inneren Rotors 300 direkt Anteile eines Kraftübertragungswegs des Fahrzeugs verbunden werden, und indem eine Batterie des Fahrzeugs mit den Ankerspulen 104 des Stators 100 über einen Wechselrichter verbunden wird.
Wie beschrieben sind die Rotorwicklungen 330 jeweils mit konzentrierter Wicklung um die Rotorzähne 330 gewickelt, so dass die Rotorwicklungen 330 um die in Umfangsrichtung benachbarten zwei Rotorzähne 302 in zueinander umgekehrten Wicklungsrichtungen gewickelt sind. Des Weiteren sind die Rotorwicklungen 330 radial um die Mittenlängsachse 1C angeordnet, so dass die Rotorwicklungen 330 voneinander entlang der Bogenlänge des Kreises um die Mittenlängsachse 1C beabstandet sind. Die Rotorwicklungen 330 sind aufteilbar in und umfassen vier Gruppen von Rotorwicklungen 330, so dass die Rotorwicklungen 330 jeder Gruppe in Reaktion auf die Einspeisung eines asynchronen Magnetflusses zu dem Rotor 300 Induktionsströme mit der gleichen Phase erzeugen, obwohl die Rotorwicklungen 330 der unterschiedlichen Gruppen Induktionsströme unterschiedlicher Phasen erzeugen. In der veranschaulichten Ausführungsform sind die Rotorwicklungen 330 jeder Gruppe in Serie verbunden und die Induktionsströme werden durch Gleichrichterelemente, beispielsweise in der Form einer Diode, gleichgerichtet. Die rotierende elektrische Maschine 1 gemäß der ersten Ausführungsform umfasst solche wie vorstehend beschriebenen Rotorwicklungen 330 und solche wie vorstehend beschriebenen Gleichrichterschaltungen C1, C2, C3 und C4.
Dies ebnet die Drehmomentwelligkeit, die von den Variationen der Induktionsströme herrührt, weil die Gleichrichterschaltungen C1, C2, C3 und C4 unterschiedlichen Welligkeitsstrom aufweisen.
(Zweite Ausführungsform)
Als Nächstes wird die zweite Ausführungsform beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass die gleichen Bezugszeichen, die bei der ersten Ausführungsform verwendet werden, zur Bezeichnung der Elemente oder Teile der zweiten Ausführungsform verwendet werden.
Bezug nehmend auf 6 weisen die Rotorzähne 302 jeweils Sätze von Rotorwicklungen 330 auf. Die Rotorwicklungen 330 von jedem Satz dienen als eine Induktionsspule I und eine Erregerspule F. Die Induktionsspule I und die Erregerspule F sind um jeden der Rotorzähne 302 gewickelt, indem Spalten als Nuten 303 genutzt werden, von denen jede zwischen einander gegenüberliegenden Seiten 302b der benachbarten Rotorzähne 302 definiert ist, so dass die Induktionsspule I radial nach innen von dem äußeren Ende 302a des Rotorzahns 302 angeordnet ist und diesem nahe liegt, und die Erregerspule F ist radial innen von dem äußeren Ende 302 des Rotorzahns 302 weiter tieferliegend als die Induktionsspule I angeordnet. Mit anderen Worten sind die Induktionsspulen I an der Seite nahe des äußeren Rotors 200 während die Erregerspulen F an der Seite nahe der Mittenlängsachse 1C sind. Des Weiteren sind die Induktionsspulen I und die Erregerspulen F in die Nuten 303 eingelegt und um den inneren Rotor 300 derart gewickelt, dass die Induktionsspulen I radial (relativ zu der Mittenlängsachse 1C) nach außen angeordnet sind und dass die Erregerspulen F radial nach innen angeordnet sind. Jeder Satz der Rotorwicklungen 330, der als eine Induktionsspule I und als eine Erregerspule F dient, bildet eine Spule gemäß den Ansprüchen.
Die Induktionsspulen I sind mit konzentrierter Wicklung jeweils um die Rotorzähne 302 gewickelt, so dass die zwei benachbarten Induktionsspulen I in zueinander umgedrehten Wicklungsrichtungen gewickelt sind. Die Induktionsspulen I sind radial um die Mittenlängsachse 1C angeordnet, so dass die Induktionsspulen I voneinander entlang der Bogenlänge des Kreises um die Mittenlängsachse 1C beabstandet sind. Jede der Induktionsspulen I erzeugt (oder induziert) Induktionsstrom, wenn sich die Flussdichte des Magnetflusses, der mit dieser koppelt, ändert.
Die Erregerspulen F sind jeweils mit konzentrierter Wicklung um die Rotorzähne 302 gewickelt, so dass die zwei benachbarten Erregerspulen F in zueinander umgekehrten Wicklungsrichtungen gewickelt sind. Die Erregerspulen F sind radial um die Mittenlängsachse 1C derart angeordnet, dass die Erregerspulen F voneinander entlang der Bogenlänge des Kreises um die Mittenlängsachse 1C beabstandet sind. Jede der Erregerspulen F dient als ein Elektromagnet, wenn sie bei der Zuführung des Erregerstroms erregt wird.
Wie beschrieben, ist die Induktionsspule I und die Erregerspule F um jeden der Rotorzähne 302 derart gewickelt, dass die Richtung des Stroms, der durch die Induktionsspule I fließt, mit der Richtung des Stroms übereinstimmt, der durch die Erregerspule F fließt.
In 6 ist nur eine Hälfte des inneren Rotors 300 gezeigt. Daher sind nur acht (8) Induktionsspulen I von allen und nur acht (8) Erregerspulen F von allen gezeigt. Die acht Induktionsspulen I werden I1, I2, I3, I4, I5, I6, I7 und I8 in dieser Reihenfolge entlang einer Rotationsrichtung des inneren Rotors 300 benannt, d.h. eine Gegenuhrzeigersinnrichtung, um Verwirrung zu vermeiden. Die acht Erregerspulen F werden F1, F2, F3, F4, F5, F6, F7 und F8 in dieser Reihenfolge entlang der Richtung der Rotation des inneren Rotors 300 benannt, um Verwirrung zu vermeiden. Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, trägt der innere Rotor 300 (16) Induktionsspulen I und sechszehn (16) Erregerspulen F. Die verbleibenden acht Induktionsspulen I, die in 6 nicht gezeigt sind, können I9, I10, I11, I12, I13, I14, I15 und I16 in dieser Reihenfolge entlang der Rotationsrichtung des inneren Rotors 300 genannt werden. Die verbleibenden acht Erregerspulen I, die nicht in 6 gezeigt sind, können F9, F10, F11, F12, F13, F14, F15 und F16 in dieser Reihenfolge entlang der Rotationsrichtung des inneren Rotors 300 genannt werden.
Die sechszehn (16) Induktionsspulen I an dem inneren Rotor 300 sind in eine ungerade Gruppe, wie I1, I3, I5, I7, I9, I11, I13 und I15, und in eine gerade Gruppe, wie I2, I4, I6, I8, I10, I12, I14 und I16, aufteilbar. Die ungerade Gruppe ist weiter in eine erste Untergruppe, wie Induktionsspulen I1, I5, I9 und I13, und in eine zweite Untergruppe, wie die Induktionsspule I3, I7, I11 und I15, aufteilbar. Die erste Untergruppe der ungeraden Gruppe ist durch das Auswählen jeder zweiten ungeraden Induktionsspule, wie I1, I5, I9 und I13, gegeben, und die zweite Untergruppe der ungeraden Gruppe ist durch das Auswählen der verbleibenden jeder zweiten ungeraden Induktionsspule I3, I7, I11 und I15, gegeben. Die gerade Gruppe ist ferner in eine erste Untergruppe, wie die Induktionsspulen I2, I6, I10 und I14, und in eine zweite Untergruppe, wie die Induktionsspule I4, I8, I12 und I16, aufteilbar. Die erste Untergruppe der geraden Gruppe ist durch das Auswählen jeder zweiten geraden Induktionsspulen, wie I2, I6, I10 und I14, gegeben und die zweite Untergruppe der geraden Gruppe ist durch das Auswählen der verbleibenden jeder zweiten geraden Induktionsspule, wie I4, I8, I12 und I16, gegeben. Wie aus 7 ersichtlich, wirken die Induktionsspulen I1 und I5, die innerhalb der ersten 180° angeordnet sind, der ersten Untergruppe der ungeraden Gruppe und die Induktionsspulen I3 und I7, die innerhalb der ersten 180° angeordnet sind, der zweiten Untergruppe der ungeraden Gruppe und die Erregerspulen F1, F2, F3 und F4, die innerhalb der ersten 90° angeordnet sind, mit dem Dioden D1 und D2 zusammen, um eine Gleichrichterschaltung C5 auszubilden, die als ein geschlossener Stromkreis ausgebildet ist.
In dieser Gleichrichterschaltung C5 sind die Induktionsspulen I1 und I5, die innerhalb der ersten 180° angeordnet sind, der ersten Untergruppe der ungeraden Gruppe, d.h. die Induktionsspulen, die durch das Auswählen jeder vierten Induktionsspule innerhalb der ersten 180° gegeben sind, und die Diode D5 in Serie verbunden; die Induktionsspulen I3 und I7, die innerhalb der ersten 180° angeordnet sind, der zweiten Untergruppe der ungeraden Gruppe, d.h. die Induktionsspulen, die durch das Auswählen jeder vierten Induktionsspule innerhalb der ersten 180° gegeben sind, und die Diode D6 sind in Serie verbunden; und die Erregerspulen F1, F2, F3 und F4, die innerhalb der ersten 90° angeordnet sind, sind in Serie verbunden.
Die eine Serienschaltung (die eine erste Serienschaltung gemäß den Ansprüchen darstellt) aus den Induktionsspulen I1 und I5 (welche innerhalb der ersten 180° angeordnet sind) der ersten Untergruppe der ungeraden Gruppe und die Diode D5 und die andere Serienschaltung (die eine zweite Serienschaltung gemäß den Ansprüchen darstellt) aus den Induktionsspulen I3 und I7 (die innerhalb den ersten 180° angeordnet sind) der zweiten Untergruppe der ungeraden Gruppe und die Diode D6 sind parallel verbunden, und dann mit den Erregerspulen F1, F2, F3 und F4, die innerhalb der ersten 90° angeordnet sind, verbunden, so dass die Kathodenseiten der Dioden D5 und D6 mit einer Serienschaltung der Erregerspulen F1, F2, F3 und F4 verbunden sind. Wie vorstehend beschrieben, wird in der Gleichrichterschaltung C5 Induktionswechselstrom, der von jeder der Induktionsspulen I1, I3, I5 und I7, welche innerhalb der ersten 180° angeordnet sind, erzeugt wird, durch die zugeordnete eine der Dioden D5 und D6 gleichgerichtet, um eine Versorgung von Gleichstrom zu den zugeordneten Erregerspulen F1, F2, F3 und F4, die innerhalb der ersten 90° angeordnet sind, bereitzustellen.
Weiter Bezug nehmend auf 7 wirken die Induktionsspulen I2 und I6, die innerhalb der ersten 180° angeordnet sind, der ersten Untergruppe der geraden Gruppe und die Induktionsspulen I4 und I8, die innerhalb der ersten 180° angeordnet sind, der zweiten Untergruppe der geraden Gruppe und die Erregerspulen F5, F6, F7 und F8, die innerhalb der zweiten 90° angeordnet sind, mit den Dioden D7 und D8 zusammen, um die Gleichrichterschaltung C6 auszubilden, die als ein geschlossener Stromkreis ausgebildet ist.
In dieser Gleichrichterschaltung C6 sind die Induktionsspulen I2 und I6, die innerhalb der ersten 180° angeordnet sind, der ersten Untergruppe der geraden Gruppe, d.h. die Induktionsspulen, die durch das Auswählen jeder vierten Induktionsspule innerhalb der ersten 180° gegeben sind, und die Diode D7 in Serie verbunden; die Induktionsspulen I4 und I8, die innerhalb der ersten 180° angeordnet sind, der zweiten Untergruppe der geraden Gruppe, d.h. die Induktionsspulen, die durch das Auswählen jeder vierten Induktionsspule innerhalb der ersten 180° gegeben sind, und die Diode D8 sind in Serie verbunden; und die Erregerspulen F5, F6, F7 und F8, die innerhalb der zweiten 90° angeordnet sind, sind in Serie verbunden.
Die eine Serienschaltung (die die erste Serienschaltung gemäß den Ansprüchen darstellt) aus den Induktionsspulen I2 und I6, die innerhalb der ersten 180° angeordnet sind, der ersten Untergruppe der geraden Gruppe und der Diode D7 und die andere Serienschaltung (die die zweite Serienschaltung gemäß den Ansprüchen darstellt) aus den Induktionsspulen I4 und I8, die innerhalb der ersten 180° angeordnet sind, der zweiten Untergruppe der geraden Gruppe und der Diode D8 sind parallel verbunden und sie sind mit den Erregerspulen F5, F6, F7 und F8, die innerhalb der zweiten 90° angeordnet sind, derart verbunden, dass die Kathodenseiten der Dioden D7 und D8 mit einer Serienschaltung der Erregerspulen F5, F6, F7 und F8 verbunden sind. Wie beschrieben, wird in der Gleichrichterschaltung C6 Induktionswechselstrom, der von jeder der Induktionsspulen I2, I4, I6 und I8 erzeugt wird, durch die zugeordnete eine der Dioden D7 und D8 gleichgerichtet, um eine Versorgung von Erregergleichstrom zu den Erregerspulen F5, F6, F7 und F8, die innerhalb der zweiten 90° angeordnet sind, bereitzustellen.
Wie beschrieben, stellt jede der Dioden D5, D6, D7 und D8 das Gleichrichterelement gemäß den Ansprüchen dar.
Der vorstehend beschriebene Schaltungsaufbau ermöglicht es, dass die Rotorzähne 302 als Elektromagneten arbeiten, weil Induktionsströme, die von den Induktionsspulen I erzeugt werden, gleichgerichtet und als Erregerströme verwendet werden, um die Erregerspulen F zu erregen.
Gemäß diesem Schaltungsaufbau bezüglich der Dioden D5, D6, D7 und D8, ist ein Anstieg der Anzahl der zu verwendeten Dioden durch die Verwendung solcher Serienschaltungen beschränkt, selbst in dem Fall, dass ein Anstieg der Anzahl der Pole durch die Erhöhung der Anzahl der Induktionsspulen I und der Erregerspulen F benötigt wird. Um die Verwendung einer großen Anzahl von Dioden zu vermeiden, bildet der Schaltungsaufbau eine Sternpunkt-Klemmen-Einweggleichrichterschaltung, um einen Ausgangsstrom bereitzustellen, indem eine Einweggleichrichtung nach der Umrichtung von einem der zugeführten Induktionsströme durchgeführt wird, anstatt die weit verbreitete Zweiweggleichrichterschaltung des H-Brückentyps zu bilden.
Die Erregerspulen F der Gleichrichterschaltungen C5 und C6 sind um die zwei benachbarten Rotorzähne 302 in zueinander umgekehrten Wicklungsrichtungen gewickelt. Einer der zwei benachbarten Rotorzähne 302, der einen Teil eines Magnetkreises bildet, wird derart magnetisiert, dass er als Elektromagnet dient, dessen S-Pol dem äußeren Rotor 200 gegenüberliegt, um einen Magnetfluss von dem benachbarten einen der Polschuhsegmente 201A des äußeren Rotors 20 zu induzieren. Des Weiteren wird der andere der zwei benachbarten Rotorzähne 302 derart magnetisiert, dass er als ein Elektromagnet dient, dessen N-Pol den äußeren Rotor 20 gegenüberliegt, um einen Magnetfluss zu dem äußeren Rotor 200 zu induzieren.
Nun wird das Prinzip der Drehmomenterzeugung in der rotierenden elektrischen Maschine 1 beschrieben. Unter dem Magnetflusskomponenten, die von dem Stator 100 herauskommen, durch den äußeren Rotor 200 fließen, um mit dem inneren Rotor 300 zu koppeln, ist zumindest eine Komponente, die von der Rotation des äußeren Rotors 200 moduliert ist, synchronisiert mit der Rotation des inneren Rotors 300 und koppelt mit dem inneren Rotor 300.
Andererseits enthält der Magnetfluss, der mit den Induktionsspulen I des inneren Rotors 300 koppelt, zumindest eine Komponente, die variiert, ohne von der Rotation des äußeren Rotors 200 moduliert zu sein (d.h. ohne mit der Rotation des inneren Rotors 300 synchronisiert zu sein). Diese Komponente bewirkt, dass die Induktionsspulen I Induktionswechselstrom erzeugen. Der Induktionsstrom wird durch die Dioden D1, D2, D3 und D4 gleichgerichtet, um Erregergleichstrom bereitzustellen, um die Erregerspulen F zu erregen, wodurch bewirkt wird, dass die Rotorzähne 302 als Elektromagneten arbeiten, um Erregermagnetfluss zu erzeugen. Dies bewirkt die Produktion von Drehmoment innerhalb der rotierenden elektrischen Maschine 1.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Stromzuführung von einer Wechselstromquelle zu den Ankerspulen 104, die mit verteilter Wicklung gewickelt sind, die Erzeugung von Magnetfluss bewirkt, der von den Statorzähnen 102 des Stators 100 herauskommt, durch die Polschuhsegmente 201A des äußeren Rotors 200 fließt und mit den Rotorzähnen 302 des inneren Rotors 300 koppelt.
8 zeigt Magnetkreise, durch welche der asynchrone Magnetfluss, der mit dem inneren Rotor 300 koppelt, fließt. Wie aus 8 ersichtlich, werden die Erregerspulen F zur Erzeugung einer induzierten elektromotorischen Kraft veranlasst, weil der Magnetfluss gleichmäßig mit den Rotorzähnen 302 des inneren Rotors 300 koppelt. Jedoch stellt die Verwendung der induzierten elektromotorischen Kraft durch die Erregerspulen F das Problem, dass die Phasenbeziehung zwischen den parallel verbundenen Induktionsspulen I (d.h. der ersten Serienschaltung und der zweiten Serienschaltung) aufgrund der Interferenz mit den induzierten elektromotorischen Kräften durch die Induktionsspulen I gebrochen ist. Dies erhöht infolgedessen die Drehmomentwelligkeit, die von der Variation des Induktionsstroms herrührt, weil die Zweiweggleichrichtung nicht erlaubt ist.
Hinsichtlich dieses Problems sind die Erregerspulen F mit den Induktionsspulen I verbunden, um die induzierten elektromotorischen Kräfte von den Erregerspulen F aufzuheben, so dass die induzierten elektromotorischen Kräfte von den Erregerspulen F nicht die induzierten elektromotorischen Kräfte von den Induktionsspulen I stören. Mit anderen Worten sind in der zweiten Ausführungsform die Erregerspulen F, die innerhalb von 90° mechanischem Winkel angeordnet sind, mit den Induktionsspulen I in Serie verbunden.
Eine solche Verbindung ermöglicht die Durchführung der Zweiweggleichrichtung mit Strömen, die durch die Erregerspulen F fließen, während die Phasenbeziehung zwischen den parallel verbundenen Induktionsspulen I (d.h. der ersten Serienschaltung und der zweiten Serienschaltung) aufrecht erhalten wird.
Des Weiteren reduziert die vorliegende Ausführungsform die Drehmomentwelligkeit beträchtlich, im Vergleich zu dem Fall, bei dem nur diese Rotorwicklungen, die dieselbe Phase der induzierten elektromotorischen Kraft aufweisen, in Serie verbunden sind, wie dies in der ersten Ausführungsform der Fall ist, weil die Zweiweggleichrichtung mit Induktionsströmen durchgeführt wird.
Des Weiteren sind die Kosten und das Gewicht der Bauelemente reduziert, weil die Zweiweggleichrichtung die Amplitude des Rotorstroms reduziert, um eine Auswahl der Dioden mit kleinem zulässigem Stromwert zu ermöglichen.
Des Weiteren sind die Drehmomentkennlinien verbessert, während die magnetomotorische Kraft (MMF) von dem Erregerstrom aufrecht erhalten wird, ohne den Spannungsabfall in der Selbstinduktanz exzessiv zu erhöhen, selbst wenn eine Differenzfrequenz (d.h. ein Unterschied in der Frequenz zwischen dem rotierenden Statormagnetfeld und der Rotordrehzahl) groß wird, indem die Erregerspulen F und die Induktionsspulen I verbunden werden, um die induzierten elektromotorischen Kräfte von den Erregerspulen F aufzuheben.
Wie beschrieben, umfasst in der zweiten Ausführungsform die rotierende elektrische Maschine 1: die Induktionsspulen I, die jeweils mit konzentrierter Wicklung um die Rotorzähne 302 gewickelt sind, so dass die zwei benachbarten Induktionsspulen I in zueinander umgekehrten Wicklungsrichtungen gewickelt sind, und die radial um die Mittenlängsachse derart angeordnet sind, dass die Induktionsspulen I voneinander entlang der Bogenlänge des Kreises um die Mittenlängsachse 1C beabstandet sind; die Erregerspulen F, die jeweils mit konzentrierter Wicklung um die Rotorzähne 302 gewickelt sind, so dass die zwei benachbarten Erregerspulen F in zueinander umgekehrten Wicklungsrichtungen gewickelt sind, und die radial um die Mittenlängsachse 1C derart angeordnet sind, dass die Erregerspulen F voneinander entlang der Bogenlänge des Kreises um die Mittenlängsachse 1C beabstandet sind; und Gleichrichterschaltungen C5 und C6, von denen jede umfasst: eine erste Serienschaltung, in welcher eine Vielzahl von Induktionsspulen I, dessen Stromphasen die gleichen sind, und eine Diode in Serie verbunden sind, und eine zweite Serienschaltung, in welcher eine andere Vielzahl von Induktionsspulen I, deren Stromphasen die gleichen sind, und eine andere Diode in Serie verbunden sind.
Dies ebnet die Drehmomentwelligkeit, die von Variationen des Induktionsstroms herrührt, weil die erste und die zweite Serienschaltung von jeder der Gleichrichterschaltungen C5 und C6 unterschiedlichen Welligkeitsstrom aufweisen.
Des Weiteren umfasst jede der Gleichrichterschaltungen C5 und C6 die erste Serienschaltung, in welcher die Vielzahl von Induktionsspulen I, deren Stromphasen die gleichen sind, und eine Diode in Serie verbunden sind, und die zweite Serienschaltung, in welcher die andere Vielzahl von Induktionsspulen I, deren Stromphasen die gleichen sind, und die andere Diode in Serie verbunden sind, wobei die erste und die zweite Serienschaltung parallel verbunden sind.
Dies reduziert die Drehmomentwelligkeit beträchtlich, weil die Zweiweggleichrichtung mit den Induktionsströmen durchgeführt wird.
Des Weiteren ist jede der Gleichrichterschaltungen C5 und C6 ein geschlossener Stromkreis, in welchem die Vielzahl der Erregerspulen F in Serie mit der Parallelschaltung der ersten und der zweiten Serienschaltung verbunden ist, um die induzierten elektromagnetischen Kräfte von den Erregerspulen F miteinander aufzuheben.
Eine solche Verbindung ermöglicht die Durchführung der Zweiweggleichrichtung mit Strömen, die durch die Erregerspulen F fließen, währen die Phasenbeziehung zwischen den parallel verbundenen ersten und zweiten Serienschaltungen beibehalten wird, wodurch die Drehmomentwelligkeit beträchtlich reduziert wird.
Obwohl in der ersten und der zweiten Ausführungsform die rotierende elektrische Maschine 1 ein Innenrotortyp der Radialspaltstruktur ist, kann die rotierende elektrische Maschine 1 mit einer Axialspaltstruktur oder einer Außenrotorstruktur realisiert werden. Des Weiteren nutzt die rotierende elektrische Maschine 1 die Polkombination, dass die Polpaaranzahl des Stators 100 4 ist, die Polanzahl des äußeren Rotors 200 12 ist und die Polpaaranzahl des inneren Rotors 300 8 ist, jedoch kann sie andere unterschiedliche Kombinationen nutzen.
Zusätzlich kann ein Kupferdraht oder ein Draht aus Aluminiumleiter oder ein Litzendraht als jede der Spulen verwendet werden. Der weichmagnetische Komposit (SMC)-Kern aus gemischtem weichmagnetischem Material kann anstatt der laminierten elektromagnetischen Stahlplatten verwendet werden, um das Magnetpfadbauteil 201 oder den Rotorkern 301 zu bilden.
Ein Magnetmodulator, der ein Magnetpfadbauteil 201 und nichtmagnetische Elemente 202 umfasst, kann ein innerer Rotor sein, und ein Erregerrotor, der Rotorwicklungen 330 oder Erregerspulen F und Induktionsspulen I umfasst, kann ein äußerer Rotor sein.
Die vorliegende Erfindung ist anwendbar auf rotierende elektrische Maschinen, in denen ohne magnetische Modulation induzierte elektromotorische Kraft an Windungen um einen Rotor erzeugt wird, wenn Magnetfluss von Raumoberschwingungen eines Stators mit dem Rotor koppelt.
Die Verwendung der rotierenden elektrischen Maschine 1 ist nicht auf die automobile Verwendung beschränkt und es ist möglich, diese beispielsweise angemessen in der Windkrafterzeugung zu nutzen oder diese als eine Antriebsquelle in Werkzeugmaschinen zu verwenden.
[Bezugszeichenliste]

1: rotierende elektrische Maschine
100: Stator
104: Ankerspule
200: äußerer Rotor (zweiter Rotor)
201: Magnetpfadbauteil
202: nicht-magnetisches Element
300: innerer Rotor (Rotor, erster Rotor)
302: Rotorzähne (Schenkelpole)
330-1 - 330-16: Rotorwicklungen
C1, C2, C3, C4, C5, C6: Gleichrichterschaltung
D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7, D8: Diode (Gleichrichterelement)
F1, F2, F3, F4, F5, F6, F7, F8: Erregerspule
I1, I2, I3, I4, I5, I6, I7, I8: Induktionsspule

Claims

Rotierende elektrische Maschine (1) mit einer Mittenlängsachse (1C), umfassend: einen Stator (100), der Ankerspulen (104) umfasst, die um den Stator (100) mit konzentrierter Wicklung gewickelt sind, wobei die Ankerspulen (104) konfiguriert sind, Magnetfluss zu erzeugen, wenn sie erregt werden; und einen Rotor (300), der um die Mittenlängsachse (1C) in Reaktion auf den Durchfluss des Magnetflusses rotierbar ist, wobei der Rotor (300) eine Vielzahl von Schenkelpolen (302) umfasst, die von Rotorwicklungen (330) umwickelt sind, die in der Lage sind, zumindest einen Induktionsstrom zu induzieren, wenn der Magnetfluss mit dem Rotor (300) koppelt, wobei der Rotor (300) zumindest eine Gleichrichterschaltung (C1 bis C6) umfasst, wobei die Rotorwicklungen (330) derart gewickelt sind, dass die Schenkelpole (302) als Elektromagneten arbeiten können, deren Magnetisierungsrichtungen abwechselnd nacheinander entlang einer Bogenlänge eines Kreises um die Mittenlängsachse (1C) umgekehrt sind, wobei jede Gleichrichterschaltung einen geschlossenen Stromkreis aus einer Gruppe von Rotorwicklungen (330) bildet, wobei in jeder Gruppe einige der Rotorwicklungen (330), deren Stromphasen des Induktionsstroms die gleichen sind, mit einem Gleichrichterelement (D1 bis D8) in Serie verbunden sind, wobei die Rotorwicklungen (330) entweder in vier Gruppen derart aufgeteilt sind, dass in jeder Gruppe alle Rotorwicklungen (330) mit einem Gleichrichterelement in Serie zu einer Gleichrichterschaltung verbunden sind oder die Rotorwicklungen (330) in zwei Gruppen derart aufgeteilt sind, dass jede Gruppe mehrere Serienschaltungen umfasst, von denen eine erste und eine zweite Serienschaltung parallel verbunden sind und diese erste und die zweite Serienschaltung jeweils mit einem Gleichrichtelement in Serie verbunden sind.
Rotierende elektrische Maschine (1) gemäß Anspruch 1, ferner umfassend: einen zweiten Rotor (200), der um die Mittenlängsachse (1C) rotierbar ist, wobei der zweite Rotor (200) in einem Magnetpfad für den Magnetfluss ist, der durch den zuerst genannten Rotor (300) fließt, wobei der zweite Rotor (200) eine Vielzahl von Elementen aus weichmagnetischem Material (201) umfasst, die voneinander entlang einer Bogenlänge eines Kreises um die Mittenlängsachse (1C) beabstandet sind, wobei die Rotorwicklungen (330) des zuerst genannten Rotors (300) Induktionsspulen (I) und Erregerspulen (F) umfassen, wobei die Induktionsspulen (I) derart gewickelt sind, dass die Schenkelpole (302) als Elektromagneten arbeiten können, deren Magnetisierungsrichtungen abwechselnd nacheinander entlang der Bogenlänge des Kreises um die Mittenlängsachse (1C) umgekehrt sind, und wobei die Erregerspulen (F) derart gewickelt sind, dass die Schenkelpole (302) als Elektromagneten arbeiten können, deren Magnetisierungsrichtungen abwechselnd nacheinander entlang der Bogenlänge des Kreises um die Mittenlängsachse (1C) umgekehrt sind, und wobei in der Gleichrichterschaltung (C1 bis C6) einige der Induktionsspulen, deren Stromphasen der Induktionsströme die gleichen sind, mit einem Gleichrichterelement (D1 bis D8) in Serie verbunden sind.
Rotierende elektrische Maschine (1) gemäß Anspruch 2, wobei in der ersten Serienschaltung einige der Induktionsspulen (I), deren Stromphasen der Induktionsströme die gleichen sind, mit einem Gleichrichtelement (D1 bis D8) in Serie verbunden sind, und in der zweiten Serienschaltung einige der Induktionsspulen (I), deren Stromphasen der Induktionsströme die gleichen sind, jedoch unterschiedlich von den Stromphasen der ersten Serienschaltung sind, mit einem Gleichrichterelement (D1 bis D8) in Serie verbunden sind.
Rotierende elektrische Maschine (1) gemäß Anspruch 3, wobei einige der Erregerspulen (F) mit der Parallelschaltung der ersten und der zweiten Serienschaltung verbunden sind, so dass sich induzierte elektromotorische Kräfte, die an den Erregerspulen (F) erzeugt werden, einander aufheben.