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[Technisches Fachgebiet]
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Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Maschinen, insbesondere elektrische Maschinen des Doppelläufertyps.
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[Allgemeiner Stand der Technik]
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Elektrische Maschinen sind als Stromquelle in verschiedenen Vorrichtungen eingebaut. Beispielsweise in Fahrzeuganwendungen ist eine elektrische Maschine einzeln als eine Stromquelle eines Elektrofahrzeugs eingebaut oder zusammen mit einem Verbrennungsmotor, um als Stromquelle eines Hybridelektrofahrzeugs zu fungieren.
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Im Fall eines Hybridelektrofahrzeugs können elektrische Maschinen in einem System in Kombination mit einem Verbrennungsmotor über ein Planetengetriebe eingebaut sein, um, wie benötigt, als Generator oder als Motor zu fungieren. In diesem Fall ist es notwendig, einen Verbrennungsmotor, eine elektrische Maschine zur Krafterzeugung und eine elektrische Maschine zum Antrieb in dem System zusammen mit einem Planetengetriebe einzubauen, um einen Anstieg der Größe des Systems bereitzustellen, wodurch es schwierig wird, dieses in kleinen Fahrzeugen zu installieren.
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JP 2013-188065 A (Patentliteratur 1) offenbart eine elektrische Maschine, die konfiguriert ist, um verschiedene Funktionen zu kombinieren und als ein Generator, ein Motor und ein Planetengetriebe zu fungieren.
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Wie in
5 gezeigt, umfasst die elektrische Maschine M, die in
JP 2013-188065 A beschrieben ist, einen Stator S mit einer Ankerwicklung C, die sechs Polpaare (Polpaarzahl A) aufweist, einen ersten Rotor R1 mit Permanentmagneten PM, der zehn Polpaare (Polpaarzahl P) aufweist, und einen zweiten Rotor R2 mit magnetischen Pfaden MP, der 16 Pole (Polanzahl H = A + P) aufweist. Diese elektrische Maschine M ist konfiguriert, um ein Magnetmodulations-Doppelwellenmotor zu sein, der das Prinzip der magnetischen Modulation nutzt und der drei Elemente, die den Stator S, den ersten Rotor R1 und den zweiten Rotor R2 umfassen, als Elemente eines Planetenradgetriebes, d. h. als ein Sonnenrad, ein Planetenträger und ein Hohlrad, verwendet.
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[Stand der Technik]
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[Patentliteratur]
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- Patentliteratur 1: JP 2013-188065 A
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[Kurzdarstellung der Erfindung]
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[Technische Problemstellung]
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Mit der elektrischen Maschine M, die in
JP 2013-188065 A beschrieben ist, ist es schwer, eine große Menge an Leistung zu erzeugen, indem die Drehmomentdichte so wie in einem Motor mit eingebetteten Permanentmagneten (IPM-Motor) erhöht wird, in dem die magnetische Kraft der Permanentmagneten genutzt wird als ein magnetisches Moment, und sie benötigt die Verwendung von teuren Permanentmagneten mit einer großen magnetischen Flussdichte, um den Mangel an Drehmoment auszugleichen.
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Des Weiteren benötigt der Aufbau der elektrischen Maschine M einen teuren Permanentmagneten, der eine große Koerzitivkraft und eine kleine Demagnetisierung durch Wärme aufweist, wobei solche seltenen und teuren Erden, wie z. B. Dysprosium (Dy) und Terbium (Tb), beigefügt werden, wie z. B. ein Neodymmagnet (Nd-Fe-B Magnet), weil die Fluktuation des magnetischen Flusses, der mit dem Permanentmagneten koppelt, groß ist.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Maschine des Magnetmodulations-Doppelwellentyps bereitzustellen, die ohne die Verwendung von Permanentmagneten magnetisches Drehmoment effektiv nutzt.
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[Lösung des Problems]
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine elektrische Maschine bereitgestellt, die umfasst: einen Stator, der Ankerwicklungen umfasst; einen ersten Rotor; und einen zweiten Rotor, der konfiguriert ist, es zu ermöglichen, dass ein magnetischer Pfad zwischen dem Stator und dem ersten Rotor erzeugt wird, wobei der zweite Rotor eine Vielzahl von in Umfangsrichtung verteilten Stangen von weichmagnetischem Material aufweist, wobei der erste Rotor eine Vielzahl von Schenkelpolen aufweist, die nebeneinander in der Umfangsrichtung angeordnet sind und die von Induktionsspulen und Erregerspulen umwickelt sind.
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Dies ermöglicht eine Erzeugung eines magnetischen Felds (Magnetfeldfluss) nur durch das Bereitstellen von Antriebsstrom an die Ankerwicklungen des Stators, weil das Koppeln des magnetischen Flusses des Stators, der in den Ankerwicklungen erzeugt wird, mit den Induktionsspulen um die Schenkelpole des ersten Rotors eine Erzeugung von Induktionsstrom bewirkt, um die Erregerspulen zu erregen, um die Erregerspulen zur Erzeugung des Magnetfelds zu veranlassen. Der zweite Rotor umfasst Elemente aus weichmagnetischem Material, die nebeneinander angeordnet sind, um es dem magnetischen Fluss des Stators zu erlauben, von dem Stator, und um es dem magnetischen Fluss des Rotors zu erlauben, von dem ersten Rotor durch diese zu fließen.
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[Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung]
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Drehmoment in Abhängigkeit der relativen Rotation (Magnetpfadlänge) zwischen dem Stator, dem ersten Rotor und dem zweiten Rotor erzeugt, um ein rotierendes Drehmoment bereit zu stellen. Das Magnetfeld, das durch den ersten Rotor erzeugt wird, lässt die Schenkelpole des ersten Rotors als Elektromagneten fungieren, wodurch eine Erzeugung eines magnetischen Drehmoments bewirkt wird.
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Daher ist eine elektrische Maschine des Magnetmodulations-Doppelwellentyps bereitgestellt, die einen ersten und einen zweiten Rotor umfasst, ohne auf die Verwendung von Permanentmagneten angewiesen zu sein, die effektiv magnetisches Drehmoment nutzt.
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[Kurze Beschreibung der Zeichnungen]
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1 ist ein Querschnitt senkrecht zu einer Rotationsachse eines Viertel(1/4)-Abschnitts einer elektrischen Maschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 ist ein Querschnitt durch die Rotationsachse, der den schematischen Gesamtaufbau der elektrischen Maschine zeigt.
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3 ist eine schematische Verbindung eines geschlossenen Stromkreises, der Dioden umfasst, der in einem inneren Rotor angeordnet ist.
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4A und 4B zeigen geschlossene Stromkreise, die sich von dem in 3 gezeigten geschlossenen Stromkreis unterscheiden, wobei 4A eine schematische Verbindung eines ersten geschlossenen Stromkreises zeigt, die für einen Viertel(1/4)-Abschnitt der elektrischen Maschine einsetzbar ist, und 4B eine schematische Verbindung eines zweiten geschlossenen Stromkreises zeigt, die für einen Viertel(1/4)-Abschnitt der elektrischen Maschine einsetzbar ist.
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5 ist ein Querschnitt senkrecht zu einer Rotationsachse einer elektrischen Maschine des Doppelläufertyps, die sich von der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet.
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6 ist ein Graph, der den Drehmomentverlauf zeigt, der durch die elektrische Maschine gemäß der vorliegenden Ausführungsform bereitgestellt wird.
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[Beschreibung der Ausführungsformen]
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Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen werden im Folgenden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung detailliert beschrieben. Die 1 bis 4 und 6 zeigen eine elektrische Maschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In den 1 und 2 umfasst eine elektrische Maschine (oder ein Doppelläufermotor) 100 einen Stator 10, der näherungsweise in zylindrischer Form ausgestaltet ist, einen äußeren Rotor (oder einen zweiten Rotor) 20, der von dem Stator 10 umgeben wird und in diesem drehbar aufgenommen ist und der an einer äußeren rotierenden Welle (auch einfach „rotierende Welle” genannt) 101 befestigt ist, die koaxial zu der Rotationsachse des äußeren Rotors liegt, und einen inneren Rotor (oder einen ersten Rotor) 30, der an einer inneren rotierenden Welle (auch einfach „rotierene Welle” genannt) 102 befestigt ist, die koaxial mit der Rotationsachse des inneren Rotors liegt. 1 zeigt ein radiales Viertel (1/4) der Querschnittsansicht der elektrischen Maschine, d. h. ein radialer Versatz von 90° aus 360° in mechanischem Winkel.
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Der Stator 10 ist mit einer Vielzahl von in Umfangsrichtung verteilten Statorzähnen 12 ausgebildet, die sich radial zu der Rotationsachse des Stators hin erstrecken. Die Statorzähne 12 sind derart ausgebildet, dass ihre inneren Umfangsflächen 12a äußeren Umfangsflächen 21a von Magnetpfad ausbildenden Elementen 21 eines äußeren Rotors 20, der später beschrieben wird, über einen Luftspalt G1 gegenüberliegen.
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Der Stator 10 ist mit Nuten 13 ausgebildet, von denen jede zwischen einander gegenüberliegenden Seiten 12b von zwei benachbarten Statorzähnen 12 definiert ist, und eine Ankerwicklung 14 ist bereitgestellt, indem Spulen mit verteilter Wicklung durch die Nuten 13 gewickelt werden. Die Drehmomente, um den äußeren Rotor 20 und den inneren Rotor 30 anzutreiben, werden aufgrund der Kopplung der magnetischen Flüsse des Stators, die durch das Zuführen von Strom zu den Ankerwicklungen 14 erzeugt werden, mit dem äußeren Rotor 20 und dem inneren Rotor 30 erzeugt.
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Der äußere Rotor 20 umfasst eine Vielzahl von prismatischen bzw. prismenförmigen Stangen oder Magnetpfad ausbildenden Elementen 21, die aus einem weichmagnetischen Material, wie z. B. Stahl mit hoher magnetischer Permeabilität, geschaffen sind und die nebeneinander in einer Umfangsrichtung angeordnet sind. Beide Endabschnitte in der Umfangsrichtung von jedem der Magnetpfad ausbildenden Elemente 21 erstrecken sich in der axialen Richtung des äußeren Rotors 20. Die Magnetpfad ausbildenden Elemente 21 sind an beiden Enden durch eine erste scheibenförmige Endplatte 25 und eine zweite Endplatte 26, die als ein Ring ausgebildet ist, verbunden, wobei eine käfigartige Form eines Käfigläufermotors ausgebildet wird.
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Der äußere Rotor 20 umfasst Magnetpfad ausbildende Elemente 21, als Abschnitte, um es den magnetischen Flüssen zu erlauben, durch diese zu fließen, und Hohlräume 22, als Abschnitte, um eine Durchdringung der magnetischen Flüsse zu verhindern. Die Magnetpfad ausbildenden Elemente 21 und die Hohlräume 22 sind abwechselnd und kontinuierlich in der Umfangsrichtung derart angeordnet, dass eine radial äußere Umfangsfläche 21a und eine radial innere Umfangsfläche 21b von jedem der Magnetpfad ausbildenden Elemente 21 jeweils der benachbarten der inneren Umfangsfläche 12A der Statorzähne 12 des Stators 10 und der benachbarten einer äußeren Umfangsfläche 32a von Rotorzähnen 32 eines inneren Rotors 30, die später beschrieben werden, gegenüberliegt.
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Der äußere Rotor 20 erlaubt es den magnetischen Flüssen des Stators, die von den Ankerwicklungen 14 des Stators 10 erzeugt werden, einerseits effektiv durch die Magnetpfad ausbildenden Elemente 21 zu fließen und verhindert die Durchdringung der Magnetflüsse des Stators durch die Hohlräume 22. Jeder der Magnetflüsse des Stators durchläuft eines der Magnetpfad ausbildenden Elemente 21, bevor dieser in den benachbarten der Rotorzähne 32 des inneren Rotors 30 von seiner äußeren Umfangsfläche 32a her eindringt und dann durch das benachbarte nächste Magnetpfad ausbildende Element 21 zum Stator hin fließt, wobei ein Magnetpfad ausgebildet wird, der zu dem Stator 10 zurückfließt.
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Während der Rotation des äußeren Rotors 20 relativ zu dem Stator 10 werden Magnetpfade ausgebildet, von denen jeder durch das sich wiederholende Wechseln der Magnetpfad ausbildenden Elemente 21, d. h. der Abschnitte, um ein Durchfließen der magnetischen Flüsse zu erlauben, und der Hohlräume 22, d. h. der Abschnitte, um eine Durchdringung von magnetischen Flüssen zu verhindern, geöffnet oder geschlossen wird.
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Der äußere Rotor 20 bewirkt, dass der magnetische Fluss des Stators, der durch die Ankerwicklungen 14 erzeugt wird und mit dem äußeren Rotor 20 koppelt, in seiner Flussdichte variiert. Diese Variation der Flussdichte bewirkt, dass sich der äußere Rotor 20 relativ zu dem Stator 10 dreht, weil ein Reluktanzdrehmoment erzeugt wird, das den Weg der geringsten magnetischen Reluktanz sucht, durch welchen der magnetische Fluss des Stators zwischen dem Stator 10 und dem inneren Rotor 30 über den Luftspalt G1 und den später beschriebenen Luftspalt G2 fließt.
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Der innere Rotor 30 umfasst eine Vielzahl von Rotorzähnen oder Schenkelpolen 32, die sich radial von der Rotationsachse weg erstrecken und nebeneinander in einer Umfangsrichtung angeordnet sind. Die äußere Umfangsfläche 32a von jedem der Rotorzähne 32 kann über einen Luftspalt G2 einer der inneren Umfangsflächen 21b der Magnetpfad ausbildenden Elemente 21 des äußeren Rotors 20 gegenüberliegen.
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Indem sie die Nuten 33, von denen jede zwischen zwei einander gegenüberliegenden Seiten 32b von zwei benachbarten Rotorzähnen 32 definiert ist, als Nuten 33 verwenden, sind eine Induktionsspule 34 und eine Erregerspule 35 um jeden der Rotorzähne 32 gewickelt. Die Induktionsspule 34 ist an der Seite des äußeren Rotors 20 und die Erregerspule 35 ist an der Seite der Rotationsachse angeordnet, so dass die Induktionsspule 34 weniger von dem Stator 10 entfernt liegt als die Erregerspule 35.
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Die Induktionsspulen 34 sind durch konzentrierte Wicklung um die Rotorzähne 32 gewickelt, und zwar in derselben Wicklungsrichtung um radiale Richtungen des inneren Rotors 30 hin zu der Rotationsachse und sie sind nebeneinander in der Umfangsrichtung des inneren Rotors 30 angeordnet. Die Induktionsspulen 34, von denen jede um jeden zweiten Rotorzahn 32 angeordnet ist, sind in Serie verbunden, um eine erste Serienschaltung auszubilden, während die verbleibenden Induktionsspulen 34, von denen jede um die jeden verbleibenden zweiten Rotorzahn 32 angeordnet ist, in Serie miteinander verbunden sind, um eine zweite Serienschaltung auszubilden. Die erste Serienschaltung und die zweite Serienschaltung sind parallel miteinander verbunden. Durch den mit ihr koppelnden magnetischen Fluss erzeugt (oder induziert) jede der Induktionsspulen 34 einen Induktionsstrom.
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Die Erregerspulen 35 um zwei benachbarte Rotorzähne 32 sind durch konzentrierte Wicklung in zueinander umgekehrter Wicklungsrichtung gewickelt. Die Erregerspulen 35 sind nebeneinander in einer Umfangsrichtung des inneren Rotors 30 angeordnet und alle zusammen eine nach der anderen in Serie verbunden. Jede der Erregerspulen 35 fungiert als Elektromagnet, wenn sie durch Zuführung von Erregerstrom erregt wird.
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Wie in 3 gezeigt, bilden die Induktionsspulen 34 und die Erregerspulen 35 zusammen mit den Dioden 37A, 37B einen geschlossenen Stromkreis 39. Der geschlossene Stromkreis 39 bildet eine solche Schaltanordnung aus, dass der Induktions-Wechselstrom, der durch die Induktionsspulen 34 erzeugt wird, die um jeden zweiten Rotorzahn 32 angeordnet ist, durch die jeweiligen Dioden 37A, 37B gleichgerichtet wird, um den gleichgerichteten Strom als Erregergleichstrom den Erregerspulen 35 bereitzustellen.
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Diese Schaltanordnung ermöglicht es den Rotorzähnen 32, als Elektromagneten zu fungieren, indem sie die Erregerspulen 35 mit dem Erregerstrom erregen, der durch die Gleichrichtung des in den Induktionsspulen 34 erzeugten Induktionsstroms gegeben ist.
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Falls des Weiteren im Hinblick auf die Anzahl der Dioden 37A, 37B eine Erhöhung der Anzahl der Pole benötigt wird, ist die Anzahl der zu verwendenden Dioden durch das vollständige Verbinden dieser in Serie beschränkt. Um zu vermeiden, dass eine große Anzahl von Dioden verwendet wird, sind die Dioden derart verbunden, dass sie nicht die vorherrschende H-Brückentyp-Zweiweggleichrichterschaltung, sondern eine Sternpunkt-Einweggleichrichterschaltung (Gleichrichterelemente) ausbilden, indem sie die Elemente derart verbinden, dass eine Phasendifferenz von 180° zwischen dem einen Eingangs-Induktionsstrom und dem anderen Eingangs-Induktionsstrom bereitgestellt wird, um eine Ausgabe bereitzustellen, indem eine Einweggleichrichtung nach der Invertierung des einen Eingangs-Induktionsstroms durchgeführt wird.
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Die elektrische Maschine 100 kann durch das Aufteilen der 360° mechanischen Winkels in vier (4) Abschnitte von jeweils 90° mechanischem Winkel aufgebaut sein. In diesem Fall stellt ein geschlossener Stromkreis 39q1, wie in 4A gezeigt, oder ein geschlossener Stromkreis 39q2, wie in 4B gezeigt, für jeden Viertel-Abschnitt (1/4) eines der Segmente der Schaltanordnung 39 dar. In jedem der geschlossenen Stromkreise 39q1 und 39q2 sind alle fünf (5) Erregerspulen 35 in Serie verbunden, jedoch sind fünf (5) Induktionsspulen 34 aufgeteilt in eine Serienschaltung von drei (3) Induktionsspulen 34 und einer Serienschaltung von zwei (2) Induktionsspulen 34 und diese Serienschaltungen sind parallel verbunden.
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Wie in dem geschlossen Stromkreis 39q1, führt das Ausbilden eines Musters mit drei (3) Induktionsspulen 35, die in Serie verbunden sind, dazu, dass relativ zu der Rotationsrichtung die verbleibenden zwei (2) Induktionsspulen 35 in Serie verbunden sind oder wie im geschlossen Stromkreis 39q2 führt das Ausbilden eines Musters mit zwei (2) Induktionsspulen 35, die in Serie verbunden sind, dazu, dass relativ zu der Rotationsrichtung verbleibende drei (3) Induktionsspulen 35 in Serie verbunden sind, wobei die geschlossenen Stromkreise 39q1 oder die geschlossenen Stromkreise 39q2 derart angeordnet sind, dass sie eine symmetrische Beziehung um einen Punkt der Rotationsachse ausbilden. Die Beziehung zwischen der Menge an induziertem Strom, der durch die Induktionsspulen 34 erzeugt wird, und dessen Phase ist nicht notwendiger Weise durch ein Verhältnis zwischen der Anzahl der Induktionsspulen 34 in der einen Serienschaltung und der Anzahl der Induktionsspulen 34 in der anderen Serienschaltung vorgegeben, weil sich diese abhängig von der Anzahl der Pole, d. h. der Anzahl der Ankerspulen, des Stators 10, der Anzahl der Pole, d. h. die Anzahl der Magnetpfad ausbildenden Elemente, des äußeren Rotors 20, und der Anzahl der Pole, d. h. die Anzahl der Elektromagneten, des inneren Rotors 30 unterscheidet. Jedoch gibt es keine Verschlechterung der Rotationsqualität, weil die geschlossenen Stromkreise 39q1 oder 39q2 derart angeordnet sind, dass sie eine symmetrische Beziehung um einen Punkt der Rotationsachse ausbilden.
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Die Erregerspulen 35 des geschlossenen Stromkreises 39 um benachbarte zwei der Rotorzähne 32 sind wechselweise umgedreht in ihren Wicklungsrichtungen gewickelt. Einer der benachbarten zwei Rotorzähne 32 wird magnetisiert, um als ein Elektromagnet, der mit seinem Südpol dem äußeren Rotor 20 zugewandt ist, zu fungieren, um einen koppelnden magnetischen Fluss von den benachbarten der Magnetpfad ausbildenden Elemente 21 des äußeren Rotors 20 zu induzieren. Des Weiteren wird der andere der benachbarten zwei Rotorzähne 32 magnetisiert, um als ein Elektromagnet, der mit seinem Nordpol dem äußeren Rotor 20 zugewandt ist, zu fungieren, um einen magnetischen Fluss zu dem äußeren Rotor 20 zu induzieren.
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Wie zuvor beschrieben, koppeln asynchrone Magnetflüsse vom Stator 10, von denen jeder zumindest eine Komponente umfasst, die nicht durch die Rotation des äußeren Rotors 20 moduliert ist, mit den Rotorzähnen 32 des inneren Rotors 30 von den äußeren Umfangsflächen 32a. Dies bewirkt in der elektrischen Maschine 100, dass jede der Induktionsspulen 34 einen Induktionsstrom erzeugt, weil der magnetische Fluss, der mit der Induktionsspule 34 koppelt, zumindest eine Komponente enthält, die ohne von dem äußeren Rotor 20 moduliert zu sein, fluktuiert (d. h. ohne Synchronisation mit der Rotation des inneren Rotors 30). Der Induktionsstrom wird durch die Diode 37A oder 37B gleichgerichtet, um Erregergleichstrom bereitzustellen, um die zugeordnete Erregerspule 35 zu erregen, wodurch der zugeordnete der Rotorzähne 32 als ein Elektromagnet fungiert, um einen Magnetfeldfluss zu erzeugen.
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Zusätzlich ist in dem magnetischen Fluss des Stators, der mit dem äußeren Rotor 20 koppelt, zumindest eine Komponente durch die Rotation des äußeren Rotors 20 moduliert, und der magnetische Fluss der modulierten Komponente synchronisiert sich mit der Rotation des äußeren Rotors 30. Dadurch wird in der elektrischen Maschine 100 ein Drehmoment erzeugt.
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Der magnetische Fluss zur Kopplung mit den Rotorzähnen 32 des inneren Rotors 30 über die Magnetpfad ausbildenden Elemente 21 des äußeren Rotors 20 von den Statorzähnen des Stators 10 wird erzeugt, wenn Strom von einer Wechselstromquelle den Ankerwicklungen 14 bereitgestellt wird, die mit verteilter Wicklung gewickelt sind.
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In der vorliegenden Ausführungsform sind Ankerwicklungen 14 durch verteilte Wicklung gegeben, jedoch können diese auch durch konzentrierte Wicklung gegeben sein. Im Fall von konzentrierter Wicklung sind in dem magnetischen Fluss, der die Rotorzähne 32 koppelt, mehr bzw. erhöhte harmonische Teilschwingungen enthalten als im Fall der verteilten Wicklung enthalten sind. Dies bewirkt, dass die Induktionsspulen 34 effektiv Induktionsstrom erzeugen, weil die harmonischen Teilschwingungen als Fluktuationen in der magnetischen Flussdichte fungieren, wodurch ein Anstieg des Erregerstroms bewirkt wird, der den Erregerspulen 35 zugeführt wird, um eine elektromagnetische Kraft zu erzeugen.
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In der elektrischen Maschine 100 wird ein magnetisches Drehmoment (Rotationskraft) erzeugt, um den inneren Rotor 30 relativ zum Stator 10 zu rotieren, ohne dass dabei Permanentmagnete bereitgestellt werden. Dieser innerer Rotor 30 kann leichtgängig magnetischen Fluss von dem oder an den äußeren Rotor 20 übertragen oder erhalten, wobei die Nuten 33 umgangen werden, weil die Rotorzähne 32, die nebeneinander angeordnet sind, als Elektromagnete fungieren, deren Magnetisierungsrichtungen (Nordpol oder Südpol) wechselweise in Umfangsrichtung eine nach der anderen umgekehrt sind.
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In der elektrischen Maschine 100 ist es dem äußeren Rotor 20 erlaubt, bei niedrigen Geschwindigkeiten zu rotieren, und dem inneren Rotor 30 ist es erlaubt, bei hohen Geschwindigkeiten zu rotieren, weil der äußere Rotor 20 relativ zu dem Stator 10 drehbar ist und der innere Rotor 30 relativ zu dem äußeren Rotor 20 drehbar ist, aufgrund eines magnetischen Moments, das durch den magnetischen Fluss erzeugt wird, der durch den rotierenden äußeren Rotor 20, d. h. die Magnetpfad ausbildenden Elemente 21, fließt, um mit dem inneren Rotor 30 zu koppeln.
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Des Weiteren kann die elektrische Maschine 100 Drehmoment erzeugen, das zum oben beschriebenen Rotationsantrieb benötigt wird, abhängig von der Beziehung zwischen dem Aufbau des Stators 10, des äußeren Rotors 20 und des inneren Rotors 30. Wenn insbesondere „A” die Polpaarzahl der Ankerwicklungen 14 des Stators 10, „H” die Anzahl der Magnetpfad ausbildenden Elemente 21, die die Anzahl der Pole des äußeren Rotors 20 bildet, und „P” die Polpaarzahl der Rotorzähne (Elektromagneten) 32, d. h. die Polpaarzahl des inneren Rotors 30 ist, so kann die oben beschriebene Beziehung durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt werden. H = |A ± P| (1)
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Wenn diese Bedingung erfüllt ist, wird Drehmoment effektiv erzeugt, um eine effiziente relative Rotation zwischen dem äußeren Rotor 20 und dem inneren Rotor 30 relativ zu dem Stator 10 zu ermöglichen. Beispielsweise erfüllt die elektrische Maschine 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Gleichung (1), weil A (die Polpaaranzahl der Ankerwicklungen 14 des Stators 10) = 6, H (die Anzahl der Pole der Magnetpfad ausbildenden Elemente 21 des äußeren Rotors 20) = 16 und P (die Polpaaranzahl der Rotorzähne 32 des inneren Rotors 30) = 10 ist.
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Des Weiteren ist in der elektrischen Maschine 100 der äußere Rotor 20 umgeben von dem Stator 10; der innere Rotor 30 ist umgeben von dem äußeren Rotor 20; eine äußere rotierende Welle 101 ist drehbar mit dem äußeren Rotor 20 um die Rotationsachse; und die innere rotierende Welle 102 ist drehbar mit dem inneren Rotor 30 um die Rotationsachse.
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Daher kann die elektrische Maschine 100 als ein Magnetmodulation-Doppelwellenmotor aufgebaut sein, der in der Lage ist, Leistung unter der Verwendung des Prinzips der Magnetmodulation zu übertragen, in der der Stator 10, der äußere Rotor 20 und der innere Rotor 30 als Teile eines Planetengetriebes dienen, d. h. als ein Sonnenrad, ein Planetenträger und ein Hohlrad. In der elektrischen Maschine 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform fungiert der äußere Rotor 20, der mit Magnetpfad ausbildenden Elementen 21 ausgebildet ist, als ein Planetenträger.
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Falls die elektrische Maschine 100 als eine Antriebsquelle zusammen mit einem Motor, d. h. einem Verbrennungsmotor, in einem hybridelektrischen Fahrzeug eingebaut wird, kann mit diesem Aufbau, obwohl er nicht dargestellt ist, die elektrische Maschine 100 nicht nur als Antriebsquelle, sondern auch als Kraftübertragungsmechanismus fungieren, und zwar durch das direkte Koppeln der äußeren rotierenden Welle 101 des äußeren Rotors 20 und der inneren rotierenden Welle 102 des inneren Rotors 30 jeweils mit Komponenten eines Kraftübertragungswegs des Fahrzeugs und durch Verbinden einer Batterie des Fahrzeugs an die Ankerwicklungen 14 des Stators 10 über einen Wechselrichter.
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Wie in
5 gezeigt, ist die bekannte elektrische Maschine M, die in
JP 2013-188065 A beschrieben ist, konfiguriert als ein Magnetmodulations-Doppelwellenmotor, der in der Lage ist, unter Verwendung des Prinzips der magnetischen Modulation Kraft zu übertragen, und der als Bauteil eines Planetengetriebes fungiert, d. h. als ein Sonnenrad, ein Planetenträger und ein Hohlrad, in welchem A (die Polpaarzahl der Ankerwicklungen C des Stators S) = 6, P (die Polpaarzahl der Permanentmagnete PM eines äußeren Rotors R1) = 10 und H (die Anzahl der Pole von Modulationselementen MP, d. h. der Magnetpfad ausbildenden Elemente, des inneren Rotors
20) = A + P = 16 ist.
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Im Vergleich zu der bekannten elektrischen Maschine M weist die elektrische Maschine 100 Modulationselemente (Magnetpfad ausbildende Elemente) 21 am äußeren Rotor 20 und Elektromagneten (Rotorzähne 32) am inneren Rotor 30 auf, wobei die elektrische Maschine 100 konfiguriert ist, um die Formel (1) zu erfüllen, und zwar aufgrund des Aufbaus mit A (Polpaarzahl der Ankerwicklungen 14 des Stators 10) = 6, P (Polpaarzahl der Rotorzähne 32 des inneren Rotors 30) und H (Anzahl der Pole der Magnetpfad ausbildenden Elemente 21, d. h. der Modulationselemente, des äußeren Rotors 20) = A + P = 16. Die elektrische Maschine 100 und die bekannte elektrische Maschine M stellen im Wesentlichen den gleichen Drehmomentverlauf bereit. 6 zeigt den Drehmomentverlauf der elektrischen Maschine 100. Daher kann die elektrische Maschine 100 ausreichend Drehmoment durch das optimale Erzeugen von Induktionsstrom und Erregerstrom bereitstellen, weil die Menge der Windungen und das Verhältnis der Induktionsspulen 34 und der Erregerspulen 35, die um jeden der magnetischen Polkerne 32 gewickelt sind, einstellbar sind.
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Des Weiteren sind in der elektrischen Maschine 100 die Induktionsspulen 34 und die Erregerspulen 35 um die Rotorzähne 32 des inneren Rotors 30 gewickelt, wodurch ein Anstieg der Pulsation des Magnetwiderstands ermöglicht wird, wobei die angemessene Länge von den Spulen in der axialen Richtung sichergestellt wird. Dies bewirkt eine Bereitstellung einer großen Menge von Erregerstrom an die Erregerspulen 35, weil eine Erzeugung einer großen Menge von Induktionsstrom in den Induktionsspulen 34 ermöglicht wird, wodurch eine Erzeugung einer ausreichenden elektromagnetischen Kraft ermöglicht wird, die zum Antrieb der Rotation als ein Magnetmoment beiträgt.
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Es könnte möglich sein, ausreichend Schenkelpole am äußeren Rotor 20 anzuordnen, um Induktionsspulen und Erregerspulen bereitzustellen, die um die Schenkelpole gewickelt sind, wie in der elektrischen Maschine M. In diesem Fall wird der Durchmesser des inneren Rotors relativ gesehen zu kurz, um eine ausreichend lange Pulsation des Magnetwiderstands zu ermöglichen, wodurch es nicht gelingt, eine ausreichend große elektromagnetische Kraft (oder magnetisches Moment) bereitzustellen. Das bedeutet, dass der Aufbau der elektrischen Maschine 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zu bevorzugen ist.
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In der elektrischen Maschine 100 gemäß der vorliegenden Erfindung weist der äußere Rotor 20 eine Vielzahl von Magnetpfad ausbildenden Elementen 21 auf und der innere Rotor 30 weist die Induktionsspule 34 und die Erregerspule 35 an jedem der Rotorzähne 32 des inneren Rotors 30 auf. Der magnetisches Fluss des Stators, der nach Bereitstellung von Wechselantriebsstrom an die Ankerwicklungen 14 des Stators 10 erzeugt wird, fließt durch die Magnetpfad ausbildenden Elemente 21 des äußeren Rotors 20, um mit den Rotorzähnen 32 des inneren Rotors 30 zu koppeln. Dies bewirkt in der elektrischen Maschine 100, dass jede der Induktionsspulen 34 einen Induktionsstrom erzeugt. Der Induktionsstrom wird durch die Diode 37A oder 37B gleichgerichtet, um einen Erregergleichstrom bereitzustellen, um die zugeordnete Erregerspule 35 zu erregen, wodurch der zugeordnete der Rotorzähne 32 als ein Elektromagnet dient, um einen Magnetfeldfluss zu erzeugen.
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Dies ermöglicht es der elektrischen Maschine 100, geschlossene Magnetpfade auszubilden, ohne auf Permanentmagnete angewiesen zu sein, um nicht nur magnetischen Fluss, der innerhalb des Stators 10 erzeugt wurde, sondern auch magnetischen Fluss, der innerhalb des inneren Rotors 30 erzeugt wurde, über den äußeren Rotor 20, d. h. über die Magnetpfad ausbildenden Elemente 21, zu dem Stator 10 zurückzugeben.
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In der elektrischen Maschine 100 wird daher ein Reluktanzdrehmoment erzeugt, um den Weg des geringsten magnetischen Widerstands zu suchen. Zusätzlich wird ein magnetisches Drehmoment erzeugt, indem die Rotorzähne 32 des inneren Rotors 30 veranlasst werden, als Elektromagneten zu fungieren.
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Infolgedessen ist eine Magnetmodulations-Zweiwellentyp elektrische Maschine 100 bereitgestellt, die einen inneren Rotor 30 und einen äußeren Rotor 20 umfasst, der effektiv ein magnetisches Drehmoment nutzt, ohne dabei Permanentmagnete zu verwenden.
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Induktionsspulen 34 sind mittels konzentrierter Wicklung um die Seite des äußeren Umfangs der Rotorzähne 32 des inneren Rotors 30 in derselben Windungsrichtung gewickelt und Erregerspulen 35 sind um die innere Umfangsseite von benachbarten Rotorzähnen 32 mittels konzentrierter Wicklung in wechselseitig umgedrehter Wicklungsrichtung gewickelt. Dies ermöglicht es der elektrischen Maschine 100, dass die Induktionsspulen 34 effizient Induktionsstrom generieren, indem sie den magnetischen Fluss des Stators, der durch die Ankerwicklungen 14 des Stators 10 erzeugt wird, zur effektiven Kopplung mit den Induktionsspulen 34 über den äußeren Rotor 20, d. h. über die Magnetpfad ausbildenden Elemente 21, veranlassen, wodurch die Erregerspulen 35 abhängig von ihrer Wicklungsrichtung magnetisiert werden, um die N-Pole von einem Elektromagnet und die S-Pole des benachbarten Elektromagneten auszubilden, um sich dem benachbarten der Magnetpfad ausbildenden Elemente 21 des äußeren Rotors 20 zuzuwenden, um einen geeigneten Magnetkreis auszubilden.
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Als ein zweiter, nicht dargestellter Aspekt der vorliegenden Erfindung können Permanentmagnete in die jeweiligen Rotorzähne 32 des inneren Rotors 30 eingebettet werden. Jeder der Permanentmagnete ist derart angeordnet, dass die Richtung der Magnetisierung der magnetischen Pole (N-Pol, S-Pol) dieselbe Richtung der Magnetisierung wird, wenn bewirkt wird, dass der benachbarte der Rotorzähne 32 durch die Gleichrichtung mittels der Dioden 37A, 37B als ein Elektromagnet fungiert. In diesem Fall wird das Drehmoment, das den inneren Rotor 30, d. h. die innere rotierende Welle 102, antreibt, erhöht, weil eine magnetische Kraft der Permanentmagnete zu der magnetischen Kraft der Elektromagnete von jedem der Rotorzähne 32 hinzugefügt wird. Weil die Stärke der magnetischen Kraft, deren Erzeugung von einem Permanentmagneten benötigt wird, genügend hoch ist, um eine Unterstützung für eine elektromagnetische Kraft, die durch jede der Induktionsspulen 34 erzeugt wird, bereitzustellen, gibt es keinen Bedarf für solche seltenen und teuren Permanentmagnete wie einen Neodymmagnet und daher kann der Permanentmagnet aus günstigen Permanentmagneten ausgewählt werden, deren stabile Versorgung sichergestellt ist. Jedoch kann ein seltener und teurer Neodymmagnet genutzt werden, wenn das Bereitstellen eines großen stabilen Drehmoments verlangt wird.
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Des Weiteren, als dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung, ist die vorliegende Ausführungsform nicht auf die Radialspaltkonstruktion beschränkt, die diametral verteilte Luftspalte G1 und G2 wie in der elektrischen Maschine 100 ausbildet, und kann als Axialspaltkonstruktion ausgebildet sein, die Luftspalt(e) in einer Richtung entlang der Rotationsachse ausbildet. Auch in diesem Fall sind Ankerwicklungen, Magnetpfad ausbildende Elemente und Induktionsspulen auf einem Stator und zwei Rotoren angeordnet, die in der Richtung entlang der Rotationsachse angeordnet sind.
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Während der oben beschriebene Stator 10, der äußere Rotor 20 und der innere Rotor 30 der elektrischen Maschine 100 der Radialspaltkonstruktion aus laminierten Strukturen durch das Schichten von elektromagnetischen Stahlplatten ausgebildet sind, ist es beispielsweise möglich, sog. weichmagnetische Kompositkerne (SMC-Kerne) zu verwenden, die als magnetische Pulverkerne beschrieben werden können, die aus dem Druckgießen von Eisenpulver und dem Wärmebehandeln von weichmagnetischen Verbundwerkstoffen (SMCs) aus ferromagnetischen Pulverpartikeln, wie beispielsweise von einen elektrisch isolierenden Film ummantelte Eisenpulverteilchen, hergestellt werden. Der SMC-Kern ist aufgrund seiner Einfachheit des Gießens geeignet für die Axialspaltkonstruktion.
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Die Verwendung der elektrischen Maschine 100 ist nicht auf die automobile Verwendung beschränkt und es ist möglich, diese beispielsweise in Windkraftgeneratoren oder als Antriebsquelle in Werkzeugmaschinen zu verwenden.
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Obwohl Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, ist es dem Fachmann offensichtlich, dass Modifikationen durchgeführt werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Alle solchen Modifikationen und deren Äquivalente sollen von den beigefügten Ansprüchen umfasst sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Stator
- 12
- Statorzähne
- 14
- Ankerwicklung
- 20
- äußerer Rotor (erster Rotor)
- 21
- Magnetpfad ausbildendes Element
- 22
- Hohlraum
- 30
- innerer Rotor (erster Rotor)
- 32
- Rotorzähne (Schenkelpole)
- 34
- Induktionsspule
- 35
- Erregerspule
- 37A, 37B
- Diode
- 39, 39q1, 39q2
- geschlossener Stromkreis
- 100
- elektrische Maschine
- 101
- äußere rotierende Welle
- 102
- innere rotierende Welle
- G1, G2
- Luftspalt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2013-188065 A [0004, 0005, 0007, 0050]
