[Technisches Gebiet][Technical area]
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen eine elektrische Maschine, umfassend einen Rotor, der mindestens einen Magneten mit niedriger Koerzivität aufweist und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen elektrischen Maschine.The present invention generally relates to an electric machine comprising a rotor having at least one low-coercivity magnet and a method of operating such an electric machine.
[Bisheriger Stand der Technik][Prior Art]
Elektrische Maschinen werden in verschiedenartigen Antriebsvorrichtungen als Quelle verwendet. Zum Beispiel sind Motoren mit eingebetteten Permanentmagneten (IPM) in bestimmten Bereichen der Automobilindustrie, wie Elektrofahrzeugen und Hybridelektrofahrzeugen bekannt.Electric machines are used as a source in various drive devices. For example, embedded permanent magnet (IPM) motors are known in certain areas of the automotive industry, such as electric vehicles and hybrid electric vehicles.
Um einen Bedarf an hohen Leistungen (oder hoher Energiedichte) und Miniaturisierung zu erfüllen, werden in IPM Motoren oft Permanentmagnete der Seltenen Erde, wie Neodym-Magnete, aufgrund ihrer hohen Remanenzflussdichte und hohen Wärmebeständigkeit verwendet. Es kann jedoch vorkommen, dass den Neodym-Magnet-Legierungen teure Elemente der Seltenen Erde, wie Dysprosium (Dy) und Terbium (Tb) beigemengt werden müssen. Dadurch werden die Magneten noch teurer. Außerdem könnten die Vorräte an diesen Elementen in Zukunft abnehmen.To meet a need for high power (or high energy density) and miniaturization, IPM motors often use rare earth permanent magnets, such as neodymium magnets, because of their high remanent flux density and high thermal stability. However, it may be necessary to add expensive elements of the rare earth, such as dysprosium (Dy) and terbium (Tb), to the neodymium magnet alloys. This makes the magnets even more expensive. In addition, inventories of these elements may decline in the future.
In JP2008-43172A (in der Folge Patentliteratur 1 genannt) wurde für moderne elektrische Maschinen vorgeschlagen, teure Neodym-Magnete mit Magneten mit niedriger Koerzivität zu ersetzen und die in einem Rotor eingebetteten Magnete mit niedriger Koerzivität bis zu einer vorbestimmten Magnetfeldstärke, der so genannten Magnetisierung, zu magnetisieren.In JP2008-43172A (hereinafter referred to as Patent Literature 1), it has been proposed for modern electric machines to replace expensive neodymium magnets with low-coercivity magnets and to magnetize low-coercivity magnets embedded in a rotor up to a predetermined magnetic field strength, called magnetization.
[Stand der Technik][State of the art]
[Patentliteratur][Patent Literature]
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Patentliteratur 1: JP2008-43172A Patent Literature 1: JP2008-43172A
[Zusammenfassung der Erfindung]Summary of the Invention
[Technische Aufgabe][Technical task]
Bei einer Anwendung der in der Patentliteratur 1 beschriebenen elektrischen Maschine in der Automobilindustrie, muss jedoch ein Wechselrichter einen Gleichstrom in einen als Magnetisierungsstrom erforderlichen Wechselstrom umwandeln, damit die Ankerspule(n) ein ausreichendes Magnetfeld um den Magneten mit niedriger Koerzivität herum erzeugt, um den Magneten mit niedriger Koerzivität bis zur Sättigung zu magnetisieren. Aus diesem Grund muss der Wechselrichter einen besonders hohen elektrischen Strom zur Magnetisierung des Magneten mit niedriger Koerzivität erzeugen. However, in an application of the electric machine in the automotive industry described in Patent Literature 1, an inverter needs to convert a direct current into an alternating current required as a magnetizing current for the armature coil (s) to generate a sufficient magnetic field around the low-coercivity magnet around the magnet with low coercivity to magnetize to saturation. For this reason, the inverter must generate a particularly high electric current for magnetizing the magnet with low coercivity.
Daraus folgt, das ein Schaltkreis, der einen Wechselrichter usw. umfasst, eine hohe Spannungsfestigkeit und Strombelastbarkeit aufweisen muss, was insofern unpraktisch ist, als viele elektronische Vorrichtungen zu groß und zu teuer werden, um als Komponenten einer bordseitigen elektrischen Maschine in einem Fahrzeug verwendet zu werden. As a result, a circuit including an inverter, etc. must have high withstand voltage and current capability, which is impractical in that many electronic devices become too large and too expensive to be used as components of an on-board electric machine in a vehicle become.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine elektrische Maschine und ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine bereitzustellen, bei dem mit einer Einspeisung eines reduzierten elektrischen Stroms eine Magnetisierung eines Magneten mit niedriger Koerzivität durchgeführt werden kann.An object of the present invention is to provide an electric machine and a method of operating an electric machine in which magnetization of a low-coercivity magnet can be performed with a feed of a reduced electric current.
[Lösung der Aufgabe][Solution of the task]
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, ist eine elektrische Maschine vorgesehen, umfassend: einen Stator mit mindestens einer Ankerspule; und einen Rotor mit mindestens einem Magneten mit niedriger Koerzivität, wobei der Rotor mindestens eine Feldspule aufweist, und wobei eine Überlagerung eines durch die Ankerspule strömenden Antriebsstroms mit einem Pulsstrom bewirkt, dass ein Pulsstrom (pulsierender Strom) durch die Feldspule strömt, um die Magnetisierung des Magneten mit niedriger Koerzitivität herbeizuführen. According to one aspect of the present invention, there is provided an electric machine comprising: a stator having at least one armature coil; and a rotor having at least one low-coercivity magnet, wherein the rotor has at least one field coil, and wherein superposition of a drive current flowing through the armature coil with a pulse current causes a pulse current (pulsating current) to flow through the field coil to increase the magnetization of the field coil To bring magnets with low coercivity.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Ausführungsform wird ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine, umfassend einen Stator mit mindestens einer Ankerspule und einen Rotor mit mindestens einem Magneten mit niedriger Koerzivität, bereitgestellt, umfassend: die Bereitstellung mindestens einer Feldspulenwicklung um den Rotor; die Überlagerung eines durch die Ankerspule strömenden Antriebsstroms mit einem Pulsstrom, um zu bewirken, dass ein Pulsstrom durch die Feldspule strömt, um den Magneten mit niedriger Koerzivität zu magnetisieren.According to another aspect of the present embodiment, there is provided a method of operating an electric machine comprising a stator having at least one armature coil and a rotor having at least one low-coercivity magnet, comprising: providing at least one field coil winding around the rotor; the superposition of a drive current flowing through the armature coil with a pulse current to cause a pulse current to flow through the field coil to magnetize the low-coercivity magnet.
[Vorteilhafte Wirkung der Erfindung][Advantageous Effect of the Invention]
Auf diese Weise kann durch die Einspeisung eines reduzierten elektrischen Stroms ein Magnet mit niedriger Koerzivität magnetisiert werden.In this way, by feeding a reduced electric current, a low-coercivity magnet can be magnetized.
[Kurze Beschreibung der Zeichnungen][Brief Description of the Drawings]
1 ist ein Querschnitt einer elektrischen Maschine nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1 is a cross section of an electric machine according to an embodiment of the present invention.
2 ist ein Ausschnitt einer vergrößerten Querschnittsansicht eines Stators und eines Rotors. 2 is a fragment of an enlarged cross-sectional view of a stator and a rotor.
3 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Versorgungskreises zur Versorgung einer Ankerspule mit einem Antriebsstrom. 3 is a simplified block diagram of a supply circuit for supplying an armature coil with a drive current.
4 ist eine grafische Darstellung eines Drehwinkels des Rotors, in mechanische Grad (deg) ausgedrückt, im Verhältnis zur Magnetflussdichte, in Tesla (T) ausgedrückt, welche die Auswirkung auf die augenblickliche Flussdichte in konzentriert gewickelten Ankerspulen und in verteilt gewickelten Ankerspulen darstellt. 4 FIG. 12 is a plot of rotor rotation angle, expressed in mechanical degrees (deg), relative to magnetic flux density, expressed in Tesla (T), which represents the effect on instantaneous flux density in concentrically wound armature coils and in distributed wound armature coils.
5 ist eine Grafik, die einen Vergleich zwischen den Raumharmonischen in konzentriert gewickelten Ankerspulen und den Raumharmonischen in verteilt gewickelten Ankerspulen darstellt. 5 Figure 4 is a graph illustrating a comparison between the space harmonics in concentrated wound armature coils and the space harmonics in distributed wound armature coils.
6 ist eine Grafik, die Flussverläufe in dreiphasigen Ankerspulen, in der Induktionsspule und in der Feldspule darstellt. 6 Figure 3 is a graph illustrating flux patterns in three-phase armature coils, induction coil and field coil.
7 ist ein vereinfachter Schaltkreis, umfassend Dioden, die die Induktionsspulen und die Feldspulen miteinander verbinden. 7 is a simplified circuit comprising diodes connecting the inductors and the field coils together.
8 ist eine schematische Darstellung, welche die Stärke eines Magnetflusses pf (WF) darstellt, den die Ankerspule in einer herkömmlichen Ausführung erzeugen muss, um die Magnetisierung eines Magneten mit niedriger Koerzivität zu erreichen. 8th FIG. 12 is a schematic diagram illustrating the strength of a magnetic flux pf (WF) that the armature coil has to generate in a conventional embodiment to achieve magnetization of a low-coercivity magnet.
9 ist eine schematische Darstellung, welche die Stärke eines Magnetflusses PF darstellt, den die Ankerspule in der vorliegenden eine Feldspule umfassenden Ausführungsform erzeugen muss, um die Magnetisierung eines Magneten mit niedriger Koerzivität zu erreichen. 9 FIG. 12 is a schematic diagram illustrating the strength of a magnetic flux PF that the armature coil must generate in the present field coil embodiment to achieve magnetization of a low coercivity magnet.
10 zeigt Grafiken, welche den Verlauf eines Pulsstroms PI darstellen, den die Ankerspule benötigt, um die Stärke des Magnetflusses PF zu erzeugen, im Vergleich zum Verlauf eines Pulsstroms pi, den die Ankerspule benötigt, um die Stärke des Magnetfluss pf zu erzeugen. 10 FIG. 12 is graphs illustrating the waveform of a pulse current PI required by the armature coil to generate the magnitude of the magnetic flux PF as compared to the waveform of a pulse current pi required by the armature coil to generate the magnitude of the magnetic flux pf.
11 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Algorithmus darstellt, der einen Fluss erzeugt, der stark genug ist, um eine Magnetisierung eines Magneten mit niedriger Koerzivität in Antwort auf die Einspeisung eines Pulsstroms mit reduzierter Amplitude zu erreichen. 11 Figure 5 is a timing diagram illustrating an algorithm that generates a flux strong enough to achieve magnetization of a low coercivity magnet in response to the application of a reduced amplitude pulsed current.
12 ist eine grafische Darstellung einer Rotordrehzahl im Verhältnis zum Motordrehmoment, welche die Auswirkung auf das augenblickliche Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen unter 2000 U/min in der vorliegenden Ausführung mit einem geeigneten magnetisierten Magneten mit niedriger Koerzivität im Vergleich zu einem Vergleichsbeispiel ohne einem solchen Magneten mit niedriger Koerzivität und zu einem herkömmlichen Motor mit eingebetteten Permanentmagneten (IPM) darstellt. 12 FIG. 12 is a graph of rotor speed versus motor torque showing the effect on instantaneous torque at low speeds below 2000 rpm in the present embodiment with a suitable low coercivity magnetized magnet compared to a comparative example without such low coercivity magnet. FIG and to a conventional motor with embedded permanent magnets (IPM).
13 ist ein Ablaufdiagramm, das einen anderen Algorithmus darstellt, der einen Fluss erzeugt, der stark genug ist, um eine Magnetisierung eines Magneten mit niedriger Koerzivität in Antwort auf die Einspeisung eines Pulsstroms mit reduzierter Amplitude zu erreichen. 13 FIG. 5 is a timing diagram illustrating another algorithm that generates a flux strong enough to magnetize a low coercivity magnet in response to the application of a reduced amplitude pulsed current.
[Beschreibung von Ausführungsformen][Description of Embodiments]
In der Folge werden bezugnehmend auf die beigefügten Zeichnungen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung genauer beschrieben. Die 1 bis 13 zeigen eine elektrische Maschine gemäß einer Ausführungsform und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen elektrischen Maschine. In the following, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The 1 to 13 show an electric machine according to an embodiment and a method for operating such an electric machine.
AUFBAU DER ELEKTRISCHEN MASCHINECONSTRUCTION OF THE ELECTRICAL MACHINE
In den 1 und 2 weist die elektrische Maschine 100 eine Struktur auf, die keine Einspeisung von Energie von außen in einen Rotor 21 erfordert und vorzugsweise beispielsweise in Hybridelektrofahrzeugen oder Elektrofahrzeugen eingebaut ist. In the 1 and 2 has the electric machine 100 a structure that does not feed energy from the outside into a rotor 21 and is preferably incorporated, for example, in hybrid electric vehicles or electric vehicles.
Die elektrische Maschine 100 weist einen ungefähr zylindrischen Stator 11 und einen Rotor 21 innerhalb des Stators 11 auf. Der Rotor 21 ist an einer als Antriebswelle drehbaren Welle 101 befestigt, so dass der Rotor 21 und die Welle 101 um dieselbe Rotationsachse einstückig drehbar sind. The electric machine 100 has an approximately cylindrical stator 11 and a rotor 21 inside the stator 11 on. The rotor 21 is on a rotatable shaft as a drive shaft 101 attached, leaving the rotor 21 and the wave 101 are integrally rotatable about the same axis of rotation.
Der Stator 11 weist eine Längsachse, einen inneren Umfang 12a und eine Mehrzahl beabstandeten inneren Statornuten 13 auf, die sich in Längsrichtung entlang des inneren Umfangs 12a erstrecken, so dass sie eine Mehrzahl von Statorzähnen 12 bestimmen, wobei jeder Statorzahn 12 zwischen zwei angrenzenden inneren Statornuten 13 definiert ist. Mit anderen Worten sind die Mehrzahl von Statorzähnen 12 des Stators 11 in Umfangsrichtung äquidistant und erstrecken sich radial in Richtung der Rotationsachse. Jeder der Statorzähne 12 ist als eine hervorstehende Struktur gebildet, die einen inneren Umfang aufweist, der einen Teil des inneren Umfangs 12a bildet, und über einen kalibrierten Luftspalt G dem äußeren Umfang 22a des Rotors 21 gegenüberliegt. Eine Mehrzahl von Ankerspulen 14 sind um den Stator 11 herum gewickelt und liegen in den inneren Statornuten 13, wobei jede der Ankerspulen zwischen den Seiten 22b von zwei angrenzenden Statorzähnen 12 gebildet ist, so dass jede der Ankerspulen 14 für jede der drei Phasen durch konzentrierte Wicklung um den entsprechenden Statorzahn 12 gewickelt ist. The stator 11 has a longitudinal axis, an inner circumference 12a and a plurality of spaced inner stator slots 13 on, extending longitudinally along the inner circumference 12a extend so that they have a plurality of stator teeth 12 determine, with each stator tooth 12 between two adjacent inner stator slots 13 is defined. In other words, the plurality of stator teeth 12 of the stator 11 in the circumferential direction equidistant and extend radially in the direction of the axis of rotation. Each of the stator teeth 12 is formed as a protruding structure having an inner periphery which is a part of the inner periphery 12a forms, and a calibrated air gap G the outer circumference 22a of the rotor 21 opposite. A plurality of armature coils 14 are around the stator 11 wrapped around and lie in the inner stator grooves 13 with each of the armature coils between the sides 22b of two adjacent stator teeth 12 is formed, so that each of the armature coils 14 for each of the three phases by concentrated winding around the corresponding stator tooth 12 is wound.
Bezugnehmend auf 3 steuert eine Steuereinheit 110 einen Wechselrichter 112 dahingehend, dass dieser einen Gleichstrom aus einer bordseitigen Batterie 111 in einen dreiphasigen Wechselstrom umwandelt und steuert eine Einspeisung oder Versorgung der Ankerspulen 14 mit dem dreiphasigen Wechselstrom als Antriebsstrom zur Rotationssteuerung, so dass jeder der Statorzähne 12 als ein Elektromagnet arbeitet, der einen Magnetfluss zur Rotation des Rotors 21 erzeugt. Es wird darauf hingewiesen, dass die Steuereinheit 110 Steuerprogramme zur Steuerung des gesamten Fahrzeugs in einem Speicher 110m speichert. Die Steuereinheit 110 führt die Steuerprogramme in Abhängigkeit von verschiedenartigen Parameter zum Antrieb der Drehung der elektrischen Maschine 100 aus. Referring to 3 controls a control unit 110 an inverter 112 in that it is a direct current from an on-board battery 111 converts into a three-phase alternating current and controls an infeed or supply of the armature coils 14 with the three-phase alternating current as a drive current for rotational control, so that each of the stator teeth 12 operates as an electromagnet that drives a magnetic flux to rotate the rotor 21 generated. It should be noted that the control unit 110 Control programs for controlling the entire vehicle in a memory 110m stores. The control unit 110 performs the control programs in response to various parameters for driving the rotation of the electric machine 100 out.
Der Rotor 21 ist derart in Stator 12 aufgenommen, dass sein äußerer Umfang 22a durch den kalibrierten Luftspalt G vom inneren Umfang 12a des Stators 12 getrennt ist. Der Rotor 21 weist eine Mehrzahl von Rotornuten 23 auf, die sich in Längsrichtung entlang des äußeren Umfangs 22a erstrecken, so dass sie eine Mehrzahl von Rotorzähnen 22 definieren, wobei jeder Rotorzahn 22 zwischen zwei angrenzenden Rotornuten 23 definiert ist. Mit anderen Worten sind die Mehrzahl von Rotorzähnen 22 des Rotors 21 in Umfangsrichtung äquidistant und erstrecken sich radial von der Rotationsachse weg. Jeder der Rotorzähne 22 ist als eine hervorstehende Struktur gebildet, die einen äußeren Umfang aufweist, der einen Teil des äußeren Umfangs 22a bildet, und über einen kalibrierten Luftspalt G dem inneren Umfang 12a des Stators 11 gegenüberliegt. Insbesondere sind die Anzahl von Rotorzähnen 22 und die Anzahl von Statorzähnen 12 derart unterschiedlich, dass sich der äußere Umfang 22a jedes Rotorzahns 22 während der Rotation des Rotors 21 relativ zum Stator 11 den inneren Umfängen 12a der Statorzähne 12 nacheinander entsprechend annähert und ihnen gegenübersteht. The rotor 21 is so in Stator 12 recorded that its outer circumference 22a through the calibrated air gap G from the inner circumference 12a of the stator 12 is disconnected. The rotor 21 has a plurality of rotor grooves 23 on, extending longitudinally along the outer circumference 22a extend so that they have a plurality of rotor teeth 22 define, with each rotor tooth 22 between two adjacent rotor grooves 23 is defined. In other words, the plurality of rotor teeth 22 of the rotor 21 in the circumferential direction equidistant and extend radially away from the axis of rotation. Each of the rotor teeth 22 is formed as a protruding structure having an outer periphery which is a part of the outer periphery 22a forms, and a calibrated air gap G the inner circumference 12a of the stator 11 opposite. In particular, the number of rotor teeth 22 and the number of stator teeth 12 so different that the outer circumference 22a every rotor tooth 22 during the rotation of the rotor 21 relative to the stator 11 the inner circumferences 12a the stator teeth 12 successively approximates and faces them.
Wenn die Ankerspulen 14 des Stators 11 mit Energie versorgt werden, treten somit in der elektrischen Maschine 100 magnetische Flüsse auf, die sich von den inneren Umfängen 12a der Statorzähne 12 aus mit den äußeren Umfängen 22a der den Statorzähnen 12 gegenüberliegenden Rotorzähne 22 verketten. Diese elektrische Maschine 100 erlaubt eine Rotation des Rotors 21 relativ zum Stator 11 anhand eines Reluktanzmoments (oder Hauptmoments), das dazu tendiert die Reluktanz innerhalb eines Magnetkreises zu minimieren. Infolgedessen kann die elektrische Maschine 100 eine als Eingangsstrom eingespeiste elektrische Energie als mechanische Energie über die Welle 101, die einstückig mit dem Rotor 21 innerhalb des Stators 11 relativ zum Stator 11 drehbar ist, ausgeben. When the armature coils 14 of the stator 11 be energized, thus occur in the electric machine 100 magnetic fluxes extending from the inner circumferences 12a the stator teeth 12 out with the outer circumferences 22a the stator teeth 12 opposite rotor teeth 22 concatenate. This electric machine 100 allows a rotation of the rotor 21 relative to the stator 11 from a reluctance torque (or main moment) that tends to minimize reluctance within a magnetic circuit. As a result, the electric machine can 100 an electrical energy fed in as input current as mechanical energy via the shaft 101 that is integral with the rotor 21 inside the stator 11 relative to the stator 11 is rotatable, spend.
In der elektrischen Maschine 100 beinhaltet jeder der mit den äußeren Umfängen 22a der Rotorzähne 22 von den inneren Umfängen 12a des Stators 12 aus verketteten Flüsse Raumharmonische, welche die Grundschwingung überlagern. Aus diesem Grund verwendet der Rotor 21 eine Änderung der Magnetflussdichte einer oder jeder der Raumharmonischen, die im vom Stator 11 aus mit dem Rotor 21 verketteten Magnetfluss enthalten ist, und bewirkt die Erzeugung eines Induktionsstroms in den eingebetteten Spulen zur Bereitstellung einer elektromagnetischen Kraft. In the electric machine 100 Each one comes with the outer circumferences 22a the rotor teeth 22 from the inner circumferences 12a of the stator 12 out of chained rivers, space harmonics, which superimpose the fundamental vibration. Because of this, the rotor uses 21 a change in the magnetic flux density of one or each of the spatial harmonics coming in from the stator 11 out with the rotor 21 concatenated magnetic flux and causes the generation of an induction current in the embedded coils to provide an electromagnetic force.
Die Versorgung der Ankerspulen 14 am Stator 11 mit Strom nur anhand der Grundfrequenz bewirkt jedoch nichts anderes als eine Drehung des Rotors 21 (Rotorzähne 22) mit einem Fluss, der mit der Grundfrequenz variiert, und verursacht keine Änderung des mit dem Rotor 21 verketteten Flusses, selbst wenn Spulen am Rotor 21 angeordnet sind, so dass solche Spulen keinen Induktionsstrom erzeugen. The supply of the armature coils 14 at the stator 11 with current only based on the fundamental frequency causes nothing more than a rotation of the rotor 21 (Rotor teeth 22 ) with a flux that varies with the fundamental frequency and does not cause any change with the rotor 21 chained flow even when coils on the rotor 21 are arranged so that such coils do not generate an induction current.
Andererseits enthält der Fluss auf die Grundfrequenz überlagerte Raumharmonische, und diese Raumharmonischen, die zeitlich mit anderen Frequenzen als die Grundfrequenz variieren, verketten sich vom äußeren Umfang 22a aus nach innen mit einem der Rotorzähne 22. Aus diesem Grund erlauben die auf die Grundschwingung überlagerten Raumharmonischen eine wirksame Erzeugung von Induktionsstrom durch eine Spule, ohne eine Versorgung mit Elektrizität von außen zu erfordern, wenn sich die Spule innerhalb des Rotorzahns 22 in der Nähe seines äußeren Umfangs 22a befindet. Infolgedessen können die als Ursache für Eisenverluste betrachteten Raumharmonischen als Energie zur Selbsterregung rückgewonnen werden.On the other hand, the flux contains space harmonics superimposed on the fundamental frequency, and these space harmonics which vary in time with frequencies other than the fundamental frequency concatenate from the outer circumference 22a out in with one of the rotor teeth 22 , For this reason, the space harmonics superimposed on the fundamental allow efficient induction of induction current through a coil without requiring external supply of electricity when the coil is inside the rotor tooth 22 near its outer circumference 22a located. As a result, the space harmonics considered as the cause of iron loss can be recovered as energy for self-excitation.
In der elektrischen Maschine 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist nun die gesamte Mehrzahl von Induktionsspulen 27, die jeweils durch konzentrierte Wicklung um eine Mehrzahl von zusätzlichen Polkernen 25 gewickelt sind, in Rotornuten 23 jeweils zwischen zwei angrenzenden Rotorzähnen 22 verlegt. Die Mehrzahl von Induktionsspulen 27 ist in Umfangsrichtung des Rotors 21 angeordnet. Außerdem sind eine Mehrzahl von Paaren oder Sätzen von Feldspulen 28 derart um den Rotor 21 gewickelt, dass jede der Mehrzahl von Paaren von Feldspulen 28 in den zwei angrenzenden Rotornuten 23 liegen. Mit anderen Worten bilden die durch konzentrierte Wicklung um den zugeordneten Rotorzahn 22 gewickelten und in Reihe geschalteten Feldspulen 281 und 282 jedes Paars 28 einen Teil des gesamten Rotorzahns 22. In the electric machine 100 According to the present embodiment, the entire plurality of induction coils is now 27 , each by concentrated winding around a plurality of additional pole cores 25 wrapped in rotornuts 23 each between two adjacent rotor teeth 22 laid. The majority of induction coils 27 is in the circumferential direction of the rotor 21 arranged. In addition, a plurality of pairs or sets of field coils 28 so around the rotor 21 wrapped that each of the plurality of pairs of field coils 28 in the two adjacent Rotornuten 23 lie. In other words, they form concentrated winding around the associated rotor tooth 22 wound and serially connected field coils 281 and 282 every pair 28 a part of the entire rotor tooth 22 ,
Die Schenkel (oder Stützen) 35 jedes zusätzlichen Polkerns 25 sind durch einander gegenüberliegende Seiten 22b der zwei angrenzenden Rotorzähne 22 abgestützt und mit dessen in einer der Feldspulen 27 gewickelten Körper 31 abstützend verbunden, um die Feldspule 27 innerhalb einer der Rotornuten 23 zwischen den Seiten 22b der zwei angrenzenden Rotorzähne 22 zu positionieren und abzustützen. The thighs (or supports) 35 every extra pole core 25 are through opposing sides 22b the two adjacent ones rotor teeth 22 supported and with it in one of the field coils 27 wrapped body 31 supporting connected to the field coil 27 inside one of the rotor grooves 23 between the pages 22b the two adjacent rotor teeth 22 to position and support.
Der Körper 31 jedes zusätzlichen Polkerns 25 wird durch Laminieren von elektromagnetischen Platten bzw. Blechen auf solche Weise hergestellt, dass er sich in Längsrichtung entlang und parallel zur Welle 101 erstreckt und in eine plattenförmigen Struktur geformt wird, die es ermöglicht, die Induktionsspule 27 den gegenüberliegenden Seiten 22b der zwei angrenzenden Rotorzähne 22 des Rotors 21 gegenüber zu wickeln. Der Körper 31 des zusätzlichen Polkerns 25 ist derart am Rotor 21 montiert, dass er sich innerhalb der zugeordneten Rotornut 23 zwischen den zwei angrenzenden Rotorzähnen 22 radial von der Rotationsachse weg oder radial in eine Auswärtsrichtung des Rotors 21 erstreckt, um in die Induktionsspule 27 eingewickelt zu werden, wobei eine äußere Endfläche 32a seines radial äußeren Endabschnitts 32 dem inneren Umfang 12a des angrenzenden Statorzahns 12 des Stators 11 gegenüberliegt. Der radial äußere Endabschnitt 32 weist eine größere Breite als der restliche Abschnitt des Körpers 31 auf, um während der Rotation des Rotors 21 eine durch die Zentrifugalkraft bewirkte Auslenkung der gewickelten Induktionsspule 27 einzuschränken. The body 31 every extra pole core 25 is made by laminating electromagnetic sheets in such a way that it is longitudinally along and parallel to the shaft 101 extends and is formed into a plate-shaped structure that allows the induction coil 27 the opposite sides 22b the two adjacent rotor teeth 22 of the rotor 21 to wind opposite. The body 31 of the additional pole core 25 is so on the rotor 21 Mounted that he is within the assigned Rotornut 23 between the two adjacent rotor teeth 22 radially away from the axis of rotation or radially in an outward direction of the rotor 21 extends to the induction coil 27 to be wrapped, with an outer end surface 32a its radially outer end portion 32 the inner circumference 12a of the adjacent stator tooth 12 of the stator 11 opposite. The radially outer end portion 32 has a greater width than the rest of the body 31 on to during the rotation of the rotor 21 a centrifugal force induced deflection of the wound induction coil 27 limit.
Der Schenkel 35 jedes zusätzlichen Polkerns 25 wird durch Laminieren von elektromagnetischen Platten bzw. Blechen auf solche Weise hergestellt, dass er sich in Längsrichtung entlang und parallel zur Welle 101 erstreckt. Der Schenkel 35 ist in eine plattenförmige Struktur geformt, so dass er sich vom radial inneren Ende des entsprechenden Körpers 31 in einer seitlichen Richtung in Richtung einer der einander gegenüberliegenden Seiten 22b der zwei angrenzenden Rotorzähne 22 und in der entgegengesetzten Richtung in Richtung der anderen Seite erstreckt. Der Schenkel 35 stützt den zugeordneten Körper 31 ab, indem dessen zwei am weitesten entfernte seitliche Kanten 36 in zwei von den einander gegenüberliegenden Seiten 22b nach innen eingeschnittene Stütznuten 39 eingepasst werden, um an die Seiten 22b zu montiert oder mit den Seiten verkoppelt zu werden. So kann jeder der zusätzlichen Polkerne 25 einfach dadurch montiert werden, dass die seitlichen Kanten 36 in zwei Stütznuten 39 einer der Rotornuten 23 von einem von zwei axialen Enden des Rotors 21 aus eingefügt werden und der Polkern 25 anschließend in Richtung des anderen axialen Endes geschoben wird, so dass die seitlichen Kanten 36 entlang der Stütznuten 39 rutschen. The thigh 35 every extra pole core 25 is made by laminating electromagnetic sheets in such a way that it is longitudinally along and parallel to the shaft 101 extends. The thigh 35 is formed into a plate-shaped structure so that it extends from the radially inner end of the corresponding body 31 in a lateral direction towards one of the opposite sides 22b the two adjacent rotor teeth 22 and extending in the opposite direction towards the other side. The thigh 35 supports the associated body 31 by placing its two farthest lateral edges 36 in two of the opposite sides 22b inwardly cut support grooves 39 be fitted to the sides 22b to be mounted or coupled with the sides. So everyone can use the extra pole cores 25 simply be mounted by the side edges 36 in two support grooves 39 one of the rotutons 23 from one of two axial ends of the rotor 21 from being inserted and the pole core 25 is then pushed in the direction of the other axial end, so that the lateral edges 36 along the support grooves 39 slip.
Der Schenkel 35 jedes zusätzlichen Polkerns 25 wird durch Laminieren von elektromagnetischen Platten bzw. Blechen auf solche Weise hergestellt, dass er eine ausreichende Stützkraft zum Abstützen des Körpers 31 bereitstellt und dass dessen Breite so weit wie möglich verringert wird, so dass er sich zum Beispiel in Längsrichtung entlang der Rotationsachse mit einer Breite erstreckt, die höchstens der Dicke von zwei elektromagnetischen Platten entspricht. Mit anderen Worten ist der Schenkel 35 als eine plattenförmige Struktur ausgebildet, die eine klein gehaltene Querschnittsfläche aufweist, um den Magnetfluss zwischen dem Körper 31 und dem angrenzenden Rotorzahn 22 so weit wie möglich einzuschränken, um eine magnetisch unabhängige Unterstützungsform bereitzustellen, bei der der zusätzliche Polkern 25 als vom angrenzenden Rotorzahn 22 getrennter Pol (zusätzlicher Pol) arbeiten kann.The thigh 35 every extra pole core 25 is made by laminating electromagnetic plates in such a way that it has sufficient supporting force to support the body 31 and that its width is reduced as much as possible so as to extend, for example, longitudinally along the axis of rotation with a width at most equal to the thickness of two electromagnetic plates. In other words, the thigh is 35 is formed as a plate-shaped structure, which has a small cross-sectional area to the magnetic flux between the body 31 and the adjacent rotor tooth 22 restrict as much as possible to provide a magnetically independent form of support in which the extra pole core 25 as from the adjacent rotor tooth 22 separate pole (additional pole) can work.
Aus diesem Grund erreicht der Rotor 21 leicht einen Zustand magnetischer Sättigung, weil der Durchfluss des magnetischen Flusses durch den Schenkel 35 jedes zusätzlichen Polkerns 25 eingeschränkt ist, so dass die Dichte der hindurch strömenden Magnetflusslinien sofort steigt. Eine solche Struktur verhindert eine magnetische Verkoppelung zwischen jedem der zusätzlichen Polkerne 25 und dem angrenzenden Rotorzahn 22, so dass der zusätzliche Polkern 25 in einem von den angrenzenden Rotorzähnen ausreichend magnetisch unabhängigen Zustand gehalten wird. Dies erlaubt eine hocheffiziente Rotation des Rotors 21 anhand eines großen Drehmoments, weil ein Abfall der Effizienz bei der Erzeugung der elektromagnetischen Kraft und des Induktionsstroms aufgrund einer Wechselwirkung zwischen dem mit dem zusätzlichen Polkern verketteten Fluss und dem mit den Rotorzähnen 22 verketteten Fluss verhindert wird. Because of this, the rotor reaches 21 easily a state of magnetic saturation, because the flow of magnetic flux through the leg 35 every extra pole core 25 is restricted, so that the density of the magnetic flux lines flowing through it increases immediately. Such a structure prevents magnetic coupling between each of the additional pole cores 25 and the adjacent rotor tooth 22 so that the extra pole core 25 is maintained sufficiently magnetically independent in one of the adjacent rotor teeth. This allows a highly efficient rotation of the rotor 21 by a large torque, because a drop in the efficiency of generating the electromagnetic force and the induction current due to an interaction between the flux coupled to the additional pole core and that with the rotor teeth 22 chained flow is prevented.
Außerdem erleichtert diese Struktur den Zusammenbau des Rotors 21, indem sie es ermöglicht einen Abschnitt oder die Gesamtheit jeder der Feldspulen 28 um einen radial inneren Endabschnitt oder um die Gesamtheit eines der Rotorzähne 22 zu wickeln, bevor jeder der durch die zwei angrenzenden Rotorzähne 22 gestützten zusätzlichen Polkerne 25 montiert wird, und anschließend den Schenkel 35 des zusätzlichen Polkerns 25 in die in den einander gegenüberliegenden Seiten 22b der zwei angrenzenden Rotorzähne 22 gebildeten Stütznuten 39 einzufügen. In addition, this structure facilitates the assembly of the rotor 21 by allowing a portion or the entirety of each of the field coils 28 around a radially inner end portion or around the entirety of one of the rotor teeth 22 before winding each through the two adjacent rotor teeth 22 supported additional pole cores 25 is mounted, and then the leg 35 of the additional pole core 25 in the opposite sides 22b the two adjacent rotor teeth 22 formed support grooves 39 insert.
Anschließend wird jede der Induktionsspulen 27 einfach um einen Körper 31 eines der zusätzlichen Polkerne 25 gewickelt, bevor oder nachdem der Schenkel 35 jedes der zusätzlichen Polkerne 25 so montiert wird, dass er durch die zwei angrenzenden Rotorzähne 22 abgestützt wird. Außerdem wird jede der Feldspulen 28 um einen der Rotorzähne 22 derart gewickelt, dass sie in eine erste Feldspule 281 und eine zweite Feldspule 282 geteilt sind, die sich vom Schenkel 35 des zusätzlichen Polkerns 25 jeweils radial nach innen und radial nach außen befinden, wobei die erste und zweite Feldspule 281 und 282 zur Bildung der Feldspule 28 in Reihe geschaltet sind. Subsequently, each of the induction coils 27 just about a body 31 one of the additional pole cores 25 wrapped before or after the thigh 35 each of the additional pole cores 25 is mounted so that it passes through the two adjacent rotor teeth 22 is supported. In addition, each of the field coils 28 around one of the rotor teeth 22 wrapped in a first field coil 281 and a second field coil 282 divided, extending from the thigh 35 of the additional pole core 25 each radially inward and radially outward, wherein the first and second field coil 281 and 282 for the formation of the field coil 28 are connected in series.
Eine einfache Wicklung jeder der Induktionsspulen 27 um einen Körper 35 eines der zusätzlichen Polkerne 25 ermöglicht es, die Induktionsspule 27 in der Nähe des äußeren Umfangs 22a des Rotors 21 unterzubringen, weil der zusätzliche Polkern 25 durch den Schenkel 35 gestützt ist. Da außerdem der Schenkel 25 jedes der zusätzlichen Polkerne 25 in die Stütznuten 39 eingefügt und durch diese abgestützt ist, können die Feldspulen 28 (die jeweils aus der ersten und der zweiten Feldspule 281 und 282 bestehen) um die gesamten Rotorzähne 22 gewickelt werden, ohne durch die Schenkel 35 der zusätzlichen Polkerne 25 unterbrochen zu sein. Dank dieser Struktur erzeugen die Induktionsspulen 27 effizient einen Induktionsstrom, indem sie einen Abstand zwischen jedem der Rotornuten 23 wirksam ausnützen, so dass sie den Induktionsstrom den Feldspulen 28 zuführen, damit diese elektromagnetische Kräfte erzeugen. A simple winding of each of the induction coils 27 around a body 35 one of the additional pole cores 25 allows the induction coil 27 near the outer circumference 22a of the rotor 21 because of the extra pole core 25 through the thigh 35 is supported. As well as the thigh 25 each of the additional pole cores 25 in the support grooves 39 inserted and supported by these, the field coils 28 (each from the first and the second field coil 281 and 282 exist) around the entire rotor teeth 22 be wrapped without passing through the thighs 35 the additional pole cores 25 to be interrupted. Thanks to this structure the induction coils produce 27 efficiently generate an induction current by keeping a distance between each of the rotor slots 23 take advantage of it effectively, so that they the induction current the field coils 28 for generating electromagnetic forces.
Die Wicklung jeder der Feldspulen 28, die aus ersten und zweiten Feldspulen 281 und 282 bestehen, um eine Gesamtheit eines der Rotorzähne 22 (wobei die Gesamtheit sowohl den radial inneren Abschnitt als auch den radial äußeren Abschnitt umfasst) in einem Vorgang erfordert, dass jeder der zusätzlichen Polkerne 25 in einem Zustand verbleibt, in dem sich ein Raum, in den sein Schenkel 35 rutscht, links in einem der Rotornute 23 befindet. Die Wicklung der ersten Feldspule 281 um einen der Rotorzähne 22, bevor der eine der Rotorzähne 22 und der angrenzende Rotorzahn 22 einen der zusätzlichen Polkerne 25 abstützt, und die Wicklung der zweiten Feldspule 282 um den einen Rotorzahn 22, nachdem der eine und der angrenzende Rotorzahn 22 den einen zusätzlichen Polkern 25 abstützt, erfordert, dass nachdem die erste Feldspule 281 um einen radial inneren Abschnitt des einen Rotorzahns 22 gewickelt worden ist, die zweite Feldspule 281 um einen radial äußeren Abschnitt des einen Rotorzahns 22, vor oder nach der Wicklung der Induktionsspule 27 um den Körper 31 des einen zusätzlichen Polkerns 25, gewickelt werden sollte. The winding of each of the field coils 28 consisting of first and second field coils 281 and 282 consist of a whole of one of the rotor teeth 22 (the entirety comprising both the radially inner portion and the radially outer portion) in one operation requires that each of the additional pole cores 25 remains in a state in which there is a space in which his thigh 35 slips, left in one of the Rotornute 23 located. The winding of the first field coil 281 around one of the rotor teeth 22 before the one of the rotor teeth 22 and the adjacent rotor tooth 22 one of the additional pole cores 25 supports, and the winding of the second field coil 282 around the one rotor tooth 22 after the one and the adjacent rotor tooth 22 the one additional pole core 25 requires that after the first field coil 281 around a radially inner portion of the one rotor tooth 22 has been wound, the second field coil 281 around a radially outer portion of the one rotor tooth 22 , before or after the winding of the induction coil 27 around the body 31 of an additional pole core 25 , should be wrapped.
Indem jeder der zusätzlichen aus elektromagnetischen Stahlplatten (magnetischer Werkstoff) gebildeten Polkerne 25 in den Induktionsspulen 27 verwendet wird, wird die Permeabilität gesteigert, so dass sich der Magnetfluss mit hoher Dichte mit dem zusätzlichen Polkern 25 verketten kann. Außerdem können sich durch die Unterbringung jeder der Induktionsspulen 27 in einer Magnetpfad in einer geeigneten Position, die dem inneren Umfang 12a eines angrenzenden Statorzahns 12 über den kalibrierten Luftspalt G gegenüberliegt, ein größerer magnetischer Fluss von Raumharmonischen mit den zusätzlichen Polkernen 25 verketten. Um die dritte Raumharmonische im rotierenden Bezugssystem, die in den Magnetflüssen enhalten sind, die sich von den inneren Umfängen 12a der Statorzähne 12 mit den äußeren Umfängen 22a der Rotorzähne 22 verketten, effizient zu verwenden, wird eine Magnetfeld-Analyse vorgenommen, um genau zu bestimmen, an welchen Stellen in den Magnetpfaden die Induktionsspulen 27 für die dritte Raumharmonische im rotierenden Bezugssystem anzuordnen sind, damit sie einen Induktionsstrom effizient erzeugen. Außerdem werden die Induktionsspulen 27 jeweils zwischen den zwei angrenzenden Rotorzähnen 22 in Rotornute 23 derart verlegt, dass ein notwendiger und ausreichender Luftspalt zwischen jeder der Induktionsspulen 27 und den angrenzenden Feldspulen 28 freigehalten wird. By each of the additional pole cores made of electromagnetic steel plates (magnetic material) 25 in the induction coils 27 is used, the permeability is increased, so that the magnetic flux with high density with the additional pole core 25 can chain. In addition, by accommodating each of the induction coils 27 in a magnetic path in a suitable position, the inner circumference 12a an adjacent stator tooth 12 across the calibrated air gap G, a larger magnetic flux of space harmonics with the additional pole cores 25 concatenate. Around the third space harmonic in the rotating frame of reference, which are contained in the magnetic fluxes, extending from the inner circumferences 12a the stator teeth 12 with the outer circumferences 22a the rotor teeth 22 In order to use efficiently, a magnetic field analysis is performed to determine exactly at which locations in the magnetic paths the induction coils 27 for the third space harmonic in the rotating reference frame to efficiently generate an induction current. In addition, the induction coils 27 each between the two adjacent rotor teeth 22 in Rotornute 23 laid so that a necessary and sufficient air gap between each of the induction coils 27 and the adjacent field coils 28 is kept free.
Mit solch einer Verwendung einer konzentriert gewickelten Struktur, ist es nicht mehr notwendig die Induktionsspulen 27 und die Feldspulen 28 in Umfangsrichtung mit mehr als zwei Rotornuten zu installieren, so dass die gesamte Größe der elektrischen Maschine reduziert werden kann. Die Verkettung der dritten Raumharmonischen im rotierenden Bezugssystem mit den Induktionsspulen 27 bewirkt eine effiziente Erzeugung von Induktionsstrom mit einem reduzierten Kupferverlust auf der Primärseite, was eine Erhöhung der rückgewinnbaren verlorenen Energie bewirkt. With such use of a concentrated wound structure, it is no longer necessary the induction coils 27 and the field coils 28 to install in the circumferential direction with more than two rotor grooves, so that the total size of the electric machine can be reduced. The concatenation of the third spatial harmonics in the rotating reference frame with the induction coils 27 causes efficient generation of induction current with a reduced copper loss on the primary side, causing an increase in recoverable lost energy.
Dadurch, dass anstatt der zweiten Raumharmonischen im rotierenden Bezugssystem, die dritte Raumharmonische im rotierenden Bezugssystem verwendet wird, die sich zeitlich öfter ändert und eine größere Amplitude aufweist, als die zweite Raumharmonische im rotierenden Bezugssystem, wird eine effizientere Verkettung zur Erzeugung eines Induktionsstroms durch die Induktionsspulen 27 ermöglicht, was eine Erhöhung der rückgewinnbaren verlorenen Energie bewirkt. By using the third spatial harmonic in the rotating reference frame instead of the second spatial harmonic in the rotating reference frame, which changes more frequently in time and has a larger amplitude than the second surround in the rotating reference frame, a more efficient concatenation becomes to induce an induction current through the induction coils 27 allows for an increase in recoverable lost energy.
Auf diese Weise sind die Induktionsspulen 27 von den Feldspulen 28 derart getrennt, dass die Magnetpfade der ersteren nicht die Magnetpfade der letzteren störend beeinflussen, und der Magnetfluss kann entlang der gesamten Leitungen jeder Induktionsspule 27 strömen, die sich in Längsrichtung über die gesamte Länge (Breite) des angrenzenden Rotorzahns 22 erstreckt, so dass die Induktionsspulen 27 einen Induktionsstrom bei reduzierter magnetischer Beeinflussung effizient erzeugen. In this way, the induction coils 27 from the field coils 28 so separated that the magnetic paths of the former do not interfere with the magnetic paths of the latter, and the magnetic flux can travel along the entire lines of each induction coil 27 flowing in the longitudinal direction over the entire length (width) of the adjacent rotor tooth 22 extends so that the induction coils 27 efficiently generate an induction current with reduced magnetic interference.
Als ein Beispiel einer Struktur, welche hauptsächlich die 3f-te Raumharmonische (f = 1, 2, 3...) verwendet, wird eine elektrische Maschine 100 mit einer Struktur hergestellt, die dem folgenden Verhältnis entspricht: P:S = 2:3 worin P die Anzahl von Schenkelpolen (Rotorzähnen 22) des Rotors 21 ist; und
S die Anzahl von Statornuten 13 des Stators 11 ist.As an example of a structure mainly using the 3fth space harmonic (f = 1, 2, 3...), An electric machine becomes 100 manufactured with a structure that corresponds to the following ratio: P: S = 2: 3 where P is the number of salient poles (rotor teeth 22 ) of the rotor 21 is; and
S is the number of stator slots 13 of the stator 11 is.
Die dritte Raumharmonische im rotierenden Bezugssystem weist eine höhere Frequenz als die Grundfrequenz des den Ankerspulen 14 zugeführten Wechselstroms und pulsiert also mit einem verkürzten Zyklus. Dies verursacht die Rotation des Rotors 21, indem eine durch die Überlagerung der Grundfrequenz des Magnetflusses mit den Raumharmonischen verlorene Energie effizient zurückgewonnen wird, weil die sich ändernde Dichte des Magnetflusses, der mit jeder in der Rotornute 23 zwischen zwei angrenzenden Rotorzähnen 22 verlegten Induktionsspule 27 verkettet ist, eine effiziente Erzeugung von Induktionsstrom verursacht. The third spatial harmonic in the rotating reference frame has a higher frequency than the fundamental frequency of the armature coils 14 supplied alternating current and thus pulsates with a shortened cycle. This causes the rotation of the rotor 21 by efficiently recovering energy lost by superposing the fundamental frequency of the magnetic flux with the space harmonics because of the changing density of the magnetic flux associated with each in the rotor groove 23 between two adjacent rotor teeth 22 threaded induction coil 27 is chained, causing an efficient generation of induction current.
In der elektrischen Maschine 100, dient die Erfüllung des oben beschriebenen Verhältnisses P:S = 2:3 als Parameter für eine Struktur, der die Qualität der magnetischen Wechselwirkungen zwischen dem Rotor 21 und dem Stator 11 bestimmt, dazu eine Rotation des Rotors 21 mit einem reduzierten elektromagnetischen Rauschen durch Reduzierung der elektromagnetischen Schwingungen zu erreichen. In the electric machine 100 , satisfying the above-described ratio P: S = 2: 3 serves as a parameter for a structure that determines the quality of the magnetic interactions between the rotor 21 and the stator 11 determines, to a rotation of the rotor 21 to achieve a reduced electromagnetic noise by reducing the electromagnetic vibrations.
Eine Magnetfeld-Analyse der Magnetflussverteilung zeigt eine ungleichmäßige Verteilung der am Stator 11 aufgebrachten elektromagnetischen Kräfte, weil die Magnetflussdichte in Umfangsrichtung über 360 mechanische Grad gemäß dem Verhältnis P:S oder P/S verteilt ist. A magnetic field analysis of the magnetic flux distribution shows an uneven distribution of the stator 11 applied electromagnetic forces because the magnetic flux density in the circumferential direction over 360 mechanical degrees according to the ratio P: S or P / S is distributed.
Im Gegensatz dazu erlaubt die Verwendung der das Verhältnis P/S = 2/3 erfüllenden Struktur in der elektrischen Maschine 100 eine Verkettung des Magnetflusses, die in Umfangsrichtung über 360 mechanische Grad gleichmäßig verteilt ist, was eine qualitativ gute Rotation des Rotors 21 innerhalb des Stators 11 ermöglicht. In contrast, the use of the P / S = 2/3 ratio structure in the electric machine allows 100 a chaining of the magnetic flux, which is evenly distributed in the circumferential direction over 360 mechanical degrees, which is a good quality rotation of the rotor 21 inside the stator 11 allows.
Dies ermöglicht eine stille Rotation der elektrischen Maschine 100 bei gleichzeitig drastischer Reduzierung der elektromagnetischen Vibrationen, weil ein Drehmoment anhand des Magnetflusses der Raumharmonischen erzeugt wird. This allows a silent rotation of the electric machine 100 at the same time drastically reducing the electromagnetic vibrations, because a torque is generated by the magnetic flux of the space harmonics.
In der elektrischen Maschine 100 sind die Ankerspulen 14, die Induktionsspulen 27 und die Feldspulen 28, die jeweils durch konzentrierte Wicklung einer Leitung gebildet sind, auf dem Stator 11 und dem Rotor 21 verlegt, der eine Struktur aufweist, die das Verhältnis P/S = 2/3 erfüllt, können aber auch durch verteilte Wicklung anstatt durch konzentrierte Wicklung gebildet werden. Die 4 zeigt eine Wellenform einer den inneren Umfang 12a der Statorzähne 12 und den äußeren Umfang 22a der Rotorzähne 22 verkettenden Magnetflussdichte, im Falle einer konzentrierten Wicklung im Vergleich zu einer verteilten Wicklung. In the electric machine 100 are the armature coils 14 , the induction coils 27 and the field coils 28 , which are each formed by concentrated winding of a line, on the stator 11 and the rotor 21 but having a structure satisfying the ratio P / S = 2/3, but may be formed by distributed winding rather than concentrated winding. The 4 shows a waveform of the inner circumference 12a the stator teeth 12 and the outer circumference 22a the rotor teeth 22 concatenated magnetic flux density, in the case of a concentrated winding compared to a distributed winding.
Wie in 5 zu sehen ist, zeigt eine elektromagnetische Analyse der oben erwähnten Wellenformen der Magnetflussdichte, dass sie im Falle einer konzentrierten Wicklung mehr zweite Raumharmonische im stationären Bezugssystem, d. h. dritte Raumharmonische im rotierenden Bezugssystem aufweisen, als im Falle einer verteilten Wicklung. Daraus folgt, dass sich bei Verwendung einer konzentrierten Wicklung mehr Raumharmonische als bei Verwendung einer verteilten Wicklung mit den Induktionsspulen 27 verketten, um die Feldspulen 28 mit einem Induktionsstrom (Feldstrom) zu versorgen.As in 5 4, an electromagnetic analysis of the above-mentioned magnetic flux density waveforms shows that, in the case of a concentrated winding, they have more second spatial harmonics in the stationary reference frame, ie third spatial harmonics in the rotating reference frame, than in the case of a distributed winding. It follows that when using a concentrated winding more Raumharmonische than using a distributed winding with the induction coils 27 chain to the field coils 28 to supply with an induction current (field current).
Bezugnehmend auf 6, erzeugt jede Induktionsspule 27 am Rotor 21 in der elektrischen Maschine 100, in Antwort auf einen durch Ankerspulen 14 in jeder der drei Phasen erzeugten Magnetfluss, der sich unmittelbar nach oder zu Anfang der Durchströmung oder der Zufuhr des dreiphasigen (U-Phase, V-Phase, W-Phase) Wechselstroms an die Ankerspulen 14 am Stator 11 in die gezeigte Wellenform verwandelt, die dem Wechselstrom entspricht, der den Ankerspulen 14 zugeführt wird, einen Induktionsstrom aufgrund der Erscheinung eines Magnetflusses mit einer hohen Frequenz, der dem durch die Ankerspulen 14 erzeugten und sich verändernden Magnetfluss entspricht. Dieser Induktionsstrom wird durch eine später beschriebene Diode 29A oder 29B (siehe 7) gleichgerichtet und der zugeordneten Feldspule 28 zugeführt, um die Erzeugung eines stabilen Magnetflusses zu verursachen, wodurch eine elektromagnetische Kraft (Magnetkraft) bereitgestellt wird. Referring to 6 , generates each induction coil 27 on the rotor 21 in the electric machine 100 , in response to one by armature coils 14 in each of the three phases, magnetic flux generated immediately after or at the beginning of the flow or supply of the three-phase (U-phase, V-phase, W-phase) AC to the armature coils 14 at the stator 11 transformed into the waveform shown, which corresponds to the alternating current of the armature coils 14 is supplied with an induction current due to the appearance of a magnetic flux having a high frequency, that of the armature coils 14 generated and changing magnetic flux corresponds. This induction current is through a diode described later 29A or 29B (please refer 7 ) rectified and the associated field coil 28 supplied to cause the generation of a stable magnetic flux, whereby an electromagnetic force (magnetic force) is provided.
Die elektrische Maschine 100 veranlasst die effiziente Erzeugung eines Induktionsstroms durch jede auf der q-Achse am Rotor 21 angeordnete Induktionsspule 27, führt diesen Strom als Feldstrom der auf der angrenzenden d-Achse befindlichen Feldspule 28 zu, so dass der zugeordnete Rotorzahn 22 als selbsterregter Elektromagnet arbeitet. Somit ermöglicht die elektrische Maschine 100 eine hocheffiziente Rotation des Rotors 21, indem ein zusätzliches Drehmoment (elektromagnetische Kraft) zur Unterstützung eines von der Versorgung der Ankerspulen 14 mit Elektrizität abgeleiteten Hauptdrehmoments bezogen wird. Mit anderen Worten wird infolge eines sich auf der q-Achse befindlichen zusätzlichen Pols ein von den Raumharmonischen an der q-Achse abgeleiteter Magnetfluss als Feldenergiequelle bereitgestellt, wodurch die Dichte des von der Selbsterregung abgeleiteten Magnetmoments durch eine stärkere Zunahme der Gegeninduktivität als bei einer Struktur ohne solch einem zusätzlichen Pol auf der d-Achse verbessert wird. The electric machine 100 causes the efficient generation of an induction current through each on the q-axis on the rotor 21 arranged induction coil 27 , carries this current as field current of the field coil located on the adjacent d-axis 28 too, so that the associated rotor tooth 22 works as a self-excited electromagnet. Thus, the electric machine allows 100 a highly efficient rotation of the rotor 21 by adding an additional torque (electromagnetic force) to support one of the supply of the armature coils 14 obtained with electricity derived main torque. In other words, due to an additional pole located on the q-axis, a magnetic flux derived from the q-axis spatial harmonics is provided as a field energy source, whereby the density of the self-excited magnetic moment is increased by a larger increase in mutual inductance than in a structure without such an additional pole on the d-axis is improved.
Die Induktionsspulen 27, die gepaart werden, sind durch konzentrierte Wicklung einer identischen Leitung in derselben Wicklungsrichtung um die radialen Richtungen des Rotors 21 gewickelt und in Umfangsrichtung des inneren Rotors 30 nebeneinander angeordnet. Die einer Gruppe zugehörigen Induktionsspulen 27 sind in alternierenden Rotornuten 23 verlegt und zur Bildung einer Reihenschaltung in Reihe geschaltet, und die der anderen Gruppe zugehörigen Induktionsspulen 27 sind in den anderen Rotornuten 23 verlegt und zur Bildung einer anderen Reihenschaltung in Reihe geschaltet. An beiden Enden sind zwei Reihenschaltungen von Induktionsspulen 27 parallel geschaltet. Die Feldspulen 28 (281, 282) sind durch konzentrierte Wicklung in entgegengesetzte Wicklungsrichtungen um radiale Richtungen des Rotors 21 gewickelt. Jede der Feldspulen 28 besteht aus in Reihe geschalteten Feldspulen 281 und 282. Die in einer Wicklungsrichtung gewickelten Feldspulen 28 sind nacheinander in Reihe geschaltet. In ähnlicher Weise sind die in die entgegengesetzte Wicklungsrichtung gewickelten Feldspulen 28 nacheinander in Reihe geschaltet. The induction coils 27 which are paired are by concentric winding of an identical line in the same winding direction about the radial directions of the rotor 21 wound and in the circumferential direction of the inner rotor 30 arranged side by side. The induction coils associated with a group 27 are in alternating rotornuts 23 laid and connected in series to form a series circuit, and the induction coils associated with the other group 27 are in the other Rotornuten 23 laid and connected in series to form another series connection. At both ends are two series circuits of induction coils 27 connected in parallel. The field coils 28 ( 281 . 282 ) are by concentrated winding in opposite winding directions about radial directions of the rotor 21 wound. Each of the field coils 28 consists of series-connected field coils 281 and 282 , The field coils wound in one winding direction 28 are consecutively connected in series. Similarly, the field coils wound in the opposite winding direction 28 consecutively connected in series.
Mit anderen Worten sind die Feldspulen 28 derart gewickelt, dass die Magnetisierungsrichtung in jedem zweiten Rotorzahn 22 umgekehrt ist, wenn dieser in Antwort auf die Durchströmung von Gleichstrom als Elektromagnet arbeitet. Mit anderen Worten wird einer von zwei angrenzenden Rotorzähnen 22 so magnetisiert, dass er als ein Elektromagnet dient, dessen S-Pol den inneren Umfingen 12a der Statorzähne 12 gegenüberliegt, während der andere so magnetisiert wird, dass er als Elektromagnet dient, dessen N-Pol den inneren Umfingen der Statorzähne 12 gegenüberliegt. In other words, the field coils 28 wound in such a way that the magnetization direction in every second rotor tooth 22 is reversed when it operates in response to the flow of direct current as an electromagnet. In other words, one of two adjacent rotor teeth 22 magnetized so that it serves as an electromagnet whose S-pole surrounds the inner 12a the stator teeth 12 while the other is magnetized so that it serves as an electromagnet whose N pole to the inner circumference of the stator teeth 12 opposite.
Wie in 7 ohne weiteres sichtbar ist, sind beide Enden der Feldspulen 28, die insgesamt in Reihe geschaltet sind, mit beiden Enden, an denen zwei Reihenschaltungen von Induktionsspulen 27 parallel geschaltet sind, über Dioden (Gleichrichter) 29A und 29B verbunden. Um genauer zu sein, sind die Feldspulen 28, die in eine Richtung gewickelt sind, d. h. 28A1–28An, insgesamt in Reihe geschaltet, und die Feldspulen 28, die in die entgegengesetzte Richtung gewickelt sind, d. h. 28B1–28Bn, insgesamt in Reihe geschaltet, wobei n: (Anzahl von Polen)/2 ist. Sie sind mit beiden Enden der Parallelschaltungen, d. h. einer Schaltung, welche die gepaarten Induktionsspulen 27A1–27An umfasst, die mit den Feldspulen 28A1–28An in Reihe geschaltet sind, wobei die andere Schaltung die gepaarten Induktionsspulen 28B1–28Bn umfasst, die mit den Feldspulen 28B1–28Bn in Reihe geschaltet sind, parallel geschaltet. As in 7 is readily apparent, are both ends of the field coils 28 , which are connected in series in total, with both ends, where two series circuits of induction coils 27 are connected in parallel via diodes (rectifier) 29A and 29B connected. To be more specific, the field coils 28 which are wound in one direction, ie 28A1 - 28An , connected in series, and the field coils 28 that are wound in the opposite direction, ie 28B1 - 28Bn , connected in series, where n: (number of poles) / 2. They are connected to both ends of the parallel circuits, ie a circuit which the paired induction coils 27A1 - 27An includes that with the field coils 28A1 - 28An are connected in series, the other circuit being the paired inductors 28B1 - 28Bn includes that with the field coils 28B1 - 28Bn connected in series, connected in parallel.
Was die Anzahl von Dioden 29A und 29B betrifft, kann, wenn eine Erhöhung der Anzahl von Polen erforderlich wird, die Anzahl von zu verwendenden Dioden eingeschränkt werden, indem die Feldspulen 28 vollständig in Reihe geschaltet werden. Die Dioden 29A und 29B sind so verbunden, dass ein an den Sternpunkt geklemmter Halbwellengleichrichter (Gleichrichterelement) gebildet wird, indem Elemente so verbunden werden, dass eine Phasendifferenz von 180 Grad zwischen einem in eine der Dioden 29A und 29B eingespeisten Induktionsstrom und dem anderen in die andere Diode eingespeisten Induktionsstrom bereitgestellt wird, um durch Halbwellengleichrichtung nach Wechselrichtung des einen Induktionsstroms einen Ausgangstrom auszugeben. What the number of diodes 29A and 29B is concerned, if an increase in the number of poles is required, the number of diodes to be used can be restricted by the field coils 28 be fully connected in series. The diodes 29A and 29B are connected so that a half-wave rectifier (rectifier element) clamped to the neutral point is formed by connecting elements so that a phase difference of 180 degrees between one in one of the diodes 29A and 29B is supplied to the induced induction current and the other fed into the other diode induction current to output by half-wave rectification after the direction of the one induction current, an output current.
Wie aus der vorhergehenden Beschreibung zu entnehmen ist, ermöglicht die elektrische Maschine 100 die Erzeugung von Induktionsstrom und die Rückgewinnung von erzeugtem Induktionsstrom, indem die magnetische Beeinflussung zwischen jeder der Induktionsspulen 27 und der angrenzenden Feldspulen 28 so weit wie möglich reduziert wird (d. h. durch größtmögliche Reduzierung einer Reduzierung des Induktionsstroms) und indem sie jeden der zusätzlichen Polkerne 25 aus elektromagnetischen Stahl mit hoher Permeabilität dazu veranlasst, Raumharmonische durchzulassen, die im Magnetfluss enthalten sind, der sich vom inneren Umfang 12a eines zugeordneten Statorzahns 12 mit dem äußeren Umfang 22a einer der Rotorzähne 22 verkettet. Außerdem wird der durch jede der zwei Reihenschaltungen von Induktionsspulen erzeugte Strom durch die zugeordnete Diode 29A und 29B gleichgerichtet. Nach der Gleichrichtung der Induktionsströme werden die gleichgerichteten Induktionsströme zusammengeführt und den in Reihe geschalteten Feldspulen 28 zugeführt. Infolgedessen veranlasst die elektrische Maschine 100 eine wirksame Selbsterregung der Feldspulen 28, wodurch sie einen starken Magnetfluss (elektromagnetische Kraft) erzeugen. As can be seen from the foregoing description, the electric machine allows 100 the generation of induction current and the recovery of generated induction current by the magnetic interference between each of the induction coils 27 and the adjacent field coils 28 is reduced as much as possible (ie by reducing as much as possible the reduction of the induction current) and adding each of the additional pole cores 25 of high permeability electromagnetic steel caused to transmit space harmonics contained in the magnetic flux extending from the inner circumference 12a an associated stator tooth 12 with the outer circumference 22a one of the rotor teeth 22 concatenated. In addition, the current generated by each of the two series circuits of inductors becomes the associated diode 29A and 29B rectified. After the rectification of the induction currents, the rectified induction currents are brought together and the field coils connected in series 28 fed. As a result, the electric machine causes 100 an effective self-excitation of the field coils 28 , whereby they generate a strong magnetic flux (electromagnetic force).
Daraus folgt, dass die elektrische Maschine 100 Raumharmonischen effizient als Energie zurückgewinnen und diese ausgeben kann, indem eine gegenseitige Störung vermieden wird, die den erzeugten Magnetfluss schwächen könnte, indem die Induktionsspulen 27 und die Feldspulen 28 danach geteilt werden, ob die Erzeugung von Strom oder die Erzeugung eines Elektromagneten zu erwarten ist, damit jede der Induktionsspulen 27 von den angrenzenden Feldspulen 28 unabhängig wird, und indem der erzeugte Magnetfluss nach seiner Glättung wirksam verwendet wird. Es wird darauf hingewiesen, dass in der elektrischen Maschine 100, jede der Feldspulen 28 mit einem der Rotorzähne 22 zusammenwirkt, um einen Schenkelpol zu bilden, und jede der Induktionsspulen 27 mit einem der zusätzlichen Polkerne 25 zusammenwirkt, um einen zusätzlichen Pol zu bilden. It follows that the electric machine 100 Recovering space harmonics efficiently as energy and outputting them by avoiding mutual interference that could weaken the generated magnetic flux by the induction coils 27 and the field coils 28 according to whether the generation of electricity or the generation of an electromagnet is to be expected, so that each of the induction coils 27 from the adjacent field coils 28 becomes independent, and that the generated magnetic flux is effectively used after its smoothing. It should be noted that in the electric machine 100 , each of the field coils 28 with one of the rotor teeth 22 cooperates to form a salient pole, and each of the induction coils 27 with one of the additional pole cores 25 cooperates to form an additional pole.
Daraus folgt, dass die elektrische Maschine 100 die Rotorzähne 22 dazu veranlasst, aufgrund einer effizienten Erzeugung von Induktionsstrom durch die Induktionsspulen 27 und der Zufuhr oder Durchströmung dieses Induktionsstroms als Feldstrom an die Feldspulen 28, als selbsterregte Elektromagnete zu arbeiten. Dies ermöglicht eine hocheffiziente Rotation des Rotors 21, indem ein zusätzliches Drehmoment (elektromagnetische Kraft) zur Unterstützung eines von der Versorgung der Ankerspulen 14 mit Elektrizität abgeleiteten Haupt-Drehmoments bezogen wird. In der elektrischen Maschine 100 wird der durch die Induktionsspulen 27 erzeugte Induktionsstrom als Feldstrom den Feldsspulen 28 intern zugeführt. Dies ist nur ein Beispiel. Die vorliegende Erfindung kann ebenso in einer Struktur angewandt werden, bei der der Feldstrom aus einer externen Energiequelle zugeführt wird. It follows that the electric machine 100 the rotor teeth 22 caused due to efficient induction current generation by the induction coils 27 and the supply or flow of this induction current as field current to the field coils 28 to work as self-excited electromagnets. This allows a highly efficient rotation of the rotor 21 by adding an additional torque (electromagnetic force) to support one of the supply of the armature coils 14 Obtained with electricity derived main torque. In the electric machine 100 gets through the induction coils 27 generated induction current as field current to the field coils 28 fed internally. This is only an example. The present invention can also be applied to a structure in which the field current is supplied from an external power source.
Bei niedrigen Drehzahlen des Rotors 21, zum Beispiel beim Anfahren des Fahrzeugs, ist die Frequenz, mit der sich der mit jeder Induktionsspule 27 verkettete Fluss ändert, niedrig, so dass die Menge an durch die Induktionsspule 27 erzeugten Induktionsstrom klein ist und die Stärke des durch die zugeordnete Feldspule 28 erzeugten Magnetfelds geschwächt wird. In der elektrischen Maschine 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist jedoch eine andere Quelle für ein Magnetfeld vorhanden, um das durch die Ankerspulen 14 am Stator 11 bei solchen niedrigen Drehzahlen des Rotors 21 erzeugte Drehmoment wirksam zu unterstützen. At low speeds of the rotor 21 For example, when starting the vehicle, the frequency with which the with each induction coil 27 Chained flow changes, low, so that the amount of through the induction coil 27 generated induction current is small and the strength of the associated field coil 28 generated magnetic field is weakened. In the electric machine 100 however, according to the present embodiment, another source of magnetic field is present to pass through the armature coils 14 at the stator 11 at such low speeds of the rotor 21 to effectively support generated torque.
Wie in den 1 und 2 gezeigt, umfasst die elektrische Maschine 100 insbesondere eine Mehrzahl von Permanentmagneten mit niedriger Koerzivität 51, die im Rotor 21 eingebettet sind, und sich jeweils zwischen zwei angrenzenden Rotornuten 23 und in der Nähe des äußeren Umfangs 22a des Rotors 22 befinden. Mit anderen Worten ist jeder Magnet 51 mit niedriger Koerzivität plattenförmig und in einem der Rotorzähne 22 derart eingebettet, dass er für den angrenzenden Statorzahn 12 dem inneren Umfang 12a des Stators 11 gegenüberliegt. As in the 1 and 2 shown, includes the electric machine 100 in particular, a plurality of low coercivity permanent magnets 51 that in the rotor 21 are embedded, and each between two adjacent Rotornuten 23 and near the outer circumference 22a of the rotor 22 are located. In other words, every magnet is 51 with low coercivity plate-shaped and in one of the rotor teeth 22 embedded so that it fits the adjacent stator tooth 12 the inner circumference 12a of the stator 11 opposite.
Jeder Magnet 51 mit niedriger Koerzivität ist eine schmale sich in Längsrichtung erstreckende Platte. Der Magnet 51 mit niedriger Koerzivität weist in etwa dieselbe Breite wie der Abschnitt des äußeren Umfangs 22a auf, der eine der Oberflächen der Rotorzähne 22 bildet, d. h. wie der Abschnitt des äußeren Umfangs 22a, der sich zwischen den zwei angrenzenden Rotornuten 23 erstreckt, und erstreckt sich in einer axialen Richtung der Welle 101 in etwa entlang der gesamten Länge des Rotors 22. Wie am besten in 2 zu sehen ist, ist der Magnet 51 mit niedriger Koerzivität in einem der Rotorzähne 22 in der Nähe des äußeren Umfangs 22a des Rotors 22 eingebettet, wobei eine von zwei einander gegenüberliegenden ebenen Magnetpolflächen 51a dem inneren Umfang 12a des Stators 11 für den angrenzenden Statorzahn 12 über eine große Fläche gegenüberliegt. Es ist nicht notwendig, dass jeder Magnet 51 mit niedriger Koerzivität dieselbe Breite, wie der Abschnitt des äußeren Umfangs 22a aufweist, der eine der Oberflächen der Rotorzähne 22 bildet. Die Breite des Magneten 51 mit niedriger Koerzivität ist in Abhängigkeit seiner Fähigkeit einer Entmagnetisierung zu widerstehen, seiner magnetischen Reluktanz in einem Magnetkreis durch den ein Magnetfluss strömt, usw. anpassbar. Every magnet 51 with low coercivity is a narrow longitudinally extending plate. The magnet 51 with low coercivity has approximately the same width as the portion of the outer circumference 22a on, one of the surfaces of the rotor teeth 22 forms, ie as the portion of the outer circumference 22a that lies between the two adjacent rotutons 23 extends, and extends in an axial direction of the shaft 101 approximately along the entire length of the rotor 22 , How best in 2 you can see, is the magnet 51 with low coercivity in one of the rotor teeth 22 near the outer circumference 22a of the rotor 22 embedded, wherein one of two opposing planar magnetic pole faces 51a the inner circumference 12a of the stator 11 for the adjacent stator tooth 12 over a large area. It is not necessary that every magnet 51 with low coercivity, the same width as the portion of the outer circumference 22a having one of the surfaces of the rotor teeth 22 forms. The width of the magnet 51 with low coercivity is adaptable to its magnetic reluctance in a magnetic circuit through which a magnetic flux flows, etc., depending on its ability to withstand demagnetization.
Mit einer von zwei einander gegenüberliegenden Magnetpolflächen 51a als N-Pol und der anderen als S-Pol ist jeder Magnet 51 mit niedriger Koerzivität in einem der Rotorzähne 22 derart eingebettet, dass die Richtung seiner Magnetisierung der Magnetisierungsrichtung des Elektromagneten entspricht, der durch die um den Rotorzahn 22 gewickelte zugeordnete Feldspule 28 gebildet wird. Der Magnet 51 mit niedriger Koerzivität kann zur Erzeugung eines Magnetfelds bestimmter Stärke magnetisiert werden, wenn er einem Magnetfeld ausgesetzt wird, das dieselbe Magnetisierungsrichtung aufweist. Außerdem kann er zur Erzeugung eines Magnetfelds bestimmter Stärke magnetisiert werden, wenn er einem Magnetfeld ausgesetzt wird, das die entgegengesetzte Magnetisierungsrichtung aufweist. Jeder Magnet 51 mit niedriger Koerzivität 51 kann zum Beispiel aus einem kostengünstigen AlNiCo-Magneten oder einem Kobalt-Magneten hergestellt werden. Das Material kann auf der Grundlage von Eigenschaften wie der Wärmebeständigkeit ausgewählt werden. Wenn er in einer Umgebung verwendet werden soll, in der er hohen Temperaturen ausgesetzt wird, wie in einem Fahrzeug, sollte vorzugsweise ein Kobalt-Magnet als Material für den Magneten mit niedriger Koerzivität 51 ausgewählt werden. With one of two opposing magnetic pole faces 51a as N pole and the other as S pole is every magnet 51 with low coercivity in one of the rotor teeth 22 embedded so that the direction of its magnetization corresponds to the magnetization direction of the electromagnet, by the around the rotor tooth 22 wound associated field coil 28 is formed. The magnet 51 With low coercivity, it can be magnetized to produce a magnetic field of particular strength when exposed to a magnetic field having the same direction of magnetization. In addition, it can be magnetized to generate a magnetic field of a certain magnitude when it is exposed to a magnetic field having the opposite direction of magnetization. Every magnet 51 with low coercivity 51 can be made, for example, from a low-cost AlNiCo magnet or a cobalt magnet. The material can be selected based on properties such as heat resistance. When it is to be used in an environment in which it is exposed to high temperatures, such as in a vehicle, a cobalt magnet should preferably be used as the material for the low-coercivity magnet 51 to be selected.
Die 8 und 9 zeigen zwei verschiedene Magnetisierungsverfahren zur Erzeugung eines Magnetisiserungsflusses WF, der stark genug ist, um den Magneten 51 mit niedriger Koerzivität zu magnetisieren. Beide Magnetisierungsverfahren sind insofern gleich, als zusätzlich zu einem Grundfluss BF, der bei Versorgung der Ankerspulen des Stators 11 mit einem Antriebsstrom von jeder Ankerspule 14 erzeugt wird, die Einspeisung eines dem Antriebsstrom überlagerten Pulsstroms (Magnetisierungsstrom) die Erzeugung eines Magnetpulses zur Erzeugung des Magnetflusses WF bewirkt, welcher durch den Magneten 51 mit niedriger Koerzivität hindurchströmt und diesen ausreichend magnetisiert. The 8th and 9 show two different magnetization processes for generating a magnetization flux WF strong enough to magnetize 51 to magnetize with low coercivity. Both magnetization methods are the same insofar as in addition to a basic flux BF, which is supplied to the armature coils of the stator 11 with a drive current from each armature coil 14 is generated, the supply of a drive current superimposed pulse current (magnetizing current) causes the generation of a magnetic pulse for generating the magnetic flux WF, which by the magnet 51 flows with low coercivity and sufficiently magnetized this.
Bezugnehmend auf 8 erfordert die Magnetisierung des Magneten 51 mit niedriger Koerzivität die Durchströmung eines Magnetpulses (oder pulsierenden Flusses) pf als Magnetisierungsfluss WF (der in etwa gleich pf ist), wobei der Magnetpuls pf eine Magnetfeldstärke aufweist, die groß genug ist, um die erforderliche geeignete Magnetisierung herbeizuführen. Wenn der Magnet 51 mit niedriger Koerzivität, wie in 8 gezeigt, nur durch diesen Magnetpuls pf magnetisiert werden soll, der nur durch die zugeordnete Ankerspule 14 erzeugt wird, ist es notwendig den Antriebsstrom mit einem Pulsstrom zu überlagern, dessen Maximalwert einen sehr großen Absolutwert aufweist. Daraus folgt, dass die elektronischen Geräte, einschließlich eines Wechselrichters 112 und nicht gezeigter Verbindungskabel, zu groß und teuer werden, einer großen Strombelastbarkeit zu widerstehen. Eine Einspeisung eines solchen hohen Stroms in die Ankerspulen 14 kann dazu führen, dass das Drehmoment des Antriebsrotors 21 pulsiert, so dass das Auftreten von Vibrationen und/oder durch solche Drehmomentpulsationen verursachten Geräuschen erhöht wird. Referring to 8th requires the magnetization of the magnet 51 with low coercivity, the flow of a magnetic pulse (or pulsating flow) pf as the magnetization flux WF (which is approximately equal to pf), wherein the magnetic pulse pf has a magnetic field strength which is large enough to bring about the necessary suitable magnetization. If the magnet 51 with low coercivity, as in 8th shown only by this Magnetic pulse pf is to be magnetized, only by the associated armature coil 14 is generated, it is necessary to superimpose the drive current with a pulse current whose maximum value has a very large absolute value. It follows that the electronic devices, including an inverter 112 and connecting cable, not shown, become too large and expensive to withstand a large current carrying capacity. An injection of such a high current in the armature coils 14 can cause the torque of the drive rotor 21 pulsates, so that the occurrence of vibrations and / or noise caused by such torque pulsations is increased.
In der elektrischen Maschine 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist jede der Feldspulen 28 um einen der Rotorzähne 22 gewickelt, in dem die Magneten 51 mit niedriger Koerzivität eingebettet sind. Wie in 9 gezeigt, wird ein Magnetpuls oder pulsierender Fluss PF, der einen kleineren Maximalwert als der Magnetpuls pf (siehe 8) aufweist, von der Einspeisung in jede der Ankerspulen 14 des Stators 11 eines Pulsstroms, dessen Maximalwert ein viel niedriger Absolutwert ist, als der im herkömmlichen Verfahren der 8 verwendete Pulsstrom, abgeleitet und tendiert dazu, durch die zugeordnete Feldspule 28 des Rotors 21 zu strömen. Um die Durchströmung des pulsierenden Flusses PF durch die Feldspule 28 zu verhindern, erzeugt die Feldspule 28 einen induzierten Magnetpuls oder induzierten pulsierenden Fluss (oder Reaktionsfluss) IF, der in Richtung des Stators 11 gerichtet ist. Infolgedessen erzeugt die Ankerspule 14 einen Reaktionsfluss RF in eine Richtung, so dass die Änderung des Flusses, der aus dem durch die Feldspule induzierten pulsierenden Fluss IF abgeleitet wurde, durch die Ankerspule versetzt wird. Dieser Reaktionsfluss RF wird als Magnetisierungsfluss WF auf den Magneten 51 mit niedriger Koerzivität aufgebracht oder strömt durch diesen hindurch, um diesen bis in den Sättigungsbereich zu magnetisieren. In the electric machine 100 According to the present embodiment, each of the field coils 28 around one of the rotor teeth 22 wrapped in which the magnets 51 embedded with low coercivity. As in 9 is shown, a magnetic pulse or pulsating flux PF, which has a smaller maximum value than the magnetic pulse pf (see 8th ), from the feed into each of the armature coils 14 of the stator 11 a pulse current whose maximum value is a much lower absolute value than that in the conventional method 8th used pulse current derived and tends to through the associated field coil 28 of the rotor 21 to stream. To the flow of the pulsating flow PF through the field coil 28 to prevent generates the field coil 28 an induced magnetic pulse or induced pulsatile flux (or reaction flux) IF, which is directed towards the stator 11 is directed. As a result, the armature coil generates 14 a reaction flux RF in one direction so that the change of the flux derived from the field coil induced pulsatile flux IF is displaced by the armature coil. This reaction flux RF is referred to as magnetization flux WF on the magnet 51 With low coercivity applied or flows through it, in order to magnetize it into the saturation region.
Darauf folgt, dass diese elektrische Maschine 100 einen Reaktionsfluss RF als Magnetisierungsfluss WF zur Magnetisierung des Magneten 51 mit niedriger Koerzivität induzieren kann, indem die Ankerspule 14 des Stators 11 zur Erzeugung eines in 9 gezeigten pulsierenden Fluss lediglich mit einem Pulsstrom versorgt wird, dessen maximale Amplitude einen absoluten Wert aufweist, der niedriger als ein zur Erzeugung eines in 8 gezeigten pulsierenden Flusses ausreichend starker Pulsstrom ist. It follows that this electric machine 100 a reaction flux RF as magnetization flux WF for magnetizing the magnet 51 with low coercivity can induce by the armature coil 14 of the stator 11 for generating an in 9 shown pulsing flow is supplied only with a pulse current whose maximum amplitude has an absolute value lower than one for generating an in 8th is sufficiently strong pulse current shown pulsating flow.
10 zeigt auch, dass in der elektrischen Maschine 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, bei Versorgung der Ankerspulen 14 des Stators 11 mit einem Pulsstrom PI, der eine geringere maximale Amplitude als ein Pulsstrom pi aufweist, der die Erzeugung eines starken pulsierenden Flusses pf (s. 8) bewirkt, nach der Überlagerung eines Antriebsstroms mit dem Pulsstrom, um die Ankerspule 14 zur Erzeugung eines eine geringe Magnetfeldstärke aufweisenden pulsierenden Flusses (selbstinduzierter Fluss) PF durch ihre Selbstinduktion zu veranlassen, der pulsierende Fluss PF eine Durchströmung eines Induktionsstroms IC durch die zugeordnete Feldspule 28 verursacht, um einen induzierten pulsierenden Fluss IF zu induzieren (Gegeninduktivität) (s. 9). Außerdem bewirkt die Wechselwirkung mit diesem induzierten pulsierenden Fluss IF (Gegeninduktivität) die Erzeugung eines Reaktionsflusses (Induktionsfluss) RF durch die Ankerspule 14. Dieser Reaktionsfluss RF wird als starker Magnetisierungsfluss WF, der eine verstärkte Magnetfeldstärke im Vergleich zum weniger starken pulsierenden Fluss PF aufweist, in den Magneten 51 mit niedriger Koerzivität eingeführt. 10 also shows that in the electric machine 100 according to the present embodiment, when supplying the armature coils 14 of the stator 11 with a pulse current PI having a lower maximum amplitude than a pulse current pi, which is the generation of a strong pulsating flow pf (s. 8th ) causes, after the superposition of a drive current with the pulse current, to the armature coil 14 for generating a pulsating flow (self-induced flow) PF having a low magnetic field strength through its self-induction, the pulsating flow PF flowing through an induction current IC through the associated field coil 28 caused to induce an induced pulsatile flux IF (mutual inductance) (s. 9 ). In addition, the interaction with this induced pulsatile flux IF (mutual inductance) causes the generation of a reaction flux (induction flux) RF through the armature coil 14 , This reaction flux RF is in the magnet as strong magnetization flux WF, which has an increased magnetic field strength compared to the less strong pulsating flux PF 51 introduced with low coercivity.
In der vorhergehenden Beschreibung der vorliegenden Ausführungsform wurde ein Beispiel beschrieben, in dem ein Pulsstrom der Ankerspule 14 als Magnetisierungstrom für einen Magneten mit niedriger Koerzivität 51 zugeführt wird. Die Anzahl von Pulsströmen ist jedoch nicht auf eins beschränkt. So lange das Zeitintervall der Zufuhr eines Pulsstroms zu einer Ankerspule 14 innerhalb eines zur Rotationssteuerung oder Magnetisierungssteuerung zulässigen Bereichs liegt, kann dieses in eine Mehrzahl von Zeiträumen geteilt werden oder verlängert werden. Da jedoch in der Ankerspule 14 ein durch die Einspeisung des Pulsstroms verursachter Kupferverlust auftritt, wird wie in der vorliegenden Ausführungsform eine einmalige Zufuhr eines Pulsstroms bevorzugt. In the foregoing description of the present embodiment, an example has been described in which a pulse current of the armature coil 14 as a magnetizing current for a low coercivity magnet 51 is supplied. However, the number of pulse streams is not limited to one. As long as the time interval of supply of a pulse current to an armature coil 14 is within a range permissible for rotation control or magnetization control, it may be divided into a plurality of periods or extended. However, because in the armature coil 14 a copper loss caused by the injection of the pulse current occurs, as in the present embodiment, a one-time supply of a pulse current is preferable.
VERFAHREN ZUM BETRIEB DER ELEKTRISCHEN MASCHINE 100 METHOD OF OPERATING THE ELECTRICAL MACHINE 100
Aus der vorhergehenden Beschreibung folgt, dass die elektrische Maschine 100 einen Gleichstrom aus einer bordseitigen Batterie 111 verwendet und eine durch die Steuereinheit 110 gesteuerte Einspeisung eines Antriebsstroms zur Rotationssteuerung und eines Pulsstroms in die Ankerspulen 14 über den Wechselrichter 112 erlaubt. Um dieses Ziel zu erreichen führt die Steuereinheit 110 ein Steuerungsverfahren zur Magnetisierung von Magneten mit niedriger Koerzivität 51, d. h. ein Verfahren zur Steuerung der Einspeisung des Stroms aus, um einen Gleichstrom aus der bordseitigen Batterie 111 als Pulsstrom zu einem geeigneten Zeitpunkt über den Wechselrichter 112 an die Ankerspule 14 anzulegen, indem sie in einem Speicher 110m gespeicherte Steuerungsprogramme ausführt. Das heißt, dass die Steuereinheit 110 eine Pulssteuerungseinheit bildet. From the foregoing description it follows that the electric machine 100 a direct current from an on-board battery 111 used and one by the control unit 110 controlled supply of a drive current for rotation control and a pulse current in the armature coils 14 over the inverter 112 allowed. To achieve this goal leads the control unit 110 a control method for magnetizing magnets with low coercivity 51 ie, a method of controlling the supply of the current to a direct current from the on-board battery 111 as pulse current at a suitable time via the inverter 112 to the armature coil 14 put on by putting in a store 110m executes stored control programs. That is, the control unit 110 forms a pulse control unit.
Insbesondere startet die Steuereinheit 110, wie im Ablaufdiagramm der 11 gezeigt, beim Anfahren des Fahrzeugs die Zufuhr des als Wechselstrom vorliegenden Antriebsstroms zur Ankerspule 14, indem sie beim Starten des Antriebs zur Rotation des Rotors 201, d. h. zum Beispiel der Welle 101, den Wechselrichter 112 ansteuert. Gleichzeitig führt die Steuereinheit 110, indem sie Befehlen des im Speicher 110 gespeicherten Steuerungsprogramms folgt, ein Steuerungsverfahren zur Magnetisierung des Magneten mit niedriger Koerzivität 51 aus, indem sie den Wechselrichter 112 dazu veranlasst, den als Wechselstrom vorliegenden Antriebsstrom mit einem Pulsstrom zu überlagern, der eine maximale Amplitude aufweist, dessen Absolutwert geringer als ein üblicherweise zur Magnetisierung durch einen pulsierenden Fluss pf verwendeter Pulsstrom ist, um den Pulsstrom zu einem geeigneten Zeitpunkt der Ankerspule 14 zuzuführen (Schritt S11). In particular, the control unit starts 110 as in the flowchart of 11 shown when starting the vehicle, the supply of as AC current drive current to the armature coil 14 by turning the rotor when starting the drive 201 ie the wave, for example 101 , the inverter 112 controls. At the same time the control unit performs 110 by placing commands in the store 110 stored control program follows, a control method for magnetizing the magnet with low coercivity 51 out by putting the inverter 112 causing the alternating current drive current to be superimposed with a pulse current having a maximum amplitude whose absolute value is less than a pulse current commonly used for magnetization by a pulsating flux pf, the pulse current at an appropriate time of the armature coil 14 to supply (step S11).
In Antwort auf eine Einspeisung des Pulsstroms, der den durch die Ankerspule 14 strömenden Antriebsstrom überlagert, erzeugt die Ankerspule 14 einen pulsierenden Fluss (selbstinduzierten Fluss) PF, der eine geringe Amplitude aufweist, die der Amplitude des vorhergehenden eingespeisten Pulsstroms entspricht, um die Verkettung des pulsierenden Flusses PF mit dem zugeordneten Rotorzahn 22 des Rotors 21 zu erlauben (Schritt S12). Wenn sich dieser pulsierende Fluss PF mit dem zugeordneten Rotorzahn 22 verkettet, erzeugt die zugeordnete Feldspule 28 am Rotor 21 einen induzierten pulsierenden Fluss IF und erlaubt eine Verkettung des induzierten Flusses IF mit dem zugeordneten Statorzahn 12 (Schritt S13). Wegen der Verkettung dieses induzierten pulsierenden Flusses IF mit dem Statorzahn 12, erzeugt die Ankerspule 14 am Stator 11 einen Reaktionsfluss (Gegeninduktivitätsfluss) RF und legt den Reaktionsfluss RF am Magnet mit niedriger Koerzivität 51 an (Schritt S14). In response to an injection of the pulse current passing through the armature coil 14 superimposed flowing drive current, generates the armature coil 14 a pulsating flow (self-induced flow) PF having a small amplitude corresponding to the amplitude of the previous injected pulse current, around the concatenation of the pulsating flow PF with the associated rotor tooth 22 of the rotor 21 to allow (step S12). When this pulsating flow PF with the associated rotor tooth 22 concatenated, generates the associated field coil 28 on the rotor 21 an induced pulsatile flux IF and allows a concatenation of the induced flux IF with the associated stator tooth 12 (Step S13). Because of the concatenation of this induced pulsatile flow IF with the stator tooth 12 , generates the armature coil 14 at the stator 11 a reaction flux (mutual inductance flux) RF and sets the reaction flux RF at the low-coercivity magnet 51 (step S14).
Gemäß diesem Verfahren reicht die Einstellung der Richtung, der Amplitude und des Einspeisungszeitpunkts eines Pulsstroms in die Ankerspule 14 am Stator 11 aus, um den Magneten mit niedriger Koerzivität 51 zu magnetisieren, da selbst ein durch die Einspeisung des Pulsstroms mit geringer Amplitude induzierter pulsierender Fluss PF die Verstärkung der Magnetfeldstärke zur Bereitstellung eines Reaktionsflusses RF erlaubt, der eine notwendige und ausreichende Magnetfeldstärke aufweist. Kurzum ist es durch die Überlagerung eines Antriebsstroms mit einem Pulsstrom geringer Amplitude möglich, die Magnetkraft des Magneten durch die Magnetisierung des Magneten mit niedriger Koerzivität 51 bis zur Sättigung stark zu halten. According to this method, the adjustment of the direction, the amplitude and the feeding timing of a pulse current into the armature coil is sufficient 14 at the stator 11 out to the magnet with low coercivity 51 since even a pulsating flux PF induced by the application of the low amplitude pulsed current allows amplification of the magnetic field strength to provide a reaction flux RF having a necessary and sufficient magnetic field strength. In short, by superimposing a drive current with a low-amplitude pulse current, the magnetic force of the magnet is possible by the magnetization of the low-coercivity magnet 51 to keep strong until saturation.
Infolgedessen kann die elektrische Maschine 100, wie in 12 gezeigt, bei niedrigen Drehzahlen des Rotors 21, wie beim Anfahren des Fahrzeugs, wenn die Feldspule 28 als Elektromagnet (gepunktete Linie) arbeitet, den Betrag sowohl der Magnetkraft als auch der elektromagnetischen Kraft bis auf den Betrag der Magnetkraft (Strich-Zweipunktlinie) verstärken, indem die Magnetkraft des Magneten mit niedriger Koerzivität 51 hinzugefügt wird. Dies bewirkt, dass die elektrische Maschine 100 die Rotation der Welle 101 mit einem Drehmoment antreibt, das durch das am Rotor 21 angelegte Magnetmoment unterstützt wird und so stark wie ein Drehmoment ist, das durch einen Synchronmotor mit in seinem Rotor eingebetteten Neodym-Magneten erzeugt wird. As a result, the electric machine can 100 , as in 12 shown at low speeds of the rotor 21 as when starting the vehicle when the field coil 28 As an electromagnet (dotted line), amplify the amount of both the magnetic force and the electromagnetic force up to the amount of magnetic force (two-dot chain line) by the magnetic force of the low-coercivity magnet 51 will be added. This causes the electric machine 100 the rotation of the shaft 101 with a torque that drives through the rotor 21 applied magnetic torque is supported and is as strong as a torque generated by a synchronous motor with embedded in its rotor neodymium magnet.
Dieser Magnet 51 mit niedriger Koerzivität sollte derart magnetisiert werden, dass er die erforderliche Magnetkraft aufweist, wenn die Feldspule 28 als Elektromagnet arbeiten soll. Falls eine Magnetisierung bis in den Sättigungsbereich nicht notwendig ist, ist es zum Beispiel möglich eine Amplitude des Pulsstroms so einzustellen, dass sie einer Amplitude entspricht, die zur Erzeugung eines Reaktionsflusses erforderlich ist, der stark genug ist, um eine Magnetisierung bis zu einer gewünschten Magnetkraft zu erzielen und den eingestellten Pulsstrom der Ankerspule 14 zuzuführen. Falls kostengünstige AlNiCo Magneten oder Kobalt-Magneten verwendet werden, ist es wahrscheinlich, dass der Magnet unabsichtlich entmagnetisiert wird, wenn die Phase des Antriebsstroms gegenüber dem Magneten bei Voreilung der Phase des Antriebsstroms zur Erzeugung eines gewünschten Drehmoments gegenphasig wird. Aus diesem Grund ist es notwendig den Magneten zu magnetisieren, um im Falle einer durch die Einwirkung eines entgegengesetzten Magnetfelds verursachten Entmagnetisierung eine geeignete Koerzitivkraft aufrecht zu erhalten. This magnet 51 with low coercivity should be magnetized so that it has the required magnetic force when the field coil 28 should work as an electromagnet. For example, if magnetization to the saturation region is not necessary, it is possible to set an amplitude of the pulse current to correspond to an amplitude required to generate a reaction flux strong enough to magnetize to a desired magnetic force to achieve and the set pulse current of the armature coil 14 supply. If inexpensive AlNiCo magnets or cobalt magnets are used, it is likely that the magnet will be unintentionally demagnetized when the phase of the drive current to the magnet is in phase opposition to the magnetization of the phase of the drive current to produce a desired torque. For this reason, it is necessary to magnetize the magnet so as to maintain a suitable coercive force in the case of demagnetization caused by the action of an opposite magnetic field.
Wenn die durch die Feldspule 28 erzeugte elektromagnetische Kraft durch eine Erhöhung der Drehzahl des Rotors 21 unmittelbar nach einer Erhöhung der Stärke der Magnetkraft des Magneten mit niedriger Koerzivität 51 bis in den Sättigungsbereich verstärkt wird, ist es möglich eine Feldschwächregelung durchzuführen, um die durch die Feldspule 28 erzeugte elektromagnetische Kraft abzuschwächen, um das Magnetmoment auf den gewünschten Wert einzustellen. Die Durchführung der Feldschwächregelung kann jedoch auch als eine Energieverschwendung betrachtet werden, da sie zur Abschwächung der Magnetkraft Energie verbraucht. When passing through the field coil 28 generated electromagnetic force by increasing the speed of the rotor 21 immediately after an increase in the strength of the magnetic force of the low-coercivity magnet 51 is amplified to the saturation region, it is possible to perform a field weakening control to those by the field coil 28 attenuate generated electromagnetic force to set the magnetic moment to the desired value. However, the implementation of the field weakening control can also be considered as a waste of energy because it consumes energy to attenuate the magnetic force.
Wenn also die durch die Feldspule 28 erzeugte elektromagnetische Kraft zunimmt, führt die Steuereinheit 110 ein im Speicher 110m gespeichertes Steuerungsprogramm aus, um den Magneten mit niedriger Koerzivität 51 zu entmagnetisieren, ohne eine solche Feldschwächregelung durchzuführen. Die Durchführung dieser Steuerung erlaubt die Ausführung eines Steuerungsverfahren, d. h. ein Verfahren zur Steuerung der Einspeisung von Strom, bei dem ein von der bordseitigen Batterie 111 stammender Gleichstrom durch den Wechselrichter 112 verarbeitet wird und zu einem geeigneten Zeitpunkt der Ankerspule 14 als Pulsstrom zugeführt wird. So if that through the field coil 28 generated electromagnetic force increases, performs the control unit 110 one in the store 110m stored control program to the magnet with low coercivity 51 to demagnetize without performing such field weakening control. The performance of this control allows the execution of a control method, ie, a method for controlling the supply of power in which one of the on-board battery 111 derived direct current through the inverter 112 is processed and at an appropriate time the armature coil 14 is supplied as a pulse stream.
Wie im Ablaufdiagramm der 13 beschrieben, führt die Steuereinheit 110 insbesondere ein Steuerungsverfahren aus, das Befehlen eines im Speicher 110m gespeicherten Steuerungsprogramms folgt, um den Magneten mit niedriger Koerzivität 51 im Hinblick auf eine Erhöhung der durch die Feldspule 28 erzeugten elektromagnetischen Kraft zu entmagnetisieren. Dies erlaubt ein Entmagnetisierungsverfahren des Magneten mit niedriger Koerzivität 51, indem der Wechselrichter 112 dazu veranlasst wird, den als Wechselstrom vorliegenden Antriebsstrom mit einem Pulsstrom zu überlagern, dessen maximale Amplitude einen geringen Absolutwert aufweist und den Pulsstrom zu einem geeigneten Zeitpunkt der Ankerspule 14 zuzuführen (Schritt S21), um die Erzeugung eines Reaktionsflusses 15 in eine der Magnetisierungsrichtung entgegengesetzten Richtung und die Anlegung oder Durchströmung durch den Magneten 51 mit niedriger Koerzivität zu erlauben. As in the flowchart of 13 described, the control unit performs 110 in particular a control method, commanding one in memory 110m stored control program follows the magnet with low coercivity 51 with a view to increasing the field coil 28 to demagnetize generated electromagnetic force. This allows a demagnetization method of the low-coercivity magnet 51 by the inverter 112 is caused to superimpose the alternating current present drive current with a pulse current whose maximum amplitude has a low absolute value and the pulse current at a suitable time of the armature coil 14 supply (step S21) to the generation of a reaction flow 15 in a direction opposite to the magnetization direction and the application or flow through the magnet 51 to allow with low coercivity.
In Antwort auf eine Einspeisung des in eine der Magnetisierungsrichtung entgegengesetzten Richtung strömenden Pulsstroms, erzeugt die Ankerspule 14 am Stator 11 einen pulsierenden Fluss PF, der eine der Amplitude des zuvor erwähnten eingespeisten Pulsstroms entsprechende geringe Amplitude aufweist und in eine der Magnetisierungsrichtung entgegengesetzte Richtung ausgerichtet ist, um die Verkettung des pulsierenden Flusses PF mit dem zugeordneten Rotorzahn 22 des Rotors 21 (Schritt S22) zu erlauben. Wenn sich dieser pulsierende Fluss PF mit dem zugordneten Rotorzahn 22 verkettet, erzeugt die zugeordnete Feldspule 28 am Rotor 21 einen induzierten pulsierenden Fluss IF, der in eine der Magnetisierungsrichtung entgegengesetzte Richtung ausgerichtet ist und die Verkettung des induzierten Flusses IF mit dem zugeordneten Statorzahn 12 erlaubt (Schritt S23). Da sich dieser induzierte pulsierende Fluss IF mit dem Statorzahn 12 verkettet, erzeugt die Ankerspule 14 am Stator 11 einen Reaktionsfluss RF und legt den Reaktionsfluss RF, der in eine der Magnetisierungsrichtung entgegengesetzte Richtung ausgerichtet ist, am Magneten mit niedriger Koerzivität 51 an (Schritt S24). In response to an injection of the pulse current flowing in a direction opposite to the magnetization direction, the armature coil generates 14 at the stator 11 a pulsating flux PF having a small amplitude corresponding to the amplitude of the aforementioned pulse current fed in and oriented in a direction opposite to the direction of magnetization, for linking the pulsating flow PF with the associated rotor tooth 22 of the rotor 21 To allow (step S22). When this pulsating flow PF with the assigned rotor tooth 22 concatenated, generates the associated field coil 28 on the rotor 21 an induced pulsating flux IF oriented in a direction opposite to the magnetization direction and the concatenation of the induced flux IF with the associated stator tooth 12 allowed (step S23). Since this induced pulsating flux IF with the stator tooth 12 chained, generates the armature coil 14 at the stator 11 a reaction flux RF and sets the reaction flux RF, which is aligned in a direction opposite to the magnetization direction, on the low-coercivity magnet 51 (step S24).
Gemäß diesem Verfahren reicht die Einstellung der Richtung, der Amplitude und des Einspeisungszeitpunkts eines Pulsstroms in die Ankerspule 14 am Stator 11 aus, um den Magneten mit niedriger Koerzivität 51 zu magnetisieren, da selbst ein durch die Einspeisung des Pulsstroms mit geringer Amplitude induzierter pulsierender Fluss PF die Verstärkung der Magnetfeldstärke zur Bereitstellung eines Reaktionsflusses RF erlaubt, der eine notwendige und ausreichende Magnetfeldstärke aufweist. Kurzum ist es durch die Überlagerung eines Antriebsstroms mit einem Pulsstrom, der eine geringe Amplitude aufweist und in eine der Magnetisierungsrichtung entgegengesetzten Richtung ausgerichtet ist, möglich, den Magneten mit niedriger Koerzivität 51 aus dem Sättigungsbereich bis zu einer gewünschten Magnetkraft zu entmagnetisieren. According to this method, the adjustment of the direction, the amplitude and the feeding timing of a pulse current into the armature coil is sufficient 14 at the stator 11 out to the magnet with low coercivity 51 since even a pulsating flux PF induced by the application of the low amplitude pulsed current allows amplification of the magnetic field strength to provide a reaction flux RF having a necessary and sufficient magnetic field strength. In short, by superposing a driving current with a pulse current having a small amplitude and oriented in a direction opposite to the magnetization direction, it is possible to use the low-coercivity magnet 51 from the saturation region to a desired magnetic force to demagnetize.
Somit kann die elektrische Maschine 100 die Magnetkraft des Magneten mit niedriger Koerzivität 51, dessen Magnetkraftstärke bis in den Sättigungsbereich erhöht wird, in geeigneter Weise einstellen. Mit anderen Worten kann die elektrische Maschine 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine hohe Effizienz und ein hohes Antriebsmoment zur Rotation der Welle 101 über den Bereich ab niedrigen Drehzahlen bereitstellen, weil eine Unterstützung des Magnetmoments vorliegt, das von der Verstärkung der Magnetkraft abgeleitet wird, die durch die als Elektromagnet arbeitende Feldspule 28 anhand der Magnetkraft des Magneten mit niedriger Koerzivität 51 erzeugt wird. Thus, the electric machine 100 the magnetic force of the magnet with low coercivity 51 , whose magnetic force is increased to the saturation region, set in a suitable manner. In other words, the electric machine 100 According to the present embodiment, a high efficiency and a high drive torque for rotation of the shaft 101 provide over the range from low speeds, because there is a support of the magnetic moment, which is derived from the amplification of the magnetic force by the working as an electromagnet field coil 28 based on the magnetic force of the magnet with low coercivity 51 is produced.
In der elektrischen Maschine 100 kann der bis in den Sättigungsbereich magnetisierte Magnet mit niedriger Koerzivität 51 magnetisiert werden, indem die Ankerspule 14 des Stators 11 nur mit einem geringen Pulsstrom versorgt wird, der eine maximale Amplitude mit einem niedrigeren Absolutwert aufweist, als ein Pulsstrom der zur Magnetisierung mit einem pulsierenden Fluss pf notwendig ist, der nur durch die Ankerspule 14 erzeugt wird. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer Erhöhung der Kapazität der elektronischen Ausrüstung, einschließlich des Wechselrichters 112 und der Verkabelung. Mit anderen Worten kann die Größe der elektronischen Ausrüstung, einschließlich des Wechselrichters 12 und der Vorrichtungen der Verkabelung verkleinert werden, so dass auch die Größe des Motors verkleinert werden kann. Außerdem können die durch die Zufuhr eines Pulsstroms mit einer großen Amplitude zu den Ankerspulen 14 verursachten Vibrationen und Geräusche reduziert werden, was einen Rotationsantrieb der Welle 101 durch eine stabile Rotation des Rotors 21 ermöglicht. In the electric machine 100 For example, the low coercivity magnet magnetized to saturation range 51 be magnetized by the armature coil 14 of the stator 11 is supplied with only a small pulse current having a maximum amplitude with a lower absolute value, as a pulse current is necessary for the magnetization with a pulsating flux pf, only by the armature coil 14 is produced. This eliminates the need to increase the capacity of the electronic equipment, including the inverter 112 and the wiring. In other words, the size of the electronic equipment, including the inverter 12 and the devices of the wiring can be downsized, so that the size of the motor can be downsized. In addition, the supply of a pulse current with a large amplitude to the armature coils 14 caused vibration and noise are reduced, causing a rotational drive of the shaft 101 by a stable rotation of the rotor 21 allows.
Da in der elektrischen Maschine 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Feldspule 28 innerhalb jedes Rotorzahns 22 am Rotor 21 vorgesehen ist, erzeugt die Ankerspule 14 bei Zufuhr eines Pulsstroms PI zur Ankerspule 14 einen pulsierenden Fluss (selbstinduzierten Fluss) PF durch Selbstinduktion, wodurch die Feldspule 28 einen Gegeninduktivitätsfluss oder induzierten pulsierenden Fluss IF erzeugt. Wenn außerdem die Feldspule 28 den auf den zuvor erwähnten pulsierenden Fluss PF reagierenden induzierten pulsierenden Fluss IF erzeugt, bewirkt dieser induzierte pulsierende Fluss IF die Erzeugung eines Reaktionsfluss RF durch die Ankerspule 14 der auf den induzierten pulsierende Fluss IF reagiert, was die Magnetisierung des in jedem Rotorzahn 22 befindlichen Magneten mit niedriger Koerzivität 51 erlaubt. Because in the electric machine 100 according to the present embodiment, the field coil 28 inside each rotor tooth 22 on the rotor 21 is provided generates the armature coil 14 upon supply of a pulse current PI to the armature coil 14 a pulsating flux (self-induced flux) PF by self-induction, causing the field coil 28 generates a mutual inductance flux or induced pulsating flux IF. In addition, if the field coil 28 generates the induced pulsating flux IF responsive to the aforementioned pulsating flow PF, this induced pulsating flow IF causes the generation of a reaction flux RF through the armature coil 14 which responds to the induced pulsating flow IF, which is the magnetization of each rotor tooth 22 located magnets with low coercivity 51 allowed.
Somit wird die Erzeugung eines ausreichend großen Reaktionsflusses RF zur Magnetisierung des Magneten mit niedriger Koerzivität 51 mit nur einem schwachen Pulsstrom ermöglicht, dessen Amplitude niedriger als der üblicherweise zur Erzeugung des pulsierenden Fluss pf bei der Magnetisierung des Magneten mit niedriger Koerzivität 51 notwendige starke Pulsstrom. Mit anderen Worten wird ein qualitativ hochwertiger Rotationsantrieb des Rotors 21 (Welle 101) bei gleichzeitiger Reduzierung der Grösse und der Kosten der elektrischen Maschine 100 ermöglicht. Thus, the generation of a sufficiently large reaction flux RF becomes the magnetization of the low-coercivity magnet 51 with only a weak pulse current whose amplitude is lower than that normally used to generate the pulsating flux pf upon magnetization of the low-coercivity magnet 51 necessary strong pulse current. In other words, a high-quality rotary drive of the rotor 21 (Wave 101 ) while reducing the size and cost of the electric machine 100 allows.
sIn der vorliegenden Beschreibung der vorliegenden Ausführungsform befinden sich die Induktionsspulen 27 auf zusätzlichen in Rotornuten 25 angeordneten Polkernen 24. Dabei handelt es sich jedoch nur um ein Beispiel. In einem anderen Beispiel kann eine zweistufige Struktur verwendet werden, bei der sich jede der Induktionsspulen 27 an dem zugeordneten Rotorzahn 22 in der Nähe des äußeren Umfangs 22a nahe dem Stator 11 und dessen zugeordnete Feldspule 28 sich am Rotorzahn 22 in der Nähe der Welle 101 (Rotationsachse) befinden kann. In the present description of the present embodiment, the induction coils are located 27 on additional in rotornuts 25 arranged pole cores 24 , This is just an example. In another example, a two-stage structure may be used in which each of the induction coils 27 at the associated rotor tooth 22 near the outer circumference 22a near the stator 11 and its associated field coil 28 on the rotor tooth 22 near the shaft 101 (Rotation axis) can be located.
Außerdem ist die vorliegende Ausführungsform nicht auf die Struktur mit einem diametral beabstandeten kalibrierten Luftspalt G wie in der elektrischen Maschine 100 beschränkt, sondern kann auch eine Struktur mit einem axialen in der Richtung der Rotationsachse ausgerichteten kalibrierten Spalt aufweisen. In addition, the present embodiment is not limited to the structure having a diametrically spaced calibrated air gap G as in the electric machine 100 but may also have a structure with an axial calibrated gap aligned in the direction of the axis of rotation.
Die Strukturen des Stators 11 und des Rotors 21 sind nicht auf die durch Laminierung von elektromagnetischen Stahlplatten bzw. Stahlblechen hergestellten laminierten Strukturen beschränkt. Die Strukturen können zum Beispiel sogenannte weichmagnetische Verbundkerne verwenden, die als Pulvermagnetkerne beschrieben werden können, die durch Formpressen von Eisenpulver und Wärmebehandlung von mit einem elektrisch isolierenden Film umgebenen weichmagnetischen Verbundwerkstoffen (SMCs) aus ferromagnetischen Pulverpartikeln, wie zum Beispiel Eisenpulver-Partikeln hergestellt werden. Der SMC Kern ist für eine Struktur mit axialen Spalten geeignet, da dessen Formpressen einfach ist. The structures of the stator 11 and the rotor 21 are not limited to the laminated structures produced by lamination of electromagnetic steel plates or steel sheets. The structures may use, for example, so-called soft magnetic composite cores, which may be described as powder magnetic cores made by molding iron powder and heat-treating soft magnetic composites (SMCs) of ferromagnetic powder particles, such as iron powder particles, surrounded with an electrically insulating film. The SMC core is suitable for a structure with axial gaps because its molding is simple.
Die Dioden 29A und 29B können den induzierten Strom gleichrichten, sind aber nicht darauf beschränkt. Es können auch andere Halbleiterelemente wie Schaltelemente, montiert werden. Zusätzlich kann die vorliegende Ausführungsform in einer elektrischen Maschine angewandt werden, die einen Stator mit einer sogenannten Klauenpolstruktur verwendet. The diodes 29A and 29B may rectify the induced current, but are not limited thereto. Other semiconductor elements, such as switching elements, can also be mounted. In addition, the present embodiment can be applied to an electric machine using a stator having a so-called claw pole structure.
Die Anwendungen der elektrischen Maschine 100 sind nicht auf den Automobilbereich beschränkt. Die elektrische Maschine 100 kann auch als Generator in Windkraftanlagen und/oder als Motor in Werkzeugmaschinen verwendet werden. The applications of the electric machine 100 are not limited to the automotive sector. The electric machine 100 can also be used as a generator in wind turbines and / or as a motor in machine tools.
Obwohl Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, ist jedoch für den Fachmann offensichtlich, dass Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Sämtliche solche Modifikationen und Äquivalente sind als von den folgenden Ansprüchen bedeckt zu betrachten.While embodiments of the present invention have been described, it will be obvious to those skilled in the art that changes may be made without departing from the scope of the present invention. All such modifications and equivalents are to be considered as covered by the following claims.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
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1111
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Statorstator
-
1212
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Statorzähnestator teeth
-
1313
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Statornutstator
-
1414
-
Ankerspulearmature coil
-
2121
-
Rotorrotor
-
2222
-
Rotorzähne (Schenkelpol)Rotor teeth (salient pole)
-
2323
-
Rotornutrotor slot
-
2525
-
Zusätzlicher Polkern (zusätzlicher Pol)Additional pole core (additional pole)
-
2727
-
Induktionsspule (zusätzlicher Pol)Induction coil (additional pole)
-
28, 281, 28228, 281, 282
-
Feldspulefield coil
-
29A, 29B29A, 29B
-
Diode (Gleichrichterelement)Diode (rectifier element)
-
5151
-
Magnet mit niedriger KoerzivitätMagnet with low coercivity
-
51a51a
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Polflächepole
-
100100
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Elektrische MaschineElectric machine
-
101101
-
Welle (rotierende Welle)Shaft (rotating shaft)
-
110110
-
Steuereinheit (Pulsregler)Control unit (pulse controller)
-
110m110m
-
SpeicherStorage
-
111111
-
Bordseitige BatterieOn-board battery
-
112112
-
Wechselrichterinverter
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BFBF
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Grundflussbasic flow
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GG
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kalibrierter Luftspaltcalibrated air gap
-
IFIF
-
induzierter pulsierender Flussinduced pulsating flow
-
PFPF
-
pulsierender Flusspulsating river
-
pfpf
-
pulsierender Flusspulsating river
-
RFRF
-
Reaktionsflussreaction river
-
WFWF
-
Magnetisierungsflussmagnetizing flux
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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JP 2008-43172 A [0004] JP 2008-43172 A [0004]
