DE102004023253A1

DE102004023253A1 - Elektrische Drehmaschine

Info

Publication number: DE102004023253A1
Application number: DE102004023253A
Authority: DE
Inventors: Haruyuki Kometani; Yoshihito Asao
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-05-12
Filing date: 2004-05-11
Publication date: 2004-12-16
Also published as: FR2854990A1; JP2004336966A; US20040251766A1; US7067949B2; FR2854990B1

Abstract

Ein X-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt, ein Y-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt und ein Z-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt, die eine Drehphasen-Statorwicklung bilden, sind so aufgebaut, dass zick-zack-artig Wicklungsphasenunterabschnitt verbunden sind, die eine Phasendifferenz entsprechend einem elektrischen Winkel von 36 Grad (36 DEG ) aufweisen. Der Rotor ist ein Klauenpolrotor, und Permanentmagneten sind zwischen klauenförmigen Magnetpolen angeordnet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Drehmaschine, die mit einem Stator versehen ist, der Schlitze aufweist, die in einem Anteil von zwei Schlitzen pro Phase pro Pol vorgesehen sind, sowie einen Rotor zur Erzeugung eines Magnetflusses mit einer Erregerwicklung und einem Permanentmagneten.

Herkömmliche Kraftfahrzeuggeneratoren sind mit einem Stator versehen, bei welchem eine Statorwicklung an einem Statorkern angebracht ist, und mit einem Rotor zur Erzeugung eines Magnetflusses durch eine Erregerwicklung und Permanentmagneten. Bei diesem Statorkern sind Schlitze in einem gleichmäßigen Winkelabstand in einem Verhältnis von zwei Schlitzen pro Phase und pro Pol vorgesehen. Die Statorwicklung ist so aufgebaut, dass Zick-Zack-Verbindungswicklungen für drei Phasen in dem Statorkern angebracht sind. Für die Magnetfeldpole wird ein massiver Kern eingesetzt, und eine Erregerwicklung wird bei einer Zentrumsachse vorgesehen, um einen Klauenpolrotor auszubilden (vgl. beispielsweise die Patentveröffentlichung 1, nämlich das japanische offengelegte Patent Nr. HEI9-154266 (Amtsblatt: 22)).

Bei herkömmlichen Kraftfahrzeuggeneratoren werden Wirbelstromverluste durch Oberwellen (Harmonische) an der Rotoroberfläche infolge von Oberwellen der magnetischen Spannung (Durchflutung) des Stators erzeugt, die infolge von Statorwicklungsströmen von Oberwellen der Permeanz in einem durch Statorschlitze hervorgerufene Luftspalte entstehen (nachstehend als „Schlitzoberwellen" bezeichnet), was zu einem schlechten Wirkungsgrad führt, und auch zur Beeinträchtigungen der Leistung, beispielsweise zu einer Temperaturerhöhung in dem Rotor und den Lagern, usw.. Da der Rotor massiv ist, sind die Wirbelstromverluste an der Rotoroberfläche groß.

Ein Nachteil besteht darin, dass durch diese Wirbelstromverluste an der Rotoroberfläche erzeugte Wärme zu einer Wärmeentmagnetisierung der Permanentmagneten führen kann, die zwischen den klauenförmigen Magnetpolen angeordnet sind.

Da Permanentmagneten in dem Rotor vorgesehen sind, wird eine induzierte Spannung beim Drehen des Rotors in der Statorwicklung selbst dann erzeugt, wenn das Erregerfeld abgeschaltet ist. Ein weiterer Nachteil bestand daher darin, dass im Bereich hoher Drehzahlen diese induzierte Spannung eine Stromversorgungsspannung und eine Spannung überschreiten kann, bei welcher Bauelemente zerstört werden.

Selbst wenn ein herkömmlicher Kraftfahrzeuggenerator als Elektromotor mittels Wechselrichterbetrieb betrieben wird, ist es darüber hinaus erforderlich, eine Spannungsgrenze festzusetzen, auf Grundlage einer Spannung, welche im Wechselrichter vorgesehene Halbleiterelemente zerstört. Wenn Permanentmagneten in dem Rotor vorgesehen sind, muss daher die in der Statorwicklung auftretende, induzierte Spannung in Reaktion auf die Drehzahl so gesteuert werden, dass sie nicht die Spannungsgrenze überschreitet. Da diese induzierte Spannung die Bauelemente in ernstzunehmender Weise beeinflusst, selbst wenn sie nur momentan die Spannungsgrenze überschreitet, werden auch momentane Überspannungen infolge von Oberwellen in der induzierten Spannung, die von den Permanentmagneten erzeugt wird, als Problem angesehen. Es ist daher wünschenswert, dass die Permanentmagneten so ausgebildet sind, dass ihre Oberwellenanteile verringert sind.

Mit der vorliegenden Erfindung sollen die voranstehend geschilderten Problem überwunden werden, und ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer elektrischen Drehmaschine, die es ermöglicht, Wirbelstromverluste an einer Rotoroberfläche zu verringern, und auch Oberwellenkomponenten einer induzierten Spannung, die durch einen Permanentmagneten induziert wird, zu verringern.

Angesichts des voranstehend angegebenen Ziels weist eine elektrische Drehmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung auf: einen Stator, der einen ringförmigen Statorkern aufweist, in dem zwei Schlitze pro Phase und pro Pol vorgesehen sind; und eine Dreiphasen-Statorwicklung, die an dem Statorkern angebracht ist; sowie einen Rotor, der innerhalb des Stators angeordnet ist, um einen Magnetfluss mit Hilfe einer Erregerwicklung und eines Permanentmagneten zu erzeugen. Die Dreiphasen-Statorwicklung weist mehrere Wicklungsphasenunterabschnitte auf, die jeweils in einer Schlitzgruppe angebracht sind, die durch jeden sechsten Schlitz der Schlitze gebildet wird. Ein X-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt, ein Y-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt, und Z-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt, welche die Dreiphasen-Statorwicklung bilden, sind jeweils so aufgebaut, dass die Statorwicklungsphasenunterabschnitte miteinander verbunden sind, die in einem benachbarten Paar der Schlitzgruppen angebracht sind. Weiterhin sind Schlitze in einem ungleichmäßigen Abstand vorgesehen, bei welchem der Winkel zwischen Zentrumslinien von Schlitzöffnungsabschnitten zwischen einem elektrischen Winkel von α und (60° – α) abwechselt, wobei α ungleich 30 Grad ist (α ≠ 30°).

Hierdurch werden Wirbelstromverluste an einer Rotoroberfläche verringert, und werden Oberwellenbestandteile einer induzierten Spannung verringert, die durch Permanentmagneten induziert wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:
1 einen Längsschnitt einer elektrischen Drehmaschine gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;
2 eine Perspektivansicht eines Stators, der in der elektrischen Drehmaschine gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
3 eine Ansicht von hinten mit einer schematischen Darstellung eines ersten Einzelphasen-Wicklungsphasenabschnittes einer Statorwicklung in dem Stator, der bei der elektrischen Drehmaschine gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
4 eine Aufsicht zur Erläuterung eines Wicklungsanordnungsbestandteils der Statorwicklung des Stators, der bei der elektrischen Drehmaschine gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
5 eine perspektivische Teilansicht eines durchgehenden Leiterdrahtes, der ein Teil der Wicklungsanordnung von 4 bildet;
6 eine perspektivische Teilansicht eines Paars kontinuierlicher Leiterdrähte, die einen Teil der Wicklungsanordnung in 4 bilden;
7 eine Ansicht von hinten eines Teils eines Statorkerns, der bei der elektrischen Drehmaschine gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
8 ein Schaltbild einer elektrischen Schaltung in der elektrischen Drehmaschine gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;
9 eine Perspektivansicht eines Teils eines Rotors, der bei der elektrischen Drehmaschine gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
10 ein Diagramm mit einer Darstellung des Oberwellenabschwächungsfaktors in Abhängigkeit von einer Luftspaltlänge bzw. einem Oberwellenabstand;
11 eine Darstellung von Beziehungen zwischen einem Relativwert des erzeugten Oberwellenmagnetflusses und einem ungleichmäßigen Abstandswinkel;
12 eine Darstellung von Beziehungen zwischen dem Relativwert für den erzeugten Oberwellenmagnetfluss und einem ungleichförmigen Abstandswinkel;
13 eine Darstellung von Beziehungen zwischen einem Relativwert für einen Rotoroberflächenverlust und einem ungleichmäßigen Abstandswinkel in einem massiven Rotor;
14 eine Darstellung von Beziehungen zwischen einem Relativwert für den Rotoroberflächenverlust und einem ungleichförmigen Abstandswinkel bei einem laminierten Rotor;
15 eine Darstellung von Beziehungen zwischen dem prozentualen Oberwellenanteil der durch eine enterregte Phase induzierten Spannung und einem ungleichförmigen Abstandswinkel;
16 eine Darstellung von Beziehungen zwischen dem prozentualen Oberwellenanteil bei abgeschalteter Erregerwicklung zwischen Drähten induzierten Spannung und einem ungleichförmigen Abstandswinkel;
17 eine Perspektivansicht eines Teils eines Rotors, der bei elektrischen Drehmaschine gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
18 einen Querschnitt eines Polkerns des Rotors, der bei der elektrischen Drehmaschine gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
19 eine perspektivische Teilansicht eines Rotors, der bei einer elektrischen Drehmaschine gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
20 einen Querschnitt eines Polkerns des Rotors, der bei der elektrischen Drehmaschine gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
21 einen Längsschnitt einer elektrischen Drehmaschine gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung;
22 ein Schaltbild einer elektrischen Schaltung der elektrischen Drehmaschine gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung;
23 eine perspektivische Teilansicht eines Rotors, der bei einer elektrischen Drehmaschine gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird; und
24 einen Querschnitt eines Polkerns des Rotors, der bei der elektrischen Drehmaschine gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.
Ausführungsform 1
1 ist ein Längsschnitt, der eine elektrische Drehmaschine gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
In 1 weist eine elektrische Drehmaschine 100 ein Gehäuse 3 auf, das durch eine vordere Stütze 1 und eine hintere Stütze 2 aus Aluminium gebildet wird, eine innerhalb des Gehäuses 3 angeordnete Welle 6, wobei eine Riemenscheibe 4 an einem ersten Endabschnitt der Welle 6 angebracht ist; einen Klauenpolrotor 7, der an der Welle 6 befestigt ist; Gebläse 5, die an einem ersten bzw. zweiten axialen Endabschnitt des Rotors 7 angebracht sind; einen Statorkern 8, der so an dem Gehäuse 3 befestigt ist, dass er den Rotor 7 umhüllt; ein Paar von Schleifringen 9, die an einem zweiten Endabschnitt der Welle 6 befestigt sind, um dem Rotor 7 elektrischen Strom zuzuführen; ein Paar von Bürsten 10, von denen jede auf einer Oberfläche eines Schleifrings 9 gleitet; einen Bürstenhalter 11 zur Aufnahme der Bürsten 10; einen Gleichrichter 12, der elektrisch an den Stator 8 angeschlossen ist, um in dem Stator 8 erzeugten Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln; und einen Regler 18, der an einem Kühlkörper 17 angebracht ist, der auf den Bürstenhalter 11 aufgepasst ist, wobei der Regler 18 die Stärke der Wechselspannung einstellt, die in dem Stator 8 erzeugt wird.
Der Rotor 7 weist eine Erregerwicklung 13 zur Erzeugung eines magnetischen Flusses beim Durchgang eines elektrischen Stroms auf, und ein Paar aus einem ersten und einem zweiten Polkern 20 bzw. 21, die so angeordnet sind, dass sie die Erregerwicklung 13 abdecken, wobei Magnetpole in dem ersten und zweiten Polkern 20 bzw. 21 durch den magnetischen Fluss von der Erregerwicklung erzeugt werden. Der erste und zweite Polkern 20, 21 bestehen aus Eisen, und weisen vier erste bzw. vier zweite, klauenförmige Magnetpole 22 bzw. 23 auf, wobei jeder der klauenförmigen Magnetpole 22, 23 eine im wesentlichen trapezförmige Oberflächenform am Außendurchmesser aufweist, und an einem Außenumfangsrandabschnitt mit gleichförmigem Winkelabstand in Umfangsrichtung so angeordnet ist, dass er in Axialrichtung vorsteht, und die ersten und zweiten Polkerne 20, 21 so an der Welle 6 befestigt sind, dass sie einander zugewandt sind, so dass die ersten und zweiten, klauenförmigen Magnetpole 22 bzw. 23 ineinander greifen.
Der Stator 8 ist zwischen der vorderen Stütze 1 und der hinteren Stütze 2 so gehaltert, dass ein gleichmäßiger Luftspalt zwischen Außenumfangsoberflächen der klauenförmigen Magnetpole 22 und 23 und einer Innenumfangsoberfläche eines Statorkerns 15 ausgebildet wird.
Als nächstes wird ein spezieller Aufbau des Stators 8 unter Bezugnahme auf die 2 bis 8 erläutert. Hierbei ist 2 eine Perspektivansicht eines Stators, der bei der elektrischen Drehmaschine gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, 3 eine Ansicht von hinten, die schematisch einen ersten Einzelphasen-Wicklungsphasenabschnitt einer Statorwicklung bei dem Stator zeigt, der bei der elektrischen Drehmaschine gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, 4 eine Aufsicht zur Erläuterung eines Wicklungsanordnungsbestandteils der Statorwicklung des Stators, der bei der elektrischen Drehmaschine gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, 5 eine perspektivische Teilansicht eines durchgehenden Leiterdrahtes, der ein Teil der in 4 gezeigten Wicklungsanordnung bildet, 6 eine perspektivische Teilansicht eines Paares durchgehender Leiterdrähte, die ein Teil der in 4 gezeigten Wicklungsanordnung bilden, 7 eine Ansicht von hinten eines Teils eines Statorkerns, der bei der elektrischen Drehmaschine gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, und 8 ein Schaltbild einer elektrischen Schaltung bei der elektrischen Drehmaschine gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung. Weiterhin sind in 3 Verdrahtungen am hinteren Ende mit durchgezogenen Linien dargestellt, Verdrahtungen am Vorderende mit gestrichelten Linien, und Verbindungsabschnitte durch schwarze Kreise.
Der Stator 8 wird durch einen zylindrischen Statorkern 15, der aus einem laminierten Körper aus magnetischen Blechen besteht, und eine Dreiphasen-Statorwicklung 16 gebildet, die in dem Statorkern 15 vorgesehen ist.
Sechsundneunzig Schlitze 15a, die zu einer Innenumfangsseite hin offen sind, sind in dem Statorkern 15 in Umfangsrichtung vorgesehen. Die Schlitze 15a sind, wie in 7 gezeigt, in einem ungleichmäßigen Abstand vorgesehen, durch Änderung der Umfangsbreite von Zähnen 15c auf solche Weise, dass die Entfernung zwischen Zentrumslinien von Schlitzöffnungsabschnitten 15b zwischen einem elektrischen Winkel von α und (60° – α) wechselt. Hierbei ist α gleich 36 Grad (α = 36°). Anders ausgedrückt sind Schlitze 15a in einem Verhältnis von zwei Schlitzen pro Phase pro Pol in einem ungleichmäßigen Abstand vorgesehen, der zwischen einem elektrischen Winkel von 36 Grad (36°) und 24 Grad (24°) wechselt. Weiterhin sind die Zentrumslinien gerade Linien, die jeweils ein Umfangszentrum eines Schlitzöffnungsabschnittes 15b und die Zentrumsachse des Statorkerns 15 in einer Ebene senkrecht zur Zentrumsachse des Statorkerns 15 verbinden.
Als nächstes wird die Konstruktion der Dreiphasen-Statorwicklung 16 erläutert.
Zuerst wird unter Bezugnahme die Konstruktion eines Einzelwicklungsphasenunterabschnittes erläutert, welcher die Dreiphasen-Statorwicklung 16 bildet. Zur Erleichterung der Beschreibung werden Aufnahmeabschnitte von Leiterdrähten 40 innerhalb der Schlitze 15a bezeichnet als Adresse 1, Adresse 2, ..., Adresse 6 von der Innenumfangsseite her.
Ein a-Phasen-Wicklungsphasenunterabschnitt 30a wird durch erste bis sechste Wellenwicklungsunterabschnitte 41 bis 46 gebildet, die jeweils aus einem Leiterdraht 40 bestehen, der ein durchgehender Kupferdraht ist, einen rechteckigen Querschnitt aufweist, und mit einer elektrischen Isolierung beschichtet ist. Der erste Wellenwicklungsabschnitt 41 wird dadurch aufgebaut, dass wellenförmig ein Leiterdraht 40 so gewickelt wird, dass er abwechselnd die Adresse 1 und Adresse 2 in jedem sechsten Schlitz 15a vom Schlitz Nr. 1 bis Nr. 91 einnimmt. Der zweite Wellenwicklungsunterabschnitt 42 wird dadurch hergestellt, dass wellenförmig ein Leiterdraht 40 so gewickelt wird, dass er abwechselnd Adresse 2 und Adresse 1 in jedem sechsten Schlitz 15a vom Schlitz Nr. 1 zu Nr. 91 einnimmt. Der dritte Wellenwicklungsunterabschnitt 43 wird so aufgebaut, dass wellenförmig ein Leiterdraht 40 so gewickelt wird, dass er abwechselnd Adresse 3 und Adresse 4 in jedem sechsten Schlitz 15a vom Schlitz Nr. 1 bis Nr. 91 einnimmt. Der vierte Wellenwicklungsunterabschnitt 44 wird so aufgebaut, dass wellenförmig ein Leiterdraht 40 so gewickelt wird, dass abwechselnd Adresse 4 und Adresse 3 in jedem sechsten Schlitz 15a vom Schlitz Nr. 1 bis Nr. 91 eingenommen wird. Der fünfte Wellenwicklungsunterabschnitt 45 wird so aufgebaut, dass wellenförmig ein Leiterdraht 40 so gewickelt wird, dass abwechselnd Adresse 5 und Adresse 6 in jedem sechsten Schlitz 15a vom Schlitz Nr. 1 bis Nr. 91 eingenommen wird. Der sechste Wellenwicklungsunterabschnitt 46 wird so aufgebaut, dass wellenförmig ein Leiterdraht 40 so gewickelt wird, dass abwechselnd Adresse 6 und Adresse 5 in jedem sechsten Schlitz 15a vom Schlitz Nr. 1 bis Nr. 91 eingenommen wird. In jedem der Schlitze 15a sind sechs Leiterdrähte 40 so angeordnet, dass sie in einer Säule in Radialrichtung ausgerichtet sind, wobei die Längsachsen ihrer rechteckigen Querschnitte in Radialrichtung ausgerichtet sind.
Weiterhin werden die ersten bis sechsten Wellenwicklungsunterabschnitte 41 bis 46 jeweils als Einzelwicklungswellenwicklungen ausgebildet, durch miteinander Verbinden erster und zweiter Enden der Leiterdrähte 40 durch Wolframinertgasschweißen (TIG-Schweißen). Der zweite Wellenwicklungsunterabschnitt 42, der vierte Wellenwicklungsunterabschnitt 44, und der sechste Wellenwicklungsunterabschnitt 46 sind so um einen elektrischen Winkel von 180 Grad (180°) versetzt, dass sie entgegengesetzt im Vergleich zum ersten Wellenwicklungsunterabschnitt 41, dem dritten Wellenwicklungsunterabschnitt 43, und dem fünften Wellenwicklungsunterabschnitt 45 gewickelt sind.
Am hinteren Ende des Statorkerns 15 werden Abschnitte der Leiterdrähte 40 des ersten, dritten und fünften Wellenwicklungsunterabschnittes 41, 43 bzw. 45, die nach außen vom Schlitz Nr. 91 und vom Schlitz Nr. 1 der Schlitze 15a vorspringen, abgeschnitten, und werden Abschnitte der Leiterdrähte 40 des zweiten, vierten und sechsten Wellenwicklungsunterabschnittes 42, 44 bzw. 46, die vom Schlitz Nr. 1 und Schlitz Nr. 7 der Schlitze 15a nach außen vorspringen, abgeschnitten. Dann werden das abgeschnittene Ende des dritten Wellenwicklungsunterabschnittes 43, das nach außen von der Adresse 4 des Schlitzes Nr. 91 der Schlitze 15a vorspringt, und das abgeschnittene Ende des ersten Wellenwicklungsunterabschnittes 41, das nach außen von der Adresse 1 des Schlitzes Nr. 1 der Schlitze 15a vorspringt, miteinander durch TIG-Schweißen verbunden. Das abgeschnittene Ende des fünften Wellenwicklungsunterabschnittes 45, das nach außen von Adresse 6 des Schlitzes Nr. 91 der Schlitze 15a vorspringt, und das abgeschnittene Ende des dritten Wellenwicklungsunterabschnittes 43, das nach außen von Adresse 3 des Schlitzes Nr. 1 der Schlitze 15a vorspringt, werden miteinander durch TIG-Schweißen verbunden. Das abgeschnittene Ende des vierten Wellenwicklungsunterabschnittes 44, das nach außen von Adresse 4 des Schlitzes Nr. 1 der Schlitze 15a vorspringt, und das abgeschnittene Ende des zweiten Wellenwicklungsunterabschnittes 42, das nach außen von Adresse 1 des Schlitzes Nr. 7 der Schlitze 15a vorspringt, werden miteinander durch TIG-Schweißen verbunden. Das abgeschnittene Ende des sechsten Wellenwicklungsunterabschnittes 46, das nach außen von Adresse 6 des Schlitzes Nr. 1 der Schlitze 15a vorspringt, und das abgeschnittene Ende des vierten Wellenwicklungsunterabschnittes 44, das nach außen von Adresse 3 des Schlitzes Nr. 7 der Schlitze 15a vorspringt, werden miteinander durch TIG-Schweißen verbunden. Schließlich wird das abgeschnittene Ende des ersten Wellenwicklungsunterabschnittes 41, das nach außen von Adresse 2 des Schlitzes Nr. 91 der Schlitze 15a vorspringt, und das abgeschnittene Ende des zweiten Wellenwicklungsunterabschnittes 42, das nach außen von Adresse 2 des Schlitzes Nr. 1 der Schlitze 15a vorspringt, miteinander durch TIG-Schweißen verbunden. Auf diese Weise wird eine Wellenwicklung mit sechs Windungen (der a-Phasen-Wicklungsphasenunterabschnitt 30a) ausgebildet, bei welchem der erste bis sechste Wellenwicklungsunterabschnitt 41 bis 46 in Reihe geschaltet sind. Das abgeschnittene Ende des fünften Wellenwicklungsunterabschnittes 45, das nach außen von Adresse 5 des Schlitzes Nr. 1 der Schlitze 15a vorspringt, und das abgeschnittene Ende des sechsten Wellenwicklungsunterabschnittes 46, das nach außen von Adresse 5 des Schlitzes Nr. 7 der Schlitze 15a vorspringt, werden zu einem ersten bzw. zweiten Endabschnitt des a-Phasen-Wicklungsphasenunterabschnittes 30a.
Obwohl nicht gezeigt, werden ein d-Phasen-Wicklungsphasenunterabschnitt 30d, ein c-Phasen-Wicklungsphasenunterabschnitt 30c, ein f-Phasen-Wicklungsphasenunterabschnitt 30f, ein b-Phasen-Wicklungsphasenunterabschnitt 30b, und ein e-Phasen-Wicklungsphasenunterabschnitt 30e auf entsprechende Art und Weise hergestellt, so dass die Schlitzgruppen, in welchen die Leiterdrähte 40 jedes Wicklungsphasenunterabschnittes angeordnet werden, aufeinanderfolgend um einen Schlitz gegeneinander versetzt sind. Der a-Phasen-Wicklungsphasenunterabschnitt 30a ist in einer ersten Schlitzgruppe mit den Schlitznummern 1, 7, ..., 91 angeordnet, der d-Phasen-Wicklungsphasenunterabschnitt 30d ist in einer zweiten Schlitzgruppe mit den Schlitznummern 2, 8, ..., 92 angeordnet, der c-Phasen-Wicklungsphasenunterabschnitt 30c ist in einer dritten Schlitzgruppe mit den Schlitznummern 3, 9,..., 93 angeordnet, der f-Phasen-Wicklungsphasenunterabschnitt 30f ist in einer vierten Schlitzgruppe mit den Schlitznummern 4, 10, ..., 94 angeordnet, der b-Phasen-Wicklungsphasenunterabschnitt 30b ist in einer fünften Schlitzgruppe mit den Schlitznummern 5, 11, ..., 95 angeordnet, und der e-Phasen-Wicklungsphasenunterabschnitt 30e ist in einer sechsten Schlitzgruppe mit den Schlitznummern 6, 12, ..., 96 angeordnet. Der d-Phasen-Wicklungsphasenunterabschnitt 30d 30d, der e-Phasen-Wicklungsphasenunterabschnitt 30e, und der f-Phasen-Wicklungsphasenunterabschnitt 30f weisen eine Phasendifferenz entsprechend einem elektrischen Winkel von 36 Grad (36°) relativ zum a-Phasen-Wicklungsphasenunterabschnitt 30a auf, bzw. zum b-Phasen-Wicklungsphasenunterabschnitt 30b, bzw. zum c-Phasen-Wicklungsphasenunterabschnitt 30c.
Hierbei werden das abgeschnittene Ende des fünften Wellenwicklungsunterabschnittes 45, das nach außen von Adresse 5 des Schlitzes Nr. 2 der Schlitze 15a vorspringt, und das abgeschnittene Ende des sechsten Wellenwicklungsunterabschnittes 46, das nach außen von Adresse 5 des Schlitzes Nr. 8 der Schlitze 15a vorspringt, zu einem ersten bzw. zweiten Endabschnitt des d-Phasen-Wicklungsphasenunterabschnitt 30d. Das abgeschnittene Ende des fünften Wellenwicklungsunterabschnittes 45, das nach außen von Adresse 5 des Schlitzes Nr. 11 der Schlitze 15a vorspringt, und das abgeschnittene Ende des sechsten Wellenwicklungsunterabschnittes 46, das nach außen von Adresse 5 des Schlitzes Nr. 17 der Schlitze 15a vorspringt, werden zu einem ersten bzw. zweiten Endabschnitt des b-Phasen-Wicklungsphasenunterabschnitt 30b. Das abgeschnittene Ende des fünften Wellenwicklungsunterabschnittes 45, das nach außen von Adresse 5 des Schlitzes Nr. 12 der Schlitze 15a vorspringt, und das abgeschnittene Ende des sechsten Wellenwicklungsunterabschnittes 46, das nach außen von Adresse 5 des Schlitzes 18 der Schlitze 15a vorspringt, werden zu einem ersten bzw. zweiten Endabschnitt des e-Phasen-Wicklungsphasenunterabschnitt 30e. Das abgeschnittene Ende des fünften Wellenwicklungsunterabschnittes 45, das nach außen von Adresse 5 des Schlitzes Nr. 21 der Schlitze 15a vorspringt, und das abgeschnittene Ende des sechsten Wellenwicklungsunterabschnittes 46, das nach außen von Adresse 5 des Schlitzes Nr. 27 der Schlitze 15a vorspringt, werden zu einem ersten bzw. zweiten Endabschnitt des c-Phasen-Wicklungsphasenunterabschnitt 30c. Das abgeschnittene Ende des fünften Wellenwicklungsunterabschnittes 45, das nach außen von Adresse 5 des Schlitzes Nr. 22 der Schlitze 15a vorspringt, und das abgeschnittene Ende des sechsten Wellenwicklungsunterabschnittes 46, das nach außen von Adresse 5 des Schlitzes Nr. 28 der Schlitze 15a vorspringt, werden zu einem ersten bzw. zweiten Endabschnitt des f-Phasen-Wicklungsphasenunterabschnitt 30f.
Dann werden, wie in 2 gezeigt, das abgeschnittene Ende des fünften Wellenwicklungsunterabschnittes 45, das nach außen von Adresse 5 des Schlitzes Nr. 2 der Schlitze 15a vorspringt, und das abgeschnittene Ende des sechsten Wellenwicklungsunterabschnittes 46, das nach außen von Adresse 5 des Schlitzes Nr. 7 der Schlitze 15a vorspringt, um einen oberen Abschnitt eines Hinterendwicklungsendabschnitt 16r herumgeführt, und werden die Endabschnitte aneinander angestoßen und miteinander durch TIG-Schweißen verbunden, wodurch ein erster Verbindungsabschnitt 31_a–d gebildet wird. Hierdurch wird ein X-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt 16_X ausgebildet, bei welchem der a-Phasen-Wicklungsphasenunterabschnitt 30a und der d-Phasen-Wicklungsphasenunterabschnitt 30d in Reihe geschaltet sind. Anders ausgedrückt arbeiten der a-Phasen-Wicklungsphasenunterabschnitt 30a und der d-Phasen-Wicklungsphasenunterabschnitt 30d jeweils als erster bzw. zweiter Statorwicklungsphasenunterabschnitt, und sind im Zick-Zack mit einem elektrischen Winkel von 36 Grad (36°) angeschlossen.
Das abgeschnittene Ende des fünften Wellenwicklungsunterabschnittes 45, das nach außen von Adresse 5 des Schlitzes Nr. 12 der Schlitze 15a vorspringt, und das abgeschnittene Ende des sechsten Wellenwicklungsunterabschnittes 46, das nach außen von Adresse 5 des Schlitzes Nr. 17 der Schlitze 15a vorspringt, werden um einen oberen Abschnitt des Hinterendwicklungsendabschnittes 16r herumgeführt, und die Endabschnitte werden aneinander angestoßen, und miteinander durch TIG-Schweißen verbunden, wodurch ein zweiter Verbindungsabschnitt 31_b–e ausgebildet wird. Auf diese Weise wird ein Y-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt 16_Y ausgebildet, bei welchem der b-Phasen-Wicklungsphasenunterabschnitt 30b und der e-Phasen-Wicklungsphasenunterabschnitt 30e in Reihe geschaltet sind. Anders ausgedrückt sind der b-Phasen-Wicklungsphasenunterabschnitt 30b und der e-Phasen-Wicklungsphasenunterabschnitt 30e, die als erster bzw. zweiter Statorwicklungsphasenunterabschnitt dienen, zick-zack-artig unter einem elektrischen Winkel von 36 Grad (36°) verbunden.
Das abgeschnittene Ende des fünften Wellenwicklungsunterabschnittes 45, das nach außen von Adresse 5 des Schlitzes Nr. 22 der Schlitze 15a vorspringt, und das abgeschnittene Ende des sechsten Wellenwicklungsunterabschnittes 46, das nach außen von Adresse 5 des Schlitzes Nr. 27 der Schlitze 15a vorspringt, werden um einen oberen Abschnitt des Hinterendwicklungsendabschnittes 16r herumgeleitet, und die Endabschnitte werden aneinander angestoßen, und miteinander durch TIG-Schweißen verbunden, wodurch ein dritter Verbindungsabschnitt 31_c–f ausgebildet wird. Auf diese Weise wird ein Z-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt 16_Z ausgebildet, bei welchem der c-Phasen-Wicklungsphasenunterabschnitt 30c und der f-Phasen-Wicklungsphasenunterabschnitt 30f in Reihe geschaltet sind. Anders ausgedrückt sind der c-Phasen-Wicklungsphasenunterabschnitt 30c und der f-Phasen-Wicklungsphasenunterabschnitt 30f, die jeweils als erster bzw. zweiter Statorwicklungsphasenunterabschnitt dienen, im Zick-Zack unter einem elektrischen Winkel von 36 Grad (36°) verbunden.
Das abgeschnittene Ende des sechsten Wellenwicklungsunterabschnittes 46, das nach außen von Adresse 5 des Schlitzes Nr. 8 der Schlitze 15a vorspringt, das abgeschnittene Ende des sechsten Wellenwicklungsunterabschnittes 46, das nach außen von Adresse 5 des Schlitzes Nr. 18 der Schlitze 15a vorspringt, und das abgeschnittene Ende des sechsten Wellenwicklungsunterabschnittes 46, das nach außen von Adresse 5 des Schlitzes Nr. 28 der Schlitze 15a vorspringt, werden um einen oberen Abschnitt des Hinterendwicklungsendabschnittes 16r herumgeführt, und die Endabschnitte werden aneinander angestoßen, und miteinander durch TIG-Schweißen verbunden, wodurch ein neutraler Punkt N ausgebildet wird. Auf diese Weise wird die Dreiphasen-Statorwicklung 16 erhalten, die als Dreiphasen-Wechselstromwicklung ausgebildet ist, bei welcher in Sternschaltung der x-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt 16_X , der Y-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt 16_Y , und der Z-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt 16_Z miteinander verbunden sind.
Das abgeschnittene Ende des fünften Wellenwicklungsunterabschnittes 45, das nach außen von Adresse 5 des Schlitzes Nr. 1 der Schlitze 15a vorspringt, wird zu einer Ausgangsleitung O_X des X-Phasen-Wicklungsphasenabschnittes 16_X . Das abgeschnittene Ende des fünften Wellenwicklungsunterabschnittes 45, das nach außen von Adresse 5 des Schlitzes Nr. 11 der Schlitze 15a vorspringt, wird zu einer Ausgangsleitung O_Y des Y-Phasen-Wicklungsphasenabschnittes 16_Y . Das abgeschnittene Ende des fünften Wellenwicklungsunterabschnittes 45, das nach außen von Adresse 5 des Schlitzes Nr. 21 der Schlitze 15a vorspringt, wird zu einer Ausgangsleitung O_Z des Z-Phasen-Wicklungsphasenabschnittes 16_Z .
Ein auf diese Weise hergestellter Stator 8 wird an der elektrischen Drehmaschine 100 angebracht, und die Ausgangsleitungen O_X, O_Y und O_Z werden an einen Gleichrichter 12 angeschlossen, wodurch die in 8 gezeigte elektrische Schaltung ausgebildet wird.
Als nächstes kann die Dreiphasen-Statorwicklung 16 hergestellt werden, unter Verwendung einer Wicklungsanordnung 50 wie jener, die in 4 gezeigt ist.
Diese Wicklungsanordnung 50 wird dadurch hergestellt, dass gleichzeitig zwölf Leiterdrähte 40 abgebogen werden, die parallel zueinander angeordnet sind, mit einem Abstand von einem Schlitz in Form eines Blitzes in einer gemeinsamen Ebene.
Wie in 5 gezeigt, wird jeder der Leiterdrähte 40, der in Form eines Blitzes gebogen wird, so ausgeformt, dass er zu einem ebenen Muster gebogen wird, bei welchem gerade Schlitzaufnahmeabschnitte 40a, verbunden durch Rückkehrabschnitte 40b, in einem Abstand von sechs Schlitzen (6P) angeordnet sind. Benachbarte Paare der Schlitzaufnahmeabschnitte 40a sind durch die Rückkehrabschnitte 40b um eine Breite (w) der Leiterdrähte 40 versetzt.
Sechs Paare von Leiterdrähten 40, bei denen jeweils zwei der Leiterdrähte 40, die durch Biegen auf diese Art und Weise ausgeformt wurden, um einen Abstand von sechs Schlitzen versetzt sind, wobei Schlitzaufnahmeabschnitte 40a gestapelt sind, wie in 6 gezeigt, werden so angeordnet, dass sie um einen Abstand von einem Schlitz gegeneinander versetzt sind, um die Wicklungsanordnung 50 auszubilden.
Drei Wicklungsanordnungen 50, die auf diese Weise hergestellt wurden, werden in drei Schichten aufeinander gestapelt, und an dem Statorkern 15 angebracht. Jeder der Leiterdrähte 40 wird so angebracht, dass abwechselnd eine innere Schicht und eine äußere Schicht in Richtung der Schlitztiefe in den Schlitzen 15a in jedem sechsten Schlitz eingenommen wird, wodurch der erste bis sechste Wellenwicklungsunterabschnitt 41 bis 46 in 3 ausgebildet wird. Der a-Phasen-Wicklungsphasenunterabschnitt 30a, der b-Phasen-Wicklungsphasenunterabschnitt 30b, der c-Phasen-Wicklungsphasenunterabschnitt 30c, der d-Phasen-Wicklungsphasenunterabschnitt 30d, der e-Phasen-Wicklungsphasenunterabschnitt 30e, und der f-Phasen- Wicklungsphasenunterabschnitt 30f, die jeweils aus einer Wellenwicklung mit sechs Windungen bestehen, bei welcher die ersten bis sechsten Wellenwicklungsunterabschnitte 41 bis 46 in Reihe geschaltet sind, werden so konstruiert, dass Verbindungen auf Grundlage des in 3 dargestellten Verbindungsverfahrens hergestellt werden. Weiterhin werden an dem hinteren Ende des Statorkerns 15 die Rückkehrabschnitte 40b in einem Abstand von einem Schlitz in Umfangsrichtung angeordnet, so dass sie drei Reihen bilden, welche einen Hinterendwicklungsendabschnitt 16r bilden. Am Vorderende des Statorkerns 15 werden die Rückkehrabschnitte 40b in einem Abstand von einem Schlitz in Umfangsrichtung angeordnet, so dass drei Reihen ausgebildet werden, welche einen Vorderendwicklungsendabschnitt 16f bilden.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 9 eine spezielle Ausbildung des Rotors 7 erläutert. 9 ist eine Perspektivansicht eines Teils eines Rotors, der bei der elektrischen Drehmaschine gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.
Bei dem Rotor 7 sind klauenförmige Magnetpole 22 und 23 als massiver Körper aus magnetischem Material ausgebildet, und sind im wesentlichen Permanentmagneten 25 in Form rechteckiger Quader, die einer Richtung magnetisiert sind, die einen magnetischen Kriechfluss zwischen diesen klauenförmigen Magnetpolen 22 und 23 verringert, und sind zwischen den klauenförmigen Magnetpolen 22 und 23 befestigt. Durch Erhöhung des effektiven Magnetflusses, der mit dem Stator 8 wechselwirkt, mit Hilfe dieser Permanentmagneten 25 wird eine Verbesserung der Ausgangsleistung erzielt.
Als nächstes werden die Auswirkungen und die Betriebsweise der Ausführungsform 1 erläutert.
Oberwellen, die von dem Statorkern 15 erzeugt werden, der Schlitze 15a aufweist, die in einem Anteil von zwei Schlitzen pro Phase pro Pol vorgesehen sind, sowie vom Stator 8, der einen Dreiphasen-Statorwicklung 16 aufweist, in welchem drei Phasen zick-zack-förmig verbunden sind, werden in Oberwellen der magnetischen Spannung des Stators und in Schlitzoberwellen unterteilt, und die Oberwellen der magnetischen Spannung lassen sich theoretisch berechnen. Die Schlitzoberwellen ändern sich in Abhängigkeit von der Größe der Umfangsbreite (einer Schlitzöffnungsabschnittsbreite) der Schlitzöffnungsabschnitte 15b, aber da das Verhältnis der Schlitzöffnungsabschnittsbreite zum Schlitzabstand im allgemeinen 1/2 bis 1/5 beträgt, kann auch die Größe der Schlitzoberwellen theoretisch berechnet werden.
Rotoroberflächenverluste werden jedoch nicht allein durch die Größe der Oberwellen bestimmt. In bezug auf die Oberwellen, die zu Rotoroberflächenverlusten beitragen, ist es erforderlich, nicht nur die Größe der erzeugten Oberwellen zu berücksichtigen, sondern auch die Größe dieser Oberwellen, die mit dem Rotor 7 über den Luftspalt wechselwirkt. Aus diesem Grund ist es erforderlich, die Größe jeder der räumlichen Oberwellen zu bestimmen, welche die Rotoroberfläche über den Luftspalt erreichen. Hierbei ist mit „Luftspalt" ein Spalt zwischen einer Außenumfangsoberfläche des Rotors 7 und einer Innenumfangsoberfläche des Statorkerns 15 gemeint.
„Ordnung der räumlichen Oberwelle" bedeutet die Länge einer Periode des Oberwellenabstands in dem Luftspalt, wobei „Oberwelle fünfter Ordnung" einen Abstand mit einer Länge von 1/5 einer Periode (zwei Pole) der Fundamentalwelle bedeutet. Anders ausgedrückt ist der Abstand der räumlichen Oberwelle der n-ten Ordnung gleich 1/n.
Um die Größe jeder der voranstehend geschilderten Oberwellen zu bestimmen, welche die Rotoroberfläche erreichen, führten die vorliegenden Anmelder detaillierte Untersuchungen von Elektromagnetfeldern durch, und berechneten den Oberwellenabschwächungsfaktor relativ zur Luftspaltmenge bzw. zum Oberwellenabstand. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen der elektromagnetischen Felder sind in 10 dargestellt.
Aus 10 sieht man, dass je größer die Luftspaltlänge bzw. der Oberwellenabstand ist, desto stärker der Oberwellenmagnetfluss verringert wird, welcher die Rotoroberfläche erreicht.
In den 11 und 12 sind Ergebnisse angegeben, die erhalten wurden, wenn die Größe jeder Oberwelle an der Rotoroberfläche in bezug auf den Schlitzöffnungsabschnitts-Abstandswinkel berechnet wurde (den Abstand zwischen den Zentrumslinien der Schlitzöffnungsabschnitte), während der Abschwächungsfaktor berücksichtigt wurde, der aus den Ergebnissen dieser Untersuchungen der Elektromagnetfelder erhalten wurde.
11 zeigt einen Fall, in welchem ein Statorkern verwendet wird, bei welchem das Verhältnis der Zahnspitzenendbreite zur Schlitzöffnungsabschnittsbreite gleich 2:1 ist (ein Fall, in welchem der Einfluss der Schlitzoberwellen klein ist), und 12 betrifft einen Fall, in welchem ein Statorkern verwendet wird, bei welchem das Verhältnis der Zahnspitzenendbreite zur Schlitzöffnungsabschnittsbreite gleich 3:1 ist (ein Fall, in welchem der Einfluss der Schlitzoberwellen groß ist). Darüber hinaus werden Statorkerne üblicherweise so hergestellt, dass das Verhältnis der Zahnspitzenendbreite zur Schlitzöffnungsabschnittsbreite im Bereich von größer oder gleich 2 und kleiner oder gleich 3 liegt (2 ≤ (Zahnspitzenendbreite/Schlitzöffnungsabschnittsbreite) ≤ 3).
In den 11 und 12 sind die elften und dreizehnten Oberwellen groß, da dies Ordnungen der Oberwellen sind, bei denen sich die Oberwellen der magnetischen Spannung (Durchflutung) und die Schlitzoberwellen überlagern.
Die Rotoroberflächenverluste können nicht allein mit den Größen der Oberwellen untersucht werden, die in den 11 und 12 gezeigt sind. Dies liegt daran, dass Verluste proportional zum Quadrat der Wirbelströme auftreten, die von diesen Oberwellen erzeugt werden.
Wenn nun, wie beim Rotor 7, die Magnetpole durch einen massiven Körper aus magnetischem Material gebildet werden (nachstehend bezeichnet als „massiver Rotor"), kann infolge der Tatsache, dass die Wirbelströme so betrachtet werden können, dass sie im wesentlichen proportional zur Magnetflussdichte sind, die Größe der Wirbelstromverluste infolge der Oberwellen als proportional zum Quadrat der Größe der Oberwellen betrachtet werden. Wenn die Magnetpole eines Rotors dadurch ausgebildet werden, dass Platten aus magnetischem Stahl zusammenlaminiert und vereinigt werden (nachstehend bezeichnet als „laminierter Rotor"), können die Wirbelströme so betrachtet werden, dass sie im wesentlichen proportional zum Produkt des Quadrates der Frequenz und des Quadrates der Magnetflussdichte sind. Anders ausgedrückt können die Verluste auch so angesehen werden, dass sie zwischen dem Quadrat der Größe der Oberwellen und dem Quadrat von ((Größe der Oberwellen) × (Frequenz)) liegen, unabhängig vom Material des Rotors 7.
Die Frequenzen der Oberwellen fünfter Ordnung und siebter Ordnung sind Frequenzen, die das sechsfache der Fundamentalfrequenz in dem Rotorkoordinatorsystem betragen, und entsprechend sind die Oberwellen elfter Ordnung und dreizehnter Ordnung das zwölffache der Fundamentalfrequenz, sind die Oberwellen der siebzehnten Ordnung und der neunzehnten Ordnung das achtzehnfache der Fundamentalfrequenz, und sind die Oberwellen der dreiundzwanzigsten Ordnung und der fünfundzwanzigsten Ordnung das vierundzwanzigfache der Fundamentalfrequenz.
In bezug auf diese Frequenzen ist das Verhältnis der Rotoroberflächenverluste bei einem Stator mit ungleichmäßigem Abstand zu den Rotoroberflächenverlusten bei Schlitzen mit gleichmäßigem Abstand von α = 30 Grad (30°) in den 13 und 14 als Diagramm dargestellt. Hierbei betrifft 13 einen massiven Rotor, bei dem eine Proportionalität zum Quadrat der Größe der Oberwellen vorhanden ist, und 14 einen laminierten Rotor.
Aus 13 sieht man, das bei einem massiven Rotor die Rotoroberflächenverluste, wenn ein ungleichmäßiger Abstandswinkel α innerhalb eines Bereiches von mehr als 30 Grad bis weniger oder gleich 37 Grad (30° < α ≤ 37°) liegt, niedriger sind als die Rotoroberflächenverluste mit einem gleichmäßigen Abstandswinkel von 30 Grad (30°).
Aus 14 geht hervor, dass bei einem laminierten Rotor die Rotoroberflächenverluste am größten bei α mit einem gleichmäßigen Abstand von 30 Grad (30°) sind, und dass die Rotoroberflächenverluste verringert werden, wenn α auf größer als 30 Grad (30°) oder kleiner als 30 Grad (30°) eingestellt ist.
Um die voranstehenden Ausführungen zusammenzufassen, kann im Falle eines massiven Rotors eine elektrische Drehmaschine mit hohem Wirkungsgrad und hoher Verlässlichkeit erzielt werden, wenn der ungleichförmige Abstandswinkel α von Statorschlitzen, die bei einer Dreiphasen-Zick-Zack-Wicklung mit zwei Schlitzen pro Phase pro Pol vorhanden sind, innerhalb eines Bereiches von mehr als 30 Grad bis weniger oder gleich 37 Grad liegt (30° < α ≤ 37°), da die Rotoroberflächenverluste infolge von Oberwellen verringert sind.
Andererseits kann im Falle eines laminierten Rotors eine elektrische Drehmaschine mit hohem Wirkungsgrad und hoher Verlässlichkeit erzielt werden, wenn der Abstand von Statorschlitzen, die mit einer Dreiphasen-Zick-Zack-Wicklung versehen sind, mit zwei Schlitzen pro Phase pro Pol, ungleichmäßig ist (α ≠ 30°), da die Rotoroberflächenverluste infolge von Oberwellen verringert werden. Weiterhin geht aus 14 hervor, dass es vorzuziehen ist, dass der ungleichförmige Abstandswinkel α größer oder gleich 20 Grad ist, und kleiner oder gleich 28 Grad (20° ≤ α ≤ 28°), oder größer oder gleich 32 Grad und kleiner oder gleich 38 Grad ist (32° ≤ α ≤ 38°).
Als nächstes werden die Oberwellenkomponenten der induzierten Spannung untersucht, die in der Dreiphasen-Statorwicklung 16 durch die Permanentmagneten 25 erzeugt wird, wenn die magnetische Erregerspannung von der Erregerwicklung 13 gleich 0 ist (wenn der Erregerstrom gleich 0 ist).
Die magnetische Spannung der Oberwellen von den Permanentmagneten 25 tritt im allgemeinen nur dann auf, wenn die Ordnung der Oberwelle eine ungeradzahlige Ordnung ist, so dass die induzierte Spannung, die in der Dreiphasen-Statorwicklung 16 für eine Dreiphasenwicklung erzeugt wird, bei welcher die Anzahl von Schlitzen pro Phase pro Pol gleich eins (1) ist, durch die folgenden Ausdrücke ausgedrückt wird:
Phasenspannung V_p1 (für Dreieckschaltung) Vp1 = Acos (nωt) (1)
Leitungsspannung V₁₁ (für Sternschaltung) V11 = 2Asin(60n)sin(nωt – 60n) (2)
wobei n die Ordnung der Oberwelle ist, ω die Winkelfrequenz des Fundamentalsignals, A die Amplitude, und t die Zeit.
Andererseits ergeben sich folgende Ausdrücke, wenn die Anzahl an Schlitzen pro Phase pro Pol zwei (2) beträgt, und α ein ungleichmäßiger Abstandswinkel ist:
Phasenspannung V_p1 (für Dreieckschaltung) Vp1 = Acos(na/2)cos{nωt – (na/2)} (3)
Leitungsspannung V₁₁ (für Sternschaltung) V11 = 2Acos(na/2)sin(60n)sin{nωt – (na/2) – 60n} (4)
Ergebnisse, wenn die Spitzenwerte der Oberwellenkomponenten, die unter Verwendung der voranstehenden Ausdrücke (3) und (4) ermittelt wurden, als Diagramme in Abhängigkeit von den ungleichmäßigen Abstandswinkel α dargestellt werden, sind in den 15 und 16 gezeigt. 15 zeigt die Beziehung zwischen der Phasenspannung und dem ungleichmäßigen Abstandswinkel α, und 16 zeigt die Beziehung zwischen der Leitungsspannung und dem ungleichmäßigen Abstandswinkel α. Die Größe jeder Oberwelle beruht allerdings auf der Annahme, dass die Amplitude des Fundamentalsignals der induzierten Phasenspannung gleich zwei (2) ist, und die Amplitude der Oberwelle n-ter Ordnung gleich 1/n ist.
Aus 15 und 16 geht hervor, dass die Oberwelle fünfter Ordnung bei einem ungleichmäßigen Abstandswinkel von 360 Grad (360°) minimiert wird, und die Oberwelle der siebten Ordnung bei 25,7 Grad (25,7°) (= 180°/7), und dass sich die Oberwellen elfter und dreizehnter Ordnung durch Spitzenwerte in der Nähe von 30 Grad (30°) auszeichnen. Aus diesen Eigenschaften wird deutlich, dass die Oberwellen der induzierten Spannung dadurch verringert werden können, dass der Abstand ungleichförmig ausgebildet wird, anstelle eines gleichmäßigen Abstands von 30 Grad (30°).
Gemäß Ausführungsform 1 kann, da α auf 36 Grad (36°) eingestellt ist, eine elektrische Drehmaschine mit hohem Wirkungsgrad und hoher Verlässlichkeit erzielt werden, da die Rotoroberflächenverluste infolge von Oberwellen verringert sind, und die Permanentmagneten 25, die zwischen den klauenförmigen Magnetpolen 22 und 23 angebracht sind, nicht entmagnetisiert werden, was zu einer Verringerung der Ausgangsleistung führt, da die Wärmeerzeugung infolge der Rotoroberflächenverluste verringert ist. Selbst in einem Zustand mit entregtem Feld überschreiten infolge der Tatsache, dass Oberwellenanteile der induzierten Spannung, die durch die magnetische Spannung (Durchflutung) der Permanentmagneten erzeugt wird, während sich der Rotor mit hoher Drehzahl dreht, verringert werden, diese nicht eine Stromversorgungsspannung oder eine Spannung, bei welcher Bauelemente erstört werden.
Weiterhin sind der X-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt 16_X , der Y-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt 16_Y , und der Z-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt 16_Z jeweils so aufgebaut, dass Paare von Wicklungsphasenunterabschnitten in Reihe geschaltet sind, die eine Phasendifferenz entsprechend einem elektrischen Winkel von 36 Grad (36°) aufweisen. Da die Paare der Wicklungsphasenunterabschnitte in Reihe zwischen benachbarten Schlitzen 15a geschaltet sind, die einen elektrischen Winkel von 36 Grad (36°) aufweisen, können daher räumliche und zeitliche Oberwellen des Stators 8 verringert werden, so dass dieser ein geringes elektromagnetisches Rauschen und geringe Vibrationen aufweist. Eine weitere Auswirkung besteht darin, dass der Verbindungsraum zum Anschluss der Paare der Wicklungsphasenunterabschnitte in Reihe erweitert wird, was die Bearbeitbarkeit erleichtert, wenn die Reihenschaltungen hergestellt werden.
Da der Rotor 7 ein massiver Rotor ist, kann der Rotor kostengünstig hergestellt werden.
Da die Permanentmagneten 25 zwischen den klauenförmigen Magnetpolen 22 und 23 angeordnet sind, wird ein magnetischer Kriechfluss zwischen den klauenförmigen Magnetpolen 22 und 23 verringert. Der effektive Magnetfluss, der in Wechselwirkung mit dem Stator 8 tritt, ist daher vergrößert, was eine Verbesserung der Ausgangsleistung ermöglicht. Da die Permanentmagneten 25 in Berührung mit den klauenförmigen Magnetpolen 22 und 23 angeordnet sind, wird darüber hinaus ein magnetischer Kriechfluss zwischen den klauenförmigen Magnetpolen 22 und 23 noch weiter verringert.
Ausführungsform 2
17 ist eine Perspektivansicht eines Teils eines Rotors, der bei einer elektrischen Drehmaschine gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung verwendet wird, und 18 ist ein Querschnitt eines Polkerns des Rotors, der bei der elektrischen Drehmaschine gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.
In den 17 und 18 ist ein Rotor 7A ein laminierter Rotor, bei dem nur klauenförmige Magnetpole 22A und 23A von Polkernen 20A und 21A laminiert ausgebildet sind. Axiale Endabschnitte 24 des Polkerns 20A und 21A bestehen jeweils aus einem massiven Eisenteil wie bei der voranstehenden Ausführungsform 1, und die klauenförmigen Magnetpole 22A und 23A, die durch Zusammenlaminieren und Vereinigen von Blechen aus magnetischem Stahl hergestellt werden, werden durch Schweißen mit den axialen Endabschnitten 24 verbunden. Permanentmagneten 25 sind zwischen den klauenförmigen Magnetpolen 22A und 23A angebracht. Da klauenförmige Magnetpole 22A und 23A mit einer Laminatkonstruktion eine geringe mechanische Festigkeit aufweisen, sind auch Endabschnitte der Permanentmagneten 25 an den axialen Endabschnitten 24 der Polkerne 20A und 21A befestigt.
Während der Stator bei der voranstehenden Ausführungsform 1 so ausgebildet ist, dass der X-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt 16_X , der Y-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt 16_Y , und der Z-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt 16_Z so ausgebildet sind, dass in Reihe Paare von Wicklungsunterabschnitten geschaltet sind, die eine Phasendifferenz entsprechend einem elektrischen Winkel von 36 Grad (36°) aufweisen, sind bei der Ausführungsform 2 der X-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt 16_X , der Y-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt 16_Y , und der Z-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt 16_Z so ausgebildet, dass in Reihe Paare von Wicklungsunterabschnitten geschaltet sind, die eine Phasendifferenz entsprechend einem elektrischen Winkel von 24 Grad (24°) aufweisen.
Bei einer elektrischen Drehmaschine, die auf die voranstehend geschilderte Art und Weise ausgebildet ist, sind infolge der Tatsache, dass der Rotor 7A ein laminierter Rotor ist, und die Paare der Wellenwicklungsunterabschnitte, welche den X-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt 16_X bilden, den Y-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt 16_Y , und den Z-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt 16_Z , so ausgebildet sind, dass sie eine Phasendifferenz entsprechend einem elektrischen Winkel von 24 Grad (24°) aufweisen, ein geringeres Ausmaß an Rotoroberflächenverlusten vorhanden als bei herkömmlichen Konstruktionen, bei denen der gleichmäßige Abstandswinkel 30 Grad (30°) beträgt. Da die Wärmeerzeugung infolge von Rotoroberflächenverlusten verringert ist, werden daher die Permanentmagneten 25, die zwischen den klauenförmigen Magnetpolen 22A und 23A angebracht sind, nicht entmagnetisiert, was zu einer Verringerung der Ausgangsleistung führen würde. Da die klauenförmigen Magnetpole 22A und 23A durch Zusammenlaminieren von Blechen aus magnetischem Stahl hergestellt sind, wird weniger Wärme auf die Permanentmagneten 25 von den klauenförmigen Magnetpolen 22A und 23A übertragen, was eine Unterdrückung der Entmagnetisierung der Permanentmagneten 25 noch wirksamer macht.
Aus 16 wird deutlich, dass infolge der Tatsache, dass Paare von Wicklungsphasenabschnitten in Reihe geschaltet sind, die eine Phasendifferenz entsprechend einem elektrischen Winkel von 24 Grad (24°) aufweisen, was nahe an einem lokalen Minimum der Oberwelle siebter Ordnung bei 25,7 Grad (25,7°) liegt, die Oberwellen der induzierten Spannung verringert werden, anders als im herkömmlichen Fall, bei welchem der gleichmäßige Abstandswinkel 30 Grad (30°) beträgt. Selbst in einem Zustand mit abgeschalteten Erregerfeld, überschreiten infolge der Tatsache, dass Oberwellenbestandteile der induzierten Spannung verringert werden, die von der magnetischen Spannung der Permanentmagneten erzeugt wird, während sich der Rotor 7A mit hoher Drehzahl dreht, die Oberwellenkomponenten nicht eine Stromversorgungsspannung oder eine Spannung, bei welcher Bauelemente zerstört werden.
Ausführungsform 3
19 ist eine perspektivische Teilansicht, die einen Rotor zeigt, der bei einer elektrischen Drehmaschine gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, und 20 ist ein Querschnitt eines Polkerns des Rotors, der bei der elektrischen Drehmaschine gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.
In 19 ist ein Rotor 7B ein laminierter Rotor, und sind Permanentmagneten 26 auf jeder von zwei Seitenoberflächen klauenförmiger Magnetpole 22A und 23A angeordnet. Diese Permanentmagneten 26 werden durch die klauenförmigen Magnetpole 22A und 23A über Verstärkungskörper 52 gehaltert, welche Zentrifugalkräfte aufnehmen, die auf die Permanentmagneten 26 während der Drehung des Rotors 7B einwirken, so dass sie so schräg verlaufen, dass die Außenumfangsseiten sich voneinander entfernen. Die Verstärkungskörper 52 sind aus Metallblechen, beispielsweise Edelstahl oder dergleichen, hergestellt, in einer Dicke von annähernd 0,5 mm, und werden durch Biegen eines einzelnen Metallblechs unter Druckeinwirkung hergestellt.
Wie in 20 gezeigt, weist der Querschnitt dieser Verstärkungskörper 52 senkrecht zur Axialrichtung des Rotors 7B im wesentlichen die Form eines M auf, verbunden mit einer Innenumfangsoberfläche der klauenförmigen Magnetpole 22A und 23A durch eine Form, welche der Innenumfangsoberfläche der klauenförmigen Magnetpole 22A und 23A entspricht. Die Permanentmagneten 26 sind an zwei winkeligen C-förmigen Flügelabschnitten der M-förmigen Verstärkungskörper 52 befestigt, und werden in Berührung mit den Seitenoberflächen der klauenförmigen Magnetpole 22A und 23A infolge der Elastizität der Verstärkungskörper 52 gebracht.
Wenn eine derartige Konstruktion eingesetzt, werden selbst dann, wenn die klauenförmigen Magnetpole 22A und 23A in Radialrichtung nach außen durch die Zentrifugalkraft bei Drehung des Rotors 7B mit hoher Drehzahl aufgeweitet werden, Paare der Magnetpole 22A und 23A einfach nur verschoben, ohne dass hohe mechanische Spannungen in den Permanentmagneten 26 hervorgerufen wurden, wodurch ein Bruch verhindert wird.
Obwohl dies nicht dargestellt ist, sind Schlitze in dem Statorkern in einem Verhältnis von 2 Schlitzen pro Phase pro Pol in einem ungleichmäßigen Abstand vorgesehen, der zwischen einem elektrischen Winkel von 32,5 Grad (32,5°) und 27,5 Grad (27,5°) wechselt. Weiterhin sind der X-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt 16_X , der Y-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt 16_Y , und der Z-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt 16_Z jeweils so aufgebaut, dass in Reihe Paare von Wicklungsunterabschnitten geschaltet sind, die eine Phasendifferenz entsprechend einem elektrischen Winkel von 27,5 Grad (27,5°) aufweisen.
Bei einer auf dieser Art und Weise ausgebildeten elektrischen Drehmaschine sind die Rotoroberflächenverluste niedriger als bei herkömmlichen Konstruktionen, bei welchen der gleichmäßige Abstandswinkel 30 Grad (30°) beträgt, da der Rotor 7B ein laminierter Rotor ist, und die Paare der Wicklungsunterabschnitte, welche den X-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt 16_X , den Y-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt 16_Y , und den Z-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt 16_Z bilden, jeweils so aufgebaut sind, dass sie eine Phasendifferenz entsprechend einem elektrischen Winkel von 27,5 Grad (27,5°) aufweisen, wie aus 19 deutlich wird. Da die Wärmeerzeugung infolge von Rotoroberflächenverlusten verringert ist, werden daher die Permanentmagneten 26, die zwischen den klauenförmigen Magnetpolen 22A und 23A angebracht sind, nicht entmagnetisiert, was zu einer Verringerung der Ausgangsleistung führen würde. Da die Verstärkungskörper 52 zwischen den klauenförmigen Magnetpolen 22A und 23A des Rotors und den Permanentmagneten 26 angeordnet sind, wird weniger Wärme auf die Permanentmagneten 26 von den klauenförmigen Magnetpolen 22A und 23A übertragen, wodurch die Unterdrückung einer Entmagnetisierung der beiden Permanentmagneten 26 noch wirksamer wird.
Da zwei Permanentmagneten 26 zwischen den klauenförmigen Magnetpolen 22A und 23A so angeordnet sind, dass sie voneinander in Umfangsrichtung getrennt sind, wird darüber hinaus erzeugte Wärme an jeden den Permanentmagneten 26 nur von einem der klauenförmigen Magnetpole 22A und 23A geleitet, da die Wärmeleitung von den klauenförmigen Magnetpolen 22A und 23A durch Abschnitte unterbrochen wird, welche die Permanentmagneten 26 trennen. Hierdurch können Temperaturerhöhungen der Permanentmagneten 26 verringert werden, verglichen mit der voranstehenden Ausführungsform 2, bei welcher die Wärme, die in zwei klauenförmigen Magnetpolen 22A und 23A erzeugt wird, zu jedem der Permanentmagneten 25 geleitet wird, so dass im vorliegenden Fall die Auswirkung vorhanden ist, dass keine Verschlechterung der Eigenschaften auftritt, und eine Entmagnetisierung der Permanentmagneten 26 durch Wärmeeinwirkung verringert wird.
Wie in 16 dargestellt, werden die Oberwellen der induzierten Spannung verringert, anders als bei herkömmlichen Konstruktionen, bei welchen der gleichmäßige Abstandswinkel 30 Grad (30°) beträgt, infolge der Tatsache, dass Paare von Wicklungsphasenabschnitten in Reihe geschaltet sind, die eine Phasendifferenz entsprechend einem elektrischen Winkel von 27,5 Grad (27,5°) aufweisen, was sehr nahe an einem lokalen Minimum der Oberwelle siebter Ordnung bei 25,7 Grad (27,5°) liegt. Selbst ohne Erregerfeld überschreiten Oberwellen-Komponenten der induzierten Spannung, die von der magnetischen Spannung der Permanentmagneten erzeugt wird, während sich der Rotor 7B mit hoher Drehzahl dreht, nicht eine Stromversorgungsspannung oder eine Spannung, bei welcher Bauelemente zerstört werden.
Ausführungsform 4
21 ist ein Längsschnitt einer elektrischen Drehmaschine gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung, 22 ist ein Schaltbild der elektrischen Schaltung der elektrischen Drehmaschine gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung, 23 ist eine perspektivische Teilansicht eines Rotors, der in einer elektrischen Drehmaschine gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, und 24 ist ein Querschnitt eines Polkerns des Rotors, der in der elektrischen Drehmaschine gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Ein Stator 8 ist ähnlich aufgebaut wie bei der voranstehenden Ausführungsform 3, wobei Paare von Wicklungsunterabschnitten, die einen X-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt 16_X bilden, einen Y-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt 16_Y , und einen Z-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt 16_Z , die jeweils in Reihe zwischen benachbarte Schlitze 15a geschaltet sind, eine Phasendifferenz entsprechend einem elektrischen Winkel von 27,5 Grad (27,5°) aufweisen.
In den 21 und 22 unterscheidet sich eine elektrische Drehmaschine 101 von jener der voranstehenden Ausführungsform 3 in der Hinsicht, dass sie keinen Gleichrichter 12 aufweist, und der Ausgang von dem X-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt 16_X , dem Y-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt 16_Y , und dem Z- Phasen-Wicklungsphasenabschnitt 16_Z einer Dreiphasen-Statorwicklung 16 nach außerhalb der elektrischen Drehmaschine 101 geführt ist.
Eine Stromrichtereinheit 71 ist an einer Innenwandoberfläche der hinteren Stütze 2 so angebracht, dass sie sich am Außenumfang im hinteren Endabschnitt der Welle 6 befindet. Die Stromrichtereinheit 71 weist ein Stromrichtermodul 72 auf, das aus sechs Schaltelementen 73 besteht, sowie Dioden 74, die parallel zu jedem der Schaltelemente 73 geschaltet sind, sowie einen Kondensator 75, der parallel zum Stromrichtermodul 72 geschaltet ist. Der Kondensator 75 hat die Aufgabe, den elektrischen Strom zu glätten, der durch das Stromrichtermodul fließt.
Das Stromrichtermodul 72 ist so aufgebaut, dass Schaltelement-Diodengruppen gebildet werden, die jeweils aus einem Schaltelement 73 und einer parallel geschalteten Diode 74 bestehen, wobei Paare von Schaltelement-Diodengruppen in Reihe geschaltet sind, und drei derartige Paare so auf einem Kühlkörper 77 angebracht sind, dass sie parallel verlaufen. Eine Steuereinheit 76, in welcher elektronische Bauteile zum Steuern des Ein- und Ausschaltens der Schaltelemente 73 auf einer Leiterplatte vorgesehen sind, ist innerhalb eines Harzformkörperabschnittes 78 aufgenommen, der einstückig mit dem Kühlkörper 77 unter Verwendung eines elektrisch isolierenden Harzes ausgeformt ist. Die Ausgangsleitungen O_X, O_Y und O_Z des X-Phasen-Wicklungsphasenabschnittes 16_X , des Y-Phasen-Wicklungsphasenabschnittes 16_Y , und des Z-Phasen-Wicklungsphasenabschnittes 16_Z der Dreiphasen-Statorwicklung 16 sind jeweils an einem Punkt in der Mitte zwischen den in Reihe geschalteten Schaltelementen 73 angeschlossen.
Eine erste Batterie 80 von beispielsweise 36 Volt, die eine elektrische Stromversorgungsquelle für die elektrische Drehmaschine 101 bildet, ist parallel zum Stromrichtermodul 72 geschaltet. Weiterhin ist eine zweite Batterie 81 von beispielsweise 12 Volt, die eine elektrische Stromversorgungsquelle für einen elektrischen Verbraucher darstellt, der bei einem Kraftfahrzeug vorgesehen ist, vorgesehen. Ein Gleichstrom-Gleichstromwandler (DC-DC-Wandler) 82 ist parallel zum Stromrichtermodul 72 geschaltet, wobei der elektrische Gleichstrom, der von der Stromrichtereinheit 71 gleichgerichtet wurde, beispielsweise in 12 Volt umgewandelt wird, und an die zweite Batterie 81 geliefert wird.
Diese elektrische Drehmaschine 101 ist mit einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine 69 mit Hilfe eines Riemens verbunden, damit sie als Anlassereinrichtung für die Brennkraftmaschine 69 dienen kann, sowie als Ladereinrichtung. Die Stromrichtereinheit 71 ist an die elektrische Drehmaschine 101 mit Hilfe des X-Phasen-Wicklungsphasenabschnittes 16_X , des Y-Phasen-Wicklungsphasenabschnittes 16_Y , und des Z-Phasen-Wicklungsphasenabschnittes 16_Z (drei Statorphasenleitung) der elektrischen Drehmaschine 101 angeschlossen. Das Ein- und Ausschalten der Schaltelemente 73 dieser Stromrichtereinheit 71 wird durch die Steuereinheit 76 so gesteuert, dass die elektrische Drehmaschine 101 ein Anlassdrehmoment (positives Drehmoment) sowie ein Bremsdrehmoment (negatives Drehmoment) erzeugen kann.
Die erste Batterie 80 ist an die Stromrichtereinheit 71 über eine Stromversorgungsleitung angeschlossen, und bildet eine Stromversorgungsquelle für die Stromrichtereinheit 71, und liefert auch elektrische Energie an die elektrische Drehmaschine 101 mit Hilfe der Stromrichtereinheit 71 und der drei Statorphasenleitungen, wenn die elektrische Drehmaschine 101 als Anlassereinrichtung für die Brennkraftmaschine 69 arbeitet, wobei die elektrische Drehmaschine 101 als Generator arbeitet, nachdem die Brennkraftmaschine 69 von selbst läuft. Als höhere Steuereinheit für die Stromrichtereinheit 71 schickt die Steuereinheit 76 Befehlssignale und Information in bezug auf die Drehzahl der Brennkraftmaschine 69 und dergleichen an die Stromrichtereinheit 71, und hat weiterhin die Aufgabe, zu ermöglichen, dass Information in bezug auf die Drehzahl und die Luftzufuhr zur Brennkraftmaschine 69, sowie Information in bezug auf die Temperatur und dergleichen, eingegeben werden können, und Steuerbefehle ausgegeben werden können, in bezug auf die Ansaugluftflussrate, die Kraftstoffeinspritzrate, den Zündzeitpunkt, usw., die bei der Brennkraftmaschine 69 eingestellt werden sollen.
Bei dieser Konstruktion muss die elektrische Drehmaschine 101 ein hohes Drehmoment in kurzer Zeit während des Anlassens und der Erzeugung eines Bremsdrehmomentes erzeugen, und ist es, anders als bei den voranstehenden Ausführungsformen, erforderlich, dass ein hoher Strom durch eine Erregerwicklung 13 eines Rotors 7C hindurchgeht, um einen starken magnetischen Fluss zu erzeugen.
In 23 ist der Rotor 7C ein laminierter Rotor, und sind Permanentmagneten 26 an jeder von zwei Seitenoberflächen klauenförmige Magnetpole 22A und 23A angeordnet. Diese Permanentmagneten 26 werden durch die klauenförmigen Magnetpole 22A und 23A über Verstärkungskörper 53 gehaltert, die Zentrifugalkräfte aufnehmen, die während der Drehung des Rotors 7C auf die Permanentmagneten 26 einwirken. Die Verstärkungskörper 53 bestehen, auf ähnliche Art und Weise wie bei der voranstehenden Ausführungsform 3, aus Metallblechen beispielsweise aus Edelstahl, usw., die eine Dicke von etwa 0,5 mm aufweisen, und durch Biegen eines einzelnen Metallbleches unter Druckeinwirkung hergestellt werden.
Der Querschnitt dieser Verstärkungskörper 53 senkrecht zur Axialrichtung des Rotors 7C weist im wesentlichen die Form eines C auf, verbunden mit einer Innenumfangsoberfläche der klauenförmigen Magnetpole 22A und 23A durch eine Form, welche der Innenumfangsoberfläche der klauenförmigen Magnetpole 22A und 23A entspricht. Die Permanentmagneten 26 sind an zwei Endabschnitten von Verstärkungskörper 53 befestigt, welche den C-förmigen Querschnitt aufweisen, und sind in direkter Berührung mit Seitenoberflächen der klauenförmigen Magnetpole 22A und 23A infolge der Elastizität der Verstärkungskörper 53 angeordnet.
Selbst wenn bei einer derartigen Konstruktion die klauenförmigen Magnetpole 22A und 23A radial nach außen durch die Zentrifugalkraft bei der Drehung des Rotors 7C mit hoher Geschwindigkeit aufgeweitet werden, werden die Paare der klauenförmigen Magnetpole 22A und 23A nur einfach verschoben, ohne dass hohe mechanische Spannungen in den Permanentmagneten 26 hervorgerufen werden, wodurch ein Bruch verhindert wird. Da sich die Verstärkungskörper 53 von jenen gemäß der voranstehenden Ausführungsform 3 dadurch unterscheiden, dass sie einen einfachen Aufbau in Form eines C aufweisen, sind sie leicht, was einen weiteren Vorteil in bezug auf die Zentrifugalkraft darstellt, und können sie einfach durch Biegen hergestellt werden, was ihre Herstellung erleichtert. Da die Permanentmagneten 26 in direkter Berührung mit Seitenoberflächen der klauenförmigen Magnetpole 22a und 23A stehen, wird darüber hinaus ein magnetischer Kriechfluss zwischen den klauenförmigen Magnetpolen 22A und 23A verringert.
Bei der Ausführungsform 4 sind, wie in 14 gezeigt, die Rotoroberflächenverluste ebenfalls niedriger als bei herkömmlichen Konstruktionen, bei welchen der gleichmäßige Abstandswinkel 30 Grad (30°) beträgt, da die Paare der Wicklungsunterabschnitte, die in Reihe geschaltet sind, und den X-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt 16_X , den Y-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt 16_Y , und den Z-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt 16_Z bilden, auf ähnliche Weise wie bei der voranstehenden Ausführungsform 3 ausgebildet sind, so dass sie eine Phasendifferenz entsprechend einem elektrischen Winkel von 27,5 Grad (27,5°) aufweisen. Da die Wärmeerzeugung infolge von Rotoroberflächenverlusten verringert ist, werden daher die Permanentmagneten 26, die zwischen den klauenförmigen Magnetpolen 22A und 23A angebracht sind, nicht entmagnetisiert, was zu einer verringerten Ausgangsleistung führen würde. Da bei der Ausführungsform 4 die Permanentmagneten 26 in direkter Berührung mit den klauenförmigen Magnetpolen 22A und 23A stehen, wird von den klauenförmigen Magnetpolen 22A und 23A leicht Wärme auf die Permanentmagneten 26 übertragen, aber da die Phasendifferenz zwischen den Paaren der in Reihe geschalteten Wicklungsphasenunterabschnitte so gewählt ist, dass sie einem elektrischen Winkel von 27,5 Grad (27,5°) entspricht, werden Temperaturerhöhungen bei den Permanentmagneten 26 unterdrückt.
Da zwei Permanentmagneten 26 zwischen den klauenförmigen Magnetpolen 22A und 23A so angeordnet sind, dass sie voneinander in Umfangsrichtung getrennt sind, wird Wärme zu jedem der Permanentmagneten 26 nur von einem der klauenförmigen Magnetpole 22A und 23A weitergeleitet, da die Wärmeleitung von den klauenförmigen Magnetpolen 22A und 23A durch Abschnitte unterbrochen wird, welche die Permanentmagneten 26 trennen. Aus diesem Grund können Temperaturerhöhungen der Permanentmagneten 26 im Vergleich zur voranstehenden Ausführungsform 2 verringert werden, bei welcher die in zwei klauenförmigen Magnetpolen 22A und 23A erzeugte Wärme an jeden der Permanentmagneten 25 weitergeleitet wird. Eine Wärmeeinwirkung auf die Permanentmagneten 26 durch Wärme, die durch den starken magnetischen Fluss erzeugt wird, der deswegen auftritt, da hohe Ströme durch die Erregerwicklung 13 beim Anlassen geleitet werden, und bei der Erzeugung eines Bremsdrehmomentes, können daher wirksam unterdrückt werden.
Da die Phasendifferenz zwischen den Paaren der Wicklungsphasenabschnitte einen elektrischen Winkel von 27,5 Grad (27,5°) aufweist, was sehr nahe an einem lokalen Minimum der Oberwelle siebter Ordnung bei 25,7 Grad (25,7°) liegt, wie in 16 gezeigt, können die Oberwellen der induzierten Spannung verringert werden, anders als bei herkömmlichen Konstruktionen, bei welchen der gleichmäßige Abstandswinkel 30 Grad (30°) beträgt. Selbst in einem Zustand mit abgeschaltetem Erregerfeld werden daher Oberwellenkomponenten der induzierten Spannung verringert, die durch die magnetische Spannung der Permanentmagneten erzeugt wird, während sich der Rotor 7C mit hoher Drehzahl dreht, so dass die Oberwellenkomponenten nicht eine Stromversorgungsspannung oder eine Spannung überschreiten, bei welcher Bauelemente zerstört werden. Da bei der Ausführungsform 4 die Permanentmagneten 26 in direkter Berührung mit den klauenförmigen Magnetpolen 22A und 23A angeordnet sind, fließt der magnetische Fluss von den Permanentmagneten 26 leicht zu den klauenförmigen Magnetpolen 22A und 23A, und werden die induzierten Spannungen zu hoch, die von der magnetischen Spannung der Permanentmagneten erzeugt werden, während sich der Rotor 7C mit hoher Geschwindigkeit dreht, jedoch können die Oberwellenbestandteile wirksam unterdrückt werden.
Weiterhin kann bei jeder der voranstehenden Ausführungsformen der Rotor auch mit einem Harz wie beispielsweise einem Lack und dergleichen imprägniert sein. Da erzeugte Wärme verteilt wird und eine Abkühlung erfolgt, da jeder der Spalte mit Harz gefüllt ist, konzentriert sich Wärme nicht lokal in den Permanentmagneten, was eine Entmagnetisierung der Permanentmagneten noch weniger wahrscheinlich macht, und wodurch solche Auswirkungen erzielt werden können, dass bei jedem der Bauteile eine erhöhte Haltekraft vorhanden ist, und eine verbesserte Festigkeit auch bei Drehung mit hoher Geschwindigkeit.
Wie voranstehend erläutert, wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine elektrische Drehmaschine zur Verfügung gestellt, welche einen Stator aufweist, der mit einem ringförmigen Statorkern versehen ist, in dem zwei Schlitze pro Phase und pro Pol angeordnet sind, sowie eine Dreiphasen-Statorwicklung, die an dem Statorkern angebracht ist, und einen Rotor, der drehbeweglich innerhalb des Stators angeordnet ist, um einen magnetischen Fluss mit Hilfe einer Erregerwicklung und eines Permanentmagneten zu erzeugen, wobei die Dreiphasen-Statorwicklung mehrere Wicklungsphasenunterabschnitte aufweist, die jeweils in einer Schlitzgruppe angebracht sind, die durch jeden sechsten Schlitz der Schlitze gebildet wird, wobei ein X-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt, ein Y-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt, und ein Z-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt, welche die Dreiphasen-Statorwicklung bilden, jeweils so aufgebaut sind, dass in Reihe die Statorwicklungsphasenunterabschnitte geschaltet sind, die in einem benachbarten Paar der Schlitzgruppen angebracht sind, und die Schlitze in einem ungleichmäßigen Abstand vorgesehen sind, bei welchem der Winkel zwischen Zentrumslinien von Schlitzöffnungsabschnitten sich zwischen einem elektrischen Winkel von α und (60° – α) abwechselt, wobei α nicht gleich 30 Grad ist (α ≠ 30°), wodurch eine elektrische Drehmaschine zur Verfügung gestellt wird, welche es ermöglicht, Wirbelstromverluste an einer Rotoroberfläche zu verringern, und Oberwellenbestandteile der induzierten Spannung, die durch die Permanentmagneten induziert wird, zu verringern.

Claims

Elektrische Drehmaschine, welche aufweist: einen Stator (8), welcher aufweist: einen ringförmigen Statorkern (15), in welchem zwei Schlitze (15a) pro Phase und pro Pol vorgesehen sind; und eine Dreiphasen-Statorwicklung (16), die an dem Statorkern (15) angebracht ist; und einen Rotor (7, 7A, 7B, 7C), der drehbeweglich innerhalb des Stators (8) angeordnet ist, um einen magnetischen Fluss mit Hilfe einer Erregerwicklung (13) und eines Permanentmagneten (25, 26) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass: die Dreiphasen-Statorwicklung (16) mehrere Wicklungsphasenunterabschnitte (30a–30f) aufweist, die jeweils in einer Schlitzgruppe angebracht sind, die durch jeden sechsten Schlitz der Schlitze (15a) gebildet wird; ein X-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt (16_X ), ein Y-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt (16_Y ) und ein Z-Phasen-Wicklungsphasenabschnitt (16_Z ), welche die Dreiphasen-Statorwicklung (16) bilden, jeweils so aufgebaut sind, dass in Reihe die Statorwicklungsphasenunterabschnitte (30a–30f) geschaltet sind, die in einem benachbarten Paar der Schlitzgruppen angeordnet sind; und die Schlitze (15a) in einem ungleichmäßigen Abstand angeordnet sind, wobei der Winkel zwischen Zentrumslinien von Schlitzöffnungsabschnitten (15b) sich zwischen einem elektrischen Winkel von α und (60° – α) abwechselt, wobei α nicht gleich 30 Grad ist (α ≠ 30°).
Elektrische Drehmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Magnetpole (22, 23) des Rotors (7) durch einen massiven Körper aus magnetischem Material gebildet werden; und eine Phasendifferenz α zwischen den Wicklungsunterabschnitten (30a–30f), die in Reihe geschaltet sind, einem elektrischen Winkel von mehr als 30 Grad und kleiner oder gleich 37 Grad entspricht (30° < α ≤ 37°).
Elektrische Drehmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Magnetpole (22A, 23A) des Rotors (7A, 7B, 7C) durch zusammenlaminierte und vereinigte Bleche aus magnetischem Stahl gebildet werden.
Elektrische Drehmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (7, 7A, 7B, 7C) ein Klauenpolrotor ist, welcher klauenförmige Magnetpole (22, 23, 22A, 23A) aufweist; und ein Permanentmagnet (25, 26) zwischen einem benachbarten Paar der klauenförmigen Magnetpole (22, 23, 22A, 23A) angeordnet ist.
Elektrische Drehmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (25, 26) in Berührung mit einer Seitenoberfläche der klauenförmigen Magnetpole (22, 23, 22A, 23A) angeordnet ist.
Elektrische Drehmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei der Permanentmagneten (26) zwischen dem benachbarten Paar der klauenförmigen Magnetpole (22A, 23A) so angeordnet sind, dass jeder entlang einer jeweiligen Seitenoberfläche der klauenförmigen Magnetpole angeordnet ist, so dass die beiden Permanentmagneten voneinander in Umfangsrichtung getrennt sind.