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Die Offenbarung der folgenden Prioritätsanmeldung wird hierin durch Bezugnahme aufgenommen:
japanische Patentanmeldung Nr. 2010-276517 , eingereicht am 13. Dezember 2010.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine bürstenlose Permanentmagnetmaschine mit Axialfluss, in der ein Stator und ein Rotor einander in der Axialrichtung gegenüberstehen, wobei ein Luftspalt zwischen ihnen begrenzt ist.
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In einer elektrischen Drehmaschine, in der ein Permanentmagnet an einem Rotor vorgesehen ist, wird während der Drehung eine induzierte Spannung erzeugt. Es ist notwendig, dass die Leistungsversorgungsspannung für eine solche elektrische Drehmaschine (d. h. die Wechselrichterausgangsspannung größer oder gleich dieser induzierten Spannung ist, da die induzierte Spannung proportional zur Drehgeschwindigkeit zunimmt.
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Zum Abbau der Zunahme der induzierten Spannung mit einer bürstenlosen Permanentmagnetmaschine mit Axialfluss, die eine Art einer elektrischen Drehmaschine ist und nachstehend auch als elektrische Axialspalttyp-Drehmaschine bezeichnet wird, ist eine Technik zur Vergrößerung des Luftspalts zwischen dem Stator und dem Rotor während einer Hochgeschwindigkeitsdrehung an sich bekannt, wodurch der magnetische Widerstand erhöht wird.
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In der
japanischen Patentoffenlegungsschrift 2002-325412 ist beispielsweise eine elektrische Drehmaschine beschrieben, die einen Variabler-Spalt-Mechanismus aufweist, der aus einem mit dem Rotor verbundenen Pendel und einem Kraftumwandlungsmechanismus besteht. Mit diesem Kraftumwandlungsmechanismus wandelt dieser Variabler-Spalt-Mechanismus eine Zentrifugalkraft, die im Pendel aufgrund der Drehung des Rotors entsteht, in Kraft in Axialrichtung um und übt diese Kraft auf den Stator aus. Aufgrund dessen ist es möglich, den Luftspalt durch die Statorversetzung gemäß der Drehgeschwindigkeit des Rotors zu verstellen.
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Des Weiteren ist in der
japanischen Patentoffenlegungsschrift 2008-48519 eine elektrische Drehmaschine beschrieben, die einen Variabler-Spalt-Mechanismus aufweist, der aus einem Statur mit einem befestigten Bereich, der ungeachtet der Drehung des Rotors fest bzw. ortsfest ist, und einem mit einem Schraub- bzw. Gewindemechanismus versehenen Zahnbereich und einem Übersetzungsmechanismus besteht, der den Zahnbereich bewegt, indem er ihn dreht. Mit diesem Variabler-Spalt-Mechanismus ist es möglich, die Spaltgröße des Luftspalts gemäß der Drehgeschwindigkeit des Rotors zu verstellen, indem ein Zahn des Stators bewegt wird, indem er gedreht wird, wodurch die induzierte Spannung verstellt wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Beim Aufbau nach der
japanischen Patentoffenlegungsschrift 2002-325412 wird die flexible Steuerung des Spaltabstands fast nicht berücksichtigt, da der Spaltabstand von der Drehgeschwindigkeit des Rotors oder dem Spulenstrom abhängt, der für die Drehung des Motors zugeführt wird. Weiterhin besteht, da der Variabler-Spalt-Mechanismus kompliziert ist, dementsprechend die Möglichkeit, dass die Konstruktion der elektrischen Drehmaschine kompliziert werden kann, um eine gute Festigkeit und gute Wärmeabfuhrleistung sicherzustellen.
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Andererseits ist es beim Aufbau nach der
japanischen Patentoffenlegungsschrift 2008-48519 möglich, den Spaltabstand flexibel zu steuern, da eine externe Leistungsquelle verwendet wird. Jedoch ist es schwierig, diesen Aufbau bei einer elektrischen Drehmaschine mit einer Doppelrotorkonstruktion anzuwenden, da der Statorkern eine geteilte Konstruktion aufweist.
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Dementsprechend ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung einer elektrischen Axialspalttyp-Drehmaschine mit einer Doppelrotorkonstruktion, bei der die Zuverlässigkeit des Variabler-Spalt-Mechanismus verbessert ist, und bei der es möglich ist, den Spaltabstand zwischen dem Stator und dem Rotor flexibel zu ändern.
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Gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine bürstenlose Permanentmagnetmaschine mit Axialfluss: ein Gehäuse; einen Stator mit einem Statorkern und einer Spule; zwei Rotoren, die jeweils einen Permanentmagneten beinhalten und so positioniert sind, dass sie den Stator in der Axialrichtung sandwichartig umschließen, wobei Luftspalte zwischen den Rotoren und dem Stator verbleiben; und einen Variabler-Spalt-Mechanismus zum Ändern der Abstände der Luftspalte; wobei der Variabler-Spalt-Mechanismus von einer Leistungsquelle aus arbeitet, die eine andere Drehleistung als eine Drehleistung der bürstenlosen Permanentmagnetmaschine mit Axialfluss zuführt und die Abstände der Luftspalte durch Versetzen der Rotoren in Axialrichtung ändert.
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Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine bürstenlose Permanentmagnetmaschine mit Axialfluss: ein Gehäuse; einen Stator mit einem Statorkern und einer Spule; zwei Rotoren, die jeweils eine Ausgangswelle und einen Permanentmagneten beinhalten und so positioniert sind, dass sie den Stator in der Axialrichtung sandwichartig umschließen, wobei Luftspalte zwischen den Rotoren und dem Stator verbleiben; einen Variabler-Spalt-Mechanismus zum Ändern der Abstände der Luftspalte; und eine Leistungsquelle, die eine andere Drehleistung als eine Drehleistung der bürstenlosen Permanentmagnetmaschine mit Axialfluss zuführt und den Variabler-Spalt-Mechanismus antreibt; wobei der Variabler-Spalt-Mechanismus zwei Versetzungswellen, je mit einem Gewindebereich und einem Zahnradbereich und zwei Mutternbereichen, die jeweils den Gewindebereich tragen, umfasst und der Gewindebereich mit der Leistungsquelle verbunden ist und der Variabler-Spalt-Mechanismus die Rotoren aufgrund der Bewegung der Versetzungswellen jeweils durch Drehung des Gewindebereichs durch die Leistungsquelle versetzt.
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Gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es in einer bürstenlosen Permanentmagnetmaschine mit Axialfluss gemäß dem zweiten Aspekt bevorzugt, dass die Rotoren Verbindungsbereiche umfassen, die mit dem Versetzungswellen verbunden sind; und die Verbindungsbereiche Drucklager beinhalten, die auf einer Oberfläche vorgesehen sind, mit der die Versetzungswellen verbunden sind, so dass die Rotoren sich drehen können, wobei sie die Ausgangswelle als ihre Drehachse annehmen.
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Gemäß dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es in einer bürstenlosen Permanentmagnetmaschine mit Axialfluss gemäß dem dritten Aspekt bevorzugt, dass die Eingriffsbereiche Lager beinhalten, die auf den Seiten der Versetzungswellen in Richtung der Rotoren vorgesehen sind, so dass die Rotoren sich drehen können, wobei sie die Ausgangswelle als ihre Drehachse annehmen.
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Gemäß dem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es in einer bürstenlosen Permanentmagnetmaschine mit Axialfluss gemäß dem zweiten Aspekt bevorzugt, dass der Variabler-Spalt-Mechanismus am Außenumfang des Stators angeordnet ist und der Gewindebereich von einer der zwei Versetzungswellen mit einem zum Gewindebereich der anderen der zwei Versetzungswellen umgekehrten Gewinde versehen ist und die zwei Mutternbereiche am Stator befestigt sind.
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Gemäß dem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es in einer bürstenlosen Permanentmagnetmaschine mit Axialfluss gemäß dem zweiten Aspekt bevorzugt, dass der Variabler-Spalt-Mechanismus am Innenumfang des Stators angeordnet ist und der Gewindebereich von einer der zwei Versetzungswellen mit einem zum Gewindebereich der anderen der zwei Versetzungswellen umgekehrten Gewinde versehen ist und die zwei Mutternbereiche am Stator befestigt sind.
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Gemäß dem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es in einer bürstenlosen Permanentmagnetmaschine mit Axialfluss gemäß dem sechsten Aspekt bevorzugt, dass die Ausgangswelle zwei Ausgangswellen, die jede an jeweiligen Rotoren vorgesehen sind, jede der zwei Ausgangswellen über einen Kugelkeilwellenmechanismus mit dem jeweiligen Rotor verbunden ist und Leistungsübertragungsmechanismen im Inneren der zwei Ausgangswellen umfasst, die Leistung von der Leistungsquelle zum Gewindebereich der Versetzungswelle übertragen.
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Gemäß dem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es in einer bürstenlosen Permanentmagnetmaschine mit Axialfluss gemäß dem siebten Aspekt bevorzugt, dass der Leistungsübertragungsmechanismus ein erstes Zahnrad, das mit der Leistungsquelle verbunden ist, und ein zweites Zahnrad umfasst, das der Zahnradbereich der Versetzungswelle ist, und die Leistung der Leistungsquelle durch Ineingriffbringen des ersten Zahnrads und des zweiten Zahnrads übertragen wird.
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Gemäß dem neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es in einer bürstenlosen Permanentmagnetmaschine mit Axialfluss gemäß dem sechsten Aspekt bevorzugt, dass die zwei Ausgangswellen mit einer einzelnen externen Ausgangswelle außerhalb des Gehäuses gekoppelt sind.
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Gemäß dem zehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es in einer bürstenlosen Permanentmagnetmaschine mit Axialfluss gemäß dem sechsten Aspekt bevorzugt, dass ein Rotorkopplungsmechanismus zwischen den zwei Rotoren vorgesehen ist und ihre relative Position in der Drehrichtung mechanisch festigt.
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Gemäß dem elften Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es in einer bürstenlosen Permanentmagnetmaschine mit Axialfluss gemäß dem zehnten Aspekt bevorzugt, dass der Rotorkopplungsmechanismus ein Zylinder ist.
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Gemäß dem zwölften Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es in einer bürstenlosen Permanentmagnetmaschine mit Axialfluss gemäß dem zweiten Aspekt bevorzugt, dass der Rotorkern aus einem magnetischen Stahlblech, amorphen Metall oder elektromagnetischen Edelstahl hergestellt ist.
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Gemäß dem dreizehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es in einer bürstenlosen Permanentmagnetmaschine mit Axialfluss gemäß dem zweiten Aspekt bevorzugt, dass der Permanentmagnet ein ringförmiger polaranisotropie-magnetisierter Magnet ist.
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Gemäß dem vierzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es in einer bürstenlosen Permanentmagnetmaschine mit Axialfluss gemäß dem zweiten Aspekt bevorzugt, dass der Statorkern aus einem magnetischen Stahlblech, amorphen Metall oder elektromagnetischen Edelstahl hergestellt ist.
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Gemäß dem fünfzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es in einer bürstenlosen Permanentmagnetmaschine mit Axialfluss gemäß dem zweiten Aspekt bevorzugt, dass die Leistungsquelle ein Servomotor ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine axiale Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der elektrischen Axialspalttyp-Drehmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 ist eine diametrale Schnittansicht des ersten Ausführungsbeispiels der elektrischen Axialspalttyp-Drehmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung;
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3 ist eine externe perspektivische Ansicht des ersten Ausführungsbeispiels der elektrischen Axialspalttyp-Drehmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung;
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4 ist eine Winkelschnittansicht zur Erläuterung des inneren Aufbaus der elektrischen Drehmaschine der 3;
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5A ist eine axiale Schnittansicht des ersten Ausführungsbeispiels der elektrischen Axialspalttyp-Drehmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung (wenn ihr Spaltabstand dem Normalbetrieb entspricht);
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5B ist eine Figur, die zum leichteren Verständnis den Zustand der rechten Hälfte der elektrischen Drehmaschine der 5A zeigt, wenn ihr Spaltabstand vergrößert worden ist;
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6 ist eine axiale Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der elektrischen Axialspalttyp-Drehmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung;
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7 ist eine axiale Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels der elektrischen Axialspalttyp-Drehmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung;
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8A ist eine axiale Schnittansicht eines vierten Ausführungsbeispiels der elektrischen Spalttyp-Drehmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung (wenn ihr Spaltabstand dem Normalbetrieb entspricht);
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8B ist eine Figur, die den Zustand der elektrischen Drehmaschine der 8A zeigt, wenn ihr Spaltabstand vergrößert worden ist;
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9A ist eine axiale Schnittansicht eines fünften Ausführungsbeispiels der elektrischen Axialspalttyp-Drehmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung (wenn ihr Spaltabstand dem Normalbetrieb entspricht);
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9B ist eine Figur, die den Zustand der elektrischen Drehmaschine der 9A zeigt, wenn ihr Spaltabstand vergrößert worden ist;
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10 ist eine Figur, die eine Beziehung zwischen der Drehgeschwindigkeit und Spannung und dem Drehmoment zeigt und dient der Erläuterung der vorteilhaften Wirkung der Vergrößerung des Spaltabstands bei der elektrischen Axialspalttyp-Drehmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung;
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11 ist eine Figur, die eine Beziehung zwischen der Drehgeschwindigkeit und dem Spaltabstand zeigt, und dient der Erläuterung der vorteilhaften Wirkung der Vergrößerung des Spaltabstands bei der elektrischen Axialspalttyp-Drehmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung;
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12 ist eine Figur, die eine Beziehung zwischen der Drehgeschwindigkeit und Spannung und dem Drehmoment zeigt, wenn eine Steuerung auf diskrete Weise (d. h. schrittweise) durchgeführt wird, und dient der Erläuterung der vorteilhaften Wirkung der Vergrößerung des Spaltabstands bei der elektrischen Axialspalttyp-Drehmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung; und
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13 ist eine Figur, die eine Beziehung zwischen der Drehgeschwindigkeit und dem Spaltabstand zeigt, wenn eine Steuerung auf diskrete Weise durchgeführt wird, und dient der Erläuterung der vorteilhaften Wirkung der Vergrößerung des Spaltabstands bei der elektrischen Axialspalttyp-Drehmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der bürstenlosen Permanentmagnetmaschine mit Axialfluss, die als elektrische Axialspalttyp-Drehmaschine bezeichnet wird, gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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Ausführungsbeispiel Nr. 1
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Die 1 bis 4 und 5A und 5B zeigen das erste Ausführungsbeispiel der elektrischen Axialspalttyp-Drehmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung. Die 1, 5A und 5B sind axiale Schnittansichten, aus der radialen Richtung gesehen, 2 ist eine diametrale Schnittansicht, aus der axialen Richtung gesehen, 3 ist eine perspektivische Ansicht der 2 und 4 ist eine Schnittansicht der perspektivischen Ansicht der 3. Dabei ist die radiale Richtung eine zur Drehachse des Rotors senkrechte Richtung und die axiale Richtung ist die Richtung entlang der Drehachse des Rotors.
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Die elektrische Drehmaschine, die hier eine bürstenlose Permanentmagnetmaschine oder eine elektrische Axialspalttyp-Drehmaschine bedeutet, gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet einen Stator 100, zwei Rotoren 200, einen Variabler-Spalt-Mechanismus 300 und ein Gehäuse 500.
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Der Stator 100 beinhaltet mehrere Spulen 101, die in seiner Umfangsrichtung um eine Achse A als Zentrum angeordnet sind, und einen Statorkern 102, der innerhalb der Spulen 101 eingerichtet ist und von dem Gehäuse 500 gehalten wird.
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Jeder der Rotoren 200 hat die Achse A als seine Drehachse und beinhaltet mehrere Permanentmagnete 201, die radial außerhalb auf der Oberfläche gegenüber dem Stator 100 in Umfangsrichtung um die Achse A als Zentrum angeordnet sind, und einen Rotorkern 202, und die beiden Rotoren 200 sind so angeordnet, dass sie den Stator 100 in axialer Richtung sandwichartig einschließen. Die Rotorkerne 202 sind über Kugelkeilwellenmechanismen 203 mit Ausgangswellen 204 verbunden. Die Ausgangswellen 204 sind über Lager 501 im Gehäuse 500 angebracht. Es sollte verstanden werden, dass das Gehäuse 500 und die Lager 501 in den 2 bis 5 weggelassen sind.
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Die Ausgangswellen 204 sind zylindrisch und eine erste Verstellwelle 302 ist in ihrem Inneren über Lager 309 angebracht, so dass sie um die Achse A drehbar ist. Diese erste Verstellwelle 302 ist mit einer externen Leistungsquelle 301 verbunden. Des Weiteren ist die erste Verstellwelle 302 mit einem ersten Zahnrad 303 in einer Position gegenüber dem Stator versehen. Es sollte verstanden werden, dass die Leistungsquelle 301 imstande ist, die erste Verstellwelle 302 um die Achse A zu drehen und beispielsweise ein Servomotor oder dergleichen ist.
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Eine zweite Verstellwelle 312 ist am Innenumfang des Stators 100 vorgesehen, die sich um eine Achse B dreht. Die zweite Verstellwelle 312 besteht aus zwei Versetzungswellen 307. Jede dieser Versetzungswellen 307 hat ein zweites Zahnrad 304 und einen Gewindebereich 310. Die zweiten Zahnräder 304 sind mit dem ersten Zahnrad 303 im Eingriff. Wie in 2 gezeigt (dies ist ein Querschnitt in der Ebene S-S' in 1), sind insgesamt vier dieser zweiten Verstellwellen 312 rund um das erste Zahnrad 303, d. h. rund um die Achse A, vorgesehen.
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Die Gewindebereiche 310 sind mit Mutternbereichen 311 im Eingriff, die mit dem Befestigungsbereich 103 des Stators 100 verbunden sind. Des Weiteren sind die Gewindebereiche 310 der zwei Versetzungswellen 307, die in 1 oben und unten positioniert sind (d. h. die einander in Axialrichtung gegenüberliegen), jeweils mit normalem rechtsgängigen Gewinde und umgekehrtem Gewinde ausgebildet. Dementsprechend sind die zwei Mutternbereiche, die jeweils am oberen und unteren Befestigungsbereich 103 vorgesehen sind, jeweils mit normalem rechtsgängigem Gewinde und umgekehrtem Gewinde ausgebildet. Die zweiten Verstellwellen 312 sind mit den Rotoren 200, deren Mittelachse die Achse A ist, über Drucklager 308 gekoppelt. Es sollte verstanden werden, dass die Befestigungsbereiche 103 und das Drucklager 308 in 4 weggelassen sind.
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Die zweiten Verstellwellen 312 sind mit über die zweiten Zahnräder 304, das erste Zahnrad 303 und die erste Verstellwelle 302 mit der Leistungsquelle 301 verbunden. Auf diese Weise ist dieses erste Ausführungsbeispiel der bürstenlosen Permanentmagnetmaschine mit Axialfluss gemäß der vorliegenden Erfindung mit dem Variabler-Spalt-Mechanismus 300 am Innenumfang ihres Stators 100 versehen. Es sollte verstanden werden, dass zwar, wie vorstehend erläutert, dieser Variabler-Spalt-Mechanismus 300 die Leistungsquelle 301, die erste Verstellwelle 302, das erste Zahnrad 303, die zweiten Zahnräder 304, das Drucklager 307, das Drucklager 308, die Lager 309, die Gewindebereiche 310, die zweiten Verstellwellen 312 und so weiter beinhaltet, aber auch so betrachtet werden kann, dass er die umgebenden Aufbauten, in denen diese eingebaut sind, einschließt.
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Als Nächstes wird der Betrieb dieser elektrischen Drehmaschine gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel erläutert. 5A zeigt die Maschine, wenn der Spaltabstand dem Normalbetrieb entspricht, während 5B sie zeigt, wenn der Spaltabstand vergrößert worden ist.
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Wenn Strom durch die Spulen 101 geleitet wird, erzeugt der Stator 100 ein rotierendes Magnetfeld. Die Rotoren 200 drehen sich um die Achse A aufgrund der Anziehung und Abstoßung zwischen dem von den Permanentmagneten 201 erzeugten Magnetfeld und diesem rotierenden Magnetfeld. Das Rotationsdrehmoment der Rotoren 200 wird über die Kugelkeilwellenmechanismen 203 auf die Ausgangswellen 204 übertragen und so nach außen ausgegeben. Andererseits erfahren die zweiten Verstellwellen, da sie über die Drucklager 308 mit den Rotoren 200 gekoppelt sind, keinen Einfluss von der Drehung der Rotoren 200 und bleiben stationär. Wenn von der Leistungsquelle 301 an das erste Zahnrad 303 Drehleistung ausgegeben wird, drehen sich die zweiten Zahnräder 304 und die obere und untere Versetzungswellen 307 bewegen sich. Aufgrund dessen werden entgegengesetzte Kräfte in der axialen Richtung an den oberen und unteren zweiten Verstellwellen 312 erzeugt. Deshalb erfahren die Rotoren 200 Kräfte von den Wellen in entgegengesetzten axialen Richtungen und werden in entgegengesetzten Richtungen in axialer Richtung versetzt. Somit werden die Paare der Rotoren 200, die den Stator 100 zwischen sich sandwichartig einschließen, in axialer Richtung entgegengesetzt verschoben.
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Auf diese Weise wird der Variabler-Spalt-Mechanismus 300 des ersten Ausführungsbeispiels durch die Leistungsquelle 301 angetrieben, die vom Drehmechanismus des Rotors 200 getrennt ist. Aufgrund dessen ist es möglich, eine flexible Steuerung der Spaltabstände mit ausgezeichneter Zuverlässigkeit und Ansprechung bereitzustellen. Weiterhin wird die gleiche Menge an Drehbewegung von der Leistungsquelle 301 im gleichen Augenblick an die oberen und unteren zweiten Verstellwellen 312 übertragen. Aufgrund dessen ist es möglich sicherzustellen, dass die Versetzungsbeträge der oberen und unteren Rotoren 200 miteinander übereinstimmen. Des Weiteren ist es möglich, ein System bereitzustellen, das kompakt und kostengünstig ist, da es möglich ist, die Leistung von einem einzigen Servomotor sowohl in oberer als auch unterer Richtung auszugeben. Dennoch ist weiterhin, da der Variabler-Spalt-Mechanismus abgesehen vom Servomotor im Inneren dieser elektrischen Drehmaschine eingebaut ist, das System dementsprechend noch kompakter.
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Ausführungsbeispiel Nr. 2
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6 ist eine Figur, die das zweite Ausführungsbeispiel der elektrischen Axialspalttyp-Drehmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. In diesem Ausführungsbeispiel sind die oberen und unteren Ausgangswellen 204 der im ersten Ausführungsbeispiel gezeigten Axialspalttyp-Drehmaschine über Drehmoment-Übertragungsmechanismen 402 mit einer einzigen externen Ausgangswelle 401 verbunden, die sich um eine Achse C außerhalb des Gehäuses dreht. Die Drehmoment-Übertragungsmechanismen 402 können beispielsweise Kegelräder oder Riemen oder dergleichen sein.
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In diesem zweiten Ausführungsbeispiel werden die Ausgangsdrehmomente der Ausgangswellen 204, die sich um die Achse A drehen, über die Drehmoment-Übertragungsmechanismen 402 an die externe Ausgangswelle 401 übertragen, die sich um die Achse C dreht.
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Durch Übertragen der Ausgangsdrehmomente der oberen und unteren Ausgangswellen 204 an eine einzige Welle auf diese Weise wird es möglich sicherzustellen, dass die Drehung der Wellen 204 und auch ihre Drehmomente miteinander übereinstimmen, auch wenn die Ausgangswellen 204 (die mit den Rotoren 200 gekoppelt sind) voneinander getrennt sind.
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Ausführungsbeispiel Nr. 3
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7 ist eine Figur, die das dritte Ausführungsbeispiel der elektrischen Axialspalttyp-Drehmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Es sollte verstanden werden, dass das Gehäuse 500 und die Lager 501 in 7 weggelassen sind.
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Dieses Ausführungsbeispiel ist eines, in dem die relative Position in der Drehrichtung der oberen und unteren Rotoren 200 der im ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen elektrischen Axialspalttyp-Drehmaschine fest ist (während sie sich relativ zueinander frei in axialer Richtung bewegen können). Diese elektrische Drehmaschine gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ist mit einem Rotorkopplungsmechanismus 403 zwischen dem oberen und unteren Rotor 200 zum Durchführen dieser relativen Drehbefestigung versehen. Der Rotorkopplungsmechanismus 403 ist ein System zum mechanischen Koppeln der relativen Position des oberen und unteren Rotors 200 in der Drehrichtung und kann beispielsweise ein Zylinder oder dergleichen sein. Des Weiteren sind ein oder mehrere Rotorkopplungsmechanismen 403 dieses Typs entlang der externen Umfangsbereiche der Rotoren 200 rund um die Achse A vorgesehen; und bevorzugt sollten unter Berücksichtigung des Drehgleichgewichts eine gerade Anzahl derselben (d. h. zwei oder mehr) symmetrisch um die Achse A vorgesehen sein.
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Aufgrund dieses Rotorkopplungsmechanismus 403 drehen sich der obere und untere Rotor 200 zusammen aufgrund des rotierenden Magnetfelds vom Stator 100.
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Durch mechanisches Zusammenkoppeln des oberen und unteren Rotors in der Drehrichtung auf diese Weise ist es möglich sicherzustellen, dass die Drehung und die Drehmomente der Wellen 204 miteinander übereinstimmen, auch wenn die Ausgangswellen 204, mit denen die Rotoren gekoppelt sind, getrennt sind. Des Weiteren gibt es kein Hindernis, wenn die Abstände der Luftspalte variiert werden, da die Rotoren in axialer Richtung nicht relativ ortsfest sind.
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Ausführungsbeispiel Nr. 4
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8A und 8B sind Figuren, die das vierte Ausführungsbeispiel der elektrischen Axialspalttyp-Drehmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen. 8 zeigt die Maschine, wenn die Spaltabstände dem Normalbetrieb entsprechen, und 8B zeigt sie, wenn der Spaltabstand vergrößert worden ist. Dieses Ausführungsbeispiel ist eines, in dem der Variabler-Spalt-Mechanismus 300 am Außenumfang des Stators 100 vorgesehen ist.
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Auf eine Erläuterung von Elementen, die auf die gleiche Weise wie diejenigen im ersten Ausführungsbeispiel arbeiten, wird verzichtet. In diesem vierten Ausführungsbeispiel sind eine zweite Verstellwelle 312, die aus paarweisen Versetzungswellen 307 aus oberen und unteren Wellen besteht, die sich um eine gemeinsame Achse D drehen, am Außenumfang des Stators 100 vorgesehen. Mehrere der zweiten Verstellwellen 312 sind um die Umfangsrichtung der Vorrichtung, d. h. rund um die Achse A, vorgesehen. Jede der paarweisen Versetzungswellen 307 hat einen Gewindebereich 310, der mit einem Mutternbereich 311 in Eingriff ist, der an einem Befestigungsbereich 103 des Stators 100 vorgesehen ist. Die Gewindebereiche 310 der oberen und unteren Versetzungswellen 307 sind jeweils mit normalem rechtsgängigem Gewinde und umgekehrten Gewinde ausgebildet. Die Versetzungswellen 307 sind mit den Rotoren 200, die sich um die Achse A drehen, über Drucklager 307 gekoppelt. Des Weiteren ist jede der paarweisen Versetzungswellen 307 mit einem zweiten Zahnrad 304 versehen und mit der Leistungsquelle 301 über das erste Zahnrad 303 und die erste Verstellwelle 302 verbunden, die sich beide um die Achse E drehen.
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Als Nächstes wird der Betrieb dieser elektrischen Drehmaschine gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel erläutert.
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Wenn Strom durch die Spulen 101 fließt, erzeugt der Statur 100 ein rotierendes Magnetfeld. Die Rotoren 200 drehen sich um die Achse A aufgrund der Anziehung und Abstoßung zwischen dem von den Permanentmagneten 201 erzeugten Magnetfeld und diesem rotierenden Magnetfeld. Das Rotationsdrehmoment der Rotoren 200 wird über die Kugelkeilwellenmechanismen 203 an die Ausgangswelle 204 übertragen und nach außen ausgegeben. Andererseits erfahren die Versetzungswellen 307, da sie mit den Rotoren 200 über die Drucklager 308 verbunden sind, keinen Einfluss von der Drehung der Rotoren 200 und bleiben stationär. Aber wenn Drehleistung von der Leistungsquelle 301 an die ersten Zahnräder 303 ausgegeben wird, drehen sich die zweiten Zahnräder 304 und die oberen und unteren Versetzungswellen 307, die damit verbunden sind. Aufgrund dessen erzeugen die oberen und unteren Versetzungswellen 307 eine Kraft in zueinander entgegengesetzten axialen Richtungen. Deswegen empfangen die Rotoren 200 eine Kraft von der zweiten Verstellwelle 312 in axialer Richtung und werden in axialer Richtung verschoben.
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Auf diese Weise wird der Variabler-Spalt-Mechanismus 300 dieses vierten Ausführungsbeispiels von einer Leistungsquelle 301 angetrieben, die von den Drehmechanismen der Rotoren 200 getrennt ist. Aufgrund dessen ist es möglich, die Abstände der Spalte auf flexible Weise mit ausgezeichneter Zuverlässigkeit und Ansprechung zu steuern. Weiterhin wird die gleiche Menge an Drehbewegung von der Leistungsquelle 301 im gleichen Augenblick über die ersten Verstellwellen 302 an die oberen und unteren zweiten Versetzungswellen 307 übertragen. Aufgrund dessen ist es möglich sicherzustellen, dass die Beträge, um die die oberen und unteren Rotoren 200 versetzt werden, miteinander übereinstimmen. Des Weiteren ist das System kompakt und kann kostengünstig hergestellt werden, da es möglich ist, Leistung in entgegengesetzten Richtungen mit einem einzigen Servomotor sowohl an die obere als auch die untere Verstellwelle auszugeben.
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Ausführungsbeispiel Nr. 5
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9A und 9B sind Figuren, die das fünfte Ausführungsbeispiel der elektrischen Axialspalttyp-Drehmaschine der vorliegenden Erfindung zeigen. 9A zeigt die Maschine, wenn der Spaltabstand im Normalbetrieb ist, während 9B sie zeigt, wenn der Spaltabstand vergrößert worden ist. In der elektrischen Drehmaschine dieses fünften Ausführungsbeispiels ist der Variabler-Spalt-Mechanismus 300 auf den Außenseiten der Rotoren 200 in axialer Richtung (d. h. auf ihren Seiten gegenüber ihren Seiten, die dem Stator 100 zugewandt sind) vorgesehen.
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Auf eine Erläuterung von Elementen, die auf die gleiche Weise wie diejenigen im ersten Ausführungsbeispiel arbeiten, wird verzichtet. In diesem fünften Ausführungsbeispiel ist ein vorspringender Bereich 205 mit einem Hohlraum auf der Endfläche von jedem der Rotorkerne 202 (d. h. auf seiner Seite gegenüber seiner Seite, die dem Stator 100 zugewandt ist) in dem Zustand vorgesehen, in dem er mechanisch mit seinem entsprechenden Rotor 200 verbunden ist. Vier Drucklager 308, die rund um die Achse A verlaufen, sind in den Hohlräumen der zwei vorstehenden Bereiche 205 angeordnet. Mehrere erste Verstellwellen 302, die sich jeweils um eine Achse F drehen, sind in Umfangsrichtung des Motors rund um die Achse A als Zentrum angeordnet vorgesehen. Jede der ersten Verstellwellen 302 hat einen Gewindebereich 301, und dieser Gewindebereich 310 ist mit einem Mutternbereich 311 im Eingriff, der an einem Befestigungsbereich 103 des Gehäuses 500 (in der Figur nicht gezeigt) vorgesehen ist, das den Stator hält. Des Weiteren sind die ersten Verstellwellen 302 mit einer externen Leistungsquelle 301 verbunden.
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Als Nächstes wird der Betrieb dieser elektrischen Drehmaschine gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel erläutert. Wenn Strom in die Spulen 101 geleitet wird, erzeugt der Stator 100 ein rotierendes Magnetfeld. Aufgrund der Anziehung und Abstoßung zwischen den von den Permanentmagneten 201 der Rotoren 200 erzeugten Magnetfelder und diesem rotierenden Magnetfeld drehen sich die Rotoren 200 um die Achse A. Das Rotationsdrehmoment der Rotoren 200 wird über die Kugelkeilwellenmechanismen 203 an die Ausgangswelle 204 übertragen und nach außen abgegeben. Die vorstehenden Bereiche 205 und die Drucklager 308 drehen sich zusammen mit den Rotoren 200. Andererseits wird das Rotationsdrehmoment der Rotoren 200 nicht an die ersten Verstellwellen 302 übertragen, da sie über die Drucklager 308 mit den Rotoren 200 gekoppelt sind. Wenn die ersten Verstellwellen 302 von der Leistungsquelle 301 Drehleistung erhalten, erzeugen sie eine Kraft in axialer Richtung aufgrund ihrer Gewindemechanismen. Deswegen erfahren die Rotoren 200 eine Kraft in axialer Richtung von den ersten Verstellwellen 302, so dass die Rotoren 200 in axialer Richtung verschoben werden.
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Somit wird der Variabler-Spalt-Mechanismus 300 des fünften Ausführungsbeispiels von der Leistungsquelle 301 angetrieben, die von dem Drehmechanismus, der die Rotoren 200 einschließt, getrennt ist. Aufgrund dessen ist es möglich, die Abstände der Luftspalte auf flexible Weise mit ausgezeichneter Zuverlässigkeit und Ansprechung zu steuern. Des Weiteren wird mit dieser elektrischen Drehmaschine des fünften Ausführungsbeispiels im Vergleich zu dem Aufbau der elektrischen Drehmaschine des ersten bis vierten Ausführungsbeispiels eine größere Antriebskraft erhalten, da für jeden der oberen und unteren Rotoren 200 in axialer Richtung eine individuelle Leistungsquelle 301 vorgesehen ist. Deswegen ist es möglich, eine zuverlässigere Steuerung der Spaltabstände selbst dann durchzuführen, wenn beispielsweise der physische Aufbau des Motors ausgedehnt und die magnetische Anziehung, die zwischen dem Stator und dem Rotor wirkt, groß ist.
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Es sollte verstanden werden, dass keine der verschiedenen Ausführungsformen, die vorstehend erläutert worden sind, als durch das Merkmal beschränkt zu betrachten sind, dass die Variabler-Spalt-Mechanismen 300 mehrfach um die Achse A als Zentrum vorgesehen sind, wie beispielhaft gezeigt ist; in jedem Fall wäre es auch akzeptabel, dass nur ein solcher Variabler-Spalt-Mechanismus 300 vorgesehen ist. Während die Leistungsquelle 201 als die Leistungsquelle für den Variablen-Spalt-Mechanismus 300 verwendet wird, wäre es auch akzeptabel, eine andere Leistungsquelle zu verwenden, vorausgesetzt, dass sie Drehleistung an die ersten Verstellwellen 302 übertragen kann und dass sie eine ist, die sich von der Drehleistung dieser elektrischen Axialspalttyp-Drehmaschine selbst unterscheidet, mit anderen Worten, vorausgesetzt, dass es sich um eine externe Leistungsquelle handelt. Es wäre auch akzeptabel, dass der Gewindebereich 310 und der Mutternbereich 311 als Kugelumlaufmechanismus ausgebildet sind, um die Reibung zu verringern.
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Des Weiteren ist es erwünscht, dass der Statorkern 102 aus einem weichen magnetischen Material hergestellt ist, wie etwa magnetisches Stahlblech, ein amorphes Metall, elektromagnetischer Edelstahl oder dergleichen, und es ist gleichermaßen erwünscht, dass die Rotorkerne 202 aus einem weichen magnetischen Material hergestellt sind, wie etwa magnetisches Stahlblech, ein amorphes Metall, elektromagnetischer Edelstahl oder dergleichen. Weiterhin können die Rotorkerne 202 ringförmig sein und ungefähr den gleichen Durchmesser wie die Permanentmagnete 201 aufweisen und können mit der Welle über ein Konstruktionselement, das sie hält, verbunden sein. Es ist erwünscht, S45C, SS400, Edelstahl oder dergleichen für dieses Konstruktionselement zu verwenden. Des Weiteren wäre es auch akzeptabel, einen ringförmigen Permanentmagneten zu verwenden, der mit polarer Anisotropie magnetisiert ist. Es wäre auch möglich, die Rotoren 200 so anzuordnen, dass sie von den Permanentmagneten 201, ringförmigen Rotorkernen, die aus einem weichen magnetischen Material hergestellt sind, die zusammen mit den Permanentmagneten 201 magnetische Schaltungen bilden, und Elementen, die diese mechanisch mit der Ausgangswelle 204 koppeln, aufgebaut werden.
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Die bürstenlose Permanentmagnetmaschine mit Axialfluss, die eine Art elektrischer Drehmaschine ist und auch als elektrische Axialspalttyp-Drehmaschine bezeichnet wird, gemäß der Erfindung der vorliegenden Anmeldung hat eine Doppelrotorkonstruktion, die zwei Rotoren verwendet. Gemäß dieser Doppelrotorkonstruktion ist es im Vergleich zu einer Einzelrotorkonstruktion möglich, die Wirksamkeit der Verwendung des rotierenden Magnetfelds zu steigern und ein größeres Drehmoment zu erhalten.
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Mit den bürstenlosen Permanentmagnetmaschinen mit Axialfluss der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele ist in allen Fällen eine flexible Steuerung der Spaltabstände mit ausgezeichneter Zuverlässigkeit und Ansprechung möglich.
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Als Nächstes wird die Steuerung der Spaltabstände erläutert. Eine (in den Figuren nicht gezeigte) Leistungsquellen-Steuerungsvorrichtung ist für die Leistungsquelle 301 vorgesehen und durch Ausgeben eines Steuerungssignals an die Leistungsquelle 301, das die Zeitsteuerung spezifiziert, zu der sie sich drehen soll, treibt diese Steuerungsvorrichtung die erste Verstellwelle 302, das erste Zahnrad 303 und die zweiten Zahnräder 304 an und verstellt so die Abstände der zwei Lücken.
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10 und 11 sind Figuren, welche für diese bürstenlose Permanentmagnetmaschine mit Axialfluss die Beziehung zwischen Drehgeschwindigkeit und Spannung und Drehmoment sowie die Beziehung zwischen Drehgeschwindigkeit und den Spalten zeigen, wenn der Variabler-Spalt-Mechanismus 300 so vorgesehen ist, dass er die Spalte ununterbrochen steuern kann. 10 zeigt die Beziehung zwischen Drehgeschwindigkeit und Spannung und Drehmoment und 11 zeigt die Beziehung zwischen Drehgeschwindigkeit und den Spalten.
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Mit der bürstenlosen Permanentmagnetmaschine mit Axialfluss gemäß der vorliegenden Erfindung kann durch Vergrößern der Spalte der Magnetfluss, der durch die Spulen verbindet, geschwächt werden, so dass die induzierte Spannung auf weniger die als oder gleich der Leistungsversorgungsspannung gehalten werden kann.
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Beispielsweise wird in dem Fall eines Motors zum Antreiben eines Elektrofahrzeugs oder eines elektrischen Hybridkraftfahrzeugs eine breite Drehgeschwindigkeitszone verwendet, um imstande zu sein, das Starten des Kraftfahrzeugs aus dem Ruhezustand, Befahren von Steigungen, Hochgeschwindigkeitsfahrt und so weiter zu bewältigen. Wenn eine bürstenlose Permanentmagnetmaschine mit Axialfluss gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wie etwa ein Antriebsmotor, wird die niedrige Drehgeschwindigkeits-Hochdrehmomentzone in 10 verwendet, wenn aus dem Ruhezustand angefahren oder eine Steigung befahren wird, während die hohe Drehgeschwindigkeitszone während einer Hochgeschwindigkeitsfahrt verwendet wird.
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Der Antriebsmotor erzeugt induzierte Spannung im Verhältnis zur Drehgeschwindigkeit nach Maßgabe der Änderung im Lauf der Zeit des Magnetflusses, der durch die Spulen verbindet. Wenn diese induzierte Spannung höher als die Leistungsversorgungsspannung bei einer vorgegebenen Drehgeschwindigkeit (größer als oder gleich N1) wird, wird es unmöglich, den erforderlichen Strom von der Seite der Leistungsversorgung zum Erzeugen des notwendigen Drehmoments zuzuführen.
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In diesem Fall führt die vorstehend beschriebene Steuerungsvorrichtung der Leistungsquelle 301 ein Steuerungssignal zum Erhöhen der Abstände der Spalte zu und bei Empfang dieses Steuerungssignals und auf der Grundlage desselben treibt die Leistungsquelle 301 die erste Verstellwelle 302 an, so dass die Abstände der Spalte größer werden. Aufgrund dessen ist es möglich, die Spaltabstände während einer Hochgeschwindigkeitsdrehung bei Drehgeschwindigkeiten, die größer als oder gleich N1 sind, zu erhöhen, so dass es möglich ist, die induzierte Spannung zu unterdrücken und somit einen elektrischen Strom zuzuführen, der für die Erzeugung des erforderlichen Drehmoments angemessen ist.
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Umgekehrt führt, zum Beispiel während eines Bremsvorgangs, die vorstehend beschriebene Steuerungsvorrichtung der Leistungsquelle 301 ein Steuerungssignal zum Reduzieren der Abstände der Spalte zu und bei Empfang dieses Steuerungssignals und auf der Grundlage desselben treibt die Leistungsquelle 301 die erste Verstellwelle 302 so an, dass die Abstände der Spalte schmaler werden. Aufgrund dessen fungiert der Motor als eine Last und die dadurch vorgesehene Bremswirkung wird erhöht. Zur gleichen Zeit ist es möglich, die kinetische Energie des Fahrzeugs auf wirksame Weise zur Batterie zurückzugewinnen.
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Es wäre auch akzeptabel, vorzusehen, dass die Spaltsteuerung diskret, d. h. schrittweise, durchgeführt wird. Dadurch ist es möglich, das Steuerungssystem für die Leistungsquelle 301 zu vereinfachen. 12 und 13 zeigen jeweils die Beziehung zwischen Drehgeschwindigkeit und Spannung und Drehmoment sowie die Beziehung zwischen Drehgeschwindigkeit und den Spalten, wenn der Mechanismus zum Steuern der Variation der Spalte diskret arbeitet.
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Es sollte verstanden werden, dass es auch möglich ist, die Spalte zu steuern, wenn kein Strom durch die Spulen geleitet wird (d. h. wenn kein Drehmoment ausgegeben wird). Somit ist es möglich, während des Bremsvorgangs die Bremskraft durch Verschmälern der Spalte zu erhöhen; und während eines Leerlauffahrens unter Trägheitskraft oder Bergabfahrens unter Schwerkraft ist es möglich, die Verlustentstehung durch Vergrößern der Spalte zu verringern.
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Es sollte verstanden werden, dass die Drehbereiche der vorstehend erläuterten Drucklager 308 in 1 bis 8 entweder auf der Seite des Rotorkerns 202 oder auf der Seite der Versetzungswelle 307 platziert sein können. Wenn die Drucklager 308 auf der Rotorseite platziert sind, ist, obwohl auf eine detaillierte Veranschaulichung in den Figuren verzichtet wird, beispielsweise eine ringförmige Metallplatte zwischen der Versetzungswelle 307 und den Drucklagern 308 eingebaut.
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Unter Zusammenfassung der vorstehenden Erläuterungen ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, eine bürstenlose Permanentmagnetmaschine mit Axialfluss mit einer Doppelrotorkonstruktion bereitzustellen, in der die Zuverlässigkeit des Variabler-Spalt-Mechanismus verbessert ist und bei der es möglich ist, den Spaltabstand zwischen dem Stator und dem Rotor auf flexible Weise zu ändern.
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Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind Beispiele und es können verschiedene Modifikationen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2010-276517 [0001]
- JP 2002-325412 [0005, 0007]
- JP 2008-48519 [0006, 0008]
