DE102012205501A1

DE102012205501A1 - Elektrische rotationsmaschine

Info

Publication number: DE102012205501A1
Application number: DE102012205501A
Authority: DE
Inventors: Eiji Yamada; Ryoji Mizutani; Shintaro CHINEN; Kenji Hiramoto; Hideo Nakai; Norimoto Minoshima
Original assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-04-07
Filing date: 2012-04-04
Publication date: 2012-10-11
Also published as: JP2012222941A; CN102738995A; US20120256510A1; DE102012205501A8

Abstract

Eine elektrische Rotationsmaschine (10) enthält einen Stator (12), der ein Rotationsmagnetfeld erzeugt, und einen Rotor (14), um den eine Rotorwicklung (42n, 42s) gewickelt ist, so dass eine induzierte elektromotorische Kraft durch eine harmonische Komponente des Rotationsmagnetfelds erzeugt wird, und bei dem ein Magnetpol durch die induzierte elektromotorische Kraft erzeugt wird. Der Stator weist einen Hilfspol auf, der ein leitender Abschnitt ist, der die harmonische Komponente von dem Stator zu dem Rotor leitet.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine elektrische Rotationsmaschine, die mit einem Stator ausgerüstet ist, der ein Rotationsmagnetfeld erzeugt.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Wie es in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2010-279165 ( JP 2010-279165 A ) beschrieben ist, ist eine elektrische Rotationsmaschine bekannt, bei der ein Rotor, der mit Rotorwicklungen, die Spulen sind, versehen ist, vorgesehen ist und ein Strom durch die Rotorwicklungen durch ein Magnetfeld, das durch die magnetomotorische Kraft, die in einem Stator erzeugt wird, erzeugt wird, induziert wird und räumliche Harmonische als harmonische Komponenten enthält, so dass ein Drehmoment in dem Rotor erzeugt wird. Die elektrische Rotationsmaschine, die in der JP 2010-279165 A beschrieben ist, ist mit dem Stator und dem Rotor, der radial innerhalb des Stators angeordnet ist, ausgerüstet. Der Stator weist Zähne auf, die an mehreren Orion auf einem Statorkern, die in einer Umfangsrichtung zueinander beabstandet sind, vorgesehen sind. Um die Zähne des Stators werden Statorwicklungen mehrerer Phasen durch ein konzentriertes Wicklungsverfahren gewickelt. Durch das Fließen von elektrischen Wechselströmen mehrerer Phasen durch die Statorwicklungen der Phasen kann ein Rotationsmagnetfeld, das sich in einer Umfangsrichtung dreht, erzeugt werden.
Außerdem weist der Rotor Schenkelpole auf, die an mehreren Orten in der Umfangsrichtung an einem Rotorkern vorgesehen sind. Eine Rotorwicklung ist um jeden Schenkelpol gewickelt. Hinsichtlich der Rotorwicklungen sind diejenigen Rotorwicklungen, die um jeden weiteren bzw. übernächsten Schenkelpol gewickelt sind, in Serie geschaltet, während die jeweiligen Rotorwicklungen um zwei in der Umfangsrichtung des Rotors zueinander benachbarte Schenkelpole elektrisch voneinander getrennt sind. Eine Diode ist mit jeder der getrennten Gruppen von Rotorwicklungen verbunden. Die Dioden, die mit den beiden Rotorwicklungen verbunden sind, die in der Umfangsrichtung des Rotors benachbart zueinander sind, sind mit ihren jeweiligen Rotorwicklungen in zueinander entgegengesetzten Richtungen verbunden, so dass die Richtungen der Ströme, die durch zwei benachbarte Rotorwicklungen fließen, zueinander entgegengesetzt sind. Aufgrund dessen sind, wenn ein elektrischer Gleichstrom durch jede Rotorwicklung in der Gleichrichtungsrichtung der Diode fließt, die Magnetrichtungen von zwei in der Umfangsrichtung zueinander benachbarten Schenkelpolen entgegengesetzt zueinander, und daher wird ein Magnet in jedem Schenkelpol derart ausgebildet, dass sich N- und S-Pole in der Umfangsrichtung des Rotors abwechseln.
Bei einer derartigen elektrischen Rotationsmaschine interagieren die Schenkelpole mit dem magnetischen Rotationsfeld des Stators, so dass ein Drehmoment auf den Rotor wirkt. Unter Verwendung von harmonischen Komponenten des Magnetfelds, das durch den Stator ausgebildet wird, kann das Drehmoment, das auf den Rotor wirkt, wirksam erhöht werden. Neben der JP 2010-279165 A beinhalten für die Erfindung relevante Dokumente die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2007-185082 ( JP 2007-185082 A ), die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2010-98908 ( JP 2010-98908 A ), die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2010-11079 ( JP 2010-11079 A ), die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2004-187488 ( JP 2004-187488 A ) und die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2009-183060 ( JP 2009-183060 A ).
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung schafft eine elektrische Rotationsmaschine, die in der Lage ist, das Drehmoment wirksam zu erhöhen.
Eine elektrische Rotationsmaschine gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine elektrische Rotationsmaschine, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie enthält: einen Stator, der ein Rotationsmagnetfeld erzeugt; und einen Rotor, um den eine Spule gewickelt ist, so dass eine elektromotorische Kraft in der Spule durch harmonische Komponenten des Rotationsmagnetfeldes erzeugt wird, und in dem ein Magnetpol durch die elektromotorische Kraft erzeugt wird, wobei der Rotor einen leitenden Abschnitt, der die harmonischen Komponenten von dem Stator zu dem Rotor leitet, aufweist.
In der elektrischen Rotationsmaschine gemäß dem Aspekt der Erfindung kann der Rotor einen Magnetpolabschnitt enthalten, der derart ausgebildet ist, dass der Magnetpol durch die elektromotorische Kraft in dem Magnetpolabschnitt erzeugt wird.
Außerdem kann der leitende Abschnitt in der elektrischen Rotationsmaschine gemäß dem Aspekt der Erfindung derart vorgesehen sein, dass er benachbart zu dem Stator ist. Außerdem kann der leitende Abschnitt in dem Rotor derart vorgesehen sein, dass er den imaginären größten Umkreis berührt, der um eine Mitte gezogen ist, die sich auf der Rotationsmittelachse des Rotors befindet.
Weiterhin kann der leitende Abschnitt in der elektrischen Rotationsmaschine gemäß dem Aspekt der Erfindung die harmonischen Komponenten derart leiten, dass eine Größe der erzeugten elektromotorischen Kraft erhöht wird.
Gemäß der Erfindung ist es möglich, eine elektrische Rotationsmaschine zu schaffen, die in der Lage ist, durch Bewirken, dass eine großen Menge an harmonischen Komponenten in dem Magnetfeld, das von dem Stator erzeugt wird, mit der Spule des Rotors verbunden wird, wirksam das Drehmoment zu erhöhen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Merkmale, Vorteile und die technische und gewerbliche Bedeutung der beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen für gleiche Elemente verwendet werden. Es zeigen:
1 ein schematisches Diagramm, das einen Zustand zeigt, bei dem Dioden, die Gleichrichtungselemente sind, mit Rotorwicklungen in einer elektrischen Rotationsmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gekoppelt sind;
2 eine schematische Querschnittsansicht, die einen Abschnitt der elektrischen Rotationsmaschine der 1 zeigt, der sich in einer Umfangsrichtung erstreckt und in dem ein Abschnitt eines Stators und ein Abschnitt eines Rotors einander gegenüberliegen bzw. zueinander zeigen, wobei Darstellungen der Dioden weggelassen sind;
3 eine vergrößerte und detaillierte Ansicht eines Abschnitts A, der in 2 gezeigt ist;
4 ein schematisches Diagramm, das eine Weise zeigt, wie ein Magnetfluss, der durch induzierte Ströme, die durch Rotorwicklungen fließen, erzeugt wird, in dem Rotor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung fließt;
5 ein Diagramm, das Ergebnisse einer Berechnung der Amplitude (Variationsbreite) der Magnetflussverbindung mit den Rotorwicklungen zeigt, während die Umfangsbreite θ der Rotorwicklungen in der Umfangsrichtung in der elektrischen Rotationsmaschine, die in 1 gezeigt ist, geändert wird.
6A ein Diagramm, das Rotationsgeschwindigkeits-Drehmoment-Charakteristika mit unterschiedlichen Statorströmen als Ergebnisse zeigt, die anhand einer Simulation erhalten wurden, die mit einer elektrischen Rotationsmaschine eines Vergleichsbeispiels, das keine Hilfspole aufweist, durchgeführt wurde;
6B ein Diagramm, das Beziehungen zwischen der magnetomotorischen Rotorkraft und der Rotationsgeschwindigkeit mit unterschiedlichen Statorströmen als Ergebnisse zeigt, die anhand einer Simulation erhalten wurden, die mit der elektrischen Rotationsmaschine des Vergleichsbeispiels durchgeführt wurde;
7A ein Diagramm, das Rotationsgeschwindigkeits-Drehmoment-Charakteristika mit unterschiedlichen Statorströmen als Ergebnisse zeigt, die anhand einer Simulation erhalten wurden, die mit der elektrischen Rotationsmaschine der Ausführungsform der Erfindung durchgeführt wurde;
7B ein Diagramm, das Beziehungen zwischen der magnetomotorischen Rotorkraft und der Rotationsgeschwindigkeit mit unterschiedlichen Statorströmen als Ergebnisse zeigt, die anhand einer Simulation erhalten wurden, die mit der elektrischen Rotationsmaschine der Ausführungsform der Erfindung durchgeführt wurde;
8A ein Diagramm, das die Flussverbindungen der Rotorwicklungen durch räumliche Harmonische als Ergebnisse zeigt, die anhand von Simulationen erhalten wurden, die mit einem Vergleichsbeispiel, das keine Hilfspole aufweist, und Beispielen 1 und 2 durchgeführt wurden;
8B ein Diagramm, das die Selbstinduktivitäten von Rotorwicklungen als Ergebnisse von Simulationen zeigt, die mit dem Vergleichsbeispiel und Beispielen 1 und 2 durchgeführt wurden;
8C ein Diagramm, das die induzierten Ströme des Rotors in den Rotorwicklungen als Ergebnisse zeigt, die anhand von Simulationen erhalten wurden, die mit dem Vergleichsbeispiel und Beispielen 1 und 2 durchgeführt wurden;
8D ein Diagramm, das die Drehmomente von elektrischen Rotationsmaschinen als Ergebnisse zeigt, die anhand von Simulationen erhalten wurden, die mit dem Vergleichsbeispiel und Beispielen 1 und 2 durchgeführt wurden;
9A ein schematisches Diagramm, das Magnetflusslinien von räumlichen Harmonischen als Ergebnisse zeigt, die anhand einer Simulation erhalten wurden, die mit einem Vergleichsbeispiel, das keine Hilfspole aufweist, durchgeführt wurde;
9B ein schematisches Diagramm, das Magnetflusslinien von räumlichen Harmonischen als Ergebnisse zeigt, die anhand einer Simulation erhalten wurden, die mit einer Ausführungsform der Erfindung durchgeführt wurde;
10A ein schematisches Diagramm, das Magnetflusslinien, die durch einen von einem Rotor induzierten Strom erzeugt werden, als Ergebnisse zeigt, die anhand einer Simulation erhalten wurden, die mit einem Vergleichsbeispiel, das keine Hilfspole aufweist, durchgeführt wurde;
10B ein schematisches Diagramm, das Magnetflusslinien, die durch den von dem Rotor induzierten Strom erzeugt werden, als Ergebnisse zeigt, die anhand einer Simulation erhalten wurden, die mit dem Beispiel 1 durchgeführt wurde, bei dem gemäß der Ausführungsform der Erfindung ein Basisabschnitt jedes Hilfspols aus einem magnetischen Material besteht;
10C ein schematisches Diagramm, das Magnetflusslinien, die durch den von dem Rotor induzierten Strom erzeugt werden, als Ergebnisse zeigt, die anhand einer Simulation erhalten wurden, die mit dem Beispiel 2 durchgeführt wurde, bei dem gemäß der Ausführungsform der Erfindung ein Basisabschnitt jedes Hilfspols aus einem nichtmagnetischen Material besteht;
11 ein Diagramm, das eine allgemeine Konstruktion eines Beispiels eines elektrischen Rotationsmaschinenansteuersystems, das eine elektrische Rotationsmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält, zeigt;
12 ein Blockdiagramm, das eine Konstruktion einer Steuervorrichtung in dem elektrischen Rotationsmaschinenansteuersystem, das in 11 gezeigt ist, zeigt;
13A ein Diagramm, das ein Beispiel von zeitlichen Änderungen des Statorstroms in dem elektrischen Rotationsmaschinenansteuersystem, das in 11 gezeigt ist, hinsichtlich des d-Achsenstrombefehlswerts Id*, des q-Achsenstrombefehlswerts Iqsum* nach der Überlagerung und der elektrischen Ströme der drei Phasen zeigt;
13B ein Diagramm, das zeitliche Änderungen der magnetomotorischen Rotorkraft entsprechend der 13A zeigt;
13C ein Diagramm, das zeitliche Änderungen des Motormoments entsprechend der 13A zeigt;
14A bis 14C schematische Diagramme, die Arten zeigen, wie ein Magnetfluss durch den Stator und den Rotor in dem elektrischen Rotationsmaschinenansteuersystem, das in 11 gezeigt ist, fließt, eines Falls (14A), bei dem der q-Achsenstrom ein konstanter Wert ist, einer frühen Periode (14B) eines Falls, bei dem der verringernde Pulsstrom dem q-Achsenstrom überlagert wird, und einer späten Periode (14C) eines Falls, bei dem der verringernde Pulsstrom dem q-Achsenstrom überlagert wird;
15 ein Diagramm, das Beispiele des Stroms, der durch die Statorwicklung der U-Phase (Statorstrom) fließt, und des induzierten Stroms, der in einer Rotorwicklung (induzierter Strom des Rotors) in einem elektrischen Rotationsmaschinenansteuersystem auftritt, das den erhöhenden Pulsstrom dem Statorstrom überlagert, zeigt;
16A und 16B schematische Diagramme eines Rotors, der eine Änderung, die auftritt, wenn der Pulsstrom dem q-Achsenstrom in einer elektrischen Rotationsmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung überlagert wird, zeigt;
17 ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Rotationsgeschwindigkeit und dem Drehmoment der elektrischen Rotationsmaschine zur Darstellung eines Beispiels zeigt, bei dem der Zustand der Überlagerung des Pulsstroms in dem elektrischen Rotationsmaschinenansteuersystem, das in 11 gezeigt ist, geändert wird;
18 ein schematisches Diagramm, das ein weiteres Beispiel eines Rotors einer elektrischen Rotationsmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
19 ein schematisches Diagramm, das ein noch weiteres Beispiel eines Rotors einer elektrischen Rotationsmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
20 ein schematisches Diagramm, das ein noch weiteres Beispiel eines Rotors einer elektrischen Rotationsmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt; und
21 ein schematisches Diagramm, das ein weiteres Beispiel eines Rotors einer elektrischen Rotationsmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Die 1 bis 3 sind Diagramme, die eine Ausführungsform der Erfindung zeigen. 1 ist ein schematisches Diagramm, das einen Zustand zeigt, bei dem Dioden, die Gleichrichtungselemente sind, mit Rotorwicklungen in einer elektrischen Rotationsmaschine gemäß der Ausführungsform der Erfindung gekoppelt sind. 2 ist eine schematische Querschnittsansicht, die einen Abschnitt der elektrischen Rotationsmaschine der 1 zeigt, der sich in einer Umfangsrichtung erstreckt und bei dem ein Abschnitt eines Stators und ein Abschnitt eines Rotors einander gegenüberliegen, wobei die Darstellungen der Dioden weggelassen sind. 3 ist eine vergrößerte und detaillierte Ansicht eines Abschnitts A, der in 2 gezeigt ist. Wie es in 1 gezeigt ist, enthält die elektrische Rotationsmaschine 10, die als ein Elektromotor oder ein Elektrizitätsgenerator dient, einen Stator 12, der an einem Gehäuse (nicht gezeigt) fixiert ist, und einen Rotor 14, der radial innerhalb des Stators 12 angeordnet ist, so dass er dem Stator 12 mit einer vorbestimmten Luftlücke dazwischen gegenüberliegt, und der in Bezug auf den Stator 12 drehbar ist (der Ausdruck „Radialrichtung” (der manchmal auch durch den Ausdruck „radial” angegeben wird) bezieht sich auf eine beliebige radiale Richtung orthogonal zu der Rotationsmittelachse des Rotors 14, und im Folgenden ist die Bedeutung der „Radialrichtung” in der folgenden Beschreibung dieselbe, wenn nicht anders angegeben).
Außerdem enthält der Stator 12 einen Statorkern 26, Zähne 30, die an mehreren Orten an dem Statorkern 26 in dessen Umfangsrichtung angeordnet sind, und Statorwicklungen 28u, 28v und 28w mehrerer Phasen (genauer gesagt drei Phasen, d. h. eine u-Phase, eine v-Phase und eine w-Phase), die um die einzelnen Zähne 30 angeordnet, d. h. um diese gewickelt sind. Insbesondere sind auf einer Innenumfangsfläche des Statorkerns 26 die Zähne 30, die mehrere Statorzähne sind, die radial einwärts (in Richtung des Rotors 14) vorstehen, in der Umfangsrichtung um die Rotationsmittelachse des Rotors 14 beabstandet angeordnet, und daher sind Schlitze 31 zwischen den einzelnen Zähnen 30 ausgebildet (die „Umfangsrichtung” bezieht sich auf eine beliebige Richtung entlang einem Kreis, der mit seiner Mitte auf der Rotationsmittelachse des Rotors um diese gezogen ist, und die Bedeutung des Ausdrucks „Umfangsrichtung” ist in der folgenden Beschreibung dieselbe, wenn nicht anders angegeben). Der Statorkern 26 und die Zähne 30 sind als ein einstückiger Körper aus einem magnetischen Material ausgebildet.
Die Statorwicklungen 28u, 28v und 28w der Phasen werden um die einzelnen Zähne 30 gewickelt, indem die Drähte mit einem Sehnenkonzentrationswicklungsverfahren durch die Schlitze 31 geführt werden. Da die Statorwicklungen 28u, 28v und 28w auf die obige Weise um die Zähne 30 gewickelt werden, werden die Magnetpole aufgebaut. Dann werden durch Fließen von elektrischen Wechselströmen mehrerer Phase durch die Statorwicklungen 28u, 28v und 28w mehrerer Phasen die Zähne 30, die in der Umfangsrichtung angeordnet sind, magnetisiert, so dass der Stator 12 ein Rotationsmagnetfeld erzeugt, das sich in der Umfangsrichtung dreht. Die Statorwicklungen sind nicht auf eine Konstruktion beschränkt, bei der Wicklungen um die Statorzähne gewickelt sind, sondern sie können ebenfalls von den Statorzähnen entfernt um den Statorkern gewickelt sein.
Das Rotationsmagnetfeld, das durch die Zähne 30 ausgebildet wird und sich von deren fernen Endoberflächen erstreckt, wirkt auf den Rotor 14. In dem Beispiel, das in 1 gezeigt ist, bilden drei Zähne 30, um die die drei Statorwicklungen 28u, 28v und 28w der drei Phasen (die u-Phase, die v-Phase und die w-Phase) gewickelt sind, ein Polpaar.
Der Rotor 14 enthält: einen hohlen zylindrischen Rotorkern 16; Zähne 19, die Vorstehungen sind, die radial auswärts (in Richtung des Stators 12) von mehreren Orten auf einer Außenumfangsfläche des Rotorkerns 16 in dessen Umfangsrichtung vorstehen, und die Hauptschenkelpole und die Magnetpolabschnitte, d. h. Rotorzähne sind; und Rotorwicklungen 42n und 42s, die mehrere Spulen sind. Der Rotorkern 16 und die Zähne 19 sind als ein einstückiger Körper aus einem magnetischen Material ausgebildet. Genauer gesagt werden mehrere erste Rotorwicklungen 42n durch das konzentrierte Wicklungsverfahren um die jeweiligen anderen (übernächsten) Zähne 19 in der Umfangsrichtung des Rotors 14 gewickelt, und mehrere zweite Rotorwicklungen 42s werden durch das konzentrierte Wicklungsverfahren um die Zähne 19, die benachbart zu den zuvor genannten Zähnen 19 sind, die mit den ersten Rotorwicklungen 42n versehen sind und die den anderen Satz der jeweiligen anderen Zähne 19 in der Umfangsrichtung bilden, gewickelt. Eine erste Rotorwicklungsschaltung 44, die die ersten Rotorwicklungen 42n enthält, und eine zweite Rotorwicklungsschaltung 46, die die zweiten Rotorwicklungen 42s enthält, sind jeweils mit einer Diode 21n und einer Diode 21s verbunden, die jeweils einen Magnetcharakteristikeinstellabschnitt und ein Gleichrichtungselement bilden. Das heißt, die ersten Rotorwicklungen 42n und die zweiten Rotorwicklungen 42s werden an mehreren Orten um den Rotorkern 16 in der Umfangsrichtung durch das konzentrierte Wicklungsverfahren gewickelt. Die ersten Rotorwicklungen 42n, die an jeder anderen Seite in der Umfangsrichtung des Rotors 14 angeordnet sind, sind in Serie und auf eine Endlosweise (oder Schleifenweise) geschaltet, und die Diode 21m, die ein Gleichrichtungselement und eine erste Diode ist, ist in Serie zu einem Abschnitt der Serienschaltung aus den ersten Rotorwicklungen 42n geschaltet. Auf diese Weise wird die erste Rotorwicklungsschaltung 44 aufgebaut. Sämtliche ersten Rotorwicklungen 42n sind um die Zähne 19, die als derselbe Magnetpol (N-Pol) dienen, gewickelt.
Die zweiten Rotorwicklungen 42s sind in Serie und auf eine Endlosweise (oder Schleifenweise) geschaltet, und die Diode 21s, die ein Gleichrichtungselement und eine zweite Diode ist, ist in Serie zu einem Abschnitt der Serienschaltung aus den zweiten Rotorwicklungen 42s geschaltet. Auf diese Weise wird die zweite Rotorwicklungsschaltung 46 aufgebaut. Sämtliche zweiten Rotorwicklungen 42s sind um die Zähne 19, die als derselbe Magnetpol (S-Pol) dienen, gewickelt. Die Rotorwicklungen 42n und 42s, die jeweils in der Umfangsrichtung um zwei benachbarten Zähne 19 gewickelt sind (die Magnete entgegen gesetzter Pole bilden), sind elektrisch voneinander getrennt.
Die Gleichrichtungsrichtungen des Stroms der Rotorwicklungen 42n und 42s, die durch die Dioden 21n und 21s erzielt werden, sind entgegengesetzt zueinander, so dass zwei in der Umfangsrichtung des Rotors 14 zueinander benachbarte Zähne 19 Magnete entgegen gesetzter Magnetpole bilden. Das heißt, die Diode 21n und die Diode 21s sind mit den Rotorwicklungen 42n und den Rotorwicklungen 42s, die einander in der Umfangsrichtung abwechseln, derart miteinander verbunden, dass die Richtung, in der ein Strom durch die Rotorwicklungen 42n fließt, und die Richtung, in der ein Strom durch die Rotorwicklungen 42s fließt (d. h. die Richtungen der Gleichrichtung durch die Dioden 21n und 21s), d. h. die Durchlassrichtungen der Dioden 21n und 21s, entgegengesetzt zueinander sind. Die Wicklungsmittelachse der jeweiligen Rotorwicklungen 42n und 42s liegt in einer Radialrichtung. Die Dioden 21n und 21s richten die Ströme, die jeweils durch die Rotorwicklungen 42n und 42s fließen und durch die elektromagnetischen Kräfte, die durch das Rotationsmagnetfeld, das von dem Stator 12 erzeugt wird und das räumliche Harmonische, die harmonische Komponenten sind, enthält, induziert werden, gleich, so dass die Phasen der Ströme, die durch die beiden in der Umfangsrichtung des Rotors 14 zueinander benachbarten Rotorwicklungen 42n und 42s fließen, eine A-Phase und eine B-Phase bilden, die sich abwechseln. Der A-Phasen-Strom erzeugt einen N-Pol in der fernen Endseite jedes der entsprechenden Zähne 19, und der B-Phasen-Strom erzeugt einen S-Pol in der fernen Endseite jedes der entsprechenden Zähne 19. Das heißt, die Gleichrichtungselemente, die für den Rotor 14 vorgesehen sind, sind die Diode 21n und die Diode 21s, die das erste Gleichrichtungselement und das zweite Gleichrichtungselement sind, die jeweils mit den Rotorwicklungen 42n und den Rotorwicklungen 42s verbunden sind. Die Dioden 21n und 21s richten jeweils unabhängig die Ströme, die durch die induzierten elektromotorischen Kräfte derart induziert werden, dass sie jeweils durch die Rotorwicklungen 42n und 42s fließen, gleich, so dass sich die Magnetcharakteristika der an mehreren Orten in der Umfangsrichtung angeordneten Zähne 19, die durch die Ströme, die durch die Rotorwicklungen 42n und durch die Rotorwicklungen 42s fließen, bestimmt werden, abwechselnd in der Umfangsrichtung ändern. Somit bewirken die Dioden 21n und 21s, dass sich die Magnetcharakteristika der Zähne 19, die den induzierten elektromotorischen Kräften, die in den Rotorwicklungen 42n und 42s erzeugt werden, zuzuschreiben sind, abwechselnd in der Umfangsrichtung ändern. Bei dieser Konstruktion kann die Anzahl der Dioden 21n und 21s auf zwei verringert werden, und daher kann die Struktur der Wicklungen des Rotors 14 im Gegensatz zu einer weiteren Ausführungsform, die unten mit Bezug auf 18 beschrieben wird, vereinfacht werden. Der Rotor 14 ist konzentrisch an einer radialen Außenseite einer Rotationswelle 22 (siehe 18 und 20 etc., da 1 die Rotationswelle 22 nicht zeigt), die drehbar von einem Gehäuse (nicht gezeigt) getragen wird, fixiert. Jede der Rotorwicklungen 42n und 42s kann um einen entsprechenden Zahn 19 gewickelt sein, wobei ein Isolator oder Ähnliches, der aus Harz oder Ähnlichem besteht und eine elektrische Isoliereigenschaft aufweist, zwischen jeder der Rotorwicklungen 42n und 42s und dem entsprechenden Zahn 19 angeordnet ist.
Die Breite θ jeder der Rotorwicklungen 42n und 42s in der Umfangsrichtung des Rotors 14 wird auf kleiner als die Breite eingestellt, die 180° hinsichtlich des elektrischen Winkels des Rotors 14 entspricht, und die Rotorwicklungen 42n und 42s werden um die Zähne 19 mit einem Sehnenwicklungsverfahren gewickelt. Genauer gesagt wird die Breite θ der Rotorwicklungen 42n und 42s in der Umfangsrichtung des Rotors 14 auf gleich oder im Wesentlichen gleich der Breite eingestellt, die 90° hinsichtlich des elektrischen Winkels des Rotors 14 entspricht. Die Breite θ der Rotorwicklungen 42n und 42s kann hier durch eine Mittenbreite eines Querschnitts der Rotorwicklungen 42n und 42s unter Berücksichtung des Querschnittsbereichs der Rotorwicklungen 42n und 42s repräsentiert werden. Das heißt, die Breite θ der Rotorwicklungen 42n und 42s kann durch einen Mittelwert des Abstands zwischen Innenumfangsflächen jeder der Rotorwicklungen 42n und 42s in der Umfangsrichtung und des Abstands zwischen deren Außenumfangsflächen in der Umfangsrichtung repräsentiert werden. Der elektrische Winkel des Rotors 14 wird durch das Ergebnis der Multiplikation aus dem mechanischen Winkel des Rotors 14 mit der Anzahl p der Polpaare des Rotors 14 repräsentiert (elektrischer Winkel = mechanischer Winkel × p). Daher erfüllt die Breite θ jeder der Rotorwicklungen 42n und 42s in der Umfangsrichtung die folgende Gleichung (1), wobei r der Abstand von der Rotationsmittelachse des Rotors 14 zu den Rotorwicklungen 42n und 42s ist. θ < π × r/p (1)
Der Grund dafür, dass die Breite θ auf diese Weise beschränkt wird, wird später genauer beschrieben.
Insbesondere enthält der Rotorkern 16 in dieser Ausführungsform mehrere Hilfspole 48, die leitende Abschnitte sind, die jeweils an einer Position zwischen zwei in der Umfangsrichtung des Rotors 14 zueinander benachbarten Zähnen 19 angeordnet sind, wie beispielsweise einer Mittelposition zwischen zwei in der Umfangsrichtung zueinander benachbarten Zähnen 19. Die Hilfspole 48, die auf diese Weise angeordnet sind, weisen eine Funktion zum Leiten von räumlichen Harmonischen (wird später beschrieben), die harmonische Komponenten des Rotationsmagnetfeldes, das von dem Stator 12 erzeugt wird, sind, von dem Stator 12 zu dem Rotor 14 auf. Die Hilfspole 48 sind an dem Rotor 14 derart vorgesehen, dass sie nahe bei dem Stator 12 mit einem kleinen Zwischenraum dazwischen, der im Wesentlichen gleich dem Zwischenraum zwischen dem Stator 12 und dem Rotor 14 ist, sind. Weiter vorzugsweise sind die Hilfspole 48 derart vorgesehen, dass ihre fernen Enden einen imaginären größten Umfangskreis des Rotors 14 berühren, der mit seiner Mitte auf der Rotationsmittelachse des Rotors 14 gezeichnet ist. Wenn beispielsweise das ferne Ende jedes der Zähne 19 des Rotors 14 den größten Umfangskreis berührt, berührt das ferne Ende jedes Hilfspols 48 ebenfalls den größten Umfangskreis. Jeder Hilfspol 48 weist aufgrund mindestens eines Teils, der aus einem magnetischen Material besteht, einen Magnetismus auf. Wie es beispielsweise in 2 und 3 gezeigt ist, ist jeder Hilfspol 48 auf einem umfangsseitigen mittleren Abschnitt des Bodens eines Schlitzes 50 vorgesehen, der ein Nutabschnitt ist, der zwischen zwei umfangsseitigen benachbarten Zähnen 19 auf einer Außenumfangsfläche des Rotorkerns 16 derart ausgebildet ist, dass die Hilfspole 48 radial auswärts, d. h. in Richtung des Stators 12, vorstehen. Jeder Hilfspol 48 weist einen Basisabschnitt 52, der aus einem nichtmagnetischen Material ausgebildet ist, und einen fernen Endabschnitt 54 auf, der mit der fernen Endseite des Basisabschnitts 52 gekoppelt und aus einem magnetischen Material ausgebildet ist. Ein Basisende des Basisabschnitts 52, das ein inneres Ende in der Radialrichtung des Rotors 14 ist, ist einstückig mit der Außenumfangsfläche des Rotorkerns 16 gekoppelt und an dieser fixiert. Somit sind die Hilfspole 48 derart vorgesehen, dass sie von der Außenumfangsfläche des Rotorkerns 16 in Richtung des Stators 12 vorstehen, und sind jeweils aus dem fernen Endabschnitt 54, der magnetisch ist, und dem Basisabschnitt 52, der nicht magnetisch ist, aufgebaut. Der Basisabschnitt 52 und der ferne Endabschnitt 54 weisen jeweils in einem Abschnitt in der Umfangsrichtung eine allgemein rechteckige Querschnittsgestalt auf. Die Gestalten des Basisabschnitts 52 und des fernen Endabschnitts 54 sind jedoch nicht auf dieses Beispiel beschränkt.
Wie es in 3 gezeigt ist, ist eine Dicke T1 des Basisabschnitts 52 in der Umfangsrichtung kleiner als eine Dicke T2 des fernen Endabschnitts 54 in der Umfangsrichtung (T1 < T2), und daher ist ein Stufenabschnitt 56 an einem Kopplungsabschnitt zwischen dem fernen Endabschnitt 54 und dem Basisabschnitt 52 vorgesehen. Der Stufenabschnitt 56 zeigt in der Radialrichtung des Rotors 14 einwärts. Der Basisabschnitt 52 ist mit einem umfangsseitigen Mittelabschnitt einer radial einwärts zeigenden Fläche des Stufenabschnitts 56 des fernen Endabschnitts 54 gekoppelt. Das heißt, der ferne Endabschnitt 54 und der Basisabschnitt 52 sind über den Stufenabschnitt 56 miteinander gekoppelt. Auch wenn in dem Beispiel, das in 3 gezeigt ist, die Rotorwicklungen 42s und 42n durch quadratische Drähte oder flache rechteckige Drähte ausgebildet werden, die eine rechteckige Querschnittsgestalt aufweisen, ist dieses nicht einschränkend zu verstehen. Die Rotorwicklungen 42s und 42n können beispielsweise durch runde Drähte, die eine kreisförmige Querschnittsgestalt aufweisen, ausgebildet sein. Der ferne Endabschnitt 54 kann aus demselben Material wie das Material des Rotorkerns 16, beispielsweise aus einem magnetischen Stahlblech, einem magnetischen Material wie beispielsweise Stahl oder Ähnlichem, ausgebildet sein. Im Gegensatz dazu ist der Basisabschnitt 52 aus einem nichtmagnetischen Material wie beispielsweise Harz, einem nichtmagnetischen Metall einschließlich rostfreiem Stahl und Ähnlichem etc. ausgebildet.
Die Hilfspole 48 können auch durch Entmagnetisieren des Basisabschnitts 52 jedes Hilfspols 48, wenn die Hilfspole 48 einstückig mit dem Rotorkern 16, der aus einem magnetischen Material besteht, ausgebildet werden, ausgebildet werden. Nachdem die Hilfspole 48 und der Rotorkern 16, der mit den Zähnen 19 ausgerüstet ist, einstückig ausgebildet wurden, kann beispielsweise der Basisabschnitt 52 jedes Hilfspols 48 durch einen Laserbestrahlungsprozess, der durchgeführt wird, während Nickel zugeführt wird, entmagnetisiert werden. Jeder Hilfspol 48 kann durch Koppeln eines nichtmagnetischen Materialabschnitts, der aus rostfreiem Stahl oder Ähnlichem besteht, mit einem fernen endseitigen magnetischen Materialabschnitt aufgebaut werden, und die somit ausgebildeten Hilfspole 48 können mit Abschnitten eines separaten Rotorkerns 16 mittels Schweißen oder Ähnlichem gekoppelt werden. Die Basisabschnitte 52, die aus einem nichtmagnetischen Material wie beispielsweise Harz oder Ähnlichem bestehen, können separat von den Zähnen 19 und den fernen Endabschnitten 54 hergestellt und mit Abschnitten eines separaten Rotorkerns 16 und fernen Endabschnitten 54 über Eingriffsabschnitte und Ähnliches mechanisch gekoppelt werden. Es ist beispielsweise möglich, eine Konstruktion vorzusehen, bei der ein Basisendabschnitt des Basisabschnitts 52 jedes Hilfspols 48 mit einem vergrößerten Abschnitt versehen ist, dessen Querschnittsbereich sich von den Querschnittsbereichen benachbarter Abschnitte stark vergrößert, und bei der Lochabschnitte in Abschnitten der Außenumfangsfläche des Rotorkerns 16, mit dem die Basisendabschnitte 52 gekoppelt sind, ausgebildet sind und bei der ein Eingriffsabschnitt, der in den vergrößerten Abschnitt eines Hilfspols 48 eingreifen kann, in einem tiefen inneren Abschnitt jedes Lochabschnitts ausgebildet ist, und bei der dann der Basisabschnitt 52 jedes Hilfspols 48 mit dem Rotorkern 16 durch Einführen des vergrößerten Abschnitts jedes Hilfspols 48 in eines der Lochabschnitte, während der vergrößerte Abschnitt elastisch verformt wird, so dass der vergrößerte Abschnitt in den Eingriffsabschnitt des Lochabschnitts eingreift, gekoppelt wird. Außerdem ist es bei einer ähnlichen Konstruktion möglich, den fernen Endabschnitt 54 jedes Hilfspols 48 mit einem vergrößerten Abschnitt, der an dem Basisabschnitt 52 ausgebildet ist, mechanisch zu koppeln.
Auf der Seite des Rotors 14 sind, wie es in einer schematischen Darstellung der 4 gezeigt ist, Dioden 21n und 21s mit den jeweiligen Rotorwicklungen 42n und 42s verbunden, die um in der Umfangsrichtung des Rotors 14 zueinander benachbarte Zähne 19 gewickelt sind. Wenn das Rotationsmagnetfeld, das Harmonische aufweist, die durch den Stator 12 erzeugt werden (1 und 2), sich mit den Rotorwicklungen 42n und 42s verbindet, werden Ströme in den Rotorwicklungen 42n und 42s induziert, wobei die Richtungen der Ströme durch die Dioden 21n und 21s jeweils beschränkt werden, so dass die Zähne 19 derart magnetisiert werden, dass zwei benachbarte Zähne 12 zu unterschiedlichen Magnetpolabschnitten werden. In diesem Fall fließt der Magnetfluss, der durch die induzierten Ströme erzeugt wird, in die Zähne 19 und den Rotorkern 16 entlang eines Kurses, wie er durch einen Pfeil α in 4 gezeigt ist.
Gemäß 1 ist die elektrische Rotationsmaschine 10 gemäß dieser Ausführungsform aus dem Rotor 14 und dem Stator 12, der radial auswärts des Rotors 14 derart angeordnet ist, dass er dem Rotor 14 gegenüberliegt bzw. zu diesem zeigt, aufgebaut. Gemäß der so aufgebauten elektrischen Rotationsmaschine 10 ist es möglich, Ströme in den Rotorwicklungen 42n und 42s durch das Rotationsmagnetfeld, das räumliche Harmonische aufweist und durch den Stator 12 erzeugt wird, zu induzieren und daher ein Drehmoment an dem Rotor 14 zu erzeugen. Insbesondere ist die Verteilung der magnetomotorischen Kraft, die das Rotationsmagnetfeld um den Stator 12 erzeugt, keine sinusförmige Verteilung (die nur den Grundanteil enthält), sondern ist eine Verteilung, die harmonische Komponenten aufgrund der Anordnung der Statorwicklungen 28u, 28v und 28w der drei Phasen und der Gestalt des Statorkerns 26, die von den Zähnen 30 und den Schlitzen 31 abhängt, enthält. Insbesondere überlappen sich die Statorwicklungen 28u, 28v und 28w der drei Phasen in dem konzentrierten Wicklungsverfahren nicht, so dass sich der Amplitudenpegel der harmonischen Komponenten, die in der magnetomotorischen Kraftverteilung in dem Stator 12 auftreten, erhöht. In dem Fall beispielsweise, in dem die Statorwicklungen 28u, 28v und 28w durch das konzentrierte Dreiphasenwicklungsverfahren ausgebildet werden, erhöht sich die räumliche Komponente zweiter Ordnung, die die (zeitliche) Komponente dritter Ordnung der elektrischen Eingangsfrequenz ist, in ihrem Amplitudenpegel. Die harmonischen Komponenten, die in der magnetomotorischen Kraft aufgrund der Anordnung der Statorwicklungen 28u, 28v und 28w und der Gestalt des Statorkerns 26 auftreten, werden als die räumliche Harmonische bezeichnet. Das heißt, der Stator 12 erzeugt ein Magnetfeld, das räumliche Harmonische, die harmonische Komponenten sind, aufweist. Der Rotor 14 ist mit den Rotorwicklungen 42n und 42s versehen, so dass eine induzierte elektromotorische Kraft durch die räumlichen Harmonischen erzeugt wird. Es wird eine derartige Konstruktion verwendet, dass die induzierte elektromotorische Kraft Magnetpole in den Zähnen 19, die an dem Rotor 14 vorgesehen sind, erzeugt. Die Hilfspole 48, die an dem Rotor 14 vorgesehen sind, leiten die räumlichen Harmonischen von dem Stator 12 zu dem Rotor 14. Die Hilfspole 48 sind derart vorgesehen, dass sie in der Nähe des Stators 12 sind und die räumlichen Harmonischen leiten, so dass die Größe der induzierten elektromotorischen Kraft in den Rotorwicklungen 42n und 42s erhöht wird.
Da das Rotationsmagnetfeld (Grundkomponente), das um die Zähne 30 des Stators 12 durch Fließen des elektrischen Dreiphasenwechselstroms durch die Dreiphasenstatorwicklungen 28u, 28v und 28w ausgebildet wird, auf den Rotor 14 wirkt, werden die Zähne 19 des Rotors 14 durch das Rotationsmagnetfeld angezogen, so dass sich der magnetische Widerstand des Rotors 14 verringert. Aufgrund dessen wirkt ein Drehmoment (Reluktanzdrehmoment) auf den Rotor 14.
Wenn sich das Rotationsmagnetfeld, das räumliche Harmonische aufweist, die um die Zähne 30 ausgebildet sind, mit den Rotorwicklungen 42n und 42s des Rotors 14 verbindet, wird eine Magnetflussänderung einer Frequenz, die sich von der Rotationsfrequenz des Rotors 14 unterscheidet (der Grundkomponente des Rotationsmagnetfeldes), durch die räumlichen Harmonischen in den Rotorwicklungen 42n und 42s bewirkt. Aufgrund dieser Magnetflussänderung wird eine induzierte elektromotorische Kraft in den Rotorwicklungen 42n und 42s erzeugt. Die Ströme, die durch die Rotorwicklungen 42n und 42s aufgrund der Erzeugung der induzierten elektromotorischen Kraft fließen, werden jeweils durch die Dioden 21n und 21s in eine Richtung (in einen Gleichstrom) gleichgerichtet. Wenn dann die Zähne 19, d. h. die Rotorzähne, magnetisiert werden, wenn die elektrischen Gleichströme, die durch die Dioden 21n und 21s gleichgerichtet werden, jeweils durch die Rotorwicklungen 42n und 42s fließen, werden Magnete, deren Magnetpole fixiert sind (entweder der N-Pol oder der S-Pol), in den Zähnen 19 ausgebildet. Da die Gleichrichtungsrichtungen der Ströme durch die Rotorwicklungen 42n und 42s durch die Dioden 21n und 21s wie oben beschrieben zueinander entgegengesetzt sind, werden Magnete in den Zähnen 19 derart ausgebildet, dass sich N-Pole und S-Pole in der Umfangsrichtung abwechseln. Die Magnetfelder der Zähne 19 (die Magnete mit festen Polen) interagieren mit dem Rotationsmagnetfeld (Grundkomponente), das durch den Stator 12 erzeugt wird, so dass eine Anziehungs- und Abstoßungsaktion auftritt. Die elektromagnetische Interaktion (Anziehungs- und Abstoßungsaktion) zwischen dem Rotationsmagnetfeld (Grundkomponente), das von dem Stator 12 erzeugt wird, und den Magnetfeldern der Zähne 19 (Magnete) kann außerdem bewirken, dass ein Drehmoment (Drehmoment entsprechend dem Magnetmoment) auf den Rotor 14 wirkt und der Rotor 14 synchron zu dem Rotationsmagnetfeld (Grundkomponente), das durch den Stator 12 erzeugt wird, gedreht wird. Somit kann die elektrische Rotationsmaschine 10 veranlasst werden, als ein Elektromotor zu dienen, der eine motorische Energie (mechanische Energie) unter Verwendung der elektrischen Energie, die den Statorwicklungen 28u, 28v und 28w zugeführt wird, erzeugt.
Außerdem sind gemäß der elektrischen Rotationsmaschine 10 dieser Ausführungsform die Hilfspole 48 vorgesehen, die leitende Abschnitte sind, die die räumlichen Harmonischen des Magnetfelds, das von dem Stator 12 erzeugt wird, von dem Stator 12 zu dem Rotor 14 leiten. Daher ist es möglich, zu bewirken, dass sich eine große Menge an räumlichen Harmonischen mit den Rotorwicklungen 42n und 42s des Rotors 14 verbindet, so dass die Änderungen des Magnetflusses vergrößert und daher die Ströme, die in den Rotorwicklungen 42n und 42s induziert werden, erhöht werden können. Als Ergebnis kann eine magnetische Rotorkraft erhöht werden, so dass eine elektrische Rotationsmaschine 10, die in der Lage ist, auf wirksame Weise ein Drehmoment zu erhöhen, realisiert werden kann.
Insbesondere sind die Hilfspole 48 zwischen den Zähnen 19 des Rotors 14 vorgesehen, und ein Abschnitt jedes Hilfspols 48 ist aus einem nichtmagnetischen Material ausgebildet. Daher können die räumlichen Harmonischen, insbesondere die räumliche zweite Harmonische des Magnetfelds, das von dem Stator 12 erzeugt wird, die sich mit den Rotorwicklungen 42n und 42s verbindet, durch die Hilfspole 48 erhöht werden, und es können Änderungen des Magnetflusses können vergrößert werden, und die Ströme, die in den Rotorwicklungen 42n und 42s induziert werden, können erhöht werden. Daher kann die magnetische Rotorkraft erhöht werden, und das Drehmoment kann auf wirksame Weise in großen Bereichen, beispielsweise im Wesentlichen über den gesamten Betriebsbereich oder Ähnlichem, erhöht werden. Außerdem sind die Hilfspole 48 in großer Nähe zu dem Stator 12 und derart vorgesehen, dass sie räumliche Harmonische leiten, so dass die Größe der induzierten elektromotorischen Kraft in den Rotorwicklungen 42n und 42s erhöht wird. Daher kann das Drehmoment der elektrischen Rotationsmaschine 10 noch wirksamer erhöht werden.
Die Hilfspole 48 sind mit der Außenumfangsfläche des Rotorkerns 16 zwischen zwei Zähnen 19, die in der Umfangsrichtung des Rotors 14 benachbart zueinander sind, gekoppelt, so dass sie in Richtung des Stators 12 vorstehen, und weisen einen Basisabschnitt 52, der aus einem nichtmagnetischen Material ausgebildet ist, und einen fernen Endabschnitt 54, der aus einem magnetischen Material ausgebildet ist, auf. Daher kann verhindert werden, dass der Magnetfluss, der durch ein Inneres des Rotorkerns 16 von den Zähnen 19 des Rotors 14, die S-Pole werden, zu den Zähnen 19, die N-Pole werden, fließt, durch den Basisabschnitt 52 irgendeines Hilfspols 48 kurzgeschlossen wird, und der Magnetfluss, der durch die Zähne 19 fließt, um magnetische Anziehungskräfte zwischen dem Rotor 14 und dem Stator 12 zu erzeugen, kann auf wirksame Weise daran gehindert werden, sich zu verringern. Daher kann eine Erhöhung der Selbstinduktivität der Rotorwicklungen 42n und 42s eingeschränkt werden, so dass die induzierten Ströme, die durch die Rotorwicklungen 42n und 42s erzeugt werden, weiter erhöht werden können und das Drehmoment der elektrischen Rotationsmaschine 10 weiter erhöht werden kann.
Jeder Hilfspol 48 weist den Basisabschnitt 52 und den fernen Endabschnitt 54 auf, der mit dem Basisabschnitt 52 gekoppelt ist und dessen Umfangsdicke bzw. -breite T2 größer als die entsprechende Dicke bzw. Breite des Basisabschnitts 52 ist. Daher kann der Magnetfluss, der durch den Basisabschnitt 52 fließt, durch Verringern der Dicke bzw. Breite T1 des Basisabschnitts 52 in der Umfangsrichtung in einen Sättigungszustand gebracht werden. Daher verhindert dieses ebenfalls auf wirksame Weise, dass sich der Magnetfluss, der durch die Zähne 19 fließen sollte, um magnetische Anziehungskräfte zwischen dem Rotor 14 und dem Stator 12 zu erzeugen, verringert, und schränkt eine Erhöhung der Selbstinduktivität der Rotorwicklungen 42n und 42s ein. Daher können die induzierten Ströme, die in den Rotorwicklungen 42n und 42s auftreten, erhöht werden, und es kann das Drehmoment der elektrischen Rotationsmaschine 10 erhöht werden.
Im Gegensatz dazu ist in der elektrischen Rotationsmaschine, die in der JP 2010-279165 A , die oben erwähnt wurde, beschrieben ist, kein Hilfspol zwischen benachbarten Schenkelpolen vorgesehen, die Rotorzähnen entsprechen, die mit Rotorwicklungen versehen sind, und benachbart zueinander in der Umfangsrichtung des Rotors sind, und daher besteht kein Raum zur Verbesserung hinsichtlich einer wirksamen Erhöhung des Drehmoments. Das heißt, in der elektrischen Rotationsmaschine, die in der JP 2010-279165 A beschrieben ist, wird außerdem ein Drehmoment durch den induzierten Strom, der in den Rotorwicklungen durch Änderungen des Magnetfelds, die durch die harmonische Komponente des Rotationsmagnetfeldes, das von dem Stator erzeugt wird, bewirkt werden, erzeugt wird, erzeugt. Die räumlichen Harmonischen fließen jedoch in einem großen Ausmaß durch Räume mit hohem magnetischem Widerstand zwischen benachbarten Schenkelpolen, die an dem Rotor vorgesehen sind, und daher besteht die Möglichkeit, dass es nicht möglich ist, den Magnetfluss zu erhöhen. Daher besteht kein Raum zur Verbesserung einer wirksamen Erhöhung des Drehmoments des Rotors.
Die JP 2007-185082 A , die JP 2010-98908 A und die JP 2010-11079 A , die oben beschrieben wurden, beschreiben jeweils eine Feldwicklungs-Synchronmaschine, die eine Überlagerung von Pulsströmen verwendet, beschreiben aber keine Einrichtung, die in der Lage ist, auf wirksame Weise ein Drehmoment durch Bewirken, dass sich eine große Menge an räumlichen Harmonischen des Rotationsmagnetfeldes mit den Rotorwicklungen verbindet, zu erhöhen.
Außerdem beschreibt die JP 2004-187488 A , die oben beschrieben wurde, eine elektrische Rotationsmaschine, die einen Stator aufweist, bei dem mehrere Hauptzähne auf einer Innenumfangsfläche eines Statorkerns vorgesehen sind, Hilfszähne in Schlitzabschnitten zwischen benachbarten Hauptzähnen vorgesehen sind und eine Außenumfangsfläche der Spule die benachbarten Hilfszähne dicht kontaktiert, wenn eine Spule um jeden Hauptzahn gewickelt ist. Weiterhin beschreibt die JP 2009-183060 A , die oben beschrieben wurde, eine elektrische Rotationsmaschine, die einen Rotor mit einem Permanentmagneten aufweist, bei dem sich der Versatz bzw. die Schrittweite eines Wicklungspols in der Umfangsrichtung des Stators von dem Versatz bzw. der Schrittweite eines anderen Wicklungspols unterscheidet. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass keine der Strukturen, die in der JP 2004-187488 A und der JP 2009-183060 A beschrieben sind, eine Struktur ist, die das Drehmoment durch Bewirken, dass sich eine große Menge der räumlichen Harmonischen des Rotationsmagnetfeldes mit der Rotorwicklung verbindet, wirksam erhöht. In den Strukturen, die in der JP 2007-185082 A , der JP 2010-98908 A , der JP 2010-11079 A , der JP 2004-187488 A und der JP 2009-183060 A beschrieben sind, wird, wenn die Kerndicke der elektrischen Rotationsmaschine erhöht wird, um das Drehmoment zu vergrößern, dieses zu einem Faktor, der die Größe der elektrischen Rotationsmaschine erhöht oder zu einer Kostenerhöhung und einer Gewichtserhöhung führt. Wenn der Statorstrom erhöht wird, um das Drehmoment zu erhöhen, wird dieses außerdem zu einem Faktor, der die Kupferverluste erhöht und daher die Kraftstoffökonomie verringert und der die Größe der Inverter erhöht und eine Kostenerhöhung, eine Gewichtserhöhung oder eine Verschlechterung bei der Montage und den Kühleigenschaften bewirkt. Gemäß der elektrischen Rotationsmaschine 10 dieser Ausführungsform können sämtliche obigen Probleme gelöst werden.
Da in dieser Ausführungsform die Breite θ der Rotorwicklungen 42n und 42s in der Umfangsrichtung des Rotors 14 wie in der obigen Gleichung (1) angegeben beschränkt wird, wird die induzierte elektromotorische Kraft, die in den Rotorwicklungen 42n und 42s durch die räumlichen Harmonischen des Rotationsmagnetfeldes erzeugt wird, erhöht. Insbesondere wird die Amplitude (Variationsbreite) des Magnetflusses, der sich mit den Rotorwicklungen 42n und 42s aufgrund der räumlichen Harmonischen verbindet, durch die Breite θ der Rotorwicklungen 42n und 42s in der Umfangsrichtung beeinflusst. 5 zeigt Ergebnisse der Berechnung der Amplitude (Variationsbreite) des Magnetflusses, der sich mit den Rotorwicklungen 42n und 42s verbindet, während sich die Umfangsbreite θ der Rotorwicklungen 42n und 42s in der Umfangsrichtung ändert. In 5 ist die Spulenbreite θ hinsichtlich eines elektrischen Winkels gezeigt. Wie es in 5 gezeigt ist, erhöht sich, wenn sich die Spulenbreite θ gegenüber 180° verringert, die Variationsbreite der Magnetflussverbindung mit den Rotorwicklungen 42n und 42s. Daher wird durch Ausbilden der Spulenbreite θ als kleiner als 180°, d. h. durch Bereitstellen der Rotorwicklungen 42n und 42s durch das Sehnenwicklungsverfahren, die Amplitude der Magnetflussverbindung aufgrund der räumlichen Harmonischen im Vergleich zu dem Durchmesserwicklungsverfahren erhöht.
Daher wird in der elektrischen Rotationsmaschine 10 (1) durch Ausbilden der Breite der Zähne 19 in der Umfangsrichtung als kleiner als die Breite, die 180° hinsichtlich eines elektrischen Winkels entspricht, und durch Wickeln der Rotorwicklungen 42n und 42s um die Zähne 19 durch das Sehnenwicklungsverfahren die induzierte elektromotorische Kraft, die in den Rotorwicklungen 42n und 42s durch die räumlichen Harmonischen erzeugt wird, wirksam erhöht. Als Ergebnis kann das Drehmoment, das auf dem Rotor 14 wirkt, wirksam erhöht werden.
Außerdem wird, wie es in 5 gezeigt ist, in dem Fall, in dem die Spulenbreite θ 90° beträgt, die Amplitude der Magnetflussverbindung aufgrund der räumlichen Harmonischen maximal. Daher ist es, um die Amplitude der Magnetflussverbindung mit den Rotorwicklungen 42n und 42s aufgrund der räumlichen Harmonischen weiter zu erhöhen, vorteilhaft, wenn die Spulenbreite θ der Rotorwicklungen 42n und 42s in der Umfangsrichtung gleich (oder im Wesentlichen gleich) einer Breite ist, die 90° hinsichtlich des elektrischen Winkels des Rotors 14 entspricht. Daher ist es vorteilhaft, wenn die Breite θ der Rotorwicklungen 42n und 42s in der Umfangsrichtung die folgende Gleichung (2) erfüllt (oder im Wesentlichen erfüllt), wobei p die Anzahl der Paare der Pole des Rotors 14 ist und r der Abstand von der Rotationsmittelachse des Rotors 14 zu den Rotorwicklungen 42n und 42s ist. θ = π × r/(2 × p) (2)
Auf diese Weise kann die induzierte elektromotorische Kraft, die durch die räumlichen Harmonischen in den Rotorwicklungen 42n und 42s erzeugt wird, maximiert werden, und daher kann der Magnetfluss, der durch den induzierten Strom durch jeden Zahn 19 erzeugt wird, am effizientesten erhöht werden. Als Ergebnis kann das Drehmoment, das auf den Rotor 14 wirkt, noch effizienter erhöht werden. Insbesondere wenn die Breite θ die Breite, die 90° entspricht, stark überschreitet, wird es wahrscheinlich, dass sich magnetomotorische Kräfte mit den Rotorwicklungen 42n und 42s in untereinander auslöschenden Richtungen verbinden, und diese Wahrscheinlichkeit verringert sich, wenn sich die Breite θ von der Breite, die 90° entspricht, verringert. Wenn jedoch die Breite θ sehr viel kleiner als die Breite, die 90° entspricht, wird, fällt die Größe der magnetomotorischen Kräfte, die sich mit den Rotorwicklungen 42n und 42s verbinden, stark ab. Daher können durch Einstellen der Breite θ auf gleich der Breite, die etwa 90° entspricht, die obigen Probleme verhindert werden. Daher ist es vorteilhaft, wenn die Breite θ der Rotorwicklungen 42n und 42s in der Umfangsrichtung im Wesentlichen gleich der Breite ist, die 90° hinsichtlich des elektrischen Winkels entspricht.
Bei der elektrischen Rotationsmaschine 10 ist es ebenfalls möglich, das Drehmoment des Rotors 14 durch Steuern des Leitungswinkels des elektrischen Stroms in Bezug auf die Rotorposition, d. h. die Phase des elektrischen Wechselstroms, der durch die Statorwicklungen 28u, 28v und 28w fließt, zu steuern. Außerdem kann das Drehmoment des Rotors 14 ebenfalls durch Steuern der Amplitude des elektrischen Wechselstroms, der durch die Statorwicklungen 28u, 28v und 28w fließt, gesteuert werden. Da ein Ändern der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 14 ebenfalls das Drehmoment des Rotors 14 ändert, kann das Drehmoment des Rotors 14 ebenfalls durch Steuern der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 14 gesteuert werden.
In der obigen Beschreibung ist hinsichtlich der jeweiligen Hilfspole 48 der Basisabschnitt 52 aus einem nichtmagnetischen Material ausgebildet, der ferne Endabschnitt 54 ist aus einem magnetischen Material ausgebildet, und die Dicke T2 des fernen Endabschnitts 54 ist in der Umfangsrichtung größer als die Dicke T1 des Basisabschnitts 52. Diese Ausführungsform ist jedoch nicht auf diese Konstruktion beschränkt. Der gesamte Körper jedes Hilfspols 48, der den Basisabschnitt 52 und den fernen Endabschnitt 54 enthält, kann beispielsweise aus einem magnetischen Material ausgebildet sein, während die Gestalt jedes Hilfspols 48 identisch mit der Gestalt, die in den 1 bis 3 gezeigt ist, ist.
Alternativ ist es ebenfalls möglich, eine Konstruktion zu verwenden, bei der der gesamte Körper jedes Hilfspols 48 aus einem magnetischen Material ausgebildet ist und die Dicke jedes Hilfspols 48 in der Umfangsrichtung zwischen dem Basisabschnitt 52 und dem fernen Endabschnitt 54 konsistent bzw. kontinuierlich ist und daher der Stufenabschnitt 56 (3) nicht vorhanden ist. In diesem Fall kann jedoch der Magnetfluss, der durch die Zähne 19 fließen sollte, um magnetische Anziehungskräfte zwischen dem Rotor 14 und dem Stator 12 zu erzeugen, nicht wirksam daran gehindert werden, sich zu verringern, und die Wirkung der Beschränkung der Erhöhung der Selbstinduktivität der Rotorwicklungen 42n und 42s kann nicht erzielt werden. Daher ist die Wirkung der Erhöhung des Stroms, der in den Rotorwicklungen 42n und 42s induziert wird, geringer als Bei der Konstruktion, die in den 1 bis 3 gezeigt ist. In diesem Fall wird jedoch ebenfalls die Wirkung der Erhöhung der räumlichen Harmonischen, insbesondere der räumlichen zweiten Harmonischen, die sich mit den Rotorwicklungen 42n und 42s verbindet, erzielt, so dass das Drehmoment der elektrischen Rotationsmaschine 10 erhöht wird.
Daher ist es in dem Fall, in dem der gesamte Körper jedes Hilfspols 48 aus einem magnetischen Material ausgebildet ist, vorteilhaft, wenn die Dicke T2 des fernen Endabschnitts 54 in der Umfangsrichtung wie in der oben beschriebenen Konstruktion, die in den 1 bis 3 gezeigt ist, größer als die Dicke T1 des Basisabschnitts 52 in der Umfangsrichtung ist. In diesem Fall kann verhindert werden, dass sich der Magnetfluss, der durch die Zähne 19 fließen sollte, um magnetische Anziehungskräfte zwischen dem Rotor 14 und dem Stator 12 zu erzeugen, verringert, es kann eine Erhöhung der Selbstinduktivität der Rotorwicklungen 42n und 42s eingeschränkt werden, und es kann das Drehmoment der elektrischen Rotationsmaschine 10 weiter erhöht werden.
Solange der Basisabschnitt 52 jedes Hilfspols 48 aus einem nichtmagnetischen Material ausgebildet ist, wird sogar dann, wenn die Dicke jedes Hilfspols 48 in der Umfangsrichtung dieselbe für den Basisabschnitt 52 und den fernen Endabschnitt 54 ist, die Wirkung der Erhöhung des Drehmoments der elektrischen Rotationsmaschine 10 wie in dem Fall, in dem der gesamte Körper jedes Hilfspols 48 aus einem magnetischen Material ausgebildet ist und die Dicke T2 des fernen Endabschnitts 54 in der Umfangsrichtung größer als die Dicke T1 des Basisabschnitts 52 in der Umfangsrichtung ist, erhalten. Das heißt, sogar in dem ersteren Fall kann auf wirksame Weise verhindert werden, dass sich der Magnetfluss, der durch die Zähne 19 fließen sollte, um magnetische Anziehungskräfte zwischen dem Rotor 14 und dem Stator 12 zu erzeugen, verringert, und es kann eine Erhöhung der Selbstinduktivität der Rotorwicklungen 42n und 42s eingeschränkt werden.
Somit ist gemäß dieser Ausführungsform der ferne Endabschnitt 54 jedes Hilfspols 48 vorzugsweise aus einem magnetischen Material ausgebildet, der Basisabschnitt 52 ist aus einem nichtmagnetischen Material ausgebildet, und die Dicke T1 des Basisabschnitts 52 jedes Hilfspols 48 in der Umfangsrichtung und die Dicke T2 des fernen Endabschnitts 54 in der Umfangsrichtung sind gleich. Alternativ kann der gesamte Körper jedes Hilfspols 48 aus einem magnetischen Material ausgebildet sein, und die Dicke T2 des fernen Endabschnitts 54 in der Umfangsrichtung kann größer als die Dicke T1 des Basisabschnitts 52 in der Umfangsrichtung ausgebildet werden. Weiter vorzugsweise wird wie in der oben beschriebenen Konstruktion, die in den 1 bis 3 gezeigt ist, der ferne Endabschnitt 54 jedes Hilfspols 48 aus einem magnetischen Material ausgebildet, der Basisabschnitt 52 wird aus einem nichtmagnetischen Material ausgebildet, und die Dicke T2 des fernen Endabschnitts 54 in der Umfangsrichtung wird größer als die Dicke T1 des Basisabschnitts 52 in der Umfangsrichtung ausgebildet.
Im Folgenden werden Ergebnisse von Simulationen, die durchgeführt wurden, um die Wirkungen der Ausführungsform, die mit den Hilfspolen 48 ausgerüstet ist, zu bestätigen, zusammen mit Ergebnissen von Simulationen, die mit einer elektrischen Rotationsmaschine als einem Vergleichsbeispiel, das von der Erfindung ausgeschlossen ist, durchgeführt wurden, beschrieben. In der folgenden Beschreibung werden die Elemente, die mit denjenigen, die in den 1 bis 4 gezeigt sind, vergleichbar sind, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Zunächst werden mit Bezug auf die 6A und 6B Ergebnisse des Vergleichsbeispiels beschrieben. 6A ist ein Diagramm, das Rotationsgeschwindigkeits-Drehmoment-Charakteristika mit unterschiedlichen Statorströmen als Ergebnisse zeigt, die anhand einer Simulation erhalten wurden, die mit der elektrischen Rotationsmaschine des Vergleichsbeispiels, die keine Hilfspole 48 aufweist, durchgeführt wurde. Es wird darauf hingewiesen, dass hier die elektrische Rotationsmaschine des Vergleichsbeispiels, die in dieser Simulation verwendet wurde, eine elektrische Rotationsmaschine ist, die im Wesentlichen dieselbe Konstruktion wie in den 1 bis 3 aufweist, mit der Ausnahme, dass diese nicht mit Hilfspolen 48 zwischen benachbarten Zähnen 19 des Rotors 14 ausgerüstet ist. Mit dieser Konstruktion des Vergleichsbeispiels wurde eine Simulation zum Herausfinden einer Beziehung zwischen dem Drehmoment und der Rotationsgeschwindigkeit durchgeführt. 6A zeigt Ergebnisse der Simulation. Die Angaben E1A, E2A, ..., die in 6A gezeigt sind, geben unterschiedliche Effektivwerte der elektrischen Dreiphasenwechselströme, wenn Statorströme, d. h. Ströme, die durch die Statorwicklungen 28u, 28v und 28w fließen, zugeführt werden, an, und zeigen, dass sich die Effektivwerte des Statorstroms graduell in der Reihenfolge von E1, E2... verringern.
Wie es in 6A gezeigt ist, war das Drehmoment in der elektrischen Rotationsmaschine des Vergleichsbeispiels in einem niedrigen Rotationsgeschwindigkeitsbereich gering, aber in einem Zwischenrotationsgeschwindigkeitsbereich wurde das maximale Drehmoment groß, und das Drehmoment wurde von dem Zwischenrotationsgeschwindigkeitsbereich zu einem hohen Rotationsgeschwindigkeitsbereich wieder kleiner.
6B ist ein Diagramm, das Beziehungen zwischen der magnetomotorischen Rotorkraft und der Rotationsgeschwindigkeit mit unterschiedlichen Statorströmen als Ergebnisse zeigt, die anhand einer Simulation erhalten wurden, die mit der elektrischen Rotationsmaschine des Vergleichsbeispiels durchgeführt wurde. Die Angaben E1A, E2A, ..., die Ströme in 6B repräsentieren, meinen dasselbe wie diejenigen in 6A, und dieselben Angaben in den 6A und 6B repräsentieren dieselben Effektivwerte des Statorstroms (was ebenfalls für die 7A und 7B gilt). In 6B repräsentiert die vertikale Achse die magnetomotorische Rotorkraft in Amperewindungen. Da die Anzahl der Windungen sämtlicher Rotorwicklungen 42n und 42s gleich ist, entspricht die vertikale Achse der 6B dem induzierten Strom des Rotors, der in den Rotorwicklungen 42n und 42s induziert wird. Wie es anhand der Ergebnisse, die in 6B gezeigt sind, ersichtlich ist, erhöht sich die magnetomotorische Rotorkraft graduell auf vorbestimmte Größen, wenn sich die Rotationsgeschwindigkeit erhöht.
Im Gegensatz dazu zeigen die 7A und 7B die Ergebnisse von Simulationen, die mit der elektrischen Rotationsmaschine 10 der Ausführungsform, die in den 1 bis 3 gezeigt ist, durchgeführt wurden. 7A ist ein Diagramm, das Rotationsgeschwindigkeits-Drehmoment-Charakteristika mit unterschiedlichen Statorströmen als Ergebnisse zeigt, die anhand einer Simulation erhalten wurden, die mit der elektrischen Rotationsmaschine 10 der Ausführungsform der Erfindung durchgeführt wurden. Wie es anhand eines Vergleichs zwischen der 6A und der 7A ersichtlich ist, waren die maximalen Drehmomente in der Ausführungsform der Erfindung im Vergleich zu dem Vergleichsbeispiel für gleiche Statorströme größer; beispielsweise war bei dem Effektivwert E1A des Statorstroms das maximale Drehmoment in der Ausführungsform, die in 7A gezeigt ist, 1,032 im Vergleich zu dem maximalen Drehmoment von 1,0 in dem Vergleichsbeispiel, das in 6A gezeigt ist, das heißt, das maximale Drehmoment gemäß der Ausführungsform was etwa 3% größer. Bei einer Rotationsgeschwindigkeit von F1 min^–1 war das Drehmoment, das durch E1A in 7A erzeugt wurde, 1,45 im Vergleich zu dem Drehmoment von 1,0, das durch E1A in 6A erzeugt wurde, das heißt, war um 45% größer. Bei einer Rotationsgeschwindigkeit von F2 min^–1 war das Drehmoment, das durch E1A in 7A erzeugt wurde, 2,0 im Vergleich zu dem Drehmoment von 1,0, das durch E1A in 6A erzeugt wurde, das heißt, es ergab sich eine Erhöhung auf das Doppelte. In den 6A und 7A repräsentieren die Skalenteilungen entlang der vertikalen Achse und die Skalenteilungen entlang der horizontalen Achse jeweils gleiche Größen in den beiden Diagrammen. Somit wurde bestätigt, dass die Ausführungsform in der Lage ist, das Drehmoment in im Wesentlichen dem gesamten Rotationsgeschwindigkeitsbereich im Vergleich zu dem Vergleichsbeispiel zu erhöhen.
7B ist ein Diagramm, das Beziehungen zwischen der magnetomotorischen Rotorkraft und der Rotationsgeschwindigkeit bei unterschiedlichen Statorströmen als Ergebnisse zeigt, die anhand einer Simulation erhalten wurden, die mit der elektrischen Rotationsmaschine der Ausführungsform der Erfindung durchgeführt wurde. Wie es anhand eines Vergleichs zwischen der 6B und der 7B ersichtlich ist, wurde bestätigt, dass gemäß der Ausführungsform die magnetomotorische Rotorkraft über im Wesentlichen den gesamten Rotationsgeschwindigkeitsbereich größer als in dem Vergleichsbeispiel war und dass der induzierte Strom des Rotors, der in den Rotorwicklungen 42n und 42s erzeugt wurde, ebenfalls über im Wesentlichen den gesamten Rotationsgeschwindigkeitsbereich größer als in dem Vergleichsbeispiel war. In 6B und 7B repräsentieren die Skaleneinteilungen entlang der vertikalen Achse und die Skaleneinteilungen entlang der horizontalen Achse jeweils gleiche Größen in den beiden Diagrammen.
Im Folgenden werden die Wirkungen, die durch den Hilfspol 48 erzielt werden, und die Wirkungen, die in dem Fall erzielt werden, in dem der Basisabschnitt 52 jedes Hilfspols 48 aus einem nichtmagnetischen Material ausgebildet wird, auf der Grundlage von Ergebnissen einer Berechnung mit Bezug auf die 8A bis 8D bestätigt. 8A ist ein Diagramm, das die räumlichen harmonischen Flussverbindungen der Rotorwicklungen 42n und 42s zeigt, und 8B ist ein Diagramm, das die Selbstinduktivitäten der Rotorwicklungen 42n und 42s zeigt. 8C ist ein Diagramm, das die induzierten Ströme des Rotors in den Rotorwicklungen 42n und 42s zeigt, und 8D ist ein Diagramm, das die Drehmomente von elektrischen Rotationsmaschinen zeigt. In jeder der 8A bis 8D erfolgt ein Vergleich zwischen der oben beschriebenen elektrischen Rotationsmaschine des Vergleichsbeispiels, die nicht mit einem Hilfspol 48 versehen ist, und den elektrischen Rotationsmaschinen der Beispiele 1 und 2. Beispiel 1 ist eine elektrische Rotationsmaschine, die auf der oben beschriebenen Ausführungsform, die in den 1 bis 3 gezeigt ist, basiert und mit Hilfspolen 48 versehen ist, die insgesamt aus einem magnetischen Material ausgebildet sind. Beispiel 2 ist eine elektrische Rotationsmaschine, die auf der oben beschriebenen Ausführungsform, die in den 1 bis 3 gezeigt ist, basiert und mit Hilfspolen 48 versehen ist, deren ferne Endabschnitte 54 aus einem magnetischen Material ausgebildet sind und deren Basisabschnitte 52 aus einem nichtmagnetischen Material ausgebildet sind. In den 8A bis 8D repräsentieren die Skaleneinteilungen der vertikalen Achse relative Werte der Flussverbindung, der Selbstinduktivität, des induzierten Stroms und des Drehmoments, wobei die jeweiligen Werte des Vergleichsbeispiels als 1 definiert wurden.
Wie es anhand der 8A ersichtlich ist, waren die räumlichen harmonischen Flussverbindungen der Rotorwicklungen 42n und 42s in dem Vergleichsbeispiel klein und in beiden Beispielen 1 und 2 groß. Genauer gesagt war die räumliche harmonische Flussverbindung in dem Beispiel 1 etwas größer als in dem Beispiel 2. Wie es anhand der 8B ersichtlich ist, waren die Selbstinduktivitäten der Rotorwicklungen 42n und 42s in dem Beispiel 1 am größten, in dem die gesamten Hilfspole 48 aus einem magnetischen Material ausgebildet waren, und waren in dem Vergleichsbeispiel und dem Beispiel 2 gleich klein. Es wird angenommen, dass dieses aus dem Kurzschluss des Magnetflusses, der in dem Beispiel 1 durch die Zähne 19 zu den Basisabschnitten 52 der Hilfspole 48 fließt, resultiert. Wie es anhand der 8C ersichtlich ist, erhöhen sich die induzierten Ströme des Rotors graduell in der Reihenfolge des Vergleichsbeispiels, des Beispiels 1 und des Beispiels 2. Es wird angenommen, dass dieses aus den Erhöhungen der Selbstinduktivitäten in dem Beispiel 1, wie es in 8B gezeigt ist, herrührt. Wie es anhand der 8D ersichtlich ist, erhöht sich das Drehmoment der elektrischen Rotationsmaschine graduell in der Reihenfolge des Vergleichsbeispiels, des Beispiels 1 und des Beispiels 2 entsprechend den unterschiedlichen induzierten Strömen des Rotors. Anhand dieser Ergebnisse ist es ebenfalls ersichtlich, dass gemäß der Ausführungsform das Drehmoment der elektrischen Rotationsmaschine 10 erhöht werden kann und dass sogar größere Wirkungen durch Ausbilden des Basisabschnitts 52 jedes Hilfspols 48 aus einem nichtmagnetischen Material erzielt werden können.
Im Folgenden werden mit Bezug auf die 9A und 9B Ergebnisse von Simulationen hinsichtlich des Magnetflusses von räumlichen Harmonischen einer elektrischen Rotationsmaschine beschrieben. Die 9A und 9B sind schematische Diagramme, die jeweils einen Magnetfluss von räumlichen Harmonischen zeigen. 9A zeigt den Fall des oben beschriebenen Vergleichsbeispiels, und 9B zeigt den Fall der Ausführungsform, die in den 1 bis 3 gezeigt ist. Obwohl 9A Konfigurationen zeigt, die Hilfspole 48 zu sein scheinen, wurden Simulationsergebnisse unter der Annahme berechnet, dass kein Hilfspol 48 vorgesehen war (was ebenso für 10A (später beschrieben) gilt). In den 9A und 9B ist die Phasenbeziehung zwischen dem Rotor 14 und dem Stator 12 dieselbe. In diesem Fall liegt ein Zahn 30 des Stators 12 einer Position, die mit „I” angegeben ist, die einem Hilfspol 48 entspricht, gegenüber.
Aus den Simulationsergebnissen ist es ersichtlich, dass in der Ausführungsform, die in 9B gezeigt ist und mit den Hilfspolen 48 versehen ist, sich mehr magnetischer Fluss von räumlichen zweiten Harmonischen mit den Rotorwicklungen 42n und 42s verbindet, um durch die Hilfspole 48 zu fließen, als in dem Vergleichsbeispiel, das in 9A gezeigt ist und nicht mit einem Hilfspol 48 versehen ist. In 9B sind die Hilfspole 48 derart angeordnet, dass sie von den Bodenabschnitten der Schlitze 50 entfernt sind, und die Ausführungsform kann ebenfalls auf diese Weise aufgebaut sein. In diesem Fall sind die Hilfspole 48 beispielsweise durch Verbinden der Hilfspole 48 an ihren axialen Endabschnitten mit Metallplatten oder Endplatten, die auf zwei des Rotors 14 in der Achsenrichtung gegenüberliegenden Enden vorgesehen sind, oder Ähnlichem aufgebaut.
Im Folgenden werden mit Bezug auf die 10A bis 10C Ergebnisse von Simulationen hinsichtlich eines Magnetflusses, der durch die induzierten Ströme des Rotors der elektrischen Rotationsmaschine bewirkt wird, beschrieben. Die 10A bis 10C sind schematische Diagramme, die jeweils einen Magnetfluss, der durch die induzierten Ströme des Rotors erzeugt wird, zeigen. 10A zeigt den Fall des oben beschriebenen Vergleichsbeispiels. 10B zeigt den Fall des Beispiels 1 der Ausführungsform, die in den 1 bis 3 gezeigt ist, bei der der Basisabschnitt 52 jedes Hilfspols 48 aus einem magnetischen Material besteht. 10C zeigt den Fall des Beispiels 2 der Ausführungsform, bei der der Basisabschnitt 52 jedes Hilfspols 48 aus einem nichtmagnetischen Material besteht. In sämtlichen 10A bis 10C ist die Phasenbeziehung zwischen dem Rotor 14 und dem Stator 12 dieselbe. In diesem Fall liegen ein Zahn 30 des Stators 12, der mit M1 in 10A bezeichnet wird, und ein Zahn 19 des Rotors 14, der mit M2 in 10A bezeichnet wird, in einer radialen Richtung teilweise gegenüber. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass in dem Beispiel 1, das in 10B gezeigt ist, viel Magnetfluss durch den Basisabschnitt 52, der mit M3 bezeichnet ist, fließt, da der Basisabschnitt 52 jedes Hilfspols 48 aus einem magnetischen Material ausgebildet ist. Daher ist es ersichtlich, dass der Magnetfluss, der sich durch Hilfspole 48 kurzschließt, die Induktivität der Rotorwicklungen 42n und 42s erhöht.
Andererseits gibt es in dem Vergleichsbeispiel ohne einen Hilfspol 48, das in 10A gezeigt ist, und dem Beispiel 2, das in 10C gezeigt ist, in dem der Basisabschnitt 52 jedes Hilfspols 48 aus einem nichtmagnetischen Material ausgebildet ist, keinen Magnetfluss, der sich wie in dem Beispiel 1 durch Hilfspole 48 kurzschließt, so dass eine Erhöhung der Induktivität der Rotorwicklungen 42n und 42s mehr als in dem Beispiel 1 beschränkt werden kann. Als Ergebnis ist es gemäß dem Beispiel 2, das in 10C gezeigt ist, bei dem die Flussverbindung der räumlichen zweiten Harmonischen mit den Rotorwicklungen 42n und 42s erhöht und eine Erhöhung der Induktivität der Rotorwicklungen 42n und 42s beschränkt werden kann, möglich, das Drehmoment der elektrischen Rotationsmaschine 10 noch größer zu machen.
Im Folgenden wird mit Bezug auf die 11 bis 14C ein Beispiel eines elektrischen Rotationsmaschinenansteuersystems 34, das die elektrische Rotationsmaschine der obigen Ausführungsform enthält, beschrieben. Das elektrische Rotationsmaschinenansteuersystem 34, das in den 11 bis 14C gezeigt ist, wurde zum Zweck der Erhöhung des Drehmoments in einem niedrigen Rotationsgeschwindigkeitsbereich zusätzlich zu dem oben genannten Drehmomenterhöhungseffekt durch Überlagern eines Pulsstroms auf den q-Achsenstrom der elektrischen Rotationsmaschine 10 erdacht.
11 ist ein Diagramm, das eine allgemeine Konstruktion des elektrischen Rotationsmaschinenansteuersystems 34 zeigt. Das elektrische Rotationsmaschinenansteuersystem 34 enthält eine elektrische Rotationsmaschine 10, einen Inverter 36, der ein Ansteuerabschnitt ist, der die elektrische Rotationsmaschine 10 ansteuert, eine Steuervorrichtung 38, die den Inverter 36 steuert, und eine Elektrizitätsspeichervorrichtung 40, die ein elektrischer Energiequellenabschnitt ist. Die Konstruktion der elektrischen Rotationsmaschine 10 ist dieselbe wie diejenige der elektrischen Rotationsmaschine 10, die in den 1 bis 3 gezeigt ist. In der folgenden Beschreibung werden dieselben Elemente wie diejenigen, die in den 1 bis 3 gezeigt sind, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Die Elektrizitätsspeichervorrichtung 40 ist als eine Gleichstromenergiequelle vorgesehen und ist ladbar und entladbar und beispielsweise aus einer Sekundärbatterie aufgebaut. Der Inverter 36 weist drei Phasenarme Au, Av und Aw einer U-Phase, einer V-Phase und einer W-Phase auf, und jeder der drei Phasenarme Au, Av und Aw weist zwei Schaltelemente Sw auf, die in Serie geschaltet sind. Jedes Schaltelement Sw ist ein Transistor, ein IGBT etc. Eine Diode Di ist parallel zu jedem Schaltelement Sw geschaltet. Außerdem ist der Mittelpunkt jeder der Arme Au, Av und Aw mit einer Endseite einer entsprechenden Phase einer der Statorwicklungen 28u, 28v und 28w der elektrischen Rotationsmaschine 10 verbunden. Hinsichtlich der Statorwicklungen 28u, 28v und 28w sind die Statorwicklungen jeder Phase in Serie geschaltet, und die Statorwicklungen 28u, 28v und 28w der unterschiedlichen Phasen sind mit einem neutralen Punkt verbunden.
Außerdem sind die positive Elektrodenseite und die negative Elektrodenseite der Elektrizitätsspeichervorrichtung 40 mit der positiven Elektrodenseite und der negativen Elektrodenseite jeweils des Inverters 36 verbunden. Ein Kondensator 68 ist zwischen die Elektrizitätsspeichervorrichtung 40 und den Inverter 36 geschaltet, so dass der Kondensator 68 parallel zu dem Inverter 36 geschaltet ist. Die Steuervorrichtung 38 berechnet ein Sollmoment der elektrischen Rotationsmaschine beispielsweise entsprechend einem Beschleunigungsbefehlssignal, das von einem Gaspedalsensor (nicht gezeigt) des Fahrzeugs oder Ähnlichem eingegeben wird, und steuert den Schaltbetrieb jedes Schaltelements Sw entsprechend einem Elektrostrombefehlswert, der dem Sollmoment oder Ähnlichem entspricht. Die Steuervorrichtung 38 empfängt die Eingabe von Signalen, die Werte eines Stroms repräsentieren, der von elektrischen Stromsensoren 70 erfasst wird, die an Statorwicklungen von mindestens zwei Phasen (beispielsweise den Wicklungen 28u und 28v) vorgesehen sind, und eines Signals, das den Drehwinkel des Rotors 14 der elektrischen Rotationsmaschine 10 repräsentiert, der von einem Rotationswinkelerfassungsabschnitt 82 (12) wie beispielsweise einem Funktionsgeber oder Ähnlichem erfasst wird. Die Steuervorrichtung 38 enthält einen Mikrocomputer, der eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), einen Speicher etc. aufweist und das Drehmoment der elektrischen Rotationsmaschine 10 durch Steuern des Schaltens der Schaltelemente Sw des Inverters 36 steuert. Die Steuervorrichtung 38 kann mehrere separate Steuerungen, die unterschiedliche Funktionen aufweisen, enthalten.
Diese Steuervorrichtung 38 macht es möglich, die elektrische Gleichstromenergie von der Elektrizitätsspeichervorrichtung 40 in eine elektrische Wechselstromenergie von drei Phasen, d. h. der u-Phase, der v-Phase und der w-Phase, durch Schaltbetriebe der Schaltelemente Sw, die den Inverter 36 bilden, umzuwandeln und die elektrische Energie der Phasen, die den Phasen der Statorwicklungen 28u, 28v und 28w entsprechen, zuzuführen. Gemäß der Steuervorrichtung 38, die oben beschrieben wurde, kann das Drehmoment des Rotors 14 (1 bis 3) durch Steuern der Phasen (Stromleitungswinkel) der elektrischen Wechselströme, die durch die Statorwicklungen 28u, 28v und 28w fließen, gesteuert werden. Das elektrische Rotationsmaschinenansteuersystem 34 ist beispielsweise als eine Fahrzeugantriebsenergieerzeugungsvorrichtung in einem Hybridfahrzeug, das mit einem Verbrennungsmotor und einem Traktionsmotor als Antriebsenergiequellen ausgerüstet ist, einem Brennstoffzellenfahrzeug, einem reinen Elektrofahrzeug etc. montiert. Es kann ein DC/DC-Wandler als ein Spannungswandlungsabschnitt zwischen die Elektrizitätsspeichervorrichtung 40 und den Inverter 36 geschaltet sein, so dass die Spannung der Elektrizitätsspeichervorrichtung 40 erhöht werden und dann dem Inverter 36 zugeführt werden kann.
12 ist ein Diagramm, das eine Konstruktion eines Invertersteuerabschnitts in der Steuervorrichtung 38 zeigt. Die Steuervorrichtung 38 enthält einen Elektrostrombefehlsberechnungsabschnitt (nicht gezeigt), eine Verringerungspulsüberlagerungseinrichtung 72, Subtrahierer 74 und 75, PI-Berechnungsabschnitte 76 und 77, einen Dreiphasen/Zweiphasenwandlungsabschnitt 78, einen Zweiphasen/Dreiphasenwandlungsabschnitt 80, einen Rotationswinkelerfassungsabschnitt 82, einen Pulsbreitenmodulationssignalerzeugungsabschnitt (PWM-Signalerzeugungsabschnitt) (nicht gezeigt) und eine Gatterschaltung (nicht gezeigt).
Der Elektrostrombefehlsberechnungsabschnitt berechnet gemäß einer Tabelle, die im Voraus vorbereitet wird, oder Ähnlichem Elektrostrombefehlswerte Id* und Iq*, die der d-Achse und der q-Achse entsprechen, entsprechend dem Drehmomentbefehlswert der elektrischen Rotationsmaschine 10, der entsprechend der Beschleunigungsanweisungseingabe eines Nutzers berechnet wird. Man beachte, dass hier die d-Achse entlang einer Magnetpolrichtung verläuft, die die Richtung einer Wicklungsmittelachse der Rotorwicklungen 42n und 42s ist, und dass die q-Achse entlang einer Richtung verläuft, die in der Umfangsrichtung der elektrischen Rotationsmaschine 10 gegenüber der d-Achse um 90° hinsichtlich des elektrischen Winkels fortgeschritten ist. In dem Fall beispielsweise, in dem die Rotationsrichtung des Rotors 14 wie in 1 vorgeschrieben ist, sind die d-Achsenrichtung und die q-Achsenrichtung mit einer Beziehung, wie sie durch die Pfeile in 1 angegeben ist, vorgeschrieben. Außerdem sind die Elektrostrombefehlswerte Id* und Iq* ein d-Achsenstrombefehlswert, der ein Befehlswert einer d-Achsenstromkomponente ist, und ein q-Achsenstrombefehlswert, der ein Befehlswert einer q-Achsenstromkomponente ist. Unter Verwendung der oben beschriebenen d-Achse und q-Achse wird es möglich, die Ströme, die durch die Statorwicklungen 28u, 28v und 28w fließen, mittels Vektorsteuerung zu bestimmen.
Der Dreiphasen/Zweiphasenwandlungsabschnitt 78 berechnet einen d-Achsenstromwert Id und einen q-Achsenstromwert Iq von zwei Phasenströmen aus dem Rotationswinkel θ der elektrischen Rotationsmaschine 10, der von dem Rotationswinkelerfassungsabschnitt 82 erfasst wird, der in der elektrischen Rotationsmaschine 10 vorgesehen ist, und den Strömen von zwei Phasen (beispielsweise den Strömen Iv und Iw der V-Phase und der W-Phase), die von den Elektrostromsensoren 70 erfasst werden. Ein Grund dafür, warum nur die Ströme von zwei Phasen von den Elektrostromsensoren 70 erfasst werden, besteht darin, dass, da die Summe der Ströme der drei Phasen gleich null ist, der Strom der anderen Phase mittels Berechnung gefunden werden kann. Es ist jedoch ebenfalls möglich, die Ströme der U-Phase, der V-Phase und der W-Phase zu erfassen und einen d-Achsenstromwert Id und einen q-Achsenstromwert Iq aus den erfassten Stromwerten zu berechnen.
Die Verringerungspulsüberlagerungseinrichtung 72 weist einen Verringerungspulserzeugungsabschnitt 84, der einen Verringerungspulsstrom erzeugt, und einen Addierabschnitt 86, der einen Verringerungspulsstrom Iqp* dem q-Achsenstrombefehlswert Iq* in konstanten Zyklen überlagert, d. h. zu diesem addiert, und der den q-Achsenstrombefehlswert Iqsum* nach der Überlagerung, der durch die Addition erhalten wird, an den entsprechenden Subtrahierer 75 ausgibt. Außerdem bestimmt der Subtrahierer 74, der der d-Achse entspricht, eine Abweichung δId zwischen dem d-Achsenstrombefehlswert Id* und dem d-Achsenstrom Id, der durch die Umwandlung durch den Dreiphasen/Zweiphasenwandlungsabschnitt 78 erhalten wird, und gibt die Abweichung δId an den PI-Berechnungsabschnitt 76, der der d-Achse entspricht, ein.
Weiterhin bestimmt der Subtrahierer 75, der der q-Achse entspricht, eine Abweichung δIq zwischen dem q-Achsenstrombefehlswert Iqsum* nach der Überlagerung und dem q-Achsenstrom Iq, der durch die Umwandlung durch den Dreiphasen/Zweiphasenwandlungsabschnitt 78 erhalten wird, und gibt die Abweichung δIq in den PI-Berechnungsabschnitt 77, der der q-Achse entspricht, ein. Die PI-Berechnungsabschnitte 76 und 77 bestimmen Steuer- bzw. Regelabweichungen in Bezug auf die eingegebenen Abweichungen δId und δIq durch Durchführen einer PI-Berechnung auf der Grundlage einer vorbestimmten Verstärkung und berechnen einen d-Achsenspannungsbefehlswert bzw. -steuerwert Vd* und einen q-Achsenspannungsbefehlswert bzw. -steuerwert Vq* in Entsprechung zu den Steuer- bzw. Regelabweichungen.
Der Zweiphasen/Dreiphasenwandlungsabschnitt 80 wandelt die Spannungsbefehlswerte Vd* und Vq*, die von den PI-Berechnungsabschnitten 76 und 77 eingegeben werden, in Spannungsbefehlswerte bzw. -steuerwerte Vu, Vv und Vw von drei Phasen, d. h. der u-Phase, der v-Phase und der w-Phase, auf der Grundlage eines vorhergesagten Winkels, d. h. einer vorhergesagten Position, zu dem Zeitpunkt von 1,5 Steuerzyklen später, der aus dem Rotationswinkel θ der elektrischen Rotationsmaschine 10 erhalten wird, um. Die Spannungsbefehlswerte bzw. -steuerwerte Vu, Vv und Vw werden durch einen PWM-Signalerzeugungsabschnitt (nicht gezeigt) in ein PWM-Signal umgewandelt, und das PWM-Signal wird an eine Gatterschaltung (nicht gezeigt) ausgegeben. Die Gatterschaltung steuert den Ein/Aus-Zustand der Schaltelemente Sw durch Auswählen eines Schaltelements Sw, dem das Steuersignal zugeführt wird. Somit wandelt die Steuervorrichtung 38 die Statorströme, die durch die Statorwicklungen 28u, 28v und 28w fließen, in das dq-Achsenkoordinatensystem um, um eine d-Achsenstromkomponente und eine q-Achsenstromkomponente zu erhalten, und steuert den Inverter 36, um einen Statorstrom jeder Phase, der einem Sollmoment entspricht, durch die Vektorsteuerung, die eine Rückkopplungssteuerung bzw. Regelung enthält, zu erlangen.
13A ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer zeitlichen Änderung des Statorstroms in dem elektrischen Rotationsmaschinenansteuersystem, das in 11 gezeigt ist, hinsichtlich des d-Achsenstrombefehlswerts bzw. -steuerwerts Id*, des q-Achsenstrombefehlswerts bzw. -steuerwerts Iqsum* nach der Überlagerung und der elektrischen Ströme der drei Phasen zeigt. 13B ist ein Diagramm, das eine zeitliche Änderung der magnetomotorischen Rotorkraft entsprechend der 13A zeigt. 13C ist ein Diagramm, das eine zeitliche Änderung des Motormoments entsprechend der 13A zeigt. Die 13A, 13B und 13C zeigen Ergebnisse von Simulationen in Diagrammen, in denen jeweils eine sehr kurze Zeit in einem vergrößerten Maßstab gezeigt ist, d. h. in der lateralen Richtung ausgedehnt ist. Daher zeigt 13A, auch wenn die Ströme der U-Phase, der V-Phase und der W-Phase tatsächlich während der Ansteuerung der elektrischen Rotationsmaschine Sinuswellen sind, die Ströme linear vor und nach der Überlagerung der Pulsströme.
Wie es in 13A gezeigt ist, überlagert die Verringerungspulsüberlagerungseinrichtung 72, die in 12 gezeigt ist, den Verringerungspulsstrom nur dem q-Achsenstrombefehlswert Iq*. Der d-Achsenstrombefehlswert Id* ist ein konstanter Wert, der entsprechend einem Drehmomentbefehl berechnet wird. Somit wird ein Elektrostrombefehl, der sich pulsartig verringert und dann erhöht, dem q-Achsenstrombefehlswert Iq* in konstanten Zyklen durch die Verringerungspulsüberlagerungseinrichtung 72 überlagert. Wie es in 13A gezeigt ist, wird der Pulsstrom sogar dann, wenn der Pulsstrom als Rechteckwellenform befohlen wird, in Echtzeit aufgrund einer Verzögerung der Antwort manchmal zu einer Pulsform, die einer Kurve entspricht, wie sie durch eine gestrichelte Linie β gezeigt ist. Die Pulswellenform des Verringerungspulsstroms kann eine beliebige Wellenform einschließlich Rechteckwellen, Dreieckwellen oder Wellen, die in eine hervorstechende Gestalt aus mehreren Kurven und geraden Linien ausgebildet sind, sein.
Wenn der Verringerungspulsstrom auf die oben beschriebene Weise überlagert wird, verringert sich der Absolutwert des Stroms beispielsweise in dem Fall, in dem ein maximaler Strom durch die Statorwicklung einer Phase fließt und gleiche Ströme durch die Statorwicklungen der anderen beiden Phasen fließen und die Summe aus den gleichen Strömen durch die Statorwicklung der einen Phase fließt. 13A zeigt beispielsweise den Fall, bei dem ein maximaler Strom durch die Statorwicklung 28w der W-Phase fließt und gleiche Ströme durch die Statorwicklungen 28u und 28v der anderen beiden Phasen, d. h. der U-Phase und der V-Phase, fließen und die Summe aus den gleichen Strömen durch die Statorwicklung der W-Phase fließt. In diesem Fall zeigt ein doppelköpfiger Pfeil γ einen Beschränkungsbereich eines Stroms, und die gestrichelten Linien P und Q zeigen erlaubte Grenzen eines Stroms, die in dem Entwurf benötigt werden. Insbesondere ist es notwendig, dass der Stromwert aufgrund der Beziehungen zu verschiedenen Komponententeilen wie beispielsweise der Kapazität des Inverters 36 oder Ähnlichem zwischen den gestrichelten Linien P und Q liegt. Bei diesen Bedingungen liegt der Wert des Stroms, der durch die Statorwicklung 28w der W-Phase fließt, in der Nähe der erlaubten Grenze. In diesem Fall verringert die Überlagerung des Verringerungspulsstroms die Absolutwerte der Werte des Stroms der drei Phasen, aber die Flussänderung in den räumlichen harmonischen Komponenten des Rotationsmagnetfeldes an dem Stator 12, die den Änderungen des Stroms entspricht, erhöht sich, Daher erhöht sich die magnetomotorische Rotorkraft, wie es in 13B gezeigt ist, und das Motormoment erhöht sich, wie es in 13C gezeigt ist. Da der Peak der Pulsströme der U-Phase und der V-Phase auf der positiven Seite abfällt und der Peak des Pulsstroms der W-Phase auf der negativen Seite ansteigt, können die Ströme der drei Phasen innerhalb des Einschränkungsbereichs des Stroms (des Bereichs, der durch den doppelköpfigen Pfeil γ in 13A repräsentiert wird) liegen.
Dieses wird im Folgenden genauer mit Bezug auf die 14A bis 14C beschrieben. Die 14A bis 14C zeigen schematische Diagramme, die Arten zeigen, wie ein Magnetfluss durch den Stator und den Rotor in dem elektrischen Rotationsmaschinenansteuersystem, das in 11 gezeigt ist, in dem Fall (14A) fließt, bei dem der q-Achsenstrom ein konstanter Wert ist, in dem Fall einer frühen Periode (14B), bei dem der Verringerungspulsstrom dem q-Achsenstrom überlagert wird, und in dem Fall einer späten Periode (14C), bei dem der Verringerungspulsstrom dem q-Achsenstrom überlagert wird. In den 14A bis 14C liegen die Zähne 30, die mit den Statorwicklungen 28u, 28v und 28w der drei Phasen versehen sind, den Zähnen 19, die mit den Rotorwicklungen 42n und 42s versehen sind, nicht radial gegenüber, so dass ein Zahn 30 einer Mittenposition zwischen zwei in der Umfangsrichtung des Rotors 14 zueinander benachbarten Zähnen 19 gegenüberliegt. In diesem Zustand ist der Magnetfluss, der zwischen dem Stator 12 und dem Rotor 14 fließt, ein q-Achsenfluss, wie es durch die Pfeile mit der durchgezogenen Linie R1 und die Pfeile mit der gestrichelten Linie R2 in den 14A bis 14C angegeben ist.
14A entspricht dem Zustand A1, der in 13A gezeigt ist, bei dem der q-Achsenstrombefehlswert Iqsum* nach der Überlagerung ein konstanter Wert ist, und 14B entspricht einer frühen Periode des Auftretens des Verringerungspulsstroms in dem q-Achsenstrombefehlswert Iqsum* nach der Überlagerung in 13A, d. h. dem Zustand A2 in 13A, in dem sich der Befehlswert Iqsum* stark verringert. Weiterhin entspricht 14C einer späten Periode des Auftretens des Verringerungspulsstroms in dem q-Achsenstrombefehlswert Iqsum* nach der Überlagerung in 13A, d. h. dem Zustand A3 in 13A, in dem sich der Befehlswert Iqsum* stark erhöht.
Zunächst fließt, wie es in 14A gezeigt ist, während des Zustands, während dessen der q-Achsenstrombefehlswert Iqsum* nach der Überlagerung vor dem Auftreten des Verringerungspulsstroms konstant ist, ein Magnetfluss, wie es durch die Pfeile mit der durchgezogenen Linie R1 gezeigt ist, von dem Zahn 30 der W-Phase zu den Zähnen 30 der U-Phase und der V-Phase, wobei er durch die Zähne 19 an Positionen A und B über den Zwischenraum zwischen den Zähnen 19 an den Positionen A und B fließt. In diesem Fall fließen positive Ströme durch die Statorwicklungen 28u und 28v der U-Phase und der V-Phase, und es fließt ein negativer großer Strom durch die Statorwicklung 28w der W-Phase. In diesem Fall jedoch tritt keine Änderung eines Magnetflusses, der durch die Grundkomponente verursacht wird, die durch die Zähne 30 fließt, auf.
Andererseits ändern sich, wie es in 14B gezeigt ist, während der frühen Periode des Auftretens des Verringerungspulsstroms, d. h. während des Zustands, in dem sich der q-Achsenstrom stark verringert, die absoluten Werte der Ströme durch die Statorwicklungen 28u, 28v und 28w in der Richtung einer Verringerung, und es fließt aufgrund der Änderungen von dem Zustand, der in 14A gezeigt ist, scheinbar ein Magnetfluss in den entgegengesetzten Richtungen, wie es durch die Pfeile mit der gestrichelten Linie R2 gezeigt ist. Die Änderung des Magnetflusses kann eine tatsächliche Umkehr von positiven und negativen Werten des Statorstroms sein, bei der ein Magnetfluss in den Richtungen entgegengesetzt zu den Richtungen des Flusses, der in 14A gezeigt ist, fließt. In jedem Fall fließt ein Magnetfluss in dem Zahn 19 an der Position A in einer derartigen Richtung, dass sich der N-Pol des Zahns 19 an der Position A in den S-Pol ändert, und ein induzierter Strom neigt dazu, durch die Rotorwicklung 42n des Zahns 19 an der Position A in einer derartigen Richtung zu fließen, dass das Fließen des Magnetflusses verhindert wird, und der Fluss des Stroms in der Richtung eines Pfeils T in 14B wird durch die Diode 21n nicht blockiert. Andererseits fließt ein Magnetfluss in dem Zahn 19 an der Position B in einer derartigen Richtung, dass der S-Pol des Zahns 19 an der Position B gestärkt wird, und ein induzierter Strom tendiert dazu, durch die Rotorwicklung 42s des Zahns 19 an der Position B in einer derartigen Richtung zu fließen, dass der Fluss des Flusses verhindert wird, d. h. in einer derartigen Richtung, dass bewirkt wird, dass der Zahn 19 an der Position B der N-Pol wird; der Fluss des Stroms in dieser Richtung wird jedoch durch die Diode 21s blockiert, und dadurch fließt kein Strom durch die Rotorwicklung 42s an der Position B.
Anschließend ändern sich, wie es in 14C gezeigt ist, während der späten Periode des Auftretens des Verringerungspulsstroms, d. h. während des Zustands, in dem sich der q-Achsenstrom stark erhöht, die Größen der Ströme durch die Statorwicklungen 28u, 28v und 28w in der Richtung einer Erhöhung, und es fließt ein Magnetfluss in den Richtungen entgegengesetzt zu den Richtungen des Flusses der 14B, wie es durch die Pfeile mit der gestrichelten Linie R1 in 14C gezeigt ist. In diesem Fall fließt ein Magnetfluss in den Zahn 19 an der Position A in einer derartigen Richtung, dass der N-Pol des Zahns 19 an der Position A gefestigt wird, und ein induzierter Strom neigt dazu, durch die Rotorwicklung 42n des Zahns 19 an der Position A in einer derartigen Richtung zu fließen, dass der Fluss des Flusses verhindert wird, d. h. in einer derartigen Richtung, dass bewirkt wird, dass der Zahn 19 an der Position A der S-Pol wird (Richtung X entgegengesetzt zu der Diode 21n); da jedoch ein Strom bereits in 14B fließt, verringert sich der Strom graduell zumindest während einer bestimmten Zeit. Außerdem fließt in dem Zahn 19 an der Position B ein Magnetfluss in einer derartigen Richtung, dass der S-Pol des Zahns 19 an der Position B dazu neigt, sich in den N-Pol zu ändern, und ein induzierter Strom neigt dazu, durch die Rotorwicklung 42s des Zahns 19 an der Position B in einer derartigen Richtung zu fließen, dass der Fluss des Flusses verhindert wird, und der Fluss des Stroms in der Richtung eines Pfeils Y in 14C wird durch die Diode 21n nicht blockiert. Als Ergebnis erhöht sich, wie es durch B2 in den 13B und 13C angegeben ist, die magnetomotorische Rotorkraft aufgrund der Überlagerung des Verringerungspulsstroms auf den q-Achsenstrom, und es erhöht sich das Motormoment.
Wenn der Verringerungspulsstrom gleich null wird und der Zustand zu dem Zustand der 14A zurückkehrt, fallen die Ströme in den Rotorwicklungen 42n und 42s graduell ab. Durch zyklisches Verlagern des Verringerungspulsstroms kann jedoch die Wirkung der Erhöhung des Drehmoments erzielt werden. Auch wenn der Fall, in dem der Verringerungspulsstrom überlagert wird, wenn der Strom durch die Statorwicklung 28w der W-Phase maximal wird, oben beschrieben wurde, sind die Fälle der Ströme durch die Wicklungen 28u und 28v der U-Phase und der V-Phase dieselben wie oben beschrieben.
Gemäß dem elektrischen Rotationsmaschinenansteuersystem 34, das oben beschrieben ist, ist es möglich, eine elektrische Rotationsmaschine 10 zu realisieren, die in der Lage ist, das Drehmoment über den gesamten Bereich und außerdem in einem niedrigen Rotationsgeschwindigkeitsbereich zu erhöhen, während ein Fließen von übermäßig großen Strömen durch die Statorwicklungen 28u, 28v und 28w verhindert wird. In dem Fall beispielsweise, in dem die Statorwicklungen 28u, 28v und 28w mehrerer Phasen Statorwicklungen von drei Phasen sind, erhöht sogar dann, wenn der Absolutwert des Stroms durch die Statorwicklung einer Phase (beispielsweise der W-Phase) größer als die Absolutwerte der Ströme, die durch die Statorwicklungen der anderen Phasen (beispielsweise der U-Phase und der V-Phase) fließen, ist, bevor die Überlagerung des Pulsstroms für die Statorwicklung der einen Phase (beispielsweise der W-Phase) durchgeführt wird, die Überlagerung des Verringerungspulsstroms den induzierten Strom, der in den Rotorwicklungen 42n und 42s erzeugt wird, während die Absolutwerte der Ströme, die durch die Wicklungen sämtlicher Phasen fließen, pulsartig verringert werden. Daher ist es möglich, das Drehmoment der elektrischen Rotationsmaschine 10 sogar in einem niedrigen Rotationsgeschwindigkeitsbereich zu erhöhen, während die Peaks der Statorströme, die die Ströme sind, die durch sämtliche Statorwicklungen 28u, 28v und 28w fließen, eingeschränkt werden. Außerdem werden aufgrund des Hilfspols 48 (1 bis 3) die räumlichen Harmonischen, insbesondere die räumliche zweite Harmonische des Magnetfelds, das von dem Stator 12 erzeugt wird, die sich mit den Rotorwicklungen 42n und 42s verbinden, von dem Stator 12 zu dem Rotor 14 geleitet, und es wird eine Änderung des Magnetflusses vergrößert, und der induzierte Strom, der in den Rotorwicklungen 42n und 42s erzeugt wird, wird weiter erhöht, und es wird das Drehmoment in einem niedrigen Rotationsgeschwindigkeitsbereich weiter erhöht. Da es keine Notwendigkeit gibt, Magnete auf der Seite des Rotors 14 vorzusehen, ist es möglich, sowohl eine magnetlose Konstruktion als auch eine Konstruktion mit einem hohen Drehmoment zu erzielen.
Außerdem wird, wie es in 13A gezeigt ist, durch Überlagern des Verringerungspulsstroms auf den q-Achsenstrombefehl der Absolutwert des Stroms, der durch die Statorwicklung einer Phase, beispielsweise der Statorwicklung 28w der W-Phase, fließt, pulsartig verringert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf einen Modus beschränkt, bei dem der obere Teil eines Peaks des Stroms, der sich pulsartig ändert, in der Nähe bei null liegt. Die Größe E der Verringerung (13A) des Verringerungspulsstroms des q-Achsenstrombefehls Iqsum* nach der Überlagerung kann beispielsweise erhöht werden, so dass der negative Strom, der durch die Statorwicklung 28w der W-Phase fließt, sich nach einem Anstieg in die Nähe von null auf die positive Seite erhöht. In diesem Fall ist es ebenfalls möglich, die Größe der Änderung des q-Achsenmagnetflusses, der durch die räumlichen Harmonischen bewirkt wird, zu erhöhen und daher das Drehmoment zu erhöhen, ohne den Statorstrom übermäßig zu erhöhen.
In dem Fall der Synchronmaschine, die in der JP 2007-185082 A , die oben beschrieben wurde, beschrieben ist, werden Elektromagnete in dem Rotor durch einen Pulsstrom ausgebildet. In dieser Maschine ist eine Rotorwicklung derart vorgesehen, dass sie um den Rotor diametral quer über den Rotor auf dessen Außenumfangsabschnitt gewickelt ist und ein Gleichrichtungselement mit der Rotorwicklung verbunden ist, so dass zwei unterschiedliche Magnetpole an diametral gegenüberliegenden Seiten des Rotors ausgebildet werden. Sogar wenn ein Pulsstrom dem q-Achsenstrom überlagert wird, löschen sich daher die induzierten Ströme zum Ausbilden von zwei Magnetpolen aus, so dass der induzierte Strom durch die Rotorwicklung nicht erzeugt werden kann. Insbesondere ist diese Konstruktion nicht in der Lage, ein Drehmoment durch Überlagern eines Pulsstroms auf den q-Achsenstrom zu erzeugen.
Außerdem werden in dem Fall der Synchronmaschine, die in der oben beschriebenen JP 2010-98908 A beschrieben ist, Erhöhungspulsströme, die sich pulsartig erhöhen und dann verringern, dem d-Achsenstrom und dem q-Achsenstrom überlagert, und daher besteht die Möglichkeit, dass der Peak des Stroms, der durch eine Statorwicklung fließt, übermäßig ansteigt. Außerdem beschreibt die Synchronmaschine, die in der JP 2010-11079 A , die oben beschrieben wurde, beschrieben ist, keine Einrichtung zum Überlagern des Verringerungspulsstroms auf den q-Achsenstrom zum Zwecke der Realisierung einer elektrischen Rotationsmaschine, die in der Lage ist, das Drehmoment sogar in einem niedrigen Rotationsgeschwindigkeitsbereich zu erhöhen, während ein Fließen von übermäßig großen Strömen durch die Statorwicklungen verhindert wird.
15 zeigt beispielsweise Beispiele des Stroms, der durch die Statorwicklung der U-Phase (Statorstrom) fließt, und des induzierten Stroms, der durch eine Rotorwicklung (induzierter Strom des Rotors) in einem elektrischen Rotationsmaschinenansteuersystem induziert wird, das den Erhöhungspulsstrom den Statorströmen überlagert, in einem Beispiel einer Konstruktion, die sich von den Konstruktionen, die in den 11 bis 14C gezeigt sind, unterscheidet. In dem Beispiel, das in 15 gezeigt ist, wird im Wesentlichen dieselbe Konstruktion, wie sie in den 11 bis 14C gezeigt ist, bereitgestellt, mit der Ausnahme, dass ein Erhöhungspulsstrom anstelle des Verringerungspulsstroms überlagert wird. Wie es in 15 gezeigt ist, wird in diesem Beispiel ein Erhöhungspulsstrom, der sich pulsartig erhöht und dann verringert, dem Statorstrom einer Sinuswelle überlagert. In diesem Fall verringert sich, wenn der Statorstrom stark ansteigt, wie es durch einen Pfeil C1 gezeigt ist, der induzierte Strom des Rotors stark entsprechend dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion, wie es durch einen Pfeil D1 gezeigt wird. Danach erhöht sich der induzierte Strom des Rotors, da der Statorstrom stark abfällt, wie es durch einen Pfeil C2 gezeigt ist. Aufgrund dieses Prinzips erhöht sich der Strom, der durch eine der Statorwicklungen der drei Phasen fließt. Daher ist es manchmal notwendig, einen großen elektrischen Strompuls zu überlagern, um ein gewünschtes Drehmoment zu erzeugen. In diesem Fall wird der Erhöhungspulsstrom dem d-Achsenstrom überlagert. Daher kann nicht behauptet werden, dass keine Möglichkeit besteht, dass der Peakwert des Stroms übermäßig groß wird und die Inverterstrombeschränkung, die hinsichtlich des Designs gefordert wird, überschreitet.
Im Gegensatz dazu können gemäß der Konstruktion, die in den 11 bis 14C gezeigt ist, sämtliche obigen Nachteile und Unannehmlichkeiten gelöst werden, da verhindert werden kann, dass der Statorstrom übermäßig groß wird, das heißt, da verhindert werden kann, dass der Peakwert des Stroms übermäßig groß wird. Die elektrische Rotationsmaschine 10 der Ausführungsform, die in den 1 bis 3 gezeigt ist, kann in einem Beispiel verwendet werden, dessen induzierte Ströme in 15 gezeigt sind. Es ist beispielsweise möglich, eine Konstruktion bereitzustellen, bei der die elektrische Strombeschränkung des Inverters sogar dann nicht überschritten wird, wenn der Peakwert des Statorstroms ansteigt.
Gemäß der Ausführungsform, die in den 1 bis 3 gezeigt ist, sind die Rotorwicklungen 42n und 42s mit den Dioden 21n und 21s, die Gleichrichtungselemente sind, derart verbunden, dass die Durchlassrichtungen der Dioden 21n und 21s der zueinander benachbarten Rotorwicklungen 42n und 42s in der Umfangsrichtung des Rotors 14 zueinander entgegengesetzt sind. Da die Dioden 21n und 21s die Ströme, die durch die Rotorwicklungen 42n und 42s aufgrund der Erzeugung von induzierten elektromotorischen Kräften fließen, gleichrichten, unterscheiden sich die Phasen der elektrischen Ströme, die durch die in der Umfangsrichtung zueinander benachbarten Rotorwicklungen 42n und 42s fließen, voneinander, das heißt, die A-Phase und die B-Phase wechseln sich ab. Eine andere Ausführungsform, die sich von der Ausführungsform unterscheidet, ist ebenfalls denkbar, wie es in den 16A und 16B gezeigt ist. Die 16A und 16B zeigen schematische Diagramme eines Rotors, der eine Änderung zeigt, die auftritt, wenn der Pulsstrom dem q-Achsenstrom gemäß einer anderen Ausführungsform überlagert wird.
Gemäß der anderen Ausführungsform, die in den 16A und 16B gezeigt ist, sind Rotorwicklungen 88n und 88s um Zähne 19 gewickelt, die an mehreren Orten in der Umfangsrichtung des Rotors 14 vorgesehen sind, und jedes Paar benachbarter Rotorwicklungen 88n und 88s ist über eine Diode 90 miteinander verbunden, so dass die Magnetcharakteristika der Polabschnitte, die durch die Ströme ausgebildet werden, die durch die Rotorwicklungen 88n und 88s fließen, d. h. die Magnetcharakteristika der Zähne 19, abwechselnd geändert werden. In dem Beispiel, das in den 16A und 16B gezeigt ist, ist der Rotor 14 mit Hilfspolen ähnlich wie in der Ausführungsform, die in den 1 bis 3 gezeigt ist, versehen, auch wenn die Hilfspole aus den Darstellungen der 16A und 16B weggelassen sind. In dieser anderen Ausführungsform neigen Ströme in dem Fall, in dem ein q-Achsenmagnetfluss von räumlichen Harmonischen aufgrund einer Überlagerung des Pulsstroms auf den q-Achsenstrom fließt, wie es durch die Pfeile mit der gestrichelten Linie in den 16A und 16B gezeigt ist, zu fließen, so dass sowohl der N-Pol als auch der S-Pol zu dem S-Pol werden (16A), aber die Ströme auf der Seite des N-Pols und der Seite des S-Pols einander auslöschen. In dem Fall, in dem der q-Achsenmagnetfluss in den Richtungen entgegengesetzt zu den Richtungen, die in 16A gezeigt sind, fließt, neigen Ströme dazu, zu fließen, so dass sowohl der N-Pol als auch der S-Pol zu dem N-Pol werden (16B), aber die Ströme auf der Seite des N-Pols und auf der Seite des S-Pols sich auslöschen. Daher induziert gemäß der anderen Ausführungsform, die in den 16A und 16B gezeigt ist, die Überlagerung des Pulsstroms auf den q-Achsenstrom keine Ströme in den Rotorwicklungen 88n und 88s. Im Gegensatz dazu ist die Ausführungsform, die in den 1 bis 3 gezeigt ist, in der Lage, den Drehmomenterhöhungseffekt durch Überlagern des Pulsstroms auf den q-Achsenstrom, wie es oben beschrieben wurde, zu erzielen. In der Ausführungsform, die in den 16A und 16B gezeigt ist, ist es jedoch ebenfalls möglich, ein Drehmoment an dem Rotor 14 durch Überlagern eines Erhöhungspulsstroms, der eine pulsartige Erhöhung aufweist, auf den d-Achsenstrombefehl zu erzeugen, um zu bewirken, dass ein Strom durch die Statorwicklungen etc. fließt.
In der oben mit Bezug auf die 11 bis 14C beschriebenen Ausführungsform weist die Steuervorrichtung 38 die Verringerungspulsüberlagerungseinrichtung 72 zum Überlagern des Verringerungspulsstroms auf den q-Achsenstrom auf, und der Pulsstrom wird nicht dem d-Achsenstrom überlagert. Die Steuervorrichtung 38 kann jedoch derart aufgebaut sein, dass sie die Verringerungspulsüberlagerungseinrichtung 72 zum Überlagern des Verringerungspulsstroms auf den q-Achsenstrombefehl Iq* und eine Erhöhungspulsüberlagerungseinrichtung zum Überlagern eines Erhöhungspulsstroms, d. h. eines Pulsstroms, der sich pulsartig stark erhöht und dann stark verringert, auf den d-Achsenstrombefehl Id* aufweist. Das heißt, als ein elektrisches Rotationsmaschinenansteuersystem kann der Steuerabschnitt derart aufgebaut sein, dass er eine Verringerungs-/Erhöhungspulsüberlagerungseinrichtung zum Überlagern des Verringerungspulsstroms auf den q-Achsenstrombefehl Iq* und zum Überlagern des Erhöhungspulsstroms, der eine pulsartige Erhöhung aufweist, auf den d-Achsenstrombefehl Id* aufweist.
Gemäß dieser Konstruktion ist es möglich, die Größe einer Änderung des Magnetflusses, der durch den d-Achsenstrom erzeugt wird, so dass er durch den Magnetpfad der d-Achse fließt, zu erhöhen, während die Statorströme der drei Phasen innerhalb eines Elektrostrombeschränkungsbereichs liegen. Daher ist es möglich, den induzierten Strom in dem Rotor 14 weiter zu erhöhen, um wirksam das Drehmoment der elektrischen Rotationsmaschine 10 zu erhöhen. Insbesondere ist es möglich, eine elektrische Rotationsmaschine 10 zu realisieren, die in der Lage ist, das Drehmoment über den gesamten Bereich und außerdem in einem niedrigen Rotationsgeschwindigkeitsbereich zu erhöhen, während ein Fließen eines übermäßig großen Stroms in den Statorwicklungen 28u, 28v und 28w verhindert wird. Genauer gesagt ist es durch Überlagern des Verringerungspulsstroms auf den q-Achsenstrombefehl Iq* und des Erhöhungspulsstroms auf den d-Achsenstrombefehl Id* möglich, die induzierten Ströme, die in den Rotorwicklungen 42n und 42s erzeugt werden, zu erhöhen, während die Ströme sämtlicher Phasen innerhalb des benötigten Strombeschränkungsbereichs liegen. Da der Erhöhungspulsstrom dem d-Achsenstrombefehl Id* überlagert wird, ist es außerdem möglich, die Größe einer Änderung des Magnetflusses, der durch den d-Achsenstrombefehl Id* erzeugt wird und durch den Magnetpfad der d-Achse fließt, zu vergrößern. Die Passage durch die Luftlücke kann in dem Magnetpfad der d-Achse, der dem d-Achsenstrombefehl Id* entspricht, kleiner als in dem Magnetpfad der q-Achse, der dem q-Achsenstrombefehl Iq* entspricht, gemacht werden, so dass sich der Magnetwiderstand verringert. Daher ist eine Erhöhung der Größe einer Änderung des d-Achsenmagnetflusses wirksam, um das Drehmoment zu erhöhen. Daher ist es möglich, den Strom, der in den Rotorwicklungen 42n und 42s induziert wird, zu erhöhen und dadurch das Drehmoment der elektrischen Rotationsmaschine 10 sogar in einem niedrigen Rotationsgeschwindigkeitsbereich zu erhöhen, während die Peaks der Statorströme sämtlicher Phasen eingeschränkt werden. Außerdem ist es aufgrund der Hilfspole 48 möglich, die räumlichen Harmonischen, insbesondere die räumliche zweite Harmonische des Rotationsmagnetfeldes, das von dem Stator 12 erzeugt wird, die sich mit den Rotorwicklungen 42n und 42s verbinden, zu erhöhen, so dass die Änderung des Magnetflusses vergrößert wird, der Strom, der durch die Rotorwicklungen 42n und 42s fließt, erhöht wird und das Drehmoment der elektrischen Rotationsmaschine 10 in einem niedrigen Rotationsgeschwindigkeitsbereich erhöht wird.
In der Ausführungsform, die in den 11 bis 14C gezeigt ist, kann die Verringerungspulsüberlagerungseinrichtung 72 außerdem derart ausgelegt sein, dass der Verringerungspulsstrom dem q-Achsenstrombefehl Iq* nur dann überlagert wird, wenn die derzeitigen Betriebsbedingungen innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegen, der durch das Drehmoment und die Rotationsgeschwindigkeit der elektrischen Rotationsmaschine 10 vorgegeben wird. Die Verringerungspulsüberlagerungseinrichtung 72 kann beispielsweise derart ausgelegt sein, dass der Verringerungspulsstrom dem q-Achsenstrombefehl Iq* nur dann überlagert wird, wenn das Drehmoment der elektrischen Rotationsmaschine 10 größer oder gleich einem vorbestimmten Drehmoment ist.
17 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Rotationsgeschwindigkeit und dem Drehmoment der elektrischen Rotationsmaschine zeigt, um ein Beispiel darzustellen, bei dem der Zustand der Überlagerung des Pulsstroms in dem elektrischen Rotationsmaschinenansteuersystem, das in den 11 bis 14C gezeigt ist, geändert wird. Insbesondere kann in dem Beispiel, das in 17 gezeigt ist, der Modus der Überlagerung des Pulsstroms in drei Schritten entsprechend den Bereichen der Rotationsgeschwindigkeit und des Drehmoments der elektrischen Rotationsmaschine 10 oder entsprechend dem Bereich des Drehmoments geändert werden. 17 zeigt eine Beziehung zwischen der Rotationsgeschwindigkeit und dem Drehmoment der elektrischen Rotationsmaschine 10 in dem Fall, in dem ein elektrisches Rotationsmaschinenansteuersystem, das den Pulsstrom nicht überlagert, verwendet wird. Daher ist in einem Bereich einer niedrigen Rotationsgeschwindigkeit, der durch einen doppelköpfigen Pfeil Z angegeben wird, das Drehmoment der elektrischen Rotationsmaschine 10 relativ niedrig, und eine Erhöhung des Drehmoments ist innerhalb des Bereichs, der durch den schräg gestrichelten Abschnitt angegeben ist, erwünscht. Dieser Nachteil wird durch eine Ausführungsform gelöst, bei der der Modus der Überlagerung des Pulsstroms in drei Schritten in einer Konstruktion geändert wird, bei der der Steuerabschnitt die Verringerungs-/Erhöhungspulsüberlagerungseinrichtung wie oben beschrieben aufweist. In dieser Ausführungsform wird in dem Fall, in dem Beziehungen zwischen dem Drehmoment und der Rotationsgeschwindigkeit in einem H1-Bereich, einem H2-Bereich und einem H3-Bereich, die in 17 gezeigt sind, vorgegeben sind, der Pulsstrom mindestens einem aus dem d-Achsenstrom und dem q-Achsenstrom durch unterschiedliche Modi, die den drei Bereichen entsprechen, überlagert.
In dem H1-Bereich, das heißt, wenn das Ausgangsmoment der elektrischen Rotationsmaschine 10 kleiner oder gleich einem Schwellenwert (K1 N·m) ist, während die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 14 kleiner oder gleich einer vorbestimmten Drehgeschwindigkeit (J min^–1) ist, führt die Verringerungs-/Erhöhungspulsüberlagerungseinrichtung einen Erhöhungspulsmodus zum Überlagern des Erhöhungspulsstroms Idp* auf den d-Achsenstrombefehl Id*, aber nicht zum Überlagern des Verringerungspulsstroms auf den q-Achsenstrombefehl Iq* aus. Wenn somit ein guter Spielraum zu der Elektrostrombeschränkungsgrenze vorhanden ist, kann der Rotorstrom wirksam durch den Erhöhungspulsmodus, der nur Änderungen des d-Achsenmagnetflusses verwendet, induziert werden.
In dem H2-Bereich, das heißt, wenn das Ausgangsmoment der elektrischen Rotationsmaschine 10 den Schwellenwert (K1 N·m) überschreitet und kleiner oder gleich einem zweiten Schwellenwert (K2 N·m) ist, während die Drehgeschwindigkeit des Rotors 14 kleiner oder gleich der vorbestimmten Rotationsgeschwindigkeit (J min^–1) ist, führt die Verringerungs-/Erhöhungspulsüberlagerungseinrichtung einen Verringerungs-/Erhöhungspulsmodus zum Überlagern des Erhöhungspulsstroms Idp* auf den d-Achsenstrombefehl Id* und zum Überlagern des Verringerungspulsstroms Iqp* auf den q-Achsenstrombefehl Iq* aus. In dem Fall, in dem der Spielraum zu der Elektrostrombeschränkungsgrenze wie oben beschrieben klein ist, ist es möglich, den Rotorstrom innerhalb des Bereichs der Elektrostrombeschränkungsgrenze durch den Verringerungs-/Erhöhungspulsmodus, der Änderungen des q-Achsenmagnetflusses ebenso wie Änderungen des d-Achsenmagnetflusses verwendet, zu induzieren.
In dem H3-Bereich, das heißt, wenn das Ausgangsmoment der elektrischen Rotationsmaschine 10 den Schwellenwert (K2 N·m) überschreitet, während die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 14 kleiner oder gleich der vorbestimmten Rotationsgeschwindigkeit (J min^–1) ist, führt die Verringerungs-/Erhöhungspulsüberlagerungseinrichtung einen Verringerungspulsmodus zum Überlagern des Verringerungspulsstroms Iqp* auf den q-Achsenstrombefehl Iq*, aber nicht zum Überlagern des Erhöhungspulsstroms auf den d-Achsenstrombefehl Id* aus. Somit wird in der Nähe der Elektrostrombeschränkungsgrenze der Verringerungspulsmodus, der nur Änderungen des q-Achsenmagnetflusses verwendet, verwendet, so dass es möglich ist, das Drehmoment zu erhöhen, während durch Ändern der Statorströme sämtlicher Phasen in Richtung einer Mitte des Elektrostrombeschränkungsbereichs eine Erhöhung des Stroms verhindert wird.
Auch wenn der Fall, in dem unterschiedliche Modi der Überlagerung der Pulsströme selektiv für die drei Stufen, d. h. den H1-Bereich, den H2-Bereich und den H3-Bereich, verwendet werden, beschrieben ist, kann der Modus der Überlagerung des Pulsstroms zwischen zwei Stufen, d. h. zwischen dem H1-Bereich und dem H2-Bereich, gewechselt werden. In diesem Fall führt die Verringerungs-/Erhöhungspulsüberlagerungseinrichtung, während die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 14 kleiner oder gleich der vorbestimmten Rotationsgeschwindigkeit ist, den Erhöhungspulsmodus zum Überlagern des Erhöhungspulsstroms auf den d-Achsenstrombefehl, aber nicht zum Überlagern des Verringerungspulsstroms auf den q-Achsenstrombefehl aus, wenn das Ausgangsmoment kleiner oder gleich einem Schwellenwert ist; und wenn das Ausgangsmoment den Schwellenwert überschreitet, führt die Verringerungs-/Erhöhungspulsüberlagerungseinrichtung den Verringerungs-/Erhöhungspulsmodus zum Überlagern des Erhöhungspulsstroms auf den d-Achsenstrombefehl und zum Überlagern des Verringerungspulsstroms auf den q-Achsenstrombefehl aus.
In dem oben beschriebenen Beispiel überlagert die Steuervorrichtung 38, d. h. eine Komponente des elektrischen Rotationsmaschinenansteuersystems 34, den Pulsstrom auf den q-Achsenstrom oder den d-Achsenstrom. In dem elektrischen Rotationsmaschinenansteuersystem, das die elektrische Rotationsmaschine 10 der Ausführungsform, die in den 1 bis 3 gezeigt ist, enthält, ist es jedoch ebenfalls möglich, eine Konstruktion zu verwenden, die einfach eine Funktion zum Ansteuern der Inverter aufweist, ohne eine Verringerungspulsüberlagerungseinrichtung oder eine Verringerungs-/Erhöhungspulsüberlagerungseinrichtung bereitzustellen.
Im Folgenden werden weitere Beispiele von Konstruktionen der elektrischen Rotationsmaschine der obigen Ausführungsformen beschrieben. Wie es unten gezeigt wird, ist die Erfindung für verschiedene Konstruktionsbeispiele der elektrischen Rotationsmaschine verwendbar.
In der oben mit Bezug auf die 1 bis 3 beschriebenen Ausführungsform weist der Rotor 14 beispielsweise eine Konstruktion auf, bei der die in der Umfangsrichtung zueinander benachbarten Rotorwicklungen 42n und 42s elektrisch getrennt sind und die Rotorwicklungen 42n, die an jedem anderen bzw. übernächsten Zahn 19 angeordnet sind, elektrisch in Serie geschaltet sind und die Rotorwicklungen 42s, die an jedem anderen bzw. übernächsten Zahn 19 angeordnet sind (an anderen als den Zähnen 19, die mit den Wicklungen 42n versehen sind), elektrisch in Serie geschaltet sind. Wie es in 18 gezeigt ist, können jedoch die Hilfspole 48 zwischen den Zähnen 19 sogar bei einer elektrischen Rotationsmaschine vorgesehen sein, die einen Rotor 14 enthält, bei dem Dioden 21n und 215 jeweils eins-zu-eins mit den Rotorwicklungen 42n und 42s verbunden sind, die um die Zähne 19 gewickelt sind, die Rotorzähne und magnetische Polabschnitte sind, und bei dem die Rotorwicklungen 42n und die Rotorwicklungen 42s elektrisch voneinander getrennt sind. Insbesondere sind an dem Rotorkern 16 mehrere Hilfspole 48, die jeweils mindestens teilweise aus einem magnetischen Material bestehen, zwischen benachbarten Zähnen 19 vorgesehen, das heißt, jeder Hilfspol 48 ist an einem Mittelabschnitt des Bodens eines Schlitzes 50 zwischen zwei benachbarten Zähnen 19 in der Umfangsrichtung des Rotors 14 vorgesehen. Andere Konstruktionen sind dieselben wie diejenigen der Ausführungsform, die in den 1 bis 3 gezeigt ist.
Die Rotorwicklungen 42n und 42s können ebenfalls durch ein Toroid- bzw. Ringwicklungsverfahren, wie es in 19 gezeigt ist, bereitgestellt werden. In dem Konstruktionsbeispiel, das in 19 gezeigt ist, enthält der Rotorkern 16 einen ringförmigen Kernabschnitt 92, und Zähne 19, die Rotorzähne sind, stehen radial auswärts (in Richtung des Stators 12) von dem ringförmigen Kernabschnitt 92 vor. Weiterhin sind in dem Rotorkern 16 mehrere Hilfspole 48, die jeweils mindestens teilweise aus einem magnetischen Material bestehen, zwischen benachbarten Zähnen 19 vorgesehen, das heißt, jeder Hilfspol 48 ist an einem Mittelabschnitt des Bodens eines Schlitzes 50 zwischen zwei benachbarten Zähnen 19 in der Umfangsrichtung des Rotors 14 vorgesehen.
Die Rotorwicklungen 42n und 42s werden um den ringförmigen Kernabschnitt 92 an Positionen in der Nähe der einzelnen Zähne 19 durch das Ringwicklungsverfahren gewickelt. In dem Konstruktionsbeispiel, das in 19 gezeigt ist, fließen ebenfalls, wenn sich das Rotationsmagnetfeld, das durch den Stator 12 ausgebildet wird und räumliche Harmonische enthält, mit den Rotorwicklungen 42n und 42s verbindet, elektrische Gleichströme, die von den Dioden 21n und 21s gleichgerichtet werden, in den Rotorwicklungen 42n und 42s, so dass die Zähne 19 magnetisiert werden. Als Ergebnis dienen die Zähne 19, die in der Nähe der Rotorwicklungen 42n positioniert sind, als N-Pole, und die Zähne 19, die in der Nähe der Rotorwicklungen 42s positioniert sind, dienen als S-Pole. In diesem Fall kann durch Einstellen der Breite θ jedes Zahns 19 in der Umfangsrichtung des Rotors 14 auf kürzer als die Breite, die 180° hinsichtlich des elektrischen Winkels des Rotors 14 entspricht, die induzierte elektromotorische Kraft, die durch die räumlichen Harmonischen in den Rotorwicklungen 42n und 42s erzeugt wird, wirksam erhöht werden. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die Breite θ jedes Zahns 19 in der Umfangsrichtung auf gleich (oder im Wesentlichen gleich) der Breite, die 90° hinsichtlich des elektrischen Winkels des Rotors 14 entspricht, eingestellt wird, um die induzierte elektromotorische Kraft, die durch räumliche Harmonische in den Rotorwicklungen 42n und 42s erzeugt wird, zu maximieren. In dem Beispiel, das in 19 gezeigt ist, sind ähnlich wie in dem Konstruktionsbeispiel, das in 1 gezeigt ist, die Rotorwicklungen 42n und die Rotorwicklungen 42s, die abwechselnd in der Umfangsrichtung benachbart zueinander sind, elektrisch voneinander getrennt; die Rotorwicklungen 42n, die abwechselnd in der Umfangsrichtung angeordnet sind, sind elektrisch in Serie geschaltet; die Rotorwicklungen 42s, die abwechselnd in der Umfangsrichtung angeordnet sind, sind elektrisch in Serie geschaltet. In dem Beispiel, in dem die Rotorwicklungen 42n und 42s durch das Ringwicklungsverfahren gewickelt werden, können jedoch ebenfalls die Rotorwicklungen 42n und die Rotorwicklungen 42s, die in der Nähe der Zähne 19 gewickelt sind, wie in dem Konstruktionsbeispiel, das in 18 gezeigt ist, elektrisch voneinander getrennt werden. Weitere Konstruktionen sind dieselben wie diejenigen der obigen Ausführungsformen.
In den obigen Ausführungsformen können sämtliche Zähne 19 mit Rotorwicklungen 42 versehen sein, die als ein einzelner Wicklungsdraht miteinander elektrisch verbunden sind, wie es beispielsweise in 20 gezeigt ist. In dem Konstruktionsbeispiel, das in 20 gezeigt ist, sind die Rotorwicklungen 42 durch eine Diode 21 kurzgeschlossen, so dass der Strom, der durch die Rotorwicklungen 42 fließt, durch die Diode 2 in eine Richtung (Gleichstrom) gleichgerichtet wird. Hinsichtlich der Rotorwicklungen 42, die um die Zähne 19 gewickelt sind, sind die Wicklungsrichtungen der Wicklungen um zwei in der Umfangsrichtung zueinander benachbarte Zähne 19 entgegengesetzt zueinander, so dass die Magnetisierungsrichtungen der beiden in der Umfangsrichtung zueinander benachbarten Zähne 19 zueinander entgegengesetzt sind. In dem Rotorkern 16 sind mehrere Hilfspole 48, die jeweils mindestens teilweise aus einem magnetischen Material bestehen, zwischen benachbarten Zähnen 19 vorgesehen, das heißt, jeder Hilfspol 48 ist an einem Mittelabschnitt des Bodens eines Schlitzes 50 zwischen zwei benachbarten Zähnen 19 in der Umfangsrichtung des Rotors 14 vorgesehen.
In dem Konstruktionsbeispiel, das in 20 gezeigt ist, verbindet sich der ändernde Magnetfluss in Bezug auf das Rotationsmagnetfeld, das an dem Stator 12 ausgebildet wird, durch Überlagern des Pulsstroms beispielsweise auf den d-Achsenbefehl in Bezug auf den Statorstrom mit den Rotorwicklungen 42, so dass der elektrische Gleichstrom, der von der Diode 21 gleichgerichtet wird, durch die Rotorwicklungen 42 fließt und die Zähne 19 magnetisiert werden. Als Ergebnis dienen die Zähne 19 als Magnete, deren Magnetpole fixiert sind. In diesem Fall werden zwei in der Umfangsrichtung zueinander benachbarte Zähne 19 Magnete, deren Magnetpole sich voneinander unterscheiden. Gemäß dem Konstruktionsbeispiel, das in 20 gezeigt ist, kann die Anzahl der Dioden 21 auf eins verringert werden. Weitere Konstruktionen sind im Wesentlichen dieselben wie in der oben beschriebenen Ausführungsform, die in den 1 bis 3 gezeigt ist.
Gemäß einer noch weiteren Ausführungsform können die Rotorwicklungen 42n und 42s ebenfalls um Permanentmagnete 94 gewickelt sein, die an mehreren Orten auf einer Außenumfangsfläche des Rotorkerns 16 fixiert sind, wie es in 21 gezeigt ist. In dem Rotor 14, der eine Komponente der elektrischen Rotationsmaschine dieses Konstruktionsbeispiels ist, weist der Rotorkern 16 keine Magnetschenkeligkeit auf, und die Permanentmagnete 94 sind an mehreren Seiten auf einer Außenumfangsfläche des Rotorkerns 16 in der Umfangsrichtung des Rotorkerns 16 fixiert. Die Rotorwicklungen 42n und 42s sind um die Permanentmagnete 94 gewickelt. Bei dieser Konstruktion dienen Abschnitte des Rotors 14 an mehreren Orten in der Umfangsrichtung, die mit den Innenseiten der Rotorwicklungen 42n und 42s in Bezug auf die Umfangsrichtung übereinstimmen, als Magnetpolabschnitte. Die Permanentmagnete 94 werden in radialen Richtungen des Rotors 14 magnetisiert, und die Magnetisierungsrichtungen der beiden in der Umfangsrichtung zueinander benachbarten Permanentmagnete 94 werden in den radialen Richtungen entgegengesetzt zueinander eingestellt. In 21 repräsentieren Pfeile mit einer durchgezogenen Linie, die auf den Permanentmagneten 94 gezeichnet sind, die Magnetisierungsrichtungen der Permanentmagnete 94. Mehrere Hilfspole 48, die mindestens teilweise aus einem magnetischen Material bestehen, sind zwischen benachbarten Zähnen 19 vorgesehen, das heißt, ein Hilfspol 48 ist an einem Mittelabschnitt zwischen jedem Paar benachbarter Zähne 19 in der Umfangsrichtung des Rotors 14 vorgesehen.
Die Rotorwicklungen 42n und 42s, die um die Permanentmagnete 94 gewickelt sind, sind nicht elektrisch miteinander verbunden, sondern sind elektrisch voneinander getrennt (isoliert). Die Rotorwicklungen 42n und 42s, die elektrisch voneinander getrennt sind, werden individuell durch jeweilige Dioden 21n und 21s kurzgeschlossen. Die Polarität der Dioden 21n und die Polarität der Dioden 21s unterscheiden sich voneinander. Weitere Konstruktionen sind im Wesentlichen dieselben wie diejenigen der oben beschriebenen Ausführungsform, die in den 1 bis 3 gezeigt ist.
Während oben verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, sollte es offensichtlich sein, dass die Erfindung insgesamt nicht darauf beschränken ist, sondern in verschiedenen Formen ausgeführt werden kann, ohne von dem Bereich der Erfindung abzuweichen. Auch wenn in der obigen Beschreibung der Rotor radial einwärts des Stators angeordnet ist, so dass der Rotor und der Stator einander gegenüberliegen, kann beispielsweise die Erfindung ebenfalls bei einer Konstruktion verwendet werden, bei der der Rotor radial auswärts des Stators angeordnet ist, so dass der Rotor und der Stator einander gegenüberliegen. Auch wenn in der obigen Beschreibung die Statorwicklungen durch das konzentrierte Wicklungsverfahren um den Stator gewickelt werden, kann die Erfindung ebenfalls beispielsweise bei einer Konstruktion verwendet werden, bei der die Statorwicklungen an einem Stator durch ein verteiltes Wicklungsverfahren vorgesehen werden, wenn ein Rotationsmagnetfeld, das räumliche Harmonische aufweist, erzeugt werden kann. Auch wenn in jeder der Ausführungsformen der Magnetcharakteristikeinstellabschnitt eine Anordnung von Dioden ist, kann auch eine beliebige andere Konstruktion als Magnetcharakteristikeinstellabschnitt verwendet werden, solange die Konstruktion eine Funktion zum Ändern der Magnetcharakteristika aufweist, die in den Rotorzähnen oder innerhalb der Rotorwicklungen, die sich in der Umfangsrichtung abwechseln, auftreten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2010-279165 A [0002, 0002, 0004, 0063, 0063]
JP 2007-185082 A [0004, 0064, 0065, 0109]
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JP 2010-11079 A [0004, 0064, 0065, 0110]
JP 2004-187488 A [0004, 0065, 0065, 0065]
JP 2009-183060 A [0004, 0065, 0065, 0065]

Claims

Elektrische Rotationsmaschine (10), dadurch gekennzeichnet, dass sie aufweist: einen Stator (12), der eine Rotationsmagnetfeld erzeugt; und einen Rotor (14), um den eine Spule (42n, 42s) gewickelt ist, so dass eine elektromotorische Kraft in der Spule durch eine harmonische Komponente des Rotationsmagnetfelds erzeugt wird, und bei dem ein Magnetpol durch die elektromotorische Kraft erzeugt wird, wobei der Rotor (14) einen leitenden Abschnitt (48) aufweist, der die harmonische Komponente von dem Stator (12) zu dem Rotor (14) leitet.
Elektrische Rotationsmaschine (10) nach Anspruch 1, wobei der Rotor (14) einen Magnetpolabschnitt (19) enthält, der derart ausgebildet ist, dass der Magnetpol in dem Magnetpolabschnitt (19) durch die elektromotorische Kraft erzeugt wird.
Elektrische Rotationsmaschine (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der leitende Abschnitt (48) benachbart zu dem Stator (12) vorgesehen ist.
Elektrische Rotationsmaschine (10) nach Anspruch 3, wobei der leitende Abschnitt (48) in dem Rotor (14) derart vorgesehen ist, dass er einen imaginären größten Umkreis, der um eine Mitte gezogen ist, die sich auf einer Rotationsmittelachse des Rotors (14) befindet, berührt.
Elektrische Rotationsmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der leitende Abschnitt (48) die harmonische Komponente leitet, so dass eine Größe der erzeugten elektromotorischen Kraft erhöht wird.