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[Technisches Gebiet]
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Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische rotierende Maschinen des Doppelläufertyps.
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[Allgemeiner Stand der Technik]
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Elektrische rotierende Maschinen werden in verschiedenen Apparaten als Energiequellen installiert und ihre Anwendungen in Fahrzeugen umfassen beispielhaft eine Energiequelle eines elektrischen Fahrzeugs, wenn sie in dem Fahrzeug einzeln installiert sind, oder eine Energiequelle eines Hybridelektrofahrzeugs, um in Zusammenarbeit mit dem Verbrennungsmotor zu arbeiten. Von Hybridelektrofahrzeugen wird insbesondere erwartet, die mechanische Effizienz der Kraftübertragung zu erhöhen, daher gibt es einen Bedarf für ein Drehmoment, das hoch genug ist, um die Beschleunigungsleistung zu verbessern, und ein Bedarf an Leistung, um die Niveauunterschiede zu beseitigen.
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Insbesondere ermöglichen es manchmal Hybride, die beispielhaft einen Kraftübertragungsweg nutzen, in dem ein Verbrennungsmotor, eine elektrische rotierende Maschine und die Antriebsräder aneinandergereiht sind (serieller Hybridtyp), den Antriebsrädern, sich nur aufgrund der elektrischen rotierenden Maschine zu drehen und die Reichweite des Fahrzeuges durch das Aufladen einer Batterie für die elektrische rotierende Maschine nach Umwandlung der Energie des Verbrennungsmotors in elektrische Energie zu verlängern, als ein sog. „Reichweiten-Verlängerungs-System” („range extender”).
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Ein Energiefluss durch einen solchen Kraftübertragungsweg, der eine Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie benötigt, führt zu massiven Umwandlungsverlusten und das Verlängern des Kraftübertragungswegs (oder das Verlängern des Energiewegs) führt zu einem Abfall eines Wirkungsgrades der Energieübertragung. Beispielsweise ermöglicht ein Reichweiten-Verlängerungs-System es seiner elektrischen rotierenden Maschine, durch das Steuern der Lieferung von elektrischer Energie an und/oder dem Entladen von elektrischer Energie von seiner Batterie zu arbeiten, weil die elektrische rotierende Maschine sich zwischen der Rotation der Antriebsräder und der Rotation eines Verbrennungsmotors befindet. Daher wird in einem Reichweiten-Verlängerungs-System der verlängerte Energiepfad zusätzlich zu den Energieumwandlungsverlusten, die durch die Notwendigkeit der Energieumwandlung zwischen mechanischer und elektrischer Energie eingebracht werden, einer der Gründe für den Abfall des Wirkungsgrades der Energieübertragung.
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Indessen beschreibt
JP2013-208015 A (Patentliteratur 1) zum Beispiel eine elektrische rotierende Maschine mit doppelten Rotoren in einem Stator und offenbart, die rotierenden Wellen der Rotoren an die Seite der Antriebsräder beziehungsweise an die Seite des Verbrennungsmotors zu koppeln.
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Im Übrigen ist im Hinblick auf eine elektrische rotierende Maschine, die Ankerpolspulen umfasst, die Geschwindigkeit zu Drehmoment Ausgangskennlinie durch eine induzierte Spannung bestimmt, die von einer Anzahl von Umdrehungen von jedem der Ankerpolspulen abhängt, und dieser Aufbau ist im Vorhinein so gewählt, um die elektrische rotierende Maschine im Betriebsbereich mit hohem Wirkungsgrad zu betreiben, so dass ein Getriebe nötig ist, um es dem Fahrzeug zu ermöglichen, auch außerhalb solcher Betriebsbereiche mit hohem Wirkungsgrad zu fahren.
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[Stand der Technik]
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[Literaturverzeichnis]
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- Patentliteratur 1: JP2013-208015A
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[Zusammenfassung der Erfindung]
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[Technische Problemstellung]
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Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische rotierende Maschine des Doppelläufertyps bereitzustellen, die an jede gewünschte Ausgangskennlinie anpassbar ist, mit einem begrenzten Abfall des Wirkungsgrades der Energieübertragung.
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[Lösung des Problems]
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine elektrische rotierende Maschine bereitgestellt, umfassend: einen Stator, der Ankerpolspulen aufweist, die im Stande sind, einen magnetischen Fluss zu generieren, wenn sie erregt werden; einen ersten Rotor, der zur Rotation gebracht wird, wenn der magnetische Fluss durch ihn fließt; und einen zweiten Rotor, der zur Rotation in einem elektromagnetischen Pfad des magnetischen Flusses, der durch den ersten Rotor fließt, gebracht wird, wobei der zweite Rotor Abschnitte von unterschiedlichen Materialien mit jeweiliger Permeabilität umfasst, welche sich entlang eines Randbereichs des zweiten Rotors befinden und wobei der erste Rotor eine Vielzahl von Schenkelpolen umfasst, die sich entlang eines Randbereichs des ersten Rotors befinden und von Induktionsspulen umwickelt werden, welche einen Induktionsstrom induzieren, wenn sie durch dem magnetischen Fluss, der von den Ankerpolspulen generiert wird, gekoppelt werden, und der Stator umfasst eine Vielzahl von gewickelten Spulen, die sich um jeden der Pole wickeln, um für jeden der Vielzahl der Schenkelpole eine Ankerpolspule zu konstituieren, wobei die Vielzahl der gewickelten Spulen, die zu erregen ist, veränderbar ist.
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[Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung]
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann in elektrischen rotierenden Maschinen des Doppelläufertyps unter den gewickelten Spulen, die die Ankerpolspulen konstituieren, eine induzierte Spannung erzeugt werden als Reaktion auf die Anzahl und die Art der Schaltung von manchen der zu erregenden Spulen, sodass eine elektrische rotierende Maschine bereitgestellt ist, die an jede gewünschte Ausgangskennlinie anpassbar ist mit begrenztem begrenzten Abfall des Wirkungsgrades der Energieübertragung.
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[Kurze Beschreibung der Figuren]
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1 ist ein Querschnitt senkrecht zur Rotationsachse, d. h. eine Ansicht, die eine elektrische rotierende Maschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt und ihren schematischen Gesamtaufbau zeigt.
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2 ist ein Querschnitt durch die Rotationsachse, der den schematischen Gesamtaufbau der elektrischen rotierenden Maschine zeigt.
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3 ist eine Ansicht der schematischen Verschaltung, die die Schaltrichtungen der Dioden, die im inneren Rotor platziert sind, zeigt.
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4 ist ein magnetisches Flussdiagramm, das die Ausbildung des magnetischen Flusses, der sich zwischen einem Stator, einem äußeren und einem inneren Rotor ausbreitet, zeigt.
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5 ist eine Kurve des Drehmoments an dem äußeren Rotor und des Drehmoments an dem inneren Rotor in dem magnetischen Fluss, der sich zwischen Stator, äußerem Rotor und innerem Rotor ausbreitet.
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6 ist ein elektrisches Schaltdiagramm eines Systems zum Ändern der Verschaltung der gewickelten Spulen, die jede der Ankerpolspulen konstituieren.
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7 ist ein elektrisches Schaltdiagramm von einem Beispiel der Verschaltung der gewickelten Spulen, die jede der Ankerpolspulen konstituieren.
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8 ist ein elektrisches Schaltdiagramm eines anderen Beispiels der Verschaltung der gewickelten Spulen, die jede der Ankerpolspulen konstituieren, unterschiedlich von 7.
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9 ist ein elektrisches Schaltdiagramm eines anderen Beispiels der Verschaltung der gewickelten Spulen, die jede der Ankerpolspulen konstituieren, unterschiedlich von 7 oder 8.
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10 ist ein schematisches Diagramm der relativen Position der Ankerpolspulen an dem Stator, wie in 9 gezeigt.
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11 ist ein schematisches Diagramm eines praktischen Beispiels der Installation der elektrischen rotierenden Maschine in einem Fahrzeug.
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12 ist ein Graph von Drehmoment versus Geschwindigkeits-Hüllkurven der Ankerpolspulen, die in 7 bis 9 gezeigt werden.
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13 ist ein schematisches Diagramm, d. h. eine Ansicht, die eine zweite Ausführungsform einer elektrischen rotierenden Maschine zeigt, in der der innere Rotor Permanentmagnete zusätzlich zu Dioden hat.
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[Beschreibung der Ausführungsformen]
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Bezug nehmend auf die begleitenden Figuren, werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail im Folgenden beschrieben. 1 bis 12 zeigen eine elektrische rotierende Maschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ein Doppelläufermotor oder eine elektrische rotierende Maschine 100 in 1 und 2 umfasst einen Stator 10, der näherungsweise in zylindrischer Form ausgebildet ist, einen zweiten Rotor oder einen äußeren Rotor 20, der drehbar in dem Stator 10 gelagert ist und an dem eine drehende Eingangswelle (der Einfachheit halber auch „eine drehende Welle” genannt) 101 koaxial zu dem Zentrum der Welle angebracht ist, und ein erster Rotor oder ein innerer Rotor 30, der an einer drehenden Ausgangswelle (der Einfachheit halber auch „eine drehende Welle” genannt) 102 koaxial zum Zentrum der Welle angebracht ist.
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In dem Stator 10 ist eine Vielzahl von Statorzähnen 12 ausgebildet, die sich radial einwärts von einem radial-äußeren Randbereich des Stators 10 zu einem radial-inneren Randbereich erstrecken, dergestalt, dass eine innere Randbereich-Oberfläche 12a einer äußeren Randbereich-Oberfläche 20a des äußeren Rotors 20 über einem Luftspalt G1 zugewandt ist. Ankerpolspulen 14 sind durch konzentrierte Wicklung von gewickelten Spulen bereitgestellt, die Nuten 13, jede zwischen sich gegenseitig gegenübergesetzten Seiten 12b von den zwei benachbarten Statorzähnen 12, und der äußere und der innere Rotor 20, 30 werden zur Rotation gebracht durch das Versorgen dieser Ankerpolspulen 14 mit Strom, um einem magnetischen Fluss zu ermöglichen, sich zu entwickeln und den äußeren und den inneren Rotor 20, 30 zu koppeln.
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Der äußere Rotor 20 umfasst eine Vielzahl von Relaiselementen oder -abschnitten 21 von magnetischen Material mit hoher Permeabilität, wie z. B. Stahl, und eine Vielzahl von Begrenzungselementen oder -abschnitten 22 von nicht magnetischem Material mit geringer oder keiner Permeabilität, wie z. B. für Magnetfluss undurchlässiges Harz, welche sich entlang dem Randbereich des äußeren Rotors 20 befinden, dergestalt, dass sich jeder der Vielzahl der Relaisabschnitte 21 zwischen zwei benachbarten Abschnitten aus der Vielzahl der Begrenzungsabschnitte 22 befindet. Eine Stirnseite 21a von jedem der Vielzahl der Relaisabschnitte 21 ist an einer Seite innerhalb einer äußeren peripheren Oberfläche 20a des äußeren Rotors 20 zwischen zwei Seiten freigelegt, an denen Stirnseiten 22a der benachbarten zwei Abschnitte der Vielzahl der Begrenzungsabschnitte 22 freigelegt sind, während eine Stirnseite 21b von jedem Abschnitt der Vielzahl der Relaisabschnitte 21 an einer Seite innerhalb einer inneren peripheren Oberfläche 20b des äußeren Rotors 20 zwischen zwei Seiten freigelegt ist, an denen die Stirnseiten 22b von benachbarten zwei Abschnitten der Vielzahl der Begrenzungsabschnitte 22 freigelegt sind.
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In Folge dieser Anordnung erlaubt der äußere Rotor 20 einen magnetischen Fluss, der sich innerhalb einiger der Ankerpolspulen 14 entwickelt und einen Abschnitt der äußeren peripheren Oberfläche 20a des äußeren Rotors 20 koppelt, um effizient zwischen den beiden Stirnseiten 21a, 21b an einem oder mehreren der Relaisabschnitte 21, die sich benachbart zum Abschnitt der äußeren peripheren Oberfläche 20a befinden, überzugehen, aber diese Anordnung verhindert den Übergang des magnetischen Flusses an den Begrenzungsabschnitten 22. Nach dem Übergang durch einen oder mehrere der Relaisabschnitte 21 des äußeren Rotors 20 koppelt der magnetische Fluss, der sich in einigen der Ankerpolspulen 14 entwickelt, an eine oder mehrere der äußeren peripheren Oberflächen 32a von Rotorzähnen 32 des inneren Rotors 30, welche später beschrieben werden, und geht wieder über durch eine oder mehrere andere Abschnitte der Relaisabschnitte 21 des äußeren Rotors 20, und kehrt zum Stator 10 zurück, wobei sich ein Magnetkreis ausbildet.
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Weil der äußere Rotor 20 relativ zu dem Stator 10 rotiert, findet während dieser Zeit ein Wechsel zwischen dem Relaisabschnitt 21, der den Übergang von magnetischem Fluss ermöglicht, und dem Begrenzungsabschnitt 22, der den Übergang von magnetischem Fluss einschränkt, wiederholt in dem ausgebildeten Magnetkreis statt. Dies ermöglicht es dem äußeren Rotor 20, eine Änderung in der Menge des magnetischen Flusses, der sich in den Ankerspulpolen 14 entwickelt und an den äußeren Rotor 20 koppelt, zu bewirken. Aus diesem Grund kann dieser äußere Rotor 20 relativ zu dem Stator 10 rotieren, in Folge eines Reluktanzmomentes oder einem Drehmoment, das den magnetischen Flusspfad durch den Luftspalt G1 zwischen Stator 10 und äußerem Rotor 20 minimiert.
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Der innere Rotor 30 ist mit Schenkelpolen oder einer Vielzahl von Rotorzähnen 32 gebildet, die sich entlang des Randbereiches des inneren Rotors 30 befinden und sich radial auswärts von der Seite der rotierenden Welle erstrecken, dergestalt, dass die äußeren peripheren Oberflächen 32a der inneren peripheren Oberfläche 20b des äußeren Rotors 20 über einen Luftspalt G2 zugewandt sind. Die Rotorzähne 32 sind von Induktionsspulen oder gewickelten Spulen 34 umwickelt, die die Nuten 33 zwischen einander gegenüberliegenden Seiten 32b von angrenzenden zwei Rotorzähnen 32 nutzen. Diese gewickelten Spulen 34, von denen sich jede um einen Rotorzahn 32 in einer Richtung wickelt, induzieren oder generieren Induktionsstrom, wenn sie durch den magnetischen Fluss gekoppelt werden.
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Wie in 3 gezeigt, weist der innere Rotor 30 Dioden 35 auf, von denen jede an die Leitungsenden von einer der gewickelten Spulen 34 gekoppelt sind, die jeweils die Rotorzähne 32 umwickeln, um eine geschlossene Schleife auszubilden, und jede der Dioden 35 richtet den Induktionsstrom, der an den zugeordneten gewickelten Spulen 34 generiert wird, durch das Ermöglichen des Stromflusses durch die gewickelten Spulen 34 gleich, um eine Kurzschlussverbindung bereitzustellen, und durch das Unterbrechen des Stromflusses in die entgegengesetzte Richtung. Diese Dioden 35 sind mit den gewickelten Spulen 34, die die Rotorzähne 32 in derselben Richtung umwickeln, verbunden und sind wechselweise umgekehrt in Richtung der Gleichrichtung, so dass die benachbarten zwei Dioden die eine und die jeweils entgegengesetzte Richtung der Gleichrichtung aufweisen.
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Diese Anordnung ermöglicht es dem inneren Rotor 30, eine elektromagnetische Kraft zu generieren durch eine Selbsterregung der gewickelten Spulen 34 in Folge von einem DC Erregerstrom, der durch Gleichrichtung des Induktionsstroms mit den Dioden 35 erhalten wird, wobei der Induktionsstrom durch die gewickelten Spulen 34 fließt.
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Während dieser Zeit, in der einer der Rotorzähne 32 des inneren Rotors, der einen Abschnitt eines Magnetkreises ausbildet, als ein Elektromagnet fungiert, der magnetisiert ist, um den koppelnden magnetischen Fluss weg von dem Relaisabschnitt 21 des äußeren Rotors 20 zu induzieren. In einer elektrischen rotierenden Maschine 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform fungiert der Rotorzahn 32 als ein solcher Elektromagnet, indem er die Diode 35 veranlasst, den in der gewickelten Spule 34 generierten induzierten Strom gleichzurichten.
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Des Weiteren fungiert der benachbarte Rotorzahn 32 als ein Elektromagnet, der magnetisiert ist, um den koppelnden magnetischen Fluss zum äußeren Rotor 20 zu induzieren. In einer elektrischen rotierenden Maschine 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform fungiert der Rotorzahn 32 als solcher Elektromagnet, indem er die Diode 35, deren Gleichrichtungsrichtung entgegengesetzt zur Gleichrichtungsrichtung des induzierten Stroms an dem benachbarten Rotorzahn 32 ist, veranlasst, den an der gewickelten Spule 34 generierten induzierten Strom gleichzurichten.
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Mit anderen Worten kann der innere Rotor 30 eine Änderung in der Menge des magnetischen Flusses, der die Rotorzähne 32 über die äußeren peripheren Oberflächen 32a koppelt, durch das Rotieren der Relaisabschnitte 21 und Begrenzungsabschnitte 22 relativ zu dem Stator 10 bewirken. Dies veranlasst jede der gewickelten Spulen 34 einen Induktionsstrom zu generieren. Des Weiteren ist der induzierte Strom durch die Diode 35 gleichgerichtet, um einen DC Erregerstrom bereitzustellen, um die gewickelte Spule 34 unter Strom zu setzen, wodurch die gewickelte Spule 34 veranlasst wird, als ein Elektromagnet zu fungieren, um eine elektromagnetische Kraft zu generieren.
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Während dieser Zeit wird der magnetische Fluss, der einen der Rotorzähne 32 des inneren Rotors 30 durch einen der Relaisabschnitte 21 des äußeren Rotors 20 über einem der Statorzähne 12 des Stators 10 koppelt, durch das Versorgen einer der Ankerpolspulen 14, die durch konzentrierte Wicklung ausgebildet sind, mit Strom von der Wechselstromquelle generiert. Aus diesem Grund sind mehr Raumharmonische Komponenten dem magnetischen Fluss, der an den Rotorzahn 32 koppelt, überlagert, als solche Raumharmonische Komponenten, die dem magnetischen Fluss, der von einer mit verteilter Wicklung geformten Spule generiert wird, überlagert sind. Weil Raumharmonische Komponenten, die dem magnetischen Fluss überlagert sind, eine Änderung der Menge des magnetischen Flusses bewirken, ist es daher möglich, effektiv einen Induktionsstrom an den gewickelten Spulen 34 und eine große elektromagnetische Kraft zu erzeugen.
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Daher kann eine elektrische rotierende Maschine 100 den äußeren Rotor 20 zur Drehung veranlassen in Folge des Reluktanzmomentes, indem sie den magnetischen Fluss veranlasst, an die Relaisabschnitte 21 des äußeren Rotors 20 zu koppeln, wobei der magnetische Fluss generiert ist durch das Versorgen der Ankerpolspule 14 des Stators 10 mit Strom und in 4 als eine FL gezeigt ist. Des Weiteren kann eine elektrische rotierende Maschine 100 die gewickelte Spule 34 veranlassen, einen Induktionsstrom zu generieren, indem sie den magnetischen Fluss, der sich nach dem Passieren durch den Relaisabschnitt 21 des rotierenden äußeren Rotors 20 in der Menge ändert, an die gewickelte Spule 34 im inneren Rotor 30 koppelt. Das bewirkt eine Generation von einer elektromagnetischen Kraft durch das Gleichrichten des induzierten Stromes mit der Diode 35, und diese Kraft wirkt als DC Erregerstrom auf die gewickelte Spule 34. Das ermöglicht es der elektrischen rotierenden Maschine 100, ihren inneren Rotor 30 zu veranlassen, eine relative Rotation durchzuführen in Folge des Drehmomentes oder magnetischen Momentes, ohne Permanentmagnete bereitzustellen. Dieser innere Rotor 30 ermöglicht es dem magnetischen Fluss, aus dem äußeren Rotor 20 auszutreten und in den äußeren Rotor 20 einzutreten durch das reibungslose Umgehen der Nuten 33, indem er die Dioden 35 veranlasst, die Rotorzähne 32 als Permanentmagnete fungieren zu lassen, die sich entlang des Randbereichs des inneren Rotors befinden, wobei benachbarte zwei Zähne eine wechselnde umgedrehte Magnetisierungsrichtung haben.
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Diese elektrische rotierende Maschine 100 ermöglicht die Rotation des inneren Rotors bei hohen Geschwindigkeiten genauso wie eine Rotation des äußeren Rotors 20 bei geringen Geschwindigkeiten, wie gezeigt in 5, weil der äußere Rotor 20 relativ zu dem Stator 10 durch das Reluktanzmoment rotiert wird, und der innere Rotor 30, dessen magnetischer Fluss durch den äußeren Rotor 20 oder die Relaisabschnitte 21 zur Kopplung fließt, relativ zum Stator 10 durch magnetisches Moment rotiert wird.
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Des Weiteren ist diese elektrische rotierende Maschine 100 konfiguriert, um variierende Momente bereitzustellen, die für die oben genannten Rotationen benötigt werden, durch unterschiedliche Kombinationen im Aufbau des Stators 10, des äußeren Rotors 20 und des inneren Rotors 30. Im Hinblick auf die Details solcher Kombinationen sind solche Kombinationen der Anzahl Ns der Nuten 13 des Stators 10, der Anzahl Nor der Relaisabschnitte 21, d. h. der Anzahl der Pole des äußeren Rotors 20, und die Anzahl Nir der Rotorzähne 32, d. h. der Anzahl der Pole des inneren Rotors 30 Beispiele, solange sie die folgende Gleichung (1) erfüllen. Dieser Aufbau ermöglicht es, den äußeren Rotor 20 und den inneren Rotor 30 effizient relativ zum Stator 10 zu rotieren durch das effiziente Generieren des oben erwähnten Reluktanzmomets und Magnetmoments. In einer elektrischen rotierenden Maschine 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, ist z. B. die Nutenanzahl des Stators 10 Ns = 18, die Anzahl der Pole des äußeren Rotors 20 Nor = 30 und die Anzahl der Pole des inneren Rotors 30 Nir = 12, und erfüllen die folgende Gleichung (1). Nor = Ns ± Nir (1).
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Des Weiteren weist der Stator 10, wie in 6 gezeigt, in jedem der Statorzähne 12 eine Ankerpolspule 14 auf, die einen Satz von drei gewickelten Spulen 51, 52 und 53 umfasst, der so gestaltet ist, dass der Satz in Serie schaltbar ist. In diesen Ankerpolspulen 14 sind die gewickelten Spulen 51, 52 verbunden oder getrennt durch einen Verbindungsschalter 61, und die gewickelten Spulen 52, 53 sind verbunden oder getrennt durch einen Verbindungsschalter 62.
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Drei Ankerpolspulen 14 sind an sechs Punkten, die die Leitungen 68u, 68v, 68w nutzen, parallel geschaltet und generieren einen magnetischen Fluss, wenn ein dreiphasiger Wechselstrom von einer Stromquelle als Antriebsstrom zur Verfügung gestellt wird. Beim Beschreiben der 6 mit der vorläufigen Bezeichnung von jedem der Pole oder Statorzähne 12, die in 1 gezeigt werden, seien drei magnetische Pole, die aus 18 magnetischen Polen, beginnend mit magnetischem Pol A bis zum magnetischen Pol R, ausgewählt wurden, ein Satz, wobei ein Ende 14a der Leitungen in jeder der drei Phasen, die aus einer U-Phase, V-Phase und W-Phase bestehen, miteinander verbunden sind. Des Weiteren sind die anderen Enden 14b der Leitungen durch eine Leitung 69 verbunden, um die Pole D bis R miteinander zu koppeln, um eine Sternpunktverbindung auszubilden. Des Weiteren sind die anderen Enden der Leitungen der Pole A bis C mit den Eingangsanschlüssen 14bu, 14bv und 14bw verbunden.
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Diese Ankerpolspulen 14, in denen die Überbrückungsschalter 65, 66 und 67 zum Überbrücken der gewickelten Spulen 53 in den drei Polen vom Pol A bis zum Pol C bereitgestellt sind, umfassen einen abnehmbaren Verbindungsring 70 (siehe 8), der die Seite der gewickelten Spulen 51 hin zu den Verbindungsschaltern 62 in den 15 Polen vom Pol D bis zum Pol R miteinander gemeinsam verbindet, um eine Sternpunktverbindung zu bilden. Dies ermöglicht es den Ankerpolspulen 14, eine Schaltungsanordnung auszubilden, die eine Abkürzung nicht durch die gewickelten Spulen 53 in allen Polen vom Pol A bis zum Pol R macht durch das Einschalten der Überbrückungsschalter bzw. Bypassschalter 65, 66 und 67 und durch die Installation des Verbindungsrings 70.
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Des Weiteren können in den Ankerpolspulen 14 die Verbindungsschalter 61, 62 nicht nur zur Verbindung der gewickelten Spulen 51, 52 in einem Pol und zur Verbindung der gewickelten Spulen 52, 53 in einem Pol, sondern auch zur Verbindung der gewickelten Spule 52 in einem Pol mit der gewickelten Spule 51 in einem der benachbarten Pole und zur Verbindung der gewickelten Spule 52 in einem der benachbarten Pole mit der gewickelten Spule 53 in einem anderen der benachbarten Pole genutzt werden (siehe 9).
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Mit anderen Worten sind die Ankerpolspulen 14 konfiguriert, um die Anzahl der gewickelten Spulen 51, 52 und 53, die unter Strom gesetzt werden und geschaltet werden, zu verändern. Insbesondere bilden die Verbindungsschalter 61, 62, die Überbrückungsschalter 65, 66, 67 und der Verbindungsring 70 einen Änderungsmechanismus zum Verändern der Anzahl der gewickelten Spulen 51, 52, 53, die unter Strom gesetzt werden und geschaltet werden.
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Dies ermöglicht es den Ankerpolspulen 14 eine Schaltungsanordnung, wie in 7 gezeigt, zu bilden, durch das Öffnen der Überbrückungsschalter 65, 66, 67 und durch Verbinden der gewickelten Spulen 51, 52 mit den Verbindungsschaltern 61 und das Unterstromsetzen dieser und durch Verbinden der gewickelten Spulen 52, 53 miteinander durch den Verbindungsschalter 62 und das Unterstromsetzen dieser durch den Statorzahn 12. Diese Schaltungsanordnung ermöglicht es der elektrischen rotierenden Maschine 100, Antriebsstrom zur Verfügung zu stellen, um die Ankerpolspulen 14, die an sechs Punkten parallel gekoppelt sind, durch konzentrierte Wicklung nach dem Verbinden der drei gewickelten Spulen 51, 52, 53 in Serie pro Statorzahn 12 unter Strom zu setzen.
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Des Weiteren können die Ankerpolspulen 14 eine Schaltungsanordnung, wie in 8 gezeigt, bilden, durch das Schließen der Überbrückungsschalter 65, 66, 67, um eine Schaltung zu bilden, die die gewickelten Spulen 53 in den Polen A bis C überbrückt und durch das Unterbrechen der Verbindungsschalter 62 und Installieren des Verbindungsrings 70, um eine Schaltung zu bilden, die die gewickelten Spulen 53 in den Polen D bis R ausschließt, und zusätzlich durch Verbinden der gewickelten Spulen 51, 52 miteinander durch den Verbindungsschalter 61 durch Stator 12. Diese Schaltungsanordnung ermöglicht es der elektrischen rotierenden Maschine 100, Antriebsstrom zur Verfügung zu stellen, um die Ankerpolspulen 14, die an sechs Punkten parallel gekoppelt sind, durch das Ausführen der konzentrierten Wicklung nach der Verbindung der zwei gewickelten Spulen 51, 52 in Serie pro Statorzahn 12, unter Strom zu setzen.
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Ferner können die Ankerpolspulen 14 eine Schaltungsanordnung, wie in 9 gezeigt, ausbilden, durch das Verbinden der gewickelten Spule 52 in einem Pol mit der gewickelten Spule 51 in einem der zwei benachbarten Pole, das Verbinden der gewickelten Spule 52 in einem der benachbarten Pole zu der gewickelten Spule 53 in einem anderen der zwei benachbarten Pole, und das Unterstromsetzen dieser. Wie gezeigt in 10, ermöglicht diese Schaltungsanordnung es der elektrischen rotierenden Maschine 100, Antriebsstrom zur Verfügung zu stellen, um die Ankerpolspulen 14, die an sechs Punkten parallel gekoppelt sind, durch das Ausführen einer verteilten Windung nach dem Verbinden der drei gewickelten Spulen 51, 52, 53 in Serien in drei benachbarten Statorzähnen 12, unter Strom zu setzen.
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In 9 sind die Verbindungsschalter 61, 62 zum Verbinden der gewickelten Spulen 51, 52, 53 für Pole A und solche zum Verbinden der gewickelten Spulen 51, 52, 53 für Pole R veranschaulicht in zwei Stellungen, aber die Verbindungsschalter 61, 62 sind im Statorzahn 12 für Pole A angeordnet, und die Verbindungsschalter 61, 62, die mit den gewickelten Spulen 51, 52 verbunden sind für Pole R, sind gezeigt durch gestrichelte Linien. 10 ist eine Ansicht, die zeigt, dass die Ankerpolspulen 14 konfiguriert sind mit verteilter Wicklung durch das Verbinden der gewickelten Spulen 51, 52, 53, die in dem benachbarten Statorzahn 12 bereitgestellt sind, und es ist nicht beabsichtigt, die radiale Position, an der die gewickelten Spulen 51, 52, 53 um jeden der Statorzähne 12 gewickelt sind, zu begrenzen. In Bezug auf eine radiale Richtung von jedem der benachbarten zwei Statorzähne 12 können insbesondere, wie in 10 gezeigt, die gewickelten Spulen 51, 52, 53 an derselben radialen Position in Serie verbunden sein, oder in Bezug auf eine radiale Richtung von jedem der benachbarten zwei Statorzähne 12 können die gewickelten Spulen 51, 52, 53 in Serie verbunden sein, um eine Position an der äußeren peripheren Seite hin zu einer Position an der inneren peripheren Seite auszubilden. Zusätzlich können, im Hinblick auf eine radiale Richtung von jedem der benachbarten zwei Statorzähne 12, die gewickelten Spulen 51, 52, 53 in Serie verbunden sein, um eine Position an einer inneren peripheren Seite hin zu einer äußeren peripheren Seite zu bilden.
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Des Weiteren hat diese elektrische rotierende Maschine 100 eine passende Leistung, um z. B. in einem hybridelektrischen Fahrzeug zusammen mit einem Verbrennungsmotor angebracht zu werden, oder ein Motor 200, wie gezeigt in 11, in welchem der Motor 200 mit einer rotierenden Eingangswelle 101 des äußeren Rotors 20 gekoppelt ist, und ein Antriebsrad 290 ist mit einer rotierenden Ausgangswelle 102 des inneren Rotors 30 gekoppelt, und eine Batterie 220 ist mit den Ankerpolspulen 14 des Stators 10 über einem Wechselrichter 210 verbunden. 11 ist ein schematisches Diagramm, in welchem die Kopplung zwischen Motor 200 und Antriebsrad 290 vereinfacht ist für eine Beschreibung der Erzeugung und Verteilung der Leistung.
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In dem äußeren Rotor 20 sind die Relaisabschnitte 21 und die Begrenzungsabschnitte 22 (nicht gezeigt in 11) an einem zylindrischen Abschnitt 20C angebracht, der in einer zylindrischen Form ausgebildet ist, den inneren Rotor 30 umgibt und den Rotorzähnen 32 zugewandt ist. Der zylindrische Abschnitt 20C ist im Stator 10 derart aufgenommen, dass die Relaisabschnitte 21 und die Begrenzungsabschnitte 22 den Statorzähnen 12 zugewandt sind. Der äußere Rotor 20 hat Lager 111, 112, die an zentralen Abschnitten von seinen scheibenförmigen Abschnitten 20D1, 20D2 angebracht sind, welche axial beabstandet den Endseiten des inneren Rotors 30 zugewandt sind, bzw., und auf drehbare Art und Weise die rotierende Abtriebswelle 102 lagern. Die rotierende Antriebswelle 101, die sich von einem äußeren Abschnitt um das Zentrum des scheibenförmigen Abschnitts 20D2 erstreckt, ist koaxial rotierbar mit dem Scheibenabschnitt 20D2.
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Der innere Rotor 30 ist an die rotierende Abtriebswelle 102 angebracht, die rotierend auf den Lager 111, 112 des äußeren Rotors 20 gelagert ist und die koaxial rotierbar mit der rotierenden Abtriebswelle 102 ist. Der innere Rotor 30 ermöglicht es der rotierenden Abtriebswelle 102, nach außen von einem Abschnitt hervorzustehen, der auf Lager 111 der Scheibenabschnitte 20D1 des äußeren Rotors 20 gelagert ist.
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Des Weiteren hat der äußere Rotor 20 einen Flanschabschnitt 20F, der einstückig an den Scheibenabschnitt 20D2 angebracht ist und das Lager 112 abdeckt. Das Lager 112 lagert auf drehbare Art und Weise die gegenüberliegende Endseite der rotierenden Abtriebswelle 102 des inneren Rotors 30, die nach außen hervorsteht. Der äußere Rotor 20 ermöglicht es der rotierenden Antriebswelle 101 vom Zentrum des Flanschabschnittes 20F nach außen hervorzustehen in einer koaxialen Weise mit der rotierenden Abtriebswelle 102 des inneren Rotors 30.
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Wie in 11 gezeigt, ermöglicht die elektrische rotierende Maschine 100 eine direkte Verbindung des Motors 200 mit der rotierenden Antriebswelle 101 und eine direkte Verbindung des Antriebsrades 290 mit der Abtriebswelle 102, obwohl verschiedene Ausrüstungsgegenstände zwischengeschaltet sind, die benötigt werden, um ein Fahrzeug anzutreiben, wie z. B. ein Differential. Es ist nicht beabsichtigt, den Motor 200 mit der rotierenden Antriebswelle 101 verbunden zu lassen oder das Antriebsrad 290 in Verbindung mit der rotierenden Abtriebswelle 102 zu lassen, jedoch wird Leistung durch jeden gewünschten Weg durch das näherungsweise Etablieren einer direkten Verbindung oder Unterbrechen einer solchen Verbindung abgegeben.
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Daher kann die elektrische rotierende Maschine 100 es der Leistungsenergie A, die der rotierenden Antriebswelle 101 des äußeren Rotors 20 von dem Motor 200 zugeführt wird, ermöglichen, direkt zu dem rotierenden Antriebsrad 290 übertragen zu werden. Zusätzlich kann die elektrische rotierende Maschine 100 es der elektrischen Energie B, die von der Batterie 220 bereitgestellt wird, ermöglichen, in Leistungsenergie umgewandelt zu werden, um das Antriebsrad 290 anzutreiben durch den rotierenden inneren Rotor 30 oder die rotierenden Abtriebswelle 102.
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Daher kann die elektrische rotierende Maschine 100 die Unannehmlichkeit, dass der Transmissionswirkungsgrad durch die Energieumwandlung abfällt, begrenzen. Mit anderen Worten dreht die elektrische rotierende Maschine 100 das Antriebsrad 290 durch Übertragung von elektrischer Energie B durch elektrische Leistung von Batterie 220 und Leistungsenergie A.
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Zusätzlich kann der Motor 200 Ladestrom für die Batterie 220 über dem Wechselrichter 210 durch den rotierenden äußeren Rotor 20 bereitstellen, wenn das Antriebsrad 290 von der rotierenden Abtriebswelle 102 abgetrennt ist. Ferner kann die elektrische rotierende Maschine 100 den Motor 200 wie benötigt starten durch das Bereitstellen der in Batterie 220 gespeicherten Leistung für die Ankerpolspulen 14 des Stators 10 über den Wechselrichter 210. In einem Fahrzeug mit dieser elektrischen rotierenden Maschine 100 sollte, wenn das Fahrzeug von Leistungsenergie A des Motors 200 angetrieben werden soll, ein Leistungsweg gewählt werden, der direkt den Motor 200 mit dem Antriebsrad 290 verbindet.
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Das Versorgen mit Strom der Ankerpolspulen 14 an Statorzähnen 12, um diese unter Strom zu setzen, veranlasst die elektrische rotierende Maschine 100, wechselnde Geschwindigkeit zu Drehmoment Ausgangskennlinie 3NC, 2NC und 1ND, wie in 12 gezeigt, mit unterschiedlichen Kombinationen der Anzahl der unter Strom zu setzenden Spulen desselben Statorzahnes 12 und Art der Wicklung der gewickelten Spulen beim Bereitstellen des Stroms derselben Phase bereitzustellen.
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Insbesondere die Geschwindigkeit zu Drehmoment Ausgangskennlinie 3NC des inneren Rotors 30 beim Bereitstellen des Stroms für Ankerpolspulen 14, die durch das Ausführen einer konzentrierten Wicklung der drei gewickelten Spulen 51, 52, 53, die in Serie verbunden sind, wie in 7 gezeigt, ausgebildet wird, deutet daraufhin, dass die rotierende Abtriebswelle 102 mit großem Drehmoment bei niedrigen Geschwindigkeiten gedreht werden kann. Mit dieser Geschwindigkeit zu Drehmoment Ausgangskennlinie 3NC startet die Rotation des Antriebsrads 290 leichtgängig, z. B. beim Startzeitpunkt.
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Die Geschwindigkeit zu Drehmoment Ausgangskennlinie 2NC des inneren Rotors 30 beim Bereitstellen des Stromes für die Ankerpolspulen 14, gebildet durch das Ausführen einer konzentrierten Wicklung von zwei gewickelten Spulen 51, 52, die in Serie geschaltet sind, wie in 8 gezeigt, deutet daraufhin, dass die rotierende Abtriebswelle 102 mit mittlerem Drehmoment bei mittleren Geschwindigkeiten gedreht werden kann. Mit dieser Geschwindigkeit zu Drehmoment Ausgangskennlinie 2NC rotiert das beschleunigende Antriebsrad 290 leichtgängig, z. B. beim Fahren bei mittleren Geschwindigkeiten.
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Geschwindigkeit zu Drehmoment Ausgangskennlinie 1ND des inneren Rotors 30 beim Bereitstellen des Stromes für die Ankerpolspulen 14, ausgebildet durch Ausführen einer verteilten Wicklung der drei gewickelten Spulen 51, 52, 53, die drei benachbarte Rotorzähne 32 umspannt, die in Serie geschaltet sind, wie in 9 und 10 gezeigt, weist daraufhin, dass die rotierende Abtriebswelle 102 mit geringem Drehmoment bei hohen Geschwindigkeiten gedreht werden kann. Mit dieser Geschwindigkeit zu Drehmoment Ausgangskennlinie 1ND dreht sich das fahrende Antriebsrad leichtgängig z. B. beim Fahren bei hohen Geschwindigkeiten.
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12 zeigt nur bestimmte Geschwindigkeit zu Drehmoment Ausgangskennlinien 3NC, 2NC und 1ND. Demnach ist es zweckmäßig, bei der Implementierung eine Schaltsteuerung in dem Fahrzeug auszuführen, um einen Wechsel zwischen den Ausgangskennlinien leichtgängig und gleichförmig zu gestalten.
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In der vorliegenden Ausführungsform sind eine Vielzahl von Relaisabschnitten 21 und eine Vielzahl von Begrenzungsabschnitten 22 am äußeren Rotor 20 entlang dem Randbereich des äußeren Rotors 20 derart angebracht, dass jeder der Relaisabschnitte 21 zwischen den zwei benachbarten Begrenzungsabschnitten 22 liegt. Die elektrische rotierende Maschine 100 umfasst gewickelte Spulen 34, von denen sich jede um einen der Rotorzähne 32 in einer Richtung wickelt. Die Dioden 35 sind mit den gewickelten Spulen 34 verbunden und sind in der Richtung der Gleichrichtung wechselnd angebracht, so dass benachbarte zwei Dioden die eine oder die entgegengesetzte Richtung der Gleichrichtung aufweisen.
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Deshalb kann die elektrische rotierende Maschine 100 den äußeren Rotor 20 aufgrund des Reluktanzmomentes zur Rotation veranlassen, indem der magnetische Fluss, der durch das Unterstromsetzen der Ankerpolspulen 14 im Stator 10 generiert wird, veranlasst wird, die Relaisabschnitte 21 des äußeren Rotors 20 zu koppeln. Dieser koppelnde magnetische Fluss fließt durch Relaisabschnitt 21, koppelt an gewickelte Spule 34 des inneren Rotors 30, ein Wechsel in der Menge des koppelnden magnetischen Flusses, und Induktionsstrom ist generiert aufgrund dieser Änderung in der Menge des koppelnden magnetischen Flusses. Der innere Rotor 30 wird durch das magnetische Drehmoment zum Rotieren veranlasst, das durch das Gleichrichten des induzierten Stroms durch die Diode 35 generiert wird, um als DC Erregerstrom zu agieren.
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Weil des Weiteren in den Ankerpolspulen 14 des Stators 10 die Anzahl der Spulen, die unter Strom gesetzt werden, anpassbar ist und die Schaltungsanordnung, wie konzentrierte Wicklung oder verteilte Wicklung, auswählbar ist je nach Fahrbedingung, ist es möglich, die rotierende Abtriebswelle 102 bei der gewünschten Geschwindigkeit und dem gewünschten Drehmoment durch das Variieren der induzierten Spannung, die durch das Unterstromsetzen der Spulen generiert wird, zu drehen.
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Daher kann die elektrische rotierende Maschine 100 den äußeren Rotor 20 und den inneren Rotor 30 unabhängig voneinander rotieren, nur durch das Bereitstellen des Stroms aus der Batterie 220 an die Ankerpolspulen 14. Diese elektrische rotierende Maschine 100 arbeitet mit einem kurzen Leistungsweg, umfassend der rotierenden Antriebswelle 101 und der rotierenden Abtriebswelle 102. Da der Stator 10, der äußere Rotor 20 und der innere Rotor 30 keine hochpräzisen Permanentmagneten aus Neodym verwenden, und kein Strom von außerhalb bereitgestellt wird, wie z. B. durch das Bereitstellen eines Schleifringes am inneren Rotor 30, ist eine günstige und im Aufbau einfache selbstanregende elektrische rotierende Maschine 100 des Doppelläufertyps realisiert. Zusätzlich ist die Ausgangskennlinie anpassbar, so dass das Antriebsrad 200 mit dem aufgrund der Fahrsituation benötigten Drehmoment rotiert werden kann.
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Als ein erster anderer Aspekt der vorliegenden Ausführungsformen, können anstelle einer Diode 35, die mit jeder der gewickelten Spulen 34 verbunden ist, obwohl dazu keine Veranschaulichung beigefügt ist, auch gewickelte Spulen, die in dieselbe Richtung gewickelt sind, in Serie an jedem zweiten Pol in einer peripheren Richtung verbunden werden, um zwei Reihen von Induktionsspulen auszubilden, und es können zwei Dioden 35 zwischen den Anschlussenden der zwei Reihen der Induktionsspulen verbunden werden, eine in Richtung der Gleichrichtung und die andere in der entgegengesetzten Richtung der Gleichrichtung. Auch in diesem Fall, wie in der vorliegenden Ausführungsform, können die Rotorzähne 32 des inneren Rotors 30 als Permanentmagneten fungieren, die entlang dem Randbereich des inneren Rotors angebracht sind, wobei benachbarte zwei jeweils umgekehrt sind in der Magnetisierungsrichtung und so einen magnetischen Pfad formen, der es dem magnetischen Fluss ermöglicht, reibungslos die Überbrückungsnut 33 zu passieren. Des Weiteren wird Induktionsstrom generiert und gleichgerichtet an jeder der Vielzahl der gewickelten Spulen 34, die in Serie verbunden sind, wodurch größere Kapazitäten des induzierten Stromes in einer Schaltung zugelassen werden, verglichen mit einer Schaltung gebildet durch eine einzelne Induktionsspule, und der innere Rotor 30 oder die rotierende Abtriebswelle 102 rotieren mit einem großen Drehmoment, durch das Erzeugen einer größeren elektromagnetischen Kraft.
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Des Weiteren können alternativ, als ein zweiter Aspekt der vorliegenden Ausführungsform, wie in 13 gezeigt, Permanentmagnete 40 in die Rotorzähne 32 eingebettet werden. Jeder der Permanentmagnete 40 ist derart angeordnet, dass die Richtung der Magnetisierung der magnetischen Pole (N-Pol, S-Pol) die gleiche Richtung der Magnetisierung wird, wenn der benachbarte Zahn der Rotorzähne 32 durch die Gleichrichtung durch Diode 35 als ein Permanentmagnet fungiert. In diesem Fall ist die magnetische Kraft der Permanentmagnete 40 auf die magnetische Kraft der Elektromagnete des Rotorzahnes 32 addiert, um den inneren Rotor oder die rotierende Abtriebswelle 102 mit einem größeren Drehmoment durch das Erzeugen eines größeren magnetischen Feldes zu rotieren. Weil die magnetische Kraft, die als Hilfe für die elektromagnetische Kraft, die von den gewickelten Spulen 34 erzeugt wird, benötigt wird, nicht so groß ist und weil daher kein Bedarf an seltenen und wertvollen Permanentmagneten wie einem Neodymmagneten besteht, kann der Permanentmagnet 40 als günstiger Permanentmagnet gewählt werden, deren stabiler Nachschub gesichert ist. Jedoch kann ein seltener und wertvoller Neodymmagnet genutzt werden, um stabile große Drehmomente bereitzustellen.
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Obwohl keine Zeichnung beigefügt ist, ist als dritter Aspekt der vorliegenden Ausführungsform ein nur ein Beispiel, die diametral verteilte Luftlücken G1, G2, die in der elektrischen rotierenden Maschine 100 genutzt werden, ausbildet. Die vorliegende Erfindung ist nicht begrenzt auf dieses Beispiel. Ein Aufbau mit axialen Spalten, der Luftspalte in einer Richtung entlang der Rotationsachse ausbildet, kann genutzt werden, um die Erfindung zu erzeugen. Auch in diesem Fall sind Ankerpolspulen, Relaisabschnitte und Induktionsspulen auf einem Stator und zwei Rotoren angeordnet.
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Während die im oben beschriebenen Rotor 10 und Stator 20 aus laminierten Strukturen bestehen, hergestellt durch das Laminieren elektromagnetischer Stahlbleche, ist es z. B. auch möglich, sog. weichmagnetische Verbundkerne (SMC Cores) zu nutzen, die auch als Pulvermagnetkerne beschrieben werden können, und die durch das in Form pressen von Eisenpulver und die Hitzebehandlung von weichmagnetischen Verbundmaterialien oder ferromagnetischen Pulverteilchen, wie z. B. Eisenpulverteilchen, die durch einen elektrisch isolierenden Film umgeben sind, gebildet werden. Dieser SMC-Kern ist geeignet für den Aufbau mit axialen Spalten, aufgrund seines einfachen Formens.
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Die Verwendung von elektrischen rotierenden Maschinen 100 ist nicht auf die automobile Verwendung begrenzt und es ist möglich, sie z. B. angemessen in Windkraftgeneratoren zu nutzen oder sie als Antriebskraft in Werkzeugmaschinen zu nutzen.
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Obschon Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, ist es dem Fachmann offensichtlich, dass Modifikationen gemacht werden können ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Alle solchen Modifikationen und deren Äquivalente sollen von den folgenden in den Ansprüchen abgedeckt werden, die den Schutzumfang festlegen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Stator,
- 12
- Statorzähne,
- 13, 33
- Nut,
- 14
- Ankerpolspule,
- 14bu, 14bn, 14bw
- Eingangsanschlüsse,
- 20
- äußerer Rotor (zweiter Rotor),
- 21
- Relaisabschnitt,
- 22
- Begrenzungsabschnitt,
- 30
- innerer Rotor (erster Rotor),
- 32
- Rotorzähne (Schenkelpole),
- 34
- gewickelte Spule (Induktionsspule),
- 35
- Diode,
- 40
- Permanentmagnet,
- 51~53
- gewickelte Spule,
- 61, 62
- Verbindungsschalter,
- 65~67
- Überbrückungsschalter,
- 70
- Verbindungsring,
- 100
- elektrische rotierende Maschine,
- 101
- rotierende Antriebswelle,
- 102
- rotierende Abtriebswelle,
- 200
- Motor,
- 210
- Wechselrichter,
- 220
- Batterie,
- 290
- Antriebsrad,
- FL
- Flusslinie,
- G1, G2
- Luftspalt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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