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[Technisches Gebiet]
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Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Maschinen, insbesondere elektrische Maschinen mit Doppelrotor.
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[Hintergrund der Technik]
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Elektrische Maschinen werden als Energiequellen in verschiedenartigen Geräten installiert. Bei Fahrzeugen zum Beispiel ist eine elektrische Maschine entweder einzeln als Energiequelle für ein Elektroauto oder zusammen mit einem Verbrennungsmotor als Energiequelle für ein Hybridelektroauto installiert.
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Bei einem Hybridelektroauto können elektrische Maschinen in Kombination mit einem Verbrennungsmotor in einem System eingebaut sein, um bei Bedarf über einen Planetengetriebesatz als Generator und als Motor zu dienen. In diesem Falle ist es notwendig, zusammen mit einem Planetengetriebesatz, einen Verbrennungsmotor, eine elektrische Maschine zur Stromerzeugung und eine elektrische Maschine zum Antrieb in das System einzubauen, wodurch das System vergrößert wird, so dass dessen Einbau in kleineren Fahrzeugen erschwert wird.
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Die
JP 2013 -
188 065 A offenbart eine elektrische Maschine, die dazu ausgebildet ist, verschiedene Funktionen zu kombinieren und als Generator, Motor und Planetengetriebesatz zu dienen.
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Wie in
9 gezeigt, umfasst die in
JP 2013 -
188 065 A beschriebene elektrische Maschine M einen Stator S mit einer Ankerwicklung C, die 6 Polpaare (Anzahl der Polpaare A) aufweist, einen ersten Rotor R1 mit Permanentmagneten PM, die 10 Polpaare (Anzahl der Polpaare P) aufweisen und einen zweiten Rotor R2 mit Magnetpfaden MP, die 16 Pole aufweisen (Anzahl der Polpaare H = A + P). Diese elektrische Maschine M ist als Magnetmodulations-Doppelwellenmotor ausgebildet, der das Prinzip der Magnetmodulation ausnützt und drei Elemente, umfassend den Stator S, den ersten Rotor R1 und den zweiten Rotor R2 als Elemente eines Planetengetriebesatzes, d.h. als ein Sonnenrad, ein Träger und ein Hohlrad verwendet.
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Aus der US 2011 / 0 042 965 A1 ist eine gattungsgemäße elektrische Maschine mit einem Innenrotor und einem Außenrotor bekannt. Der Innenrotor trägt eine Anzahl von elektrischen Wicklungen. Die Wicklungen sind um vorspringende Zähne des Innenrotors angebracht oder gewickelt.
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Die US 2012 / 0 313 492 A1 offenbart eine rotierende elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor, der radial innerhalb des Stators angeordnet ist, so dass er dem Stator gegenüberliegt, wobei ein vorbestimmter Luftspalt dazwischen verbleibt. Der Rotor umfasst einen hohlzylindrischen Rotorkern und Schenkelpole, die Vorsprünge sind, die von einer Vielzahl von äquidistanten Stellen auf einer äußeren Umfangsfläche des Rotorkerns in Umfangsrichtung radial nach außen ragen. Jede erste Rotorwicklung umfasst eine erste Induktionsspule und eine erste gemeinsame Wicklung, die mit der ersten Induktionswicklung verbunden ist. Die erste Induktionswicklung und die erste gemeinsame Wicklung sind um den Schenkelpol gewickelt. Jede zweite Rotorwicklung umfasst eine zweite Induktionswicklung und eine zweite gemeinsame Wicklung, die mit der zweiten Induktionswicklung verbunden ist. Die zweite Induktionswicklung und die zweite gemeinsame Wicklung sind um einen weiteren Schenkelpol gewickelt, der in Umfangsrichtung neben dem Schenkelpol liegt, um den die erste Induktionswicklung und die erste gemeinsame Wicklung gewickelt sind. Die Enden der ersten Induktionswicklung und der zweiten Induktionswicklung sind über eine erste Diode und eine zweite Diode verbunden.
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Die
CN 103 730 997 A offenbart einen bürstenlosen Synchronmotor, bei dem Induktionsspulen zwischen einem zweiten Rotor und Feldspulen in einer radialen Richtung relativ zu einer Rotationsachse eines ersten und des zweiten Rotors angeordnet sind. Eine Gleichrichterschaltung weist eine Mehrzahl von Gleichrichterelementen auf. Die Induktionsspulen sind jeweils mit einer stromaufwärtigen Seite der Mehrzahl von Gleichrichterelementen verbunden und die Feldspulen sind mit einer stromabwärtigen Seite jedes der Mehrzahl von Gleichrichterelementen verbunden. Die Induktionsspulen sind in eine erste Induktionsspule, in der Induktionsströme erzeugt werden, und in eine zweite Induktionsspule gruppiert, in der Induktionsströme erzeugt werden, die in umgekehrter Phasenlage zu den Induktionsströmen stehen, die an der ersten Induktionsspule erzeugt werden. Die Induktionsspulen sind als konzentrierte oder als verteilte Wicklung ausgestaltet.
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[Zusammenfassung der Erfindung]
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[Technische Aufgabe]
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Bei der in
JP 2013 -
188 065 A beschriebenen elektrischen Maschine M ist die Erzeugung einer hohen Leistung durch Erhöhung der Drehmomentdichte, wie bei einem Motor mit eingebettetem Permanentmagneten (IPM), bei dem die Magnetkraft von Permanentmagneten als solche als Magnetmoment verwendbar ist, schwierig und erfordert teure Permanentmagnete mit großer Magnetflussdichte, um einen Mangel an Drehmoment auszugleichen.
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Außerdem erfordert die Struktur der elektrischen Maschine M einen teuren Permanentmagneten mit hoher Koerzitivfeldstärke und niedriger Empfindlichkeit gegen thermische Entmagnetisierung, der teure Metalle der Seltenen Erde wie Dysprosium (Dy) und Terbium (Tb) enthält, zum Beispiel einen Neodym-Magneten (Nd-Fe-B Magnet), weil die Schwankungen des mit dem Permanentmagneten verketteten Magnetflusses groß sind.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine elektrische Maschine mit Doppelwelle und Magnetmodulation vorzusehen, die ohne den Einsatz von Permanentmagneten, ein Magnetdrehmoment wirksam ausnützt.
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[Lösung der Aufgabe]
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine elektrische Maschine vorgesehen, aufweisend: einen Stator, der eine Ankerwicklung umfasst; einen ersten Rotor; und einen zweiten Rotor, der derart eingerichtet ist, dass er die Bildung eines Magnetpfads zwischen dem Stator und dem ersten Rotor erlaubt, wobei die Ankerwicklung eine konzentriert gewickelte Ankerwicklung ist, der zweite Rotor eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Stäben aus weichmagnetischem Material aufweist, der erste Rotor eine Mehrzahl von Schenkelpolen aufweist, die in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sind und von Induktionsspulen und Feldspulen umwickelt sind, und eine Gleichrichterschaltung, die dazu eingerichtet ist, den durch jede der Induktionsspulen erzeugten Induktionsstrom in Gleichstrom gleich zu richten. Die elektrische Maschine zeichnet sich dadurch aus, dass die Induktionsspulen zwischen dem zweiten Rotor und den Feldspulen in einer radialen Richtung relativ zu einer Rotationsachse des ersten und zweiten Rotors angeordnet sind; die Gleichrichterschaltung eine Mehrzahl von Gleichrichterelementen aufweist, die Induktionsspulen in mehreren Gruppen angeordnet sind, die jeweils mit einer stromaufwärtigen Seite der Mehrzahl von Gleichrichterelementen verbunden sind, so dass jede der Induktionsspulen derselben Gruppe Induktionsströme erzeugt, die im Wesentlichen überlappende Stromwellenformen aufweisen, und die Feldspulen mit einer stromabwärtigen Seite jedes der Mehrzahl von Gleichrichterelementen verbunden sind; die Induktionsspulen in jeder Gruppe auf der stromaufwärtigen Seite des entsprechenden der Mehrzahl von Gleichrichterelementen in Reihe geschaltet sind; und die Induktionsspulen in eine erste Gruppe gruppiert sind, in der sich Stromwellenformen von Induktionsströmen, die in Induktionsspulen erzeugt werden, die in der ersten Gruppe in Reihe geschaltet sind, überlappen, in eine zweite Gruppe, in der Induktionsströme, die in Induktionsspulen erzeugt werden, die in der zweiten Gruppe in Reihe geschaltet sind, in umgekehrter Phasenlage zu den Induktionsströmen stehen, die an der ersten Gruppe der Induktionsspulen erzeugt werden, in eine dritte Gruppe, in der in Induktionsspulen erzeugte Induktionsströme, die in der dritten Gruppe in Reihe geschaltet sind, phasengleich mit den an der ersten Gruppe der Induktionsspulen erzeugten Induktionsströmen variieren, und in eine vierte Gruppe, in der in Induktionsspulen erzeugte Induktionsströme, die in der vierten Gruppe in Reihe geschaltet sind, phasenverkehrt mit den an der dritten Gruppe der Induktionsspulen erzeugten Induktionsströmen sind.
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[Vorteilhafte Wirkung der Erfindung]
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Somit wird eine elektrische Maschine mit Doppelwelle und Magnetmodulation vorgesehen, die den ersten Rotor und zweiten Rotor umfasst, und ohne den Einsatz von Permanentmagneten, ein Magnetdrehmoment wirksam ausnützen kann.
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Figurenliste
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- 1 ist ein Querschnitt senkrecht zu einer Rotationsachse einer Hälfte (1/2) einer elektrischen Maschine nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 2 ist ein Querschnitt durch die Rotationsachse, der die Gesamtkonfiguration der elektrischen Maschine schematisch darstellt.
- 3 ist ein Schaltbild eines in einem inneren Rotor angeordneten und Dioden umfassenden geschlossenen Kreises.
- 4 ist ein Diagramm, welches das Drehgeschwindigkeitsverhältnis zwischen einem Stator (Drehfeld), einem äußeren Rotor und einem inneren Rotor darstellt.
- 5 ist ein Diagramm, welches das Drehgeschwindigkeitsverhältnis zwischen einem Stator (Drehfeld), einem äußeren Rotor und einem inneren Rotor bei gleicher Drehzahl darstellt.
- 6 ist eine Graphik, die eine Drehmomentkennlinie bei einer verteilten Wicklung einer Ankerwicklung darstellt.
- 7 ist eine Graphik, welche eine induzierte Spannung darstellt, die in Abhängigkeit des mit den induzierten Spulen verketteten Magnetflusses erzeugt wird.
- 8 ist eine Graphik, die eine Drehmomentkennlinie bei einer konzentrierten Wicklung einer Ankerwicklung gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt.
- 9 ist ein Querschnitt senkrecht zu einer Rotationsachse einer elektrischen Doppelwellenmaschine, die sich von der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet.
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[Beschreibung von Ausführungsformen]
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In der Folge werden bezugnehmend auf die beigefügten Zeichnungen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung genauer beschrieben. Die 1 bis 9 zeigen eine elektrische Maschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In den 1 und 2 umfasst eine elektrische Maschine (oder ein Doppelläufermotor) 100 einen ungefähr zylindrischen Stator 10, einen äußeren Rotor (oder zweiten Rotor) 20, der in einem Stator 10 drehbar aufgenommen und durch diesen umschlossen ist und an einer äußeren, mit der Rotationsachse des äußeren Rotors koaxialen rotierenden Welle 101 (in der Folge auch einfach „rotierende Welle“ genannt) befestigt ist, und einen inneren Rotor (oder ersten Rotor) 30, der an einer inneren, mit der Rotationsachse des inneren Rotors koaxialen rotierenden Welle 102 (in der Folge auch einfach „rotierende Welle“ genannt) befestigt ist. Die 1 zeigt einen radialen Querschnitt einer Hälfte der elektrischen Maschine, d.h. eine radiale Verschiebung um 180 mechanische Grad oder 360 mechanische Grad.
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Der Stator 10 ist mit einer Mehrzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Statorzähnen 12 ausgebildet, die sich radial in Richtung der Rotationsachse des Stators erstrecken. Die Statorzähne 12 sind derart ausgebildet, dass deren innere Umfangsflächen 12a über einen Spalt G1 den äußeren Umfangsflächen 21a von Magnetpfad-bildenden Elementen 21 eines in der Folge beschriebenen äußeren Rotors 20 gegenüberliegen.
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Der Stator 10 ist mit Schlitzen 13 gebildet, die jeweils durch gegenüberliegende Seiten 12b von zwei benachbarten Statorzähnen 12 begrenzt sind, und durch eine verteilte Wicklung von Spulen in den Schlitzen 13 ist eine Ankerwicklung 14 vorgesehen. Drehmomente zum Antrieb eines äußeren Rotors 20 und eines inneren Rotors 30 werden aufgrund der Verkettung von durch die Versorgung der Ankerwicklung 14 mit Strom gebildeten Statormagnetflüssen mit dem äußeren Rotor 20 und dem inneren Rotor 30 erzeugt.
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Der äußere Rotor 20 umfasst eine Mehrzahl von prismatischen Stäben bzw. Stangen oder Magnetpfad-bildenden Elementen 21, die aus einem weichmagnetischen Material bestehen, wie zum Beispiel ein Stahl mit hoher magnetischer Permeabilität, und die in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sind. Beide Endabschnitte jedes Magnetpfad-bildenden Elements 21 in Umfangsrichtung erstrecken sich in der axialen Richtung des inneren Rotors 20. Die Magnetpfad-bildenden Elemente 21 sind an beiden Enden durch eine erste scheibenförmige Endplatte 25 und eine zweite ringförmige Endplatte 26 verbunden, so dass sie die käfigartige Gestalt eines Käfigläufers annehmen.
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Der innere Rotor 20 weist Magnetpfad-bildende Elemente 21 als Abschnitte auf, die Magnetflüsse durchlassen, sowie Räume 22 als Abschnitte, die Magnetflüsse nicht durchlassen. Die Magnetpfad-bildenden Elemente 21 und die Räume 22 sind derart in Umfangsrichtung abwechselnd und durchgehend angeordnet, dass eine radial äußere Umfangsfläche 21a und eine radial innere Umfangsfläche 21b jedes Magnetpfad-bildenden Elements 21 der jeweils angrenzenden inneren Umfangsfläche 21a der Statorzähne 12 des Stators 10 und der jeweils angrenzenden äußeren Umfangsfläche 32a der Rotorzähne 32 eines in der Folge beschriebenen inneren Rotors 30 jeweils gegenüberliegen.
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Der äußere Rotor 20 erlaubt einerseits ein effektives Durchqueren der durch die Ankerwicklung 14 des Stators 10 gebildeten Statormagnetflüsse durch die Magnetpfad-bildenden Elemente 21 und verhindert andererseits ein Durchdringen der Statormagnetflüsse durch die Räume 22. Jeder der Statormagnetflüsse läuft durch eines der Magnetpfad-bildenden Elemente 21 hindurch, bevor er in den jeweils angrenzenden Rotorzahn 32 des inneren Rotors 30 durch dessen äußere Umfangsfläche 32a eintritt und läuft anschließend durch das angrenzende Magnetpfad-bildende Element 21 in Richtung des Stators 10, so dass ein zum Stator 10 zurückführender Magnetpfad gebildet wird.
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Während der Rotation des äußeren Rotors 20 gegenüber dem Stator 10 werden Magnetpfade gebildet, welche durch die wiederholte Schaltung zwischen einem der Magnetpfad-bildenden Elemente 21, d.h. den Abschnitten, die Magnetflüsse durchlassen, und einem der Räume 22, d.h. den Abschnitten, die Magnetflüsse nicht durchlassen, jeweils geöffnet oder geschlossen werden.
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Der äußere Rotor 20 veranlasst Variationen der Flussdichte des durch die Ankerwicklung 14 gebildeten und mit dem äußeren Rotor 20 verketteten Statormagnetflusses. Diese Variation der Flussdichte veranlasst eine Rotation des äußeren Rotors 20 relativ zum Stator 10, weil ein Reluktanzmoment erzeugt wird, das den Weg der geringsten magnetischen Reluktanz sucht, dem der Statormagnetfluss zwischen dem Stator 10 und dem inneren Rotor 30 über einen Luftspalt G1 und einem in der Folge beschriebenen Luftspalt G2 folgt.
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Der innere Rotor 30 umfasst eine Mehrzahl von Rotorzähnen oder Schenkelpolen 32, die sich radial von der Rotationsachse hinweg erstrecken und in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sind. Die äußere Umfangsfläche 32a jedes der Rotorzähne 32 kann, über einen Luftspalt G2, einer der inneren Umfangsflächen 21b der Magnetpfad-bildenden Elemente 21 des äußeren Rotors 20 gegenüberliegen.
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In den Schlitzen 33, welche jeweils durch gegenüberliegende Seiten 32b von zwei angrenzenden Rotorzähnen 32 begrenzt sind, werden eine Induktionsspule 34 und eine Feldspule 35 um jeden der Rotorzähne 32 gewickelt. Die Induktionsspule 34 befindet sich auf der Seite des äußeren Rotors 20 und die Feldspule 35 befindet sich auf der Seite der Rotationsachse, so dass die Induktionsspule 34 weniger vom Stator 10 entfernt ist, als die Feldspule 35.
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Die Induktionsspulen 34, die wie in der Folge beschrieben gruppiert sind, sind durch konzentrierte Wicklung von identischen Leitungen um Rotorzähne 32 in dieselbe Wicklungsrichtung um radiale Richtungen des inneren Rotors 30 herum in Richtung der Rotationsachse gebildet und in Umfangsrichtung des inneren Rotors 30 nebeneinander angeordnet und zur Bildung einer Reihenschaltung in Reihe geschaltet. An beiden Enden sind die Reihenschaltungen von Induktionsspulen 34 parallel geschaltet. Bei Änderung der Flussdichte des mit ihr verketteten Magnetflusses, erzeugt (oder induziert) jede der Induktionsspulen 34 einen Induktionsstrom.
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Die Feldspulen 35 sind durch konzentrierte Wicklung in wechselweise umgekehrten Wicklungsrichtungen um die zwei angrenzenden Rotorzähne 32 gewickelt. Die Feldspulen 35 sind in Umfangsrichtung des inneren Rotors 30 nebeneinander angeordnet und als Ganzes nacheinander in Reihe geschaltet. Bei Versorgung mit Feldstrom arbeitet jede der Feldspulen 35 wie ein Elektromagnet.
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Wie in 3 gezeigt, bilden die Induktionsspulen 34 und die Feldspulen 35 zusammen mit der Gleichrichterschaltung 36 einen geschlossenen Kreis 39. Der geschlossene Kreis 39 weist eine derartige Schaltungsanordnung auf, das die Dioden (Gleichrichterelemente) 37A, 37B, 37C und 37D, welche die Gleichrichterschaltung 36 bilden, induzierte Wechselströme, die durch die jeweilige Gruppe von Induktionsspulen 34 gebildet werden, in eine Richtung gleichrichtet, um den gleichgerichteten Strom den Feldspulen 35 als DC-Feldstrom zuzuführen.
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Mit dieser Schaltungsanordnung arbeiten die Rotorzähne 32 als Elektromagnete, indem die Feldspulen 35 mit einem Feldstrom erregt werden, der durch Gleichrichtung des in den Induktionsspulen 34 gebildeten induzierten Stroms bereitgestellt wird. Die durch solche Feldspulen 35 gebildeten Elektromagnete können eine Abweichung der Flussdichte des Magnetflusses, der durch die Ankerwicklungen 14 gebildet wird und durch die Magnetpfad-bildenden Elemente 21 des äußeren Rotors 20 strömt, innerhalb des Magnetpfads veranlassen. Außerdem veranlassen die durch diese Feldspulen 35 gebildeten Elektromagnete eine Erhöhung des Magnetflusses, der vom inneren Rotor 30 ausgehend mit dem äußeren Rotor 20 verkettet ist, wodurch das am äußeren Rotor 20 aufgebrachte Drehmoment unterstützt wird.
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Selbst wenn eine Erhöhung der Anzahl von Polen durch Erhöhung der Anzahl von Induktionsspulen 34 und von Feldspulen 35 erforderlich ist, wird außerdem die zu verwendende Anzahl von Dioden in der Gleichrichterschaltung 36 eingeschränkt, indem die Feldspulen 34 für die Dioden 37A, 37B, 37C, 37D jeweils gruppiert werden und die gruppierten Feldspulen 34 in Reihe geschaltet werden.
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Nachdem die Induktionsspulen 34 derart gruppiert worden sind, dass jede der Induktionsspulen 34 derselben Gruppe einen induzierten Wechselstrom erzeugen kann, deren Wellenformen einander so weit wie möglich überlappen, können die Induktionsspulen 34 mit einer stromaufwärtigen Seite jeder Diode 37A, 37B, 37C und 37D der Gleichrichterschaltung 36 verbunden werden. Diese Induktionsspulen 34 sind so miteinander verbunden, dass sie eine Phasenverschiebung von 180 Grad zwischen der Wechselstromwellenform eines in die Dioden 37A und 37B eingespeisten Induktionsstroms und der Wechselstromwellenform des anderen in die Dioden 37C und 37D eingespeisten Induktionsstroms bereitstellen, so dass ein an den Sternpunkt geklemmter Halbwellengleichrichter gebildet wird, der durch Halbwellengleichrichtung nach Wechselrichtung eines eingespeisten Induktionsstroms einen Ausgangstrom ausgibt.
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Dies erlaubt die Gleichrichtung und Glättung des durch die Induktionsspulen 34 erzeugten induzierten Wechselstroms, indem jede der Induktionsspulen 34 mit einer beliebigen Diode 37A, 37B, 37C und 37D verbunden wird, um den Gleichstrom als Feldstrom den in Reihe geschalteten Feldspulen 35 zuzuführen.
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Die Feldspulen 35 des geschlossenen Kreises 39 sind in wechselweise umgekehrten Wicklungsrichtungen um die zwei angrenzenden Rotorzähne 32 gewickelt. Einer der zwei angrenzenden Rotorzähne 32 wird magnetisiert, um als Elektromagnet zu dienen, dessen S-Pol dem äußeren Rotor 20 gegenüberliegt, um einen verkettenden Magnetfluss vom angrenzenden Magnetpfad-bildenden Element 21 des äußeren Rotors 20 aus zu induzieren. Außerdem wird der andere der zwei angrenzenden Rotorzähne 32 magnetisiert, um als Elektromagnet zu dienen, dessen N-Pol dem äußeren Rotor 20 gegenüberliegt, um einen Magnetfluss in Richtung des äußeren Rotors 20 zu induzieren.
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Wie zuvor beschrieben sind die asynchronen Magnetflüsse vom Stator 10, welche jeweils mindestens eine durch die Rotation des äußeren Rotors 20 nicht modulierte Komponente beinhalten, mit den Rotorzähnen 32 des inneren Rotors 30 von der äußeren Umfangsfläche 32a aus verkettet. Infolgedessen erzeugt jede der Induktionsspulen 34 in der elektrischen Maschine 100 Induktionsströme, weil der mit der Induktionsspule 34 verkettete Magnetfluss mindestens eine Komponente umfasst, die ohne durch den äußeren Rotor 20 moduliert zu werden (d.h. ohne Synchronisation mit der Rotation des inneren Rotors 30) schwankt. Der induzierte Strom wird durch die Dioden 37A, 37B, 37C und 37D gleichgerichtet, um einen als Gleichstrom vorliegenden Feldstrom zur Versorgung der zugeordneten Feldspule 35 bereitzustellen, so dass der zugeordnete Rotorzahn 32 als ein Elektromagnet zur Erzeugung eines Feldmagnetflusses arbeitet.
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Hinzu kommt, dass innerhalb des mit dem äußeren Rotor 20 verketteten Statormagnetflusses mindestens eine der Komponenten durch die Rotation des äußeren Rotors 20 moduliert wird, und sich der Magnetfluss der modulierten Komponente mit der Rotation des äußeren Rotors 30 synchronisiert. Dadurch wird in der elektrischen Maschine 100 ein Drehmoment erzeugt.
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So wird, ohne Permanentmagnete in der elektrischen Maschine 100 vorzusehen, ein Magnetmoment (eine Rotationskraft) erzeugt, um den inneren Rotor 30 relativ zum Stator 10 zu drehen. Dieser innere Rotor 30 kann einen Magnetfluss gleichmäßig an Überbrückungsschlitze 33 des äußeren Rotors 30 übertragen und von ihnen empfangen, weil Rotorzähne 32, die nebeneinander angeordnet sind, als Elektromagnete dienen, deren Magnetisierungsrichtung (N-Pol oder S-Pol) in Umfangsrichtung nacheinander abwechselnd umgekehrt werden.
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In der elektrischen Maschine 100 kann der äußere Rotor 20 mit niedrigen Drehzahlen und der innere Rotor 30 mit hohen Drehzahlen drehen, weil infolge eines Magnetmoments, das durch einen Magnetfluss erzeugt wird, der durch den rotierenden äußeren Rotor 20, d.h. durch die Magnetpfad-bildenden Elementen 21, hindurch läuft, und sich mit dem inneren Rotor 30 verkettet, der äußere Rotor 20 relativ zum Stator 10 und der innere Rotor 30 relativ zum äußeren Rotor 30 drehbar ist.
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Außerdem kann die elektrische Maschine
100 für die zuvor erwähnten Rotationsantriebe erforderliche Drehmomente in Abhängigkeit der Verhältnisse zwischen den Strukturen des Stators
10, des äußeren Rotors
20 und des inneren Rotors
30 erzeugen. Insbesondere, wenn „A“ die Anzahl von Polpaaren der Ankerwicklung
14 des Stators
10 ist, „H“ die Anzahl von Magnetpfad-bildenden Elementen
21 ist, die der Anzahl von Polen des äußeren Rotors
20 entspricht, und „P“ die Anzahl von Polpaaren der Rotorzähne (Elektromagnete)
32, d.h. die Anzahl von Polpaaren des inneren Rotor
30 ist, kann das oben erwähnte Verhältnis durch die folgende Formel (1) ausgedrückt werden.
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Wenn dieses Verhältnis erfüllt ist, werden Drehmomente erzeugt, die eine effiziente relative Rotation zwischen dem äußeren Rotor 20 und dem inneren Rotor 30 gegenüber dem Stator 10 erlauben. Zum Beispiel erfüllt die elektrische Maschine 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Formel (1), weil A (Anzahl von Polpaaren der Ankerwicklung 14 des Stators 10) = 6, H (Anzahl von Polpaaren der Magnetpfad-bildenden Elemente 21 des äußeren Rotors 20) = 16, und P (die Anzahl von Polpaaren der Rotorzähne 32 des inneren Rotors 30) = 10.
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Außerdem ist in der elektrischen Maschine 100 der äußere Rotor 20 vom Stator 10 umgeben; der innere Rotor 30 vom äußeren Rotor 20 umgeben; eine äußere rotierende Welle 101 zusammen mit dem äußeren Rotor 20 um die Rotationsachse drehbar; und eine innere rotierende Welle 102 zusammen mit dem inneren Rotor 30 um die Rotationsachse drehbar.
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Somit kann die elektrische Maschine 100 als ein Magnetmodulations-Doppelwellenmotor ausgebildet sein, der das Prinzip der Magnetmodulation zur Übertragung von Energie ausnützt und bei dem der Stator 10, der äußere Rotor 20 und der innere Rotor 30 als Elemente eines Planetengetriebes, d.h. als ein Sonnenrad, ein Träger und ein Hohlrad dienen. In der elektrischen Maschine 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform dient der mit Magnetpfad-bildenden Elementen 21 gebildete äußere Rotor 20 als Träger.
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Obwohl dies hier nicht dargestellt ist, kann mit diesem Aufbau, wenn die elektrische Maschine 100 als Antriebsquelle zusammen mit einem Motor, d.h. einem Verbrennungsmotor, in einem Hybridelektroauto montiert ist, die elektrische Maschine 100 nicht nur als Antriebsquelle sondern auch als Energieübertragungsmechanismus dienen, indem die äußere rotierende Welle 101 des äußeren Rotors 20 und die innere rotierende Welle 102 des inneren Rotors 30 jeweils unmittelbar mit Komponenten eines Kraftübertragungspfads des Fahrzeugs verkoppelt werden und eine Batterie des Fahrzeugs mit der Ankerwicklung 14 des Stators 10 über einen Wechselrichter verbunden wird.
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In diesem Beispiel ist die Ankerwicklung 14 des Stators 10 in dieser elektrischen Maschine 100 als konzentrierte Wicklung vorgesehen, kann aber auch als verteilte Wicklung vorgesehen sein. Im Falle einer konzentriert gewickelten Ankerwicklung 14, wird ein Magnetfluss mit weniger harmonischen Komponenten erzeugt und als Drehfeld verwendet, was das Auftreten eines Drehmoments zum Antrieb des äußeren Rotors 20 und des inneren Rotors 30 bewirkt.
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Da es sich bei dieser elektrischen Maschine 100 um einen Magnetmodulations-Doppelwellenmotor handelt, der wie zuvor beschrieben wie ein Planetengetriebe arbeitet, liegen eine Reihe von Drehfrequenzen des Stators 10 (des durch die Ankerwicklung 14 erzeugten rotierenden Magnetflusses), des äußeren Rotors 20 (der Magnetpfad-bildenden Elemente 21) und des inneren Rotors 30 (der Induktionsspulen 34) auf einer einzigen Geraden, d.h. sind kollinear, wie in 4 gezeigt, in der die senkrechten Achsen diese Drehfrequenzen darstellen. Zum Beispiel kann die Drehfrequenz des Drehfelds des Stators 10 bei gleichbleibender Drehgeschwindigkeit (oder Drehfrequenz) des inneren Rotors 30 von 300 Hz geändert werden. Infolgedessen erreicht die Drehfrequenz des Drehfelds des Stators 10, 500 Hz, was den äußeren Rotor 20 zum Halten bringt, was eine Rotation mit einer Frequenzdifferenz von 800 Hz zwischen dem Drehfeld des Stators 10 und der Drehgeschwindigkeit des inneren Rotors 30 bewirkt.
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In 4 entspricht ein Verhältnis zwischen einem Abstand zwischen den senkrechten Achsen, die die Drehfrequenzen des Stators 10 (Drehfeld) und des äußeren Rotors 20 darstellen, und einem Abstand zwischen den senkrechten Achsen, die die Drehfrequenzen des inneren Rotors und des äußeren Rotors darstellen, einem Verhältnis zwischen der Reziproken von A (= 6), d.h. der Anzahl von Polpaaren der Ankerwicklung 14 des Stators 10 und der Reziproken von P (= 10), d.h. der Anzahl von Polpaaren des inneren Rotors 30, wobei A und P den in der Formel (1) verwendeten Variablen entsprechen.
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Diese Struktur führt zu einem Zustand, in dem kein Unterschied zwischen dem Drehfeld des Stators 10 und der Drehgeschwindigkeit des inneren Rotors 30 und kein Unterschied zwischen dem Drehfeld des Stators 10 und der Drehgeschwindigkeit des äußeren Rotors 20 besteht, wenn das Drehfeld des Stators 10, des äußeren Rotors 20 und des inneren Rotors 30, wie in 5 gezeigt, mit 300 Hz in derselben Richtung drehen.
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Die Verwendung der oben erwähnten Struktur, die einen Stator 10 mit einer verteilt gewickelten Ankerwicklung 14 umfasst (d.h. eine Struktur in der die Induktionsspulen 34 in zwei Gruppen gruppiert sind und eine Gleichrichterschaltung 36 zwei Dioden verwendet, um die Feldspulen 35 mit einem gleichgerichteten Induktionsstrom zu versorgen) macht es im oben erwähnten Zustand unmöglich, ein Drehmoment zur individuellen Rotation eines äußeren Rotors 20 zu erzeugen, weil eine Frequenzdifferenz zwischen dem Drehfeld des Stators 10 und der Drehgeschwindigkeit eines inneren Rotors 30, wie in 6 gezeigt, gleich null ist. Da kein Unterschied zwischen dem rotierenden Fluss des Stators 10 und der Drehgeschwindigkeit des inneren Rotors 30 (Induktionsspulen 34) besteht, erfolgt keine Änderung des mit den Induktionsspulen 34 verketteten Magnetflusses, was es unmöglich macht, ein Magnetmoment zu verwenden, weil kein Feldstrom durch die Feldspulen 35 hindurchströmen kann.
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Andererseits verwendet die elektrische Maschine 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform einen Stator 10 mit einer konzentriert gewickelten Ankerwicklung 14. Da eine konzentriert gewickelte Ankerwicklung 14 verwendet wird, enthält der durch die Magnetpfad-bildenden Elemente 21 des äußeren Rotors 20 strömende und mit den Induktionsspulen 34 des inneren Rotors 30 verkettete Magnetfluss eine zweite Raumoberschwingungskomponente. Die zweite Raumoberschwingungskomponente ist im rotierenden Fluss enthalten, der durch die Einspeisung des eine Grundfrequenz und eine sinusförmige Wellenform aufweisenden Wechselstroms in die Ankerwicklung 14 erzeugt wird. Die zweite Raumoberschwingungskomponente kann in umgekehrter Richtung eines rotierenden Grund-Magnetflusses des Stators 10 mit einer Frequenz schwingen, die ein Zweifaches der Grundfrequenz ist.
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Dies bewirkt eine Verkettung des durch die Ankerwicklung 14 des Stators 10 erzeugten Drehfelds der Grundfrequenz und der zweiten Raumoberschwingungskomponente, welche das Drehfeld der Grundfrequenz überlagert, mit den Induktionsspulen 34, wodurch ein Magnetfluss, der sich in Abhängigkeit einer Drehgeschwindigkeits-Differenz zwischen der Frequenz des Drehfelds und der Drehfrequenz des inneren Rotors 30 ändert, und ein Magnetfluss, der sich in Abhängigkeit einer Drehgeschwindigkeits-Differenz zwischen der Frequenz der zweiten Raumharmonischen und der Drehfrequenz der Induktionsspulen 34 des inneren Rotors 30 ändert, einen Induktionsstrom erzeugen. In diesem Falle erzeugen die Induktionsspulen 34 einen Induktionsstrom in Abhängigkeit einer Frequenzdifferenz zwischen dem inneren Rotor 30 und dem mit dem inneren Rotor 30 verketteten Magnetfluss. Das heißt, dass die Induktionsspulen 34 einen Induktionsstrom in Abhängigkeit jeder Frequenzdifferenz erzeugen, weil sich die Drehfrequenz (Drehgeschwindigkeit) des Drehfelds der Grundfrequenz relativ zum inneren Rotor 30, welches durch die Ankerwicklung 14 des Stators 10 durch die Einspeisung von Wechselstrom erzeugt wird, von der Drehfrequenz der zweiten Raumoberschwingungskomponente unterscheidet, die das Drehfeld überlagert.
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Wie durch die Induktionskennlinie der in den Induktionsspulen 34 induzierten Spannung in 7 angegeben, unterscheidet sich das an der Ankerwicklung 14 des Stators 10 erzeugte Drehfeld der Grundfrequenz, mit Bezug auf die Änderungstendenz der Drehfrequenz (Drehgeschwindigkeit) relativ zum inneren Rotor 30, von der dem Drehfeld überlagerten zweiten Raumoberschwingungskomponente. Das an der Ankerwicklung 14 des Stators 10 erzeugte Drehfeld der Grundfrequenz und die dem Drehfeld überlagerte zweite Raumoberschwingungskomponente erreichen die gleiche Geschwindigkeit (Frequenz) wie der innere Rotor 30 zu verschiedenen Zeitpunkten, so dass die Induktionsspulen 34 zu entsprechenden Zeitpunkten keine Spannung erzeugen.
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Die Wellenform der induzierten Spannung kann in jeder der Induktionsspulen 34i1 bis 34i10 unterschiedlich sein, weil der Zeitpunkt, an dem die zweite Raumoberschwingungskomponente dem in der Ankerwicklung 14 des Stators 10 erzeugten Drehfeld der Grundfrequenz überlagert wird, in Umfangsrichtung unterschiedlich ist. Wenn die Gruppierung der Induktionsspulen 34 nur darauf basiert, ob die Wellenform des Induktionsstroms gleichphasig oder gegenphasig ist, kann dies dazu führen, dass bei Synthese ein Bereich, in dem ein gegenphasiger Strom auftritt, so breit ist, dass ein Verlust vorliegt. In 1 sind die Induktionsspulen 34i1 bis 34i10 entgegen dem Uhrzeigersinn hintereinander in gleicher Weise gleichmäßig angeordnet, wobei dort nur die Hälfte der elektrischen Maschine 100 dargestellt ist. Mit anderen Worten, sind die Induktionsspulen 34 in der Umfangsrichtung des inneren Rotors 30 nach einem identischen Sequenzmuster angeordnet (s. 3).
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Somit werden in der elektrischen Maschine 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform vier Dioden 37A bis 37D als Gleichrichterelemente der Gleichrichterschaltung 36 verwendet und mit Induktionsspulen 34i1 bis 34i10 verbunden, welche derart gruppiert sind, dass die Wechselstrom-Wellenformen der innerhalb jeder Gruppe von Induktionsspulen 34i1 bis 34i10 erzeugten Induktionsströme einander so viel wie möglich überlappen. Das heißt, dass die Induktionsspulen 34i1 bis 34i10 derart gruppiert sind, dass eine durch eine sogenannte Verschiebung während der Erzeugung verursachte Abnahme des Stromwerts des durch jede Induktionsspule erzeugten Induktionsstroms vor dessen Gleichrichtung so gering wie möglich bliebt. Mit anderen Worten sind die Induktionsspulen 34i1 bis 34i10 im geschlossenen Kreis 39 in vier Gruppen 34A, 34B, 34C und 34D gruppiert und in jeder Gruppe in Reihe geschaltet, so dass der Bereich, in dem die Wellenform des induzierten Stroms gegenphasig ist, in jeder Gruppe minimiert wird.
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Insbesondere sind der in der Gruppe 34A von Induktionsspulen 34i1, 34i3 und 34i4 erzeugte Induktionsstrom und der in der Gruppe 34C von Induktionsspulen 34i6, 34i8 und 34i9 erzeugte Induktionsstrom gegenphasig, und der in der Gruppe 34B von Induktionsspulen 34i7 und 34i10 erzeugte Induktionsstrom und der in der Gruppe 34D von Induktionsspulen 34i2, und 34i5 erzeugte Induktionsstrom gegenphasig.
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Darunter zeigen die Induktionsspulen der Gruppen 34A und 34B Stromwellenformen, die insgesamt gleichphasig variieren, wobei die Induktionsspulen 34 aber nach einer weiteren Differenzierung oder Gruppierung nach Größe des Bereichs, in dem die Wellenform gegenphasig ist, in jeder der Gruppen 34A und 34B kombiniert werden, um so weit wie möglich einen Abfall des Stromwerts des erzeugten Stroms zu verhindern, wenn die induzierten Ströme stromaufwärts jeder der Dioden 37 und 37D zusammengeführt werden. Nach einer ähnlichen weiteren Differenzierung, werden die Induktionsspulen der Gruppen 34C und 34D kombiniert, um so weit wie möglich einen Abfall des Stromwerts des erzeugten Stroms zu verhindern, wenn die induzierten Ströme stromaufwärts jeder der Dioden 37 und 37D zusammengeführt werden.
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Indem die Induktionsspulen 34 in vier Gruppen 34A, 34B, 34C und 34D gruppiert und jeweils mit Dioden 37A, 37B, 37C und 37D in Reihe geschaltet werden, um Ströme durch die Dioden zu führen, können induzierte Ströme ohne nennenswerte Verluste gleichgerichtet werden, um einen so weit wie möglich geglätteten Gleichstrom den in Reihe geschalteten Feldspulen 35 zuzuführen.
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Somit ist die Wellenform des induzierten Stroms, der durch den mit dem äußeren Rotor 20 verketteten Magnetfluss erzeugt wird, in Positionen in Umfangsrichtung unterschiedlich, weil die zweite Raumoberschwingungskomponente dem an der Ankerwicklung 14 des Stators 10 rotierenden Fluss der Grundfrequenz überlagert wird. Selbst zu einem Zeitpunkt, an dem, im Falle einer in 6 gezeigten verteilt gewickelten Ankerwicklung 14, ein am äußeren Rotor 20 anliegendes Drehmoment nicht erzeugt wird, können die Feldspulen 35 mit dem Feldstrom versorgt werden, der durch die Erzeugung eines Induktionsstroms an den Induktionsspulen 34 bereitgestellt wird, so dass das Magnetmoment als am äußeren Rotor 20 angelegtes Drehmoment dienen kann.
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Wie in
9 gezeigt, ist eine in der
JP 2013 -
188 065 A bekannte elektrische Maschine M als Magnetmodulations-Doppelwellenmotor ausgebildet, die in der Lage ist, das Prinzip der Magnetmodulation zur Energieübertragung auszunützen, und als Elemente eines Planetengetriebes arbeitet, d.h. ein Sonnenrad, ein Träger und ein Hohlrad, wobei A (die Anzahl von Polpaaren einer Ankerwicklung C eines Stators S) = 6, P (Anzahl von Polpaaren der Permanentmagneten PM eines äußeren Rotors R1) = 10, und H (die Anzahl von Polpaaren von Modulationselementen MP, d.h. Magnetpfad-bildenden Elementen, des inneren Rotors
20) = A+P = 16.
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Im Vergleich zur bekannten elektrischen Maschine M, weist die elektrische Maschine 100, die derart ausgebildet, dass sie die Formel (1) erfüllt, weil sie eine Struktur aufweist, in der A (Anzahl von Polpaaren der Ankerwicklung 14 des Stators 10) = 6, P (Anzahl von Polpaaren der Rotorzähne 32 des inneren Rotors 30) und H (Anzahl von Polpaaren der Magnetpfad-bildenden Elemente 21, d.h. Modulationselemente, des äußeren Rotors 20) = A + P = 16, Modulationselemente (Magnetpfad-bildende Elemente) 21 am äußeren Rotor 20 und Elektromagnete (Rotorzähne 32) am inneren Rotor 30 auf. Wie das Diagramm der 8 zeigt, weisen die elektrische Maschine 100 und die bekannte elektrische Maschine M im Wesentlichen die gleichen Drehmomentkennlinien auf, wobei mit der verteilt gewickelten Ankerwicklung 14 ohne eine solche Drehbedingung dieses Drehmoment nicht erhalten werden könnte. Somit kann die elektrische Maschine 100 ein ausreichendes Drehmoment zur Verfügung stellen, indem ein optimaler Induktionsstrom und Feldstrom gebildet werden, da die Anzahl von Windungen der Induktionsspule 34 und der Feldspulen 35 um jeden der Magnetpolkerne 32 sowie deren Verhältnisse einstellbar sind.
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Außerdem sind die Induktionsspulen 34 und die Feldspulen 35 in der elektrischen Maschine 100 um die Rotorzähne 32 des inneren Rotors 30 gewickelt, was eine Erhöhung der Pulsation des Magnetwiderstands bei Gewährleistung der geeigneten Länge jeder der Spulen in axialer Richtung erlaubt. Indem die Erzeugung einer großen Menge von Induktionsstrom in den Induktionsspulen 34 erlaubt wird, bewirkt dies eine Versorgung der Feldspulen 35 mit einer großen Menge an Feldstrom, so dass eine ausreichende elektromagnetische Kraft erzeugt wird, die als Magnetmoment zum Antrieb der Rotation beiträgt.
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Zwar könnte man eine ausreichende Anzahl von Schenkelpolen am äußeren Rotor 20 anordnen, um wie in der elektrischen Maschine M um die Schenkelpole gewickelte Induktionsspulen und Feldspulen bereitzustellen. In diesem Falle wäre jedoch der Durchmesser des inneren Rotors zu kurz, um ausreichend lange Pulsationen des magnetischen Widerstands zu gewährleisten, so dass eine unzureichend starke elektromagnetische Kraft (oder Magnetmoment) erzeugt würde. Das heißt, dass die Struktur der elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Ausführungsform vorzuziehen ist.
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In der elektrischen Maschine 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist der äußere Rotor 20 eine Mehrzahl von Magnetpfad-bildenden Elementen 21 und der innere Rotor 30 Induktionsspulen 34 und Feldspulen 35 auf jedem der Rotorzähne 32 des inneren Rotors 30 auf. Statormagnetflüsse, die nach Versorgung der Ankerwicklung 14b des Stators 10 mit einem als Wechselstrom vorliegenden Antriebsstrom erzeugt werden, laufen durch die Magnetpfad-bildenden Elemente 21 des äußeren Rotors 20 zur Verkettung mit den Rotorzähnen 32 des inneren Rotors 30. Infolgedessen produziert jede der Induktionsspulen 34 in der elektrischen Maschine 100 einen Induktionsstrom. Der Induktionsstrom wird durch die Diode 37A oder 37B zur Bereitstellung eines als Gleichstrom vorliegenden Feldstroms zur Versorgung der zugeordneten Feldspule 35 gleichgerichtet, was dazu führt, dass der zugeordnete Magnetpolkern 32 als Elektromagnet zur Erzeugung eines Feldmagnetflusses dient.
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Dies erlaubt es der elektrischen Maschine 100, ohne auf Permanentmagnete angewiesen zu sein, geschlossene Magnetpfade zu bilden, um nicht nur den innerhalb des Stators 10 erzeugten Magnetfluss sondern auch den innerhalb des inneren Rotors 30 erzeugten Magnetfluss über den äußeren Rotor 20, d.h. über die Magnetpfad-bildenden Elemente 21, zum Stator 10 zurückzuführen.
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Somit wird in der elektrischen Maschine 100 ein Reluktanzmoment erzeugt, das den Weg der geringsten Reluktanz sucht. Außerdem wird ein Magnetmoment dadurch erzeugt, dass die Rotorzähne 32 des inneren Rotors 30 als Elektromagnete arbeiten.
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Infolgedessen ist eine elektrische Maschine 100 nach Art eines Magnetmodulations-Doppelwellenmotors 100 mit einem inneren Rotor 30 und einem äußeren Rotor 20, der ohne den Einsatz von Permanentmagneten, ein Magnetdrehmoment wirksam ausnützt, bereitgestellt.
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Die Induktionsspulen 34 sind durch konzentrierte Wicklung um die äußeren Umfangsseiten der Rotorzähne 32 des inneren Rotors 30 in derselben Wicklungsrichtung gewickelt, und die Feldspulen 35 sind durch konzentrierte Wicklung in wechselweise umgekehrten Wicklungsrichtungen um die inneren Umfangsseiten der zwei angrenzenden Rotorzähne 32 gewickelt. Dadurch können die Induktionsspulen 34 in der elektrischen Maschine 100 einen Induktionsstrom effizient erzeugen, indem der durch die Ankerwicklung des Stators 10 erzeugte Statormagnetfluss, über den äußeren Rotor 20, d.h. über Magnetpfad-bildende Elemente 21 mit den Induktionsspulen 34 wirksam verkettet wird, wodurch die Feldspulen 35 in Abhängigkeit ihrer Wicklungsrichtung magnetisiert werden, so dass der N-Pol eines Elektromagneten und der S-Pol des angrenzenden Elektromagneten dem angrenzenden Magnetpfad-bildenden Element 21 des äußeren Rotors 20 gegenüber gebracht wird, um einen geeigneten Magnetkreis zu bilden.
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Da außerdem die Ankerwicklung 14 des Stators 10 durch konzentrierte Wicklung gewickelt ist, wird ein Induktionsstrom erzeugt, weil sich die Raumoberschwingungskomponente, die im mit dem inneren Rotor 30 verketteten rotierenden Fluss enthalten ist, mit den Induktionsspulen 34 verkettet. Da die Induktionsströme, nachdem sie nach Wellenform der Induktionsströme gruppiert wurden, ohne nennenswerte Verluste durch die Dioden 37A bis 37D gleichgerichtet werden, kann durch Erzeugung eines großen Magnetmoments durch die Feldspulen 35 ein Drehmoment effektiv erreicht werden.
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In einem zweiten, nicht gezeigten, Aspekt der vorliegenden Ausführungsform können Permanentmagnete jeweils in die Rotorzähne 32 des inneren Rotors 30 eingebettet werden. Jeder der Permanentmagnete ist derart angeordnet, dass die Magnetisierungsrichtung der Magnetpole (N-Pol, S-Pol) in die gleiche Richtung wie die Magnetisierungsrichtung des angrenzenden Rotorzahns 32 zeigt, wenn dieser aufgrund der Gleichrichtung durch die Dioden 37A, 37B als Elektromagnet arbeitet. In diesem Fall wird ein Drehmoment, welches den inneren Rotor 30, d.h. die rotierende innere Welle 102, antreibt, erhöht, weil die Magnetkraft des Permanentmagneten der Magnetkraft des Elektromagneten jedes Rotorzahns 32 hinzugefügt wird. Da die Stärke einer Magnetkraft, die von einem Permanentmagneten erzeugt wird, ausreicht, um eine durch jede der Induktionsspulen 34 erzeugte elektromagnetische Kraft zu unterstützen, ist es nicht notwendig so seltene und teure Permanentmagnete wie ein Neodym-Magnet zu verwenden, und der Permanentmagnet kann unter kostengünstigen Permanentmagneten ausgewählt werden, deren stabiles Angebot gewährleistet ist. Wenn jedoch ein stabiles und großes Drehmoment erforderlich ist, können auch seltene und teure Neodym-Magnete verwendet werden.
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In einem dritten Aspekt der vorliegenden Ausführungsform, ist die vorliegende Ausführungsform nicht auf eine Struktur mit radialen, diametral beabstandeten Luftspalten G1, G2, wie in der elektrischen Maschine 100 eingeschränkt, sondern kann auch eine Struktur aufweisen, in der der/die Luftspalt(e) in einer Richtung entlang der Rotationsachse gebildet sind. In diesem Fall, sind auch die Ankerwicklung, die Magnetpfad-bildenden Elemente und die Induktionsspulen auf einem Stator und zwei Rotoren angeordnet, die in der Richtung entlang der Rotationsachse angeordnet sind.
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Während der oben beschriebene Stator 10, äußere Rotor 20 und innere Rotor 30 der elektrischen Maschine 100 mit radialen Spalten, aus laminierten Strukturen durch Laminieren von elektromagnetischen Stahlblechen hergestellt sind, können auch beispielsweise sogenannte weichmagnetische Verbundkerne (SMC Kerne) verwendet werden, die als Pulvermagnetkerne beschrieben werden können, die durch Formpressen von Eisenpulver und Wärmebehandlung von mit einem elektrisch isolierenden Film umgebenen weichmagnetischen Verbundwerkstoffen (SMCs) aus ferromagnetischen Pulverpartikeln, wie zum Beispiel Eisenpulver-Partikeln, hergestellt werden. Der SMC Kern ist für eine Struktur mit axialen Spalten geeignet, da dessen Formpressen einfach ist.
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Die Verwendung der elektrischen Maschine 100 ist nicht auf die Automobilindustrie beschränkt, sondern sie kann auch beispielsweise zur Windenergiegewinnung oder als Antriebskraft in Werkzeugmaschinen verwendet werden.
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Obwohl Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, ist jedoch für den Fachmann offensichtlich, dass Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Sämtliche solche Modifikationen und Äquivalente sind als von den folgenden Ansprüchen bedeckt zu betrachten.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Stator
- 12
- Statorzähne
- 14
- Ankerwicklung
- 20
- Äußerer Rotor (zweiter Rotor)
- 21
- Magnetpfad-bildende Elemente
- 22
- Raum
- 30
- Innerer Rotor (erster Rotor)
- 32
- Rotorzähne (Schenkelpole)
- 34
- Induktionsspule
- 35
- Feldspule
- 36
- Gleichrichterschaltung
- 37A, 37B, 37C, 37D
- Diode (Gleichrichterelement)
- 39
- Geschlossener Kreis
- 100
- Elektrische Maschine
- 101
- Äußere rotierende Welle
- 102
- Innere rotierende Welle
- G1, G2
- Luftspalt
