DE102016204118A1

DE102016204118A1 - Rotierende elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102016204118A1
Application number: DE102016204118.5A
Authority: DE
Inventors: Hiroaki Yanagisawa; Masahiro Aoyama
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2015-03-18
Filing date: 2016-03-14
Publication date: 2016-09-22
Also published as: CN105990929A; JP6613585B2; CN105990929B; JP2016174507A

Abstract

Eine elektrische Maschine (100) wird offenbart. Die elektrische Maschine (100) umfasst einen Stator (10), an dem Ankerspulen mit konzentrierter Wicklung installiert sind, um eine Einspeisung eines Dreiphasenwechselstroms zu ermöglichen, und zwar derart, dass eine Ankerspule (14) als ein Leiter in eine aus der Vielzahl der Statornuten (13) gelegt ist; und ein Rotor (20), an dem gewickelte Spulen (24) mit konzentrierter Wicklung derart installiert sind, dass eine gewickelte Spule (24) als ein Leiter in eine aus der Vielzahl der Rotornuten (23) eingelegt ist, wobei deren beide Enden verbunden sind, um einen Kurzschluss auszubilden. Ein Rotor/Stator-Nutverhältnis R/S, d. h. ein Verhältnis der Anzahl der Vielzahl der Rotornuten zu der Anzahl der Vielzahl der Statornuten ist nicht kleiner als zumindest 1,33.

Description

[Technisches Fachgebiet]
Die vorliegende Erfindung betrifft eine induktions-elektrische Maschine mit konzentrierter Wicklung, die eine Schlupffrequenz zwischen einem Rotor und einem Stator verwendet.
[Allgemeiner Stand der Technik]
Ein Beispiel einer rotierenden elektrischen Maschine ist eine Induktionsmaschine bzw. Asynchronmaschine, in der ein Käfigläuferrotor rotierbar in einem Stator aufgenommen ist, der von Ankerspulen mittels verteilter Wicklung umwickelt ist, eine sog. „Käfigläufer-Induktionsmaschine”. In einer solchen Induktionsmaschine induziert ein rotierender magnetischer Fluss, der von den Spulen erzeugt wird, wenn diese mit einem Dreiphasenwechselstrom erregt werden, einen Induktionsstrom in einem Leiter des Käfigläuferrotors in Reaktion auf eine Schlupffrequenz im Hinblick auf den rotierenden magnetischen Fluss, um ein Drehmoment zum Antrieb des Rotors bereitzustellen.
In solchen rotierenden elektrischen Maschinen des Induktionsmaschinentyps wurden verschiedene Maßnahmen ergriffen, um eine hohe Effizienz zu erreichen. Ein Beispiel solcher Maßnahmen ist die Reduktion des sekundären Kupferverlustes, der von den Oberschwingungen herrührt, indem eine Nut an dem Umfangsrand von jedem der Rotorzähne bereitgestellt ist, oder indem als der Rand von jedem der Rotorzähne ein Silber enthaltendes Kupfermaterial verwendet wird. Dieses Beispiel ist in einer Veröffentlichung beschrieben, die von M. Kondo, M. Miyabe, R. Ebizuka und K. Hanaoka geschrieben wurde, mit dem Titel „Design and Efficiency Evaluation of a High Efficiency Induction Motor for Railway Traction", IEEJ Technical Meeting, MD-13-26, RM-13-25 (2013), im Folgenden „Nichtpatentliteratur 1” genannt.
Eine von T. Iwasaki, M. Inamori und M. Morimoto geschriebene Veröffentlichchung mit dem Titel „Performance of Induction Motor Made of SMC Core", IEEJ Tras. I. A, Vol. 134, Nr. 9, Seiten 815–820 (2014), im Folgenden „Nichtpatentliteratur 2” genannt, präsentiert die Berücksichtigung des Strebens nach Reduktion der Eisenverluste während der Oberwellenerregung durch das Übernehmen der Verwendung sog. weichmagnetischer Kompositkerne (SMC), die aus geformtem SMC geschaffen sind, anstelle von elektromagnetischen Stahlplatten.
Jedoch ist es mit den in der Nichtpatentliteratur 1 und 2 offenbarten Techniken schwierig, die Kupferverluste zu reduzieren, die sich aus der Länge der Ankerwicklung um einen Stator ableiten, weil diese zur Wicklung der Ankerleitung eine verteilte Wicklung um den Stator zusammen mit einem Käfigläuferrotor annehmen.
Um die Kupferverluste zu reduzieren, wird eine Reduktion der Länge der Wicklungen in Betracht gezogen, wobei eine Ankerleitung um den Stator mittels konzentrierter Wicklung gewickelt wird. Beispielsweise beschreibt JP 2010-11674 A , im Folgenden „Patentliteratur 1” genannt, ein Design, das Oberschwingungen, die auf der magnetomotorischen Kraft des Stators überlagert sind, reduziert, indem eine Zufuhr von vielphasigem (mehr als dreiphasigem) Wechselstrom verwendet wird, um einen Betrieb mit reduziertem Verlust zu erreichen, indem ein Anstieg der Oberschwingungen, der aufgrund der konzentrierten Wicklung bewirkt wird, reduziert wird.
Dem in der oben genannten Patentliteratur 1 beschriebenen System haftet das Problem an, dass ein Anstieg der Größe und der Kosten unvermeidbar ist, weil ein Anstieg der Schaltelemente, wie beispielsweise ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) und ein Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) benötigt werden, um einen Wechselrichter zur Versorgung mit mehrphasigem Wechselstrom zu bilden, und weil ein Anstieg der Stromleitung benötigt wird.
Eine Induktionsmaschine, die einen Einphasenwechselstrom verwendet, ist bekannt. Diese Induktionsmaschine ermöglicht die Verwendung eines Käfigläuferrotors, in dem eine sog. Kurzschlusswicklung verwendet wird, um zwangsläufig die Phase der magnetischen Flussänderung genügend zu verzögern, um ein zweiphasiges rotierendes Magnetfeld bereitzustellen.
Jedoch ist diese Induktionsmaschine mit Kurzschlusswicklung, welche einen geringen Wirkungsgrad aufweist, nur mit Einphasenwechselstrom betreibbar und sie ist schwer mit Dreiphasenwechselstrom zu betreiben. Mit anderen Worten ist es schwierig, einen Stator zu installieren, der Ankerwicklungen umfasst, die mit Dreiphasenwicklungen umwickelt sind, zusammen mit einem Rotor mit Käfigläuferaufbau.
[Stand der Technik]
[Patentliteratur]

Patentliteratur 1: JP 2010-11674 A

[Nichtpatentliteratur]

Nichtpatentliteratur 1: eine Veröffentlichung, geschrieben von M. Kondo, M. Miyabe, R. Ebizuka und K. Hanaoka mit dem Titel „Design and Efficiency Evaluation of a High Efficiency Induction Motor for Railway Traction", IEEJ Technical Meeting, MD-13-26, RM-13-25 (2013)
Nichtpatentliteratur 2: eine Veröffentlichung, geschrieben von A T. Iwasaki, M. Inamori und M. Morimoto mit dem Titel „Performance of Induction Motor Made of SMC Core", IEEJ Tras. I. A, Vol. 134, Nr. 9, Seiten 815–820 (2014)

[Kurzdarstellung der Erfindung]
[Technische Problemstellung]
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kostengünstige elektrische Maschine mit konzentrierter Wicklung bereitzustellen, die effizient mit Dreiphasenwechselstrom betreibbar ist und eine Verkleinerung der Größe ermöglicht.
[Lösung des Problems]
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine elektrische Maschine mit einer Rotationsachse bereitgestellt, umfassend: einen Stator mit einer Vielzahl von Statornuten und zumindest einem Leiter, der in eine der Vielzahl der Statornuten gelegt bzw. eingesetzt ist und sich entlang der Rotationsachse erstreckt; und einen Rotor mit einer Vielzahl von Rotornuten und zumindest einem Leiter, der in einer der Vielzahl der Rotornuten gelegt ist und sich entlang der Rotationsachse erstreckt, wobei der Stator und der Rotor derart angeordnet sind, dass der Rotor rotierbar um die Rotationsachse ist und mit seinem äußeren Umfang einem inneren Umfang des Stators gegenüberliegt und dass ein Induktionsstrom, der reagierend auf eine Schlupffrequenz relativ zu dem rotierenden magnetischen Feld in dem Stator ist, in dem Leiter an dem Rotor induziert wird; wobei Ankerspulen an dem Stator mit konzentrierter Wicklung derart installiert sind, dass eine Ankerspule als der Leiter in die Statornut gelegt ist, um eine Einspeisung von Dreiphasenwechselstrom zu ermöglichen; wobei gewickelte Spulen an dem Rotor mit konzentrierter Wicklung derart installiert sind, dass eine gewickelte Spule als der Leiter in die Rotornut eingelegt ist, wobei deren beide Enden verbunden sind, um einen Kurzschluss auszubilden; und wobei die Vielzahl der Rotornuten eine größere Anzahl aufweist als die Vielzahl der Statornuten.
[Vorteilhafte Effekte der Erfindung]
Die vorliegende Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung stellt eine kostengünstige elektrische Maschine mit konzentrierter Wicklung bereit, die effizient mit Dreiphasenwechselstrom betreibbar ist und eine Verkleinerung der Größe ermöglicht.
[Kurze Beschreibung der Zeichnungen]
1 zeigt eine Querschnittsansicht einer elektrischen Maschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Abbildung, die magnetische Flusslinien eines Magnetfelds veranschaulicht, die während der Erregung mit Wechselstrom erzeugt werden.
3 ist eine Abbildung, die magnetische Flusslinien eines Magnetfelds veranschaulicht, die durch einen Stator und einen massiven Rotor innerhalb des Stators während der Erregung mit Wechselstrom erzeugt werden.
4 ist ein Graph der Dichte des magnetischen Flusses der Oberschwingung von jeder Ordnung, der einen kalibrierten Luftspalt zwischen dem Stator und dem massiven Rotor, die in 3 gezeigt sind, während der Erregung mit Wechselstrom überbrückt.
5 veranschaulicht Drehmomentkennlinien für wenig bevorzugte Nutkombinationen, d. h. ein Rotor/Stator-Nutverhältnis R/S zwischen der Anzahl der Rotornuten und der Anzahl der Statornuten, wenn ein Schlupf „s” 0,2 ist, d. h. s = 0,2.
6 veranschaulicht Drehmomentkennlinien für bevorzugte Nutkombinationen.
7 veranschaulicht eine Drehmomentkurve, die erhalten wird, wenn ein Käfigläuferrotor verwendet wird, im Vergleich zu einer Drehmomentkurve, die erhalten wird, wenn ein Rotor mit konzentrierter Wicklung verwendet wird.
8 ist ein Graph, der ähnlich zu 4 ist und der die Verteilung der Flussdichte der Oberschwingungen veranschaulicht, die erhalten wird, wenn ein Rotor mit konzentrierter Wicklung, die eine Windung (1 Windung) aufweist, verwendet wird, zusammen mit einer Verteilung, die erhalten wird, wenn ein Rotor mit konzentrierter Wicklung, die siebzehn Windungen (17 Windungen) aufweist, verwendet wird.
9 ist ein Graph, der eine Kennlinie eines Drehmomentschlupfes zeigt, wenn eine Schlupfsteuerung durchgeführt wird, während der Erregung mit Wechselstrom.
10 ist ein Graph, der eine Drehmoment versus Stromphasenkennlinie zeigt, wenn ein Schlupf „s” 0,6 beträgt, d. h. s = 0,6.
[Beschreibung der Ausführungsformen]
Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen werden im Folgenden detailliert Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die 1 bis 10 zeigen eine elektrische Maschine gemäß einer Ausführungsform.
Bezug nehmend auf 1 umfasst eine rotierende elektrische Maschine 100 zur Verwendung in einer Antriebsquelle eines Hybridelektrofahrzeugs oder Elektrofahrzeugs einen im Wesentlichen zylindrischen Stator 10, der eine longitudinale Achse aufweist, und einen Rotor 20, der drehbar in dem Stator 10 aufgenommen und an eine Welle (rotierende Welle) 101 angebracht ist, deren Achse mit der longitudinalen Achse des Stators 10 ausgerichtet ist. Die elektrische Maschine 100 soll eine reduzierte Größe haben, jedoch eine hohe Leistung erzeugen.
Der Stator 10 weist einen inneren Umfang 12a auf und ist mit achtzehn (18) Statorzähnen 12 ausgebildet, die sich jeweils radial zu der Welle 101 erstrecken und entlang der longitudinalen Achse laufen. Die Statorzähne 12 sind um den inneren Umfang 12a gleich verteilt. Die Statorzähne 12 weisen innere Enden auf, die in einem inneren Umfang 12a liegen, die in der Umgebung und über einen kalibrierten Luftspalt G gegenüber eines äußeren Umfangs 22a des Rotors 20 liegen, der mit Rotorzähnen 22 ausgebildet ist. Die benachbarten zwei der Statorzähne 12 definieren zwischen ihren Seiten 12b eine Statornut 13, die entlang der longitudinalen Achse oder Welle 101 läuft. Ankerspulen 14, d. h. ein Leiter, sind mit konzentrierter Wicklung durch das Wickeln eines Drahts um den Stator 10 in derselben Richtung je Phase installiert, indem einige der Statornuten 13 verwendet werden.
Die Anzahl der Rotorzähne 22, d. h. der Schenkelpole, des Rotors 20 ist dreißig (30). Die Rotorzähne 22, von denen sich jeder von der Welle 101 radial weg erstreckt, sind entlang des äußeren Umfangs 22a gleich verteilt. Die Rotorzähne 22 weisen äußere Enden auf, die in dem äußeren Umfang 22a liegen, und die in der Umgebung und über einen kalibrierten Luftspalt G gegenüber eines inneren Umfangs 12a des Stators 10, der mit Statorzähnen 12 ausgebildet ist, liegen. Benachbarte zwei der Rotorzähne 22 definieren zwischen ihren Seiten 22b eine Rotornut 23, die longitudinal entlang der longitudinalen Achse oder der Welle 101 läuft. Verdrahtete Spulen 24, d. h. Leiter, sind mit konzentrierter Wicklung installiert, indem eine Vielzahl von Drähten um den Rotor 20 unter Verwendung der Rotornuten 23, die an dreißig (30) Stellen gleichverteilt entlang des äußeren Umfangs 22a definiert sind, gewickelt werden, wobei jede aus der Vielzahl der Drähte in dieselbe Richtung gewickelt wird und beide Enden des Drahts werden derart verbunden, dass sie einen Kurzschluss ausbilden.
Des Weiteren gelten in der elektrischen Maschine 100 die folgenden Beziehungen:
S = 18 = Anzahl der Statornuten 13;
R = 30 = Anzahl der Rotornuten 23; und
R/S = 30/18 = 5/3 = Rotor/Stator-Nutverhältnis der Nutenkombination.
Das Verhältnis der Nutenkombination R/S = 5/3 erfüllt die später beschriebenen Erfordernisse, dass Nutenverhältnisse R/S gleich oder größer einem vorgegebenen Nutenverhältnis R/S = 1,33 = 4/3 als bevorzugte Verhältnisse auszuwählen sind.
Wirbelströme können auftreten, falls ein Leiter mit einer weiten Querschnittsfläche verwendet wird. Um das Auftreten von Wirbelströmen zu beschränken, sind Leiter, d. h. Verdrahtungen, in der elektrischen Maschine 100 mit konzentrierter Wicklung durch das Wickeln von Kupferdrähten um die Rotorzähne 22 installiert, von denen jeder ein kreisförmiges Querschnittsprofil und einen kleinen Durchmesser aufweist, d. h. ein Dünndraht. In der Beschreibung der vorliegenden Ausführungsform ist der Fall, in dem jede gewickelte Spule durch das Wickeln eines dünnen elektrischen Drahts, d. h. eines Kupferdrahts, der ein kreisförmiges Querschnittsprofil aufweist, nur als ein Beispiel beschrieben. Dies ist nur ein Beispiel und ist für die vorliegende Ausführungsform nicht beschränkend. Zum Beispiel kann anstatt eines dünnen Kupferdrahts mit kreisförmigem Querschnittsprofil ein Aluminiumleiter verwendet werden, und ein Flachdraht oder ein Litzendraht können verwendet werden.
Dies ermöglicht es der elektrischen Maschine 100, ein Drehmoment zu erzeugen, das auf den Rotor 20 angewendet wird, indem ein Wechselstrom, d. h. ein Dreiphasenwechselstrom, der durch die Umwandlung eines Gleichstroms aus einer nicht dargestellten Onboard-Batterie durch einen Wechselrichter gegeben ist, den Ankerspulen 14 an dem Stator 10 zugeführt wird. Wenn ein rotierendes magnetisches Feld, das durch die Ankerspulen 14 an dem Stator 10 erzeugt wird, in die Rotorzähne 22 des Rotors 20 eintritt, wird Induktionsstrom erzeugt (oder induziert) in Reaktion auf eine Schlupffrequenz bei der Kopplung des rotierenden magnetischen Felds mit den gewickelten Spulen 24 an jedem der Rotorzähne 22, wodurch ein Drehmoment erzeugt wird, das auf den Rotor 20 angewandt wird, aufgrund des Stromflusses durch die gewickelten Spulen 24, der durch die Interaktion mit dem rotierenden magnetischen Feld induziert wird.
Wenn beispielsweise eine elektrische Maschine 100 bei einem Schlupf = s = 0,2 betrieben wird, konzentrieren sich die magnetischen Flusslinien F bei solchen Statorzähnen 12 des Stators 10, die an zwölf (12) winklig beabstandeten Orten angeordnet sind, von denen jeder durch ein Symbol CA bezeichnet ist, wie in 2 gezeigt, wobei die Dichte der magnetischen Flusslinien, die mit den zugeordneten Rotorzähnen 22 des Rotors 20 über den kalibrierten Luftspalt G koppeln, ansteigt, wodurch bewirkt wird, dass ein magnetisches Drehmoment, d. h. eine elektromagnetische Kraft, auf den Rotor 20 in einer Rotationsrichtung wirkt.
Bezug nehmend auf 3 zeigt die Analyse der Oberschwingungen der magnetischen Flussverteilung, d. h. der magnetischen Flussdichte, die auftritt, wenn Ankerspulen 14 erregt werden, nachdem ein massiver Rotor 30, der aus einem Eisenblock geschaffen ist, anstelle des Rotors 20 in den Stator 10 gelagert ist, dass die magnetischen Flusslinien FL, die sich an solchen Statorzähnen 12 konzentrieren, die an zwölf (12) winklig verteilten Orten angeordnet sind, von denen jeder durch ein Symbol CA bezeichnet ist, in den massiven Rotor 30 eintreten und zu den zugeordneten benachbarten Statorzähnen 12 zurückkehren, wodurch ein Magnetkreis ausgebildet wird. Die Ankerspulen 14, die um den Stator 10 mit konzentrierter Wicklung gewickelt sind, erzeugen einen magnetischen Fluss, der mehr raumharmonische Oberschwingungen enthält. Daher ist es verständlich, dass der magnetische Fluss, der in den massiven Rotor 30 eindringt, im ruhenden Bezugssystem zweite raumharmonische Oberschwingungen enthält, und zwar mehr als 50% der Grundschwingung, wie in 4 gezeigt.
Wenn in dem Fall eines Käfigläuferrotors einer Induktionsmaschine der magnetische Fluss, der solche raumharmonischen Oberschwingungen niedriger Ordnung enthält, in den Rotor eintritt, so tritt ein Ausgleichsstrom bzw. Kreisstrom auf, der durch die Leiter fließt, die sich entlang der Rotationsachse longitudinal erstrecken, und bewirkt einen großen Energieverlust, weil beide Enden der Leiter durch Endringe kurzgeschlossen sind.
Weil ein magnetischer Pfad zwischen den zugeordneten Statorzähnen 12 ausgebildet ist, um diese kurzuschließen, wie in 3 gezeigt, und weil dieser eine Erzeugung einer Offset-Induktionsspannung an den Leitern des Rotors, die durch Endringe miteinander verbunden sind, bewirkt, gibt es in dem Fall des Stators 10, um den Ankerspulen 14 mit konzentrierter Wicklung gewickelt sind, keine elektromotorische Kraft, die aufgrund der Variation des magnetischen Flusses, die von der Schlupffrequenz herrührt, erzeugt wird und auf den Rotor wirkt, wodurch kein Drehmoment zur Rotation des Rotors erzeugt wird. Im Hinblick auf das rotierende elektrische Feld, das erzeugt wird, wenn die Ankerspulen 14 an dem Stator 10 mit Wechselstrom erregt werden (die Grundschwingung), bewirkt insbesondere die zweite raumharmonische Oberschwingung in der Phase, die entgegengesetzt der Phase des Wechselstroms ist, dass ein zweiter Strom durch den Rotor fließt, wodurch ein Bremsdrehmoment erzeugt wird.
Aus den vorangegangenen Gründen nutzt die elektrische Maschine 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Sehnenwicklung, in welcher die gewickelten Spulen 24 mit konzentrierter Wicklung installiert werden, indem ein Draht um jeden der Rotorzähne 22 mit dessen beiden Enden kurzgeschlossen gewickelt ist, um die Leiter an dem Rotor 20 je Rotornut 23 zu segmentieren.
Unter Berücksichtigung eines Designs eines Stators, dessen Ankerspulen mit konzentrierter Wicklung unter Verwendung der Statornuten bereitgestellt sind, um diese mit einem dreiphasigen Wechselstrom zu erregen, und eines Rotors mit konzentrierter Wicklung unter Verwendung der Rotornuten, wobei die Nenner des Rotor/Stator-Nutverhältnisses R/S auf die Zahl 3 (S = 3) festgelegt ist, werden dementsprechend die Zähler der Verhältnisse R/S von 2 bis 8 variiert. Drehmomentkennlinien wurden untersucht.
Die Drehmomentkennlinien sind mittels Simulation mit einem Schlupf „s”, der zu 0,2 festgesetzt ist, d. h. s = 0,2, gegeben und in den 5 und 6 veranschaulicht.
Wie aus 5 ersichtlich, oszilliert das Drehmoment für Rotor/Stator-Nutverhältnisse R/S = 2/3 und R/S = 3/3, die nicht größer als sind R/S = 1, zwischen der positiven Seite und der negativen Seite und bewirkt, dass die Drehmomentwelligkeit große Pulsation aufweist und kein nützliches Drehmoment erzeugen kann, selbst wenn das oszillierende Drehmoment geglättet wird.
Andererseits bleibt das Drehmoment, wie in 6 ersichtlich, für Verhältnisse R/S, die von 4/3 bis 8/3 variieren und die nicht kleiner als R/S = 1,33 sind, hauptsächlich auf der positiven Seite und erzeugt nützliches Drehmoment, nachdem das Drehmoment geglättet wurde. Für Verhältnisse R/S, die von 5/3 bis 8/3 variieren und die nicht kleiner als R/S = 1,66 sind, bleibt ferner das Drehmoment auf der positiven Seite und erzeugt nützliches Drehmoment. Zur einfachen Montierbarkeit in einem Fahrzeug wird daher ein Rotor/Stator-Nutverhältnis R/S = 5/3 empfohlen und es ist verständlich, dass die elektrische Maschine 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit achtzehn (18) Statornuten 13 und dreißig (30) Rotornuten 23 geeignet zur Verwendung in einem Fahrzeug ist. Jedoch beschränkt das Verhältnis R/S = 5/3 nicht die auswählbaren Nut-Kombinationen für elektrische Maschinen, die in einem Fahrzeug verwendet werden sollen, weil, wie in 6 veranschaulicht, die Verhältnisse R/S, die nicht kleiner als das Verhältnis R/S = 1,33 sind, oder die Verhältnisse R/S, die nicht kleiner sind als das Verhältnis R/S = 1,66 sind, Drehmoment erzeugen. Unter Berücksichtigung der obigen Sachverhalte sind daher alle anderen geeigneten Verhältnisse R/S auswählbar, in Abhängigkeit der Anwendung und der benötigten Leistung.
Mit der Anzahl der Rotornuten und der Anzahl der Statornuten, die auf die Nutenkombination definiert durch das Verhältnis R/S = 5/3 festgelegt sind, wurden als Nächstes Drehmomentkennlinien in Abhängigkeit der folgenden Konfigurationen untersucht. Insbesondere umfassen die Konfigurationen einen sog. Käfigläuferrotor, in dem alle installierten Leiter, die Rotornuten verwenden, durch Endringe kurzgeschlossen sind, und einen Rotor mit einer konzentrierter Wicklung mit einer Windung (1-Windung)-, in dem jeder Leiter, der in den benachbarten Rotornuten gelegt und um einen der Rotorzähne gewickelt ist, kurzgeschlossen ist. Die Drehmomentkennlinien sind durch Simulation mit einem Schlupf „s”, der zu 0,2 festgelegt ist, d. h. s = 0,2, gegeben und in 7 veranschaulicht.
Wie aus 7 ersichtlich, oszilliert das Drehmoment bei dem Käfigläuferrotor nur zwischen der positiven und der negativen Seite und kann kein Drehmoment erzeugen, weil, wie zuvor erwähnt, das Auftreten eines Ausgleichsstroms durch die Leiter und das Auftreten einer Offset-Induktionsspannung das auftretende Magnetfeld aufheben. Andererseits bleibt das Drehmoment bei dem Rotor mit konzentrierter Wicklung mit einer Windung, wie in 7 veranschaulicht, auf der positiven Seite, um Drehmoment zur Rotation des Rotors zu erzeugen.
Zusätzlich zu dem Rotor mit konzentrierter Wicklung mit einer Windung wurde die Flussdichteverteilung eines Rotors mit konzentrierter Wicklung mit siebzehn Windungen (17-Windungen) als Rotor 20 der elektrischen Maschine 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform untersucht und in 8 veranschaulicht. In dem Rotor 20 resultiert der Leiter, der in jede der Rotornuten 23 gelegt ist, aus der Wicklung eines Drahts mit siebzehn Windungen. Wie ersichtlich aus 8, koppelt die Grundschwingung (d. h. die erste Ordnung des rotierenden Magnetfelds, die durch die Eingabe von Wechselstrom bewirkt wird) mehr als doppelt wie die Grundschwingung in dem Fall des Rotors mit erster Windung konzentrierter Wicklung mit dem Rotor, wodurch effizient Drehmoment zur Rotation des Rotors erzeugt wird, indem bewirkt wird, dass elektromotorische Kräfte aufgrund der magnetischen Variationen, die durch die Schlupffrequenz verursacht werden, auftreten.
Es gibt eine Abnahme des Betrags des magnetischen Flusses, der mit den gewickelten Spulen koppelt, und zwar von einem Rotors mit konzentrierter Wicklung im Vergleich zu einem Rotor mit verteilter Wicklung, wodurch dazu tendiert wird, einen Abfall der Stärke der elektromotorischen Kraft (d. h. ein Abfall der Antriebseffizienz) und einen Abfall des Leistungsfaktors zu bewirken. Jedoch kann ein solcher Abfall des Leistungsfaktors verhindert werden, indem ausreichende elektromotorische Kräfte aufrecht erhalten werden, indem die Anzahl der Windungen erhöht wird.
Unter Berücksichtigung der automobilen Anwendung der elektrischen Maschine 100 wird in der Beschreibung der vorliegenden Ausführungsform der Fall, in dem jede gewickelte Spule mit einem Mehrzweckdraht, der einen Durchmesser von 0,8 mm aufweist und in siebzehn (17) Windungen gewickelt ist, als ein Beispiel beschrieben. Dies ist nur ein Beispiel und beschränkt nicht die vorliegende Ausführungsform. Beispielsweise kann die elektrische Maschine 100 auch einen anderen Aufbau aufweisen, der optimiert ist, um die Bedingungen der Motorgröße, des Volumens eines beanspruchten Platzes von jedem der Nuten, der magnetischen Sättigung an jedem der Schenkelpole (Zähne) zu erfüllen.
Wie aus 9 ersichtlich, stellt die rotierende Maschine 100 Drehmoment zur Rotation des Rotors bereit, das Rutschmoment- bzw. Schlupfmoment-Kennlinien aufweist, die ähnlich sind zu Rutschmoment- bzw. Schlupfmoment-Kennlinien, die von einer Induktionsmaschine bereitgestellt werden, die den oben erwähnten Käfigläuferrotor innerhalb eines Stators, der Ankerspulen umfasst, die mit verteilter Wicklung in die Statornuten gelegt sind.
Gewöhnlicherweise wird der Schlupf „s” als ein Verhältnis zwischen der Grundfrequenz f1 des Stators 10, d. h. der Magnetfelddrehzahl, und der Rotationsfrequenz f2 des Rotors 20, d. h. der Drehzahl der rotierenden Welle, ausgedrückt. Schlupf = s = (f1 – f2)/f1
Wie aus 9 ersichtlich, wird das maximale Drehmoment in einer Rotationsrichtung erzeugt, wenn f1 = 1000 U/min und f2 = 800 U/min, und daher ist der Schlupf „s” = 0,2 und das maximale Drehmoment der entgegengesetzten Rotationsrichtung wird erzeugt, wenn f1 = 1000 U/min und f2 = 1200 U/min, und daher ist der Schlupf „s” = –0,2.
Die elektrische Maschine 100 ähnelt der Induktionsmaschine, die den oben erwähnten Käfigläuferrotor aufweist, in dieser Hinsicht, dass eine Änderung der Drehmomentkennlinien bei einem Schlupf „s” = 0,6 auftritt, wie in 9 veranschaulicht.
Die Drehmomentkennlinie ändert sich bei dem Schlupf „s” = 0,6, weil das Drehmoment bei dem Schlupf „s” = 0,6, wie durch die Drehmoment versus Stromphase-Kennlinie veranschaulicht, variiert, wie in 10 veranschaulicht, aufgrund der Tatsache, dass ein Synchrondrehmoment einer Oberschwingung, das von einer Synchronisierung der Oberschwingung der Induktivität mit der Schlupffrequenz herrührt, zusätzlich zu dem induzierten Drehmoment, das von den Komponenten der Schlupffrequenz herrührt, aktiv wird.
Betrachtet man nur die Nut-Oberschwingungen, kann insbesondere das Produkt einer Rotor-Induktivität L_rd und einer Stator-Induktivität L_sd wie folgt ausgedrückt werden: L_rd × L_sd = (L_rd0 + L_rdacos5ω₂t) × (L_sd0 + L_sdacos3ω₁t)
Das Synchrondrehmoment der Oberschwingung tritt auf, wenn die Beziehungen, die durch die folgenden Gleichungen beschrieben werden, erfüllt sind. ω₁ = 3ω₁ + 5ω₂ ω₁ = 3ω₁ – 5ω₂
Ist ω₁ = 1, so ist ω₂ = ±0,4. Also tritt das Synchrondrehmoment der Oberschwingung auf, wenn der Schlupf „s” = 0,6 und der Schlupf „s” = 1,4 ist.
Aus der vorangegangenen Beschreibung wird verständlich, dass in der elektrischen Maschine 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform Ankerspulen 14 in die Statornuten 13 des Stators 10 mit konzentrierter Wicklung gelegt sind und dass gewickelte Spulen 24 in die Rotomuten 23 des Rotors 24 mit konzentrierter Wicklung gelegt sind, indem ein feiner Kupferdraht mehr als einmal gewickelt wird; und das Rotor/Stator-Nutverhältnis R/S zwischen der Anzahl der Statornuten 13 und der Anzahl der Rotornuten 23 ist nicht kleiner als 1,33. Des Weiteren ist eine effiziente Erzeugung von Drehmoment zur Rotation des Rotors möglich, wenn das Verhältnis R/S nicht kleiner als zumindest 1,66 ist. Die elektrische Maschine 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wurde derart beschrieben, dass das Verhältnis zwischen der Anzahl der Statornuten 13 und der Anzahl der Rotornuten 23, d. h. das Verhältnis R/S, 5/3 ist.
Dies ermöglicht die Erzeugung eines Induktionsstroms, der in Reaktion auf einen Schlupf zwischen der Drehzahl der Welle des Rotors 20 und der Drehzahl des Synchronmagnetfelds des Stators 10 variiert, wobei das Magnetfeld durch die gewickelten Spulen 24 an dem Rotor 20 fließt, aufgrund der Erregung der Ankerspulen 14 an dem Stator 10 mit einem Dreiphasenwechselstrom und aufgrund der Ausführung einer Schlupfsteuerung.
Ohne einen Wechselrichter und zugeordnetes Zubehör zur Erzeugung von mehr als Dreiphasenwechselstrom vorzubereiten, ist daher eine kostengünstige elektrische Maschine mit konzentrierter Wicklung bereitgestellt, die effizient mit Dreiphasenwechselstrom betreibbar ist und eine Verkleinerung ermöglicht.
Des Weiteren ist die vorliegende Ausführungsform nicht auf den Radiallückenaufbau mit diametral verteilten kalibrierten Luftspalten G, wie in der elektrischen Maschine 100, beschränkt, und kann auch auf einen Axiallückenaufbau mit einer kalibriertem Spalt in der Richtung entlang der Rotationsachse angewendet werden.
Zusätzlich ist in der vorangegangenen Beschreibung der Aufbau des inneren Rotors, bei dem der Rotor 20 drehbar in dem Stator 10 aufgenommen ist, ein Beispiel der vorliegenden Ausführungsform, jedoch ist das nicht begrenzend für die vorliegende Ausführungsform. Zum Beispiel kann die vorliegende Erfindung auch mit einem Aufbau eines äußeren Rotors realisiert werden, in dem ein Stator in einem rotierbaren Rotor derart aufgenommen ist, dass die vorliegende Erfindung in einem solchen Aufbau realisiert werden kann, dass ein Stator und ein Rotor ein gemeinsames Zentrum der Welle (als Rotationsachse) aufweisen und dass der äußere Umfang des Stators einem inneren Umfang des Rotors gegenüberliegt, um Drehmoment zu erzeugen.
Die Anwendungen der elektrischen Maschine 100 sind nicht auf automobile Anwendungen beschränkt. Diese Anwendungen können die Verwendung der elektrischen Maschine 100 als ein Generator in Windkraftanlagen oder als ein Motor in Werkzeugmaschinen umfassen.
Obwohl Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, ist es dem Fachmann offensichtlich, dass Modifikationen daran vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Alle solchen Modifikationen und deren Äquivalente sollen von den folgenden Ansprüchen umfasst werden.
Bezugszeichenliste

10: Stator
12: Statorzähne
12a: innerer Umfang
13: Statornut
14: Ankerspule (Leiter)
20: Rotor
22: Rotorzähne
22a: äußerer Umfang
23: Rotornut
24: Wicklung (Leiter)
100: elektrische Maschine
101: Welle (rotierende Welle)
G: kalibrierter Luftspalt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2010-11674 A [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

M. Kondo, M. Miyabe, R. Ebizuka und K. Hanaoka geschrieben wurde, mit dem Titel „Design and Efficiency Evaluation of a High Efficiency Induction Motor for Railway Traction”, IEEJ Technical Meeting, MD-13-26, RM-13-25 (2013) [0003]
T. Iwasaki, M. Inamori und M. Morimoto geschriebene Veröffentlichchung mit dem Titel „Performance of Induction Motor Made of SMC Core”, IEEJ Tras. I. A, Vol. 134, Nr. 9, Seiten 815–820 (2014) [0004]

Claims

Elektrische Maschine mit einer Rotationsachse, umfassend: einen Stator mit einer Vielzahl von Statornuten und zumindest einem Leiter, der in eine der Vielzahl der Statornuten gelegt ist und sich entlang der Rotationsachse erstreckt; und einen Rotor mit einer Vielzahl von Rotornuten und zumindest einem Leiter, der in eine der Vielzahl der Rotornuten gelegt ist und sich entlang der Rotationsachse erstreckt, wobei der Stator und der Rotor derart angeordnet sind, dass der Rotor rotierbar um die Rotationsachse ist und mit seinem äußeren Umfang einem inneren Umfang des Stators gegenüberliegt und dass ein Induktionsstrom, der reagierend auf eine Schlupffrequenz relativ zu dem rotierenden magnetischen Feld in dem Stator ist, in dem Leiter an dem Rotor induziert wird; wobei Ankerspulen an dem Stator mit konzentrierter Wicklung derart installiert sind, dass eine Ankerspule als der Leiter in die Statornut gelegt ist, um eine Einspeisung eines Dreiphasenwechselstroms zu ermöglichen; wobei gewickelte Spulen an dem Rotor mit konzentrierter Wicklung derart installiert sind, dass eine gewickelte Spule als der Leiter in die Rotornut eingelegt ist, wobei deren beide Enden verbunden sind, um einen Kurzschluss auszubilden; und wobei die Vielzahl der Rotornuten eine größere Anzahl aufweist als die Vielzahl der Statornuten.
Elektrische Maschine gemäß Anspruch 1, wobei ein Verhältnis der Anzahl der Vielzahl der Rotornuten zu der Anzahl der Vielzahl der Statornuten nicht kleiner als zumindest 1,33 ist.
Elektrische Maschine gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei ein Verhältnis der Anzahl der Vielzahl der Rotornuten zu der Anzahl der Vielzahl der Statornuten nicht kleiner als zumindest 5/3 ist.
Elektrische Maschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Leitung mit einem reduzierten Durchmesser in die Rotornut gelegt ist.