DE102016204118A1

DE102016204118A1 - Rotating electrical machine

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: JP6613585B2; CN105990929A; 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.An electric machine (100) is disclosed. The electric machine (100) includes a stator (10) to which concentrated-coil armature coils are installed to enable feeding of a three-phase alternating current such that an armature coil (14) as a conductor turns into one of the plurality of stator slots (13) is placed; and a rotor (20) to which wound-coil-wound coils (24) are installed so that a wound coil (24) is inserted as a conductor into one of the plurality of rotor slots (23) with both ends thereof connected to form a short circuit. A rotor / stator slot ratio R / S, d. H. a ratio of the number of the plurality of rotor grooves to the number of the plurality of stator slots is not less than at least 1.33.

Description

[Technisches Fachgebiet][Technical Field]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine induktions-elektrische Maschine mit konzentrierter Wicklung, die eine Schlupffrequenz zwischen einem Rotor und einem Stator verwendet.The present invention relates to a concentrated winding induction electric machine which uses a slip frequency between a rotor and a stator.

[Allgemeiner Stand der Technik][Background of the Invention]

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.An example of a rotary electric machine is an induction machine in which a squirrel cage rotor is rotatably received in a stator wrapped by armature coils by means of distributed winding, a so-called "squirrel cage induction machine". In such an induction machine, a rotating magnetic flux generated by the coils, when energized with a three-phase alternating current, induces an induction current in a conductor of the squirrel-cage rotor in response to a slip frequency with respect to the rotating magnetic flux to drive a torque of the rotor.

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.In such rotary electric machines of the induction machine type, various measures have been taken to achieve high efficiency. An example of such measures is the reduction of the secondary copper loss resulting from the harmonics by providing a groove on the peripheral edge of each of the rotor teeth, or by using a silver-containing copper material as the edge of each of the rotor teeth. This example is described in a paper published by M. Kondo, M. Miyabe, R. Ebizuka and K. Hanaoka, entitled "Design and Efficiency Evaluation of a High Efficiency Induction Engine for Railway Traction", IEEJ Technical Meeting, MD-13-26, RM-13 -25 (2013) , hereinafter referred to as "non-patent literature 1".

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.One of T. Iwasaki, M. Inamori and M. Morimoto, entitled "Performance of Induction Motor Made of SMC Core", IEEJ Tras. I. A, Vol. 134, No. 9, pages 815-820 (2014) , hereinafter referred to as "Non-Patent Literature 2", presents the consideration of the pursuit of reducing iron loss during harmonic excitation by adopting the use of so-called soft magnetic composite cores (SMC) made of molded SMC instead of electromagnetic steel plates.

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.However, with the techniques disclosed in Non-Patent Literatures 1 and 2, it is difficult to reduce the copper losses derived from the length of the armature winding around a stator, because they take a distributed winding around the stator along with a squirrel-cage rotor to wind the armature line.

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.To reduce the copper losses, a reduction in the length of the windings is considered, with an armature lead wound around the stator by means of concentrated winding. For example, describes JP 2010-11674 A hereinafter referred to as "Patent Literature 1", a design that reduces harmonics superimposed on the magnetomotive force of the stator by using a supply of multi-phase (more than three-phase) alternating current to achieve reduced-loss operation, by reducing an increase in the harmonics caused due to the concentrated winding.

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.The system described in the above-mentioned Patent Literature 1 has the problem that an increase in size and cost is unavoidable because an increase in switching elements such as an insulated gate bipolar transistor (IGBT) and a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET ) are required to form an inverter for supplying polyphase AC power and because an increase in the power line is needed.

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.An induction machine using a single phase alternating current is known. This induction machine enables the use of a squirrel-cage rotor in which a so-called short-circuit winding is used to forcibly delay the phase of magnetic flux change sufficiently to provide a biphasic rotating magnetic field.

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.However, this induction machine with short-circuit winding, which has low efficiency, is operable only with single-phase alternating current and is difficult to operate with three-phase alternating current. In other words, it is difficult to install a stator comprising armature windings wound with three-phase windings together with a squirrel cage rotor.

[Stand der Technik][State of the art]

[Patentliteratur][Patent Literature]

Patent Literature 1: JP 2010-11674 A

[Nichtpatentliteratur][Non-patent literature]

Non-patent literature 1: a publication written by M. Kondo, M. Miyabe, R. Ebizuka and K. Hanaoka entitled "Design and Efficiency Evaluation of a High Efficiency Induction Engine for Railway Traction", IEEJ Technical Meeting, MD-13-26, RM-13-25 ( 2013)
Non-patent literature 2: a publication written by A T. Iwasaki, M. Inamori and M. Morimoto entitled "Performance of Induction Motor Made of SMC Core", IEEJ Tras. I. A, Vol. 134, No. 9, pages 815-820 (2014)

[Kurzdarstellung der Erfindung][Brief Description of the Invention]

[Technische Problemstellung][Technical problem]

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.It is an object of the present invention to provide a low-cost, concentrated winding electric machine which is operable efficiently with three-phase alternating current and enables size reduction.

[Lösung des Problems][The solution of the problem]

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.According to one aspect of the present invention, there is provided an electric machine having a rotation axis, comprising: a stator having a plurality of stator slots and at least one conductor laid in one of the plurality of stator slots and extending along the rotational axis; and a rotor having a plurality of rotor slots and at least one conductor laid in one of the plurality of rotor slots and extending along the axis of rotation, wherein the stator and the rotor are arranged so that the rotor is rotatable about the axis of rotation and with its outer circumference facing an inner circumference of the stator and that an induction current responsive to a slip frequency relative to the rotating magnetic field in the stator is induced in the conductor on the rotor; wherein armature coils are installed on the concentrated winding stator such that an armature coil as the conductor is laid in the stator slot to enable three-phase AC injection; wherein wound coils are installed on the concentrated winding rotor such that a wound coil as the conductor is inserted into the rotor groove, the both ends of which are connected to form a short circuit; and wherein the plurality of rotor slots has a larger number than the plurality of stator slots.

[Vorteilhafte Effekte der Erfindung][Advantageous Effects of Invention]

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.The present embodiment according to the present invention provides a low-cost, concentrated winding electric machine that is operable efficiently with three-phase alternating current and enables size reduction.

[Kurze Beschreibung der Zeichnungen][Brief Description of the Drawings]

1 zeigt eine Querschnittsansicht einer elektrischen Maschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1 shows a cross-sectional view of an electric machine according to an embodiment of the present invention.

2 ist eine Abbildung, die magnetische Flusslinien eines Magnetfelds veranschaulicht, die während der Erregung mit Wechselstrom erzeugt werden. 2 Figure 12 is a diagram illustrating magnetic flux lines of a magnetic field generated during AC excitation.

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. 3 is a figure that illustrates magnetic flux lines of a magnetic field generated by a stator and a massive rotor inside the stator during AC excitation.

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. 4 is a graph of the density of the magnetic flux of the harmonic of each order, which has a calibrated air gap between the stator and the solid rotor, which in 3 are shown, while the excitation with alternating current bridges.

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. 5 FIG. 13 illustrates torque characteristics for less preferred groove combinations, ie, a rotor / stator slot ratio R / S between the number of rotor slots and the number of stator slots when a slip "s" is 0.2, ie, s = 0.2.

6 veranschaulicht Drehmomentkennlinien für bevorzugte Nutkombinationen. 6 illustrates torque curves for preferred groove combinations.

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. 7 FIG. 12 illustrates a torque curve obtained when a squirrel-cage rotor is used compared to a torque curve obtained when a concentrated winding rotor is used. FIG.

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. 8th is a graph similar to 4 and Fig. 12 illustrates the distribution of the flux density of the harmonics obtained when a concentrated winding rotor having one turn (1 turn) is used together with a distribution obtained when a concentrated winding rotor, which has seventeen turns (17 turns) is used.

9 ist ein Graph, der eine Kennlinie eines Drehmomentschlupfes zeigt, wenn eine Schlupfsteuerung durchgeführt wird, während der Erregung mit Wechselstrom. 9 FIG. 12 is a graph showing a torque slip characteristic when slip control is performed during AC energization. FIG.

10 ist ein Graph, der eine Drehmoment versus Stromphasenkennlinie zeigt, wenn ein Schlupf „s” 0,6 beträgt, d. h. s = 0,6. 10 FIG. 12 is a graph showing a torque vs. current phase characteristic when a slip "s" is 0.6, ie, s = 0.6.

[Beschreibung der Ausführungsformen] [Description of the Embodiments]

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.Referring to the attached drawings, embodiments of the present invention will be described in detail below. The 1 to 10 show an electric machine according to one embodiment.

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.Referring to 1 includes a rotating electrical machine 100 for use in a drive source of a hybrid electric vehicle or electric vehicle, a substantially cylindrical stator 10 having a longitudinal axis, and a rotor 20 that rotates in the stator 10 picked up and attached to a shaft (rotating shaft) 101 whose axis is aligned with the longitudinal axis of the stator 10 is aligned. The electric machine 100 should have a reduced size, but produce a high performance.

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.The stator 10 has an inner circumference 12a on and is with eighteen (18) stator teeth 12 formed, each extending radially to the shaft 101 extend and run along the longitudinal axis. The stator teeth 12 are around the inner circumference 12a distributed equally. The stator teeth 12 have inner ends that are in an inner circumference 12a lying in the environment and over a calibrated air gap G to an outer circumference 22a of the rotor 20 lie, with rotor teeth 22 is trained. The adjacent two of the stator teeth 12 define between their pages 12b a stator groove 13 along the longitudinal axis or shaft 101 running. armature coils 14 ie, a conductor, are concentrated winding by winding a wire around the stator 10 Installed in the same direction per phase by adding some of the stator slots 13 be used.

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.The number of rotor teeth 22 , ie the salient poles, of the rotor 20 is thirty (30). The rotor teeth 22 , each of which is different from the wave 101 extending radially away are along the outer circumference 22a distributed equally. The rotor teeth 22 have outer ends that are in the outer periphery 22a lie, and in the environment and a calibrated air gap G against an inner circumference 12a of the stator 10 that with stator teeth 12 is formed, lie. Adjacent two of the rotor teeth 22 define between their pages 22b a rotornut 23 that are longitudinal along the longitudinal axis or the shaft 101 running. Wired coils 24 , ie conductors, are installed with concentrated winding, passing a variety of wires around the rotor 20 using the rotutas 23 at thirty (30) points equally distributed along the outer circumference 22a are defined, are wound, each of the plurality of wires are wound in the same direction and both ends of the wire are connected so that they form a short circuit.

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.Furthermore, apply in the electric machine 100 the following relationships:
S = 18 = number of stator slots 13 ;
R = 30 = number of rotor slots 23 ; and
R / S = 30/18 = 5/3 = rotor / stator slot ratio of the slot combination.

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.The ratio of the groove combination R / S = 5/3 satisfies the later-described requirements that groove ratios R / S equal to or greater than a predetermined groove ratio R / S = 1.33 = 4/3 are to be selected as preferred ratios.

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.Eddy currents can occur if a conductor with a wide cross-sectional area is used. To limit the occurrence of eddy currents are conductors, ie wirings, in the electrical machine 100 with concentrated winding by winding copper wires around the rotor teeth 22 installed, each of which has a circular cross-sectional profile and a small diameter, ie, a thin wire. In the description of the present embodiment, the case where each wound coil is wound by winding a thin electric wire, ie, a copper wire, having a circular cross-sectional profile is described only as an example. This is only an example, and is not limitative of the present embodiment. For example, instead of a thin copper wire having a circular cross-sectional profile, an aluminum conductor may be used, and a flat wire or a stranded wire may be used.

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.This allows the electric machine 100 to generate a torque that is on the rotor 20 is applied by an alternating current, ie, a three-phase alternating current, which is given by the conversion of a direct current from an unillustrated onboard battery by an inverter, the armature coils 14 on the stator 10 is supplied. When a rotating magnetic field passes through the armature coils 14 on the stator 10 is generated in the rotor teeth 22 of the rotor 20 induction current is generated (or induced) in response to a slip frequency in the coupling of the rotating magnetic field to the wound coils 24 on each of the rotor teeth 22 , whereby a torque is generated on the rotor 20 is applied because of the current flow through the wound coils 24 which is induced by the interaction with the rotating magnetic field.

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.For example, if an electric machine 100 is operated at a slip = s = 0.2, concentrate the magnetic flux lines F at such stator teeth 12 of the stator 10 arranged at twelve (12) angularly spaced locations, each of which is designated by a symbol CA, as in FIG 2 shown, where the density of the magnetic flux lines, with the associated rotor teeth 22 of the rotor 20 coupled via the calibrated air gap G increases, thereby causing a magnetic torque, ie an electromagnetic force, to the rotor 20 acts in a direction of rotation.

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.Referring to 3 shows the analysis of the harmonics of the magnetic flux distribution, ie the magnetic flux density, which occurs when armature coils 14 be energized after a massive rotor 30 made of an iron block, instead of the rotor 20 in the stator 10 is stored, that the magnetic flux lines FL, which are located on such stator teeth 12 focus, which are arranged at twelve (12) angularly distributed locations, each of which is denoted by a symbol CA, in the solid rotor 30 enter and to the associated adjacent stator teeth 12 return, whereby a magnetic circuit is formed. The armature coils 14 around the stator 10 are wound with concentrated winding, generate a magnetic flux that contains more space harmonic harmonics. Therefore, it is understandable that the magnetic flux flowing in the massive rotor 30 penetrates, contains in the resting frame second harmonics, more than 50% of the fundamental, as in 4 shown.

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.In the case of a squirrel-cage rotor of an induction machine, when the magnetic flux containing such low-order space-harmonic harmonics enters the rotor, a compensating current that flows through the conductors extending longitudinally along the rotation axis occurs and causes a large energy loss because both ends of the conductors are shorted by end rings.

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.Because a magnetic path between the associated stator teeth 12 is trained to short this, as in 3 and because this causes generation of an offset induction voltage on the conductors of the rotor connected by end rings, there is in the case of the stator 10 to the armature coils 14 no electromotive force generated due to the variation of the magnetic flux resulting from the slip frequency and acting on the rotor, whereby no torque for rotation of the rotor is generated. With regard to the rotating electric field that is generated when the armature coils 14 on the stator 10 In particular, the second space harmonic in the phase opposite to the phase of the alternating current causes a second current to flow through the rotor causing a braking torque to be excited with the alternating current (the fundamental).

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.For the foregoing reasons, the electric machine uses 100 according to the present embodiment, a tendon winding in which the wound coils 24 with concentrated winding installed by placing a wire around each of the rotor teeth 22 with its two ends short-circuited wound around the conductors on the rotor 20 each Rotornut 23 to segment.

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.Considering a design of a stator whose concentrated winding armature coils are provided using the stator slots to excite them with a three-phase alternating current and a concentrated winding rotor using the rotor slots, the denominators of the rotor / stator slot ratio R / S is set to the number 3 (S = 3), the counters of the ratios R / S are accordingly varied from 2 to 8. Torque characteristics were examined.

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.The torque characteristics are given by simulation with a slip "s" set at 0.2, ie s = 0.2, and placed in the 5 and 6 illustrated.

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.How out 5 As can be seen, the torque for rotor / stator slot ratios R / S = 2/3 and R / S = 3/3, which are not greater than R / S = 1, oscillates between the positive side and the negative side and causes the torque ripple has large pulsation and can not generate useful torque even when the oscillating torque is smoothed.

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.On the other hand, the torque remains as in 6 as shown, for ratios R / S varying from 4/3 to 8/3 and not smaller than R / S = 1.33, mainly on the positive side and generating useful torque after the torque has been smoothed. Further, for ratios R / S varying from 5/3 to 8/3 and not smaller than R / S = 1.66, the torque remains on the positive side and generates useful torque. For easy mounting in a vehicle, therefore, a rotor / stator slot ratio R / S = 5/3 is recommended and it is understood that the electric machine 100 according to the present embodiment with eighteen (18) stator slots 13 and thirty (30) rotornuts 23 suitable for use in a vehicle. However, the ratio R / S = 5/3 does not limit the selectable groove combinations for electric machines to be used in a vehicle because, as in 6 illustrates the ratios R / S, which are not smaller than the ratio R / S = 1.33, or the ratios R / S, which are not smaller than the ratio R / S = 1.66, generate torque. Taking into account the above facts, therefore, all other suitable R / S ratios are selectable, depending on the application and the power required.

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.With the number of rotor slots and the number of stator slots defined on the slot combination defined by the ratio R / S = 5/3, torque characteristics were next examined depending on the following configurations. In particular, the configurations include a so-called squirrel-cage rotor in which all installed conductors using rotor slots are short-circuited by end rings and a one-turn (1-turn) lumped rotor in which each conductor connected to the adjacent one Rotornuten laid and wound around one of the rotor teeth is short-circuited. The torque characteristics are given by simulation with a slip "s" set at 0.2, ie s = 0.2, and in 7 illustrated.

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.How out 7 As can be seen, the torque in the squirrel-cage rotor only oscillates between the positive and the negative side and can not generate torque because, as previously mentioned, the occurrence of a compensation current through the conductors and the occurrence of an offset induction voltage cancel the magnetic field that occurs. On the other hand, in the concentrated winding rotor, the torque remains with one turn, as in FIG 7 illustrates, on the positive side, to generate torque for rotation of the rotor.

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.In addition to the one-turn concentrated winding rotor, the flux density distribution of a seventeen turn (17-turn) concentrated rotor became a rotor 20 the electric machine 100 investigated in accordance with the present embodiment and in 8th illustrated. In the rotor 20 results in the conductor entering each of the rotor grooves 23 from the winding of a wire with seventeen turns. As can be seen 8th , the fundamental (ie, the first order of the rotating magnetic field caused by the input of alternating current) couples more than twice as much as the fundamental in the case of the first turn rotor of concentrated winding with the rotor, thereby efficiently producing torque for rotation of the rotor is caused by causing electromotive forces to occur due to the magnetic variations caused by the slip frequency.

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.There is a decrease in the amount of magnetic flux coupled to the wound coils from a concentrated winding rotor as compared to a distributed winding rotor, thereby tending to cause a decrease in the magnitude of the electromotive force (ie, a drop the drive efficiency) and cause a drop in the power factor. However, such a decrease in the power factor can be prevented by maintaining sufficient electromotive forces by increasing the number of turns.

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.Taking into account the automotive application of the electric machine 100 In the description of the present embodiment, the case where each wound coil is wound with a multipurpose wire having a diameter of 0.8 mm and wound in seventeen (17) turns is described as an example. This is only an example and does not limit the present embodiment. For example, the electric machine 100 also have another structure optimized to satisfy the conditions of the motor size, the volume of a claimed space of each of the slots, the magnetic saturation at each of the salient poles (teeth).

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.How out 9 seen, represents the rotating machine 100 Torque for rotation of the rotor having slipping moment characteristics similar to slip torque characteristics provided by an induction machine including the above-mentioned squirrel-cage rotor within a stator including armature coils with distributed winding are placed in the stator.

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 Usually, the slip "s" becomes a ratio between the fundamental frequency f1 of the stator 10 , ie the magnetic field speed, and the rotational frequency f2 of the rotor 20 , ie the rotational speed of the rotating shaft. Slip = 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.How out 9 As can be seen, the maximum torque is generated in a rotational direction when f1 = 1000 rpm and f2 = 800 rpm, and therefore the slip "s" = 0.2 and the maximum torque of the opposite rotational direction is generated when f1 = 1000rpm and f2 = 1200rpm, and therefore the slip "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.The electric machine 100 In this regard, the induction machine having the above-mentioned squirrel cage rotor is similar in that a change in the torque characteristics occurs at a slip "s" = 0.6, as in FIG 9 illustrated.

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.The torque characteristic changes at the slip "s" = 0.6 because the torque at the slip "s" = 0.6 as illustrated by the torque vs. current phase characteristic varies as in FIG 10 illustrated, due to the fact a synchronous torque of a harmonic resulting from a synchronization of the harmonic of the inductance with the slip frequency becomes active in addition to the induced torque resulting from the components of the slip frequency.

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) Considering only the groove harmonics, in particular, the product of a rotor inductance L _rd and a stator inductance L _sd can be expressed as follows: L _rd × L _sd = (L _rd0 + L _rda cos5ω ₂ t) × (L _sd0 + L _sda cos3ω ₁ t)

Das Synchrondrehmoment der Oberschwingung tritt auf, wenn die Beziehungen, die durch die folgenden Gleichungen beschrieben werden, erfüllt sind. ω₁ = 3ω₁ + 5ω₂ ω₁ = 3ω₁ – 5ω₂ The synchronous torque of the harmonic occurs when the relationships described by the following equations are satisfied. ω ₁ = 3ω ₁ + 5ω ₂ ω ₁ = 3ω ₁ - 5ω ₂

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.If ω ₁ = 1, then ω ₂ = ± 0.4. Thus, the synchronous torque of the harmonic occurs when the slip "s" = 0.6 and the slip "s" = 1.4.

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.From the foregoing description, it will be understood that in the electric machine 100 Armature coils according to the present embodiment 14 in the stator grooves 13 of the stator 10 are laid with concentrated winding and that wound coils 24 in the Rotomut 23 of the rotor 24 are laid with concentrated winding by winding a fine copper wire more than once; and the rotor / stator slot ratio R / S between the number of stator slots 13 and the number of roots 23 is not less than 1.33. Furthermore, efficient generation of torque for rotation of the rotor is possible if the ratio R / S is not less than at least 1.66. The electric machine 100 According to the present embodiment, it has been described that the ratio between the number of stator slots 13 and the number of roots 23 , ie the ratio R / S, 5/3.

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.This allows the generation of an induction current that is responsive to a slip between the rotational speed of the shaft of the rotor 20 and the speed of the synchronous magnetic field of the stator 10 varies, the magnetic field through the wound coils 24 on the rotor 20 flows, due to the excitation of the armature coils 14 on the stator 10 with a three-phase alternating current and due to the execution of a slip control.

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.Thus, without preparing an inverter and associated accessories to produce more than three-phase alternating current, there is provided a low-cost, concentrated winding electrical machine which is operable efficiently with three-phase alternating current and permits downsizing.

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.Furthermore, the present embodiment is not limited to the radial gap structure with diametrically distributed calibrated air gaps G as in the electric machine 100 , limited, and can also be applied to an axial gap structure with a calibrated gap in the direction along the axis of rotation.

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.In addition, in the foregoing description, the structure of the inner rotor in which the rotor 20 rotatable in the stator 10 is an example of the present embodiment, but this is not limitative to the present embodiment. For example, the present invention can be also realized with a structure of an outer rotor in which a stator is accommodated in a rotatable rotor so that the present invention can be realized in such a structure that a stator and a rotor become a common center of the rotor Shaft (as a rotation axis) and that the outer circumference of the stator facing an inner circumference of the rotor to generate torque.

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.The applications of the electric machine 100 are not limited to automotive applications. These applications can be the use of the electric machine 100 as a generator in wind turbines or as an engine in machine tools.

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.Although embodiments of the present invention have been described, it will be apparent to those skilled in the art that modifications may be made thereto without departing from the scope of the present invention. All such modifications and equivalents thereof are intended to be encompassed by the following claims.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010: Statorstator
1212: Statorzähnestator teeth
12a12a: innerer Umfanginner circumference
1313: Statornutstator
1414: Ankerspule (Leiter)Armature coil (conductor)
2020: Rotorrotor
2222: Rotorzähnerotor teeth
22a22a: äußerer Umfangouter circumference
2323: Rotornutrotor slot
2424: Wicklung (Leiter)Winding (conductor)
100100: elektrische Maschineelectric machine
101101: Welle (rotierende Welle)Shaft (rotating shaft)
GG: kalibrierter Luftspaltcalibrated air gap

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

JP 2010-11674A [0006]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

M. Kondo, M. Miyabe, R. Ebizuka and K. Hanaoka, entitled "Design and Efficiency Evaluation of a High Efficiency Induction Engine for Railway Traction", IEEJ Technical Meeting, MD-13-26, RM-13 -25 (2013) [0003]
T. Iwasaki, M. Inamori and M. Morimoto, entitled "Performance of Induction Motor Made of SMC Core", IEEJ Tras. I. A, Vol. 134, No. 9, pp. 815-820 (2014) [0004]

Claims

Electric machine with a rotation axis, comprising: a stator having a plurality of stator slots and at least one conductor laid in one of the plurality of stator slots and extending along the axis of rotation; and a rotor having a plurality of rotor slots and at least one conductor laid in one of the plurality of rotor slots and extending along the axis of rotation, in which the stator and the rotor are arranged such that the rotor is rotatable about the rotation axis and with its outer circumference facing an inner circumference of the stator and that an induction current responsive to a slip frequency relative to the rotating magnetic field in the stator is in the conductor is induced on the rotor; in which Armature coils are installed on the concentrated winding stator such that an armature coil as the conductor is laid in the stator slot to enable feeding of a three-phase alternating current; in which wound coils are installed on the concentrated winding rotor so that a wound coil is inserted as the conductor into the rotor groove, the both ends of which are connected to form a short circuit; and where the plurality of rotor slots has a greater number than the plurality of stator slots.

An electric machine according to claim 1, wherein a ratio of the number of the plurality of rotor slots to the number of the plurality of stator slots is not smaller than at least 1.33.

An electric machine according to claim 1 or claim 2, wherein a ratio of the number of the plurality of rotor slots to the number of the plurality of stator slots is not less than at least 5/3.

Electric machine according to one of the preceding claims 1 to 3, wherein a reduced diameter pipe is placed in the rotor groove.