DE102016207781B4

DE102016207781B4 - Rotierende elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102016207781B4
Application number: DE102016207781.3A
Authority: DE
Inventors: Masahiro Aoyama
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2015-05-07
Filing date: 2016-05-04
Publication date: 2024-05-16
Anticipated expiration: 2036-05-05
Also published as: JP2016213948A; JP6424729B2; CN106130278B; CN106130278A; DE102016207781A1

Abstract

Rotierende elektrische Maschine (100), die umfasst:einen Stator (10), der Ankerspulen (14) beinhaltet, die so konfiguriert sind, dass sie einen Wechselstrom erhalten;einen ersten Rotor (20), der mit einer ersten Frequenz drehbar ist, wenn er einen magnetischen Fluss von dem Stator (10) erhält; undeinen zweiten Rotor (30), der mit einer zweiten Frequenz drehbar ist,wobei der erste Rotor (20) beinhaltet:zumindest eine Frequenzdifferenz-Induktionsspule (Iim), die so angeordnet ist, dass sie entgegengesetzt zu dem zweiten Rotor (30) liegt und einen magnetischen Fluss erhält, der von einer Frequenzdifferenz zwischen der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz herrührt,zumindest eine Oberwellen-Induktionsspule (Is), die so angeordnet ist, dass sie entgegengesetzt zu dem Stator (10) liegt und Oberwellen erhält, die in dem magnetischen Fluss von dem Stator (10) enthalten sind, undzumindest eine Erregerspule (WF), die so angeordnet ist, dass sie einen Strom von der Frequenzdifferenz-Induktionsspule (Iim) und der Oberwellen-Induktionsspule (Is) erhält.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf rotierende elektrische Maschinen und spezieller auf jene des Doppel-Rotor-Typs, die einen äußeren Rotor und einen inneren Rotor beinhalten.
Bisheriger Stand der Technik
Rotierende elektrische Maschinen des Doppel-Rotor-Typs, die einen äußeren Rotor und einen inneren Rotor beinhalten, die koaxial angeordnet sind, werden als rotierende elektrische Maschinen vorgeschlagen, die an Hybrid-Elektrofahrzeugen oder dergleichen anzubringen sind.
Die JP 2015- 16 740 A offenbart eine rotierende elektrische Maschine dieser Art, d.h. des Doppel-Rotor-Typs. Diese herkömmliche rotierende elektrische Maschine beinhaltet einen Stator, um den herum Spulen mit einer verteilten Wicklung gewickelt sind, einen äußeren Rotor, der als ein Rotor mit innerem Permanentmagnet (IPM) konfiguriert ist, sowie einen inneren Rotor, der als ein Wicklungs-Induktions-Rotor konfiguriert ist.
Bei der rotierenden elektrischen Maschine wird Energie, wie beispielsweise eine Motorleistung, die dem inneren Rotor in Form von kinetischer Energie zugeführt wird, aufgrund eines magnetischen Kopplungseffekts, da der äußere Rotor und der innere Rotor durch eine magnetische Kopplung verbunden sind, in Form von magnetischer Energie auf den äußeren Rotor übertragen. Darüber hinaus überträgt der äußere Rotor die Energie in Form von magnetischer Energie auf eine Ausgangswelle in Form von kinetischer Energie.
Die US 2005 / 0 077 800 A1 offenbart einen elektromechanischen Wandler, insbesondere ein elektrisches Verstellgetriebe, die mit einer Primärwelle mit einem darauf montierten Rotor, einer Sekundärwelle mit einem darauf montierten Zwischenrotor und einem Stator, der fest am Gehäuse des elektromechanischen Wandlers montiert ist, ausgestattet ist. Von der Primärwelle in radialer Richtung gesehen, sind der Rotor, der Zwischenrotor und der Stator konzentrisch zueinander angeordnet. Der Rotor und der Stator sind mit einer oder mehreren ein- oder mehrphasigen, elektrisch zugänglichen Wicklungen ausgebildet, so dass ein Teil der über die Primärwelle zugeführten Leistung elektromagnetisch direkt zum Zwischenrotor auf der Sekundärwelle geleitet werden kann, während ein anderer Teil von der Primärwelle dem Stator zugeführt werden kann.
Aus der US 2012 / 0 313 492 A1 ist eine elektromagnetische rotierende elektrische Maschine bekannt, bei der die Festigkeit beim Halten der Rotorwicklungen gegen die Zentrifugalkraft in einer elektromagnetischen rotierenden elektrischen Maschine erhöht ist.
Aus der JP 2014- 183 636 A ist ein Reluktanzmotor bekannt, bei dem in den statorseitigen Spulen erzeugte magnetische Flüsse mit den rotorseitigen Schenkelpolen gekoppelt sind, um eine primäre Rotationskraft zu erzeugen, während räumliche Oberschwingungen, die den magnetischen Flüssen überlagert sind, mit den rotorseitigen Induktionspolspulen gekoppelt sind, um induzierte Ströme zu erzeugen, die durch Gleichrichterelemente gleichgerichtet und als Feldströme den elektromagnetischen Spulen zugeführt werden, so dass elektromagnetische Kräfte in den elektromagnetischen Spulen erzeugt werden können, wobei verhindert wird, dass dieselben Ströme in die Induktionspolspulen und die elektromagnetischen Spulen fließen, und miteinander interferieren, so dass ein Verlust vermieden werden kann und das Drehmoment des Reluktanzmotors verbessert werden kann.
Kurzdarstellung der Erfindung
Technisches Problem
Wenn sich der äußere Rotor synchron mit einem innerhalb des Stators auftretenden rotierenden magnetischen Feld dreht, führen die Permanentmagneten bei der in der JP 2015- 16 740 A beschriebenen herkömmlichen rotierenden elektrischen Maschine, die in dem äußeren Rotor eingebettet sind und entlang des Innenumfangs nahe des inneren Rotors verteilt sind, bei Betrachtung im stationären Koordinatensystem zu der Erzeugung eines rotierenden magnetischen Feldes.
Wenn sich der innere Rotor unter dieser Voraussetzung relativ zu dem äußeren Rotor mit Schlupf dreht, koppelt ein „zeitlich variierender magnetischer Fluss bei einer Schlupffrequenz“, der aufgrund der Frequenzdifferenz zwischen dem äußeren Rotor und dem inneren Rotor auftritt, an den äußeren Rotor an.
Der „zeitlich variierende magnetische Fluss bei einer Schlupffrequenz“ verursacht jedoch eine Zunahme des Eisenverlusts und des Wirbelstromverlusts des äußeren Rotors, da es sich bei diesem um eine asynchrone Komponente in Bezug auf den inneren Rotor handelt.
Darüber hinaus handelt es sich bei dem „zeitlich variierenden magnetischen Fluss bei einer Schlupffrequenz“ um eine nicht verfügbare Energie, die einen Abfall des Leistungsfaktors verursacht. Wenn der Leistungsfaktor abfällt, wird ein Drehmoment-/Volt-Verhältnis schlechter, was aufgrund einer Notwendigkeit, die Spannung unter eine Grenze einer endlichen Gleichspannung zu begrenzen, zu einem Einbruch bei der variable Drehzahl/Drehmoment-Kennlinie führt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer rotierenden elektrischen Maschine, die in der Lage ist, eine Drehmomentdichte zu verbessern, indem ein von einer Schlupffrequenz herrührender, zeitlich variierender magnetischer Fluss, der zwischen einem äußeren Rotor und einem inneren Rotor als Feldenergie auftritt, effizient zurückgewonnen wird und die zurückgewonnene Erregerenergie zur Erzeugung eines elektromagnetischen Drehmoments verwendet wird.
Lösung für das Problem
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine rotierende elektrische Maschine bereitgestellt, die umfasst: einen Stator, der Ankerspulen beinhaltet, die so konfiguriert sind, dass sie einen Wechselstrom erhalten; einen ersten Rotor, der mit einer ersten Frequenz drehbar ist, wenn er von dem Stator einen magnetischen Fluss erhält; sowie einen zweiten Rotor, der mit einer zweiten Frequenz drehbar ist, wobei der erste Rotor beinhaltet: zumindest eine Frequenzdifferenz-Induktionsspule, die so angeordnet ist, dass sie entgegengesetzt zu dem zweiten Rotor liegt und einen von einer Frequenzdifferenz zwischen der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz herrührenden magnetischen Fluss erhält, zumindest eine Oberwellen-Induktionsspule, die so angeordnet ist, dass sie entgegengesetzt zu dem Stator liegt und Oberwellen erhält, die in dem magnetischen Fluss von dem Stator enthalten sind, sowie zumindest eine Erregerspule, die so angeordnet ist, dass sie einen Strom von der Frequenzdifferenz-Induktionsspule und der Oberwellen-Induktionsspule erhält.
Vorteilhafter Effekt der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Drehmomentdichte verbessert, indem ein von einer Schlupffrequenz herrührender, zeitlich variierender magnetischer Fluss, der zwischen einem äußeren Rotor und einem inneren Rotor als eine Erregerenergie auftritt, effizient zurückgewonnen wird und die zurückgewonnene Erregerenergie zur Erzeugung eines elektromagnetischen Drehmoments verwendet wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist ein Querschnitt entlang einer Ebene senkrecht zu einer Rotationsachse der rotierenden elektrischen Maschine, der den Aufbau einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
2 ist ein Querschnitt, der den Aufbau der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt und ein Detail der rotierenden elektrischen Maschine zeigt.
3 ist ein Schaubild, das die rotierende elektrische Maschine gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt und eine Vollwellengleichrichterschaltung zeigt, die an einem äußeren Rotor montiert ist.
4 ist ein Schaubild, das die rotierende elektrische Maschine gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt und ein Hybrid-Antriebssystem zeigt, das die rotierende elektrische Maschine beinhaltet.
5 ist ein Kollinearitäts-Schaubild für ein Vergleichsbeispiel in der Form einer rotierenden elektrischen Maschine, die als ein magnetisch modulierter, magnetloser magnetischer Getriebemotor konfiguriert ist.
6 ist ein Querschnitt, der den Aufbau des Vergleichsbeispiels in der Form der rotierenden elektrischen Maschine zeigt, die als der magnetisch modulierte, magnetlose magnetische Getriebemotor konfiguriert ist.
7 ist ein Kollinearitäts-Schaubild für die rotierende elektrische Maschine, das die rotierende elektrische Maschine gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
8 ist ein Querschnitt, der die rotierende elektrische Maschine gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt und einen Zustand zeigt, in dem ein magnetischer Kopplungseffekt in der rotierenden elektrischen Maschine auftritt.
9 ist ein Kollinearitäts-Schaubild für die rotierende elektrische Maschine, das die rotierende elektrische Maschine gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, wenn ein innerer Rotor einen positiven Schlupf aufweist.
10 ist ein Querschnitt, der die rotierende elektrische Maschine gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt und ein Konturdiagramm für eine magnetische Flussdichte zeigt, wenn der innere Rotor den positiven Schlupf aufweist.
11 ist ein Kollinearitäts-Schaubild für die rotierende elektrische Maschine, das die rotierende elektrische Maschine gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, wenn der innere Rotor einen negativen Schlupf aufweist.
12 ist ein Querschnitt, der die rotierende elektrische Maschine gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt und ein Konturdiagramm für eine magnetische Flussdichte zeigt, wenn der innere Rotor einen negativen Schlupf aufweist.
13 ist eine Graphik, welche die rotierende elektrische Maschine gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt und die von einer variablen Drehzahl abhängige Drehmoment-Kennlinie eines äußeren Rotors in Abhängigkeit von Drehzahlen des inneren Rotors zeigt.
14 ist ein Querschnitt, der die rotierende elektrische Maschine gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt und ein Konturdiagramm für eine magnetische Flussdichte zeigt, wenn der Schlupf zwischen dem inneren Rotor und dem äußeren Rotor gering ist.
15 ist eine Graphik, die Änderungen von Rotorströmen zeigt, wenn sich der Schlupf des inneren Rotors in dem in 14 gezeigten Zustand befindet.
16 ist ein Querschnitt, der die rotierende elektrische Maschine gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt und ein Konturdiagramm für eine magnetische Flussdichte zeigt, wenn der Schlupf zwischen dem inneren Rotor und dem äußeren Rotor beträchtlich ist.
17 ist eine Graphik, die Änderungen von Rotorströmen zeigt, wenn sich der Schlupf des inneren Rotors in dem in 16 gezeigten Zustand befindet.
18 ist ein Querschnitt, der die rotierende elektrische Maschine gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt und ein Konturdiagramm für eine magnetische Flussdichte zeigt, wenn der Schlupf des inneren Rotors gleich Null (0) ist und eine Sekundärerregung vorliegt.
19 ist eine Graphik, die Änderungen von Rotorströmen in der rotierenden elektrischen Maschine in dem in 18 gezeigten Zustand zeigt.
20 ist ein Querschnitt, der die rotierende elektrische Maschine gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt und ein Konturdiagramm für eine magnetische Flussdichte zeigt, wenn der Schlupf des inneren Rotors gleich Null (0) ist und keine Sekundärerregung vorliegt.
21 ist eine Graphik, die Änderungen von Rotorströmen in der rotierenden elektrischen Maschine in dem in 20 gezeigten Zustand zeigt.
22 ist eine Graphik, die einen Drehmoment-Vergleich zwischen der rotierenden elektrischen Maschine in dem Zustand von 18 mit einer Sekundärerregung und der rotierenden elektrischen Maschine in dem Zustand von 20 ohne eine Sekundärerregung bereitstellt.

Beschreibung von Ausführungsformen
Bezugnehmend auf die beigefügten Zeichnungen sind nachstehend Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung detailliert beschrieben. Die 1 bis 22 zeigen eine rotierende elektrische Maschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
(Grundaufbau einer rotierenden elektrischen Maschine)
In 1 weist eine rotierende elektrische Maschine 100 vom Doppel-Rotor-Typ eine Rotationsachse 100c auf und beinhaltet einen Stator 10, der in einer annähernd zylindrischen Form ausgebildet ist, einen äußeren Rotor als einen ersten Rotor 20 radial um die Rotationsachse 110c herum von dem Stator 10 aus nach innen sowie einen inneren Rotor als einen zweiten Rotor 30 radial um die Rotationsachse 100c herum von dem ersten Rotor 20 aus nach innen. Der äußere Rotor 20 und der innere Rotor 30 sind um die Rotationsachse 100c herum derart drehbar gelagert, dass sie relativ zueinander drehbar sind.
(Aufbaudetail einer rotierenden elektrischen Maschine)
In 2 beinhaltet der Stator 10 ein Statorblechpaket 11 sowie Ankerspulen 14. Es ist anzumerken, dass 2 einen Anteil von einem Sechstel (1/6) des Querschnitts der rotierenden elektrischen Maschine 100 zeigt.
Das Statorblechpaket 11 beinhaltet eine Mehrzahl von Statorzähnen 12. Die Statorzähne 12 erstrecken sich radial nach innen in Richtung zu der Rotationsachse 100c hin und liegen dem äußeren Rotor 20 gegenüber. Wie aus 1 ersichtlich ist, sind die Statorzähne 12 radial um die Rotationsachse 100c herum derart angeordnet, dass die Statorzähne 12 entlang des Innenumfangs des Statorblechpakets 11 gleichmäßig voneinander entfernt sind.
Ein ausgesparter Teil zwischen Seiten von zwei benachbarten der Statorzähne 12, die nebeneinander liegen, bildet einen Schlitz 13. In den Schlitzen 13 sind Ankerspulen 14 aufgenommen, die einer W-Phase, einer V-Phase und einer U-Phase einer Wechselstromquelle mit drei Phasen entsprechen.
Die Ankerspulen 14 sind mit einer konzentrierten Wicklung um die Statorzähne 12 herum gewickelt. Die Ankerspulen 14 erzeugen ein rotierendes magnetisches Feld, das während des Aufnehmens eines Dreiphasen-Wechselstroms in der Umfangsrichtung rotiert.
Der äußere Rotor 20, der als ein Rotor mit selbsterregter Erregerwicklung konfiguriert ist, beinhaltet ein Rotorjoch oder ein Rotorblechpaket 21, Erregerspulen WF, Frequenzdifferenz-Induktionsspulen Iim sowie Oberwellen-Induktionsspulen Is.
Das Rotorjoch 21 besteht aus einer magnetischen Substanz, wie beispielsweise Stahl mit einer hohen magnetischen Permeabilität, und bildet zumindest einen magnetischen Pfad. Das Rotorjoch 21 weist einen Innenumfang, der entgegengesetzt zu dem inneren Rotor 30 liegt, sowie eine Mehrzahl von inneren Schenkelpolen 22 in dem Innenumfang auf. Die Mehrzahl von inneren Schenkelpolen 22 ist entlang des Innenumfangs derart voneinander beabstandet, dass jeder der inneren Schenkelpole 22 von den benachbarten zwei inneren Schenkelpolen 22 äquidistant liegt. Die inneren Schenkelpole 22 erstrecken sich radial nach innen und enden an ihren inneren peripheren Enden, die den Innenumfang des Rotorjochs 21 bilden, so dass die inneren peripheren Enden der inneren Schenkelpole 22 entgegengesetzt zu äußeren peripheren Enden von Rotorzähnen 32 liegen, die später beschrieben werden, die einen Außenumfang des inneren Rotors 30 bilden und über einen Luftspalt G2 von den äußeren peripheren Enden der Rotorzähne 32 beabstandet sind.
Ein ausgesparter Teil zwischen Seiten von zwei benachbarten der inneren Schenkelpole 22, die nebeneinander liegen, bildet einen inneren Schlitz 25. In den inneren Schlitzen 25 sind die Frequenzdifferenz-Induktionsspulen Iim aufgenommen. Die Frequenzdifferenz-Induktionsspulen Iim sind mit einer konzentrierten Wicklung um die jeweiligen inneren Schenkelpole 22 herum gewickelt. Wie später beschrieben wird, koppelt ein magnetischer Fluss mit einer Frequenzdifferenz zwischen einer ersten Frequenz F1 [Hz] und einer zweiten Frequenz F2 [Hz] an die Frequenzdifferenz-Induktionsspulen Iim an.
Das Rotorjoch 21 weist einen Außenumfang, der entgegengesetzt zu dem Stator 10 liegt, sowie eine Mehrzahl von äußeren Schenkelpolen 23 in dem Außenumfang auf. Die Mehrzahl von äußeren Schenkelpolen 23 ist entlang des Außenumfangs derart voneinander beabstandet, dass jeder der äußeren Schenkelpole 23 äquidistant von den benachbarten zwei äußeren Schenkelpolen 23 liegt. Die äußeren Schenkelpole 23 erstrecken sich radial nach außen und enden an ihren äußeren peripheren Enden, die den Außenumfang des Rotorjochs 21 derart bilden, dass die äußeren peripheren Enden der äußeren Schenkelpole 23 entgegengesetzt zu inneren peripheren Enden von Statorzähnen 12 liegen, die einen Innenumfang des Stators 10 bilden, und über einen Luftspalt G1 von den inneren peripheren Enden der Statorzähne 12 beabstandet sind. Ein ausgesparter Teil zwischen Seiten von zwei benachbarten der äußeren Schenkelpole 22, die nebeneinander liegen, bildet einen äußeren Schlitz 24.
Wie vorstehend beschrieben, beinhaltet das Rotorjoch 21 des äußeren Rotors 20 Schenkelpol-Strukturen auf der äußeren Umfangsoberfläche, die über den Luftspalt G1 entgegengesetzt zu dem Stator 10 liegt, und auf der inneren Umfangsoberfläche, die über den Luftspalt G2 entgegengesetzt zu dem inneren Rotor 30 liegt. Das Rotorjoch 21 bildet zumindest einen magnetischen Pfad zwischen den inneren Schenkelpolen 22 und den äu-ßeren Schenkelpolen 23.
In den äußeren Schlitzen 24 sind die Oberwellen-Induktionsspulen Is und die Erregerspulen WF aufgenommen. Die Oberwellen-Induktionsspulen Is sind mit einer konzentrierten Wicklung um radial äußere Abschnitte der äußeren Schenkelpole 23 herum gewickelt. Die Oberwellen, die in dem von dem Stator 10 erzeugten magnetischen Fluss enthalten sind, koppeln an die Oberwellen-Induktionsspulen Is an.
Die Erregerspulen WF sind mit einer konzentrierten Wicklung um radial innere Abschnitte der äußeren Schenkelpole 23 herum gewickelt. Den Erregerspulen WF wird ein Gleichstrom zugeführt, der sich durch Gleichrichten eines Wechselstroms bei den Oberwellen-Induktionsspulen Is und den Frequenzdifferenz-Induktionsspulen Iim bei einem später beschriebenen Vollwellengleichrichter C ergibt (siehe 3).
Der äußere Rotor 20 dreht sich mit der ersten Frequenz F 1, die mit der Frequenz des Wechselstroms synchronisiert ist, welcher dem Stator 10 zugeführt wird.
In 2 sind zwei Frequenzdifferenz-Induktionsspulen Iim, die jeweils um zwei benachbarte innere Schenkelpole 22 herum gewickelt sind, mit Iim1 und Im2 bezeichnet. Darüber hinaus sind zwei Oberwellen-Induktionsspulen Is, die jeweils um die radial äu-ßeren Abschnitte von zwei benachbarten äußeren Schenkelpolen 23 herum gewickelt sind, mit Is1 und Is2 bezeichnet. Schließlich sind zwei Erregerspulen WF, die jeweils um die radial inneren Abschnitte von zwei benachbarten äußeren Schenkelpolen 23 herum gewickelt sind, mit WF1 und WF2 bezeichnet.
Der äußere Rotor 20 beinhaltet den in 3 gezeigten Vollwellengleichrichter C. Bezugnehmend auf 3 ist der Vollwellengleichrichter C mit einem Oberwellen-Vollwellengleichrichter C1, einer Frequenzdifferenz-Vollwellen-Schaltung C2 sowie Erregerspulen WF1, WF2 ausgebildet.
Der Oberwellen-Vollwellengleichrichter C1 ist derart konfiguriert, dass die Oberwellen-Induktionsspule Isl und eine Diode D1 in Reihe geschaltet sind und die Oberwellen-Induktionsspule Is2 und eine Diode D2 in Reihe geschaltet sind.
Der Frequenzdifferenz-Vollwellengleichrichter C2 ist derart konfiguriert, dass die Frequenzdifferenz-Induktionsspule Iim 1 und eine Diode D1 in Reihe geschaltet sind und die Frequenzdifferenz-Induktionsspule Iim2 und eine Diode D2 in Reihe geschaltet sind.
Die Erregerspulen WF1 und WF2 sind in Reihe geschaltet. Der Oberwellen-Vollwellengleichrichter C1 und die Frequenzdifferenz-Vollwellen-Schaltung C2 sind parallel mit den Erregerspulen WF 1 und WF2 geschaltet.
Der Vollwellengleichrichter C richtet Wechselströme, die von den Oberwellen-Induktionsspulen Is (Is1, Is2) und den Frequenzdifferenz-Induktionsspulen Iim (Iim1, Iim2) erzeugt werden, zu einem Gleichstrom gleich und führt den Erregerspulen WF (WF1, WF2) den gleichgerichteten Gleichstrom zu.
Der innere Rotor 30, der als ein Rotor mit Induktionswicklung konfiguriert ist, beinhaltet ein Rotorblechpaket 31 sowie Erregerspulen 34.
Das Rotorblechpaket 31 weist einen Außenumfang, der entgegengesetzt zu dem äußeren Rotor 20 liegt, sowie eine Mehrzahl von Rotorzähnen 32 in dem Außenumfang auf. Die Mehrzahl von Rotorzähnen 32 erstreckt sich von der Rotationsachse 100c derart radial nach außen, dass die Rotorzähne 32 entlang des Außenumfangs derart voneinander beabstandet sind, dass jeder der Rotorzähne 32 äquidistant zu den zwei benachbarten Rotorzähnen 32 liegt.
Ein ausgesparter Teil zwischen Seiten von zwei benachbarten der Rotorzähne 32, die nebeneinander liegen, bildet einen Schlitz 33. In den Schlitzen 33 sind die Erregerspulen 34 aufgenommen, die in Gruppen unterteilt sind, die jeweils einer von drei Phasen einer Dreiphasen-Wechselstromquelle entsprechen.
Die Erregerspulen 34 sind mit einer verteilten Wicklung um die Rotorzähne 32 herum gewickelt. Die Erregerspulen 34 erzeugen aufgrund einer Sekundärerregung während der Zufuhr eines Wechselstroms einen magnetischen Fluss. Eine zeitlich variierende Dichte eines magnetischen Flusses, der an die Erregerspulen 34 ankoppelt, bewirkt, dass die Erregerspulen einen induzierten Strom erzeugen (oder induzieren). Die Rotorzähne 32 weisen äußere periphere Enden auf und enden an diesen, wobei die äußeren peripheren Enden den Außenumfang des Rotorblechpakets 31 bilden, der entgegengesetzt zu dem Innenumfang des Rotorjochs 21 des äußeren Rotors 20 liegt, von diesem jedoch über den Luftspalt G2 beabstandet ist. Da der innere Rotor 30 relativ zu dem äu-ßeren Rotor 20 drehbar gelagert ist, dreht sich der innere Rotor 30 mit einer zweiten Frequenz F2, die sich von der ersten Frequenz F1 unterscheidet, mit der sich der äußere Rotor 20 dreht. Die zweite Frequenz F2 ist asynchron zu der Frequenz (d.h. der ersten Frequenz F1) des zugeführten Wechselstroms.
Nun ist bei der rotierenden elektrischen Maschine 100 eine Schlitz-Pol-Kombination zwischen den Schenkelpolen des äußeren Rotors 20 und den Schlitzen des Stators 10, d.h. (Anzahl von Polen) : (Anzahl von Schlitzen), gleich 2 : 3. Mit anderen Worten, wenn P die Anzahl der äußeren Schenkelpole 23 des äußeren Rotors 20 repräsentiert und S die Anzahl der Schlitze 13 des Stators 10 repräsentiert, dann ist P : S = 2 : 3.
Diese Konfiguration ermöglicht eine Kopplung eines magnetischen Flusses, der durch 360 mechanische Grad hindurch mit einer gleichmäßigen Dichte über den gesamten Umfang hinweg verteilt ist, um so eine Rotation des äußeren Rotors 20 innerhalb des Stators 10 mit einer hohen Qualität bereitzustellen. Das Verwenden eines magnetischen Flusses einer Raumoberwelle, um ein Drehmoment zu erzeugen, ermöglicht eine ruhige Rotation des äußeren Rotors 20, indem effizient Energie gesammelt wird, die ansonsten verloren ist, und indem eine elektromagnetische Vibration beachtlich verringert wird.
Im Hinblick auf den inneren Rotor 30 ist es bevorzugt, dass die Anzahl der Rotorzähne 32 gleich 6 x P ist, wobei P die Anzahl von Polen ist. Bei der dargestellten Ausführungsform der rotierenden elektrischen Maschine 100 beträgt die Anzahl von Polen P 12, so dass die Anzahl der Rotorzähne 32 gleich 6 x 12 = 72 ist.
Mit anderen Worten, die Erregerspulen 34 mit einer verteilten Wicklung sind in dem inneren Rotor 30 um die Rotorzähne 32 herum gewickelt, die Schlitze definieren, deren Anzahl gleich dem Sechsfachen der Anzahl der Pole ist. Durch eine derartige verteilte Wicklung wird eine geeignete Spulenweite sichergestellt, was die Menge des magnetischen Flusses erhöht, der an die Erregerspulen 34 ankoppelt, und die Drehmoment-Dichte verbessert.
Die vorstehend beschriebene Konfiguration ermöglicht eine Übertragung einer Motor- Ausgangsleistung von dem inneren Rotor 30 auf den äußeren Rotor 20 mittels einer magnetischen Kopplung zwischen den Rotoren.
(Hybrides Antriebssystem mit Verwendung einer Ausführungsform einer rotierenden elektrischen Maschine)
In 4 bildet die rotierende elektrische Maschine 100 zusammen mit einem Motor 201, einer Antriebswelle 202 und einer Antriebseinheit 250 ein hybrides Antriebssystem 200.
Der innere Rotor 30 ist integral mit dem Motor 201 drehbar, da eine Ausgangswelle 30A des inneren Rotors 30 mit dem Motor 201 gekoppelt ist. Der äußere Rotor 20 ist integral mit der Antriebswelle 202 drehbar, da eine Ausgangswelle 20A des äußeren Rotors 20 mit der Antriebswelle 202 gekoppelt ist. Die Ausgangswelle 30A trägt drei Schleifringe 39, die jeweils einem Phasenstromleiter einer Dreiphasen-Wechselstromquelle entsprechen.
Die Antriebseinheit 250 beinhaltet eine Batterie 251, einen Wechselrichter 252 sowie einen Wechselrichter 253. Die Batterie 251, bei der es sich um einen Akku handelt, ist mit dem Wechselrichter 252 und dem Wechselrichter 253 verbunden.
Der Wechselrichter 252 ist mit den Ankerspulen 14 auf dem Stator 10 verbunden. Der Wechselrichter 252 wandelt einen der Batterie 251 entnommenen Gleichstrom in einen Dreiphasen-Wechselstrom um und führt den Ankerspulen 14 den Dreiphasen-Wechselstrom zu.
Der Wechselrichter 253 ist über die Schleifringe 39 mit den Erregerspulen 34 auf dem inneren Rotor 30 verbunden. Der Wechselrichter 253 wandelt einen der Batterie 251 entnommenen Gleichstrom in einen Dreiphasen-Wechselstrom um und führt den Erregerspulen 34 den Dreiphasen-Wechselstrom zu.
Der innere Rotor 30 wird mit dem Wechselstrom von dem Wechselrichter 253 sekundär erregt. Um den inneren Rotor 30 sekundär zu erregen, kann eine bürstenlose Sekundärerregungs-Konfiguration verwendet werden. Bei der bürstenlosen Sekundärerregungs-Konfiguration wird eine Maschine endlicher Zustände (FSM), nicht dargestellt, mittels Eingaben aktiviert, die eine Eingabe eines Gleichstroms von der Batterie 251 beinhalten, um auf dem inneren Rotor 30 einen magnetischen Fluss ähnlich einer Sinuskurve zu erzeugen, der sich mit einer Winkelfrequenz ändert, die beschreibt, wie schnell sich der innere Rotor 30 dreht.
(Vergleich der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit einem Vergleichsbeispiel in Form eines magnetisch modulierten magnetlosen magnetischen Getriebemotors in ihren Kollinearitäts-Schaubildern)
Die 5 und 6 zeigen ein Kollinearitäts-Schaubild für das Vergleichsbeispiel in Form eines magnetisch modulierten magnetischen Getriebemotors beziehungsweise den Aufbau desselben. Darüber hinaus stellen die 7 und 8 ein Kollinearitäts-Schaubild für die rotierende elektrische Maschine 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beziehungsweise den Aufbau derselben dar.
Bei der rotierenden elektrischen Maschine 100 wird unter Bezugnahme auf 8 der Dreiphasen-Wechselstrom, der sich mit der zweiten Frequenz F2 ändert, den Erregerspulen 34 des inneren Rotors 30 zugeführt. Die Erregerspulen 34 werden mittels des Dreiphasen-Wechselstroms, der sich mit der zweiten Frequenz F2 ändert, sekundär erregt.
Bezugnehmend auf 6 ist der allgemein mit 300 bezeichnete magnetisch modulierte magnetische Getriebemotor als ein magnetloser Motor konfiguriert, der einen Stator 310, einen Modulator 320 sowie einen Rotor mit einer Erregerwicklung 330 beinhaltet. Der Stator 310 beinhaltet eine Mehrzahl von Statorzähnen 311, die sich radial nach innen in Richtung zu der Rotationsachse hin erstrecken. Wie aus 6 ersichtlich ist, sind die Statorzähne 311 radial um die Rotationsachse herum derart angeordnet, dass die Statorzähne 311 entlang der Bogenlänge des Stators 310 gleichmäßig voneinander entfernt sind. Unter Verwendung von Schlitzen 312, die jeweils zwischen Seiten von zwei benachbarten der Statorzähne 311 definiert sind, werden Ankerspulen 313 mit einer verteilten Wicklung um den Stator 310 herum gewickelt. Der Modulator 320 beinhaltet eine Mehrzahl von prismatischen Stäben oder von einen magnetischen Pfad bildenden Elementen 321, die aus einem weichmagnetischen Material gebildet sind, wie beispielsweise Stahl mit einer hohen magnetischen Permeabilität, und sich in der axialen Richtung entlang der Rotationsachse erstrecken und die derart angeordnet sind, dass die einen magnetischen Pfad bildenden Elemente 321 entlang der Bogenlänge des Stators 310 voneinander entfernt sind, wodurch ein Rotor eines sogenannten Käfigläufermotors gebildet wird. Mit anderen Worten, die einen magnetischen Pfad bildenden Elemente 321, die jeweils den Durchgang eines magnetischen Flusses ermöglichen, und Spalte 322, die jeweils den Durchgang eines magnetischen Flusses unterbrechen, sind abwechselnd entlang der Bogenlänge des Modulators 320 angeordnet. Während einer Rotation des Modulators 320 relativ zu dem Stator 310 spielen die einen magnetischen Pfad bildenden Elemente 321 und die Spalte 322 abwechselnd ihre spezifischen Rollen beim Bilden eines Magnetkreises. Der Rotor mit der Erregerwicklung 330 beinhaltet Induktionsspulen 334, die um radial nach außen weisende Abschnitte ihrer Rotorzähne herum gewickelt sind, sowie Erregerspulen 335, die um radial nach innen weisende Abschnitte herum gewickelt sind. Bei einem derartigen magnetisch modulierten magnetischen Getriebemotor 300 drehen sich alle von dem rotierenden magnetischen Feld, das von dem Stator 310 bereitgestellt wird, dem Rotor mit der Erregerwicklung 330 sowie dem Modulator 320 asynchron, wie aus 5 ersichtlich.
Andererseits drehen sich bei der rotierenden elektrischen Maschine 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform das rotierende magnetische Feld, das von dem Stator 10 bereitgestellt wird, und der äußere Rotor 20 synchron. Darüber hinaus kann sich der innere Rotor 30 bei dieser rotierenden elektrischen Maschine 100 asynchron in Bezug auf den äußeren Rotor 20 und das rotierende magnetische Feld drehen, das von dem Stator 10 bereitgestellt wird.
(Ein Beispiel für einen Antriebsmodus einer rotierenden elektrischen Maschine)
Bei der rotierenden elektrischen Maschine 100 sind die Ausgangswellen des äu-ßeren Rotors 20 und des inneren Rotors 30 unabhängig voneinander aufgebaut.
Bezugnehmend auf die 9 und 10 ermöglicht diese Konfiguration ein Betreiben der rotierenden elektrischen Maschine 100 derart, dass ein Schlupf in einen positiven oder Plus-Zustand gebracht wird, d.h. einen Zustand, in dem sich der innere Rotor 30 langsamer dreht als das rotierende magnetische Feld. In den 9 und 10 drehen sich das rotierende magnetische Feld, das von dem Stator 10 bereitgestellt wird, und der äu-ßere Rotor 20 synchron. Darüber hinaus dreht sich der innere Rotor 30 asynchron mit einer Geschwindigkeit, die geringer als eine Geschwindigkeit ist, mit der sich das rotierende magnetische Feld, das von dem Stator 10 bereitgestellt wird, und der äußere Rotor 20 drehen.
Bezugnehmend auf die 11 und 12 ermöglicht diese Konfiguration ein Betreiben der rotierenden elektrischen Maschine 100 derart, dass ein Schlupf in einen negativen oder Minus-Zustand gebracht wird, d.h. einen Zustand, in dem sich der innere Rotor 30 schneller dreht als das rotierende magnetische Feld. In den 11 und 12 drehen sich das rotierende magnetische Feld, das von dem Stator 10 bereitgestellt wird, und der äußere Rotor 20 synchron. Darüber hinaus dreht sich der innere Rotor 30 asynchron mit einer Geschwindigkeit, die größer als eine Geschwindigkeit ist, mit der sich das rotierende magnetische Feld, das von dem Stator 10 bereitgestellt wird, und der äußere Rotor 20 drehen. Es ist anzumerken, dass sich der äußere Rotor 20 und der innere Rotor 30 in den 10 und 12 im Gegenuhrzeigersinn drehen.
(Von einer variablen Drehzahl abhängige Drehmoment-Kennlinie des äußeren Rotors in Abhängigkeit von Drehzahlen des inneren Rotors)
Wie aus 13 ersichtlich, überträgt der rotierende elektrische Strom 100 eine kinetische Energie des inneren Rotors 30 mittels des Effekts der magnetischen Kupplung bei oder nach einem Drehen des inneren Rotors 30 mit einer höheren Geschwindigkeit als jener des äußeren Rotors 20 auf den äußeren Rotor 20, d.h. bei oder nach einem Versetzen des Schlupfes des inneren Rotors 30 in einen negativen oder Minus-Zustand. Mit anderen Worten, ein von dem Effekt der magnetischen Kopplung herrührendes Drehmoment, ein sogenanntes „Drehmoment eines magnetischen Kopplungseffekts“, wird von dem inneren Rotor 30 auf den äußeren Rotor 20 aufgebracht.
Nun war bei der herkömmlichen rotierenden elektrischen Maschine mit einem äußeren Rotor, der Permanentmagnete verwendet, ein zeitlich variierender magnetischer Fluss bei einer Schlupffrequenz verloren. Andererseits gewinnen die Frequenzdifferenz-Induktionsspulen Iim, die um den äußeren Rotor 20 herum gewickelt sind, bei der rotierenden elektrischen Maschine 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform den zeitlich variierenden magnetischen Fluss bei der Schlupffrequenz als Erregerenergie zurück, was die Drehmoment-Dichte verbessert, indem die Erzeugung eines elektromagnetischen Drehmoments durch die zurückgewonnene Erregerenergie bewirkt wird.
Bei einer detaillierten Beschreibung bewirkt die Oberwelle, die in dem innerhalb des Stators 10 erzeugten magnetischen Fluss enthalten ist, bei der rotierenden elektrischen Maschine 100 gemäß der vorliegenden Erfindung, dass die Oberwellen-Induktionsspulen Is induzierte Wechselströme erzeugen, während der zeitlich variierende magnetische Fluss bei der Schlupffrequenz bewirkt, dass die Frequenzdifferenz-Induktionsspulen Iim aufgrund einer Induktionsspannung einen induzierten Wechselstrom erzeugen. Dann bewirken diese induzierten Wechselströme, dass die Erregerspulen WF auf dem äußeren Rotor 20 einen direkten magnetischen Fluss erzeugen, um so den Effekt eines stärkeren magnetischen Feldes nach einer Gleichrichtung durch die Vollwellengleichrichter-Schaltung C zu einem Gleichstrom zu bieten.
Mit anderen Worten, bei der rotierenden elektrischen Maschine 100 wird die Raumoberwelle aufgrund der Tatsache erzeugt, dass die Ankerspulen 14 mit einer konzentrierten Wicklung gewickelt sind, diese Raumoberwelle wird jedoch mittels der Oberwellen-Induktionsspulen Is zurückgewonnen und als eine Erregerenergiequelle für die Erregerspulen WF auf dem äußeren Rotor 20 verwendet.
Darüber hinaus wird die Schlupffrequenz bei der rotierenden elektrischen Maschine 100 zwischen dem äußeren Rotor 20 und dem inneren Rotor 30 aufgrund des asynchronen Doppel-Rotor-Aufbaus erzeugt, der den äußeren Rotor 20 und den inneren Rotor 30 beinhaltet, diese Schlupffrequenz wird jedoch mittels der Frequenzdifferenz-Induktionsspulen Iim zurückgewonnen und als eine Erregerenergie-Quelle für die Erregerspulen WF auf dem äußeren Rotor 20 verwendet.
Da das Rotorjoch 21 des äußeren Rotors 20 bei der rotierenden elektrischen Maschine 100 darüber hinaus mit den äußeren Schenkelpolen 23 ausgebildet ist, tritt der magnetische Fluss, der innerhalb des Stators 10 erzeugt wird, nach einem Durchlaufen von einem der äußeren Schenkelpole 23, die einen geringeren magnetischen Widerstand als in Luft aufweisen (d.h. die eine hohe magnetische Permeabilität aufweisen), in das Rotorjoch 21 ein, durchläuft einen Abschnitt zwischen den benachbarten äußeren und inneren Schlitzen 24 und 25 und kehrt von dem benachbarten äußeren Schenkelpol 23 zu dem Stator 10 zurück. Es besteht eine Tendenz für den magnetischen Fluss zum Schrumpfen, so dass die Länge des magnetischen Flusses auf eine minimale Strecke verringert wird. Die Stärke, mit welcher der magnetische Fluss zum Schrumpfen tendiert, wirkt als ein Reluktanz-Moment auf den äußeren Rotor 20, was bewirkt, dass sich der äußere Rotor 20 synchron mit dem rotierenden magnetischen Feld dreht, das von dem Stator 10 bereitgestellt wird. Mit anderen Worten, indem das Rotorjoch 21 des äußeren Rotors 20 mit den äußeren Schenkelpolen 23 gebildet wird, verwendet die rotierende elektrische Maschine 100 das Reluktanz-Moment.
Wie vorstehend beschrieben, verbessert die rotierende elektrische Maschine 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Drehmoment-Dichte des äußeren Rotors 20, indem das elektromagnetische Drehmoment verwendet wird, das mittels Speisen der Erregerspulen WF mit einem induzierten Strom erzeugt wird, der von den Oberwellen-Induktionsspulen Is induziert wird und der von den Frequenzdifferenz-Induktionsspulen Iim erzeugt wird, indem das Reluktanz-Moment verwendet wird, das erzeugt wird, indem bewirkt wird, dass der magnetische Fluss durch die äußeren Schenkelpole hindurch strömt, die in dem Rotorjoch 21 des äußeren Rotors 20 ausgebildet sind, und indem das Drehmoment durch magnetische Kopplung verwendet wird, das als Rückwirkung funktioniert, indem der innere Rotor 30 mit einer höheren Geschwindigkeit als jener des äußeren Rotors 20 gedreht wird (d.h. indem der Schlupf „s“ in einen negativen oder Minus-Zustand gebracht wird).
(Induzierter Strom durch Frequenzdifferenz-Induktionsspulen und induzierter Strom durch Oberwellen-Induktionsspulen)
14 zeigt einen Zustand der rotierenden elektrischen Maschine 100, wenn sich der innere Rotor 30 mit 3.500 Umdrehungen/Minute dreht und sich der äußere Rotor 20 mit 2.000 Umdrehungen/Minute dreht. In 14 erzeugt der Stator 10 ein rotierendes magnetisches Feld, das sich im Gegenuhrzeigersinn dreht, und der äußere Rotor 20 dreht sich synchron mit 2.000 Umdrehungen/Minute mit diesem rotierenden magnetischen Feld. Darüber hinaus dreht sich der innere Rotor 30 mit dem Schlupf „s“ in einem negativen oder Minus-Zustand im Gegenuhrzeigersinn mit einer Drehzahl, die um 1.500 Umdrehungen/Minute höher als jene des äußeren Rotors 20 ist.
15 zeigt einen induzierten Strom durch die Frequenzdifferenz-Induktionsspulen Iim und jenen durch die Oberwellen-Induktionsspulen Is, wenn sich der innere Rotor 30 mit 3.500 Umdrehungen/Minute dreht und sich der äußere Rotor 20 mit 2.000 Umdrehungen/Minute dreht.
16 zeigt einen Zustand der rotierenden elektrischen Maschine 100, wenn sich der innere Rotor 30 mit 5.000 Umdrehungen/Minute dreht und sich der äußere Rotor 20 mit 2.000 Umdrehungen/Minute dreht. In 16 erzeugt der Stator 10 ein rotierendes magnetisches Feld, das sich im Gegenuhrzeigersinn dreht, und der äußere Rotor 20 dreht sich synchron mit 2.000 Umdrehungen/Minute mit diesem rotierenden magnetischen Feld. Darüber hinaus dreht sich der innere Rotor 30 mit dem Schlupf „s“ in einem negativen oder Minus-Zustand im Gegenuhrzeigersinn mit einer Geschwindigkeit, die um 3.000 Umdrehungen/Minute höher als jene des äußeren Rotors 20 ist.
17 zeigt einen induzierten Strom durch die Frequenzdifferenz-Induktionsspulen Iim und jenen durch die Oberwellen-Induktionsspulen Is, wenn sich der innere Rotor 30 mit 5.000 Umdrehungen/Minute dreht und sich der äußere Rotor 20 mit 2.000 Umdrehungen/Minute dreht.
In den 15 und 17 kennzeichnen Linien mit der Bezeichnung „Seite des Stators“ einen induzierten Strom durch Oberwellen-Induktionsspulen Is, und Linien mit der Bezeichnung „Seite des inneren Rotors“ kennzeichnen einen induzierten Strom durch Frequenzdifferenz-Induktionsspulen Iim. Darüber hinaus kennzeichnet „(CCW)“, dass eine Richtung, in die der induzierte Strom vor einer Gleichrichtung strömt, eine Richtung ist, die eine Drehung des äußeren Rotors 20 im Gegenuhrzeigersinn (CCW) bewirkt, und „(CW)“ kennzeichnet, dass eine Richtung, in die der induzierte Strom vor einer Gleichrichtung strömt, eine Richtung ist, die eine Drehung des äußeren Rotors 20 im Uhrzeigersinn (CW) bewirkt.
Die Tatsache, dass der induzierte Strom, bei dem es sich um eine Oberwelle mit einer Frequenz handelt, die das Dreifache der Grundfrequenz ist, von den Oberwellen-Induktionsspulen Is erzeugt wird, wie aus den 15 und 17 ersichtlich ist, stellt sicher, dass die dritte zeitliche Oberwelle, die von den Ankerspulen 14 verursacht wird, die mit einer konzentrierten Wicklung um den Stator herum gewickelt sind, als eine Erregerenergie-Quelle für die Erregerspulen WF auf dem äußeren Rotor 20 genutzt wird. Es ist anzumerken, dass es sich bei der dritten zeitlichen Oberwelle um die zweite Raumoberwelle im Ruhe-Koordinatensystem handelt.
Darüber hinaus stellt die Tatsache, dass der von der Schlupffrequenz herrührende induzierte Strom von den Frequenzdifferenz-Induktionsspulen Iim erzeugt wird, eine Nutzung des zeitlich variierenden magnetischen Flusses, der von der Schlupffrequenz verursacht wird, als eine Erregerenergie-Quelle für die Erregerspulen WF sicher.
Ein Vergleich der 15 bis 17 hinsichtlich der Linien mit der Bezeichnung „Seite des inneren Rotors“ macht deutlich, dass in dem Fall von 17, bei dem die Schlupffrequenz höher als jene in 15 ist, von den Frequenzdifferenz-Induktionsspulen Iim ein höherer induzierter Strom erzeugt wird. Somit ist im Fall von 17, bei dem der zeitlich variierende magnetische Fluss, der von der Schlupffrequenz verursacht wird, größer als jener in 15 ist, eine höhere Erregerenergie für die Erregerspulen WF vorhanden.
(Vergleich eines induzierten Stroms durch Frequenzdifferenz-Induktionsspulen mit einem induzierten Strom durch Oberwellen-Induktionsspulen mit oder ohne eine Sekundärerregung, wenn der Schlupf = 0 ist)
18 zeigt einen Zustand der rotierenden elektrischen Maschine 100 mit einer Sekundärerregung des inneren Rotors 30 in einem Zustand, in dem der Schlupf „s“ = 0 ist, d.h. wenn sich der innere Rotor 30 und der äußere Rotor 20 synchron mit dem rotierenden magnetischen Feld drehen. In 18 erzeugt der Stator 10 ein rotierendes magnetisches Feld, das sich im Gegenuhrzeigersinn dreht, und der äußere Rotor 20 und der innere Rotor 30 drehen sich synchron mit dem rotierenden magnetischen Feld mit 1.000 Umdrehungen/Minute.
19 zeigt einen induzierten Strom durch die Frequenzdifferenz-Induktionsspulen Iim und jenen durch die Oberwellen-Induktionsspulen Is, wenn sich die rotierende elektrische Maschine 100 in dem Zustand von 18 befindet.
20 zeigt einen Zustand der rotierenden elektrischen Maschine 100 ohne eine Sekundärerregung des inneren Rotors 30 in einem Zustand, in dem der Schlupf „s“ = 0 ist, d.h. wenn sich der innere Rotor 30 und der äußere Rotor 20 synchron mit dem rotierenden magnetischen Feld drehen. In 20 erzeugt der Stator 10 ein rotierendes magnetisches Feld, das sich im Gegenuhrzeigersinn dreht, und der äußere Rotor 20 und der innere Rotor 30 drehen sich mit 1.000 Umdrehungen/Minute synchron mit dem rotierenden magnetischen Feld.
21 zeigt einen induzierten Strom durch die Frequenzdifferenz-Induktionsspulen Iim und jenen durch die Oberwellen-Induktionsspulen Is, wenn sich die rotierende elektrische Maschine 100 in dem Zustand von 20 befindet.
In den 19 und 21 kennzeichnen Linien mit der Bezeichnung „Seite des Stators“ einen induzierten Strom durch Oberwellen-Induktionsspulen Is, und Linien mit der Bezeichnung „Seite des inneren Rotors“ kennzeichnen einen induzierten Strom durch Frequenzdifferenz-Induktionsspulen Iim. Darüber hinaus kennzeichnet „(CCW)“, dass eine Richtung, in die der induzierte Strom vor einer Gleichrichtung strömt, eine Richtung ist, die eine Drehung des äußeren Rotors 20 im Gegenuhrzeigersinn (CCW) bewirkt, und „(CW)“ kennzeichnet, dass eine Richtung, in die der induzierte Strom vor einer Gleichrichtung strömt, eine Richtung ist, die eine Drehung des äußeren Rotors 20 im Uhrzeigersinn (CW) bewirkt. In 21 ist der induzierte Strom, wie durch die strichpunktierte Linie mit der Bezeichnung „Seite des inneren Rotors (CCW)“ gekennzeichnet, gleich Null (0) und ist konstant gehalten.
In dem in 18 gezeigten Fall mit einer Sekundärerregung des inneren Rotors 30, der sich von dem Fall ohne Sekundärerregung des inneren Rotors 30 unterscheidet, wie er in 20 gezeigt ist, wirkt der magnetische Fluss, der von der Sekundärerregung des inneren Rotors 30 verursacht wird, auf den äußeren Rotor 20 ein und überlagert die Erregung, die aus dem zeitlich variierenden magnetischen Fluss der dritten zeitlichen Oberwelle resultiert, und jene Erregung auf dem äußeren Rotor 20, die aus dem zeitlich variierenden magnetischen Fluss bei einer Schlupffrequenz resultiert.
Aus 19 ist im Vergleich mit 21 ersichtlich, dass der Strom mit der Bezeichnung „Seite des inneren Rotors (CCW)“ und der Strom mit der Bezeichnung „Seite des inneren Rotors (CW)“ in dem Fall einer Rotation mit einer Sekundärerregung des inneren Rotors 30 höher als ihre in 21 gezeigten Pendants sind, dass jedoch der Strom mit der Bezeichnung „Seite des Stators (CCW)“ und der Strom mit der Bezeichnung „Seite des Stators (CW)“ niedriger als ihre in 21 gezeigten Pendants sind. Dies verursacht eine Zunahme der Energie der Schlupffrequenz, d.h. der Ströme mit der Bezeichnung „Seite des inneren Rotors (CCW)“ und „Seite des inneren Rotors (CW)“ in dem Fall einer Rotation mit einer Sekundärerregung des inneren Rotors 30 im Vergleich zu jener in 21, wenngleich die Höhe der Raumoberwellen-Energie, d.h. der Ströme mit der Bezeichnung „Seite des Stators (CCW)“ und „Seite des Stators (CW)“, die von den Oberwellen-Induktionsspulen Is erhalten wird, im Vergleich zu jener in 21 abnimmt.
Wie in 22 gezeigt, bleibt das auf den inneren Rotor aufgebrachte Drehmoment ohne eine Sekundärerregung gleich Null (0), und das auf den inneren Rotor aufgebrachte Drehmoment mit einer Sekundärerregung schwankt zwischen positiven und negativen Niveaus, das auf den äußeren Rotor aufgebrachte Drehmoment mit einer Sekundärerregung schwankt jedoch mehr in die positive oder Plus-Seite hinein als das auf den äußeren Rotor aufgebrachte Drehmoment ohne eine Sekundärerregung. Eine Evaluierung des Drehmoments bei Vorhandensein oder Fehlen einer Sekundärerregung macht deutlich, dass das auf den äußeren Rotor 20 aufgebrachte Drehmoment während einer Rotation mit einer Sekundärerregung stärker verbessert wird als jenes während einer Rotation ohne eine Sekundärerregung.
Mit anderen Worten, es ist möglich, das auf den äußeren Rotor 20 aufgebrachte Drehmoment mittels einer Sekundärerregung des inneren Rotors 30 auch in einem Modus zu verbessern, in dem als ein Ergebnis dessen, dass eine Übertragung eines Drehmoments des inneren Rotors 30 durch eine magnetische Kopplung, die von einem mittels des inneren Rotors 30 erzeugten rotierenden magnetischen Feld hervorgerufen wird, auf den äußeren Rotor 20 ermöglicht wird, der Schlupf „s“ = 0 ist.
Die rotierende elektrische Maschine gemäß der vorliegenden Ausführungsform, wie sie vorstehend beschrieben wurde, weist folgende Effekte auf:

Die rotierende elektrische Maschine 100 beinhaltet den Stator 10, den äußeren Rotor 20 sowie den inneren Rotor 30. Der Stator 10 beinhaltet die Ankerspulen 14. Die Ankerspulen 14 erzeugen während der Zufuhr eines Wechselstroms einen magnetischen Fluss. Der äußere Rotor 20, der radial um die Rotationsachse 100c von dem Stator 10 aus nach innen angeordnet ist, ist mit der ersten Frequenz F 1 drehbar, wenn der in dem Stator 10 erzeugte magnetische Fluss an ihn ankoppelt. Der innere Rotor 30, der radial um die Rotationsachse 100c von dem äußeren Rotor 20 aus nach innen angeordnet ist, ist mit der zweiten Frequenz F2 drehbar, die sich von der ersten Frequenz F1 unterscheiden kann.

Der äußere Rotor 20 beinhaltet die Frequenzdifferenz-Induktionsspulen Iim, die um die inneren Schenkelpole 22 in dem Innenumfang herum gewickelt sind, der entgegengesetzt zu dem inneren Rotor 30 liegt, die Oberwellen-Induktionsspulen Is, die um radial äußere Abschnitte der äußeren Schenkelpole 23 in dem Außenumfang herum gewickelt sind, der entgegengesetzt zu dem Stator 10 liegt, sowie die Erregerspulen WF, die um radial innere Abschnitte der äußeren Schenkelpole 23 herum gewickelt sind. Der magnetische Fluss der Frequenzdifferenz zwischen der ersten Frequenz F1 und der zweiten Frequenz F2 koppelt an zumindest eine von den Frequenzdifferenz-Induktionsspulen Iim an. Die Oberwelle, die in dem magnetischen Fluss enthalten ist, der in dem Stator 10 erzeugt wird, koppelt an zumindest eine von den Oberwellen-Induktionsspulen Is an. Der elektrische Strom, der von den Oberwellen-Induktionsspulen Is und den Frequenzdifferenz-Induktionsspulen Iim erzeugt wird, wird den Erregerspulen WF zugeführt.
Gemäß dieser rotierenden elektrischen Maschine 100 wird der zeitlich variierende magnetische Fluss der Schlupffrequenz zwischen dem äußeren Rotor 20 und dem inneren Rotor 30 mittels Drehen des äußeren Rotors 20 mit der ersten Frequenz F1 und Drehen des inneren Rotors 30 mit der zweiten Frequenz F2 erzeugt.
Darüber hinaus koppelt der magnetische Fluss der Frequenzdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Frequenz F1 und F2 an zumindest eine von den Frequenzdifferenz-Induktionsspulen Iim an, was bewirkt, dass die Frequenzdifferenz-Induktionsspule Iim einen induzierten Strom erzeugt.
Außerdem koppelt die Oberwelle, die in dem magnetischen Fluss enthalten ist, der in dem Stator 10 erzeugt wird, zumindest an eine von den Oberwellen-Induktionsspulen Is an, was bewirkt, dass die Oberwellen-Induktionsspule Is einen induzierten Strom erzeugt.
Das elektromagnetische Drehmoment wird erzeugt, indem den Erregerspulen WF die bei den Oberwellen-Induktionsspulen Is und den Frequenzdifferenz-Induktionsspulen Iim erzeugten Ströme zugeführt werden.
Im Ergebnis wird der zeitlich variierende magnetische Fluss der Schlupffrequenz effizient als Erregerenergie zurückgewonnen. Die Drehmoment-Dichte wird mittels Erzeugen eines elektromagnetischen Drehmoments unter Verwendung der zurückgewonnenen Erregerenergie verbessert.
Darüber hinaus wird bei der rotierenden elektrischen Maschine 100 zusätzlich zu dem Reluktanz-Moment das elektromagnetische Drehmoment mittels der Erregerspulen WF erzeugt, was eine Kostenzunahme aufgrund der Verwendung von Permanentmagneten vermeidet.
Außerdem beinhaltet der äußere Rotor 20 bei der rotierenden elektrischen Maschine 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform den Vollwellengleichrichter C, der so konfiguriert ist, dass er die Wechselströme, die bei den Oberwellen-Induktionsspulen Is und den Frequenzdifferenz-Induktionsspulen Iim erzeugt werden, zu einem Gleichstrom gleichrichtet und den Erregerspulen WF den gleichgerichteten Gleichstrom zuführt.
Gemäß der rotierenden elektrischen Maschine 100 wird bewirkt, dass die Erregerspulen WF des äußeren Rotors 20 einen direkten magnetischen Fluss erzeugen, um das magnetische Feld zu stärken, indem die Wechselströme, die bei den Frequenzdifferenz-Induktionsspulen Iim und den Oberwellen-Induktionsspulen Is erzeugt werden, über den Vollwellengleichrichter C zu dem Gleichstrom gleichgerichtet werden.
Darüber hinaus ist der äußere Rotor 20 bei der rotierenden elektrischen Maschine 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit der ersten Frequenz F1 drehbar, die synchron zu der Frequenz des Wechselstroms ist, der dem Stator 10 zugeführt wird, und der innere Rotor 30 ist mit der zweiten Frequenz F2 drehbar, die asynchron zu der ersten Frequenz F1 ist.
Gemäß der rotierenden elektrischen Maschine 100 wird zwischen dem inneren Rotor 30 und dem äußeren Rotor 20 eine magnetische Kopplung hervorgerufen, um eine Übertragung eines bei dem inneren Rotor 30 erzeugten Drehmoments aufgrund des zeitlich variierenden magnetischen Flusses der Schlupffrequenz zwischen dem äußeren Rotor 20 und dem inneren Rotor 30 auf den äußeren Rotor 20 zu ermöglichen, wobei sich der äußere Rotor 20 mit der ersten Frequenz dreht, die synchron zu der Frequenz des Wechselstroms ist, der dem Stator 10 zugeführt wird.
Bei der rotierenden elektrischen Maschine 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist der innere Rotor die Erregerspulen 34 auf, die aufgrund der Sekundärerregung einen magnetischen Fluss erzeugen. Die Erregerspulen 34 sind mit einer verteilten Wicklung um die Rotorzähne 34 herum gewickelt, die zu Schenkelpolen gebildet sind, welche die Schlitze 33 definieren, deren Anzahl gleich dem Sechsfachen der Anzahl der Pole ist.
Wie beschrieben, sind die Erregerspulen 34 mit einer verteilten Wicklung um die Rotorzähne 32 herum gewickelt, die Schlitze definieren, deren Anzahl gleich dem Sechsfachen der Anzahl der Pole ist. Mittels einer derartigen verteilten Wicklung ist eine geeignete Spulenweite sichergestellt, wodurch die Menge des magnetischen Flusses erhöht wird, der an die Erregerspulen 34 ankoppelt, und die Drehmoment-Dichte verbessert wird.
Gemäß der rotierenden elektrischen Maschine 100 mit der Sekundärerregung des inneren Rotors 30 wirkt der magnetische Fluss, der durch die Sekundärerregung des inneren Rotors 30 verursacht wird, auf den äußeren Rotor 20 ein und überlagert eine Erregung, die aus dem zeitlich variierenden magnetischen Fluss der dritten zeitlichen Oberwelle resultiert, und jene auf dem äußeren Rotor 20, die aus dem zeitlich variierenden magnetischen Fluss der Schlupffrequenz resultiert. Dies bewirkt eine Zunahme der von der Schlupffrequenz herrührenden Schlupffrequenz-Energie.
Aus diesem Grund ist es möglich, ein Drehmoment, das auf den äußeren Rotor 20 aufgebracht wird, durch eine Sekundärerregung des inneren Rotors 30 auch in einem Modus zu verbessern, in dem als ein Ergebnis dessen, dass eine Übertragung eines Drehmoments des inneren Rotors 30 mittels einer magnetischen Kopplung, die durch ein mittels des inneren Rotors 30 erzeugtes rotierendes magnetisches Feld hervorgerufen wird, auf den äußeren Rotor 20 ermöglicht wird, der Schlupf „s“ = 0 ist.
Das hybride Antriebssystem, das die rotierende elektrische Maschine 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform verwendet, kann in einem kompakten, hocheffizienten hybriden Antriebssystem gebildet werden, da es möglich ist, Energie auf die Ausgangswelle zu übertragen, indem der Motor lediglich effizient angetrieben wird, wenn zum Beispiel ein Abfall der Batterie-Kapazität vorliegt oder die Batterie in einen Zustand mit sehr niedrigen Temperaturen gebracht wird.
Darüber hinaus ermöglicht die rotierende elektrische Maschine 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zum Beispiel in dem Fall der Anwendung eines hybriden Antriebssystems des Range-Extender-Typs eine Energieübertragung über einen kürzeren Pfad als jenen der herkömmlichen Konfiguration, wobei der Strom, der von einem stromerzeugenden Generator erzeugt wird, bei einem Wechselrichter in einen Gleichstrom umgewandelt wird und der umgewandelte Gleichstrom dann einem Antriebsmotor zugeführt wird, was eine Verkleinerung der Abmessungen sowie eine Verringerung der Kosten des Systems ermöglicht, wodurch die Energieübertragungs-Effizienz verbessert wird.
Während eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben wurde, ist es für einen Fachmann ersichtlich, dass Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Sämtliche derartigen Modifikationen und Äquivalente derselben sollen durch die folgenden Ansprüche abgedeckt sein, die in dem Umfang der Ansprüche beschrieben sind.
Die rotierende elektrische Maschine 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, die in einem Typ einer Konfiguration des inneren Rotors mit einem radialen Spalt ausgebildet ist, kann in einer Konfiguration mit einem axialen Spalt oder einer Konfiguration mit einem äußeren Rotor gebildet werden. Der Leiter jeder Spule kann einen Kupferdraht, einen Aluminium-Leiter oder eine Litze beinhalten. Anwendungen der rotierenden elektrischen Maschine 100 sind nicht auf Automobil-Anwendungen beschränkt, die Hybrid-Fahrzeuge beinhalten, sondern können weitere industrielle Sektoren umfassen, wie beispielsweise Windkraftgeneratoren oder Werkzeugmaschinen.
Beschreibung von Bezugszeichen

10: Stator
14: Ankerspule
20: äußerer Rotor (erster Rotor)
22: innerer Schenkelpol
23: äußerer Schenkelpol
30: innerer Rotor (zweiter Rotor)
32: Rotorzähne (Schenkelpole)
33: Schlitz
34: Erregerspule
100: rotierende elektrische Maschine
100c: Rotationsachse
C: Vollwellengleichrichter
Iim: Frequenzdifferenz-Induktionsspule
Is: Oberwellen-Induktionsspule
WF: Erregerspule

Claims

Rotierende elektrische Maschine (100), die umfasst: einen Stator (10), der Ankerspulen (14) beinhaltet, die so konfiguriert sind, dass sie einen Wechselstrom erhalten; einen ersten Rotor (20), der mit einer ersten Frequenz drehbar ist, wenn er einen magnetischen Fluss von dem Stator (10) erhält; und einen zweiten Rotor (30), der mit einer zweiten Frequenz drehbar ist, wobei der erste Rotor (20) beinhaltet: zumindest eine Frequenzdifferenz-Induktionsspule (Iim), die so angeordnet ist, dass sie entgegengesetzt zu dem zweiten Rotor (30) liegt und einen magnetischen Fluss erhält, der von einer Frequenzdifferenz zwischen der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz herrührt, zumindest eine Oberwellen-Induktionsspule (Is), die so angeordnet ist, dass sie entgegengesetzt zu dem Stator (10) liegt und Oberwellen erhält, die in dem magnetischen Fluss von dem Stator (10) enthalten sind, und zumindest eine Erregerspule (WF), die so angeordnet ist, dass sie einen Strom von der Frequenzdifferenz-Induktionsspule (Iim) und der Oberwellen-Induktionsspule (Is) erhält.
Rotierende elektrische Maschine (100) nach Anspruch 1, wobei der erste Rotor (20) beinhaltet: einen Vollwellengleichrichter (C), der so konfiguriert ist, dass er einen Wechselstrom, der von der Frequenzdifferenz-Induktionsspule (Iim) erzeugt wird, und einen Wechselstrom, der von der Oberwellen-Induktionsspule (Is) erzeugt wird, zu einem Gleichstrom gleichrichtet und den gleichgerichteten Gleichstrom der Erregerspule (WF) als den Strom zuführt.
Rotierende elektrische Maschine (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Frequenz synchron zu einer Frequenz des Wechselstrom ist, der von dem Stator (10) erhalten wird, und die zweite Frequenz asynchron zu der ersten Frequenz ist.
Rotierende elektrische Maschine (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei der zweite Rotor (30) Erregerspulen (34) beinhaltet, wobei die Erregerspulen (34) mit einer verteilten Wicklung um eine Mehrzahl von Schenkelpolen (32) herum gewickelt sind, die durch Schlitze (33) definiert sind, deren Anzahl gleich dem Sechsfachen der Anzahl der Pole ist.