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[Technisches Fachgebiet]
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine rotierende elektrische Maschine, die eine Vielzahl von Drehmoment erzeugenden Flächen eines Rotors relativ zu einem Stator aufweist.
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[Allgemeiner Stand der Technik]
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JP 2010-226808A (genannt Patentliteratur 1) offenbart eine rotierende elektrische Maschine, die drei Drehmoment erzeugende Flächen eines Rotors relativ zu einem Stator umfasst. Die bekannte rotierende elektrische Maschine umfasst einen ringförmigen Stator, der einen Statorkern und Ankerwicklungen umfasst, die toroidal um den Statorkern gewickelt sind, einen radialen Rotor, der radial nach innen von dem Stator beabstandet ist und diesem gegenüberliegt, und zwei axiale Rotoren, von denen einer axial von der einen Seite des Stators weg beabstandet ist und dieser gegenüberliegt und von denen der andere axial von der anderen Seite des Stators weg beabstandet ist und dieser gegenüberliegt.
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In dieser bekannten rotierenden elektrischen Maschine ist eine Vielzahl von Permanentmagneten an jedem des radialen Rotors und der zwei axialen Rotoren in Umfangsrichtung um eine Rotationsachse verteilt. Ein rotierendes Magnetfeld, das von dem Stator ausgeht und zu den Rotoren geführt wird, wechselwirkt mit dem Feldmagnetfluss der Permanentmagnete, wodurch ein Drehmoment erzeugt wird, das auf die Rotoren aufgebracht wird.
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[Stand der Technik]
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[Patentliteratur]
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- Patentliteratur 1: JP 2010-226808A
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[Kurzdarstellung der Erfindung]
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[Technisches Problem]
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Jedoch verwendet die bekannte rotierende elektrische Maschine, die in
JP 2010-226808A beschrieben wird, Permanentmagnete, um magnetische Polaritäten an dem radialen Rotor und den axialen Rotoren auszubilden. Dies kann eine Erhöhung der Materialkosten verursachen und die Rohstoffversorgung instabil machen, falls Magnete mit seltenen Erden, welche in kleinen Menge im Untergrund liegen und ungleich verteilt sind, als Permanentmagnete an dem radialen und den axialen Rotoren verwendet werden.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine rotierende elektrische Maschine bereitzustellen, die konfiguriert ist, die Drehmomentdichte durch eine Erhöhung der Drehmoment erzeugenden Flächen zu verbessern, ohne einen Anstieg der Materialkosten zu verursachen und ohne die Rohstoffversorgung instabil zu machen.
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[Lösung des Problems]
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Gemäß einem Aspekt wird eine rotierende elektrische Maschine bereitgestellt. Die rotierende elektrische Maschine mit einer Mittenlängsachse umfasst: einen Stator; und einen Rotor, der konfiguriert ist, um die Mittenlängsachse rotierbar zu sein, wenn von dem Stator ausgehender Magnetfluss durch den Rotor fließt, wobei der Stator umfasst: einen Statorkern, der eine Vielzahl von Statorzähnen aufweist, die in Umfangsrichtung und gleichmäßig um die Mittenlängsachse verteilt sind; und eine Vielzahl von Ankerspulen, von denen jede toroidal um den Statorkern zwischen zwei benachbarten Statorzähnen gewickelt ist, und wobei der Rotor umfasst: einen Rotorkern, der eine Vielzahl von Rotorzähnen aufweist, die in Umfangsrichtung um die Mittenlängsachse verteilt sind, wobei jeder der Rotorzähne ein Satz von einem ersten Rotorzahn, einem zweiten Rotorzahn und einem dritten Rotorzahn ist, die axial ausgerichtet sind, so dass der erste Rotorzahn und der zweite Rotorzahn axial voneinander getrennt sind, um den Stator dazwischen anzuordnen, und so dass diese angeordnet sind, um aufeinanderfolgend der einen und der gegenüberliegenden axialen Endfläche von jedem der Statorzähne gegenüberzuliegen, und so dass der dritte Rotorzahn angeordnet ist, um aufeinanderfolgend der äußeren Umfangsfläche von jedem der Statorzähne gegenüberzuliegen; eine Vielzahl von Induktionsspulen, von denen jede um einen aus der Vielzahl der Rotorzähne gewickelt ist; und eine Vielzahl von Erregerspulen, von denen jede um einen aus der Vielzahl der Rotorzähne gewickelt ist.
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[Vorteilhafte Wirkung der Erfindung]
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Dementsprechend ist eine rotierende elektrische Maschine bereitgestellt, die konfiguriert ist, die Drehmomentdichte durch eine Erhöhung der Drehmoment erzeugenden Flächen zu verbessern, ohne einen Anstieg der Materialkosten zu verursachen und ohne die Rohstoffversorgung instabil zu machen.
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[Kurze Beschreibung der Zeichnungen]
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1 ist eine perspektivische Ansicht einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einer Ausführungsform mit einem ausgeschnittenen Abschnitt, um einen Stator innerhalb eines Rotors zu zeigen.
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2 ist eine Querschnittsansicht, geschnitten durch eine Rotationsachse, der rotierenden elektrischen Maschine, die in 1 gezeigt ist.
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3 ist eine perspektivische Ansicht des Stators mit Ankerspulen, die um einen Statorkern gewickelt sind.
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4 ist eine perspektivische Ansicht des in 3 gezeigten Statorkerns ohne Ankerspulen.
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5 ist eine perspektivische Ansicht einer Ankerspule zur Wicklung um den in 4 gezeigten Statorkern.
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6 veranschaulicht Draufsichten auf den in 3 gezeigten Stator mit Ankerspulen, die einen durch Pfeile dargestellten Magnetfluss erzeugen.
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7 ist eine perspektivische Ansicht des in 1 gezeigten Rotors mit einem ausgeschnittenen Abschnitt, um Induktionsspulen und Erregerspulen zu zeigen.
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8 ist eine perspektivische Ansicht des in 7 gezeigten Rotors ohne die Induktionsspulen und Erregerspulen mit einem ausgeschnitten Abschnitt, um die Struktur von Rotorzähnen zu zeigen.
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9 ist ein Querschnitt durch eine Rotationsachse einer weiteren rotierenden elektrischen Maschine.
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[Beschreibung von Ausführungsformen]
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Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen wird die vorliegende Erfindung im Folgenden detailliert beschrieben. Die 1 bis 9 zeigen eine rotierende elektrische Maschine gemäß einer Ausführungsform.
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(Konfiguration der rotierenden elektrischen Maschine)
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Bezug nehmend auf die 1 und 2 umfasst die rotierende elektrische Maschine 1 einen Stator 100 und einen Rotor 200. Der Stator 100 ist konfiguriert, Magnetfluss zu erzeugen, wenn Spulen erregt werden, und der Rotor 200 ist um eine Rotationsachse (oder eine Mittenlängsachse) 1C in Reaktion auf den Durchfluss des Magnetflusses durch diesen rotierbar. Der Stator 100 ist radial (relativ zu der Mittenlängsachse 1C) nach innen von dem Rotor 200 angeordnet. Es wird darauf hingewiesen, dass die Mittenlängsachse 1C die Rotationsachse des Rotors 200 ist.
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Des Weiteren umfasst die rotierende elektrische Maschine 1 eine Welle 20, die an der Mittenlängsachse 1C liegt und sich mit einer Länge entlang dieser erstreckt. Die Welle 20 ist an dem inneren Umfangsrand des Rotors 200 zur einheitlichen Rotation um die Mittenlängsachse 1C befestigt.
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Wie aus 2 ersichtlich, umfasst die rotierende elektrische Maschine ein Gehäuse 10, das den Stator 100 und den Rotor 200 abdeckt. Die eine Seite und die andere Seite der rotierenden elektrischen Maschine 1 sind axial entlang der Mittenlängsachse 1C verteilt. Ein innerer Umfangsrand des Gehäuses 10, das benachbart zu der einen Seite der rotierenden elektrischen Maschine 1 angeordnet ist, lagert die Welle 20 über ein Lager 2 auf drehbare Weise. Des Weiteren lagert ein innerer Umfangsrand des Gehäuses 10, der benachbart zu der anderen Seite der rotierenden elektrischen Maschine 1 angeordnet ist, die Welle 20 über ein Lager 3 auf drehbare Weise. Wie in den 1, 3, 4, 7 und 8 zu sehen, ist die eine Seite der rotierenden elektrischen Maschine 1 oder des Stators 100 oder des Rotors 200 ihre Unterseite, während deren andere Seite ihre Oberseite ist.
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Des Weiteren umfasst das Gehäuse 10 ein Statorkern-Halteteil 10A. Nachdem es sich mit einer Länge entlang der Mittenlängsachse 1C von dem einem axialen Ende des Gehäuses 10, das benachbart zu der einen Seite der rotierenden elektrischen Maschine 1 angeordnet ist, zu dem anderen axialen Ende des Gehäuses, das benachbart zu der anderen Seite der rotierenden elektrischen Maschine 1 angeordnet ist, erstreckt, hält das Halteteil 10A einen Statorkern 110 des Stators 100 von einem inneren Umfangsrand des Statorkerns 110, um den Stator 110 auf feste Weise zu halten.
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Die rotierende elektrische Maschine 1 ist konfiguriert, die Induktionsspulen I um den Rotor 200 zu veranlassen, beim Erhalt eines rotierenden Magnetfelds, das von Ankerspulen 140 um den Stator 100 erzeugt wird, wenn die Ankerspulen 140 erregt werden, Induktionsstrom zu erzeugen. Des Weiteren erzeugt die rotierende elektrische Maschine 1 ein Drehmoment, indem dieser Induktionsstrom als Erregerstrom durch Erregerspulen F geführt wird, um den Rotor 200 zu veranlassen, als Elektromagnete zu arbeiten. Aus der vorstehenden Beschreibung wird verständlich, dass die rotierende elektrische Maschine 1 als ein Erregerwicklungs-Synchronmotor des Selbsterregertyps ohne Permanentmagnete konfiguriert ist.
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(Stator)
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Bezug nehmend auf die 1, 2, 3 und 4 umfasst der Stator 100 einen Statorkern 110 und Ankerspulen 140, die um den Statorkern 110 gewickelt sind. Der Statorkern 110 ist aus magnetischem Material mit hoher Permeabilität hergestellt und ist eine ringförmige Ringstruktur, dessen Achse die Mittenlängsachse 1C ist.
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Der Statorkern 110 umfasst eine Kernbasis oder ein Statorjoch 120 und eine Vielzahl von Statorzähnen 130 an dem Statorjoch 120. Das Statorjoch 120 ist ein Toroid, dessen Rotationsachse die Mittenlängsachse 1C ist. Die Vielzahl der Statorzähne 130 ist in Umfangsrichtung mit regelmäßigen Abständen um die Mittenlängsachse 1C verteilt. Der Querschnitt des Statorjochs 120 ist ein Kreis oder eine Ellipse.
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Jeder der Statorzähne 130 erstreckt sich von der Fläche des Statorjochs 120 nach außen. In der Ansicht des Statorkerns 110 der rotierenden elektrischen Maschine 1 entlang der Mittenlängsachse 1C ist der Statorzahn 130 ein Trapezoid. In der Ansicht des Statorkerns 110 der rotierenden elektrischen Maschine 1 in einer Umfangsrichtung ist das Querschnittsprofil des Statorzahns 130 ein Rechteck. Die Anzahl der Vielzahl der Statorzähne 130 ist zwölf. Daher sind die zwölf Statorzähne 130 an dem Statorjoch 120 in Umfangsrichtung und gleichmäßig um die Mittenlängsachse 1C verteilt.
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Genauer gesagt, erstreckt sich jeder der Statorzähne 131 von der Fläche des Statorjochs 120 in drei Richtungen nach außen, um einen ersten Statorzahn 131, einen zweiten Statorzahn 132 und einen dritten Statorzahn 133 auszubilden.
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Der erste Statorzahn 131 erstreckt sich von einer Seite der Oberfläche des Statorjochs 120 in einer Richtung entlang der Mittenlängsachse 1C nach außen.
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Der zweite Statorzahn 132 erstreckt sich von der anderen Seite der Oberfläche des Statorjochs 120 in der entgegengesetzten Richtung entlang der Mittenlängsachse 1C nach außen.
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Der dritte Statorzahn 133 erstreckt sich von der äußeren Umfangsseite der Oberfläche des Statorjochs 120 in einer radial (relativ zu der Mittenlängsachse 1C) nach außen gerichteten Richtung nach außen.
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In der vorliegenden Ausführungsform ist der Statorkern 110 eine Einheit (ein Stück) einer ringförmigen Struktur, die nicht in Segmente aufteilbar ist. Dies verbessert die strukturelle Festigkeit des Statorkerns 110 im Vergleich zu dem Fall, bei dem der Statorkern 110 eine Struktur ist, die in Segmente aufteilbar ist. Des Weiteren stellt die verbesserte strukturelle Festigkeit des Statorkerns 110 einen erhöhten Widerstand gegenüber angeregten Vibrationen bereit.
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Jede der Ankerspulen 140 ist ein Toroid, der unter Verwendung von einem Raum zwischen zwei benachbarten der Statorzähne 130 des Statorkerns 110 als eine Nut um das Statorjoch 120 gewickelt ist. Eine Ringwicklung ist ein Verfahren zur Wicklung eines Drahts um einen Toroid über abwechselnd die radiale Innenseite und die Außenseite des Statorjochs 120.
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Die Verwendung der Ringwicklungsstruktur der Ankerspulen 140 in dem Statorjoch 120 ermöglicht es, den Statorkern 110 als eine integrale Struktur auszubilden, die das Statorjoch 120 umfasst, um die strukturelle Festigkeit des Statorkerns 110 zu erhöhen.
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Die Ankerspulen 140, die jede in Räumen zwischen einem der Statorzähne 130 und dem in Umfangsrichtung benachbarten Statorzahn 130 liegen, sind aufteilbar in drei Gruppen für die U-Phase, die V-Phase und die W-Phase eines Dreiphasenwechselstroms.
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Die Wicklungsrichtung und die Erregungsrichtung der Ankerspulen 140 ist derart festgesetzt, dass der Magnetfluss, der von einem aus einem Paar von Ankerspulen 140 ausgeht, das direkt über einen der Statorzähne 130 angeordnet ist, und der Magnetfluss, der von dem anderen von dem Paar ausgeht, in Umfangsrichtung in entgegengesetzten Richtungen orientiert sind.
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Dies ermöglicht es, dass das Paar der Ankerspulen 140, beispielsweise eine für die U+-Phase und die andere für die U–-Phase, Magnetflüsse erzeugt, die zu dem Statorzahn 130 gerichtet sind, der zwischen dem Paar der Ankerspulen 140 angeordnet ist.
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Bezug nehmend auf 5 ist der Draht 141 für die Ankerspulen 140 ein rechteckiger Flachleiterdraht, dessen Querschnitt die Form eines Rechtecks hat. Jede der Ankerspulen 140 resultiert aus dem toroidalen Wickeln des Drahts oder Rechtseckdrahts 141 um das Statorjoch 120 des Statorkerns 110 mit Hochkant-Wicklung. Die Hochkant-Wicklung ist der Vorgang, bei dem die Wicklung angefangen wird, indem der Draht 141 an dem Statorjoch 120 so festgesetzt ist, dass dessen kurze Kanten radial ausgerichtet sind (relativ zu der Mittenlängsachse 1C der rotierenden elektrischen Maschine 1).
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Bezüglich dessen langer Kante sind die Abschnitte des Drahts 141, die nacheinander an Stellen, die in Wickelschrittrichtung ausgerichtet sind, angrenzen, in flächigem Kontakt miteinander. Daher kann die Anzahl der Drehungen von jeder der Ankerspulen 140 innerhalb eines begrenzten Raums erhöht werden, während ein Querschnitt sichergestellt wird, der breit genug für die Strommenge ist, die durch die Ankerspule 140 fließt, wodurch der Wicklungs-Füllfaktor verbessert wird, und dies führt zu einem Anstieg der magnetomotorischen Kraft des Stators 100.
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Weil die Abschnitte des Drahts 141, die nacheinander an Stellen, die in Wickelschrittrichtung ausgerichtet sind, aneinander grenzen, an ihrer langen Kante, wie vorstehend beschrieben, miteinander in einem flächigen Kontakt sind, wird Wärme von einem Abschnitt zu dem angrenzenden Abschnitt des Drahts 141 durch eine große Fläche geleitet. Dies bewirkt einen Anstieg der effektiven Fläche, durch welche Wärme geleitet wird, wodurch die Abstrahlleistung erhöht wird.
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Beide Endabschnitte 141A und 141B des Drahts 141, die als ein Wicklungsstart und als ein Wicklungsende dienen, sind radial nach außen von dem Stator 100 angeordnet, wodurch die Verbindung der Ankerspulen 140 vereinfacht wird.
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(Magnetflussverteilung des Stators)
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6 ist ein Simulationsergebnis der elektromagnetischen Feldanalyse, das die Magnetflussverteilung des Stators 100 zeigt. Zur vereinfachten Veranschaulichung sind der Statorkern 110 und der Rotor 200 auf lineare Weise veranschaulicht. Des Weiteren wird in 6 nicht zwischen dem ersten Zahn 131, dem zweiten Zahn 132 und dem dritten Zahn 113 unterschieden, und diese werden durch die Statorzähne 130 repräsentiert. Das Simulationsergebnis ergibt sich aus der Ausführung der elektromagnetischen Feldanalyse mit den Einstellungen, dass die Größe des V-Phasenstroms 1 ist, die Größe des U-Phasenstroms –0,5 ist und die Größe des W-Phasenstroms –0,5 ist.
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Bezug nehmend auf 6 wird ein Paar von Ankerspulen 140, die eine für die V+-Phase und die andere für die V–-Phase, welches direkt über einen Statorzahn 130 angeordnet ist, beschrieben, wobei der Magnetfluss, der von der einen Ankerspule 140 des Paars bedeutet, und der Magnetfluss, der von der anderen Ankerspule 140 des Paars ausströmt, zu dem Statorzahn 130 gelenkt wird, der zwischen dem Paar angeordnet ist, so dass sich die Magnetflüsse innerhalb des Statorzahns 130 treffen. Jeder der Magnetflüsse, der in den Statorzahn 130 eintritt, wird zu der Richtung orthogonal zu dem Statorjoch 120 gelenkt und zu dem Rotor 200 geführt.
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Ein Teil des Magnetflusses, der zu dem Rotor 200 geführt wird, wird zu dem einen in Umfangsrichtung benachbarten Statorzahn 130 geführt, der zwischen einem anderen Paar von Ankerspulen 140, die eine für W+-Phase und die andere für die W–-Phase, angeordnet ist, nachdem dieser durch einen später beschriebenen Rotorkern 210 des Rotors 200 geflossen ist. Der verbleibende Teil des Magnetflusses, der zu dem Rotor 200 geführt wird, wird zu dem anderen in Umfangsrichtung benachbarten Statorzahn 230 geführt, der zwischen einem weiteren anderen Paar von Ankerspulen, die eine für die U+-Phase und die andere für die U–-Phase, angeordnet ist, nachdem dieser durch den Rotorkern 21 des Rotors 200 geflossen ist.
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An einer Fläche, an der sich die Statorzähne 130 und der Rotor 200 gegenüberliegen, wird ein Magnetkreis ausgebildet, durch welchen der Magnetfluss fließt, der von dem Paar der Ankerspulen 140 ausströmt. In der rotierenden elektrischen Maschine 1 ist die Fläche, an der sich die Statorzähne 130 und der Rotor 200 gegenüberliegen, eine Drehmoment erzeugende Fläche.
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Aus diesem Grund wird die Drehmomentdichte durch die Verwendung der Magnetflüsse, die von einem Paar von Ankerspulen 140 erzeugt werden, umso höher, je mehr Drehmoment erzeugende Flächen es gibt. Die Drehmomentdichte bedeutet die Größe des Drehmoments pro Volumen.
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Daher wird die Drehmomentdichte erhöht, indem drei Drehmoment erzeugende Flächen an beiden axial (relativ zu der Mittenlängsachse 1C) entfernten Oberflächenseiten des Rotors 200 und an radial (relativ zu der Mittenlängsachse 1C) äußeren Umfangsflächenseiten des Rotors 200 bereitgestellt werden. Weil sie eine kleine Größe hat, jedoch ein hohes Drehmoment durch die Erhöhung der Anzahl der Drehmoment erzeugenden Flächen erzeugen kann, eignet sich die rotierende elektrische Maschine 1 exzellent als eine rotierende elektrische Maschine für Fahrzeuge, insbesondere für elektrische Hybridfahrzeuge oder dergleichen.
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(Rotor)
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Bezug nehmend auf die 1, 2, 7 und 8 umfasst der Rotor 200 den Rotorkern 210, Induktionsspulen I und Erregerspulen F.
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Der Rotorkern 210 umfasst zwei scheibenförmige Scheibenteile 211 und 212 und einen zylinderförmigen Zylinderteil 213, der kontinuierlich äußere Erstreckungsabschnitte der Scheibenteile 211 und 212 verbindet.
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Die Scheibenteile 211 und 212 sind an zwei axial beabstandeten parallelen imaginären Ebenen orthogonal zu der Mittenlängsachse 1C angeordnet, so dass der Scheibenteil 211 den Statorkern 110 von einer Seite abdeckt und so dass der Scheibenteil 212 den Statorkern 110 von der gegenüberliegenden Seite abdeckt, und zwar beim Blick auf den Statorkern 110 in eine Richtung entlang der Mittenlängsachse 1C. Die Scheibenteile 211 und 212 sind jeweils mit Mittendurchgangslöchern 211A und 212A ausgebildet und so erstreckt sich die Welle 20 durch die Durchgangslöcher 211A und 212A.
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Der Zylinderteil 213 ist so angeordnet, dass er den Statorkern 110 von einer radial (relativ zu der Mittenlängsachse 1C) äußeren Seite abdeckt. Der Rotorkern 210 ist aus magnetischem Material mit einer hohen magnetischen Permeabilität hergestellt.
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Wie beschrieben ist der Rotorkern 210 im Gesamten in einer zylindrischen Form ausgebildet, so dass der Rotorkern 210 den Stator 100 von drei Flächenseiten abdeckt, d. h. von der einen und der gegenüberliegenden Seite, bei einer Ansicht des Statorkerns 110 in der Richtung entlang der Mittenlängsachse 1C, und von der radial (relativ zu der Mittenlängsachse 1C) äußeren Seite.
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Mit anderen Worten ist der Rotorkern 210 in einer zylindrischen Form ausgebildet, die einen rechteckigen Querschnitt aufweist, wobei dessen Innenseite entfernt ist und dessen andere drei Seiten durch die zwei Scheibenteile 211 und 212 und den zylindrischen Teil 213 definiert werden, so dass der Rotorkern 210 den Statorkern 110 von dessen äußerer Umfangsseite hin zu dessen innerer Umfangsseite abdeckt.
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Des Weiteren sind die Induktionsspulen I und die Erregerspulen F an dieser Fläche des Rotorkerns 210 platziert, welche dem Statorkern 110 gegenüberliegt. Dies verhindert, dass die Induktionsspulen I und die Erregerspulen F durch die Zentrifugalkraft herausspringen, weil der Rotorkern 210 die Induktionsspulen I und die Erregerspulen F an seiner Innenfläche hält, wodurch die strukturelle Festigkeit verbessert wird.
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Des Weiteren umfasst der Rotorkern 210 eine Vielzahl von Rotorzähnen 230, die in Umfangsrichtung verteilt sind, wobei jeder der Rotorzähne 230 ein Satz aus drei axial angeordneten Rotorzähnen ist, nämlich ein erster Rotorzahn 231, ein zweiter Rotorzahn 232 und ein dritter Rotorzahn 233.
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Jeder der ersten, zweiten und dritten Rotorzähne 231, 232 und 233 eines Satzes bildet eine Drehmoment erzeugende Fläche mit einem der in Umfangsrichtung ausgerichteten ersten, zweiten und dritten Statorzähne 131, 132 und 133 des Stators 100, wenn dieser den in Umfangsrichtung ausgerichteten Statorzähnen 131 oder 132 oder 133 nacheinander gegenüberliegt.
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Wie aus den 1, 7 und 8 ersichtlich, sind die ersten Rotorzähne 231 an der Innenseite des Scheibenteils 211 angeordnet und in Umfangsrichtung um die Mittenlängsachse 1C, die eine Rotationsachse ist, verteilt. Die ersten Rotorzähne 231 erstrecken sich axial (relativ zu der Mittenlängsachse 1C) von der Innenseite des Scheibenteils 211 zu dem Statorkern 110 nach innen, um den ersten Statorzähnen 131 gegenüberzuliegen, jedoch sind sie axial von den ersten Statorzähnen 131 über einen vorgegebenen Luftspalt getrennt.
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Die zweiten Rotorzähne 232 sind an der Innenseite des Scheibenteils 212 angeordnet und in Umfangsrichtung um die Mittenlängsachse 1C verteilt. Die zweiten Rotorzähne 232 erstrecken sich axial (relativ zu der Mittenlängsachse 1C) von der Innenseite des Scheibenteils 212 zu dem Statorkern 110 nach innen, um den zweiten Statorzähnen 132 gegenüberzuliegen, jedoch sind sie axial von den zweiten Statorzähnen 132 über einen vorgegebenen Luftspalt getrennt.
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Die dritten Rotorzähne 233 sind an der Innenseite des zylindrischen Teils 213 angeordnet und in Umfangsrichtung um die Mittenlängsachse 1C verteilt. Die dritten Rotorzähne 233 erstrecken sich radial (relativ zu der Mittenlängsachse 1C) von der Innenseite des Scheibenteils 212 zu dem Statorkern 110 nach innen, um den dritten Statorzähnen 133 gegenüberzuliegen, jedoch sind sie radial von den dritten Statorzähnen 133 über einen vorgegebenen Luftspalt getrennt.
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Das radial (relativ zu der Mittenlängsachse 1C) äußere Ende von einem der ersten Rotorzähne 231 von jedem Satz ist kontinuierlich mit einem axialen Ende des dritten Rotorzahns 233 desselben Satzes verbunden. Des Weiteren ist das radial äußere Ende von einem der zweiten Rotorzähne 232 desselben Satzes kontinuierlich mit dem anderen axialen Ende des dritten Rotorzahns 233 desselben Satzes verbunden.
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Wie beschrieben, ist an dem Rotorkern 210 die Vielzahl der Rotorzähne 230 in Umfangsrichtung mit einem regelmäßigen Abstand um die Mittenlängsachse 1C verteilt.
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(Aufgeteilte Struktur des Rotorkerns)
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Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird der Zusammenbau der rotierenden elektrischen Maschine 1 durch das Aufteilen der Struktur des Rotorkerns 210 ermöglicht, weil der Rotorkern 210 einen rechteckigen Querschnitt aufweist, um den Statorkern 110 von dessen Umkreis abzudecken.
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In der vorliegenden Ausführungsform ist der Rotorkern 210 axial an dem Mittelpunkt zwischen seinen axialen Enden in einen ersten Rotorkern 210A und einen zweiten Rotorkern 210B aufgeteilt.
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Dies ermöglicht den Zusammenbau der rotierenden elektrischen Maschine 1, indem der erste Rotorkern 210A mit dem zweiten Rotorkern 210B axial derart verbunden wird, dass der Statorkern 110 zwischen diesen angeordnet ist.
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Zusätzlich können die Herstellungsvorgänge des ersten Rotors 210A und des zweiten Rotors 210B ganz oder teilweise gemeinsam durchgeführt werden, weil der erste Rotor 210A und der zweite Rotor 210B in der gleichen Form ausgebildet sind, indem der Rotorkern 210 an seinem Mittelpunkt zwischen seinen axialen Enden geteilt wird.
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Wie am besten in 1 zu sehen, umfasst die rotierende elektrische Maschine 1 einen Sprengring 4B. Der Rotorkern 210 wird an der Welle 20 befestigt, indem dieser Sprengring 4B an der Welle 20 befestigt oder in diese geschraubt wird.
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Der innere Umfang des Rotorkerns 210 und der äußere Umfang der Welle 20 sind jeweils mit nicht dargestellten Keilnuten ausgebildet. Der Rotorkern 210 wird für eine integrale Rotation von der relativen Rotation zu der Welle 20 abgehalten, indem ein Keil in die Keilnuten eingesetzt wird.
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(Induktionsspulen, Erregerspulen)
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Der Draht Iw für Induktionsspulen I und der Draht Fw für Erregerspulen F ist jeweils ein rechteckiger Flachdraht aus Kupferdraht mit einem rechteckigen Querschnitt, der von einem Isolationsmaterial ummantelt wird. Jede der Induktionsspulen I ist mit Alphawicklung des Drahts Iw ausgebildet, während jede der Erregerspulen F mit Alphawicklung des Drahts Fw ausgebildet ist. Die Alphawicklung ist ein Vorgang der Wicklung des Drahts Iw oder Fw mit einem Wicklungsstart und einem Wicklungsende, die in die gleiche Auswärtsrichtung herausgeführt sind.
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Dieses Ende von jedem der Drähte Iw und Fw, welches ein Wicklungsanfang ist, wird in dem Fall der Alpha-gewickelten Induktions- und Erregerspulen I und F nicht nach innen stehen gelassen, wodurch der Wicklungs-Füllfaktor verbessert wird. Die beiden Endabschnitte von jedem der Drähte Iw und Fw werden von den Induktions- und Erregerspulen I und F in die gleiche Auswärtsrichtung nach außen geführt, wodurch die Verbindung der Spulen vereinfacht wird.
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In der vorliegenden Ausführungsform ist der Draht Iw der Induktionsspule I in zwei Säulen in einer Wickelschrittrichtung der Wicklung gewickelt, wobei ein Endabschnitt des Drahts Iw in der ersten der zwei Säulen und der andere Endabschnitt des Drahts Iw in der zweiten der zwei Säulen verlegt ist, um in der gleichen Ebene innerhalb des Rotors 200 zu liegen.
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In der vorliegenden Ausführungsform ist ferner der Draht Fw der Erregerspule F in zwei Säulen in einer Wickelschrittrichtung der Wicklung gewickelt, wobei ein Endabschnitt des Drahts Fw in der ersten der zwei Säulen und der andere Endabschnitt des Drahts Fw in der zweiten der zwei Säulen verlegt ist, um in der gleichen Ebene innerhalb des Rotors 200 zu liegen.
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Wie beschrieben, können die Endabschnitte von jedem der Drähte Iw und Fw der Alpha-gewickelten Induktions- und Erregerspulen I und F an derselben Ebene verlegt und angeordnet werden, die sich entlang des inneren Umfangs (genannt ”innere Umfangsfläche”) des Rotors 200 erstreckt, wobei Verbindungen an derselben Ebene vereinfacht werden, unter Verwendung eines (nicht dargestellten) Verbindungsteils, wie z. B. ein Verbindungssubstrat oder dergleichen, das an der inneren Umfangsfläche des Rotors 200 angeordnet ist.
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Des Weiteren verhindert die Anordnung der Endabschnitte von jedem der Drähte Iw und Fw der Induktions- und Erregerspulen I und F an der inneren Umfangsfläche innerhalb des Rotors 200 das Herausspringen der Drähte Iw und Fw hin zu der Außenseite des Rotors 200, wodurch eine Größenreduktion der rotierenden elektrischen Maschine 1 ermöglicht wird.
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Der Wicklungs-Füllfaktor wird bessert und der Kupferverlust reduziert, weil die Induktions- und Erregerspulen I und F mit Alphawicklung gewickelt sind.
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Des Weiteren sind die Induktions- und Erregerspulen I und F gewickelt, so dass die kurzen Kanten der rechteckigen Querschnitte der Drähte Iw und Fw orthogonal zu den Flusslinien des erzeugten Magnetfelds sind.
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Dies reduziert den Wirbelstromverlust, der in den Induktions- und Erregerspulen I und F verursacht wird.
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Jede der Induktions- und Erregerspulen I und F ist derart ausgebildet, dass ein radialer Abschnitt, der aus dem Biegen der Alphawicklung Iw oder Fw resultiert, eine rechteckige Form aufweist, wobei dessen radial innerer Rand entfernt ist.
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Insbesondere sind die Erregerspulen F entlang der Oberfläche innerhalb des Rotorkerns 210 gebogen, so dass jede der Erregerspulen F einen der Rotorzähne 230 umgibt, um um den Basisabschnitt des Rotorkerns 230 herum zu laufen.
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Andererseits sind die Induktionsspulen I entlang der Oberfläche innerhalb des Rotorkerns 210 gebogen, so dass jede der Induktionsspulen I einen der Rotorzähne 230 umgibt, um um den Vorderkantenabschnitt des Rotorzahns 230 herum zu laufen.
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Wie beschrieben, ist jede der Induktionsspulen I und die zugeordnete eine der Ankerspulen F an dem gleichen einen der Rotorzähne 230 in mehreren Schichten angeordnet, wobei die Induktionsspule I und die Ankerspule F an einem Vorderkantenabschnitt und einem Basisabschnitt des Rotorzahns 230 angeordnet sind. Dies bewirkt eine Anordnung, bei der die Induktionsspulen I weniger getrennt von dem Stator 100 als die Erregerspulen F sind.
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Wenn die Ankerspulen 140 ein rotierendes Magnetfeld erzeugen, koppelt der von dem Stator 100 ausströmende Magnetfluss mit der Induktionsspule I, wodurch die Induktionsspule I zur Erzeugung von Induktionsstrom veranlasst wird.
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(Gleichrichterschaltung)
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Der Rotor 200 weist Dioden als nicht dargestellte Gleichrichterelemente auf. Die Dioden, die Induktionsspulen I und die Erregerspulen F sind verbunden, um Gleichrichterschaltungen zu bilden. In den Gleichrichterschaltungen wird Induktionswechselstrom, der von jeder der Induktionsspulen I erzeugt wird, durch die Dioden gleichgerichtet, und der gleichgerichtete Gleichstrom wird als Erregerstrom den Erregerspulen F zugeführt. Die Erregerspulen F erzeugen Magnetfelder, wenn der gleichgerichtete Gleichstrom als Erregerstrom zugeführt wird, um die Erregerspulen F zu erregen.
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(Erregerenergie)
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Die rotierende elektrische Maschine 1 umfasst zwölf (12) Statorzähne und acht (8) Rotorzähne 230. Daher wird das Kompositionsverhältnis S/P zwischen der Anzahl von Nuten S des Stators 100 und der Anzahl der Magnetpole P zu 3/2, weil S = 12 und P = 8 in der rotierenden elektrischen Maschine 1 ist.
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In der veranschaulichten rotierenden elektrischen Maschine 1 sind die toroidal gewickelten Ankerspulen 140 mit konzentrierter Wicklung installiert, und so ist die zweite Raumoberschwingung im Raum im Ruhebezugssystem auf dem Fluss der Grundwellenfrequenz als Streufluss überlagert, und zwar bis ungefähr 50%.
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Daher tritt die dritte Zeitoberschwingung in der Zeit im rotierenden Bezugssystem in den Rotor 200 ein, weil das Kompositionsverhältnis S/P 3/2 ist. Die dritte Zeitoberschwingung im rotierenden Bezugssystem weist eine asynchrone Frequenz relativ zu der Drehzahl des Rotors 200 auf.
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Um effektiv die dritte Zeitoberschwingung zu nutzen, sind die Induktionsspulen I um die Rotorzähne 230, die Schenkelpole des Rotors 200 sind, gewickelt. Dies bewirkt, dass jede der Induktionsspulen I Induktionsstrom erzeugt, wenn die dritte Zeitoberschwingung mit den Induktionsspulen I koppelt, und dies bewirkt, dass die Erregerspulen F Magnetfelder erzeugen, indem sie den durch die Gleichrichtung des Induktionsstroms gegebenen Gleichstrom als Erregerstrom nutzen, wodurch ermöglicht wird, dass der Rotor 200 als Elektromagnete fungiert.
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Eine Zeitoberschwingung hoher Ordnung, wie die vierte oder fünfte Zeitoberschwingung, ist nichts weiteres als eine Welle, die nur in der Nachbarschaft der Oberfläche des Rotorkerns 210 vibriert, und so können die Induktionsspulen I nicht effizient Induktionsstrom erzeugen. Eine Raumoberschwingung niedriger Ordnung, wie die dritte Zeitoberschwingung, tritt in das Innere des Rotorkerns 210 ein, weil diese ein Magnetfluss mit relativ geringer Frequenz ist.
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In der vorliegenden Ausführungsform wird innerhalb der Raumoberschwingungen, die auf dem Magnetfluss der Grundfrequenz überlagert sind, die dritte Zeitoberschwingung wiederhergestellt. Diese dritte Zeitoberschwingung weist eine höhere Frequenz als die Grundfrequenz oder die Frequenz der zweiten Zeitoberschwingung auf und pulsiert mit einer kurzen Periode.
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Dies stellt effizient den Energieverlust wieder her, der durch Raumoberschwingungskomponenten verursacht wird, und bewirkt einen Anstieg des Betrags des Induktionsstroms, indem die zeitliche Variation des Magnetflusses, der mit den Induktionsspulen I koppelt, erhöht wird, wodurch ein Anstieg des Drehmoments bereitgestellt wird.
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(Weiteres Beispiel einer Statorhaltestruktur)
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In 2 hält das Halteteil 10A des Gehäuses 10 den Stator 100 auf stationäre Weise, jedoch kann eine Welle 20 modifiziert werden, um einen Stator 100 auf stationäre Weise zu halten, wie in 9 gezeigt.
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Bezugnehmend auf 9 umfasst die Welle 20 eine erste Hohlwelle 20B, eine zweite Vollwelle 20C und eine Haltewelle 20D, welche axial relativ zu der Mittenlängsachse oder der Rotationsachse 1C ausgerichtet sind. Die erste Welle 20B und die zweite Welle 20C sind axial voneinander getrennt, um zwischen sich die Haltewelle 20D aufzunehmen, so dass die erste Welle 20B von der zweiten Welle 20C in einer ersten axialen Richtung (oder nach unten gesehen in 9) getrennt ist, während die zweite Welle 20C von der ersten Welle 20B in einer zweiten Richtung (oder nach oben gesehen in 9) entgegengesetzt zur der ersten axialen Richtung getrennt ist. Mittels Sprengringen 4A und 4B sind die erste Welle 20B und die zweite Welle 20C fest an einem Rotorkern 210 befestigt. Die erste Welle 20B und die zweite Welle 20C sind auf relativ dazu drehbare Weise an die Haltewelle 20D gekoppelt.
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Die Haltewelle 20D umfasst ein Haltteil 20E und ein Befestigungsteil 20F. Das Halteteil 20E erstreckt sich radial (relativ zu der Mittenlängsachse 1C) von der Haltewelle 20D nach außen und ist mit dem inneren Umfangsabschnitt eines Statorkerns 110 eines Stators 100 gekoppelt.
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Das Befestigungsteil 20F erstreckt sich axial (entlang der Mittenlängsachse 1C) von der Haltewelle 20D in die erste Richtung oder in die Richtung nach unten durch das Innere der ersten Welle 20B. Das Befestigungsteil 20F erstreckt sich von der ersten Welle 20B nach außen und ist an einem geeigneten Abschnitt befestigt, um stationär gehalten zu sein. Mit dem stationär gehaltenen Befestigungsteil 20F hält die Haltewelle 20D wie beschrieben den Stator 100 auf stationäre Weise.
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Die Wirkungen der rotierenden elektrischen Maschine 1 gemäß den Ausführungsformen werden beschrieben. In der rotierenden elektrischen Maschine 1 umfasst der Stator 100 den Statorkern 110 mit den Statorzähnen 130, die in Umfangsrichtung und gleichmäßig verteilt sind, und die torodial gewickelten Ankerspulen 140, von denen jede zwischen zwei benachbarten der Statorzähne 130 des Statorkerns 110 ist.
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Des Weiteren umfasst der Rotor 200 den Rotorkern 210. Der Rotorkern 210 umfasst eine Vielzahl von Rotorzähnen 230, die in Umfangsrichtung um die Mittenlängsachse 1C verteilt sind, wobei jeder der Rotorzähne 230 ein Satz aus dem ersten Rotorzahn 231, dem zweiten Rotorzahn 232 und dem dritten Rotorzahn 233 ist, welche axial ausgerichtet sind. Der erste Rotorzahn 231 und der zweite Rotorzahn 232 sind axial voneinander getrennt, um den Stator 100 zwischen sich anzuordnen, und sie sind angeordnet, um aufeinanderfolgend der einen und der gegenüberliegenden axialen Endfläche von jedem der Statorzähne 130 gegenüber zu liegen. Der dritte Rotorzahn 233 ist angeordnet, um aufeinanderfolgend der äußeren Umfangsfläche von jedem der Statorzähne 130 gegenüber zu liegen.
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Der Rotor 200 umfasst ferner die Induktionsspulen I und die Erregerspulen F, die um die Rotorzähne 230 gewickelt sind. Die Induktionsspulen I sind derart angeordnet, dass jede der Induktionsspulen I Induktionsstrom erzeugt, wenn von dem Stator 100 ausgehender Magnetfluss mit der Induktionsspule I koppelt. Die Erregerspulen F sind derart angeordnet, dass die Erregerspulen F Magnetfeld(er) erzeugen, wenn sie in Reaktion auf die Erzeugung von Induktionsströmen erregt werden.
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Gemäß den Ausführungsformen wird jede der Induktionsspulen I zur Erzeugung von Induktionsstrom veranlasst, wenn der von dem Stator 100 ausgehende Magnetfluss mit den Induktionsspulen I koppelt, und die Erregerspulen F sind zur Erzeugung von Magnetfeldern in der Lage, indem sie einen Gleichstrom, der durch die Gleichrichtung des Induktionsstroms gegeben ist, als Erregerstrom verwenden. Daher ist der Rotor 200 in der Lage, als Elektromagnete zu fungieren, wodurch die Erzeugung eines Drehmoments zum Antrieb des Rotors 200 verursacht wird.
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Daher werden nun der Anstieg der Materialkosten und die instabile Rohstoffversorgung, die von der Verwendung von Magneten mit seltenen Erden als Permanentmagnete herrührt, vermieden, weil ein Drehmoment zum Antrieb des Rotors 200 ohne solche Permanentmagnete erzeugt wird. Dementsprechend ist eine rotierende elektrische Maschine 1 bereitgestellt, die konfiguriert ist, ein Drehmoment zu erzeugen, ohne einen Anstieg der Materialkosten zu verursachen und ohne die Rohstoffversorgung instabil zu machen.
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Des Weiteren werden gemäß den Ausführungsformen die Drehmoment erzeugenden Flächen erhöht und die Drehmomentdichte verbessert, weil der von dem Stator 100 erzeugte Magnetfluss mit den Rotorzähnen 230 nach innen von den drei Flächen, d. h. den ersten, zweiten und dritten Rotorzähnen 231, 232 und 233 koppelt.
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Infolgedessen ist es möglich, die Drehmomentdichte zu verbessern, indem die Drehmoment erzeugenden Flächen vergrößert werden, ohne einen Anstieg der Materialkosten zu verursachen und ohne die Rohstoffversorgung instabil zu machen.
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Des Weiteren wird gemäß den Ausführungsformen innerhalb der Raumoberschwingungen, die auf dem Magnetfluss der Grundfrequenz überlagert sind, die dritte Zeitoberschwingung wiedergewonnen. Dies ermöglicht es den Oberschwingungen, die bei dem Stator 100 erzeugt werden, effektiv mit den Rotorzähnen 230 zu koppeln, wodurch mehr Magnetenergie bereitgestellt wird.
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Zusätzlich sind gemäß den Ausführungsformen die Induktionsspulen I und die Erregerspulen F an der Innenfläche des Rotorkerns 210 platziert. Dies verhindert das Herausspringen der Induktionsspulen I und der Erregerspulen F aufgrund der Zentrifugalkraft, weil der Rotorkern 210 die Induktionsspulen I und die Erregerspulen F an der Innenfläche hält, wodurch die strukturelle Festigkeit erhöht wird.
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Des Weiteren verhindert gemäß den Ausführungsformen die Anordnung der Endabschnitte von jedem der Drähte Iw und Fw der Induktions- und Erregerspulen I und F an der inneren Umfangsfläche innerhalb des Rotors 200, dass die Drähte Iw und Fw zu der Außenseite des Rotors 200 herausspringen, wodurch eine Größenreduktion der rotierenden elektrischen Maschine 1 ermöglicht wird.
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In der rotierenden elektrischen Maschine 1 gemäß den Ausführungsformen sind des Weiteren jede der Induktionsspulen I und die zugeordnete eine der Ankerspulen F an denselben einen der Rotorzähne 230 in mehreren Schichten angeordnet. Dies führt zu einer Anordnung, in der die Induktionsspulen I weniger von dem Stator 100 getrennt sind als die Erregerspulen F.
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Weil gemäß den Ausführungsformen die Induktionsspulen I weniger von dem Stator 100 getrennt sind als die Erregerspulen F, werden die Induktionsspulen I zur Erzeugung eines großen Stroms veranlasst, indem es ermöglicht wird, dass mehr Oberschwingungen mit den Induktionsspulen I koppeln. Der Wicklungs-Füllfaktor wird verbessert, weil jede der Induktionsspulen I und eine der Erregerspulen F um denselben einen der Rotorzähne 230 in mehreren Schichten gewickelt sind, so dass sie nahe angeordnet sind.
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In der rotierenden elektrischen Maschine 1 gemäß den Ausführungsformen ist der Rotorkern 210 axial in den ersten Rotorkern 210A und den zweiten Rotorkern 210B aufgeteilt.
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Gemäß den Ausführungsformen ermöglicht dies den Zusammenbau der rotierenden elektrischen Maschine 1, indem der erste Rotorkern 210A und der zweiten Rotorkern 210B axial derart verbunden werden, dass sie den Statorkern 110 zwischen sich anordnen. Im Fall der Teilung des Rotorkerns 210 an einem Mittelpunkt zwischen dessen axialen Enden werden die Herstellungsvorgänge des ersten Rotors 210A und des zweiten Rotors 210B gänzlich oder teilweise zusammen durchgeführt.
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In der rotierenden elektrischen Maschine 1 gemäß den Ausführungsformen ist der Rotorkern 210 zylindrisch und deckt den Stator 110 unter Verwendung seiner zwei axial beabstandeten Endseiten und seiner radialen Außenseite ab.
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Der Draht für die Ankerspulen 140, die Induktionsspulen I und Erregerspulen F ist nicht auf einen Kupferdraht beschränkt und der Draht kann ein Aluminiumleiter oder ein Litzendraht aus einem verseiltem Draht für Hochfrequenzstrom sein.
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Zusätzlich kann eine rotierende elektrische Maschine 1 als ein Hybriderregungstyp (oder ein Hybridtyp) modifiziert werden, so dass Permanentmagnete an einem Rotor zusätzlich zu Erregerspulen I angeordnet sind. In diesem Fall sind die als Elektromagneten dienenden Erregerspulen F geschaffen, um effektiv mit den Permanentmagneten zusammenzuwirken, um ein Drehmoment zu erzeugen. Eine im Wesentlichen gleichwertige Leistungsabgabe kann ohne eine Zunahme der Abmessung erhalten werden, während die Menge der Verwendung von Magneten mit seltenen Erden, die einen Anstieg der Materialkosten verursacht, unterdrückt wird.
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Des Weiteren sind die Gleichrichterelemente nicht auf Dioden beschränkt. Halbleiterelemente, wie andere Schaltelemente, können verwendet werden. Die Gleichrichterelemente sind nicht auf den Typ beschränkt, bei dem sie in Diodengehäusen oder Halterungen gelagert sind, sondern sie können innerhalb des Rotors 200 montiert sein.
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Zusätzlich kann die rotierende elektrische Maschine 1 nicht nur in elektrischen Hybridfahrzeugen, sondern auch bei der Windkrafterzeugung und in Werkzeugmaschinen zur Anwendung kommen.
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Obwohl Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, ist es dem Fachmann offensichtlich, dass Modifikationen durchgeführt werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Alle solchen Modifikationen und deren Äquivalente sollen von den folgenden Ansprüchen, die im Umfang der Ansprüche beschrieben sind, abgedeckt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- rotierende elektrische Maschine
- 100
- Stator
- 110
- Statorkern
- 130
- Statorzähne
- 140
- Ankerspule
- 200
- Rotor
- 210
- Rotorkern
- 230
- Rotorzähne
- 231
- erste Rotorzähne
- 232
- zweite Rotorzähne
- 233
- dritte Rotorzähne
- F
- Erregerspule
- I
- Induktionsspule.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2010-226808 A [0002, 0005]
