DE102016225754A1

DE102016225754A1 - Rotierende elektrische maschine

Info

Publication number: DE102016225754A1
Application number: DE102016225754.4A
Authority: DE
Inventors: Yoshihisa Kubota; Masahiro Aoyama
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2015-12-28
Filing date: 2016-12-21
Publication date: 2017-07-27
Anticipated expiration: 2036-12-22
Also published as: CN106921278A; CN106921278B; JP2017121110A; DE102016225754B4

Abstract

Ein Rotor einer rotierenden elektrischen Maschine umfasst Rotorzähne, Induktionsspulen und Erregerspulen. Jede der Induktionsspulen ist konzentrisch um einen entsprechenden der Rotorzähne gewickelt, um Induktionsstrom zu induzieren. Jede der Erregerspulen ist konzentrisch um einen entsprechenden der Rotorzähne gewickelt. Eine Gleichrichterschaltung ist zwischen den Induktionsspulen und den Erregerspulen verschaltet, wobei die Gleichrichterschaltung konfiguriert ist, den Induktionsstrom gleichzurichten, der von jeder der Induktionsspulen induziert wird. Schaltelemente sind zwischen der Gleichrichterschaltung und einer entsprechenden der Erregerspulen angeordnet. Die rotierende elektrische Maschine ist konfiguriert, die An-Aus-Vorgänge von jedem der Schaltelemente zu steuern, um den jeweiligen Erregerspulen Induktionswechselströme zuzuführen, die auf Induktionsströmen basieren, die von der Gleichrichterschaltung gleichgerichtet werden, wodurch bewirkt wird, dass jede der Erregerspulen als ein Magnetfeld dient.

Description

Technisches Fachgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft rotierende elektrische Maschinen.
Stand der Technik
Gleichstrommotoren, der Einfachheit halber als DC-Motoren bezeichnet, werden in einem weiten technischen Feld verwendet, weil sie einfacher in der Steuerbarkeit der Drehzahl und der Spannung sind. Viele kleine DC-Motoren werden in Fahrzeugen für Zubehörteile verwendet.
Ein DC-Motor ist konfiguriert, so dass ein Kommutator mit einer Spule eines Rotors, der an einer Drehwelle montiert ist, verbunden ist. Wenn der Kommutator basierend auf elektrischen Kontakten des Kommutators mit einer Bürste bestromt wird, wird in der Spule ein Magnetfeld erzeugt. Das erzeugte Magnetfeld bewirkt die Drehung der Welle.
Das Nichtpatentdokument 1 offenbart eine fortgeschrittene Winkelsteuerung der Bürste, um die Eigenschaften eines DC-Motors zu steuern.
Zitatliste
Nichtpatentdokument

[Nichtpatentdokument 1] "A Study of Variable DC Motor" von Daichi Takura und Kan Akatsu, 2014 IEE-Japan Industry Applications Society Conference, Nr. 3–10, Seiten 125–128

Kurzdarstellung
Technisches Problem
Leider weist ein solcher DC-Motor Schleifkontakte zwischen dem Kommutator und der Bürste auf. Dies kann Verschlechterungen aufgrund des Verschleißes der Schleifkontakte bewirken, was in einer Reduktion der Robustheit des DC-Motors resultiert. Zusätzlich wird jedes Mal, wenn sich die Bürste von dem Kommutator bewegt, eine elektrische Stromspitze erzeugt. Dies kann Ruß erzeugen, welcher sich in dem Motor ansammelt, und dies führt zu einer Reduktion der Wartungsfreundlichkeit des Motors.
In Anbetracht dieser Umstände richtet sich die vorliegende Erfindung auf die Bereitstellung von rotierenden elektrischen Maschinen, von denen jede sowohl eine erhöhte Robustheit als auch eine erhöhte Wartungsfreundlichkeit hat.
Lösung des Problems
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine rotierende elektrische Maschine. Die rotierende elektrische Maschine umfasst einen Stator, der Statorzähne und Statorwicklungen umfasst, von denen jede konzentrisch um einen entsprechenden der Statorzähne gewickelt ist. Jede der Statorwicklungen erzeugt ein Magnetfeld, wenn sie von einer Gleichstromquelle erregt wird. Die rotierende elektrische Maschine umfasst einen Rotor, der Rotorzähne, Induktionsspulen und Erregerspulen umfasst. Jede der Induktionsspulen ist konzentrisch um einen entsprechenden der Rotorzähne gewickelt, um einen Induktionsstrom zu induzieren. Jede der Erregerspulen ist konzentrisch um einen entsprechenden der Rotorzähne gewickelt. Die rotierende elektrische Maschine umfasst eine Gleichrichterschaltung, die zwischen den Induktionsspulen und den Erregerspulen verschaltet ist. Die Gleichrichterschaltung ist konfiguriert, den Induktionsstrom gleichzurichten, der von jeder der Induktionsspulen induziert wird. Die rotierende elektrische Maschine umfasst Schaltelemente, von denen jedes zwischen der Gleichrichterschaltung und einer entsprechenden der Erregerspulen angeordnet ist. Die rotierende elektrische Maschine ist konfiguriert, die An-Aus-Vorgänge von jedem der Schaltelemente zu steuern, um den jeweiligen Erregerspulen Induktionswechselstrom zuzuführen, der auf den Induktionsströmen basiert, die von der Gleichrichterschaltung gleichgerichtet wurden, wodurch jede der Erregerspulen dazu veranlasst wird, als ein Magnetfeld zu dienen.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine rotierende elektrische Maschine. Die rotierende elektrische Maschine umfasst einen Stator mit Permanentmagneten. Die rotierende elektrische Maschine umfasst einen Rotor, der Rotorzähne, Induktionsspulen und Erregerspulen umfasst. Jede der Induktionsspulen ist konzentrisch um einen entsprechenden der Rotorzähne gewickelt, um einen Induktionsstrom zu induzieren. Jede der Erregerspulen ist konzentrisch um einen entsprechenden der Rotorzähne gewickelt. Die rotierende elektrische Maschine umfasst eine Gleichrichterschaltung, die zwischen den Induktionsspulen und den Erregerspulen verschaltet ist. Die Gleichrichterschaltung ist konfiguriert, den Induktionsstrom gleichzurichten, der von jeder der Induktionsspulen induziert wird. Die rotierende elektrische Maschine umfasst Schaltelemente, von denen jedes zwischen der Gleichrichterschaltung und einer entsprechenden der Erregerspulen angeordnet ist. Die rotierende elektrische Maschine umfasst eine Steuereinheit, die konfiguriert ist, die An-Aus-Vorgänge von jedem der Schaltelemente zu steuern, um den jeweiligen Erregerspulen Induktionswechselströme zuzuführen, die auf den Induktionsströmen basieren, die von der Gleichrichterschaltung gleichgerichtet werden, wodurch jede der Erregerspulen dazu veranlasst wird, als ein Magnetfeld zu dienen.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Die rotierenden elektrischen Maschinen gemäß dem ersten und dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung haben eine erhöhte Robustheit und eine erhöhte Wartungsfreundlichkeit.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A ist eine radiale Schnittansicht einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einer vorliegenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
1B ist eine perspektivische Ansicht eines axialen Querschnitts der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Schaltdiagramm der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist ein Graph, der schematisch ein Gate-Signal für einen Feldeffekttransistor der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
4 ist ein Graph, der schematisch veranschaulicht, wie ein Rekuperationsmoment sich gemäß der vorliegenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verändert; und
5 ist ein Graph, der schematisch eine Vielzahl von Muster der Eigenschaften des Rekuperationsmoments veranschaulicht, die erhalten wird, wenn eine Phasensteuerung ausgeführt wird.
Beschreibung der Ausführungsform
Im Folgenden wird detailliert eine rotierende elektrische Maschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Bezug nehmend auf die 1A und 1B umfasst eine rotierende elektrische Maschine 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Stator 10 und einen Rotor 20. Der Stator 10 hat eine zylindrische Form. Der Rotor 20 hat eine Ringform und umschließt den Stator 10. Eine Drehwelle 2, die als der Mittelpunkt der Rotation dient, ist an dem Rotor 20 befestigt.
Die Drehwelle 2 wird durch nicht dargestellte Lager drehbar gelagert. An der Drehwelle 2 ist integral ein scheibenförmiger Diodenhalter 3 ausgebildet. Die Drehwelle 2 und der Diodenhalter 3 können als getrennte Komponenten konfiguriert sein und die getrennte Drehwelle 2 und der Diodenhalter 3 können miteinander mittels Befestigungsbauteilen, wie Schrauben, befestigt werden. In dem Diodenhalter 3 ist eine Vielzahl von Aussparungen 3a ausgebildet. In jeder Aussparung 3a ist ein Paket 6 eingesetzt, das Dioden D1 bis D9 (siehe 2) und Transistoren T1 bis T3 (siehe 2) in sich aufnimmt; die Packungen 6 stellen eine Gleichrichterschaltung 30 dar.
Der Rotor 20 ist radial außerhalb des Stators 10 angeordnet und ist auch zwischen dem Diodenhalter 3 und einer Ausgleichsplatte 4 angeordnet. In der ringförmigen Ausgleichsplatte 4 ist eine Vielzahl von Innengewinden 4a in Umlaufrichtung mit vorgegebenen Abständen angeordnet. In dem Diodenhalter 3 ist eine Vielzahl von Einstecklöchern 3b in Umlaufrichtung mit vorgegebenen Abständen angeordnet. Man beachte, dass die radiale Richtung eine Richtung repräsentiert, die senkrecht zu der Erstreckungsrichtung der Drehwelle 2 liegt. Die radiale Außenseite repräsentiert die radial entfernte Seite von der Drehwelle 2 und die radiale Innenseite repräsentiert die radial nahe Seite zu der Drehwelle 2.
In dem Rotor 20 ist eine Vielzahl von Einstecklöchern 26 in Umlaufrichtung mit vorgegebenen Abständen axial durch den Rotorkern 21 ausgebildet. Jede Schraube 5 wird eingesteckt, um durch das entsprechende eine der Einstecklöcher 3b des Diodenhalters 3 und das entsprechende eine der Einstecklöcher 26 des Rotorkerns 21 eingesetzt zu werden. Man beachte, dass die axiale Richtung eine Richtung repräsentiert, die parallel zu der Erstreckungsrichtung der Drehwelle 21 ist.
Jede Schraube 5, die von dem Diodenhalter 3 in das entsprechende eine der Einstecklöcher 3b und das entsprechende eine der Einstecklöcher 26 eingesetzt wird, wird an dem entsprechenden einen der Innengewinde 4a der Ausgleichsplatte 4 befestigt. Dies ermöglicht es, den Rotor 20 so zu befestigen, dass er zusammen mit dem Diodenhalter 3 und der Ausgleichsplatte 4 rotierbar ist, während der Rotor 20 zwischen dem Diodenhalter 3 und der Ausgleichsplatte 4 geschichtet liegt.
Der Stator 10 umfasst einen Statorkern 11, der aus einer Vielzahl axial geschichteter magnetischer Stahlplatten besteht. In dem Statorkern 11 ist eine Vielzahl von Statorzähnen, d. h. Schenkelpolen, 12 ausgebildet, die radial von der Mittenachse nach außen hervorstehen; die Statorzähne 12 sind in Umlaufrichtung mit vorgegebenen Abständen angeordnet. Die Statorzähne 12 gemäß dieser Ausführungsform bestehen aus vier Statorzähnen, die in Umlaufrichtung mit einem 90°-Abstand angeordnet sind. Die Statorzähne 12 haben jeweils eine äußere Umfangsfläche, die einer inneren Umfangsfläche des entsprechenden einen der Rotorzähne 22 des Rotors 20, welche später beschrieben werden, über einen dazwischenliegenden Luftspalt gegenüberliegen können.
Nuten 13 sind zwischen Seiten 12a von in Umlaufrichtung benachbarten Statorzähnen 12 ausgebildet. Um jeden der Statorzähne 12 ist eine Statorwicklung 14 durch die entsprechenden Nuten 13 gewickelt.
Jede der Statorwicklungen 14 ist konzentrisch um den entsprechenden einen der Statorzähne 12 gewickelt, so dass die Wicklungsrichtung von einem aus jedem Paar benachbarter Statorwicklungen 14 entgegen der Wicklungsrichtung des anderen aus dem entsprechenden Paar von benachbarten Statorwicklungen 14 in der Umlaufrichtung des Stators 10 ist. Die Statorwicklungen 14 sind in der Umlaufrichtung des Stators 10 angeordnet. Jede der Statorwicklungen 14 wird erregt, wenn zu dieser ein Gleichstrom geführt wird, damit der entsprechende Statorzahn 12 als ein Elektromagnet dient. Zu dieser Zeit dienen die Statorzähne 12 als Elektromagnete, deren Magnetpole sich in der Umlaufrichtung des Stators 10 wechselweise andern.
Der Rotor 20 umfasst einen Rotorkern 21, der aus einer Vielzahl von axial geschichteten magnetischen Stahlplatten besteht. In dem Rotorkern 21 ist eine Vielzahl von Rotorzähnen 22 ausgebildet, die radial nach innen hin zu der Mittenachse hervorstehen; Die Rotorzähne 22 sind mit vorgegebenen Abständen in Umlaufrichtung angeordnet. Die Rotorzähne 22 gemäß dieser Ausführungsform bestehen aus sechs Rotorzähnen, die in Umfangsrichtung mit einem 60°-Abstand angeordnet sind.
Das Schenkelpolverhältnis des Stators 10 zu dem Rotor 20 ist vorzugsweise auf das Schenkelverhältnis 2 zu 3 festgesetzt, jedoch kann es auch auf ein anderes Schenkelverhältnis als das Verhältnis 2:3 festgesetzt sein.
Nuten 23 sind zwischen Seiten 22a von in Umlaufrichtung benachbarten Rotorzähnen 22 ausgebildet. Um jeden der Rotorzähne 22 ist eine Induktionsspule 24 und eine Erregerspule 25 durch die entsprechenden Nuten 23 gewickelt. Die Induktionsspule 24 und die Erregerspule 25 sind so um den Rotorzahn 22 angeordnet, dass die Induktionsspule 24 näher an dem Stator 10 ist als die Erregerspule 25 und dass die Erregerspule 25 näher an dem Rotorkern 21 ist als die Induktionsspule 24.
Insbesondere ist jede der Induktionsspulen 24, die um den entsprechenden einen der Rotorzähne 22 gewickelt ist, angeordnet, um radial innerhalb des Rotors 20 zu liegen, und jede der Erregerspulen 25, die um den entsprechenden einen der Rotorzähne 22 gewickelt ist, ist angeordnet, um radial außerhalb des Rotors 20 zu liegen.
Jede der Induktionsspulen 24 ist konzentrisch um den entsprechenden einen der Rotorzähne 22 gewickelt, so dass die Wicklungsrichtung von einer aus jedem Paar von benachbarten Induktionsspulen 24 übereinstimmt mit der Wicklungsrichtung des anderen aus dem entsprechenden Paar der benachbarten Induktionsspulen 24. Die Induktionsspulen 24 sind in der Umlaufrichtung des Rotors 20 angeordnet. Jede der Induktionsspulen 24 induziert einen Induktionsstrom, wenn Magnetfluss mit dieser koppelt.
Jede der Erregerspulen 25 ist konzentrisch um den entsprechenden einen der Rotorzähne 22 gewickelt, so dass die Wicklungsrichtung von einer aus jedem Paar von benachbarten Erregerspulen 25 in Übereinstimmung mit der Wicklungsrichtung der anderen aus dem entsprechenden Paar der benachbarten Erregerspulen 25 ist. Die Erregerspulen 25 sind in Umlaufrichtung des Rotors 20 angeordnet. Jede der Erregerspulen 25 wird erregt, wenn diesen ein Erregerstrom zugeführt wird, um als ein Elektromagnet zu dienen.
Man beachte, dass drei Induktionsspulen 24 innerhalb eines mechanischen 180°-Abschnitts des Rotorkerns 24, der in 1A veranschaulicht ist, jeweils als die Induktionsspule 24-1, 24-2 und 24-3 bezeichnet werden, so dass sie voneinander unterschieden werden. Auf ähnliche Weise werden die drei Erregerspulen 25 innerhalb eines mechanischen 180°-Abschnitts des Rotorkerns 21, der in 1A veranschaulicht ist, jeweils als Erregerspulen 25-1, 25-2 und 25 bezeichnet, so dass diese voneinander unterschieden werden.
Bezug nehmend auf 2 bilden die Induktionsspulen 24-1, 24-2 und 24-3, die Erregerspulen 25-1, 25-2 und 25-3, die Dioden D1 bis D9 und die Feldeffekttransistoren T1 bis T2 eine Gleichrichterschaltung 30 als ein geschlossener Stromkreis.
Jede der drei Induktionsspulen 24-1, 24-2 und 24-3 der Gleichrichterschaltung 30 hat ein erstes Ende und ein dem ersten Ende gegenüberliegendes zweites Ende. Die ersten Enden der Induktionsspulen 24-1, 24-2 und 24-3 sind mit einem gemeinsamen Neutralpunkt in Sternkonfiguration verbunden und die zweiten Enden der Induktionsspulen 24-1, 24-2 und 24-3 sind mit einer Diodenbrücke 31 verbunden, die aus den Dioden D1 bis D6 besteht.
Die Diodenbrücke 31 ist konfiguriert, um einen von den Induktionsspulen 24-1, 24-2 und 24-3 erhaltenen Wechselstrom in einen Gleichstrom gleichzurichten und den Gleichstrom den Erregerspulen 25-1, 25-2 und 25-3 zuzuführen.
Insbesondere sind die Dioden D1 und D2 miteinander in Serie verbunden, während ihre Gleichrichtungsrichtungen zueinander ausgerichtet sind, und das zweite Ende der Induktionsspule 24-1 ist mit dem Verbindungspunkt der Dioden D1 und D2 verbunden. Die Dioden D3 und D4 sind in Serie miteinander verbunden, während ihre Gleichrichtungsrichtungen zueinander ausgerichtet sind, und das zweite Ende der Induktionsspule 24-2 ist mit dem Verbindungspunkt der Dioden D3 und D4 verbunden. Die Dioden D5 und D6 sind miteinander in Serie verbunden, während ihre Gleichrichtungsrichtungen zueinander ausgerichtet sind, und das zweite Ende der Induktionsspule 24-3 ist mit dem Verbindungspunkt der Dioden D5 und D6 verbunden.
Das erste Paar der Dioden D1 und D2, welches als ein erstes Diodenpaar D1-D2 bezeichnet wird, weist ein erstes Ende als das Kathodenende der Diode D1 und ein zweites Ende als das Anodenende der Diode D2 auf. Das zweite Paar der Dioden D3 und D4, das als zweites Diodenpaar D3-D4 bezeichnet wird, weist ein erstes Ende als das Kathodenende der Diode D3 und ein zweites Ende als das Anodenende der Diode D4 auf. Zusätzlich weist das dritte Paar der Dioden D5 und D6, das als drittes Diodenpaar D5-D6 bezeichnet wird, ein erstes Ende als das Kathodenende der Diode D5 und ein zweites Ende als das Anodenende der Diode D6 auf.
Die ersten Enden der jeweiligen ersten bis dritten Diodenpaare D1-D2, D3-D4 und D5-D6 sind miteinander gemeinsam verbunden und die zweiten Enden der jeweiligen ersten bis dritten Diodenpaare D1-D2, D3-D4 und D5-D6 sind miteinander gemeinsam verbunden. Dies führt dazu, dass die ersten bis dritten Diodenpaare D1-D2, D3-D4 und D5-D6 parallel miteinander verbunden sind.
Das bezüglich des Stromflusses stromaufwärts liegende Ende der Erregerspule 25-1 ist mit dem Source-Anschluss des Feldeffekttransistors T1 in Serie verbunden, und das bezüglich des Stromflusses stromabwärts liegende Ende der Erregerspule 25-1 ist mit der Anode der Diode D7 in Serie verbunden. Dies stellt ein erstes seriell verbundenes Bauteil dar.
Das bezüglich des Stromflusses stromaufwärts liegende Ende der Erregerspule 25-2 ist mit dem Source-Anschluss des Feldeffekttransistors T2 in Serie verbunden, und das bezüglich des Stromflusses stromabwärts liegende Ende der Erregerspule 25-2 ist mit der Anode der Diode D8 in Serie verbunden. Dies stellt ein zweites seriell verbundenes Bauteil dar.
Das bezüglich des Stromflusses stromaufwärts liegende Ende der Erregerspule 25-3 ist mit dem Source-Anschluss des Feldeffekttransistors T3 in Serie verbunden, und das bezüglich des Stromflusses stromabwärts liegende Ende der Erregerspule 25-3 ist mit der Anode der Diode D9 in Serie verbunden. Dies stellt ein drittes seriell verbundenes Bauteil dar.
Das erste, zweite und dritte Diodenpaar D1-D2, D3-D4 und D5-D6 sind parallel mit dem ersten, dem zweiten und dem dritten seriell verbundenen Bauteil verbunden.
Der Gate-Anschluss und der Backgate-Anschluss von jedem der Feldeffekttransistoren T1, T2 und T3 ist mit einem Rotationstransformator 32 verbunden.
Der Rotationstransformator 32 transformiert den Pegel eines Impulsspannungssignals, das von einem Pulsgenerator 35 ausgegeben wird, zu einem anderen Pegel des Impulsspannungssignals. Dann legt der Rotationstransformator 32 das transformierte Impulsspannungssignal zwischen dem Gate-Anschluss und dem Backgate-Anschluss von jedem der Feldeffekttransistoren T1, T2 und T3 an.
Der Pulsgenerator 35 und der Rotationstransformator 32 dienen als eine Steuereinheit.
Insbesondere Bezug nehmend auf die 1B, umfasst der Rotationstransformator 32 eine Primärspulenbaugruppe 33 und eine Sekundärspulenbaugruppe 34. Die Sekundärspulenbaugruppe 34 ist um die Drehwelle 2 montiert, so dass die Sekundärspulenbaugruppe 34 zusammen mit der Drehwelle 2 und dem Rotor 20 rotiert wird. Die Sekundärspulenbaugruppe 24 weist eine äußere Umfangsfläche auf und die Primärspulenbaugruppe 33 weist eine innere Umfangsfläche auf. Die Primärspulenbaugruppe 33 ist um die Sekundärspulenbaugruppe 34 montiert, während die innere Umfangsfläche der Primärspulenbaugruppe 33 der äußeren Umfangsfläche der Sekundärspulenbaugruppe 34 gegenüberliegt. Die Primärspulenbaugruppe 33 ist an einem Bauteil befestigt, wie einem nicht dargestellten Motorgehäuse, das nicht zusammen mit dem Rotor 20 rotiert wird.
Die Primärspulenbaugruppe 33 besteht aus den Primärspulen 33-1, 33-2 und 33-3 und die Sekundärspulenbaugruppe 34 besteht aus den Sekundärspulen 34-1, 34-2 und 34-3. Die Sekundärspulen 34-1, 34-2 und 34-3 sind um die Drehwelle 2 gewickelt. Jede der Primärspulen 33-1, 33-2 und 33-3 ist um die entsprechende eine der Sekundärspulen 34-1, 34-2 und 34-3 gewickelt, ohne diese zu kontaktieren.
Wenn ein Impulsspannungssignal durch jede der Primärspulen 33-1, 33-2 und 33-3 fließt, wird eine elektromotorische Kraft, die dem Pegel des entsprechenden Impulsspannungssignals entspricht, über die entsprechende eine der Sekundärspulen 34-1, 34-2 und 34-3 induziert. Dies resultiert darin, dass das von dem Pulsgenerator 35 ausgegebene Impulsspannungssignal zu den Sekundärspulen 34-1 bis 34-3 übertragen wird, während die Primärspulen 33-1 bis 33-3 und die Sekundärspulen 34-1 bis 34-3 voneinander isoliert sind.
Beide Enden der Sekundärspule 34-1 sind mit dem jeweiligen Gate-Anschluss und Backgate-Anschluss des Feldeffekttransistors T1 verbunden und beide Enden der Sekundärspule 34-2 sind mit dem jeweiligen Gate-Anschluss und Backgate-Anschluss des Feldeffekttransistors T2 verbunden. Zusätzlich sind beide Enden der Sekundärspule 34-3 mit dem jeweiligen Gate-Anschluss und Backgate-Anschluss des Feldeffekttransistors T3 verbunden.
Der wie vorstehend konfigurierte Rotationstransformator 32 ist in der Lage, individuell Impulsspannungssignale zu den jeweiligen Feldeffekttransistoren T1, T2 und T3 zu übertragen.
Das heißt, der Pulsgenerator 35 gibt individuell ein Impulsspannungssignal aus, das jedem der Feldeffekttransistoren T1, T2 und T3 entspricht.
Wie in 3 veranschaulicht, erzeugt der Pulsgenerator 35 für jeden der Feldeffekttransistoren T1, T2 und T3 beispielsweise ein Impulsspannungssignal, das Perioden von einer An-Dauer entsprechend von 120° elektrischem Winkel und einer Aus-Dauer entsprechend zu 60° elektrischem Winkel hat. Wenn das Impulsspannungssignal während seiner An-Dauer auf jede der Primärspulen 33-1, 33-2 und 33-3 aufgebracht wird, wird ein Gate-Signal basierend auf dem entsprechenden Impulsspannungssignal auf den Gate-Anschluss des entsprechenden einen der Feldeffekttransistoren T1, T2 und T3 aufgebracht. Dies führt zu einem Fluss von Induktionsstrom, der von jeder der Induktionsspulen 24-1, 24-2 und 24-3 ausgegeben wird, durch die entsprechende eine der Erregerspulen 25-1, 25-2 und 25-3, so dass die Rotorzähne 22 als Elektromagnete dienen.
Zusätzlich bringt der Pulsgenerator 35 auf die Primärspulen 33-1, 33-2 und 33-3, die den jeweiligen Feldeffekttransistoren T1, T2 und T3 entsprechen, individuell Impulsspannungssignale auf, die in der Phase zueinander einen elektrischen Winkel von 120° haben.
An-Aus-Vorgänge der Feldeffekttransistoren T1, T2 und T3 basierend auf den Impulsspannungssignalen, die in der Phase zueinander einen elektrischen Winkel von 120° haben, ermöglichen insbesondere Induktionsströme, die zueinander eine Phasendifferenz von 120° elektrischem Winkel aufweisen, d. h. Induktionswechselströme, um den jeweiligen Erregerspulen 25-1, 25-2 und 25-3 zugeführt zu werden. Das heißt, die Induktionswechselströme, die den jeweiligen Erregerspulen 25-1, 25-2 und 25-3 zugeführt werden, ermöglichen es den Erregerspulen 25-1, 25-2 und 25-3, als ein rotierendes Magnetfeld zu dienen.
Das rotierende Magnetfeld, d. h. deren rotierender Magnetfluss, der von den Erregerspulen 25-1, 25-2 und 25-3 erzeugt wird, koppelt mit den Statorzähnen 12 über die Rotorzähne 22 des Rotors 20, wodurch ein Drehmoment erzeugt wird, das den Rotor 20 dreht.
Wie oben beschrieben, ist der Rotationstransformator 32 konfiguriert, um Impulsspannungssignale zu den jeweiligen Feldeffekttransistoren T1, T2 und T3 zu übertragen, während die Primärspulen 33-1 bis 33-3 und die Sekundärspulen 34-1 bis 34-3 voneinander isoliert sind. Diese Konfiguration eliminiert einen Schleifkontaktabschnitt, den Kommutatoren und Bürsten aufweisen, von der rotierenden elektrischen Maschine 1, wodurch die rotierende elektrische Maschine 1 sowohl eine erhöhte Robustheit als auch eine erhöhte Wartungsfreundlichkeit hat.
Die Steuerung der Feldeffekttransistoren T1, T2 und T3, um die Erregerspulen 25-1, 25-2 und 25-3 zu veranlassen, basierend auf Induktionswechselströmen, die ihnen jeweilig zugeführt werden, ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen, eliminiert den Bedarf der Bereitstellung von Wechselrichtern zum Wandeln eines Gleichstroms in einen Wechselstrom. Dies führt zu geringeren Kosten der rotierenden elektrischen Maschine 1.
Bezug nehmend auf 2 stellt eine Gleichstrom-(DC)-Stromversorgungsschaltung 36 eine Betriebsspannung für den Pulsgenerator 35 bereit. Die DC-Stromversorgungsschaltung 36 umfasst einen geschlossenen Stromkreis, in dem eine fahrzeugseitige Batterie 37 mit den Statorwicklungen 14 über einen Gleichspannungswandler 38 verbunden ist, um einen Erregergleichstrom zu den Statorwicklungen 14 zu bewirken.
Insbesondere erhöht die DC-Stromversorgungsschaltung 36 die Leistungsabgabe der fahrzeugseitigen Batterie 37 und stellt den Statorwicklungen 14 über den Gleichstromwandler 38 einen auf der erhöhten Leistung basierenden Gleichstrom zur Verfügung. Jede der Statorwicklungen 14 wird basierend auf der Zuführung des Gleichstroms erregt, um den entsprechenden einen der Statorzähne 12 als Elektromagneten dienen zu lassen. Die Statorzähne 12 weisen Magnetpole auf, die sich in der Umlaufrichtung des Stators 10 abwechselnd ändern.
Wenn andererseits ein Rekuperationsmoment bzw. generatorisches Moment von der rotierenden elektrischen Maschine 1 erzeugt wird, bewirkt das Rekuperationsmoment, dass eine elektromotorische Kraft in den Statorwicklungen 14 induziert wird. Die induzierte elektromotorische Kraft wird durch den Gleichstromwandler 38 abgestuft, so dass die fahrzeugseitige Batterie basierend auf der abgestuften elektromotorischen Kraft geladen wird.
Die 4 veranschaulicht, wie das Rekuperationsmoment sich ändert, während die Drehwelle unter der Steuerung der Feldeffekttransistoren T1, T2 und T3, welche auf den in 3 veranschaulichten Impulsspannungssignalen basiert, rotiert.
Wie in 4 veranschaulicht, hat das Rekuperationsmoment eine Spitze bei 1200 [U/min] und weist bei anderen Werten [U/min] andere Werte als den Spitzenwert auf.
5 veranschaulicht

(1) das Muster der Eigenschaften des Rekuperationsmoments, wenn die Phase von jedem Impulsspannungssignal auf +30° elektrischem Winkel festgesetzt ist
(2) das Muster der Eigenschaften des Rekuperationsmoments, wenn die Phase von jedem Impulsspannungssignal auf –30° elektrischem Winkel festgesetzt ist
(3) das Muster der Eigenschaften des Rekuperationsmoments, wenn die Phase von jedem Impulsspannungssignal auf –60° elektrischem Winkel festgesetzt ist
(4) das Muster der Eigenschaften des Rekuperationsmoments, wenn die Phase von jedem Impulsspannungssignal auf –90° elektrischem Winkel festgesetzt ist.

Wie in 5 veranschaulicht, ermöglicht das Steuern der Phase von jedem der Impulsspannungssignale für den entsprechenden einen der Feldeffekttransistoren T1, T2 und T3, dass die Drehmomenteigenschaften der rotierenden elektrischen Maschine 1 geändert werden.
Man beachte, dass die rotierende elektrische Maschine 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform so konfiguriert ist, dass der Pulsgenerator 35, der nicht zusammen mit dem Rotor 20 rotiert wird, die Feldeffekttransistoren T1, T2 und T3 steuert. Jedoch kann die rotierende elektrische Maschine 1 auch so konfiguriert sein, dass ein Pulsgenerator, der in dem Diodenhalter 3 bereitgestellt ist, welcher mit dem Rotor 3 rotierbar ist, die Feldeffekttransistoren T1, T2 und T3 steuert. Dies eliminiert auch den Bedarf der Bereitstellung eines Schleifkontaktabschnitts, der aus Kommutatoren und Bürsten besteht.
In der vorliegenden Ausführungsform wird den Statorwicklungen 14 des Stators 10 ein Gleichstrom bereitgestellt, um die Statorzähne 12 als Elektromagnete dienen zu lassen. Jedoch können Permanentmagnete verwendet werden, um als stationäre Magnetfelder zu dienen, oder sowohl Statorwicklungen als auch Permanentmagnete können verwendet werden, um als Magnetfelder zu dienen.
Die rotierende elektrische Maschine 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist die Außenrotorstruktur auf, bei der der Rotor 20 in dem Stator 10 angeordnet ist, jedoch kann sie auch die Innenrotorstruktur aufweisen, bei der der Rotor 20 an der Innenseite des Stators 10 angeordnet ist. Die rotierende elektrische Maschine 1 weist die Radialspaltstruktur auf, bei der der Rotor 20 und der Stator 10 zwischen sich einen radialen Luftspalt aufweisen, jedoch kann sie auch die Axialspaltstruktur haben, bei der der Rotor 20 und der Stator 10 zwischen sich einen axialen Luftspalt aufweisen.
Wie oben beschrieben ist die rotierende elektrische Maschine 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform konfiguriert, eine An-Aus-, d. h. eine Offen-Geschlossen-, Steuerung der Feldeffekttransistoren T1, T2 und T3 durchzuführen, um den jeweiligen Erregerspulen 25-1, 25-2 und 25-3 Induktionswechselströme zuzuführen. Das heißt, die Induktionswechselströme, die den jeweiligen Erregerspulen 25-1, 25-2 und 25-3 zugeführt werden, ermöglichen es den Erregerspulen 25-1, 25-2 und 25-3, als ein rotierendes Magnetfeld zu dienen.
Die Konfiguration eliminiert den Bedarf der Bereitstellung eines Schleifkontaktabschnitts, der aus Kommutatoren und Bürsten besteht, um die Erregerspulen 25-1, 25-2 und 25-3 zu erregen. Dies resultiert darin, dass die rotierende elektrische Maschine 1 sowohl eine erhöhte Robustheit als auch eine erhöhte Wartungsfreundlichkeit aufweist.
Die rotierende elektrische Maschine 1 ist auch konfiguriert, um die von dem Pulsgenerator 35 erzeugten Impulsspannungssignale zu den jeweiligen Feldeffekttransistoren T1, T2 und T3 zu übertragen, während die Primärspulen 33-1 bis 33-3 und die Sekundärspulen 34-1 bis 34-3 voneinander isoliert sind. Die Steuerung der Phase von jedem der Impulsspannungssignale, die zu den jeweiligen Feldeffekttransistoren T1, T2 und T3 übertragen werden, ermöglichen es, die Drehmomenteigenschaften der rotierenden elektrischen Maschine 1 variabel anzupassen.
Die vorliegende Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde offenbart. Es ist offensichtlich, dass ein Fachmann die vorliegende Ausführungsform modifizieren kann, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Alle modifizierten oder äquivalenten Gegenstände sollen von den folgenden Ansprüchen umfasst sein.
Bezugszeichenliste

1: rotierende elektrische Maschine
10: Stator
12: Statorzahn
14: Statorwicklung
20: Rotor
22: Rotorzahn
24: Induktionsspule
25: Erregerspule
30: Gleichrichterschaltung
32: Rotationstransformator
33: Primärspule
34: Sekundärspule
35: Pulsgenerator
T1, T2, T3: Feldeffekttransistoren (Schaltelemente)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

”A Study of Variable DC Motor” von Daichi Takura und Kan Akatsu, 2014 IEE-Japan Industry Applications Society Conference, Nr. 3–10, Seiten 125–128 [0005]

Claims

Rotierende elektrische Maschine, umfassend: einen Stator, der Statorzähne und Statorwicklungen, von denen jede konzentrisch um einen entsprechenden der Statorzähne gewickelt ist, umfasst, wobei jede der Statorwicklungen ein Magnetfeld erzeugt, wenn sie von einer Gleichstromquelle erregt wird; einen Rotor, der Rotorzähne, Induktionsspulen und Erregerspulen umfasst, wobei jede der Induktionsspulen konzentrisch um einen entsprechenden der Rotorzähne gewickelt ist, um einen Induktionsstrom zu induzieren, wobei jede der Erregerspulen konzentrisch um einen entsprechenden der Rotorzähne gewickelt ist; eine Gleichrichterschaltung, die zwischen den Induktionsspulen und den Erregerspulen verschaltet ist, wobei die Gleichrichterschaltung konfiguriert ist, den Induktionsstrom gleichzurichten, der von jeder der Induktionsspulen induziert wird; und Schaltelemente, von denen jedes zwischen der Gleichrichterschaltung und einer entsprechenden der Erregerspulen angeordnet ist, wobei die rotierende elektrische Maschine konfiguriert ist, An-Aus-Vorgänge von jedem der Schaltelemente zu steuern, um den jeweiligen Erregerspulen Induktionswechselstrom zuzuführen, der auf Induktionsströmen basiert, die von der Gleichrichterschaltung gleichgerichtet wurden.
Rotierende elektrische Maschine gemäß Anspruch 1, wobei jedes der Schaltelemente einen Feldeffektransistor umfasst, der einen Gate-Anschluss hat, und der Gate-Anschluss von jedem der Feldeffekttransistoren ist mit einem Pulsgenerator über einen Rotationstransformator verbunden.
Rotierende elektrische Maschine gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Stator und der Rotor eine zylindrische Form aufweisen, der Rotor eine Ringform hat und der Rotor um den Stator angeordnet ist.
Rotierende elektrische Maschine 1 gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner umfassend: eine Steuereinheit, die konfiguriert ist, um die An-Aus-Vorgänge von jedem der Schaltelemente zu steuern, um den jeweiligen Erregerspulen den Induktionswechselstrom zuzuführen, der auf den Induktionsströmen basiert, die von der Gleichrichterschaltung gleichgerichtet werden.
Rotierende elektrische Maschine gemäß Anspruch 1, wobei die Steuereinheit umfasst: einen Pulsgenerator, der Impulsspannungssignale erzeugt; einen Rotationstransformator, umfassend Primärspulen und Sekundärspulen, die den jeweiligen Primärspulen entsprechen, wobei die Primärspulen angeordnet sind, um nicht mit dem Rotor rotierbar zu sein, wobei die Sekundärspulen angeordnet sind, um rotierbar mit dem Rotor zu sein, wobei der Rotationstransformator konfiguriert ist, um einen Pegel von jedem der Impulsspannungssignale zu transformieren, während die Primärspulen von den Sekundärspulen isoliert sind, wobei jede der Sekundärspulen mit einem entsprechenden der Schaltelemente verbunden ist.
Rotierende elektrische Maschine, umfassend: einen Stator mit Permanentmagneten; einen Rotor, der Rotorzähne, Induktionsspulen und Erregerspulen umfasst, wobei jede der Induktionsspulen konzentrisch um einen entsprechenden der Rotorzähne gewickelt ist, um einen Induktionsstrom zu induzieren, wobei jede der Erregerspulen konzentrisch um einen entsprechenden der Rotorzähne gewickelt ist; eine Gleichrichterschaltung, die zwischen den Induktionsspulen und den Erregerspulen verschaltet ist, wobei die Gleichrichterschaltung konfiguriert ist, den Induktionsstrom gleichzurichten, der von jeder der Induktionsspulen induziert wird; Schaltelemente, von denen jedes zwischen der Gleichrichterschaltung und einer entsprechenden der Erregerspulen angeordnet ist; und eine Steuereinheit, die konfiguriert ist, An-Aus-Vorgänge von jedem der Schaltelemente zu steuern, um den jeweiligen Erregerspulen Induktionswechselströme zuzuführen, die auf den Induktionsströmen basieren, die von der Gleichrichterschaltung gleichgerichtet werden.
Rotierende elektrische Maschine gemäß Anspruch 6, wobei die Steuereinheit umfasst: einen Pulsgenerator, der Impulsspannungssignale erzeugt; einen Rotationstransformator, umfassend Primärspulen und Sekundärspulen, die den jeweiligen Primärspulen entsprechen, wobei die Primärspulen angeordnet sind, um nicht mit dem Rotor rotierbar zu sein, wobei die Sekundärspulen angeordnet sind, um mit dem Rotor rotierbar zu sein, wobei der Rotationstransformator konfiguriert ist, einen Pegel von jedem der Impulsspannungssignale zu transformieren, während die Primärspulen von den Sekundärspulen isoliert sind, wobei jede der Sekundärspulen mit einem entsprechenden der Schaltelemente verbunden ist.