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[Technisches Fachgebiet]
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine rotierende elektrische Maschine.
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[Allgemeiner Stand der Technik]
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Unter den rotierenden elektrischen Maschinen, die zur Erzeugung von Drehmoment einen von Permanentmagneten, die an einem Rotor montiert sind, erzeugten Fluss nutzen, ist eine rotierende elektrische Maschine bekannt, die den Fluss, der von Permanentmagneten erzeugt wird, die an dem Rotor montiert sind, wobei der Fluss mit Dreiphasen-Ankerwicklungen eines Stators koppelt, variiert. Die beispielsweise in
JP 2010 - 246 196 A beschriebene bekannte rotierende elektrische Maschine weist einen Stator mit Dreiphasen-Ankerwicklungen, einen ersten Rotor und einen zweiten Rotor, die von dem Stator umgeben sind, auf. Sowohl der erste als auch der zweite Rotor weisen eine Vielzahl von Permanentmagneten auf, die in Umfangsrichtung um eine Mittenlängsachse, d.h. eine Rotationsachse, verteilt sind, wobei benachbarte Magneten sich aufeinanderfolgend in der magnetischen Polarität abwechseln.
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Gemäß diesem Aufbau ist die bekannte rotierende elektrische Maschine in der Lage, den Magnetfluss anzupassen, der von den Permanentmagneten des ersten und des zweiten Rotors mit dem Dreiphasen-Ankerwicklungen des Stators koppelt, um den der zweite Rotor relativ zu dem ersten Rotor in Reaktion auf Drehmoment und Umdrehungen pro Minute (U/min) zu bewegen, um die Positionsbeziehungen der magnetischen Polarität zwischen den Permanentmagneten des ersten Rotors und den Permanentmagneten des zweiten Rotors zu variieren. Um die Positionsbeziehungen der magnetischen Polarität zwischen den Permanentmagneten des ersten Rotors und den Permanentmagneten des zweiten Rotors zu variieren, nutzt die bekannte rotierende elektrische Maschine einen Aktuator, der steuerbar in Reaktion auf ein Steuersignal den zweiten Rotor dazu veranlasst, eine Zielposition einzunehmen.
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Um Hystereseverluste während einer sog. „Fluss-Abschwächungs-(FW)-Steuerung“ in einem hochtourigen Bereich der rotierenden elektrischen Maschine mit variablem Magnetfluss zu reduzieren, ist durch einen Statorkern des Stators eine Schicht mit magnetischem Widerstand bereitgestellt, um einen Fluss des Magnetflusses von dem ersten Rotor hin zu dem zweiten Rotor, der von dem Rotor entlang der Mittenlängsachse beabstandet ist, abzuschneiden.
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Die
JP 2000 - 139 047 A offenbart eine rotierende elektrische Maschine mit einem Stator, einem von dem Stator über einen vorgegebenen Luftspalt beabstandeten Rotor sowie an dem Rotor montierte Induktionsspulen zur Erzeugung eines Induktionsstroms, an dem Rotor montierte Permanentmagnete zur Erzeugung eines Magnetflusses, der mit dem Stator koppelt, um einen Magnetpfad durch den Stator auszubilden, und an dem Rotor montierte Erregerspulen. Die Erregerspulen sind dazu konfiguriert, um in Reaktion auf die Induktionsströme erregt zu werden, um einen Magnetfluss zu erzeugen, der mit dem Stator koppelt, um einen Magnetpfad durch den Stator auszubilden, der in eine Richtung orientiert ist, die dem Magnetpfad der Permanentmagnete entgegenwirkt.
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Die
DE 10 2006 036 289 A1 offenbart einen Synchronmotor. Dieser umfasst einen Stator mit Ankerspulen, einen von dem Stator über einen vorgegebenen Luftspalt beabstandeten Rotor, Induktionsspulen und Permanentmagnete. Die Ankerspulen sind dazu konfiguriert, einen Magnetfluss zu erzeugen, der zumindest eine Oberschwingungskomponente enthält. Die an dem Rotor montierten Induktionsspulen sind dazu konfiguriert, in Reaktion auf die Oberschwingungskomponente Induktionsstrom zu erzeugen. Die an dem Rotor montierten Permanentmagnete sind dazu konfiguriert, einen Magnetfluss zu erzeugen, der mit dem Stator koppelt, um einen Magnetpfad durch den Stator auszubilden.
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[Kurzdarstellung der Erfindung]
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[Technisches Problem]
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Jedoch benötigt die bekannte, in
JP 2010 - 246 196 A beschriebene rotierende elektrische Maschine einen Aktuator und eine Steuereinheit zur Steuerung des Aktuators, um zu bewirken, dass der zweite Rotor wie beschrieben die Zielposition einnimmt. Dies benötigt eine präzise Steuerung, um den zweiten Rotor mechanisch zu bewegen, so dass dieser in einer vorgegebenen Beziehung des zweiten Rotors zu dem ersten Rotor ist. Diese Lehre führt weg von einem kostengünstigen Aufbau, der den von dem Permanentmagneten erzeugten Fluss variiert, welcher mit den Dreiphasen-Ankerwicklungen des Stators koppelt.
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Im Hinblick auf die beschriebenen Umstände ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine rotierende elektrische Maschine bereitzustellen, die den von Permanentmagneten erzeugten Fluss, der mit Ankerwicklungen koppelt, mittels einer kostengünstigen Konfiguration variieren kann.
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[Lösung des Problems]
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Gemäß einem Aspekt ist eine rotierende elektrische Maschine bereitgestellt. Die Rotierende elektrische Maschine umfasst: einen Stator, der Ankerspulen umfasst, die konfiguriert sind, Magnetfluss zu erzeugen, der zumindest eine Oberschwingungskomponente enthält; einen Rotor, der einen ersten Rotor und einen zweiten Rotor umfasst; wobei der erste Rotor von dem Stator über einen vorgegebenen Luftspalt beabstandet ist; Induktionsspulen, die an dem Rotor montiert sind und die konfiguriert sind, in Reaktion auf die Oberschwingungskomponente Induktionsstrom zu erzeugen; Permanentmagnete, die an dem Rotor montiert sind und die konfiguriert sind, einen Magnetfluss zu erzeugen, der mit dem Stator koppelt, um einen Magnetpfad durch den Stator auszubilden; und Erregerspulen, die an dem Rotor montiert sind und die konfiguriert sind, um in Reaktion auf die Induktionsströme erregt zu werden, um Magnetfluss zu erzeugen, der mit dem Stator koppelt, um einen Magnetpfad durch den Stator auszubilden, der in eine Richtung orientiert ist, die dem Magnetpfad der Permanentmagnete entgegenwirkt. Der Stator umfasst einen Statorkern, der sich entlang einer Mittenlängsachse erstreckt. Der Statorkern umfasst eine Statorbasis, Statorzähne, die sich von der Statorbasis erstrecken, und Statornuten, die sich zwischen zwei benachbarten Statorzähnen erstrecken. Die Ankerspulen sind toroidal um die Statorbasis gewickelt, von denen jede innerhalb einer entsprechenden Statornut der Statornuten angeordnet ist. Der erste Rotor umfasst zumindest einen ersten Rotorkern, der konfiguriert ist, um um die Mittenlängsachse zu rotieren, wobei der erste Rotorkern von dem Statorkern entlang der Mittenlängsachse beabstandet ist, wobei der erste Rotorkern eine Rotorbasis und Rotorzähne umfasst, die sich axial von der Rotorbasis relativ zu der Mittenlängsachse erstrecken. Die Induktionsspulen sind um die Rotorzähne gewickelt. Die Erregerspulen sind um die Rotorzähne gewickelt. Der zweite Rotor umfasst einen zweiten Rotorkern umfasst, der konfiguriert ist, um um die Mittenlängsachse zu rotieren, wobei der zweite Rotorkern von dem Statorkern entlang aller radialen Achsen des zweiten Rotorkerns beabstandet ist, welche sich von der Mittenlängsachse radial erstrecken. Die Permanentmagnete sind an dem zweiten Rotor montiert.
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[Vorteilhafte Effekte der Erfindung]
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Dementsprechend ist eine rotierende elektrische Maschine bereitgestellt, die den Magnetfluss von Permanentmagneten, der mit Ankerspulen koppelt, variieren kann.
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Figurenliste
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- 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer rotierenden elektrischen Maschine.
- 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Teilausschnitts der in 1 gezeigten rotierenden elektrischen Maschine, geschnitten durch zwei radiale Achsen, die sich von einer Mittenlängsachse radial erstrecken.
- 3 ist eine perspektivische Ansicht eines Teilausschnitts, gesehen ähnlich zu 2, mit entfernten Ankerspulen, Induktionsspulen und Erregerspulen.
- 4 ist ein Verbindungsdiagramm zwischen Induktionsspulen, Erregerspulen und einer Gleichrichterschaltung.
- 5 ist eine perspektivische Ansicht eines Teilausschnitts, ähnlich zu 2, mit entfernten Ankerspulen und Induktionsspulen, welche veranschaulicht, dass jeder der in Umfangsrichtung ausgerichteten Rotorzähne eines ersten Rotors eine magnetische Polarität aufweist, die entgegengesetzt zu einer magnetischen Polarität von einem axial beabstandeten der in Umfangsrichtung ausgerichteten Permanentmagneten eines zweiten Rotors ist.
- 6 ist eine perspektivische Ansicht ähnlich zu 1, wobei ein Rotorkern des zweiten Rotors entfernt ist, so dass er Permanentmagnete zurücklässt, welche den Magnetfluss veranschaulicht, der von Erregerspulen ausgeht, und den Magnetfluss, der den Permanentmagneten ausgeht, die einander aufheben.
- FIG, 7 ist ein Diagramm, das die Verteilung des Magnetflussbetrags von dem zweiten Rotor veranschaulicht, welche während eines hochtourigen Betriebs der rotierenden elektrischen Maschine mit dem Stator koppelt.
- 8 ist eine Grafik, die den Magnetflussbetrag veranschaulicht, die von den Permanentmagneten ausgeht und die in den Ankerwicklungen des Stators verbleibt, gegenüber der Drehzahl.
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[Beschreibung der Ausführungsformen]
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Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen werden nachfolgend Ausführungsformen detailliert beschrieben. Die 1 bis 8 zeigen eine im Allgemeinen mit 1 bezeichnete rotierende elektrische Maschine.
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Bezug nehmend auf die 1 und 2 umfasst die rotierende elektrische Maschine 1 einen Stator 10 und einen im Allgemeinen mit 20 bezeichneten Rotor. Der Stator 10 umfasst Ankerspulen 11, die eine erste U+ (oder U-) Phasen-Ankerspule, eine zweite V+ (oder V-) Phasen-Ankerspule und eine dritte W+ (oder W-) Phasen-Ankerspule umfassen. Die erste, die zweite und die dritte Phasen-Ankerspule 11 repräsentieren einen Satz von Dreiphasenwicklungen.
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(Stator)
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Der Stator 10 umfasst einen Statorkern (12, 13), der sich entlang einer nicht dargestellten Mittenlängsachse, d.h. einer Rotationsachse, erstreckt. Der Statorkern (12, 13) ist eine ringförmige Ringstruktur aus hochmagnetischem permeablen Material. Der Statorkern (12, 13) umfasst eine Statorbasis 12. Der Stator 10 umfasst Ankerspulen 11, die um die Statorbasis 12 mit konzentrierter Wicklung gewickelt sind. Der Stator 10 ist fest an einem (nicht dargestellten) Motorgehäuse befestigt, und zwar durch (nicht gezeigte) Verbindungsstücke aus nicht magnetischem Material, die sich von der Statorbasis 12 derart erstrecken, dass der Stator 10 magnetisch abgeschirmt ist. Diese Montageanordnung beschränkt den Streufluss.
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Bezug nehmend auch auf die 2 und 3 umfasst der Statorkern (12, 13) zusätzlich zu der Statorbasis 12 eine Vielzahl von Statorzähnen 13, die sich von der Statorbasis 12 erstrecken, und eine Vielzahl von Statornuten 14, die sich zwischen benachbarten Statorzähnen 13 erstrecken. Die Statorzähne 13 sind in Umfangsrichtung und gleichmäßig um die Mittenlängsachse angeordnet. Die Statorzähne 13 erstrecken sich radial von der Statorbasis 12 zu radial (relativ zu der Mittenlängsachse) inneren Enden 13b der Statorzähne 13. Die Statorzähne 13 erstrecken sich axial entlang der Mittenlängsachse von der Statorbasis 12 in eine Richtung zu axial oberen Enden 13a der Statorzähne 13 und in der entgegengesetzten Richtung zu (nicht gezeigten) axial unteren Enden 13a der Statorzähne 13. Die Statornuten 14 erstrecken sich zwischen benachbarten Statorzähnen 13. Der Rotor 20 umfasst eine Drehwelle 2 (siehe 7). Die Drehwelle 2 ist konfiguriert, um um die Mittenlängsachse zu rotieren.
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Zumindest eine Ankerspule 11 ist toroidal um die Statorbasis 12 innerhalb der entsprechenden einen Statornut der Statornuten 14 gewickelt. Wie am besten aus 1 ersichtlich, umfasst die zumindest eine Ankerspule 11 zwei Phasen-Ankerspulen, beispielsweise die erste (oder U-) Phasen-Ankerspule und die zweite (oder V+) Phasen-Ankerspule oder die zweite (oder V-) Phasen-Ankerspule und die dritte (oder W+) Phasen-Ankerspule oder die dritte (oder W-) Phasen-Ankerspule und die erste (oder U+) Phasen-Ankerspule. An dieser Stelle wird ein Fall angenommen, bei dem die Statornuten 14 die erste, zweite, dritte und vierte Statornut umfassen, die in einer Umfangsrichtung des Statorkerns (12, 13) ausgerichtet sind. Die erste und die zweite Phasen-Ankerspule sind toroidal um die Statorbasis 12 innerhalb der ersten Statornut gewickelt. Die zweite und die dritte Phasen-Ankerspule sind toroidal um die Statorbasis 12 innerhalb der zweiten Statornut gewickelt. Die dritte und die erste Phasen-Ankerspule sind toroidal um die Statorbasis 12 innerhalb der dritten Statornut gewickelt. Die erste und die zweite Phasen-Ankerspule sind toroidal um die Statorbasis 12 innerhalb der vierten Statornut gewickelt.
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Jede der Ankerspulen 11 ist toroidal um die Statorbasis 12 gewickelt, indem ein rechteckiger Flachdraht hochkant um die Statorbasis 12 gewickelt wird, wobei ein innerer kurzer Rand des rechteckigen Flachdrahts der Statorbasis 12 gegenüberliegt.
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Diese Wicklungskonfiguration erlaubt eine Erhöhung der Wicklungsanzahl eines rechteckigen Flachdrahts mit einem Querschnitt, gemäß der der Strom aufrecht erhalten wird, weil die langen Ränder von benachbarten Wicklungen des Flachdrahts einander gegenüberliegen. Dies bewirkt eine Erhöhung der magnetomotorischen Kraft am Stator 10, indem der Füllfaktor der Ankerspulen 11 verbessert wird.
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Wie zuvor beschrieben, sind an jedem Statorzahn der Statorzähne 13 die oberen und die unteren axialen Enden 13a entlang der Mittenlängsachse und das radial innere Ende 13b relativ zu der Mittenlängsachse beabstandet. Wie später beschrieben, umfasst der Rotor 20 einen ersten Rotor 210 und einen zweiten Rotor 220. Die oberen axialen Enden 13a der Statorzähne 13 liegen über einen Luftspalt den Rotorzähnen 212 von einem der ersten Rotorkerne (211, 212) des ersten Rotors 210 gegenüber und sind von diesem beabstandet, während die unteren axialen Enden 13a über einen Luftspalt von den Rotorzähnen 212 des anderen Rotorkerns (211, 212) des ersten Rotors 210 gegenüberliegen und von diesen beabstandet sind. Des Weiteren liegen die radial inneren Enden 13b der Statorzähne 212 über einen Luftspalt Rotorzähnen 222 des zweiten Rotors 220 gegenüber und sind von diesem beabstandet.
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Der Stator 10 erzeugt ein rotierendes Magnetfeld, das in einer Umfangsrichtung des Statorkerns (12, 13) rotiert, wenn Dreiphasen-Wechselströme den Ankerspulen 11 zugeführt werden. Der von dem Stator 10 erzeugte Magnetfluss, der auch „Haupt-Magnetfluss“ genannt werden kann, koppelt mit dem Rotor 20. Dies bewirkt eine Drehung des Rotors 20 relativ zu dem Stator 10.
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Insbesondere sind die Wicklungsrichtungen und die Erregungsrichtungen von einem Paar von Ankerspulen 11, eine an der einen von beiden Seiten eines entsprechenden Statorzahns 13 angeordnet, welche in einer Umfangsrichtung an der Statorbasis 12 beabstandet sind, die andere an der anderen Seite angeordnet, derart festgesetzt, dass die Magnetflusslinien, die von einer der Ankerspulen 11 des Paars erzeugt werden, in eine Umfangsrichtung gerichtet sind und dass die Magnetflusslinien, die von der anderen Ankerspule 11 erzeugt werden, in die entgegengesetzte Umfangsrichtung gerichtet sind.
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Wenn des Weiteren eine Ankerspule 11 des Paars eine V+ Phasen-Ankerspule ist und die andere Ankerspule 11 des Paars eine V- Phasen-Ankerspule ist, sind die Magnetflusslinien, die von der V+ Phasen-Ankerspule erzeugt werden, und die Magnetflusslinien, die von der V- Phasen-Ankerspule erzeugt werden, zu dem einen entsprechenden Statorzahn 13 gerichtet, der zwischen dem Paar der Ankerspulen 11 angeordnet ist, um sich dort innerhalb des einen entsprechenden Statorzahns 13 zu treffen. Die Magnetflusslinien innerhalb des einen entsprechenden Statorzahns 13 werden in orthogonalen Richtungen zu der Umfangsrichtung gelenkt und zu dem Rotor 20 geführt.
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Ein Teil der Magnetflusslinien wird zu einem nächsten Statorzahn 13 zwischen einem Paar einer W+ Phasen- und W- Phasen-Ankerspule 11 gerichtet, aufgrund eines Magnetpfades, der durch jeden der ersten Rotorkerne (211, 212) des ersten Rotors 210 verläuft, und aufgrund eines Magnetpfades, der durch einen zweiten Rotorkern (221, 222) des zweiten Rotors 220 verläuft. Der verbleibende Teil der Magnetflusslinien wird zu dem anderen nächsten Statorzahn 13 zwischen einem Paar von U+ Phasen- und U-Phasen-Ankerspulen 11 gerichtet, aufgrund eines Magnetpfades, der durch jeden der ersten Rotorkerne (211, 212) des ersten Rotors 210 verläuft, und aufgrund eines Magnetpfades, der durch den zweiten Rotorkern (221, 222) des zweiten Rotors 220 verläuft.
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Wie aus der vorstehenden Beschreibung einfach ersichtlich wird, werden Magnetkreise für den von den Ankerspulen 11 erzeugten Magnetfluss über Flächen erzeugt, durch welche die Statorzähne 13 mit dem Rotor 20 interagieren. In der rotierenden elektrischen Maschine 1 wird Drehmoment an den Flächen erzeugt, durch welche die Statorzähne 13 mit dem Rotor 20 interagieren, welche oft als Drehmoment erzeugende Oberfläche bezeichnet werden, und dies bewirkt die Rotation des Rotors 20.
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Wie beschrieben, sind die Ankerspulen 11 toroidal mit konzentrierter Wicklung um den Stator 10 gewickelt. Dies bewirkt, dass das rotierende Magnetfeld Oberschwingungen enthält, die asynchron zur Rotation des Rotors 20 rotieren, wenn den Ankerspulen 11 Dreiphasen-Wechselstrom (AC) zugeführt wird. Diese Oberschwingungen umfassen die zweite Raumoberschwingung in einem stationären Ruhesystem (d.h. die dritte Zeitoberschwingung in einem synchron mit dem Rotor 20 rotierenden Bezugssystem). Daher umfasst der von dem Stator 10 erzeugte Magnetfluss Oberschwingungskomponenten.
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(Rotor)
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Bezug nehmend auf die 1, 2 und 3 umfasst der Rotor 20 den ersten Rotor 210 in Form eines Axialspaltrotors und den zweiten Rotor 220 in Form eines Radialspaltrotors. Der Axialspaltrotor 210 ist konfiguriert, derart um die Mittenlängsachse zu rotieren, dass der Axialspaltrotor 210 über axiale Spalten von dem Stator 10 entlang der Mittenlängsachse in der einen und der entgegengesetzten Richtung beabstandet ist. Der Radialspaltrotor 220 ist konfiguriert, derart um die Mittenlängsachse zu rotieren, dass der Radialspaltrotor 220 von dem Stator 10 entlang aller radialen Achsen, die sich radial von der Mittenlängsachse erstrecken, beabstandet und umgeben ist.
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Der Axialspaltrotor 210 und der Radialspaltrotor 220 sind integral drehbar an der Drehwelle 2 befestigt (siehe 7), die konfiguriert ist, um die Mittenlängsachse zu rotieren, so dass sie zueinander synchron um die Mittenlängsachse rotieren. Der Axialspaltrotor 210 und der Radialspaltrotor 220 können integriert sein.
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Der erste oder Axialspaltrotor 210 umfasst zumindest einen ersten Rotorkern (211, 212), der konfiguriert ist, um die Mittenlängsachse zu rotieren. In der vorliegenden Ausführungsform umfasst der Axialspaltrotor 210 ein Paar von ersten Rotorkernen (211, 212), von denen jeder konfiguriert ist, um um die Mittenlängsachse zu rotieren. Der erste Rotorkern (211, 212) ist eine ringförmige Ringstruktur aus einem hochmagnetischen permeablen Material. Der erste Rotorkern (211, 212) ist über einen axialen Spalt von dem Statorkern (12, 13) entlang der Mittenlängsachse beabstandet. In dem vorliegenden Beispiel sind die ersten Rotorkerne (211, 212) des Paars in der einen und in der entgegengesetzten Richtung von dem Statorkern (12, 13) entlang der Mittenlängsachse beabstandet. Der erste Rotorkern (211, 212) umfasst eine Rotorbasis 211 und Rotorzähne 212, die sich axial von der Rotorbasis 211 relativ zu der Mittenlängsachse erstrecken. Jeder der Rotorzähne 212 ist über einen Spalt von dem axialen Ende 13a (siehe 3) von einem entsprechenden Statorzahn 13 der Statorzähne 13 entlang der Mittenlängsachse beabstandet, wenn der Rotorzahn 212 und der entsprechende Statorzahn 212 zueinander ausgerichtet werden, d.h. in Fluchtung kommen. Die Rotorzähne 212 des ersten Rotorkerns (211, 212) sind in Umfangsrichtung und gleichmäßig um die Mittenlängsachse verteilt. Des Weiteren sind die Rotorzähne 212 in einer Umfangsrichtung an der Rotorbasis 211 des ersten Rotorkerns (211, 212) ausgerichtet. Der erste Rotor 210 umfasst eine Induktionsspule 215, die um einen entsprechenden Rotorzahn der Rotorzähne 212 gewickelt ist. Der erste Rotor 210 umfasst eine Erregerspule 216, die um einen entsprechenden Rotorzahn der Rotorzähne 212 gewickelt ist. In der vorliegenden Ausführungsform sind eine Induktionsspule 215 und eine entsprechende Erregerspule 216 um jeden der Rotorzähne 212 von jedem der ersten Rotorkerne (211, 212) gewickelt.
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Die Rotorzähne 212 von einem ersten Rotorkern (211, 212) sind über einen Luftspalt in der einen Richtung von den axialen Enden 13a der Statorzähne 13 entlang der Mittenlängsachse beabstandet, während die Rotorzähne 212 des anderen der Rotorkerne (211, 212) über einen Luftspalt in der entgegengesetzten Richtung von den anderen axialen Enden der Statorzähne 13 entlang der Mittenlängsachse beabstandet sind.
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Die Induktionsspule 215 und die zugeordnete Erregerspule 216 sind um jeden Rotorzahn der Rotorzähne 212 derart gewickelt, dass sie in Schichten angeordnet sind. Jede der Induktions- und Erregerspulen 215 und 216 besteht aus einem Draht, der mit einem Isolationsmaterial ummantelt ist.
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Die Induktionsspulen 215 sind näher an dem Statorkern (12, 13) als die Erregerspulen 216. Die Induktionsspulen 215 sind konfiguriert und relativ zu dem Stator 10 angeordnet, so dass die Induktionsspulen 215 in Reaktion auf Oberschwingungskomponenten, die in dem von den Ankerspulen 11 ausgehendem Magnetfluss enthalten sind, Induktionsstrom erzeugen.
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Insbesondere enthält das rotierende Magnetfeld, das während der Zufuhr von Dreiphasen-Wechselströmen zu den Ankerspulen 11 an dem Stator 10 erzeugt wird, Oberschwingungskomponenten. Flusslinien solcher Oberschwingungskomponenten koppeln mit den Induktionsspulen 215. Dies bewirkt eine Erzeugung von Induktionsstrom in den Induktionsspulen 215.
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Die Erregerspulen 216 sind näher an der Rotorbasis 211 des ersten Rotorkerns (12, 13) als die Induktionsspulen 215. Die Erregerspulen 216 sind konfiguriert, um in Reaktion auf einen Strom, der durch die Gleichrichtung des Induktionsstroms gegeben ist, welcher von den Induktionsspulen 215 erzeugt wird, ein Magnetfeld zu erzeugen.
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Dies bewirkt, dass die Rotorzähne 212 des ersten Rotorkerns (211, 212) als Elektromagnete fungieren, wodurch die Flächen, über welche die Rotorzähne 212 mit den Statorzähnen 13 interagieren, als Drehmoment erzeugende Flächen fungieren.
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Der zweite oder Radialspaltrotor 220 umfasst einen zweiten Rotorkern (221, 222), der konfiguriert ist, um um die Mittenlängsachse zu rotieren, und Permanentmagnete 223. Der zweite Rotorkern (221, 222) ist von dem Statorkern (12, 13) entlang aller radialer Achsen des zweiten Rotorkerns (221, 222) beabstandet, welche sich radial von der Mittenlängsachse erstrecken. In der vorliegenden Ausführung ist der zweite Rotorkern (221, 222) aus einem hochmagnetischen, permeablen Material.
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Der zweite Rotorkern (221, 222) umfasst eine Rotorbasis 221 und Rotorzähne 222, die sich radial von der Rotorbasis 221 relativ zu der Mittenlängsachse erstrecken. Die Rotorzähne 222 des zweiten Rotorkerns (221, 222) sind in Umfangsrichtung und gleichmäßig um die Mittenlängsachse verteilt. Des Weiteren sind die Rotorzähne 222 in einer Umfangsrichtung an der Rotorbasis 221 des zweiten Rotorkerns (221, 222) ausgerichtet.
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Jeder der Rotorzähne 222 des zweiten Rotorkerns (221, 222) ist über einen Luftspalt von dem radial inneren Ende 13b (siehe 3) von einem entsprechenden Statorzahn 13 der Statorzähne 13 entlang aller radialer Achsen des zweiten Rotorkerns (221, 222) beabstandet, welche sich radial von der Mittenlängsachse erstrecken, wenn der Rotorzahn 222 und der entsprechende Statorzahn 13 ausgerichtet werden, d.h. in Fluchtung kommen. Wie am besten in 3 ersichtlich, sind die Permanentmagnete 223 jeweils in den Rotorzähnen 222 des zweiten Rotorkerns (221, 222) angeordnet. Die Rotorzähne 222 des zweiten Rotorkerns (221, 222) sind jeweils Schenkelpole.
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Die Permanentmagnete 223 sind Neodymmagnete (Nd-Fe-B) und sind in den Rotorzähnen 222 des zweiten Rotorkerns (221, 222) eingebettet.
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(Gleichrichterschaltung)
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Die rotierende elektrische Maschine 1 ist mit zumindest einer Gleichrichterschaltung 30 ausgestattet, die konfiguriert ist, Induktionswechselströme, die von den Induktionsspulen 215 erzeugt werden, gleichzurichten, und den gleichgerichteten Strom den Erregerspulen 216 zuzuführen.
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Bezug nehmend auf 4 umfasst die Gleichrichterschaltung 30 zwei Dioden D1 und D2 als Gleichrichterelemente. Die Gleichrichterschaltung 30 ist ein geschlossener Stromkreis, der die Dioden D1 und D2, zwei Induktionsspulen 215 und zwei Erregerspulen 216 miteinander verbindet. Für die Induktions- und Erregerspulen 215 und 216 an einem von den ersten Rotorkernen (211, 212) und jene an dem anderen der ersten Rotorkerne (211, 212) sind Gleichrichterschaltungen 30 getrennt an dem einen und dem gegenüberliegenden axialen Ende der rotierenden elektrischen Maschine 1 angeordnet.
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Zwei Induktionsspulen 215 sind in der Gleichrichterschaltung 30 zwei benachbarte Induktionsspulen 215 in einer Umfangsrichtung der Rotorbasis 211 des ersten Rotorkerns (211, 212) an dem ersten oder Axialspaltrotor 210. Zwei Erregerspulen 216 sind zwei benachbarte Erregerspulen in der Umfangsrichtung der Rotorbasis 211 des ersten Rotorkerns (211, 212) des ersten oder Axialspaltrotors 220.
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Die Dioden D1 und D2, die in einem Diodengehäuse aufgenommen sind, sind am dem ersten oder Axialspaltrotor 210 oder an dem zweiten oder Radialspaltrotor 220 montiert. Die Dioden D1 und D2 können integral in dem ersten oder Axialspaltrotor 210 oder dem zweiten oder Radialspaltrotor 220 montiert sein.
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In der Gleichrichterschaltung 30 wird Induktionswechselstrom, der von einer der zwei Induktionsspulen 215 erzeugt wird, von einer der zwei Dioden gleichgerichtet, beispielsweise D1, während der Induktionswechselstrom, der von der anderen der Induktionsspulen 215 erzeugt wird, von der anderen Diode D2 gleichgerichtet wird. Der durch die Gleichrichtung der Induktionswechselströme gegebene Gleichstrom wird als Erregerstrom den Erregerspulen 216, die in Serie verbunden sind, zugeführt. Dies bewirkt, dass jede der zwei Erregerspulen 216 Magnetfluss erzeugt.
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In der vorliegenden Ausführungsform sind zwei benachbarte Erregerspulen 216 von allen Erregerspulen 216 jeweils in die eine und in die entgegengesetzte Richtung gewickelt, so dass sie beim Erhalt des gleichgerichteten Gleichstroms Magnetflüsse erzeugen, deren Richtungen in entgegengesetzte Richtungen weisen. Insbesondere sind die Wicklungsrichtungen der zwei Erregerspulen 216 derart festgesetzt, dass ein Rotorzahn 212, um den eine der zwei Erregerspulen 216 gewickelt ist, als ein Nordpol (N-Pol) magnetisiert wird, und ein anderer Rotorzahn 212, um den die andere Erregerspule 216 gewickelt ist, als ein Südpol (S-Pol) magnetisiert wird. Wie in 5 ferner gezeigt, sind die Wicklungsrichtungen aller Erregerspulen 216 derart festgesetzt, dass jeder Rotorzahn 212 der Rotorzähne 212 des ersten Rotorkerns (211, 212) und ein entsprechender in Umfangsrichtung ausgerichteter Permanentmagnet 223 der in Umfangsrichtung ausgerichteten Permanentmagnete 223 des zweiten Rotors 220 die eine und die entgegengesetzte magnetische Polarität aufweisen.
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(Betrieb der rotierenden elektrischen Maschine)
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Nachfolgend wird Bezug nehmend auf die 6, 7 und 8 der Betrieb der rotierenden elektrischen Maschine 1 gemäß der vorliegenden Ausführung beschrieben.
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Wie beschrieben, ist in dieser Ausführungsform die rotierende elektrische Maschine 1 ein Synchronmotor mit innerem Permanentmagneten (Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM), bei welchem ein von Permanentmagneten 223 erzeugter Magnetfluss bei der Drehmomenterzeugung beiträgt.
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Hinsichtlich des Betriebs von Synchronmotoren mit innerem Permanentmagneten (IPMSMs) nach dem Stand der Technik, steigt die Größe der gegenelektromotorischen Kraft, die in Ankerspulen eines Stators erzeugt wird, mit der Drehzahl eines Rotors an, weil der Magnetfluss der Permanentmagnete konstant bleibt. Wenn die Drehzahl des Rotors eine bestimmte Drehzahl erreicht, wird nachfolgend die Größe der gegenelektromotorischen Kraft so groß wie die Versorgungsspannung. Dies erschwert die Zuführung von mehr Strom zu den Ankerspulen des Synchronmotors mit innerem Permanentmagneten. Infolgedessen kann diese die Drehzahl des Rotors erhöhen.
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Um dieses Problem zu lösen, wird eine sog. „Fluss-Abschwächungs-(FW)-Steuerung“ ausgeführt, bei der die gegenelektromotorische Kraft (Gegen-EMK) unbestimmt reduziert wird, indem bewirkt wird, dass ein Strom derart fließt, um den von dem Permanentmagneten erzeugten Fluss abzuschwächen.
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Während des oben beschriebenen FW-Betriebs, baut sich ein Fluss auf, indem ein Strom bereitgestellt wird, um dem von den Permanentmagneten erzeugten Fluss entgegenzuwirken. Der Fluss trägt nicht zur Erzeugung von Drehmoment bei. Dieser für die Leistungsabgabe unnötige Energieverbrauch führt zu einem Abfall des Wirkungsgrads.
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Während des FW-Betriebs baut sich zusätzlich ein Oberschwingungsfluss auf. Dies kann einen Hystereseverlust oder einen Anstieg der elektromotorischen Vibration in den IPMSMs verursachen. Weil der Fluss aufgebaut wird, um dem von den Permanentmagneten erzeugten Fluss entgegenzuwirken, können die Permanentmagnete eine irreversible Entmagnetisierung erleiden. Aus diesem Grund ist die Verwendung von Permanentmagneten mit relativ hoher Koerzitivfeldstärke notwendig, was zu einem Kostenanstieg führt.
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Falls ein Neodymmagnet für die Permanentmagnete des IPMSM verwendet wird, leiden die Permanentmagnete unter der Hitzeerzeugung aufgrund von Wirbelströmen in den Permanentmagneten, die von Variationen des externen Magnetfelds während des FW-Betriebs induziert werden. Die Hitzeerzeugung kann irreversible Entmagnetisierung der Permanentmagnete bewirken. Dadurch ist es notwendig, stark hitzebeständige Materialien (wie z.B. seltene Erden) zu den Permanentmagneten zuzufügen. In diesem Fall kann dies verhindern, dass die Permanentmagnete ihre ursprüngliche Leistungsfähigkeit vorweisen, weil die Permanentmagnete die seltenen Erden als Verunreinigungen auffassen.
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In der vorliegenden Ausführungsform kann daher die rotierende elektrische Maschine 1 den Fluss, der von den Permanentmagneten 223 erzeugt wird und mit dem Stator 10 koppelt, durch die Wirkung der Erregerspulen 216 anpassen, wodurch der FW-Betrieb überflüssig wird. Daher betreffen die verschiedenen, von dem FW-Betrieb verursachten Probleme die rotierende elektrische Maschine 1 nicht.
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(Bei niedrigen Rotordrehzahlen)
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In dem Stator 10 tritt kein Fluss der Oberschwingungskomponenten auf oder dieser ist sehr klein in Betrag, selbst wenn er bei niedrigen Rotordrehzahlen auftritt. Aus diesem Grund wird durch die Erregerspulen 216 kein Fluss erzeugt oder dessen Betrag ist sehr klein, selbst wenn er erzeugt wird.
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Aus dem Grund werden die Rotorzähne 212 des ersten Rotorkerns (211, 212) nicht als N-Pole oder S-Pole magnetisiert oder die Magnetisierung ist vernachlässigbar, selbst wenn sie magnetisiert werden. Daher ist es dem ganzen Fluss, der von den Permanentmagneten 223 erzeugt wird, erlaubt, mit dem Stator 10 zu koppeln.
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Wie beschrieben, ist der Fluss, der von den Permanentmagneten 223 erzeugt wird und mit dem Stator 10 koppelt, bei niedrigen Rotordrehzahlen höher als bei hohen Rotordrehzahlen.
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(Bei hohen Rotordrehzahlen)
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Andererseits tritt bei hohen Rotordrehzahlen in dem Stator 10 der Fluss der Oberschwingungen auf. Der Fluss der Oberschwingungskomponenten ist proportional zur Rotordrehzahl, so dass dieser mit steigender Rotordrehzahl ansteigt.
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Dies bewirkt, dass die Induktionsspulen 215 des ersten oder Axialspaltrotors 210 Induktionsströme erzeugen. Die Induktionsströme werden durch die Gleichrichterschaltungen 30 gleichgerichtet. Die gleichgerichteten Gleichströme werden den Erregerspulen 216 zugeführt.
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Beim Erhalt des gleichgerichteten Stroms wird eine der Erregerspulen 216 erregt, um einen Magnetfluss zu erzeugen, der in eine derartige Richtung orientiert ist, so dass dieser bewirkt, dass ein entsprechender Rotorzahn 212 der Rotorzähne 212 des ersten Rotorkerns (211, 212) einen Magnetpol ausbildet, der eine magnetische Polarität aufweist, die entgegengesetzt zu einer magnetischen Polarität ist, die der in Umfangsrichtung ausgerichtete eine Permanentmagnet 223 der Permanentmagnete 223 aufweist, welcher an dem zweiten oder Radialspaltrotor 220 montiert ist. Wie in 5 gezeigt, bildet mit anderen Worten jeder der Rotorzähne 212 des ersten Rotorkerns (211, 212) beim Erhalt des gleichgerichteten Stroms einen Magnetpol aus, der eine magnetische Polarität aufweist, die entgegengesetzt zu einer magnetischen Polarität ist, die der in Umfangsrichtung ausgerichtete eine Permanentmagneten 223 der Permanentmagnete 223 aufweist, welcher an dem zweiten oder Radialspaltrotor 220 montiert ist.
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Bezug nehmend auf 6 bildet die beschriebene Konfiguration zwischen zwei benachbarten Erregerspulen 216 einen Magnetpfad aus (wie durch die weißen Pfeile gezeigt), der in Richtungen entlang von zwei radialen Achsen und in Richtungen entlang der Mittenlängsachse orientiert ist, welche entgegengesetzt zu Richtungen sind, mit denen ein Magnetpfad (durch die schwarzen Pfeile angezeigt) orientiert ist, der zwischen den benachbarten zwei entsprechenden in Umfangsrichtung ausgerichteten Permanentmagneten 223 ausgebildet wird. Diese umgekehrten Magnetpfade wirken einander innerhalb der Statorbasis 12 des Statorkerns (12, 13) entgegen.
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Wie durch die weißen Pfeile in 7 gezeigt, koppelt ein Teil des Flusses, der von dem Permanentmagneten 223 erzeugt wird und der nicht von dem Fluss, der von den Erregerspulen 216 erzeugt wird, aufgehoben wird, mit dem Stator 10. Teile des Flusses, der von den Permanentmagneten 223 erzeugt wird, fließen in die Rotorzähne 212 des ersten Rotorkerns (211, 212), nachdem diese durch axiale Luftspalte geflossen sind, von denen jeder zwischen der Statorbasis 12 des Statorkerns (12, 13) und dem benachbarten einen Rotorzahn 212 der Rotorzähne 212 liegt. Infolgedessen wird der Betrag des Flusses, der von den Permanentmagneten 223 mit dem Stator 10 koppelt, beschränkt.
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Bei Rotordrehzahlen niedriger als der Drehzahlwert R1, weil die Rotorzähne 212 des ersten Rotorkerns (211, 212) keine Magnetpole ausbilden, koppelt, bezug nehmend auf 8, der Fluss, der von dem Permanentmagneten 223 erzeugt wird, mit dem Stator 10 in Richtungen entlang radialer Achsen, die sich radial relativ zu der Mittenlängsachse von der Rotorbasis 221 erstrecken. Bei Rotordrehzahlen gleich oder größer als der Drehzahlwert R1, weil die Rotorzähne 212 des ersten Rotorkerns (211, 212) Magnetpole ausbilden, koppelt der Fluss, der von den Permanentmagneten 223 erzeugt wird, mit dem Stator 10 nicht nur in Richtungen entlang radialer Achsen, die sich relativ zu der Mittenlängsachse von der Rotorbasis 221 erstrecken, sondern auch in Richtungen entlang der Mittenlängsachse, wodurch der Betrag des Flusses, der von den Permanentmagneten 223 mit dem Stator 10 koppelt, beschränkt wird. Ein Induktionsstrom, der von einer Induktionsspule 215 der Induktionsspulen 215 erzeugt wird, ist proportional zu der Rotordrehzahl, wodurch der Betrag des Flusses, der von den Permanentmagneten mit dem Stator 10 koppelt, reduziert wird, wenn die Rotordrehzahl ansteigt.
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Daher wird ein FW-Betrieb bei hohen Rotordrehzahlen nicht länger benötigt. Dies verhindert einen Hystereseverlust oder einen Anstieg der elektromotorischen Vibration, welche von dem FW-Betrieb verursacht werden.
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Weil der FW-Betrieb nicht notwendig ist, ist die Verwendung von Permanentmagneten mit relativ hoher Koerzitivfeldstärke nicht notwendig und das Hinzufügen von stark hitzebeständigen Materialien (wie z.B. seltenen Erden) zu den Permanentmagneten ist nicht notwendig. Dies bewirkt eine Kostenreduktion der rotierenden elektrischen Maschine 1.
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In der vorliegenden Ausführungsform kann die rotierende elektrische Maschine 1 den Fluss, der von den Permanentmagneten 223 erzeugt wird und der mit dem Stator 10 koppelt, ohne den FW-Betrieb anpassen. Dies verhindert eine Reduktion des Wirkungsgrads auch bei hohen Drehzahlen. Des Weiteren verbessert dies die Leistungsabgabe bei niedrigen Rotordrehzahlen.
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Wie beschrieben, wird in der vorliegenden Ausführungsform bewirkt, dass die Induktionsspulen 215, die an dem ersten oder Axialspaltrotor 210 montiert sind, in Reaktion auf Oberschwingungskomponenten, die in dem an dem Stator 10 erzeugten Fluss enthalten sind, Induktionsstrom erzeugen, die Induktionsströme werden in den Gleichrichterschaltungen 30 gleichgerichtet und die gleichgerichteten Ströme werden den Erregerspulen 216 zugeführt. Dies ermöglicht die Anpassung des Betrags des Flusses, der von den Permanentmagneten 223 erzeugt wird und mit dem Stator 10 koppelt.
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Die Oberschwingungskomponenten, die in dem von dem Stator 10 erzeugten Fluss enthalten sind, werden erhalten, in den bewirkt wird, dass Dreiphasen-Wechselströme die Ankerspulen 11 erregen, die toroidal um die Statorbasis 12 des Statorkerns (12, 13) mit konzentrierter Wicklung gewickelt sind. Daher wird zur Bereitstellung von Gleichstrom für die Erregerspule 216 keine spezielle Vorrichtung, wie ein Gleichstromwandler, benötigt.
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Daher kann in der vorliegenden Ausführungsform die rotierende elektrische Maschine 1 den Betrag des Flusses anpassen, der von den Permanentmagneten 223 erzeugt wird und mit dem Stator 10 koppelt, ohne dass diese eine spezielle Vorrichtung benötigt, wie einen Gleichstromwandler. Infolgedessen kann die rotierende elektrische Maschine 1 den Fluss, der von den Permanentmagneten 223 erzeugt wird, mit einer kostengünstigen Konfiguration variieren.
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Die rotierende elektrische Maschine 1 kann zweckmäßig als On-Board-Elektromotoren in Fahrzeugen verwendet werden, als Stromgeneratoren zur Windkrafterzeugung und als Elektromotoren für Maschinenwerkzeuge.
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In dem vorliegenden Beispiel umfasst der erste oder Axialspaltrotor 210 zwei axial beabstandete erste Rotorkerne (211, 212), von denen einer von der Statorbasis 12 des Statorkerns (12, 13) in einer ersten Richtung entlang der Mittenlängsachse beabstandet ist und von denen der andere von der Statorbasis 12 des Statorkerns (12, 13) in einer zweiten Richtung entlang der Mittenlängsachse beabstandet ist, welche entgegengesetzt zu der ersten Richtung ist. Es ist nicht notwendig, zwei derart axial beabstandete erste Rotorkerne (211, 212) bereitzustellen. Der erste oder Axialspaltrotor 210 kann einen oder zumindest einen ersten Rotorkern (211, 212) umfassen. Falls nur ein erster Rotorkern (211, 212) vorhanden ist, kann die Größe der rotierenden elektrischen Maschine 1 entlang der Mittenlängsachse reduziert werden.
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Die rotierende elektrische Maschine 1 kann als rotierende elektrische Maschine des Doppelläufertyps implementiert werden, die einen Stator, einen äußeren Rotor innerhalb des Stators und einen inneren Rotor innerhalb des äußeren Rotors umfasst. In diesem Fall sind Ankerspulen um eine Statorbasis eines Statorkerns mit konzentrierter Wicklung gewickelt, eine toroidale Wicklung wird jedoch nicht verwendet. Induktionsspulen sind an dem äußeren Rotor montiert, Permanentmagnete, Magnetpfadbauteile und Erregerspulen sind an dem inneren Rotor montiert. Die Konfigurationen des äußeren und des inneren Rotors können umgedreht sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- rotierende elektrische Maschine
- 2
- Drehwelle
- 10
- Stator
- 11
- Ankerspule
- 12
- Statorbasis des Statorkerns
- 13
- Statorzähne
- 13a
- axiales Ende
- 13b
- radial inneres Ende
- 20
- Rotor
- 30
- Gleichrichterschaltung
- 210
- erster oder Axialspaltrotor
- 211
- Rotorbasis des ersten Rotorkerns
- 212
- erste Rotorzähne
- 215
- Induktionsspule
- 216
- Erregerspule
- 220
- zweiter oder Radialspaltrotor
- 221
- Rotorbasis des zweiten Rotorkerns
- 222
- zweite Rotorzähne (Schenkelpole)
- 223
- Permanentmagnet
- D1, D2
- Diode
