DE112012000835T5

DE112012000835T5 - Antriebssystem einer rotierenden elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE112012000835T5
Application number: DE112012000835T
Authority: DE
Inventors: Eiji Yamada; Ryoji Mizutani; Hideo Nakai; Kenji Hiramoto; Norimoto Minoshima
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-02-15
Filing date: 2012-02-14
Publication date: 2013-11-14
Also published as: WO2012110883A3; JP5718668B2; WO2012110883A2; WO2012110883A8; US20130334937A1; JP2012170252A; CN103348585A

Abstract

Ein Stator (12) weist mehrphasige Statorspulen (28u, 28v und 28w) auf, die in konzentrierter Wicklung um einen Statorkern (26) gewickelt sind. Ein Rotor (14) weist Rotorspulen (42n und 42s), die an mehreren Umfangsrichtungsabständen eines Rotorkerns (16) gewickelt sind, und Dioden (21n und 21s) auf, die als Gleichrichtereinheit dienen, die mit den Rotorspulen (42n und 42s) verbunden ist und die die magnetischen Eigenschaften der jeweiligen Rotorspulen (42n und 42s) in der Umfangsrichtung abwechselt. Ein Antriebssystem einer rotierenden elektrischen Maschine weist eine Abwärtsimpuls-Überlagerungseinheit auf, die einen Abwärtsimpulsstrom für eine impulsförmige Abwärtswandlung über einen q-Achsenstrombefehl zum Leiten von Strömen durch die Statorspulen (28u, 28v und 28w) legt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem einer rotierenden elektrischen Maschine, das aufweist: eine rotierende elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor, die so angeordnet sind, dass sie einander zugewandt sind, eine Antriebseinheit, welche die rotierende elektrische Maschine antreibt, und eine Steuereinheit, welche die Antriebseinheit steuert.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Wie in der japanischen veröffentlichten Patentanmeldung Nr. 2009-112091 ( JP-A-2009-112091 ) beschrieben ist, ist eine rotierende elektrische Maschine bekannt, in der Rotorspulen für einen Rotor vorgesehen sind und durch ein magnetisches Drehfeld Induktionsströme in den Rotorspulen erzeugt werden, um zu bewirken, dass der Rotor ein Drehmoment erzeugt. Das magnetische Drehfeld wird von einem Stator erzeugt und enthält räumliche Oberschwingungen. Außerdem werden mit dieser rotierenden elektrischen Maschine auf wirksame Weise Induktionsströme in den Rotorspulen erzeugt, wodurch bewirkt werden kann, dass das Drehmoment, das auf den Rotor wirkt, wirksam erhöht wird. 21 bis 23 zeigen den schematischen Aufbau der rotierenden elektrischen Maschine, die in JP-A-2009-112091 beschrieben ist. 21 ist eine Ansicht, die den schematischen Aufbau eines Stators und eines Rotors zeigt, die aus einer Richtung betrachtet werden, die parallel ist zur Drehachse des Rotors. 22 zeigt den schematischen Aufbau des Stators. 23 zeigt den schematischen Aufbau des Rotors.
Jedoch besteht im Fall der rotierenden elektrischen Maschine 10, die in 21 bis 23 dargestellt ist, immer noch Raum für Verbesserungen in Bezug auf die effiziente Erhöhung des Drehmoments während eines langsamen Rotierens, wenn die Drehzahl der rotierenden elektrischen Maschine 10 niedrig ist. 24 ist ein Graph, der ein Beispiel für die Beziehung zwischen einer Rotordrehzahl und einem Motordrehmoment in einem Bereich zeigt, in dem die Drehzahl niedrig ist, wenn der gleiche Aufbau wie derjenige der rotierenden elektrischen Maschine, die in 21 bis 23 dargestellt ist, als elektrischer Motor (Motor) verwendet wird. Wie in 24 dargestellt ist, nimmt das Motordrehmoment der rotierenden elektrischen Maschine 10 in dem Bereich, in dem die Drehzahl niedrig ist, deutlich ab. Um es mit Bezug auf 21 bis 23 zu beschreiben, so liegt dies daran, dass in der rotierenden elektrischen Maschine 10 in dem Bereich, in dem die Drehzahl niedrig ist, aber die Schnelligkeit der Schwankung von verketteten Magnetflüssen abnimmt, Rotor-Induktionsströme, die durch Rotorspulen 18n und 18s fließen, von Schwankungen des Magnetfelds wegen der harmonischen Komponenten des von einem Stator 12 erzeugten magnetischen Drehfelds erzeugt werden, während sich Magnetflüsse, die mit den Rotorspulen 18n und 18s verkettet sind, nicht nennenswert ändern, weswegen induzierte elektromotorische Spannungen abnehmen, wodurch die Rotor-Induktionsströme schwächer werden. Daher nimmt das Motordrehmoment während einer Rotation mit niedriger Drehzahl ab. Man beachte, dass in der obigen Beschreibung das Motordrehmoment abnimmt, wenn die rotierende elektrische Maschine 10 als Elektromotor in dem Bereich verwendet wird, in dem die Drehzahl niedrig ist; jedoch kann dann, wenn die rotierende elektrische Maschine 10 als Generator verwendet wird, ein regeneratives Drehmoment im Niedrigdrehzahlbereich aus demselben Grund deutlich abnehmen.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfinder wissen, dass es möglich ist, Impulsstrom über Wechselströme zu legen, die durch Statorspulen geleitet werden sollen, um Induktionsströme zu verstärken, die in Rotorspulen erzeugt werden, um dadurch eine Erhöhung des Drehmoments einer rotierenden elektrischen Maschine auch in einem Bereich niedriger Drehzahlen zu ermöglichen. Jedoch haben die Erfinder gefunden, dass ohne die Entwicklung eines Verfahrens für eine Induktionsstromüberlagerung die Spitzenwerte von Strömen, die durch die Statorspulen fließen, sehr hoch werden und dass dies zu Nachteilen führen kann, beispielsweise zu einer Vergrößerung und Verteuerung eines Steuersystems, das einen Wechselrichter aufweist, bei dem es sich um eine Antriebseinheit für eine rotierende elektrische Maschine handelt.
Im Gegensatz dazu beschreiben die veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. 2007-185082 ( JP-A-2007-185082 ), die veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. 2010-98908 ( JP-A-98908 ) und die veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. 2010-110079 ( JP-A-110079 ) eine Feldwicklungs-Synchronmaschine, für die eine Impulsstromüberlagerung verwendet wird, jedoch beschreiben diese Veröffentlichungen keine Maßnahmen zur Erhöhung eines Drehmoments bei gleichzeitiger Verhinderung von zu starken Stromflüssen durch die Statorspulen.
Die Erfindung implementiert eine rotierende elektrische Maschine, die in der Lage ist, in einem Antriebssystem für eine rotierende elektrische Maschine ein Drehmoment auch in einem niedrigen Drehzahlbereich zu erhöhen und gleichzeitig zu verhindern, dass zu starke Ströme durch Statorspulen fließen.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Antriebssystem einer rotierenden elektrischen Maschine, das aufweist: eine rotierende elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor, die so angeordnet sind, dass sie einander zugewandt sind; eine Antriebseinheit, welche die rotierende elektrische Maschine antreibt; und eine Steuereinheit, welche die Antriebseinheit steuert. Der Stator weist auf: einen Statorkern mit einer Mehrzahl von Statornuten, die in Umfangsrichtung um eine Drehachse des Rotors voneinander beabstandet sind, und mehrphasige Statorspulen, die in einer konzentrierten Wicklung durch die Statornuten um den Statorkern gewickelt sind; der Rotor weist auf: einen Rotorkern mit einer Mehrzahl von Rotornuten, die in Umfangsrichtung um eine Drehachse des Rotors voneinander beabstandet sind, Rotorspulen, die an mehreren Umfangsrichtungsabschnitten des Rotorkerns auf solche Weise gewickelt sind, dass sie zumindest zum Teil in den Rotornuten angeordnet sind, und eine Gleichrichtereinheit, die mit den Rotorspulen verbunden ist und magnetische Eigenschaften der entsprechenden Rotorspulen unter der Mehrzahl von Rotorspulen in Umfangsrichtung abwechselnd ändert, und der Rotor ändert magnetische Eigenschaften von Magnetpolabschnitten an mehreren Umfangsrichtungsabschnitten in Umfangsrichtung abwechselnd, wobei die magnetischen Eigenschaften durch Ströme erzeugt werden, die durch die jeweiligen Rotorspulen fließen, und die Steuereinheit weist eine Abwärtsimpuls-Überlagerungseinheit auf zum Legen eines Abwärtsimpulsstroms für eine impulsförmige Abwärtswandlung über einen q-Achsen-Strombefehl, um Ströme durch die Statorspule leiten, um magnetische Feldflüsse in Richtungen zu erzeugen, die in Bezug auf Magnetpolrichtungen, bei denen es sich um Wicklungs-Mittelachsenrichtungen der jeweiligen Rotorspulen handelt, über einem elektrischen Winkel von 90 Grad nach vorne verschoben sind. Man beachte, dass unter einem Abwärtsimpulsstrom ein Impulsstrom zu verstehen ist, der auf impulsförmige Weise steil abfällt und dann steil ansteigt. Außerdem kann die impulswellenform des Abwärtsimpulsstroms eine Rechteckswelle, eine Dreieckswelle oder eine Wellenform sein, die aus einer Mehrzahl von Kurven und/oder Linien besteht, die eine vorstehende Form bilden. Man beachte, dass „Rotorkern” ein integrales Bauteil im Rotor außer den Rotorspulen bezeichnet, das beispielsweise aus Magneten und einem Rotorkernkörper, der aus magnetischem Material gebildet ist, bestehen kann. Außerdem sind die „Rotornuten” nicht auf Abschnitte beschränkt, die eine Kerbenform haben und die zur Randfläche des Rotorkerns hin offen sind, und schließen beispielsweise auch Schlitze ein, die nicht zur Randfläche des Rotorkerns hin offen sind und die so ausgebildet sind, dass sie in der axialen Richtung innen durch den Rotorkern verlaufen.
Mit dem Antriebssystem einer rotierenden elektrischen Maschine kann eine rotierende elektrische Maschine verwirklicht werden, die in der Lage ist, auch in einem niedrigen Drehzahlbereich ein Drehmoment zu erhöhen und gleichzeitig zu verhindern, dass zu starke Ströme durch die Statorspulen fließen. Wenn die mehrphasigen Statorspulen beispielsweise dreiphasige Statorspulen sind, wird auch dann, wenn der absolute Wert eines Stroms, der durch die Statorspulen einer Phase (beispielsweise der W-Phase) fließt, höher ist als der absolute Wert von jedem einzelnen von den Strömen, die durch die Statorspulen der anderen Phasen (beispielsweise der U-Phase und der V-Phase) fließen, bevor ein Impulsstrom über den Strom gelegt wird, der durch die Statorspule der einen Phase (beispielsweise der W-Phase) fließt, ein Abwärtsimpulsstrom überlagert, um eine Erhöhung von Induktionsströmen, die im Rotor auftreten, zu ermöglichen, während die absoluten Werte der Ströme, die durch die Statorspulen aller Phasen fließen, auf impulsförmige Weise verkleinert werden. Daher kann das Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine auch in einem niedrigen Drehzahlbereich erhöht werden, während die Spitzen von Statorströmen, bei denen es sich um Ströme handelt, die durch alle Statorspulen geleitet werden sollen, unterdrückt werden.
Jede von den Rotorspulen kann mit irgendeinem von den Gleichrichterelementen verbunden sein, die als Gleichrichtereinheit dienen und deren Vorwärtsrichtungen zwischen irgendwelchen zwei in der Umfangsrichtung des Rotors benachbarten Rotorspulen einander entgegengesetzt sind, und die Gleichrichterelemente können Ströme gleichrichten, die durch induzierte elektromotorische Kräfte erzeugt werden und durch die Rotorspulen fließen sollen, um dadurch Phasen von Strömen, die durch irgendwelche zwei in der Umfangsrichtung benachbarte Rotorspulen fließen, zwischen einer A-Phase und einer B-Phase abwechselnd zu ändern.
Die Gleichrichterelemente können ein erstes Gleichrichterelement und ein zweites Gleichrichterelement sein, die jeweils mit den entsprechenden Rotorspulen verbunden sind, und das erste Gleichrichterelement und das zweite Gleichrichterelement können unabhängig voneinander Ströme, die aufgrund der erzeugten induzierten elektromotorischen Kräfte erzeugt werden, gleichrichten, so dass die gleichgerichteten Ströme durch die entsprechenden Rotorspulen fließen, und können die magnetischen Eigenschaften der Magnetpolabschnitte an mehreren Umfangsrichtungsabschnitten in Umfangsrichtung abwechselnd ändern, wobei die magnetischen Eigenschaften durch Ströme erzeugt werden, die durch die entsprechenden Rotorspulen fließen.
Der Rotorkern kann ausgeprägte bzw. Schenkelpole aufweisen, bei denen es sich um die Mehrzahl von Magnetpolabschnitten handelt, die bezogen auf die Umfangsrichtung des Rotors mit Abständen zueinander angeordnet sind und zum Stator hin vorstehen, und die Schenkelpole können magnetisiert werden, wenn Ströme, die von der Gleichrichtereinheit gleichgerichtet werden, durch die Rotorspulen fließen, um dadurch als Magnete zu fungieren, die feste Magnetpole aufweisen.
Der Rotorkern kann Schenkelpole aufweisen, bei denen es sich um die Mehrzahl von Magnetpolabschnitten handelt, die bezogen auf die Umfangsrichtung des Rotorkerns mit Abständen zueinander angeordnet sind und zum Stator hin vorstehen, und die Schenkelpole können magnetisiert werden, wenn Ströme, die von der Gleichrichtereinheit gleichgerichtet werden, durch die Rotorspulen fließen, um dadurch als Magnete zu fungieren, die feste Magnetpole aufweisen, und der Rotor kann ferner Hilfs-Rotorspulen aufweisen, die an proximalen Abschnitten der jeweiligen Schenkelpole gewickelt sind, irgendwelche zwei von den Hilfs-Rotorspulen, die um irgendwelche zwei in der Umfangsrichtung des Rotors benachbarte Schenkelpole gewickelt sind, können in Reihe miteinander verbunden sein, um einen Hilfs-Spulensatz zu bilden, und die einen Enden von irgendwelchen zwei benachbarten Rotorspulen, die um irgendwelche zwei bezogen auf die Umfangsrichtung des Rotors benachbarte Schenkelpole gewickelt sind, können an einem Verbindungspunkt über die jeweils entsprechenden Gleichrichterelemente miteinander verbunden sein, so dass die jeweils entsprechenden Gleichrichterelemente einander aus entgegengesetzten Richtungen zugewandt sind, die anderen Enden der irgendwelchen zwei benachbarten Rotorspulen, die um irgendwelche zwei in der Umfangsrichtung des Rotors benachbarte Schenkelpole gewickelt sind, können mit einem Ende des Hilfs-Spulensatzes verbunden sein, und der Verbindungspunkt kann mit dem anderen Ende des Hilfs-Spulensatzes verbunden sein.
Eine Breite jedes Schenkelpols in der Umfangsrichtung des Rotors kann kleiner sein als eine Breite, die einem elektrischen Winkel von 180° entspricht, und jede von den Rotorspulen kann mit verkürzter Schrittweite um einen der Schenkelpole gewickelt sein.
Eine Breite jeder Rotorspule in der Umfangsrichtung des Rotors kann einer Breite gleich sein, die einem elektrischen Winkel von 90° entspricht.
Mit dem Antriebssystem einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß dem Aspekt der Erfindung kann die rotierende elektrische Maschine verwirklicht werden, die in der Lage ist, ein Drehmoment auch in einem niedrigen Drehzahlbereich zu erhöhen, während sie gleichzeitig verhindert, dass zu starke Ströme durch die Statorspulen fließen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Merkmale und Vorteile sowie die technische und industrielle Bedeutung von Ausführungsbeispielen der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszahlen gleiche Elemente bezeichnen, und in denen:
1 eine Ansicht ist, die einen schematischen Aufbau eines Antriebssystems einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2 eine schematische Ansicht ist, die einen Teil eines Abschnitts zeigt, in dem ein Stator einem Rotor in einer Ausführungsform der Erfindung zugewandt ist;
3A eine schematische Ansicht ist, die einen Zustand zeigt, in dem ein Magnetfluss in dem Rotor in der Ausführungsform der Erfindung verläuft;
3B ein Graph ist, der das Ergebnis zeigt, das durch Berechnen der Amplitude eines mit einer Rotorspule verketteten Magnetflusses erhalten wird, während die Umfangsichtungsbreite θ der Rotorspule in der rotierenden elektrischen Maschine, die in 2 dargestellt ist, geändert wird;
4 ein Blockschema ist, das den Aufbau eines Controllers in der Ausführungsform der Erfindung zeigt;
5A ein Zeitschema ist, das ein Beispiel für zeitabhängige Veränderungen in Statorströmen unter Verwendung eines d-Achsenstrom-Befehlswerts Id*, eines überlagerten q-Achsenstrom-Befehlswerts Iqsum* und jedes Phasenstroms in der Ausführungsform der Erfindung zeigt;
5B ein Zeitschema ist, das eine zeitabhängige Veränderung einer magnetomotorischen Kraft des Rotors zeigt und das 5A entspricht;
5C ein Zeitschema ist, das eine zeitabhängige Veränderung eines Motordrehmoments zeigt und das 5A entspricht;
6A eine schematische Ansicht ist, die einen Zustand zeigt, in dem Magnetflüsse durch den Stator und den Rotor verlaufen, wenn ein q-Achsenstrom auf einen festen Wert eingestellt ist, in der Ausführungsform der Erfindung;
6B eine schematische Ansicht ist, die einen Zustand zeigt, in dem Magnetflüsse in einer ersten Halbperiode durch den Stator und den Rotor fließen, wenn ein Abwärtsimpulsstrom über einen q-Achsenstrom gelegt wird;
6C eine schematische Ansicht ist, die einen Zustand zeigt, in dem Magnetflüsse in einer zweiten Halbperiode durch den Stator und den Rotor fließen, wenn ein Abwärtsimpulsstrom über einen q-Achsenstrom gelegt wird.
7 ein Graph ist, der ein Beispiel zeigt für einen Strom (Statorstrom), der durch U-Phasen-Statorspulen fließt, und induzierte Ströme (induzierte Rotorströme), die in Rotorspulen erzeugt werden, in einem Antriebssystem einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einer Vergleichsausführungsform, in der ein Aufwärtsimpulsstrom über einen Statorstrom gelegt wird;
8A und 8B schematische Ansichten eines Rotors sind, die eine Änderung zeigen, wenn in einer Vergleichsausführungsform, die sich von der Ausführungsform der Erfindung unterscheidet, ein Impulsstrom über einen q-Achsenstrom gelegt wird;
9 eine Ansicht ist, die eine anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt und die 3A entspricht;
10 eine Ansicht ist, die eine Ersatzschaltung von Rotorspulen und Hilfs-Rotorspulen in der Ausführungsform von 9 zeigt;
11 eine schematische Querschnitts-Teilansicht ist, die einen Abschnitt, in dem ein Stator einem Rotor zugewandt ist, in einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt;
12 eine schematische Ansicht ist, die einen Rotor eines anderen Gestaltungsbeispiels der rotierenden elektrischen Maschine zeigt, welche die Ausführungsform der Erfindung darstellt;
13 eine schematische Ansicht ist, die einen Rotor eines anderen Gestaltungsbeispiels der rotierenden elektrischen Maschine zeigt, welche die Ausführungsform der Erfindung darstellt;
14 eine schematische Ansicht ist, die einen Rotor eines anderen Gestaltungsbeispiels der rotierenden elektrischen Maschine zeigt, welche die Ausführungsform der Erfindung darstellt;
15 eine schematische Ansicht ist, die ein anderes Gestaltungsbeispiel der rotierenden elektrischen Maschine zeigt, welche die Ausführungsform der Erfindung darstellt, betrachtet in der Richtung, die parallel ist zur Drehachse des Rotors;
16 eine schematische Ansicht ist, die den Rotor des Gestaltungsbeispiels von 15 darstellt;
17 eine schematische Ansicht ist, die einen Rotor eines anderen Gestaltungsbeispiels der rotierenden elektrischen Maschine zeigt, welche die Ausführungsform der Erfindung darstellt;
18 eine schematische Ansicht ist, die einen Rotor eines anderen Gestaltungsbeispiels der rotierenden elektrischen Maschine zeigt, welche die Ausführungsform der Erfindung darstellt;
19 eine schematische Ansicht ist, die einen Rotor eines anderen Gestaltungsbeispiels der rotierenden elektrischen Maschine zeigt, welche die Ausführungsform der Erfindung darstellt;
20 eine schematische Ansicht ist, die einen Rotor eines anderen Gestaltungsbeispiels der rotierenden elektrischen Maschine zeigt, welche die Ausführungsform der Erfindung darstellt;
21 eine schematische Ansicht ist, die den schematischen Aufbau eines Stators und eines Rotors gezeigt, die in der Richtung betrachtet werden, die parallel ist zur Drehachse des Rotors, in einer bereits existierenden rotierenden elektrischen Maschine;
22 eine Ansicht ist, die den schematischen Aufbau des Stators in der rotierenden elektrischen Maschine von 21 darstellt;
23 eine Ansicht ist, die den schematischen Aufbau des Rotors in der rotierenden elektrischen Maschine von 21 darstellt; und
24 ein Graph ist, der ein Beispiel für die Beziehung zwischen einer Rotordrehzahl und einem Motordrehmoment in einem Aufbau zeigt, der dem der rotierenden elektrischen Maschine von 21 gleich ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 bis 6 sind Ansichten, die eine Ausführungsform der Erfindung zeigen. 1 ist eine Ansicht, die einen schematischen Aufbau eines Antriebssystems einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß der Ausführungsform zeigt. 2 ist eine schematische Ansicht, die einen Teil eines Abschnitts zeigt, in dem ein Stator einem Rotor in der Ausführungsform zugewandet ist. 3A ist eine schematische Ansicht, die einen Zustand zeigt, in dem ein Magnetfluss durch den Rotor in der Ausführungsform fließt. 3B ist ein Graph, der das Ergebnis zeigt, das durch Berechnen der Amplitude eines Magnetflusses, der mit einer Rotorspule verkettet ist, erhalten wird, während die Umfangsichtungsbreite θ der Rotorspule geändert wird, in der rotierenden elektrischen Maschine, die in 2 dargestellt ist. 4 ist ein Blockschema, das den Aufbau eines Controllers in der Ausführungsform zeigt. Wie in 1 dargestellt ist, weist ein Antriebssystem 34 einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß der Ausführungsform eine rotierende elektrische Maschine 10, einen Wechselrichtr 36, einen Controller 38 und eine elektrische Speichervorrichtung 40 auf. Der Wechselrichter 36 ist eine Antriebseinheit, die die rotierende elektrische Maschine 10 antreibt. Der Controller 38 ist eine Steuereinheit, die den Wechselrichter 36 steuert. Die elektrische Speichervorrichtung 40 ist eine Leistungsquelle. Das Antriebssystem 34 einer rotierenden elektrischen Maschine treibt die rotierende elektrische Maschine 10 an. Außerdem weist die elektrische Maschine 10, die als ein Elektromotor oder als ein Generator dient, einen Stator 12 und einen Rotor 14 auf, wie in 2 dargestellt ist. Der Stator 12 ist an einem (nicht dargestellten) Gehäuse festgelegt. Der Rotor 14 ist bezogen auf die radiale Richtung weiter innen als der Stator 12 so angeordnet, dass er dem Stator 12 mit einer vorgegebenen Lücke dazwischen zugewandt ist, und kann sich in Bezug auf den Stator 12 drehen. Man beachte, dass „radiale Richtung” eine Ausstrahlungsrichtung bedeutet, die senkrecht ist zur Drehachse des Rotors (im Folgenden ist die Bedeutung von „radiale Richtung” die gleiche, solange nichts anderes angegeben ist).
Außerdem weist der Stator 12 einen Statorkern 26 und mehrphasige (genauer zum Beispiel dreiphasige, d. h. U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-)Statorspulen 28u, 28v und 28w auf. Der Statorkern 26 besteht aus einem magnetischen Material. Die Statorspulen 28u, 28v und 28w sind am Statorkern 26 angeordnet. Zähne 30 sind an mehreren Umfangsrichtungsabschnitten des Statorkerns 26 angeordnet. Die Zähne 30 sind eine Mehrzahl von Statorzähnen, die bezogen auf die radiale Richtung zur Innenseite vorstehen (zum Rotor 14 (23)). Eine Nut 31, bei der es sich um eine Statornut handelt, ist jeweils zwischen benachbarten Zähnen 30 ausgebildet. Man beachte, dass „Umfangsrichtung” eine Richtung entlang des Kreises bedeutet, der um die zentrale Drehachse des Rotors gezeichnet wird (im Folgenden ist die Bedeutung von „Umfangsrichtung” gleich, wenn nicht etwas anderes angegeben ist).
Das heißt, die Mehrzahl von Zähnen 30, die bezogen auf die radiale Richtung zur Innenseite (zum Rotor 14) vorstehen, sind auf der Innenrandfläche des Statorkerns 26 bezogen auf die Umfangsrichtung mit Abständen zueinander um die zentrale Drehachse angeordnet, bei der es sich um die Drehachse des Rotors 14 handelt, und die Nuten 31, die jeweils zwischen benachbarten Zähnen 30 ausgebildet sind, sind bezogen auf die Umfangsrichtung mit Abständen zueinander ausgebildet. Das heißt, der Statorkern 26 weist eine Mehrzahl von Nuten 31 auf, die bezogen auf die Umfangsrichtung mit Abständen zueinander um die Drehachse des Rotors 14 ausgebildet sind.
Die dreiphasigen Statorspulen 28u, 28v und 28w sind mit verkürzter Schrittweite konzentriert durch die Nuten 31 um die entsprechenden Zähne 30 des Statorkerns 26 gewickelt. Auf diese Weise sind die Statorspulen 28u, 28v und 28w um die entsprechenden Zähne 30 gewickelt, um Magnetpole zu bilden. Weiter werden mehrphasige Wechselströme durch die mehrphasigen Statorspulen 28u, 28v und 28w geschickt, um die Zähne 30, die in der Umfangsrichtung auf einer Linie liegen, zu magnetisieren. Dadurch können magnetische Drehfelder, die in der Umfangsrichtung drehen, im Stator 12 erzeugt werden. Man beachte, dass die Statorspulen aufbaumäßig nicht so beschränkt sind, dass die Statorspulen auf diese Weise um die entsprechenden Zähne des Stators gewickelt sind; die Statorspulen können auch auf andere Weise als um die Zähne um den Statorkern gewickelt sein.
Die drehenden Magnetfelder, die in den Zähnen 30 gebildet werden, werden von den distalen Endflächen der Zähne 30 aus an den Rotor 14 angelegt. In dem in 2 dargestellten Beispiel wird ein Polpaar aus den drei Zähnen 30 gebildet, um die jeweils die dreiphasigen (U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-)Statorspulen 28u, 28v und 28w gewickelt sind.
Außerdem weist der Rotor 14 einen Rotorkern 16, der aus einem magnetischen Material besteht, und eine Mehrzahl von Rotorspulen 42n und 42s auf. Zähne 19 sind an mehreren Umfangrichtungsabschnitten der Außenrandfläche des Rotorkerns 16 so vorgesehen, dass sie in der radialen Richtung zur Außenseite (zum Stator 12) vorstehen, und sind mit Abständen zueinander entlang der Außenrandfläche des Rotorkerns 16 angeordnet. Die Zähne 19 sind eine Mehrzahl von Magnetpolabschnitten (Vorsprünge und Schenkelpole) und sind Rotorzähne. Die Zähne sind dem Stator 12 zugewandt. Außerdem sind Nuten 20, von denen jede eine Rotornut zwischen jeweils benachbarten Zähnen 19 des Rotorkerns 16 ist, bezogen auf die Umfangsrichtung mit Abständen zueinander ausgebildet. Das heißt, der Rotorkern 16 weist die Mehrzahl von Nuten 20 auf, die bezogen auf die Umfangsrichtung mit Abständen zueinander um die Drehachse des Rotors 14 ausgebildet sind.
Wegen der Zähne 19 ändern sich magnetische Widerstände in dem Fall, wo Magnetflüsse vom Stator 12 (von den Zähnen 30) aus verlaufen, mit der Drehrichtung des Rotors 14. Ein magnetischer Widerstand ist an der Position der einzelnen Zähne 19 niedrig, und ein magnetischer Widerstand ist an der Position zwischen jeweils benachbarten Zähnen 19 hoch. Weiter sind die Rotorspulen 42n und 42s so um diese Zähne 19 gewickelt, dass die Rotorspulen 42n und die Rotorspulen 42s in der Umfangsrichtung abwechselnd ausgerichtet sind. Hierbei fällt die Wicklungsmittelachse von jeder der Rotorspulen 42n und 42s mit der radialen Richtung zusammen.
Außerdem sind die in Mehrzahl vorhandenen ersten Rotorspulen 42n durch konzentrierte Wicklung um bezogen auf die Umfangsrichtung des Rotors 14 jeweils übernächste Zähne 19 gewickelt, und die in Mehrzahl vorhandenen Rotorspulen 42 sind durch konzentrierte Wicklung um die jeweils anderen Zähne 19 gewickelt. Die anderen Zähne 19 sind den Zähnen 19, um die die ersten Rotorspulen 42n gewickelt sind, benachbart und es handelt sich dabei um bezogen auf die Umfangsrichtung jeweils übernächste Zähne. Außerdem sind Dioden 21n und 21s jeweils mit einer ersten Rotorspulenschaltung 44 und einer zweiten Rotorspulenschaltung 46 verbunden. Die erste Rotorspulenschaltung 46 beinhaltet die Mehrzahl von ersten Rotorspulen 42n. Die zweite Rotorspulenschaltung 46 beinhaltet die Mehrzahl von zweiten Rotorspulen 42s. Das heißt, die in Mehrzahl vorhandenen ersten Rotorspulen 42n, die bezogen auf die Umfangsrichtung des Rotors 14 abwechselnd angeordnet sind, sind miteinander elektrisch in Reihe verbunden und sind endlos verbunden, und die Diode 21n ist an einem Abschnitt zwischen irgendwelchen zwei aus der Mehrzahl von ersten Rotorspulen 42n mit jeder von den ersten Rotorspulen 42n in Reihe verbunden, um dadurch die erste Rotorspulenschaltung 44 zu bilden. Die Diode 21n ist eine Gleichrichtereinheit (ein Gleichrichterelement) und ist eine erste Diode. Die ersten Rotorspulen 42n sind um die Zähne 19 gewickelt, die als die gleichen Magnetpole (Nordpole) fungieren.
Außerdem sind die in Mehrzahl vorhandenen zweiten Rotorspulen 42s miteinander elektrisch in Reihe verbunden und endlos verbunden, und die Diode 21s ist an einem Abschnitt zwischen beliebigen zwei aus der Mehrzahl von zweiten Rotorspulen 42s mit jeder von den zweiten Rotorspulen 42s in Reihe verbunden, um dadurch die zweite Rotorspulenschaltung 46 zu bilden. Die Diode 21s ist eine Gleichrichtereinheit (ein Gleichrichterelement) und ist eine zweite Diode. Die zweiten Rotorspulen 42s sind um die Zähne 19 gewickelt, die als die gleichen Magnetpole (Südpole) fungieren. Außerdem sind die Rotorspulen 42n und 42s, die um bezogen auf die Umfangsrichtung jeweils benachbarte Zähne 19 gewickelt sind (die Magnete mit verschiedenen Magnetpolen bilden), elektrisch gegeneinander isoliert. Auf diese Weise sind die Rotorspulen 42n und 42s an mehreren Umfangsrichtungsabschnitten des Außenrandabschnitts des Rotorkerns 16 auf solche Weise gewickelt, dass sie zum Teil in den entsprechenden Nuten 20 angeordnet sind.
Außerdem sind die Gleichrichtungsrichtungen, in denen Ströme, die durch die Rotorspulen 42n und 42s fließen, jeweils von den Dioden 21n und 21s gleichgerichtet werden, entgegengesetzt, so dass in bezogen auf die Umfangsrichtung jeweils benachbarten Zähnen 19 des Rotors 14 Magnete mit unterschiedlichen Magnetpolen gebildet werden. Das heißt, die Dioden 21n und 21s sind mit den Rotorspulen 42n und 42s jeweils in einander entgegensetzten Richtungen auf solche Weise verbunden, dass die Richtungen von elektrischen Strömen, die jeweils durch irgendwelche zwei in Umfangsrichtung des Rotors 14 benachbarte Rotorspulen 42n und 42s fließen (die Gleichrichtungsrichtungen der jeweiligen Dioden 21n und 21s), das heißt die Vorwärtsrichtungen, einander entgegengesetzt sind. Weiter sorgen die Dioden 21n und 21s jeweils für eine Gleichrichtung von elektrischen Strömen, die wegen der induzierten elektromotorischen Kräfte, die von vom Stator 12 erzeugten drehenden Magnetfeldern, welche räumliche harmonische Schwingungen enthalten, erzeugt werden, durch die entsprechenden Rotorspulen 42n und 42s fließen. Dadurch wechseln sich die Phasen von Strömen, die durch irgendwelche zwei in Umfangsrichtung des Rotors 14 benachbarte Rotorspulen 42n und 42s fließen, zwischen einer A-Phase und einer B-Phase ab. Die A-Phase dient dazu, den Nordpol auf der Seite des distalen Endes eines entsprechenden einen von den Zähnen 19 auszubilden. Die B-Phase dient dazu, den Südpol auf der Seite des distalen Endes eines entsprechenden einen von den Zähnen 19 auszubilden. Das heißt, die Gleichrichterelemente, die für den Rotor 14 vorgesehen sind, sind die Diode 21n, bei der es sich um ein erstes Gleichrichterelement handelt, und die Diode 21s, bei der es sich um zweites Gleichrichterelement handelt. Die Diode 21n und die Diode 21s sind jeweils mit den entsprechenden Rotorspulen 42n und 42s verbunden. Außerdem sorgen die Dioden 21n und 21s jeweils unabhängig für eine Gleichrichtung von Strömen, die wegen der erzeugten induktiven elektromotorischen Kräfte durch die entsprechenden Rotorspulen 42n und 42s fließen, und bewirken, dass sich die magnetischen Eigenschaften der Zähne 19 an mehreren Umfangsrichtungsabschnitten in Umfangsrichtung abwechseln. Die magnetischen Eigenschaften der Zähne 19 werden von Strömen erzeugt, die durch die jeweiligen Rotorspulen 42n und 42s fließen. Auf diese Weise ändern die in Mehrzahl vorhandenen Dioden 21n und 21s die magnetischen Eigenschaften in Umfangsrichtung abwechselnd. Die magnetischen Eigenschaften werden in den in Mehrzahl vorhandenen Zähnen 19 jeweils von in den Rotorspulen 42n und 42s erzeugten induzierten elektromotorischen Kräften erzeugt. Das heißt, die Dioden 21n und 21s sind mit den entsprechenden Rotorspulen 42n und 42s verbunden und ändern die magnetischen Eigenschaften der jeweiligen Rotorspulen 42n und 42s in Umfangsrichtung abwechselnd unter den in Mehrzahl vorhandenen Rotorspulen 42n und 42s. Mit diesem Aufbau kann anders als im Falle des Aufbaus, der in 21 bis 23 dargestellt ist, die Anzahl der Dioden 21n und 21s auf zwei verringert werden, so dass die Spulenstruktur des Rotors 14 vereinfacht werden kann. Außerdem ist der Rotor 14 auf der bezogen auf die radiale Richtung äußeren Seite einer Drehwelle 22 konzentrisch befestigt (siehe 21, 23 und dergleichen, in 2 nicht dargestellt). Die Drehwelle 22 ist von einem (nicht dargestellten) Gehäuse drehbar gelagert. Man beachte, dass in der vorliegenden Ausführungsform die Gleichrichterelemente mit den entsprechenden Rotorspulen 42n und 42s verbunden sind; jedoch muss in dem Aspekt der Erfindung lediglich die Gleichrichtereinheit, die dafür sorgt, dass sich die magnetischen Eigenschaften der Rotorspulen in der Umfangsrichtung unter den in Mehrzahl vorhandenen Rotorspulen abwechseln, mit den Rotorspulen verbunden sein, und die Gleichrichtereinheit kann einen Aufbau haben, der anders ist als die Gleichrichterelemente. Man beachte, dass die Rotorspulen 42n und 42s über Isolatoren oder dergleichen, die aus elektrisch isolierende Eigenschaften aufweisendem Harz oder dergleichen bestehen, um die entsprechenden Zähne 19 gewickelt sein können.
Außerdem ist die Breite θ von jeder der Rotorspulen 42n und 42s in der Umfangsrichtung des Rotors 14 so eingerichtet, dass sie kleiner ist als die Breite, die einem elektrischen Winkel des Rotors von 180° entspricht, und die Rotorspulen 42n und 42s sind jeweils mit verkürzten Schrittweiten um die Zähne 19 gewickelt. Stärker bevorzugt ist die Breite θ von jeder von den Rotorspulen 42n und 42s in der Umfangsrichtung des Rotors 14 der Breite, die einem elektrischen Winkel des Rotors 14 von 90° entspricht, gleich oder im Wesentlichen gleich. Hierbei kann die Breite θ von jeder von den Rotorspulen 42n und 42s durch die Mittenbreite des Querschnitts von jeder von den Rotorspulen 42n und 42s bei Betrachtung der Querschnittsfläche von jeder von den Rotorspulen 42n und 42s ausgedrückt werden. Das heißt, die Breite θ von jeder von den Rotorspulen 42n und 42s kann durch den Mittelwert der Breite der Innenrandfläche und der Breite der Außenrandfläche von jeder von den Rotorspulen 42n und 42s ausgedrückt werden. Man beachte, dass der elektrische Winkel des Rotors 14 durch einen Wert ausgedrückt wird, der durch Multiplizieren des mechanischen Winkels des Rotors 14 mit der Zahl p der Polpaare des Rotors 14 erhalten wird (elektrischer Winkel = mechanischer Winkel × p). Daher erfüllt die Umfangsrichtungsbreite θ von jeder von den Rotorspulen 42n und 42s den folgenden mathematischen Ausdruck (1), wo r der Abstand von der zentralen Drehachse des Rotors 14 zu jeder von den Rotorspulen 42n und 42s ist. θ < π × r/p (1)
Der Grund dafür, dass die Breite θ durch den mathematischen Ausdruck (1) beschränkt wird, wird weiter unten ausführlich erklärt.
Außerdem ist die elektrische Speichervorrichtung 40, wie in 1 dargestellt, als Gleichstrom-Leistungsquelle vorgesehen. Die elektrische Speichervorrichtung 40 kann aufgeladen und entladen werden und besteht zum Beispiel aus einer Sekundärbatterie. Der Wechselrichter 36 weist drei Arme, d. h. U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasenarme, Au, Av und Aw, auf. In jedem von den Armen mit den drei Phasen, Au, Av und Aw, sind zwei Schaltelemente Sw in Reihe miteinander verbunden. Die Schaltelemente Sw sind Transistoren, IGBTs oder dergleichen. Außerdem ist eine Diode Di antiparallel mit jedem von den Schaltelementen Sw verbunden. Ferner sind die Mittelpunkte der Arme Au, Av und Aw jeweils mit einem Ende der Statorspulen 28u, 28v bzw. 28w der entsprechenden Phase, aus denen die rotierende elektrische Maschine 10 besteht, verbunden. Von den Statorspulen 28u, 28v und 28w sind die Statorspulen von gleicher Phase in Reihe miteinander verbunden, und die Statorspulen 28u, 28v und 28w von verschiedenen Phasen sind an einem Sternpunkt miteinander verbunden.
Außerdem sind die Seite einer positiven Elektrode und die Seite einer negativen Elektrode der elektrischen Speichervorrichtung 40 jeweils mit der Seite einer positiven Elektrode und der Seite einer negativen Elektrode 36 des Wechselrichters 36 verbunden, und ein Kondensator 68 ist parallel zum Wechselrichter 36 zwischen die elektrische Speichervorrichtung 40 und den Wechselrichter 36 geschaltet. Der Controller 38 berechnet zum Beispiel das Soll-Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine 10 als Reaktion auf ein Beschleunigungsbefehlssignal, das zum Beispiel von einem (nicht dargestellten) Gaspedalsensor eines Fahrzeugs eingegeben wird, und steuert dann Schaltoperationen der Schaltelemente Sw auf Basis eines Strombefehlswerts gemäß dem Soll-Drehmoment und dergleichen. Signale, die Stromwerte anzeigen, die von Stromsensoren 70 erfasst werden, welche für Statorspulen mindestens zweier Phasen (zum Beispiel 28u und 28v) von den dreiphasigen Statorspulen vorgesehen sind, und ein Signal, das den Drehwinkel des Rotors 14 der rotierenden elektrischen Maschine 10 anzeigt, der von einer Drehwinkel-Erfassungseinheit 82 (2), beispielsweise einem Drehmelder, erfasst wird, werden in den Controller 38 eingegeben. Der Controller 38 beinhaltet einen Mikrocomputer, der eine CPU, einen Speicher und dergleichen aufweist. Der Controller 38 steuert das Schalten der Schaltelemente Sw des Wechselrichters 36, um das Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine 10 zu regeln. Der Controller 38 kann aus einer Mehrzahl von Controller bestehen, die nach Funktion aufgeteilt sind.
Der so aufgebaute Controller 38 ist in der Lage, Gleichstromleistung von der elektrischen Speichervorrichtung 40 durch die Schaltoperationen der Schaltelemente Sw, die Bestandteile des Wechselrichters 36 sind, in Wechselstromleistung von drei Phasen, U, V und W, umzuwandeln, um die dreiphasigen Statorspulen 28u, 28v und 28w mit Leistung der entsprechenden Phasen zu versorgen. Mit dem solchermaßen aufgebauten Controller 38 kann das Drehmoment des Rotors 14 (29 durch Steuern der Phasen (Vorwärtsverschiebungen) von Wechselströmen, die durch die Statorspulen 28u, 28v und 28w fließen, geregelt werden.
Außerdem werden mit der in 2 dargestellten rotierenden elektrischen Maschine 10 von den drehenden Magnetfeldern Induktionsströme in den Rotorspulen 42n und 42s erzeugt, wodurch bewirkt werden kann, dass der Rotor 14 ein Drehmoment erzeugt. Die drehenden Magnetfelder werden vom Stator 12 erzeugt und beinhalten räumliche Harmonische bzw. Oberschwingungen. Das heißt, die Verteilung von magnetomotorischen Kräften, die bewirken, dass der Stator 12 drehende Magnetfelder erzeugt, ist keine sinusförmige Verteilung (mit nur der Fundamentalen), sondern beinhaltet aufgrund der Anordnung der dreiphasigen Statorspulen 28u, 28v und 28w und der Form des Statorkerns 26 wegen der Zähne 30 und der Nuten 31 harmonische Komponenten. Insbesondere überschneiden sich die dreiphasigen Statorspulen 28u, 28v und 28w in der konzentrierten Wicklung nicht, so dass die Höhe der Amplitude von harmonischen Komponenten, die in der Verteilung der magnetomotorischen Kraft des Stators 12 auftreten, zunimmt. Wenn die Statorspulen 28um 28v und 28w zum Beispiel von einer dreiphasigen konzentrierten Wicklung gebildet werden, nimmt die Höhe der Amplitude einer sekundären räumlichen Komponente, bei der es sich um die (temporäre) tertiäre Komponente von eingegebener elektrischer Frequenz handelt, als harmonische Komponenten zu. Die harmonischen Komponenten, die wegen der Anordnung der Statorspulen 28u, 28v und 28w und der Form des Statorkerns 26 auf diese Weise in magnetomotorischen Kräften auftreten, werden als räumliche Harmonische bzw. Oberschwingungen bezeichnet.
Wenn die dreiphasigen Wechselströme, die durch die dreiphasigen Statorspulen 28u, 28v und 28w geschickt werden, um zu bewirken, dass die drehenden Magnetfelder (die fundamentalen Komponenten), die in den Zähnen 30 gebildet werden, an den Rotor 14 angelegt werden, werden die Zähne 19 außerdem auf solche Weise von den drehenden Magnetfeldern der Zähne 30 angezogen, dass der magnetische Widerstand des Rotors 14 sinkt. Dadurch wirkt ein Drehmoment (eine Trägheitsmoment) auf den Rotor 14.
Da die drehenden Magnetfelder, die in den Zähnen 30 gebildet werden und räumliche Harmonische bzw. Oberschwingungen enthalten, mit den Rotorspulen 42n und 42s des Rotors 14 verkettet sind, treten ferner wegen der räumlichen harmonischen Komponenten Magnetflussschwankungen mit anderer Frequenz als die Drehfrequenz (die fundamentalen Komponenten der drehenden Magnetfelder) des Rotors 14 in den Rotorspulen 42n und 42s auf. Wegen der Magnetflussschwankungen werden induzierte elektromotorische Kräfte in den Rotorspulen 42n und 42s erzeugt. Mit den erzeugten elektromotorischen Kräften werden Ströme, die durch die Rotorspulen 42n und 42s fließen, von den Dioden 21n und 21s jeweils gleichgerichtet, so dass sie nur eine Richtung aufweisen (Gleichstrom). Dann werden die Zähne 19, bei denen es sich um die Rotorzähne handelt, magnetisiert, wenn Gleichströme, die von den Dioden 21n und 21s gleichgerichtet werden, durch die Rotorspulen 42n und 42s fließen. Dadurch fungiert jeder von den Zähnen 19 als Magnet mit einem festen Magnetpol (entweder dem Nordpol oder dem Südpol). Wie oben beschrieben, sind die Gleichrichtungsrichtungen, in denen Ströme, die durch die Rotorspulen 42n und 42s fließen, von den Dioden 21n und 21s gleichgerichtet werden, einander entgegengesetzt, so dass Magnete, die in den jeweiligen Zähnen 19 erzeugt werden, so sind, dass die Nordpole und die Südpole in der Umfangsrichtung abwechselnd angeordnet sind. Dann wechselwirken die Magnetfelder der Zähne 19 (Magnete mit festen Magnetpolen) mit den drehenden Magnetfeldern (fundamentalen Komponenten), die vom Stator 12 erzeugt werden, um Anziehungs- und Abstoßungswirkungen zu erzeugen. Ein Drehmoment (das dem magnetischen Moment entspricht) kann selbst durch elektromagnetische Wechselwirkung (Anziehungs- und Abstoßungswirkungen) zwischen den drehenden Magnetfeldern (den fundamentalen Komponenten), die vom Stator 12 und den Magnetfeldern der Zähne 19 (Magnete) erzeugt werden, an den Rotor 14 angelegt werden, und der Rotor 14 wird synchron mit den drehenden Magnetfeldern (den fundamentalen Komponenten), die vom Stator 12 erzeugt werden, drehend angetrieben. Auf diese Weise kann die rotierende elektrische Maschine 10 als Elektromotor fungieren, der elektrische Leistung nutzt, die zu den Statorspulen 28u, 28v und 28w geliefert wird, um zu bewirken, dass der Rotor 14 elektrische Leistung (mechanische Leistung) erzeugt.
In diesem Fall sind die verschiedenen Dioden 21n und 21s im Rotor 14 jeweils mit den Rotorspulen 42n und 42s verbunden, die um bezogen auf die Umfangsrichtung jeweils benachbarte Zähne 19 des Rotors 14 gewickelt sind. Die drehenden Magnetfelder, die vom Stator 12 (2) erzeugt werden und Harmonische bzw. Oberschwingungen enthalten, sind mit den Rotorspulen 42n und 42s verkettet. Dadurch werden Induktionsströme, deren Richtungen von den Dioden 21n und 21s reguliert werden, in den Rotorspulen 42n und 42s induziert, und die Zähne 19 werden zwischen jeweils benachbarten Zähnen 19 als unterschiedliche Magnetpolabschnitte magnetisiert. In diesem Fall verläuft ein Magnetfluss, der durch einen Induktionsstrom verursacht wird, durch die Zähne 19 und einen Abschnitt des Rotorkerns 16 außer den Zähnen 19 in der Richtung, die vom Pfeil α in 3A angegeben wird.
Außerdem wird das Antriebssystem 34 einer rotierenden elektrischen Maschine, das in 1 dargestellt ist, in einem Hybridfahrzeug, einem Brennstoffzellen-Fahrzeug, einem Elektrofahrzeug oder dergleichen als Fahrzeugantriebsleistung erzeugende Vorrichtung eingebaut und verwendet. Das Hybridfahrzeug beinhaltet einen Verbrennungsmotor und einen Antriebsmotor als Antriebsquellen. Man beachte, dass es auch in Frage kommt, dass ein Gleichspannungswandler, bei dem es sich um eine Spannungswandlungseinheit handelt, zwischen die elektrische Speichervorrichtung 40 und den Wechselrichter 36 geschaltet wird, und die Spannung der elektrischen Speichervorrichtung 40 hochtransformiert und zum Wechselrichter geliefert wird.
Außerdem weist der Controller 38 des Antriebssystems 34 einer rotierenden elektrischen Maschine eine Abwärtsimpuls-Überlagerungseinheit 72 auf (4). Die Abwärtsimpuls-Überlagerungseinheit legt einen Abwärtsimpulsstrom für eine impulsförmige Abwärtswandlung über einen q-Achsenstrombefehl zum Leiten von Strömen durch die Statorspulen 28u, 28v und 28w auf solche Weise, dass magnetische Feldflüsse in Richtungen erzeugt werden, die über einem elektrischen Winkel von 90 Grad in Bezug auf die Magnetpolrichtungen, bei denen es sich um die Mittelachsenrichtungen der Wicklung der jeweiligen Rotorspulen 42n und 42s handelt, vorverschoben sind. Dies wird ausführlich mit Bezug auf 4 beschrieben. 4 ist eine Ansicht, die den Aufbau einer Wechselrichter-Steuereinheit im Controller 38 zeigt. Der Controller 38 weist auf: eine (nicht dargestellte) Strombefehl-Berechnungseinheit, die Abwärtsimpuls-Überlagerungseinheit 72, Subtrahierungseinheiten 74 und 75, PI-Operationseinheiten 76 und 77, eine Dreiphasen-Zweiphasen-Wandlungseinheit 78, eine Zweiphasen-Dreiphasen-Wandlungseinheit 80, die Drehwinkel-Erfassungseinheit 82, eine PWM-Signalerzeugungseinheit (nicht dargestellt) und eine Gate-Schaltung (nicht dargestellt).
Die Strombefehl-Berechnungseinheit berechnet Strombefehlswerte Id* und Iq*, die der d-Achse und der q-Achse entsprechen, mit einer vorbereiteten Tabelle und dergleichen auf Basis des Drehmomentbefehlswerts der rotierenden elektrischen Maschine 10, der als Reaktion auf einen Beschleunigungsbefehl berechnet wird, der von einem Nutzer eingegeben wird. Hierbei bedeutet die d-Achse eine Magnetpolrichtung, bei der es sich um die auf die Umfangsrichtung bezogene Mittelachsenrichtung der Wicklung jeder einzelnen von den Rotorspulen 42n und 42s der rotierenden elektrischen Maschine 10 handelt, und die q-Achse bedeutet eine Richtung, die um einen elektrischen Winkel von 90 Grad in Bezug auf die d-Achse vorverlegt ist. Wenn die Drehrichtung des Rotors 14 beispielsweise definiert ist wie in 2 dargestellt, sind die d-Achsenrichtung und die q-Achsenrichtung von der Beziehung definiert, die von den Pfeilen in 2 angegeben ist. Außerdem sind die Strombefehlswerte Id* und Iq* ein d-Achsen-Strombefehlswert, bei dem es sich um einen Befehlswert für eine d-Achsen-Stromkomponente handelt, bzw. ein q-Achsen-Strombefehlswert, bei dem es sich um einen Befehlswert für eine q-Achsen-Stromkomponente handelt. Somit werden die d-Achse und die q-Achse verwendet, um eine Bestimmung der Ströme, die durch die Statorspulen 28u, 28v und 28w geschickt werden sollen, durch eine Vektorsteuerung zu ermöglichen.
Die Dreiphasen-Zweiphasen-Wandlungseinheit 78 berechnet einen d-Achsen-Stromwert Id und einen q-Achsen-Stromwert Iq, bei denen es sich um zweiphasige Ströme handelt, aus dem Drehwinkel θ der rotierenden elektrischen Maschine 10, der von der Drehwinkel-Erfassungseinheit 82 erfasst wird, die für die rotierende elektrische Maschine 10 vorgesehen ist, und den zweiphasigen Strömen (zum Beispiel V-Phasen- und W-Phasenströmen Iv und Iw), die von den Stromsensoren 70 erfasst werden. Man beachte, dass der Grund dafür, dass von den Stromsensoren 70 nur zweiphasige Ströme erfasst werden, der ist, dass die Summe der zweiphasigen Ströme (des d-Achsen-Stromwerts Id und des q-Achsen-Stromwerts Iq) 0 ist und daher der andere Phasenstrom berechnet werden kann. Jedoch ist es genauso gut denkbar, dass die U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasenströme erfasst werden und dann der d-Achsen-Stromwert Id und der q-Achsen-Stromwert Iq aus diesen Stromwerten berechnet werden.
Die Abwärtsimpuls-Überlagerungseinheit 72 weist eine Abwärtsimpuls-Erzeugungseinheit 84 und eine Addierungseinheit 86 auf. Die Abwärtsimpuls-Erzeugungseinheit 84 erzeugt einen Abwärtsimpulsstrom. Die Addierungseinheit 86 legt in festgelegten Abständen einen Abwärtsimpulsstrom Iqp* über einen q-Achsen-Strombefehlswert Iq*, das heißt, sie addiert den Abwärtsimpulsstrom Iqp* in festgelegten Abständen zum q-Achsen-Strombefehlswert Iq* und gibt nach der Addition dann einen überlagerten q-Achsen-Strombefehlswert Iqsum* an die entsprechende Subtrahierungseinheit 75 aus. Außerdem ermittelt die Subtrahierungseinheit 74, die der d-Achse entspricht, eine Abweichung δId zwischen dem d-Achsen-Strombefehlswert Id* und dem d-Achsenstrom Id, der von der Dreiphasen-Zweiphasen-Wandlungseinheit 78 umgewandelt wird, und gibt dann die Abweichung δId in die PI-Operationseinheit 76 ein, die der d-Achse entspricht.
Außerdem ermittelt die Subtrahierungseinheit 75, die der q-Achse entspricht, eine Abweichung δIq zwischen dem überlagerten q-Achsenstrom-Befehlswert Iqsum* und dem q-Achsenstrom Iq, der von der Dreiphasen-Zweiphasen-Umwandlungseinheit 78 umgewandelt wird, und gibt dann die Abweichung δIq in die PI-Operationseinheit 77 ein, die der q-Achse entspricht. Die PI-Operationseinheiten 76 und 77 führen jeweils eine PI-Operation über den eingegebenen Abweichungen δId und δIq mit einer vorgegebenen Verstärkung durch, um Regelungsabweichungen zu ermitteln, und berechnen dann einen d-Achsen-Spannungsbefehlswert Vd* und einen q-Achsen-Spannungsbefehlswert Vq*, die den Regelungsabweichungen entsprechen.
Die Zweiphasen-Dreiphasen-Umwandlungseinheit 80 wandelt die Spannungsbefehlswerte Vd* und Vq*, die von den PI-Operationseinheiten 76 und 77 eingegeben werden, unter Verwendung eines vorausgesagten Winkels, der aus dem Drehwinkel θ der rotierenden elektrischen Maschine 10 ermittelt wird und der als eine Position 1,5 Steuerintervalle später vorausgesagt wird, in drei U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Spannungsbefehlswerte Vu, Vv und Vw um. Die Spannungsbefehlswerte Vu, Vv und Vw werden von einer (nicht dargestellten) PWM-Signalerzeugungseinheit in PWM-Signale umgewandelt, und die PWM-Signale werden an die (nicht dargestellte) Gate-Schaltung ausgegeben. Die Gate-Schaltung wählt die Schaltelemente Sw aus, an die die Steuersignale angelegt werden, um dadurch Ein/Aus-Zustände der Schaltelemente Sw zu steuern. Auf diese Weise wandelt der Controller 38 Statorströme, die durch die Statorspulen 28u, 28v und 28w fließen, in ein dq-Achsen-Koordinatensystem um, um eine d-Achsen-Stromkomponente und eine q-Achsen-Stromkomponente zu ermitteln, und steuert den Wechselrichter 36 so, dass er in der Lage ist, durch eine Vektorsteuerung einschließlich einer Rückkopplungsregelung die Statorströme mit den jeweiligen Phasen zu erhalten, die dem angestrebten Drehmoment entsprechen.
5A ist ein Zeitschema, das ein Beispiel für zeitabhängige Veränderungen in Statorströmen unter Verwendung eines d-Achsenstrom-Befehlswerts Id*, eines überlagerten q-Achsenstrom-Befehlswerts Iqsum* und jedes Phasenstroms in der Ausführungsform zeigt. 5B ist ein Zeitschema, das eine zeitabhängige Veränderung einer magnetomotorischen Kraft des Rotors zeigt und das 5A entspricht. 5C ist ein Zeitschema, das eine zeitabhängige Veränderung eines Motordrehmoments zeigt und das 5A entspricht. Man beachte, dass 5A, 5B und 5C Simulierungsergebnisse zeigen, während eine extrem kurze Zeitspanne zeitlich gedehnt wird, das heißt, in der horizontalen Richtung in den Zeichnungen gedehnt wird. Somit bilden die U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasenströme eigentlich jeweils Sinuswellen, wenn die rotierende elektrische Maschine angetrieben wird; jedoch sind diese drei Phasenströme in 5A vor und nach der Überlagerung des Impulsstroms linear dargestellt. Man beachte, dass in der folgenden Beschreibung gleiche Bezugszahlen Komponenten bezeichnen, die den Elementen, die in 1 bis 4 dargestellt sind, gleich sind.
Wie in 5A dargestellt ist, legt die Abwärtsimpuls-Überlagerungseinheit 72, die in 4 dargestellt ist, einen Abwärtsimpulsstrom nur über den q-Achsen-Strombefehlswert Iq*. Der d-Achsen-Strombefehlswert Id* ist ein konstanter Wert, der entsprechend einem Drehmomentbefehl berechnet wird. Auf diese Weise wird ein Strombefehl, der auf impulsförmige Weise abnimmt und dann zunimmt, von der Abwärtsimpuls-Überlagerungseinheit 72 in festgelegten Abständen über den q-Achsen-Strombefehlswert Iq* gelegt. Man beachte, dass selbst dann, wenn ein Impulsstrom als rechteckige Wellenform befohlen wird, wie in 5A dargestellt, der Impulsstrom wegen einer Ansprechverzögerung eigentlich eine impulsförmige Wellenform aufweisen kann, die Kurven kombiniert, wie von den durchbrochenen Linien β angegeben. Außerdem kann die impulsförmige Wellenform des Abwärtsimpulsstroms eine rechteckige Welle, eine dreieckige Welle oder eine Wellenform sein, die aus einer Mehrzahl von Kurven und/oder Linien zu einer vorstehenden Form gebildet ist.
Wenn der Abwärtsimpulsstrom auf diese Weise übergelegt wird, wird beispielsweise der absolute Stromwert kleiner, auch wenn der maximale Strom durch eine Phasenspule des Stators fließt, gleiche Ströme jeweils durch die anderen beiden Phasenspulen des Stators fließen und die Summe der gleichen Ströme, die durch die beiden anderen Phasenspulen des Stators fließen, durch die eine Phasenspule des Stators fließt. Als Beispiel zeigt 5A den Fall, wo der maximale Strom durch die W-Phasen-Statorspulen 28w fließt, gleiche Ströme jeweils durch die beiden anderen, U-Phasen- und V-Phasen-Statorspulen 28u und 28v fließen und die Summe der gleichen Ströme, die durch die beiden anderen, U-Phasen- und V-Phasen-Statorspulen 28u und 28v fließen, durch die W-Phasen-Statorspule 28w fließt. In diesem Fall zeigt der Pfeil γ einen Stromgrenzbereich an und die durchbrochenen Linien P und Q sind die zulässigen Stromgrenzen, die hinsichtlich des Designs notwendig sind. Das heißt, Stromwerte müssen auf Basis der Beziehung zwischen den Komponenten, beispielsweise einer Kapazität, des Wechselrichters 36, zwischen den gestrichelten Linien P und Q zu liegen kommen. Weiter liegt ein Stromwert, der durch die W-Phasen-Statorspulen 28w fließt, nahe an den zulässigen Stromgrenzen. In diesem Fall wird der absolute Wert jedes Phasenstromwerts wegen der Überlagerung mit dem Impulsstrom klein; jedoch werden Änderungen der Magnetflüsse von räumlichen harmonischen Komponenten, die in den vom Stator 12 erzeugten drehenden Magnetfeldern enthalten sind, umso größer, je größer die Stromänderungen werden. Daher nimmt die magnetomotorische Kraft des Rotors zu, wie in 5B dargestellt ist, und das Drehmoment des Motors nimmt zu wie in 5C dargestellt. Außerdem nimmt der Spitzenwert sowohl der positiven U-Phasen- als auch V-Phasenströme ab, und der Spitzenwert eines negativen W-Phasen-Impulsstroms nimmt zu, so dass bewirkt werden kann, dass jeder Phasenstrom in den Stromgrenzbereich fällt (einen Bereich, der vom Pfeil γ in 5A angegeben ist).
Dies wird weiter und ausführlich mit Bezug auf 6A bis 6C beschrieben. 6A bis 6C sind schematische Ansichten, die jeweils einen Zustand, in dem Magnetflüsse durch den Stator und den Rotor fließen, wenn ein q-Achsenstrom auf einen festen Wert eingestellt ist, einen Zustand, in dem Magnetflüsse durch den Stator und den Rotor fließen, wenn ein Abwärtsimpulsstrom über den q-Achsenstrom gelegt wird, in einer ersten Halbperiode bzw. einen Zustand, in dem Magnetflüsse durch den Stator und den Rotor fließen, wenn ein Abwärtsimpulsstrom über einen q-Achsenstrom gelegt wird, in einer zweiten Halbperiode zeigen. In jeder von 6A bis 6C sind die Zähne 30, um welche die Dreiphasen-Statorspulen 28u, 28v und 28w gewickelt sind, den Zähnen 19, um welche die Rotorspulen 42n und 42s gewickelt sind, radial nicht zugewandt, so dass einer von den Zähnen 30 der bezogen auf die Umfangsrichtung des Rotors 14 mittleren Position zwischen zwei benachbarten Zähnen 19 zugewandt ist. Wie von den durchgezogenen Pfeilen R1 und den gestrichelten Pfeilen R2 in 6A bis 6C angegeben ist, sind in diesem Zustand die Magnetflüsse, die durch den Stator 12 und den Rotor 14 fließen, q-Achsen-Magnetflüsse.
6A entspricht dem A1-Zustand in 5A, wo der überlagerte q-Achsenstrom-Befehlswert Iqsum* ein fester Wert ist. 6B entspricht dem Zustand, wo ein Abwärtsimpulsstrom im überlagerten q-Achsenstrom-Befehlswert Iqsum* in einer ersten Halbperiode auftritt, das heißt, dem A2-Zustand in 5A, wo Iqsum* steil abfällt. Außerdem entspricht 6C dem Zustand, wo ein Abwärtsimpulsstrom im überlagerten q-Achsenstrom-Befehlswert Iqsum* in einer zweiten Halbperiode vorkommt, d. h. dem A3-Zustand in 5A, wo Iqsum* steil ansteigt.
Wie in 6A dargestellt ist, verlaufen in dem Zustand, wo der überlagerte q-Achsenstrom-Befehlswert Iqsum* ein fester Wert ist, bevor ein Abwärtsimpulsstrom auftritt, Magnetflüsse zuerst von den U-Phasen- und V-Phasenzähnen 30 über die oberen Abschnitte der Zähne 19 des Rotors 14 zum W-Phasenzahn 30, wie von den durchgezogenen Pfeilen R1 dargestellt ist. Jedoch treten in diesem Fall keine Änderungen der Magnetflüsse aufgrund der Fundamentalen, die durch jeden der Zähne 30 verlaufen, auf, und daher tritt keine magnetomotorische Kraft des Rotors auf und es wird kein Motordrehmoment erzeugt, wenn keine räumlichen Harmonischen bzw. Oberschwingungen in Betracht gezogen werden, wie am Abschnitt B1 in 5B und 5C dargestellt ist.
Wie in 6B dargestellt ist, verändert sich im Gegensatz dazu in dem Zustand, wo ein Abwärtsimpulsstrom in der ersten Halbperiode auftritt, das heißt in dem Zustand, wo ein q-Achsenstrom steil abfällt, der absolute Wert des Stromes, der durch jede von den Statorspulen 28u, 28v und 28w fließt, so, dass er kleiner wird, und offensichtlich verlaufen Magnetflüsse wegen der Änderung in der entgegengesetzten Richtung zu 6A, wie von den durchbrochenen Pfeilen R2 dargestellt ist. Man beachte, dass für die Änderungen der Magnetflüsse die Vorzeichen der Statorstromwerte umgekehrt sein können, so dass die Magnetflüsse tatsächlich in der Richtung verlaufen, die der von 6A entgegengesetzt ist. In jedem Fall verläuft der Magnetfluss in einer Richtung, in der er im Zahn 19 von „A” vom Nordpol zum Südpol wechselt, Induktionsstrom versucht, durch die Rotorspule 42n in einer Richtung zu fließen, die den Verlauf des Magnetflusses behindert, und der Verlauf des Induktionsstroms in Richtung des Pfeiles T in 6B wird von der Diode 21n nicht blockiert. Im Gegensatz dazu verläuft der Magnetfluss im Zahn 19 von „B” in der Richtung, die den Südpol verstärkt, und Induktionsstrom versucht, in der Richtung durch die Rotorspule 42s zu fließen, die den Verlauf des Magnetflusses behindert, das heißt, in der Richtung, in der der Zahn 19 von „B” in den Nordpol geändert wird; jedoch wird das Fließen von Induktionsstrom in dieser Richtung durch die Diode 21s blockiert, so dass kein Strom in der Region „B” fließt.
Wie in 6C dargestellt ist, ändert sich anschließend in einem Zustand, wo ein Abwärtsimpulsstrom in der zweiten Halbperiode auftritt, d. h. in einem Zustand, wo der q-Achsenstrom steil ansteigt, der absolute Wert des Stromes, der durch jede von den Statorspulen 28u, 28v und 28w fließt, so, dass er größer wird, und dann verlaufen Magnetflüsse in der Richtung, die zu der von 6B entgegengesetzt ist, wie von den durchgezogenen Pfeilen R1 angezeigt ist. In diesem Fall verläuft der Magnetfluss in der Richtung, die den Nordpol im Zahn 19 von „A” verstärkt, und Induktionsstrom versucht, in der Richtung durch die Rotorspule 42n zu fließen, um den Durchgang des Magnetflusses zu verhindern, das heißt, in der Richtung, um den Zahn 19 von „A” in den Südpol zu ändern (in der X-Richtung, die der der Diode 21n entgegengesetzt ist); jedoch ist in 6B bereits Strom geflossen, daher wird der Strom zumindest für eine bestimmte Zeitspanne schwächer, aber fließt in der Richtung, die der X-Richtung entgegengesetzt ist. Außerdem verläuft der Magnetfluss in der Richtung, die den Südpol in den Nordpol im Zahn 19 von „B” ändert, Induktionsstrom versucht, durch die Rotorspule 42s in der Richtung zu fließen, um den Verlauf des Magnetflusses zu behindern, und das Fließen des Induktionsstroms in Richtung des Pfeiles Y in 6C wird von der Diode 21s nicht blockiert. Infolgedessen nimmt, wie in 5B und 5C dargestellt ist, eine magnetomotorische Kraft des Rotors wegen des übergelegten Abwärtsimpulses zu, und das Drehmoment des Motors nimmt zu.
Wenn der Abwärtsimpulsstrom 0 wird und wieder zu dem Zustand zurückkehrt, der in 6A dargestellt ist, werden außerdem Ströme, die durch die Rotorspulen 42n und 42s fließen, allmählich schwächer; jedoch wird der Abwärtsimpulsstrom periodisch übergelegt, damit die Wirkung der Drehmomenterhöhung erhalten werden kann. Man beachte, dass in der obigen Beschreibung ein Abwärtsimpulsstrom übergelegt wird, wenn Strom, der durch die W-Phasenstatorspulen fließt, am stärksten ist; dies gilt jedoch auch für den Fall der U-Phase oder der V-Phase.
Mit dem oben beschriebenen Antriebssystem einer rotierenden elektrischen Maschine ist es möglich, die rotierende elektrische Maschine zu implementieren, die in der Lage ist, ein Drehmoment auch in einem niedrigen Drehzahlbereich zu erhöhen und gleichzeitig zu verhindern, dass zu starke Ströme durch jede der Statorspulen 28u, 28v und 28w fließen. Auch wenn beispielsweise der absolute Wert eines Stroms, der durch die W-Phasen-Statorspulen 28w fließt, höher ist als der absolute Wert von den Strömen, die jeweils durch die anderen beiden, U-Phasen- und V-Phasen-Statorspulen 28u und 28v strömen, bevor ein Impulsstrom über den Strom, der durch die W-Phasenstatorspulen 28w fließt, gelegt wird, können Induktionsströme, die in den Rotorspulen 42n und 42s erzeugt werden, verstärkt werden, und gleichzeitig die absoluten Werte von Strömen, die durch die Statorspulen aller Phasen fließen, durch Überlagerung mit einem Abwärtsimpulsstrom auf impulsförmige Weise verkleinert werden. Daher kann das Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine 10 in einem niedrigen Drehzahlbereich erhöht werden, während die Spitzenwerte von Statorströmen, bei denen es sich um Ströme handelt, die durch sämtliche Statorspulen 28u, 28v und 28w geschickt werden sollen, unterdrückt werden. Außerdem ist es nicht notwendig, Magnete für den Rotor 14 vorzusehen, und daher kann ein magnetloser Aufbau mit hohem Drehmoment erreicht werden.
Wie in 5A dargestellt ist, wird außerdem ein Abwärtsimpulsstrom über den q-Achsen-Strombefehl gelegt, um den absoluten Wert des Stroms, der durch Statorspulen einer Phase, beispielsweise die W-Phasen-Statorspulen 28w fließt, auf impulsförmige Weise deutlich zu verkleinern; jedoch ist die Spitze des Stromes, der sich auf diese Weise impulsförmig ändert, nicht so beschränkt, dass sie bei etwa 0 liegt. Zum Beispiel ist es nach einem Anstieg eines negativen Stroms, der durch die W-Phasen-Statorspulen 28w fließt, auf etwa 0 auch möglich, die Breite der Abnahme E (5A) des Abwärtsimpulsstroms des überlagerten q-Achsen-Strombefehls Iqsum* zu vergrößern, so dass sie zur positiven Seite hin größer wird. Auch in diesem Fall kann der Grad der Änderungen von q-Achsen-Magnetflüssen aufgrund von räumlichen Harmonischen bzw. Oberschwingungen vergrößert werden, ohne Statorströme zu sehr zu verstärken, und das Drehmoment kann vergrößert werden.
Im Gegensatz dazu werden im Falle der Synchronmaschine, die in JP-A-2007-185082 beschrieben ist, Elektromagnete des Rotors unter Verwendung von Impulsstrom gebildet; jedoch sind die Rotorspulen am Außenrandabschnitt des Rotors so vorgesehen, dass sie sich in der radialen Richtung erstrecken, und jeweils ein Gleichrichterelement ist mit jeder Rotorspule verbunden, um zwei verschiedene Magnetpole an den in radialer Richtung entgegengesetzten Seiten des Rotors zu bilden. Daher löschen sich Induktionsströme, die zwei Magnetpole ausbilden, gegenseitig aus, auch wenn ein Impuls über einen q-Achsenstrom gelegt wird, daher können in den Rotorspulen keine Induktionsströme erzeugt werden. Das heißt, mit diesem Aufbau ist es unmöglich, durch Überlagern des q-Achsenstroms mit einem Impulsstrom ein Drehmoment zu erzeugen.
Außerdem wird im Falle der Synchronmaschine, die in JP-A-2010-98908 beschrieben ist, ein Aufwärtsimpulsstrom, der auf impulsartige Weise zunimmt und dann abnimmt, über einen d-Achsenstrom und einen q-Achsenstrom gelegt, daher können die Spitzenwerte von Strömen, die durch die Statorspulen fließen, sehr groß werden. Außerdem wird im Falle der Synchronmaschine, die in JP-A-2010-11079 beschrieben ist, zum Zwecke der Implementierung der rotierenden elektrischen Maschine, die in der Lage ist, ein Drehmoment auch in einem niedrigen Drehzahlbereich zu erhöhen und gleichzeitig zu verhindern, dass sehr starke Ströme durch die Statorspule fließen, keine Vorrichtung zur Überlagerung von q-Achsenstrom mit einem Abwärtsimpulsstrom beschrieben.
Zum Beispiel ist 7 ein Graph, der ein Beispiel für einen Strom (Statorstrom), der durch U-Phasen-Statorspulen fließt, und induzierte Ströme (induzierte Rotorströme), die in Rotorspulen erzeugt werden, in einem Antriebssystem einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einem Vergleichsbeispiel zeigt, in dem ein zunehmender Impulsstrom über einen Statorstrom gelegt wird. Diese Vergleichsausführungsform unterscheidet sich von der oben beschriebenen Ausführungsform nur dadurch, dass ein Aufwärtsimpulsstrom statt eines Abwärtsimpulsstroms übergelegt wird. Wie in 7 dargestellt ist, wird in der Vergleichsausführungsform ein Aufwärtsimpulsstrom, der auf impulsartige Weise steigt und dann fällt, über einen sinusförmigen Statorstrom gelegt. Da der Statorstrom steil ansteigt, wie vom Pfeil C1 angezeigt, sinkt in diesem Fall ein Induktionsstrom des Rotors gemäß dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion steil ab, wie vom Pfeil D1 angegeben. Danach sinkt der Statorstrom stark ab, wie vom Pfeil C2 angegeben ist, so dass der Induktionsstrom des Rotors ansteigt wie vom Pfeil D2 angegeben. Wegen dieses Prinzips wird ein Strom, der durch eine von den dreiphasigen Statorspulen fließt, stärker. Daher kann es manchmal nötig sein, einen stark gepulsten Strom überzulegen, um ein Soll-Drehmoment zu erzeugen. In diesem Fall wird, wie im Falle der Synchronmaschinen, die in JP-A-2007-185082 und JP-A-2010-98908 beschrieben sind, ein ansteigender Impulsstrom über einen d-Achsenstrom gelegt. Daher besteht die Möglichkeit, dass der Spitzenwert des Stromes sehr hoch wird, so dass er Wechselrichter-Stromgrenzen, die aus Gründen des Designs nötig sind, überschreitet. Daher kann es beispielsweise notwendig sein, die Kapazität jedes einzelnen Schaltelements des Wechselrichters zu erhöhen, was zu einer Verteuerung oder Vergrößerung eines Steuersystems einschließlich des Wechselrichters führt. Außerdem ist es notwendig, den Erfassungsbereich jedes einzelnen Stromsensors für eine Stromsteuerung zu vergrößern, was zu einer Vergrößerung jedes einzelnen Sensors oder einer Verringerung der Erfassungsgenauigkeit jedes einzelnen Sensors führen kann. Daher wurde versucht, eine Vorrichtung zu implementieren, die in der Lage ist, ein Drehmoment zu erhöhen und gleichzeitig zu hohe Stromspitzenwerte zu vermeiden.
Im Gegensatz dazu ist es gemäß der vorliegenden Ausführungsform möglich, zu starke Statorströme zu verhindern, das heißt, es ist möglich, zu hohe Spitzenwerte von Strömen zu vermeiden, so dass die oben beschriebenen Nachteile eliminiert werden können.
Außerdem sind gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Rotorspulen 42n und 42s mit den entsprechenden Dioden 21n und 21s verbunden, bei denen es sich um Gleichrichterelemente handelt, deren Vorwärtsrichtungen zwischen in Umfangsrichtung des Rotors 14 jeweils benachbarten Rotorspulen 42n und 42s einander entgegengesetzt sind, und die Dioden 21n und 21s sorgen für eine Gleichrichtung von Strömen, die wegen der erzeugten induzierten elektrometrischen Kräfte durch die Rotorspulen 42n und 42s fließen, um die Phasen von Strömen, die durch in Umfangsrichtung des Rotors 14 jeweils benachbarte Rotorspulen 42n und 42s fließen, zwischen der A-Phase und der B-Phase abzuwechseln. Wie in 8A und 8B dargestellt ist, ist im Gegensatz dazu eine Vergleichsausführungsform denkbar, die sich von der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet. 8A und 8B sind schematische Ansichten des Rotors und zeigen eine Änderung, wenn in der Vergleichsausführungsform ein Impulsstrom über einen q-Achsenstrom gelegt wird.
In der Vergleichsausführungsform von 8A und 8B sind Rotorspulen 88n und 88s an mehreren Umfangsrichtungsabschnitten des Rotors 14 gewickelt, jeweils benachbarte Rotorspulen 88n und 88s sind über eine Diode 90 verbunden, und die magnetischen Eigenschaften der Zähne 19 ändern sich abwechselnd. Die Zähne 19 sind Magnetpolabschnitte, und die magnetischen Eigenschaften der Zähne 19 werden von Strömen erzeugt, die durch die Rotorspulen 88n und 88s fließen. Wenn in dieser Vergleichsausführungsform ein Impulsstrom über die q-Achsenströme gelegt wird, um zu bewirken, dass die q-Achsen-Magnetflüsse, die auf räumliche Harmonische bzw. Oberschwingungen zurückgehen, verlaufen wie von den durchbrochenen Pfeilen 8A und 8B angegeben, versuchen Ströme in der Richtung zu fließen, in der sowohl der Nordpol als auch der Südpol in den Südpol in 8A geändert werden, und die nordpolseitigen und die südpolseitigen Ströme löschen einander aus. Auch wenn die q-Achsen-Magnetflüsse in der Richtung verlaufen, die der von 8A entgegengesetzt ist, versuchen außerdem Ströme in der Richtung zu fließen, in der sowohl der Nordpol als auch der Südpol in den Nordpol in 8B geändert werden, und die nordpolseitigen und südpolseitigen Ströme löschen einander aus. In der Vergleichsausführungsform können daher keine Ströme in den Rotorspulen 88n und 88s induziert werden, auch wenn ein Impulsstrom über einen q-Achsenstrom gelegt wird. Im Gegensatz dazu wird in der vorliegenden Ausfürungsform ein Impulsstrom über den q-Achsenstrom gelegt wie oben beschrieben, wodurch die Wirkung erzielt werden kann, dass das Drehmoment größer wird.
Außerdem wird in der vorliegenden Ausführungsform die Breite θ von jeder von den Rotorspulen 42n und 42s in der Umfangsrichtung des Rotors 14 reguliert wie oben im mathematischen Ausdruck (1) beschrieben, daher ist es möglich, induzierte elektromotorische Kräfte, die auf die räumlichen Harmonischen bzw. Oberschwingungen der drehenden Magnetfelder, die in den Rotorspulen 42n und 42s erzeugt werden, zurückgehen, zu verstärken. Das heißt, die Amplitude (Fluktuationsbreite) von Magnetflüssen, die mit den Rotorspulen 42n und 42s verkettet sind, aufgrund von räumlichen Harmonischen bzw. Oberschwingungen wird von der auf die Umfangsrichtung des Rotors 14 bezogenen Breite θ von jeder von den Rotorspulen 42n und 42s beeinflusst. Hier zeigt 3B das Ergebnis der Berechnung der Amplitude (Fluktuationsbreite) von Magnetflüssen, die mit den Rotorspulen 42n und 42s verkettet sind, während die Breite θ von jeder der Rotorspulen 42n und 42s in der Umfangsrichtung geändert wird. 3B zeigt die Spulenbreite θ im elektrischen Winkel. Wie in 3B dargestellt ist, wird die Fluktuationsbreite von Magnetflüssen, die mit den Rotorspulen 42n und 42s verkettet sind, umso größer, je kleiner die Spulenbreite θ ausgehend von 180° wird, daher wird die Spulenbreite θ kleiner als 180° gemacht, das heißt, die Rotorspulen 42n und 42s werden mit verkürzten Wickelschritten bzw. als Sehnenwicklung gebildet, damit dadurch die Amplitude von verketteten Magnetflüssen aufgrund von räumlichen Harmonischen bzw. Oberschwingungen im Vergleich zu einer Durchmesserwicklung vergrößert werden kann.
Somit ist in der rotierenden elektrischen Maschine 10 (2) die Umfangsrichtungsbreite von jedem der Zähne 19 kleiner gestaltet als die Breite, die einem elektrischen Winkel von 180° entspricht, und die Rotorspulen 42n und 42s sind in verkürzten Wickelschritten um die entsprechenden Zähne 19 gewickelt, wodurch es möglich ist, induzierte elektromotorische Kräfte aufgrund von räumlichen Harmonischen bzw. Oberschwingungen, die in den Rotorspulen 42n und 42s erzeugt werden, wirksam zu verstärken. Infolgedessen kann das Drehmoment, das auf den Rotor 14 wirkt, wirksam erhöht werden.
Wie in 3B dargestellt ist, ist ferner die Amplitude von verketteten Magnetflüssen aufgrund von räumlichen Harmonischen bzw. Oberschwingungen am größten, wenn die Spulenbreite θ 90° ist. Um die Amplitude von Magnetflüssen aufgrund von räumlichen Harmonischen bzw. Oberschwingungen, die mit den Rotorspulen 42n und 42s verkettet sind, weiter zu vergrößern, ist somit die Breite θ von jeder von den Rotorspulen 42n und 42s in der Umfangsrichtung gleich (oder im Wesentlichen gleich) der Breite, die einem elektrischen Winkel von 90° des Rotors 14 entspricht. Wenn die Zahl der Polpaare des Rotors 14p ist und der Abstand von der mittleren Drehachse des Rotors 14 zu jeder der Rotorspulen 42n und 42sr ist, erfüllt die Breite θ von jeder der Rotorspulen 42n und 42s in der Umfangsrichtung vorzugsweise den folgenden mathematischen Ausdruck (2) (oder erfüllt ihn annähernd): θ = π × r/(2 × p) (2)
Dadurch können induzierte elektromotorische Kräfte aufgrund von räumlichen Harmonischen bzw. Oberschwingungen, die in den Rotorspulen 42n und 42s erzeugt werden, maximiert werden, und Magnetflüsse, die wegen der induzierten Ströme in den jeweiligen Zähnen 19 erzeugt werden, können äußerst wirksam verstärkt werden. Infolgedessen ist es möglich, das Drehmoment, das auf den Rotor 14 wirkt, noch wirksamer zu erhöhen. Das heißt, wenn die Breite θ die Breite, die 90° entspricht, deutlich übertrifft, tendieren magnetomotorische Kräfte in den Richtungen, die einander auslöschen, zu einer Verkettung mit den Rotorspulen 42n und 42s; jedoch nimmt die Wahrscheinlichkeit dafür, das solche elektromotorischen Kräfte auftreten, ab, wenn die Breite θ kleiner wird als die Breite, die 90° entspricht. Wenn die Briete θ jedoch deutlich kleiner wird als die Breite, die 90° entspricht, nehmen die elektromotorischen Kräfte, die mit den Rotorspulen 42n und 42s verkettet sind, deutlich ab. Daher wird die Breite θ auf die Breite eingestellt, die etwa 90° entspricht, wodurch es möglich ist, diese Nachteile zu vermeiden. Daher ist die Breite θ von jeder der Rotorspulen 42n und 42s in der Umfangsrichtung der Breite, die einem elektrischen Winkel von 90° entspricht, vorzugsweise im Wesentlichen gleich.
Wenn die Breite θ von jeder von den Rotorspulen 42n und 42s in der Umfangsrichtung des Rotors 14 der Breite, die einem elektrischen Winkel von 90° entspricht, im Wesentlichen gleich ist, können auf diese Weise in der vorliegenden Ausführungsform induzierte elektromotorische Kräfte aufgrund von räumlichen Harmonischen bzw. Oberschwingungen der drehenden Magnetfelder, die in den Rotorspulen 42n und 42s erzeugt werden, verstärkt werden, wodurch es möglich ist, die Magnetflüsse der Zähne 19, bei denen es sich um Magnetpolabschnitte handelt, äußerst wirksam zu verstärken. Die Magnetflüsse der Zähne 19 werden durch Induktionsströme erzeugt, die durch die Rotorspulen 42n und 42s fließen. Infolgedessen kann das Drehmoment, das auf den Rotor 14 wirkt, noch wirksamer erhöht werden. Man beachte, dass in der vorliegenden Ausführungsform der Rotor 14 so aufgebaut ist, dass in der Umfangsrichtung jeweils benachbarte Rotorspulen 42n und 42s elektrisch voneinander isoliert sind, die Rotorspulen 42n, die bezogen auf die Umfangsrichtung abwechselnd angeordnet sind, miteinander elektrisch in Reihe verbunden sind und die Rotorspulen 42s, die bezogen auf die Umfangsrichtung abwechselnd angeordnet sind, miteinander elektrisch in Reihe verbunden sind. In der vorliegenden Ausführungsform ist es jedoch auch möglich, dass die rotierende elektrische Maschine wie im Falle des Aufbaus, der in 21 bis 23 gezeigt ist, den Rotor 14 aufweist, in dem jede von den Dioden 21n und 21s mit jeder von den Rotorspulen 42n und 42s, die um den entsprechenden Zahn 19 gewickelt sind, verbunden ist und die Rotorspulen 42n und 42s elektrisch gegeneinander isoliert sind, und dass der Controller 38 die Abwärtsimpuls-Überlagerungseinheit 72 aufweist (4).
Man beachte, dass in der vorliegenden Ausführungsform der Controller 38 die Abwärtsimpuls-Überlagerungseinheit 72 aufweist, die einen Abwärtsimpulsstrom über den q-Achsenstrom legt und keinen Impulsstrom über den d-Achsenstrom legt. Stattdessen kann der Controller 38 zusätzlich zu der Abwärtsimpulsstrom-Überlagerungseinheit 72, die einen Abwärtsimpulsstrom über den q-Achsen-Strombefehl Iq* legt, eine Aufwärtsimpuls-Überlagerungseinheit aufweisen, die einen Aufwärtsimpulsstrom, bei dem es sich um einen Impulsstrom handelt, der auf impulsartige Weise steil ansteigt und dann steil abfällt, über den d-Achsen-Strombefehl Id* legt. In diesem Fall kann der Umfang der Schwankungen der Magnetflüsse, die auf den d-Achsen-Magnetpfaden, welche vom d-Achsenstrom erzeugt werden, verlaufen, vergrößert werden und gleichzeitig bewirkt werden, dass die dreiphasigen Statorströme innerhalb der Stromgrenzen liegen, so dass es möglich ist, das Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine dadurch wirksam zu erhöhen, dass die Induktionsströme des Rotors weiter verstärkt werden.
Außerdem kann in der vorliegenden Ausführungsform die Abwärtsimpuls-Überlagerungseinheit 72 so gestaltet sein, dass sie einen Abwärtsimpulsstrom nur innerhalb eines vorgegebenen Bereichs, der von dem Drehmoment und/oder der Drehzahl der rotierenden elektrischen Maschine definiert wird, über den q-Achsen-Strombefehl Iq* legt. Zum Beispiel kann die Abwärtsimpuls-Überlagerungseinheit 72 so gestaltet sein, dass sie nur dann einen Abwärtsimpulsstrom über den q-Achsen-Strombefehl Iq* legt, wenn die Drehzahl der rotierenden elektrischen Maschine unter oder bei einer vorgegebenen Drehzahl liegt und das Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine über oder bei einem vorgegebenen Drehmoment liegt.
Weiter ist 9 eine Ansicht, die eine andere Ausführungsform der Erfindung zeigt und die 3A entspricht. Außerdem ist 10 eine Ansicht, die eine Ersatzschaltung von Rotorspulen und Hilfs-Rotorspulen in der Ausführungsform von 9 zeigt. In der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der Ausführungsform, die in 9 dargestellt ist, sind die Zähne 19 des Rotors 14 anders als in der in 1 bis 6 dargestellten Ausführungsform nicht nur mit den Rotorspulen 42n und 42s versehen, die um die distalen Endseiten gewickelt sind, sondern auch mit Hilfsrotorspulen 92n und 92s, die um die proximalen Endseiten gewickelt sind. Das heißt, in der vorliegenden Ausführungsform weist der Rotorkern 16 die Zähne 19 auf, wie im Falle der in 1 bis 6 dargestellten Ausführungsform. Die Zähne 19 sind bezogen auf die Umfangsrichtung des Rotors 14 mit Abständen zueinander angeordnet. Die Zähne 19 sind eine Mehrzahl von Magnetpolabschnitten und ausgeprägten bzw. Schenkelabschnitten, die zum Stator 12 hin vorstehen (siehe 2). Außerdem werden die Zähne 19 magnetisiert, wenn Ströme, die von den Dioden 21n und 21s gleichgerichtet werden, durch die Rotorspulen 42n und 42s und die Hilfsrotorspulen 92n und 92s fließen, um dadurch als Magnete zu fungieren, die feste Magnetpole aufweisen. Außerdem sind die Hilfsrotorspulen 92n und 92s um die proximalen Endseiten der entsprechenden Zähne 19 gewickelt und sind jeweils um in der Umfangsrichtung des Rotors 14 jeweils benachbarte Zähne 19 gewickelt. Irgendwelche zwei von den Hilfsrotorspulen 92n und 92s sind miteinander in Reihe verbunden, um einen Hilfsspulensatz 94 zu bilden.
Außerdem sind jeweils die einen Enden von irgendwelchen zwei benachbarten von den Rotorspulen 42n und 42s, die bezogen auf die Umfangsrichtung des Rotors 14 um irgendwelche benachbarte Zähne 19 gewickelt sind, an einem Verbindungspunkt R (10) über die jeweiligen entsprechenden Dioden 21n und 21s so miteinander verbunden, dass die jeweiligen entsprechenden Dioden 21n und 21s einander aus entgegengesetzten Richtungen zugewandt sind. Außerdem sind die anderen Enden der bezogen auf die Umfangsrichtung des Rotors 14 irgendwelchen zwei benachbarten Rotorspulen 42n und 42s jeweils mit einem Ende des Hilfsspulensatzes 94 verbunden, und der Verbindungspunkt R ist mit dem anderen Ende des Hilfsspulensatzes 94 verbunden.
Mit einem solchen Aufbau fließen jeweils gleichgerichtete Ströme durch die Rotorspulen 42n und 42s und die Hilfsrotorspulen 92n und 92s, um die Zähne 19 zu magnetisieren und zu bewirken, dass die Zähne 19 als Magnetpolabschnitte fungieren. Das heißt, dadurch, dass Wechselströmen durch die Statorspulen 28u, 28v und 28w geschickt werden, wirken Magnetfelder, die räumliche Harmonische bzw. Oberschwingungen aufweisen, vom Stator 12 (2) auf den Rotor 14. Aufgrund von Schwankungen der Magnetflüsse mit räumlichen Harmonischen bzw. Oberschwingungen kommt es zu Schwankungen von magnetischen Leckflüssen, die in den Raum zwischen den Zähnen 19 des Rotors 14 austreten, und dadurch werden induzierte elektromotorische Kräfte erzeugt. Außerdem kann die Funktion der Erzeugung von Induktionsströmen größtenteils den Rotorspulen 42n und 42s an den distalen Endseiten der Zähne 19 übertragen werden, und die Funktion der Magnetisierung der Zähne 19 kann größtenteils den Hilfsrotorspulen 92n und 92s übertragen werden. Außerdem werden die Ströme, die insgesamt durch die Rotorspulen 42n und 42s fließen, welche um jeweils benachbarte Zähne 19 gewickelt sind, zu Strom, der durch die Hilfsrotorspulen 92n und 92s fließt. Außerdem sind jeweils benachbarte Hilfsrotorspulen 92n und 92s in Reihe miteinander verbunden, so dass die gleiche vorteilhafte Wirkung erzielt werden kann als wenn die Zahl der Windungen beider benachbarter Hilfsrotorspulen 92n und 92s erhöht würde, und es möglich ist, Ströme, die durch die Rotorspulen 42n und 42s und die Hilfsrotorspulen 92n und 92s fließen, zu verkleinern, während die Magnetflüsse, die durch die Zähne 19 verlaufen, unverändert bleiben. Der übrige Aufbau und die übrige Betriebsweise sind denen der in 1 bis 6 gezeigten Ausführungsform ähnlich.
Weiter ist 11 eine schematische Querschnitts-Teilansicht, die einen Abschnitt in einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt, in der ein Stator einem Rotor zugewandt ist. Eine rotierende elektrische Maschine 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich von der in 1 bis 6 dargestellten Ausführungsform oder der Ausführungsform, die in 9 und 10 dargestellt ist, dahingehend, dass ein Hilfspol 96, der aus magnetischem Material gebildet ist, zwischen in der Umfangsrichtung des Rotors 14 jeweils benachbarten Zähnen 19 vorgesehen ist. Außerdem ist jeder Hilfspol 96 mit dem distalen Endabschnitt eines Säulenabschnitts 98 verbunden, der aus nicht-magnetischem Material besteht. Der proximale Abschnitt jedes Säulenabschnitts 98 mit dem Boden einer Nut 100 zwischen in der Umfangsrichtung jeweils benachbarten Zähnen an der Außenfläche des Rotorkerns 16, bezogen auf die Umfangsrichtung mittig verbunden. Man beachte, dass unter der Bedingung, dass jeder Säulenabschnitt 98 aus einem magnetischen Material gebildet ist und die Festigkeit des Säulenabschnitts 98 sichergestellt werden kann, die Querschnittsfläche des Säulenabschnitts 98 in der Umfangsrichtung des Rotors 14 ausreichend verkleinert werden kann.
Mit dem oben beschriebenen Aufbau können Magnetpfade, durch die räumliche Harmonische bzw. Oberschwingungen verlaufen können, problemlos an einem Abschnitt ausgebildet werden, der die Hilfspole 96 einschließt, so dass bewirkt wird, dass eine große Menge an räumlichen Harmonischen bzw. Oberschwingungen, die in den vom Stator 12 erzeugten drehenden Magnetfeldern enthalten sind, durch die Hilfspole 96 verlaufen, wodurch es möglich ist, Schwankungen in Magnetflüssen von räumlichen Harmonischen bzw. Oberschwingungen zu verstärken. Daher werden Induktionsströme, die in den Rotorspulen 42n und 42s auftreten, weiter verstärkt, wodurch es möglich ist, das Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine 10 weiter zu erhöhen. Der übrige Aufbau und die Betriebsweis sind denen der ersten Ausführungsform, die in 1 bis 6 dargestellt ist, ähnlich.
Nun werden weitere Gestaltungsbeispiele einer rotierenden elektrischen Maschine, welche das Antriebssystem einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen darstellen, beschrieben. Wie nachstehend beschrieben ist, kann der Aspekt der Erfindung auf verschiedene Gestaltungsbeispiele der rotierenden elektrischen Maschine angewendet werden.
Zum Beispiel sind in den oben beschriebenen Ausführungsformen die Rotorspulen 42n und 42s um die entsprechenden Zähne gewickelt, bei denen es sich um Schenkelpole handelt, die in der radialen Richtung des Rotors 14 vorstehen; statt dessen ist es auch möglich, dass, wie in 12 dargestellt ist, Schlitze (Luftspalten) 48, bei denen es sich um Rotornuten handelt, im Rotorkern 16 ausgebildet sind, wodurch der magnetische Widerstand des Rotors 14 gemäß der Drehrichtung geändert wird. Wie in 12 dargestellt ist, sind im Rotorkern 16, wo jeder Magnetpfad der Umfangsrichtungsmitte eines Abschnitts, der so ausgebildet ist, dass eine Mehrzahl von Schlitzen 48 in der radialen Richtung angeordnet sind, ein q-Achsen-Magnetpfadabschnitt 50 ist und jeder Magnetpfad in der Richtung entlang des Magnetpolabschnitts, an dem die Rotorspule angeordnet ist, ein d-Achsen-Magnetpolabschnitt 52 ist, die Schlitze 48 so ausgebildet, dass der q-Achsen-Magnetpolabschnitt 50 und der d-Achsen-Magnetpolabschnitt 52, die dem Stator 12 (den Zähnen 30) zugewandt sind, in Umfangsrichtung abwechselnd angeordnet sind, und jeder q-Achsen-Magnetpfadabschnitt 50 zwischen in der Umfangsrichtung jeweils benachbarten d-Achsen-Magnetpfadabschnitten 52 angeordnet ist.
Jede von den Rotorspulen 42n und 42s ist durch die Schlitze 48 und einen entsprechenden einen von den d-Achsen-Magnetpolabschnitten 52 mit einem geringen magnetischen Widerstand gewickelt. In diesem Fall sind die Schlitze 48 im Rotorkern 16 bezogen auf die Umfangsrichtung mit Abständen zueinander um die Drehachse des Rotors 14 angeordnet, und die Rotorspulen 42n und 42s sind an mehreren Umfangsrichtungsabschnitten am Außenrandabschnitt des Rotorkerns 16 gewickelt, so dass sie teilweise in den Schlitzen 48 angeordnet sind. In dem Gestaltungsbeispiel, das in 12 dargestellt ist, sind die drehenden Magnetfelder, die räumliche harmonische Komponenten aufweisen und die im Stator 12 ausgebildet sind, mit den Rotorspulen 42n und 42s verkettet, wodurch bewirkt wird, dass Gleichströme, die von den Dioden 21n und 21s gleichgerichtet werden, durch die Rotorspulen 42n und 42s fließen, wodurch die d-Achsen-Magnetpfadabschnitte 52 magnetisiert werden. Infolgedessen fungieren die d-Achsen-Magnetpfadabschnitte 52 als Magnete (Magnetpolabschnitte) mit festen Magnetpolen. Dabei ist die Breite jedes d-Achsen-Magnetpolabschnitts 52 (die Breite θ von jeder von den Rotorspulen 42n und 42s) in der Umfangsrichtung so eingestellt, dass sie kleiner ist als die Breite, die einem elektrischen Winkel des Rotors 14 von 180° entspricht, und die Rotorspulen 42n und 42s sind mit verkürzten Wickelschritten um die entsprechenden d-Achsen-Magnetpfadabschnitte 52 gewickelt. Dadurch können induzierte elektromotorische Kräfte aufgrund von räumlichen Harmonischen bzw. Oberschwingungen, die in den Rotorspulen 42n und 42s erzeugt werden, wirksam verstärkt werden. Um die induzierten elektromotorischen Kräfte aufgrund von räumlichen Harmonischen bzw. Oberschwingungen zu maximieren, ist ferner die Umfangsrichtungsbreite θ von jeder von den Rotorspulen 42n und 42s der Breite, die einem elektrischen Winkel des Rotors 14 von 90° entspricht, vorzugsweise gleich (oder fast gleich). Die übrige Gestaltung und der Betrieb sind denen der oben beschriebenen Ausführungsformen ähnlich.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen, wie beispielsweise in 13 dargestellt, ist es außerdem möglich, dass der Rotor 16 einen Rotorkörper 17, der aus einem magnetischen Material gefertigt ist, und eine Mehrzahl von Dauermagneten 54 aufweist, und dass die Dauermagnete 54 am Rotorkern 16 angeordnet sind. In dem in 13 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Mehrzahl von Magnetpolabschnitten 56, die als Magnete mit festen Magnetpolen fungieren, bezogen auf die Umfangsrichtung in Abständen zueinander so angeordnet, dass sie dem Statorkern 12 zugewandet sind (siehe 2), und die Rotorspulen 42n und 42s sind um die entsprechenden Magnetpolabschnitte 56 gewickelt. In diesem Fall sind Schlitze 102, bei denen es sich um Rotornuten handelt, an mehreren Umfangsrichtungsabschnitten des Rotorkerns 16 angeordnet, und die Rotorspulen 42n und 42s sind an mehreren Umfangsrichtungsabschnitten am Außenumfangsabschnitt des Rotorkerns 16 so gewickelt, dass sie teilweise in den Schlitzen 102 angeordnet sind. Jeder von den Dauermagneten 54 ist so, dass er dem Stator 12 (den Zähnen 30) zugewandt ist, zwischen bezogen auf die Umfangsrichtung jeweils benachbarten Magnetpolabschnitten 56 angeordnet. Die Dauermagnete 54 können hierbei in den Rotorkern 16 eingebettet sein oder können an der Oberfläche (der äußeren Randfläche) des Rotorkerns 16 frei liegen. Außerdem können die Dauermagnete 54 innerhalb des Rotorkerns in V-Form angeordnet sein. In dem Gestaltungsbeispiel, das in 13 dargestellt ist, sind die im Stator 12 gebildeten drehenden Magnetfelder, die räumliche harmonische Komponenten enthalten, mit den Rotorspulen 42n und 42s verkettet, wodurch bewirkt wird, dass Gleichströme, die von den Dioden 21n und 21s gleichgerichtet werden, durch die Rotorspulen 42n und 42 fließen, um dadurch die Magnetpolabschnitte 56 zu magnetisieren. Infolgedessen dienen die Magnetpolabschnitte 42n und 42s dazu, die Magnetpolabschnitte 56 zu magnetisieren. Dabei ist die Umfangsrichtungsbreite jedes einzelnen von den Magnetpolabschnitten 56 (die Breite θ von jeder von den Rotorspulen 42n und 42s) so eingestellt, dass sie kleiner ist als die Breite, die einem elektrischen Winkel des Rotors 14 von 180° entspricht, und die Rotorspulen 42n und 42s sind mit verkürzten Wickelschritten um die entsprechenden Magnetpolabschnitte 56 gewickelt, wodurch es möglich ist, die induzierten elektromotorischen Kräfte aufgrund von räumlichen Harmonischen bzw. Oberschwingungen, die in den Rotorspulen 42n und 42s erzeugt werden, wirksam zu verstärken. Um die induzierten elektromotorischen Kräfte aufgrund von räumlichen Harmonischen bzw. Oberschwingungen, die in den Rotorspulen 42n und 42s erzeugt werden, zu maximieren, ist ferner die Umfangsrichtungsbreite θ von jeder von den Rotorspulen 42n und 42s vorzugsweise der Breite, die einem elektrischen Winkel des Rotors 14 von 90° entspricht, gleich (oder im Wesentlichen gleich). Der übrige Aufbau und die Betriebsweise sind denen der oben beschriebenen Ausführungsformen ähnlich.
Außerdem können die Rotorspulen 42n und 42s in den oben beschriebenen Ausführungsformen, wie beispielsweise in 14 dargestellt ist, in Ringform gewickelt sein. In dem Gestaltungsbeispiel, das in 14 dargestellt ist, weist der Rotorkern 16 einen ringförmigen Kernabschnitt 58 auf, und jeder von den Zähnen 19 ragt vom ringförmigen Kernabschnitt 58 in der radialen Richtung nach außen (zum Stator 12) vor. Die Rotorspulen 42n und 42s sind an Stellen des ringförmigen Kernabschnitts 58 in der Nähe der Zähne 19 in Ringform gewickelt. Außerdem sind die Rotorspulen 42n und 42s an mehreren Umfangsrichtungsabschnitten des Rotorkerns 16 so gewickelt, dass sie teilweise in den Nuten 20 angeordnet sind. In dem Gestaltungsbeispiel, das in 14 dargestellt ist, sind die räumliche harmonische Komponenten enthaltenden drehenden Magnetfelder, die im Stator 12 ausgebildet werden, ebenfalls mit den Rotorspulen 42n und 42s verkettet, wodurch bewirkt wird, dass Gleichströme, die von den Dioden 21n und 21s gleichgerichtet werden, durch die Rotorspulen 42n und 42s fließen, wodurch die Zähne 19 magnetisiert werden. Infolgedessen fungieren die Zähne 19, die nahe an den Rotorspulen 42n angeordnet sind, als Nordpole, und die Zähne 19, die nahe an den Rotorspulen 42s angeordnet sind, fungieren als Südpole. Dabei ist die Umfangsrichtungsbreite θ von jedem der Zähne 19 so eingerichtet, dass sie kleiner ist als die Breite, die einem elektrischen Winkel des Rotors 14 von 180° entspricht, wodurch es möglich ist, induzierte elektromotorische Kräfte aufgrund von räumlichen Harmonischen bzw. Oberschwingungen, die in den Rotorspulen 42n und 42s erzeugt werden, wirksam zu verstärken. Um induzierte elektromotorische Kräfte aufgrund von räumlichen Harmonischen bzw. Oberschwingungen, die in den Rotorspulen 42n und 42s erzeugt werden, zu maximieren, ist die Umfangsrichtungsbreite θ von jedem der Zähne 19 vorzugsweise der Breite, die einem elektrischen Winkel des Rotors 14 von 90° entspricht, gleich (oder im Wesentlichen gleich). Man beachte, dass 14 ein Beispiel zeigt, in dem bezogen auf die Umfangsrichtung benachbarte Rotorspulen 42n und 42s jeweils elektrisch gegeneinander isoliert sind, die Rotorspulen 42n, die bezogen auf die Umfangsrichtung abwechselnd angeordnet sind, miteinander elektrisch in Reihe verbunden sind und die Rotorspulen 42s, die bezogen auf die Umfangsrichtung abwechselnd angeordnet sind, miteinander elektrisch in Reihe verbunden sind, wie im Falle des in 2 dargestellten Ausführungsbeispiels. Jedoch können auch in dem Beispiel, in dem die Rotorspulen 42n und 42s in Ringform gewickelt sind, wie im Falle des in 21 bis 23 dargestellten Gestaltungsbeispiels, die Rotorspulen 42n und 42s, die um die entsprechenden Zähne 19 gewickelt sind, jeweils elektrisch gegeneinander isoliert sein. Der übrige Aufbau und die Betriebsweise sind denen der oben beschriebenen Ausführungsformen ähnlich.
Wie im folgenden Gestaltungsbeispiel beschrieben ist, ist es außerdem möglich, dass die Rotorspulen der rotierenden elektrischen Maschine an den gleichen Stellen wie die Magnete des Rotors, an den gleichen Stellen wie die Nuten, von denen jede zwischen jeweils benachbarten Zähnen ausgebildet ist, oder an den gleichen Stellen wie die Abschnitte, die aufgrund der Mehrzahl von Schlitzen Eigenschaften magnetische Schenkelpole aufweisen, angeordnet sind. 15 ist eine schematische Ansicht einer rotierenden elektrischen Maschine, betrachtet in paralleler Richtung zur Drehachse. 16 ist eine schematische Ansicht, die den schematischen Aufbau des Rotors von 15 zeigt, betrachtet in paralleler Richtung zur Drehachse.
Die rotierende elektrische Maschine 10 gemäß dem vorliegenden Gestaltungsbeispiel weist einen Stator 12 und einen Rotor 14 auf. Der Stator 12 ist an einem (nicht dargestellten) Gehäuse festgelegt. Der Rotor 14 ist bezogen auf die radiale Richtung weiter innen als der Stator 12 so angeordnet, dass er dem Stator 12 mit einer vorgegebenen Lücke zugewandt ist, und ist in Bezug auf den Stator 12 drehbar. Man beachte, dass der Aufbau und die Betriebsweise des Stators 12 denen der in 1 bis 6 dargestellten Ausführungsformen ähnlich sind.
Wie in 16 dargestellt ist, weist der Rotor 14 einen Rotorkern 16 und Rotorspulen 42n und 42s auf. Die Rotorspulen 42n und 42s sind an mehreren Umfangsrichtungsabschnitten des Rotorkerns 16 angeordnet und gewickelt. Der Rotorkern 16 weist einen Rotorkernkörper 17, der aus einem magnetischen Material gebildet ist, und Dauermagnete 54 auf, die an mehreren Umfangsrichtungsabschnitten des Rotors 14 angeordnet sind. Der Rotor 14 ist an der Drehwelle 22 festgelegt. Magnetpolabschnitte 60, beispielsweise Säulenabschnitte, die sich in der radialen Richtung erstrecken, sind an mehreren Umfangsrichtungsabschnitten des Rotorkerns 16 ausgebildet, und die Rotorspulen 42n und 42s sind um die entsprechenden Magnetpolabschnitte 60 gewickelt. Das heißt, Schlitze 102, bei denen es sich um Rotornuten handelt, sind an mehreren Umfangsrichtungsabschnitten des Rotorkerns 16 ausgebildet, und die Rotorspulen 42n und 42s sind an mehreren Umfangsrichtungsabschnitten des Außenrandabschnitts des Rotorkerns 16 so gewickelt, dass sie teilweise in den Schlitzen 102 angeordnet sind.
Die Dauermagnete 54 sind an mehreren Umfangsrichtungsabschnitten des Rotors 14 in den Magnetpolabschnitten 60, die den Rotorspulen 42n und 42s in der Umfangsrichtung des Rotors 14 entsprechen, angeordnet, das heißt eingebettet. Umgekehrt sind die Rotorspulen 42n und 42s um die jeweiligen Dauermagnete 54 gewickelt. Die Dauermagnete 54 sind in der radialen Richtung des Rotors 14 magnetisiert, und die Magnetisierungsrichtungen wechseln zwischen bezogen auf die Umfangsrichtung des Rotors 14 jeweils benachbarten Magneten 54 ab. In 15 und 16 (das gleiche gilt auch für die nachstehend beschriebene 17) zeigten die durchgezogenen Pfeile auf den Dauermagneten 54 die Magnetisierungsrichtungen der Dauermagnete 54 an. Man beachte, dass die Magnetpolabschnitte 60 aus Schenkelpolen oder dergleichen bestehen können, die so angeordnet sind, dass sie sich an mehreren Umfangsrichtungsabschnitten in der radialen Richtung des Rotors 14 erstrecken.
Der Rotor 14 weist in der Umfangsrichtung unterschiedliche Eigenschaften magnetischer Schenkelpole auf. Wo der Magnetpfad der auf den Umfang bezogenen Mitte zwischen zwei bezogen auf die Umfangsrichtung jeweils benachbarten Magnetpolabschnitten 60, der so angeordnet ist, dass er in der Umfangsrichtung von den Dauermagneten 54 abweicht und außerdem auch von den Magnetpolabschnitten 60 im Rotor 14 abweicht, als q-Achsen-Magnetpfad bezeichnet wird, und der Magnetpfad, der in der Umfangsrichtung mit der Wicklungsmittelachse von jeder von den Rotorspulen 42n und 42s zusammenfällt, als d-Achsen-Magnetweg bezeichnet wird, sind die Dauermagnete 54 jeweils in den d-Achsen-Magnetpfaden angeordnet, die an mehreren Umfangsrichtungsabschnitten des Rotors 14 angeordnet sind.
Außerdem sind die Rotorspulen 42n und 42s, die um die entsprechenden Magnetpolabschnitte 60 gewickelt sind, elektrisch nicht miteinander verbunden, sondern gegeneinander isoliert. Weiter ist jede von den Dioden 21n und 21s, bei denen es sich um Gleichrichterelemente handelt, parallel mit jeder von den elektrisch isolierten Rotorspulen 42n und 42s verbunden. Außerdem sind die Richtung, in der Strom durch die einzelnen Dioden 21n fließt, die mit den in Umfangsrichtung des Rotors 14 abwechselnd angeordneten Rotorspulen 42n verbunden sind, und die Richtung des Stromes, der durch jede von den Dioden 21s fließt, die mit den übrigen Rotorspulen 42s verbunden sind, umgekehrt, so dass die Vorwärtsrichtungen der Dioden 21n und 21s in entgegengesetzte Richtungen weisen. Daher ist jede von den Rotorspulen 42n und 42s über die Diode 22n oder 21s kurzgeschlossen. Somit werden Ströme, die durch die Rotorspulen 42n und 42s fließen, in einer Richtung gleichgerichtet. Auch im Falle des vorliegenden Gestaltungsbeispiels bewirken die Dioden 21n und 21s eine Gleichrichtung von Strömen, die wegen der erzeugten elektromotorischen Kräfte durch die Rotorspulen 42n und 42s fließen, wodurch die Phasen von Strömen, die durch bezogen auf die Umfangsrichtung des Rotors 14 jeweils benachbarte Rotorspulen 42n und 42s fließen, zwischen der A-Phase und der B-Phase abwechseln.
Wenn Gleichströme gemäß der Gleichrichtungsrichtungen der Dioden 21n und 21s durch die Rotorspulen 42n und 42s fließen, werden die Magnetpolabschnitte 60, um die die Rotorspulen 42n und 42s gewickelt sind, magnetisiert, wodurch bewirkt wird, dass die Magnetpolabschnitte 60 als Magnete mit festen Magnetpolen fungieren. Die Richtungen der gestrichelten Pfeile, die an den bezogen auf die radiale Richtung äußeren Seiten der Rotorspulen 42n und 42s in 15 und 16 dargestellt sind, zeigen die Magnetisierungsrichtungen der Magnetpolabschnitte 60 an.
Wie in 16 dargestellt ist, sind außerdem die Richtungen der Gleichströme zwischen bezogen auf die Umfangsrichtung des Rotors 14 jeweils benachbarten Rotorspulen 42n und 42s einander entgegengesetzt. Weiter sind die Magnetisierungsrichtungen zwischen bezogen auf die Umfangsrichtung des Rotors 14 jeweils benachbarten Magnetpolabschnitten 60 entgegengesetzt zueinander. Das heißt, im vorliegenden Gestaltungsbeispiel wechseln sich die magnetischen Eigenschaften der Magnetpolabschnitte 60 zwischen bezogen auf die Umfangsrichtung des Rotors 14 jeweils benachbarten Magnetpolabschnitten 14 ab. Zum Beispiel sind in 15 und 16 die Nordpole auf den radial äußeren Seiten von Abschnitten angeordnet, die in der Umfangsrichtung des Rotors 14 mit den Rotorspulen 42n zusammenfallen, bei denen es sich um die in der Umfangsrichtung des Rotors 14 abwechselnd angeordneten Magnetpolabschnitte 60 handelt, und Südpole sind auf den radial äußeren Seiten von Abschnitten angeordnet, die in der Umfangsrichtung des Rotors 14 mit den Rotorspulen 42s zusammenfallen, bei denen es sich um den Magnetpolabschnitt 60 handelt, der in der Umfangsrichtung an die Nordpol-Magnetpolabschnitte 60 angrenzt. Weiter bilden jeweils zwei in der Umfangsrichtung benachbarte Magnetpolabschnitte 60 ein Polpaar. Außerdem werden die Magnetisierungsrichtungen der Magnetpolabschnitte 54 mit den Magnetisierungsrichtungen der Magnetpolabschnitte 60, die in der Umfangsrichtung des Rotors 14 mit den Dauermagneten 54 zusammenfallen, in Übereinstimmung gebracht.
Außerdem sind in dem in 15 und 16 dargestellten Beispiel die acht Magnetpolabschnitte 60 ausgebildet, und die Anzahl der Polpaare des Rotors 14 ist vier. Außerdem sind die Anzahl von Polpaaren des Stators 12 (15) und die Anzahl von Polpaaren des Rotors 14 jeweils vier, und die Anzahl von Polpaaren des Stators 12 ist der Anzahl von Polpaaren des Rotors 14 gleich. Jedoch muss die Anzahl von Polpaaren des Stators 12 und die Anzahl von Polpaaren des Rotors 14 nicht jeweils vier sein.
Außerdem ist in dem vorliegenden Gestaltungsbeispiel die Breite von jedem von den Magnetpolabschnitten 60 in der Umfangsrichtung des Rotors 14 so eingestellt, dass sie kleiner ist als die Breite, die einem elektrischen Winkel des Rotors 14 von 180° entspricht. Weiter ist die Umfangsrichtungsbreite θ (16) von jeder von den Rotorspulen 42n und 42s so eingestellt, dass sie kleiner ist als die Breite, die einem elektrischen Winkel des Rotors 14 von 180° entspricht, und die Rotorspulen 42n und 42s sind in verkürzten Wickelschritten um die entsprechenden Magnetpolabschnitte 60 gewickelt. Außerdem ist die Breite θ von jeder von den Rotorspulen 42n und 42s in der Umfangsrichtung des Rotors 14 der Breite, die einem elektrischen Winkel von 90° entspricht, vorzugsweise gleich (oder annähernd gleich).
In der solchermaßen aufgebauten rotierenden elektrischen Maschine 10 verlaufen dreiphasige Wechselströme durch die dreiphasigen Statorspulen 28u, 28v und 28w, um zu bewirken, dass die drehenden Magnetfelder mit Frequenzen, die harmonische Komponenten enthaltend, die von den Zähnen 30 erzeugt werden (15), an den Rotor 14 angelegt werden. Als Reaktion darauf wirken dann ein Trägheitsmoment Tre, ein Dauermagnetmoment Tmg, das von den Dauermagneten erzeugt wird, und ein Rotorspulenmoment Tcoil, das von den Rotorspulen erzeugt wird, auf den Rotor 14, wodurch bewirkt wird, dass der Rotor 14 so angetrieben wird, dass er sich synchron mit den drehenden Magnetfeldern (fundamentalen Komponenten), die vom Stator 12 erzeugt werden, dreht. Hierbei ist das Trägheitsmoment Tre ein Drehmoment, das als Ergebnis davon erzeugt wird, dass die jeweiligen Magnetpolabschnitte 60 von den drehenden Magnetfeldern, die vom Stator 12 erzeugt werden, angezogen werden. Außerdem ist das Dauermagnetmoment Tmg ein Drehmoment, das aufgrund von Anziehungen und Abstoßungen erzeugt wird, bei denen es sich um Wechselwirkungen zwischen den Magnetfeldern, die von den Dauermagneten 54 erzeugt werden, und den drehenden Magnetfeldern, die vom Stator 12 erzeugt werden, handelt. Außerdem ist das Rotorspulenmoment Tcoil ein Drehmoment, das von Strömen bewirkt wird, die von den Rotorspulen 42n und 42s als Folge davon erzeugt werden, dass die räumlichen harmonischen Komponenten einer magnetomotorischen Kraft, die vom Stator 12 erzeugt wird, an die Rotorspulen 42n und 42s angelegt werden. Dieses Drehmoment wird durch Anziehungen und Abstoßungen erzeugt, bei denen es sich um Wechselwirkungen zwischen Magnetfeldern, die von den Magnetpolabschnitten 60 erzeugt werden, und den drehenden Magnetfeldern, die vom Stator 12 erzeugt werden, handelt.
Mit der oben beschriebenen drehenden elektrischen Maschine 10 gemäß dem vorliegenden Gestaltungsbeispiel ist es möglich, das Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine 10 wirksam zu erhöhen. Außerdem werden Schwankungen von Magnetflüssen in den Dauermagneten 54 durch Induktionsströme, die durch die Rotorspulen 42n und 42s fließen, unterdrückt, so dass Wirbelstromverluste innerhalb der jeweiligen Dauermagnete 54 unterdrückt werden, wodurch die Wärmeerzeugung der Magnete verringert werden kann.
Außerdem ist 17 eine schematische Ansicht, die 16 entspricht, in einem anderen Gestaltungsbeispiel. In dem vorliegenden Gestaltungsbeispiel sind die Rotorspulen 42n, die Teil der Mehrzahl von Rotorspulen 42n und 42s sind und die in der Umfangsrichtung des Rotors 14 abwechselnd angeordnet sind, elektrisch in Reihe miteinander verbunden, und die übrigen Rotorspulen 42s, die in der Umfangsrichtung abwechselnd angeordnet sind, sind elektrisch in Reihe miteinander verbunden. Das heißt, die Rotorspulen 42n oder 42s, die um die Magnetpolabschnitte 60 gewickelt sind, die als Magnete fungieren, und die in den gleichen Richtungen magnetisiert sind, sind elektrisch in Reihe miteinander verbunden. Außerdem sind die Rotorspulen 42n und 42s, die bezogen auf die Umfangsrichtung des Rotors 14 jeweils um benachbarte Magnetpolabschnitte 60 gewickelt sind, elektrisch gegeneinander isoliert. Dann bilden ein Schaltkreis, der die Rotorspulen 42n beinhaltet, die elektrisch miteinander verbunden sind, und ein Schaltkreis, der die Rotorspulen 42s beinhaltet, die elektrisch miteinander verbunden sind, ein Paar aus Rotorspulen-Schaltkreisen 62a und 62b, die elektrisch gegeneinander isoliert sind. Das heißt, die Rotorspulen 42n oder 42s, die um die Magnetpolabschnitte 60 gewickelt sind, welche untereinander die gleichen magnetischen Eigenschaften haben, sind elektrisch miteinander verbunden.
Außerdem sind Dioden 21n und 21s, bei denen es sich um Gleichrichterelemente handelt, die voneinander verschiedene Polaritäten aufweisen, jeweils mit den beiden Rotorspulen-Schaltkreisen 62a und 62b, bei denen es sich um die abwechselnd angeordneten Rotorspulen 42n und 42s handelt, in Reihe verbunden, und die Richtungen der Ströme, die durch die Rotorspulenschaltungen 62a und 62b fließen, werden in einer Richtung gleichgerichtet. Außerdem sind Ströme, die durch eine von den beiden Rotorspulen-Schaltreisen 62a und 62b fließen, und Ströme, die durch die andere von den Rotorspulen-Schaltkreisen 62a und 62b fließen, einander entgegengesetzt. Die übrige Gestaltung und Betriebsweise sind denen des in 15 und 16 dargestellten Gestaltungsbeispiels ähnlich.
18 ist eine schematische Ansicht, die 16 entspricht, in einem anderen Gestaltungsbeispiel. Der Rotor 14, der Bestandteil der rotierenden elektrischen Maschine gemäß dem vorliegenden Gestaltungsbeispiel ist, unterscheidet sich von dem Rotor 14 in dem Gestaltungsbeispiel, das in 17 dargestellt ist, darin, dass die Dauermagnete 54 (siehe 17), die für den Rotor 14 vorgesehen sind, fehlen. Außerdem weist der Rotorkern 16 Zähne 64 auf, die an mehreren Umfangsrichtungsabschnitten an der Außenrandfläche in der radialen Richtung vorstehen, und jede von den Rotorspulen 42n und 42s ist zwischen bezogen auf die Umfangsrichtung des Rotors 14 jeweils benachbarten Zähnen 64 angeordnet. Das heißt, die Rotorspulen 42n und 42s sind in einem hohlen Zustand angeordnet, wo das Innere hohl ist. Außerdem ragt ein Abschnitt zwischen jeweils benachbarten Rotorspulen 42n und 42s in der Umfangsrichtung des Rotors 14 zum Stator 12 hin vor (siehe 15), und der Rotorkern 16 weist magnetische Eigenschaften eines Schenkelpols auf. In diesem Fall sind die Rotorspulen 42n und 42s an mehreren Umfangsrichtungsabschnitten des Außenrandabschnitts des Rotorkerns 16 so gewickelt, dass sie zum Teil oder zur Gänze in den entsprechenden Nuten 20 angeordnet sind.
In dem solchermaßen aufgebauten Rotor 14 werden Magnetpfade, die mit den Zähnen 64 in der Umfangsrichtung des Rotors 14 zusammenfallen, zu q-Achsen-Magnetpfaden, und Stellen, die mit den Rotorspulen 42n und 42s in der Umfangsrichtung des Rotors 14 zusammenfallen, werden d-Achsen-Magnetpfade.
In dem oben dargestellten Gestaltungsbeispiel sind anders als in dem Gestaltungsbeispiel, das in 15 und 16 dargestellt ist, keine Dauermagnete 54 (siehe 17) im Rotor 14 angeordnet; jedoch kann das Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine unabhängig von der Drehrichtung des Rotors 14 erhöht werden. Das heißt, die Stromphase-Drehmoment-Kennlinie ist die gleiche, unabhängig von der Drehrichtung des Rotors 14, und der Höchstwert des Drehmoments wird größer, so dass das Drehmoment wirksam erhöht werden kann. Wenn beispielsweise ein Drehmoment im Leistungsbetrieb erhöht wird, kann das Drehmoment im Leistungsbetrieb sowohl während einer Vorwärtsdrehung als auch während einer Rückwärtsdrehung des Rotors 14 erhöht werden. Wenn ein regeneratives Drehmoment erhöht wird, kann außerdem das regenerative Drehmoment sowohl während einer Vorwärtsdrehung als auch während einer Rückwärtsdrehung des Rotors 14 erhöht werden. Somit kann eine rotierende elektrische Maschine erhalten werden, die in der Lage ist, sowohl bei der Vorwärtsdrehung als auch bei der Rückwärtsdrehung des Rotors 14 ein höheres Drehmoment zu erreichen. Der übrige Aufbau und die Betriebsweise sind denen des in 15 und 16 dargestellten Gestaltungsbeispiels oder denen des in 17 dargestellten Gestaltungsbeispiels gleich.
19 ist eine schematische Ansicht, die 16 entspricht, in einem anderen Gestaltungsbeispiel. Der Rotor 14, der Bestandteil einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß dem vorliegenden Gestaltungsbeispiel ist, ist ebenfalls so aufgebaut, dass keine Dauermagnete 54 (siehe 16 und dergleichen) für den Rotor 14 vorgesehen sind, wie im Falle des Gestaltungsbeispiels, das in 18 dargestellt ist. Im vorliegenden Gestaltungsbeispiel sind Schlitze 48, bei denen es sich um Luftraumabschnitte und Rotornuten handelt, innerhalb des Rotorkerns 16 ausgebildet, der Bestandteil des Rotors 14 ist, um dadurch den magnetischen Widerstand des Rotors 14 in der Drehrichtung zu ändern. Das heißt, die in Mehrzahl vorhandenen Schlitze 48, die sich in der axialen Richtung im Wesentlichen mit einem U-förmigen Querschnitt erstrecken und die eine Form aufweisen, die zu der bezogen auf die radiale Richtung äußeren Seite hin offen ist, sind an mehreren Umfangsrichtungsabschnitten des Rotorkerns 16 so angeordnet, dass sie in der radialen Richtung des Rotors 14 voneinander beabstandet sind. Weiter sind Rotorspulen 42n und 42s an mehreren Umfangsrichtungsabschnitten des Rotorkerns 16 so angeordnet, dass sie mit den Umfangsrichtungsmitten der in Mehrzahl vorhandenen Schlitze 48 verbunden sind, um d-Achsen-Magnetpfade zu bilden, und der Magnetpfad zwischen jeweils zwei in der Umfangsrichtung benachbarten Schlitzen 48 ein q-Achsen-Magnetpfad ist.
Außerdem sind die Rotorspulen 42n und 42s jeweils mit Dioden 21n und 21s kurzgeschlossen. Die Dioden 21n und 21s weisen unterschiedliche Polaritäten zwischen jeweils benachbarten Rotorspulen 42n und 42s auf. Die Rotorspulen 42n, die jeweils mit den Dioden 21n kurzgeschlossen sind, und die Rotorspulen 42s, die jeweils mit den Dioden 21 kurzgeschlossen sind, sind in der Umfangsrichtung des Rotors 14 abwechselnd angeordnet, und die magnetischen Eigenschaften der in Mehrzahl vorhandenen Magnetpolabschnitte 66, die von Strömen erzeugt werden, die durch die Rotorspulen 42n und 42s fließen, wechseln in Umfangsrichtung des Rotors 14 ab. In diesem Fall sind die Schlitze 48 bezogen auf die Umfangsrichtung mit Abständen zueinander um die Drehachse des Rotors 14 im Rotorkern ausgebildet, und die Rotorspulen 42n und 42s sind an mehreren Umfangsrichtungsabschnitten am Außenrandabschnitt des Rotorkerns 16 so gewickelt, dass sie teilweise in den Schlitzen 48 angeordnet sind.
Im Falle des oben dargestellten Gestaltungsbeispiels sind magnetische Drehfelder vom Stator 12 (siehe 15) mit den Rotorspulen 42n und 42s verkettet, um zu bewirken, dass Gleichströme, die von den Dioden 21n und 21s gleichgerichtet werden, durch die Rotorspulen 42n und 42s fließen, wodurch die Magnetpolabschnitte 66, die an mehreren Umfangsrichtungsabschnitten angeordnet sind, das heißt die d-Achsen-Magnetpfade, magnetisiert werden, und die Magnetpolabschnitte 66 als Magnete fungieren, die feste Magnetpole aufweisen. Außerdem ist die Breite von jeder der Rotorspulen 42n und 42s in der Umfangsrichtung des Rotors 14 so eingerichtet, dass sie kleiner ist als die Breite, die einem elektrischen Winkel des Rotors 14 von 180° entspricht, und die Rotorspulen 42n und 42s sind in verkürzten Wickelchritten um die jeweiligen Magnetpolabschnitte 60 gewickelt. Außerdem ist die Breite von jeder von den Rotorspulen 42n und 42s in der Umfangsrichtung der Breite, die einem elektrischen Winkel des Rotors 14 von 90° entspricht, vorzugsweise gleich (oder im Wesentlichen gleich).
Auch im Falle des oben dargestellten Gestaltungsbeispiels sind keine Dauermagnete am Rotor 14 angeordnet; jedoch kann das Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine unabhängig von der Drehrichtung des Rotors 14 erhöht werden. Die übrige Gestaltung und Betriebsweise sind denen des Gestaltungsbeispiels, das in 15 und 16 dargestellt ist, ähnlich.
20 ist eine schematische Ansicht, die 16 entspricht, in einem anderen Gestaltungsbeispiel. Der Rotor 14, der eine rotierende elektrische Maschine gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel darstellt, unterscheidet sich von dem Rotor 14, der das in 15 und 16 dargestellte Ausführungsbeispiel darstellt, dahingehend, dass der Rotorkern 16 aus einem Rotorkernkörper 104, der aus einem magnetischen Material besteht, und einer Mehrzahl von Dauermagneten gebildet ist. Außerdem weist der Rotorkernkörper 104 nicht die magnetischen Eigenschaften eines Schenkelpols auf, und die Dauermagnete 54 sind an mehreren Umfangsrichtungsabschnitten der äußeren Randfläche des Rotorkernkörpers 104 befestigt. Außerdem ist der Rotorkern 16 so ausgebildet, dass ein Schlitz 20 zwischen bezogen auf die Umfangsrichtung jeweils benachbarten Dauermagneten 54 um die Drehachse des Rotors herum mit Abständen ausgebildet ist. Außerdem sind Rotorspulen 42n und 42s um die entsprechenden Dauermagente 54 gewickelt. In diesem Fall sind die Rotorspulen 42n und 42s an mehreren Umfangsrichtungsabschnitten des Außenrandabschnitts des Rotorkerns 16 so gewickelt, dass sie zum Teil in den Schlitzen 20 angeordnet sind. Im vorliegenden Gestaltungsbeispiel sind Abschnitte, die in der Umfangsrichtung an mehreren Abschnitten des Rotors 14 mit den Dauermagneten 54 zusammenfallen, als Magnetpole ausgebildet. Außerdem sind die Rotorspulen 42n und 42s jeweils von Dioden 21n und 21s kurzgeschlossen. Die Dioden 21n und 21s haben zwischen jeweils benachbarten Rotorspulen 42n und 42s unterschiedliche Polaritäten. Die übrige Gestaltung und Betriebsweise sind denen des Ausführungsbeispiels, das in 15 und 16 dargestellt ist, gleich.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen und Gestaltungsbeispielen ist die rotierende elektrische Maschine beschrieben, in der der Stator 12 und der Rotor 14 so angeordnet sind, dass sie einander in der radialen Richtung senkrecht zur Drehwelle 22 zugewandt sind. Jedoch kann die rotierende elektrische Maschine, die die oben beschriebenen Ausführungsformen darstellt, auch eine rotierende elektrische Maschine sein, in der der Stator 12 und der Rotor 14 so angeordnet sind, dass sie einander in der Richtung, die parallel ist zur Drehwelle 22 (der Richtung entlang der Drehachse), zugewandt sind. Außerdem ist oben der Fall beschrieben, wo der Rotor bezogen auf die radiale Richtung weiter innen angeordnet ist als der Stator, so dass er dem Stator zugewandt ist; jedoch kann der Aspekt der Erfindung auch durch die Gestaltung implementiert werden, dass der Rotor bezogen auf die radiale Richtung weiter außen angeordnet ist als der Stator, so dass er dem Stator zugewandt ist.
Wie oben beschrieben, weist ein Antriebssystem einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Ausführungsform auf: eine rotierende elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor, die so angeordnet sind, dass sie einander zugewandt sind; und eine Steuereinheit, die die Antriebseinheit steuert. Der Stator weist auf: einen Statorkern mit Statornuten, die an mehreren Umfangsrichtungsabschnitten ausgebildet sind, und mehrphasige Spulen, die durch die Statornuten als konzentrierte Wicklung um den Statorkern gewickelt sind. Der Rotor weist einen Rotorkern, Rotorspulen, die an mehreren Umfangsrichtungsabschnitten des Rotorkerns gewickelt sind, und eine Gleichrichtereinheit auf, die mit den Rotorspulen verbunden ist und magnetische Eigenschaften der jeweiligen Rotorspulen bezogen auf die Umfangsrichtung unter den in Mehrzahl vorhandenen Rotorspulen abwechselt. Der Rotor ändert magnetische Eigenschaften von Magnetpolabschnitten an mehreren Umfangsrichtungsabschnitten abwechselnd in der Umfangsrichtung. Die magnetischen Eigenschaften werden von Strömen erzeugt, die durch die jeweiligen Rotorspulen fließen. Die Steuereinheit wiest eine Abwärtsimpuls-Überlagerungseinheit auf, die Abwärtsimpulsstrom für eine impulsförmige Abwärtswandlung über einen q-Achsen-Strombefehl zum Durchlassen von Strömen durch die Statorspulen legt, um magnetische Feldflüsse in Richtungen zu erzeugen, die um einen elektrischen Winkel von 90 Grad in Bezug auf die Magnetpolrichtungen verfrüht sind, bei denen es sich um Wicklungsmittelachsenrichtungen der jeweiligen Statorspulen handelt. Mit diesem Aufbau ist es weiter möglich, wie oben beschrieben, die rotierende elektrische Maschine zu erhalten, die in der Lage ist, ein Drehmoment auch in einem niedrigen Drehzahlbereich zu erhöhen und gleichzeitig zu vermeiden, dass zu starke Ströme durch die Statorspulen fließen.
Die Ausführungsformen der Erfindung sind oben beschrieben; jedoch ist der Aspekt der Erfindung nicht auf die obigen Ausführungsformen beschrieben. Der Aspekt der Erfindung kann selbstverständlich in verschiedenen Formen implementiert werden, ohne vom Bereich der Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2009-112091 A [0002]
JP 2007-185082 A [0005, 0083, 0085]
JP 98908 A [0005]
JP 110079 A [0005]
JP 2010-98908 A [0084, 0085]
JP 2010-11079 A [0084]

Claims

Antriebssystem einer rotierenden elektrischen Maschine, aufweisend: eine rotierende elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor, die so angeordnet sind, dass sie einander zugewandt sind; eine Antriebseinheit, die die rotierende elektrische Maschine antreibt; und eine Steuereinheit, die die Antriebseinheit steuert, wobei der Stator einen Statorkern mit einer Mehrzahl von bezogen auf die Umfangsrichtung um eine Drehachse des Rotors voneinander beabstandeten Statornuten und mehrphasige Statorspulen aufweist, die in einer konzentrierten Wicklung durch die Statornuten um den Statorkern gewickelt sind, der Rotor einen Rotorkern mit einer Mehrzahl von bezogen auf die Umfangsrichtung um eine Drehachse des Rotors voneinander beabstandeten Rotornuten, Rotorspulen, die an mehreren Umfangsrichtungsabschnitten des Rotorkerns so gewickelt sind, dass sie zumindest zum Teil in den Rotornuten angeordnet sind, und eine Gleichrichtereinheit aufweist, die mit den Rotorspulen verbunden ist und die magnetische Eigenschaften der jeweiligen Rotorspulen zwischen den in Mehrzahl vorhandenen Rotorspulen in der Umfangsrichtung abwechselt, wobei der Rotor magnetische Eigenschaften von Magnetpolabschnitten, die an mehreren Umfangsrichtungsabschnitten angeordnet sind, in der Umfangsrichtung abwechselt, wobei die magnetischen Eigenschaften von Strömen erzeugt werden, die durch die jeweiligen Rotorspulen fließen, und die Steuereinheit eine Abwärtsimpuls-Überlagerungseinheit aufweist, die Abwärtsimpulsstrom für eine impulsförmige Abwärtswandlung über einen q-Achsen-Strombefehl legt, um Ströme so durch die Statorspulen zu schicken, dass sie magnetische Feldflüsse in Richtungen erzeugen, die um einen elektrischen Winkel von 90 Grad in Bezug auf die Magnetpolrichtungen, bei denen es sich um Wicklungsmittelachsenrichtungen der jeweiligen Rotorspulen handelt, vorverlegt sind.
Antriebssystem für eine rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei jede von den Rotorspulen mit einem von Gleichrichterelementen verbunden ist, die als die Gleichrichtereinheit dienen und deren Vorwärtsrichtungen zwischen bezogen auf die Umfangsrichtung des Rotors irgendwelchen zwei benachbarten Rotorspulen entgegengesetzt sind, und die Gleichrichterelemente Ströme gleichrichten, die von induzierten elektromotorischen Kräften erzeugt werden und die durch die Rotorspulen fließen sollen, um dadurch Phasen von Strömen, die durch bezogen auf die Umfangsrichtung des Rotors irgendwelche zwei benachbarte Rotorspulen fließen, zwischen einer A-Phase und einer B-Phase abzuwechseln.
Antriebssystem einer rotierenden elektrischen Maschine nach Anspruch 2, wobei die Gleichrichterelemente ein erstes Gleichrichterelement und ein zweites Gleichrichterelement sind, die jeweils mit den entsprechenden Rotorspulen verbunden sind, und das erste Gleichrichterelement und das zweite Gleichrichterelement unabhängig voneinander Ströme, die aufgrund der erzeugten induzierten elektromotorischen Kräfte erzeugt werden, so gleichrichten, dass die gleichgerichteten Ströme durch die entsprechenden Rotorspulen fließen, und die magnetischen Eigenschaften der Magnetpolabschnitte an mehreren Umfangsrichtungsabschnitten in der Umfangsrichtung abwechseln, wobei die magnetischen Eigenschaften von Strömen erzeugt werden, die durch die jeweiligen Rotorspulen fließen.
Antriebssystem einer rotierenden elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Rotorkern Schenkelpole aufweist, bei denen es sich um eine Mehrzahl von Magnetpolabschnitten handelt, die bezogen auf die Umfangsrichtung des Rotors in Abständen angeordnet sind und die zum Stator hin vorstehen, und die Schenkelpole magnetisiert werden, wenn Ströme, die von den Gleichrichtereinheiten gleichgerichtet werden, durch die Rotorspulen fließen, wodurch sie als Magnete fungieren, die feste Magnetpole aufweisen.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 3, wobei der Rotorkern Schenkelpole aufweist, bei denen es sich um die in Mehrzahl vorhandenen Magnetpolabschnitte handelt, die bezogen auf die Umfangsrichtung des Rotors mit Abständen angeordnet sind und die zum Stator hin vorstehen, und die Schenkelpole magnetisiert werden, wenn Ströme, die von den Gleichrichterelementen gleichgerichtet werden, durch die Rotorspulen fließen, wodurch sie als Magnete mit festen Magnetpolen fungieren, der Rotor ferner Hilfs-Rotorspulen aufweist, die an proximalen Abschnitten der jeweiligen Schenkelpole gewickelt sind, irgendwelche zwei von den Hilfs-Rotorspulen, die um bezogen auf die Umfangsrichtung des Rotors irgendwelche zwei benachbarte von den Schenkelpolen gewickelt sind, miteinander in Reihe verbunden sind, um einen Hilfsspulensatz zu bilden, und die einen Enden von irgendwelchen zwei benachbarten Rotorspulen, die bezogen auf die Umfangsrichtung des Rotors um irgendwelche zwei benachbarte von den Schenkelpolen gewickelt sind, an einem Verbindungspunkt über die jeweiligen entsprechenden Gleichrichterelemente so verbunden sind, dass die jeweiligen entsprechenden Gleichrichterelemente einander aus entgegengesetzten Richtungen zugewandt sind, die anderen Enden der irgendwelchen zwei benachbarten Rotorspulen, die um irgendwelche zwei bezogen auf die Umfangsrichtung benachbarte Rotorspulen gewickelt sind, jeweils mit einem Ende des Hilfsspulensatzes verbunden sind, und der Verbindungspunkt mit dem andern Ende des Hilfsspulensatzes verbunden ist.
Antriebssystem einer rotierenden elektrischen Maschine nach Anspruch 4 oder 5, wobei eine Umfangsrichtungsbreite von jedem Schenkelpol des Rotors kleiner ist als eine Breite, die einem elektrischen Winkel von 180° entspricht, und jede von den Rotorspulen in verkürzten Wickelschritten um einen entsprechenden von den Schenkelpolen gewickelt ist.
Antriebssystem einer rotierenden elektrischen Maschine nach Anspruch 6, wobei eine Breite von jeder Rotorspule in der Umfangsrichtung des Rotors einer Breite, die einem elektrischen Winkel von 90° entspricht, gleich ist.