DE112015000848T5

DE112015000848T5 - Rotierende elektrische Maschine

Info

Publication number: DE112015000848T5
Application number: DE112015000848.9T
Authority: DE
Inventors: Teiichirou Chiba; Yukihiko Sugimoto; Natsuki Watanabe
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2014-02-18
Filing date: 2015-02-17
Publication date: 2016-11-10
Also published as: CN105917558A; JP6336774B2; KR20160090361A; WO2015125773A1; JP2015154675A; US20160322888A1

Abstract

Eine rotierende elektrische Maschine enthält einen ringförmigen Stator (15), einen Rotor (14), der drehbar an einer Innenseite des Stators angeordnet ist, eine Vielzahl von Statorzähnen (51), die an dem Stator gleichmäßig voneinander beabstandet in einer Umfangsrichtung vorhanden sind, wobei die Statorzähne auf den Rotor zu vorstehen und jeweils mit einer Spule (52) umwickelt sind, sowie eine Vielzahl von Rotorzähnen (41), die an dem Rotor (14) in einer Umfangsrichtung gleichmäßig voneinander beabstandet vorhanden sind, wobei die Rotorzähne auf den Stator (15) zu vorstehen. Die Rotorzähne (41) weisen jeweils einen konvexen Zahnkörper (42) sowie vorstehende Abschnitte (43) auf, die von beiden Seiten eines Endes des Zahnkörpers (42) in der Umfangsrichtung vorstehen, und ein eingeschnürter Abschnitt (44), dessen minimale Umfangsbreite (WR2) kleiner ist als eine Umfangsbreite (WS1) eines Endes jedes der Statorzähne (51) an einem Zwischenabschnitt in einer Vorstehrichtung jedes der Rotorzähne (41) vorhanden ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine rotierende elektrische Maschine, insbesondere eine Verbesserung bei einem geschalteten Reluktanzmotor (im Folgenden als ”SR” abgekürzt), sowie einem Stromgenerator, der den gleichen Aufbau hat.
Technischer Hintergrund
Es ist ein SR-Motor vorgeschlagen worden, mit dem Vibrationen und Geräuschentwicklung reduziert werden sollen (siehe beispielsweise Patentdokument 1). Ein derartiger SR-Motor enthält einen Rotorzahn, der an einem Ende einen konvexen ersten Abschnitt, zweite Abschnitte, die sich an beiden Seiten des ersten Abschnitts in einer Umfangsrichtung befinden, Verlängerungen, die sich an beiden Seiten des zweiten Abschnitts in der Umfangsrichtung befinden, sowie einen Einschnürungsabschnitt aufweist, der durch einen Unterschnitt gebildet wird, der sich von jeder der Verlängerungen auf ein Fußende jedes der Rotorzähne zu erstreckt. Die Verlängerungen sind abgerundet, so dass sie durchgehend mit dem zweiten Abschnitt verbunden sind. Die Verlängerungen dienen dazu, die Breite des Endes der Rotorzähne gegenüber einer Breite eines Endes jedes der Statorzähne zu vergrößern. Des Weiteren hat der den Einschnürungsabschnitt bildende Unterschnitt eine leicht gekrümmte Form, um zu verhindern, dass es Unterbrechungen zwischen den Verlängerungen und dem Fußende der Rotorzähne gibt.
Liste der Anführungen
Patentdokument/e

Patentdokument 1 JP-A-11-262225

Zusammenfassung der Erfindung
Mit der Erfindung zu lösendes Problem/lösende Probleme
Die Verlängerungen, die an den Rotorzähnen des in Patentdokument 1 offenbarten SR-Motors vorhanden sind, sind abgerundet und schließen sich an das Fußende der Rotorzähne über den Einschnürungsabschnitt in Form des leicht gekrümmten Unterschnitts an. Dementsprechend variiert das Vermögen des Magnetflusses, durch die Rotorzähne hindurchzutreten, erheblich, so dass eine zeitliche Varianz einer zwischen den Rotorzähnen und den Statorzähnen während der Drehung des Rotors erzeugten Radialkraft erheblich ist. Dementsprechend wird eine Harmonische der Radialkraft größer, so dass es schwierig wird, die Vibrationen und Geräusche einzuschränken und damit die Vibrationen und Geräusche nicht ausreichend reduziert werden können.
Des Weiteren wird, da die Fähigkeit des Magnetflusses, durch die Rotorzähne hindurchzutreten, stark variiert und damit die erzeugte Radialkraft vergrößert wird, die Reduzierung der Vibrationen und Geräusche eingeschränkt.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine rotierende elektrische Maschine zu schaffen, mit der eine Erzeugung von Vibrationen und Geräuschen zuverlässig und ausreichend reduziert werden kann.
Mittel zum Lösen des Problems/der Probleme
Eine rotierende elektrische Maschine gemäß einem Aspekt der Erfindung enthält einen ringförmigen Stator, einen Rotor, der drehbar an einer Innenseite des Stators angeordnet ist, eine Vielzahl von Statorzähnen, die an dem Stator gleichmäßig voneinander beabstandet in einer Umfangsrichtung des Stators vorhanden sind, wobei die Statorzähne auf den Rotor zu vorstehen und jeweils mit einer Spule umwickelt sind, sowie eine Vielzahl von Rotorzähnen, die an dem Rotor in einer Umfangsrichtung des Rotors gleichmäßig voneinander beabstandet vorhanden sind, wobei die Rotorzähne auf den Stator zu vorstehen und die Rotorzähne jeweils einen konvexen Zahnkörper sowie vorstehende Abschnitte aufweisen, die von beiden Seiten eines Endes des Zahnkörpers in der Umfangsrichtung des Rotors vorstehen, und ein eingeschnürter Abschnitt, dessen minimale Umfangsbreite kleiner ist als eine Umfangsbreite eines Endes jedes der Statorzähne an einem Zwischenabschnitt in einer Vorstehrichtung jedes der Rotorzähne vorhanden ist.
Bei der rotierenden elektrischen Maschine gemäß dem oben dargestellten Aspekt der Erfindung ist vorzugsweise eine Kante an einem äußeren Umfangsrand eines Endes jedes der vorstehenden Abschnitte ausgebildet.
Bei der rotierenden elektrischen Maschine gemäß dem oben dargestellten Aspekt der Erfindung ist vorzugsweise eine Umfangsbreite eines Endes jeder der Rotorzähne mehr als 1,5-mal so groß wie die minimale Umfangsbreite des eingeschnürten Abschnitts.
Bei der rotierenden elektrischen Maschine gemäß dem oben dargestellten Aspekt der Erfindung ist vorzugsweise die minimale Umfangsbreite des eingeschnürten Abschnitts weniger als 0,75-mal so groß wie die Breite des Endes jedes der Statorzähne.
Bei der rotierenden elektrischen Maschine gemäß dem oben dargestellten Aspekt der Erfindung umfasst vorzugsweise jeder der Rotorzähne eine Bogenfläche, die sich durchgehend über das Ende des Zahnkörpers und den vorstehenden Abschnitt erstreckt, und ist ein Zwischenraum, der zwischen der Bogenfläche und einer an dem Ende jedes der Statorzähne ausgebildeten Bogenfläche ausgebildet ist, in Umfangsrichtung konstant.
Eine rotierende elektrische Maschine gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält einen ringförmigen Stator, einen Rotor, der drehbar an einer Innenseite des Stators angeordnet ist, eine Vielzahl von Statorzähnen, die an dem Stator gleichmäßig voneinander beabstandet in einer Umfangsrichtung vorhanden sind, wobei die Statorzähne auf den Rotor zu vorstehen und jeweils mit einer Spule umwickelt sind, sowie eine Vielzahl von Rotorzähnen, die an dem Rotor in einer Umfangsrichtung gleichmäßig voneinander beabstandet vorhanden sind, wobei die Rotorzähne auf den Stator zu vorstehen und die Rotorzähne jeweils einen konvexen Zahnkörper, vorstehende Abschnitte, die von beiden Seiten eines Endes des Zahnkörpers in der Umfangsrichtung des Rotors vorstehen, sowie eine Bogenfläche aufweisen, die sich durchgehend über das Ende des Zahnkörpers und die vorstehenden Abschnitte erstreckt, wobei ein Zwischenraum, der zwischen der Bogenfläche und einer an dem Ende jedes der Statorzähne ausgebildeten Bogenfläche ausgebildet ist, in Umfangsrichtung konstant ist, eine Kante an einem äußeren Umfangsrand eines Endes jedes der vorstehenden Abschnitte ausgebildet ist, ein eingeschnürter Abschnitt mit einer minimalen Umfangsbreite an einem Zwischenabschnitt in einer Vorstehrichtung jedes der Rotorzähne vorhanden ist, eine Umfangsbreite eines Endes jedes der Rotorzähne mehr als 1,5-mal so groß ist wie die minimale Umfangsbreite des eingeschnürten Abschnitts, und die minimale Umfangsbreite des eingeschnürten Abschnitts weniger als 0,75-mal so groß ist wie die Breite des Endes jedes der Statorzähne.
Gemäß den oben dargestellten Aspekten der Erfindung tritt, da jeder der Rotorzähne mit dem vorstehenden Abschnitt und dem eingeschnürten Abschnitt versehen ist, dessen Breite kleiner ist als die Breite der Statorzähne eine magnetische Sättigung darin ein und verhindert, dass der Magnetfluss von den Statorzähnen durch eine Innenseite jedes der Rotorzähne hindurchtritt, so dass der Maximalwert der erzeugten Radialkraft auf einem niedrigeren Niveau gehalten werden kann. Dementsprechend kann der Magnetfluss, der von den Statorzähnen zu den Rotorzähnen verläuft, an der Position für jeden der Rotorzähne so eingeschränkt werden, dass er den Statorzähnen genau entgegengesetzt ist, so dass die Vibrationen und Geräusche ausreichend verringert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung/en
1 ist eine Seitenansicht, die eine Baumaschine zeigt, an der eine rotierende elektrische Maschine gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung installiert ist.
2 ist eine Draufsicht, die einen Teil der Baumaschine zeigt.
3 ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht, die die rotierende elektrische Maschine zeigt.
4 ist eine Schnittansicht, die die rotierende elektrische Maschine zeigt.
5 ist eine Vorderansicht, die einen Rotor und einen Stator der rotierenden elektrischen Maschine zeigt.
6 ist eine vergrößerte Darstellung eines wichtigen Teils des Rotors und des Stators.
7 ist ein Diagramm, das einen Vorteil der beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht.
8 ist ein weiteres Diagramm, das einen weiteren Vorteil der beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht.
9 stellt eine Abwandlung der Erfindung dar.
Beschreibung der Ausführungsform/en
Eine/Mehrere beispielhafte Ausführungsform/en der Erfindung wird/werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1 ist eine Seitenansicht, die einen Hydraulikbagger 1 zeigt, an dem eine rotierende elektrische Maschine in Form eines Motorgenerators (power generator motor) 10 installiert ist, der Zähne hat, die gemäß der beispielhaften Ausführungsform aufgebaut sind. 2 ist eine Draufsicht, die einen Teil des Hydraulikbaggers 1 zeigt.
[Gesamtaufbau des Hydraulikbaggers]
Der Hydraulikbagger 1 ist eine sog. Hybrid-Baumaschine, die einen Verbrennungsmotor 6 sowie einen Motorgenerator 10 enthält, der von dem Verbrennungsmotor 6 angetrieben wird, um Strom zu erzeugen, wobei der Strom genutzt wird, um einen Oberwagen 3 und Antriebs-Zubehörteile des Hydraulikbaggers 1 anzutreiben.
Der Hydraulikbagger 1 enthält einen Unterwagen 2 sowie den Oberwagen 3, der schwenkbar an dem Unterwagen 2 angeordnet ist. Der Oberwagen 3 enthält Arbeitsausrüstung 4, eine Kabine 5, den Motor 6, eine Hydraulikpumpe 7, einen Wechselrichter 8, einen Kondensator 9 sowie den Motorgenerator 10. Der Motorgenerator 10 und der Wechselrichter 8 sind über ein Stromkabel CA1 elektrisch verbunden. Der Wechselrichter 8 und der Kondensator 9 sind ebenfalls elektrisch verbunden.
Der Oberwagen 3 wird von einem rotierenden Elektromotor 3A angetrieben, der mit elektrischer Energie von dem Motorgenerator 10 und/oder dem Kondensator 9 betätigt wird. Der rotierende Elektromotor 3A und der Wechselrichter 8 sind über ein Stromkabel CA2 elektrisch verbunden. Der rotierende Elektromotor 3A erzeugt Strom entsprechend einem regenerativen Vorgang beim Abbremsen des Oberwagens 3. Die so gewonnene elektrische Energie wird über den Wechselrichter 8 in dem Kondensator 9 akkumuliert.
Ein Außenring OL eines Drehkranzes SC ist an dem Oberwagen 3 befestigt. Ein Innenring IL des Drehkranzes SC ist an dem Unterwagen 2 befestigt. Der so aufgebaute Drehkranz SC verbindet den Oberwagen 3 und den Unterwagen 2. Eine Eingangs/Ausgangs-Welle des rotierenden Elektromotors 3A ist mit einem Drehritzel SP über ein Drehwerk verbunden, das einen Abbremsmechanismus einschließt. Das Drehritzel SP ist mit Innenzähnen in Eingriff, die an dem Innenring IL des Drehkranzes SC ausgebildet sind.
Die Antriebskraft des rotierenden Elektromotors 3A wird über das Drehwerk auf das Drehritzel SP übertragen, um den Oberwagen 3 zu schwenken. Bei der beispielhaften Ausführungsform ist der rotierende Elektromotor 3A vertikal angeordnet (d. h. so, dass, wenn der Hybrid-Hydraulikbagger 1 auf einer horizontalen Fläche positioniert ist, die Eingangs/Ausgangs-Welle des rotierenden Elektromotors 3A in einer Richtung ausgerichtet ist, in der die Schwerkraft wirkt).
Die Arbeitsausrüstung 4 schließt einen Ausleger 4A, einen Stiel 4B und einen Löffel 4C ein. Der Ausleger 4A, der Stiel 4B und der Löffel 4C werden jeweils von einem Hydraulikzylinder für den Ausleger 4A, einem Hydraulikzylinder für den Stiel 4B sowie einem Hydraulikzylinder für den Löffel 4C angetrieben, die mit Hydrauliköl betätigt werden, das von der in 2 gezeigten Hydraulikpumpe 7 gepumpt wird, um verschiedene Vorgänge (z. B. Aushub) durchzuführen.
[Aufbau von Motorgenerator]
3 ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht des Motorgenerators 10 gemäß der beispielhaften Ausführungsform. 4 ist ein Querschnitt durch den Motorgenerator 10. Das heißt, 4 zeigt einen Querschnitt durch den Motorgenerator 10, geschnitten in einer Ebene, die eine Dreh-Mittelachse Z eines Rotors 14 des Motorgenerators 10 einschließt und parallel zu der Dreh-Mittelachse Z ist.
Der Motorgenerator 10 weist eine Rotorwelle 14A auf, die direkt oder indirekt mit einer Ausgangswelle des Verbrennungsmotors 6 und einer Eingangswelle der Hydraulikpumpe 7 verbunden ist. Der Motorgenerator 10 erzeugt Strom unter Verwendung einer Dreh-Antriebskraft der Ausgangswelle des Verbrennungsmotors 6. Wenn beispielsweise die Drehzahl des Verbrennungsmotors 6 erhöht werden soll, wird der Motorgenerator 10 wie erforderlich, als ein Motor eingesetzt, der die in dem Kondensator 9 akkumulierte elektrische Energie nutzt, um die Drehung des Verbrennungsmotors 6 zu unterstützen. Des Weiteren erzeugt der Motorgenerator 10, wenn beispielsweise der Verbrennungsmotor 6 leerläuft, Strom unter Verwendung der Dreh-Antriebskraft des Verbrennungsmotors 6, und die so erzeugte elektrische Energie wird in dem Kondensator 9 akkumuliert.
Der Motorgenerator 10 der beispielhaften Ausführungsform ist als ein Dreiphasen-SR-Motor ausgeführt und enthält beispielsweise ein erstes Gehäuse 11 in der Nähe des Verbrennungsmotors 6, ein Schwungrad 12, eine Kupplung 13, den Rotor 14 einen Stator 15, ein zweites Gehäuse 16 in der Nähe der Hydraulikpumpe 7 sowie einen Flansch 17.
Das erste Gehäuse 11 ist eine aus Gusseisen bestehende Komponente, die mit dem zweiten Gehäuse 16 verbunden ist und in der ein Raum zum Aufnehmen des Rotors 14 des Stators 15 und dergleichen ausgebildet ist. Ein Ölbehälter 21 zum Sammeln von Kühlöl, mit dem die Rotorwelle 14A und das Lager 18 gekühlt werden und ein wärmeerzeugendes Element des Stators 15 oder mehrere davon (z. B. eine Spule 52) gekühlt werden, ist an der unteren Seite des Aufnahmeraums ausgebildet. Die Struktur zum Kühlen des Stators 15 wird weiter unten beschrieben.
Das Schwungrad 12 ist an der Ausgangswelle des Verbrennungsmotors 6 in dem durch das erste und das zweite Gehäuse 11, 16 gebildeten Aufnahmeraum befestigt. Das Schwungrad 12 ist mit dem Rotor 14 über die Kupplung 13 verbunden und wird im Inneren des ersten und des zweiten Gehäuses 11, 16 gedreht.
Die Kupplung 13 ist eine im Wesentlichen ringförmige Komponente, die an dem Schwungrad 12 angeschraubt ist. Die Kupplung 13 enthält ein Innen-Keilprofil, das an einer Innenumfangsfläche derselben ausgebildet und mit einem Außen-Keilprofil in Eingriff ist, das an einer Außenumfangsfläche eines Teils der Rotorwelle 14A in der Nähe des Motors ausgebildet ist, so dass eine Keilkupplung gebildet wird. So sind der mit dem Schwungrad 12 versehene Rotor 14, die Kupplung 13 und die Rotorwelle 14A so eingerichtet, dass sie zusammen gedreht und von dem Verbrennungsmotor 6 angetrieben werden.
Der Rotor 14 ist in einem Raum in der Nähe einer Innenumfangsfläche des Stators 15 im Inneren des durch das erste und das zweite Gehäuse 11, 16 gebildeten Raums angeordnet. Ein Lagerungsraum 146, in dem die Rotorwelle 14A angeschraubt ist, ist in der Mitte des Rotors 14 ausgebildet. Eine zylindrische Lagerung 17A, die sich in der Mitte des Flansches 17 befindet, tritt in den Lagerungsraum 14B ein. Die Lager 18, 18 sind zwischen der Innenumfangsfläche, die den Lagerungsraum 14B bildet, und der Außenumfangsfläche der Lagerung 17A angeordnet, so dass der Rotor um die Lagerung 17A des Flansches 17 herum drehbar gelagert ist.
Des Weiteren ist ein Teil der Rotorwelle 14A des Rotors 14 in der Nähe der Hydraulikpumpe 7 in die Lagerung 17A des Flansches 17 eingeführt. Ein Innen-Keilprofil ist an der Innenumfangsfläche des Teils der Rotorwelle 14A des Rotors 14 ausgebildet, der in die Lagerung 17A eingeführt ist. Das Innen-Keilprofil und das Außen-Keilprofil, die an der Eingangswelle der Hydraulikpumpe 7 vorhanden sind, sind über Keilkupplung verbunden. So wird die Hydraulikpumpe 7 von dem Verbrennungsmotor 6 über den Rotor 14 angetrieben.
Der Stator 15 ist in dem durch das erste und das zweite Gehäuse 11, 16 gebildeten Raum angeordnet. Der Stator 15 ist unter Verwendung einer Vielzahl von Schrauben 26 (wobei in 3 nur eine der Schrauben 26 dargestellt ist), die durch einen Rotor-Kern 40 von einer Seite in der Nähe des Verbrennungsmotors 6 hindurchtreten, an dem zweiten Gehäuse 16 angeschraubt.
Das zweite Gehäuse 16 ist eine aus Gußeisen bestehende Komponente. Das zweite Gehäuse 16 befindet sich an einer Seite des Motorgenerators 10 in der Nähe der Hydraulikpumpe 7 (rechte Seite in 4). Das zweite Gehäuse 16 ist an dem ersten Gehäuse 11 angeschraubt. Das zweite Gehäuse 16 und das angeschraubte erste Gehäuse 11 bilden den Aufnahmeraum zum Aufnehmen des Schwungrades 12, der Kupplung 13 des Rotors 14 und des Stators 15 und auch eine äußere Hülle des Motorgenerators 10.
Ein Elektronikgehäuse 19, das einen Innenraum einschließt, der in Verbindung mit dem Aufnahmeraum steht, ist an einer Schulter des zweiten Gehäuses 16 angebracht. Ein Anschluss zur Verdrahtung einer Zuleitung von der Spule 52 ist in dem Innenraum des Elektronikgehäuses 19 angeordnet. Der Anschluss ist mit einem Verbinder des Stromkabels CA1 (2) verbunden, der an dem Elektronikgehäuse 19 befestigt ist. Das heißt, die von dem Motorgenerator 10 erzeugte elektrische Energie wird über das Elektronikgehäuse 19 und das Stromkabel CA1 zu dem Wechselrichter 8 übertragen.
Der Flansch 17 ist eine Komponente, mit der der durch das erste und das zweite Gehäuse 11, 16 gebildete Aufnahmeraum nahe an dem zweiten Gehäuse 16 verschlossen wird. Der Flansch 17 ist von der Seite nahe an der Hydraulikpumpe 7 her an dem zweiten Gehäuse 16 angeschraubt. Ein Einführloch 17B, das koaxial zu der Lagerung 17A ist, befindet sich in der Mitte des Flansches 17. Die Eingangswelle der Hydraulikpumpe 7, die in das Einführloch 17B eingeführt ist, ist, wie oben beschrieben, in Keilkupplung mit der Rotorwelle 14A des Rotors 14 verbunden.
[Mechanismus zum Kühlen des Motorgenerators]
Das zweite Gehäuse 16 ist, wie in 4 gezeigt, mit einem Kühlmittel-Einleitkanal 31 zum Einleiten eines Kühlmittels (z. B. Öl) versehen, wobei der Kühlmittel-Einleitkanal 31 zu der Dreh-Mittelachse Z hin verläuft. Ein unteres Ende des Kühlmittel-Einleitkanals 31 ist zu dem Flansch 17 hin in der Nähe einer Kontaktfläche des zweiten Gehäuses 16 mit dem Flansch 17 offen. Der Flansch 17 ist mit einem vertikalen Kühlmittel-Verbindungskanal 32 versehen, dessen oberes Ende in Verbindung mit dem unteren Ende des Kühlmittel-Einleitkanals 31 steht und dessen unteres Ende zu einem Ende des an der Rotorwelle 14A ausgebildeten Innen-Keilprofils offen ist. Des Weiteren ist der Flansch 17 mit einem Kühlmittel-Abzweigkanal 33 versehen, der von einem Zwischenabschnitt des Kühlmittel-Verbindungskanals 32 abzweigt, in einer horizontalen Richtung verläuft und sich an einem Teil oberhalb der Lagerung 17A öffnet. Die Lagerung 17A ist mit einer Vielzahl in Umfangsrichtung angeordneter radialer Verbindungslöcher 17C versehen.
Ein Teil des dem Kühlmittel-Einleitkanal 31 des zweiten Gehäuses 16 zugeführten Kühlmittels gelangt über den Kühlmittel-Verbindungskanal 32 in dem Flansch 17 nach unten. Ein Teil des nach unten gelangten Kühlmittels strömt über einen Zwischenraum zwischen dem Flansch 17 und der Rotorwelle 14A in einen Raum zwischen der Lagerung 17A und der Rotorwelle 14A. Ein weiterer Teil des über den Kühlmittel-Verbindungskanal 32 nach unten gelangten Kühlmittels strömt durch den in Keilkupplung verbundenen Abschnitt der Rotorwelle 14A und der Eingangswelle der Hydraulikpumpe 7 (2) in den Innenraum der Rotorwelle 14A.
Das in den Raum zwischen der Lagerung 17A und der Rotorwelle 14A eingeströmte Kühlmittel wird durch eine Zentrifugalkraft, die verursacht wird, wenn der Rotor 14 gedreht wird, zu der Innenfläche der Lagerung 17A geleitet und wird dem Lager 18 über die Verbindungslöcher 17C der Lagerung 17 zugeführt, um das Lager 18 zu kühlen und zu schmieren. Das Kühlmittel, das das Lager 18 gekühlt hat, wird durch die Zentrifugalkraft weiter nach außen geleitet, und der Großteil des Kühlmittels gelangt an einen ersten Flügel 34 eines J-förmigen Querschnitts, der sich an der Außenumfangsfläche des Rotors 14 befindet. Das Kühlmittel, das den ersten Flügel 34 erreicht hat, wird über ein Ableitloch 34A, das in dem ersten Flügel 34 vorhanden ist, aufgrund der Zentrifugalkraft abgeleitet und wird einem Zwischenraum zwischen einem Spulenende der Spule 52 und dem zweiten Gehäuse 16 zugeführt, so dass das Spulenende der Spule 52, das dem zweiten Gehäuse 16 zugewandt ist, effizient gekühlt wird.
Im Unterschied dazu strömt das Kühlmittel, das in den Innenraum der Rotorwelle 14A eintritt, aus dem in Keilkupplung verbundenen Abschnitt der Rotorwelle 14A und der Ausgangswelle des Verbrennungsmotors 6 (2) aus und strömt anschließend zu der Außenumfangsfläche der Kupplung 13 über den in Keilkupplung verbundenen Abschnitt der Rotorwelle 14A und der Kupplung 13 zu der Außenumfangsfläche der Kupplung 13 aus. Das ausgeströmte Kühlmittel wird durch die Zentrifugalkraft nach außen geleitet, und der Großteil des Kühlmittels gelangt zu einem zweiten Flügel 35, der an der Außenumfangsfläche des Rotors 14 vorhanden ist. Das Kühlmittel, das den zweiten Flügel 35 erreicht hat, wird aufgrund der Zentrifugalkraft über ein Ableitloch 35A abgeleitet, das in dem zweiten Flügel 35 vorhanden ist, so dass das dem ersten Gehäuse 11 zugewandte Spulenende der Spule 52 effizient gekühlt wird.
Weiterhin strömt das dem Kühlmittel-Einleitkanal 31 zugeführte und zu dem Kühlmittel-Abzweigkanal 33 geströmte Kühlmittel zu dem oberen Teil der Lagerung 17A aus. Das ausgeströmte Kühlmittel verteilt sich um die Lagerung 17A herum und wird anschließend durch die Zentrifugalkraft nach außen geleitet und gelangt zu dem ersten Flügel 34. Das Kühlmittel, das den ersten Flügel 34 erreicht hat, wird, wie oben beschrieben, durch die Zentrifugalkraft über das Ableitloch 34A abgeleitet und kühlt das Spulenende.
Das Kühlmittel, das das Spulenende gekühlt hat, gelangt über den Innenraum des ersten und des zweiten Gehäuses 11, 16 nach unten und wird in dem Ölbehälter 21 gesammelt, von wo aus das Kühlmittel einem in 3 gezeigten Ölkühler-Einlass 23 über einen Ableitkanal 22, einen nicht dargestellten Filter sowie eine nicht dargestellte Pumpe zugeleitet wird. Das durch den Ölkühler gekühlte Kühlmittel wird von dem Ölkühler-Auslass 24 über ein Rohr 25 erneut dem oberen Teil des Kühlmittel-Einleitkanals 31 zugeführt.
[Aufbau von Stator und Rotor]
5 ist eine Vorderansicht, die den Rotor 14 und den Stator 15 des Motorgenerators 10 zeigt. 6 ist eine vergrößerte Darstellung eines wichtigen Teils des Rotors 14 und des Stators 15.
Der Rotor 14 schließt, wie in 5 gezeigt, den ringförmigen Rotorkern 40 ein. Der Rotorkern 40 ist eine Komponente, die eine Vielzahl geschichteter elektromagnetischer Stahlplatten enthält. Jede der elektromagnetischen Stahlplatten hat die gleiche Form. Daher sind die Querschnitte des Rotorkerns 40 in Ebenen im rechten Winkel zu der Dreh-Mittelachse Z des Rotors 14 an jeder beliebigen Position gleich. Der Rotorkern 40 ist mit einer Vielzahl von Rotorzähnen 41 versehen, die auf den Stator 15 zu vorstehen. Die Rotorzähne 41 sind in gleichmäßigen Abständen einheitlich in der Umfangsrichtung an dem Rotorkern 40 voneinander beabstandet. Bei der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform enthält der Rotorkern 40, um den Rotor 14 mit vierundzwanzig Polen zu versehen, insgesamt vierundzwanzig Rotorzähne 41. Jeder der Rotorzähne 41 ist in Bezug auf eine Mittellinie die in einer radialen Richtung des Rotors 40 verläuft, achsensymmetrisch geformt.
Der Stator 15 schließt einen ringförmigen Statorkern 50 ein. Der Statorkern 50 ist eine Komponente, die eine Vielzahl geschichteter elektromagnetischer Stahlplatten enthält. Jede der elektromagnetischen Stahlplatten hat die gleiche Form. Daher sind die Querschnitte des Statorkerns 50 in Ebenen im rechten Winkel zu der Dreh-Mittelachse Z des Rotors 14 an jeder beliebigen Position gleich. Der Statorkern 50 ist mit einer Vielzahl von Statorzähnen 51 versehen, die auf den Rotor 14 zu vorstehen. Die Statorzähne 51 sind in gleichmäßigen Abständen einheitlich in der Umfangsrichtung an dem Statorkern 50 voneinander beabstandet. Die Spule 52 ist in einer konzentrierten Windung um jeden der Statorzähne 51 herum gewickelt. In der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform enthält der Stator 50, um den Stator 15 mit sechsunddreißig Polen zu versehen, insgesamt sechsunddreißig Statorzähne 51. Ein Schlitz 53 wird durch einen Raum zwischen benachbarten der Statorzähne 51 gebildet. Jeder der Statorzähne 51 ist ebenfalls in Bezug auf eine Mittellinie, die in einer radialen Richtung des Stators 50 verläuft, achsensymmetrisch geformt.
Jeder der Rotorzähne 41 steht, wie in 6 vergrößert dargestellt, von einer Außenfläche 40A eines Rotorjochs aus vor und enthält einen konvexen Zahnkörper 42 sowie vorstehende Abschnitte 43, 43, die in Umfangsrichtung von beiden Seiten eines Endes des Zahnkörpers 42 aus vorstehen. Eine Kante 43A ist an einem äußeren Umfangsrand eines Endes jedes der vorstehenden Abschnitte 43 ausgebildet. Die Kante 43 schwächt die Änderung der Radialkraft zwischen den Rotorzähnen 41 und den Statorzähnen 51 ab, so dass die Erzeugung von Harmonischen eingeschränkt werden kann und Vibrationen sowie Geräusche weiter verringert werden können. Ein eingeschnürter Abschnitt 44, der eine minimale Umfangsbreite WR2 hat, die kleiner ist als eine Umfangsbreite WS1 eines Endes jedes der Statorzähne 51 befindet sich an einem Zwischenabschnitt in der Vorstehrichtung jedes der Rotorzähne 41. Der ”Zwischenabschnitt in der Vorstehrichtung” ist ein Teil zwischen einem Anstiegsabschnitt in Bezug auf die Außenfläche 40A des Rotorjochs und einem Basisabschnitt des in Umfangsrichtung vorstehenden Abschnitts 43.
Das heißt, jeder der Rotorzähne 41 steht sich verjüngend von dem Rotorkern 40 vor und wird in der Umfangsrichtung von einem Mittelteil zu einem Ende desselben hin größer. Der eingeschnürte Abschnitt 44 ist als ein Übergangspunkt von dem sich verjüngenden Abschnitt zu dem vergrößerten Abschnitt des Zahnkörpers 42 ausgebildet. Der vorstehende Abschnitt 43 wird durch den in Umfangsrichtung vergrößerten Abschnitt an dem Ende in der Vorstehrichtung gebildet. Jeder der Rotorzähne 41 schließt eine Bogenfläche 45 ein, die sich durchgehend über das Ende des Zahnkörpers 42 und den vorstehenden Abschnitt 43 erstreckt.
Das heißt, das Ende jedes der Statorzähne 51 und das Ende jedes der Rotorzähne 41, das dem Ende jedes der Statorzähne 51 angrenzend zugewandt ist, sind als die Bogenflächen 45, 55 ausgebildet, die sich in der Umfangsrichtung erstrecken. Die Kante 43A ist die äußere Kante, die an beiden Umfangsseiten der Bogenfläche 45 jedes der Rotorzähne 41 vorhanden ist. Ein Zwischenraum G zwischen der Bogenfläche 45 an dem Ende jedes der Statorzähne 51 und der Bogenfläche 45 an dem Ende jedes der Rotorzähne 41 ist über den Umfang gleich groß. Dementsprechend kann die Änderung der Radialkraft zwischen den Rotorzähnen 41 und den Statorzähnen 51 weiter zuverlässig abgeschwächt werden, so dass die Erzeugung von Harmonischen eingeschränkt werden kann und Vibrationen sowie Geräusche weiter reduziert werden können.
Eine Umfangsbreite WR1 des Endes jedes der Rotorzähne 41 ist mehr als 1,5-mal so groß wie die minimale Umfangsbreite WR2 des eingeschnürten Abschnitts 44. Des Weiteren ist die minimale Umfangsbreite WR2 des eingeschnürten Abschnitts 44 weniger als 0,75-mal so groß wie die Breite WS1 des Endes jedes der Statorzähne 51. Die Umfangsbreite WR2 ist am besten ungefähr 1,25-mal so groß wie die Breite WS1. Ein Winkel θ, der durch die Bogenfläche 45 jedes der Rotorzähne 41 und eine geneigte Fläche 46 gebildet wird, die sich von dem eingeschnürten Abschnitt 44 zu dem vorstehenden Abschnitt 43 erstreckt, beträgt ungefähr 45°. Ein Verhältnis (WS1:WS2) der Breite WS1 an dem Ende jedes der Statorzähne 51 zu einer Öffnungsbreite WS2 des Schlitzes 53 (5) beträgt 4:6.
[Kennlinien und Vorteil]
7 zeigt Kennlinien des Stillstandsmoments (static torque) des Motorgenerators 10. Die Kennlinie des Stillstandsmoments des Motorgenerators 10 der beispielhaften Ausführungsform ist mit einer durchgehenden Linie dargestellt, während die Kennlinie des Stillstandsmomentes des üblichen Motorgenerators 10 der verwandten Technik mit einer unterbrochenen Linie dargestellt ist. Die Kennlinie des Stillstandsmoments ist eine Kennlinie, die sich ergibt, wenn ein Drehmoment gemessen wird, das zum Drehen des Rotors 14 in einem Magnetfeld erforderlich ist, das erzeugt wird, wenn ein Gleichstrom der Spule 52 für eine Phase des Stators 15 zugeführt wird. Die Abszissenachse in 7 repräsentiert den elektrischen Winkel (edeg (°)), und die Ordinatenachse repräsentiert ein Drehmoment (Nm).
Bei dem elektrischen Winkel von 180° ist einer der Statorzähne 51 zwischen einem angrenzenden Paar der Rotorzähne 41 positioniert (d. h. an einer nicht zugewandten Position, an der einer der Rotorzähne 41 nicht dem einen der Statorzähne 51 zugewandt ist). Bei dem Motorgenerator 10 der beispielhaften Ausführungsform nähert sich, wenn der Rotor 14 sich von der nicht zugewandten Position aus weiter bewegt, die Kante 43a des vorstehenden Abschnitts 43 den Statorzähnen 41 schneller als die des üblichen Motorgenerators, so dass die Erzeugung des Drehmoments in einer frühen Phase unmittelbar nach Beginn der Vorwärtsbewegung anfängt, das Maximum um 230° herum erreicht und bis ungefähr 280° anhält.
Die oben dargestellte Kennlinie kann auf das Vorhandensein des vorstehenden Abschnitts 43 an den Rotorzähnen 41 zurückgeführt werden. Dementsprechend kann, da der Motorgenerator 10 beginnt, ein vorgegebenes Drehmoment an einer Position in der Nähe der nicht zugewandten Position zu erzeugen, ein ausreichendes Drehmoment ohne Anlegen des Stroms erzielt werden, bis die Rotorzähne 41 den Statorzähnen 51 zugewandt sind, so dass die zwischen den Rotorzähnen 41 und den Statorzähnen 51 erzeugte Radialkraft und sich daraus ergebende Schwingungen und Geräusche reduziert werden können.
8 stellt die Radialkraft zwischen den Rotorzähnen 41 und den Statorzähnen 51 dar, die sich in Abhängigkeit von dem elektrischen Winkel ändert. Die Radialkraft des Motorgenerators 10 der beispielhaften Ausführungsform ist mit einer durchgehenden Linie dargestellt, während die Radialkraft des üblichen Motorgenerators der verwandten Technik mit einer unterbrochenen Linie dargestellt ist. Die Radialkraft ist ein Wert, der auf Basis magnetischer Feldlinien (Verkettungs-Magnetfluss) ermittelt wird, die durch die Rotorzähne 41 und die Statorzähne 51 hindurchtreten, wenn der Spule 52 für eine Phase des Stators 15 ein Gleichstrom zugeführt wird. Die Abszissenachse in 8 repräsentiert den elektrischen Winkel (edeg (°)), und die Ordinatenachse repräsentiert die Radialkraft (N).
In der beispielhaften Ausführungsform wird, da der eingeschnürte Abschnitt 44, der die am besten geeignete minimale Breite WR2 hat, an jedem der Rotorzähne 41 vorhanden ist, eine magnetische Sättigung an dem eingeschnürten Abschnitt 44 erreicht, so dass die Radialkraft eingeschränkt wird. Dadurch wird die maximale Radialkraft (der Maximalwert der Radialkraft), wie in 8 dargestellt, abgeflacht, so dass die Radialkraft gegenüber einem Fall, in dem es schwierig ist, die maximale magnetische Sättigung zu erzeugen, zuverlässig reduziert werden kann und damit die Geräusche effizient reduziert werden können. Des Weiteren kann, da die maximale Radialkraft für die eine Phase verringert wird, wenn der Motorgenerator 10 in drei Phasen angetrieben wird, die Verringerung der Radialkraft zwischen jeder der Phasen erheblich eingeschränkt werden, so dass die Vibration erheblich eingeschränkt werden kann.
Des Weiteren beginnt verglichen mit einem Fall, in dem der vorstehende Abschnitt 43 nicht an jedem der Rotorzähne 41 vorhanden ist, die Erzeugung der Radialkraft aufgrund des Vorhandenseins des vorstehenden Abschnitts 43 in einer früheren Phase, so dass die zeitliche Änderung der Radialkraft verringert werden kann und die harmonische Komponente der Radialkraft eingeschränkt werden kann. Weiterhin kann, da die Kante 43A an dem äußeren Rand des vorstehenden Abschnitts 43 vorhanden ist, die Änderung der Radialkraft abgeschwächt werden, so dass die Harmonische auch aus diesem Grund verringert werden kann. Dementsprechend lassen sich in Verbindung mit dem Effekt des eingeschnürten Abschnitts 44 die Vibrationen und Geräusche zuverlässig reduzieren.
Insbesondere tritt, da die Beziehungen zwischen der Umfangsbreite WR1 des Endes jedes der Rotorzähne 41, der minimalen Umfangsbreite WR2 des eingeschnürten Abschnitts 44 und der Breite WS1 des Endes jedes der Statorzähne 51 entsprechend festgelegt sind, der oben dargestellte vorteilhafte Effekt besonders deutlich zutage.
Es sollte klar sein, dass der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht auf die oben beschriebenen beispielhafte/n Ausführungsform/en beschränkt ist, sondern Abwandlungen und Verbesserungen einschließt, sofern die Abwandlungen und Verbesserungen mit der Erfindung vereinbar sind.
Beispielsweise kann, obwohl die Endfläche jedes der Rotorzähne 41 als die einfache Bogenfläche 45 ausgebildet ist, eine Vertiefung 47, die in Bezug auf die Bogenfläche 45 um eine vorgegebene Tiefe eingelassen ist, an dem Ende jedes der Rotorzähne 41 vorhanden sein, wie dies in 9 dargestellt ist. Da durch das Vorhandensein der Vertiefung 47 der magnetische Widerstand erhöht wird, können die Radialkraft und damit die Vibrationen sowie Geräusche weiter verringert werden.
Die Beziehungen zwischen den Breiten WR1, WR2, WS1 und WS2 der Rotorzähne 41 und der Statorzähne 51 sind in der oben dargestellten beispielhaften Ausführungsform definiert. Jedoch liegt, selbst wenn die Breiten in einem Bereich definiert sind, der außerhalb der oben dargestellten Beziehungen liegt, auch eine derartige Anordnung innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung, sofern sie vereinbar mit einer Aufgabe der Erfindung ist. Das heißt, selbst wenn die Breite WR1 des Endes jedes der Rotorzähne 41 einschließlich des vorstehenden Abschnitts 43 kleiner ist als die Breite WS1 des Endes jedes der Statorzähne 51, liegt auch eine derartige Anordnung innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung, sofern jeder der Rotorzähne 41 den vorstehenden Abschnitt 43 einschließt, der mit der Kante 43A und dem eingeschnürten Abschnitt 44 der Erfindung versehen ist.
Obwohl der Zwischenraum G zwischen jedem der Rotorzähne 41 und jedem der Statorzähne 51 über den gesamten Umfang konstant bleibt, kann die Größe des Zwischenraums G zu beiden Seiten in der Umfangsrichtung hin allmählich zunehmen, wie dies in Patentdokument 1 offenbart ist, das in dem Abschnitt ”Technischer Hintergrund” erwähnt wird.
Obwohl der eingeschnürte Abschnitt 44, der die minimale Breite WR2 jedes der Rotorzähne 41 hat, an einer Position vorhanden ist, an der der Zahnkörper 41 und die geneigte Fläche 46 des vorstehenden Abschnitts 43 einander schneiden, kann der eingeschnürte Abschnitt 44 als Alternative dazu an einer Innenseite des Schnittpunkts (d. h. in der Nähe der Dreh-Mittelachse Z) vorhanden sein.
Industrielle Einsatzmöglichkeiten
Die Erfindung kann bei einem Hybrid-Kraftfahrzeug, einem Elektrofahrzeug und einer elektrischen Baumaschine sowie einer Hybrid-Baumaschine eingesetzt werden.
Erläuterung von Bezugszeichen

10... Motorgenerator (rotierende elektrische Maschine), 14... Rotor, 15... Stator, 41... Rotorzähne, 42... Zahnkörper, 43... vorstehender Abschnitt, 43A... Kante, 44... eingeschnürter Abschnitt, 45... Bogenfläche, 51... Statorzähne, 52... Spule, G... Zwischenraum, Z... Dreh-Mittelachse, WR2... minimale Breite

Claims

Rotierende elektrische Maschine, die umfasst: einen ringförmigen Stator; einen Rotor, der drehbar an einer Innenseite des Stators angeordnet ist; eine Vielzahl von Statorzähnen, die an dem Stator gleichmäßig voneinander beabstandet in einer Umfangsrichtung des Stators vorhanden sind, wobei die Statorzähne auf den Rotor zu vorstehen und jeweils mit einer Spule umwickelt sind; sowie eine Vielzahl von Rotorzähnen, die an dem Rotor in einer Umfangsrichtung des Rotors gleichmäßig voneinander beabstandet vorhanden sind, wobei die Rotorzähne auf den Stator zu vorstehen und die Rotorzähne jeweils einen konvexen Zahnkörper sowie vorstehende Abschnitte aufweisen, die von beiden Seiten eines Endes des Zahnkörpers in der Umfangsrichtung des Rotors vorstehen, und ein eingeschnürter Abschnitt, dessen minimale Umfangsbreite kleiner ist als eine Umfangsbreite eines Endes jedes der Statorzähne an einem Zwischenabschnitt in einer Vorstehrichtung jedes der Rotorzähne vorhanden ist.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei eine Kante an einem äußeren Umfangsrand eines Endes jedes der vorstehenden Abschnitte ausgebildet ist.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Umfangsbreite eines Endes jedes der Rotorzähne mehr als 1,5-mal so groß ist wie die minimale Umfangsbreite des eingeschnürten Abschnitts.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die minimale Umfangsbreite des eingeschnürten Abschnitts weniger als 0,75-mal so groß ist wie die Breite des Endes jedes der Statorzähne.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei jeder der Rotorzähne eine Bogenfläche umfasst, die sich durchgehend über das Ende des Zahnkörpers und den vorstehenden Abschnitt erstreckt, und ein Zwischenraum, der zwischen der Bogenfläche und einer an dem Ende jedes der Statorzähne ausgebildeten Bogenfläche ausgebildet ist, in Umfangsrichtung konstant ist.
Rotierende elektrische Maschine, die umfasst: einen ringförmigen Stator; einen Rotor, der drehbar an einer Innenseite des Stators angeordnet ist; eine Vielzahl von Statorzähnen, die an dem Stator gleichmäßig voneinander beabstandet in einer Umfangsrichtung vorhanden sind, wobei die Statorzähne auf den Rotor zu vorstehen und jeweils mit einer Spule umwickelt sind; sowie eine Vielzahl von Rotorzähnen, die an dem Rotor in einer Umfangsrichtung gleichmäßig voneinander beabstandet vorhanden sind, wobei die Rotorzähne auf den Stator zu vorstehen und die Rotorzähne jeweils einen konvexen Zahnkörper, vorstehende Abschnitte, die von beiden Seiten eines Endes des Zahnkörpers in der Umfangsrichtung des Rotors vorstehen, sowie eine Bogenfläche aufweisen, die sich durchgehend über das Ende des Zahnkörpers und die vorstehenden Abschnitte erstreckt, ein Zwischenraum, der zwischen der Bogenfläche und einer an dem Ende jedes der Statorzähne ausgebildeten Bogenfläche ausgebildet ist, in Umfangsrichtung konstant ist, eine Kante an einem äußeren Umfangsrand eines Endes jedes der vorstehenden Abschnitte ausgebildet ist, ein eingeschnürter Abschnitt mit einer minimalen Umfangsbreite an einem Zwischenabschnitt in einer Vorstehrichtung jedes der Rotorzähne vorhanden ist, eine Umfangsbreite eines Endes jedes der Rotorzähne mehr als 1,5-mal so groß ist wie die minimale Umfangsbreite des eingeschnürten Abschnitts, und die minimale Umfangsbreite des eingeschnürten Abschnitts weniger als 0,75-mal so groß ist wie die Breite des Endes jedes der Statorzähne.