DE112018002692T5

DE112018002692T5 - Rotierende elektrische maschine

Info

Publication number: DE112018002692T5
Application number: DE112018002692.2T
Authority: DE
Inventors: Takeshi Mori; Moriyuki Hazeyama; Masaru Shinozaki
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-05-23
Filing date: 2018-03-05
Publication date: 2020-02-13
Also published as: JP6811855B2; JPWO2018216304A1; US11289979B2; CN110651415B; US20200266686A1; CN110651415A; WO2018216304A1

Abstract

Es wird eine rotierende elektrische Maschine aufgezeigt. Die von Zahn-Mittelachsen gebildeten Winkel (α) benachbarter Zähne (2) sind als Zahn-Teilungswinkel definiert. Der maximale Zahn-Teilungswinkel ist definiert als erster Zahn-Teilungswinkel (α1). Mindestens einer der Zahn-Teilungswinkel (α) ist kleiner als der erste Zahn-Teilungswinkel (α1) im Uhrzeigersinn bzw. im Gegenuhrzeigersinn, und dieser Zahn-Teilungswinkel wird als zweiter Zahn-Teilungswinkel (α3) definiert. Die Querschnittsflächen von zweiten Spulen (1b), die in Schlitzen (13) jeweils zwischen benachbarten Zähnen (2) entsprechend dem zweiten Zahn-Teilungswinkel (α3) in einem Querschnitt senkrecht zur Drehachse gebildet sind, sind kleiner als die Querschnittsflächen von ersten Spulen (1a), die in Schlitzen (13) jeweils zwischen benachbarten Zähnen (2) entsprechend dem ersten Zahn-Teilungswinkel (α1) im Querschnitt senkrecht zur Drehachse gebildet sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine rotierende elektrische Maschine, insbesondere auf die Struktur eines Stators für eine rotierende elektrische Maschine.
STAND DER TECHNIK
Verluste, die in rotierenden elektrischen Maschinen wie einem Elektromotor und einem Generator erzeugt werden, beinhalten beispielsweise Kupfer-Verluste, Eisen-Verluste und Magnetwirbelverluste, also Wirbelstromverluste, die in Magneten entstehen. In einer typischen rotierenden elektrischen Maschine vom Typ Innenläufer besitzt ein Stator beispielsweise einen Statorkern und Spulen. Die Statorkerne bestehen aus laminierten plattenförmigen Kernen, die jeweils aus einem magnetischen Stahlblech ausgestanzt sind. Die Spulen sind auf dem Statorkern angeordnet.
In Statorkernen erzeugte Eisen-Verluste und in den dazugehörigen Spulen erzeugte Kupfer-Verluste sind Hauptverluste des Stators. In einem Rotor mit Permanentmagneten, die auf einem Rotor-kern angeordnet sind, bilden Eisen-Verluste im Rotorkern und Magnetwirbelverluste, die in den Magneten erzeugt wird, die Hauptverluste eines Rotors. Bei großen Verlusten steigen die Temperaturen des Stators und des Rotors, so dass z.B. ein Ausbrennen der Spulen und eine Entmagnetisierung der Magnete erfolgen kann. Daher werden Maßnahmen ergriffen, um einen Temperaturanstieg einer rotierenden elektrischen Maschine durch Anbringen einer Kühleinrichtung zu unterdrücken.
Beispiele für ein Kühlverfahren zur Kühlung eines Elektromotors und eines Generators unter Verwendung der bei der oben genannten Maßnahme eingesetzten Kühleinrichtung sind Luftkühlung, Wasserkühlung und Ölkühlung. Insbesondere als Verfahren der Luftkühlung hat man ein Verfahren zur Kühlung eines Rahmens durch Anbringen von Lamellen an der Rahmenoberfläche, die auf der äußeren Umfangsfläche des Stators angeordnet sind und den Luftstrom durch die Lamellen hindurchführen, eingeführt. Weiterhin hat man als Verfahren der Wasserkühlung oder Ölkühlung ein Verfahren zur Kühlung des Rahmens durch Bilden eines Hohlraums innerhalb des Rahmens und Zirkulieren eines Kühlmittels, wie Wasser oder Öl, eingeführt.
So wird beispielsweise in einer in dem Patentdokument 1 beschriebenen Kühlstruktur eine Wasserkühlung an der äußeren Umfangsfläche des Stators montiert. Die Wasserkühlung besitzt in einem Zustand, in dem die Drehachse des Elektromotors horizontal ausgerichtet ist, einen Einlass für Kühlwasser, der auf der Unterseite in radialer Richtung des zylindrischen Rahmens vorgesehen ist, einen mäandrierenden Wasserweg, der im Rahmen vorgesehen ist, und einen Auslass für das Kühlwasser, der auf der Oberseite in radialer Richtung des Rahmens vorgesehen ist.
Das Kühlwasser tritt durch den Einlass für das Kühlwasser auf der Unterseite in radialer Richtung des Rahmens in den Rahmen ein. Anschließend zirkuliert das Kühlwasser im Wasserweg im Rahmen, so dass das Kühlwasser Wärme von der äußeren Umfangsfläche des Stators aufnimmt. Schließlich wird das Kühlwasser durch den Auslass für das auf der Oberseite in radialer Richtung des Rahmens angeordnete Kühlwasser geleitet.
STAND DER TECHNIK
Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 08-149 757 A
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Mit der Erfindung zu lösende Probleme
Im Allgemeinen ist die Kühlleistung eines Wasserkühlers jedoch uneinheitlich und variiert bei einem ganzen Elektromotor. So tritt beispielsweise bei der in dem Patentdokument 1 beschriebenen Wasserkühlung das Kühlwasser durch den Einlass für das Kühlwasser an der Unterseite in radialer Richtung des Rahmens ein. Anschließend nimmt das Kühlwasser Wärme aus dem Stator auf und wird durch den Auslass für das Kühlwasser an der Oberseite in radialer Richtung des Rahmens abgeführt.
Dadurch steigt die Temperatur des Kühlwassers mit zunehmender Bewegung des Kühlwassers zur Oberseite in radialer Richtung des Rahmens. Daher ist die Kühlleistung der Wasserkühlung an der Unterseite in radialer Richtung des Rahmens am höchsten und an der Oberseite in radialer Richtung des Rahmens am niedrigsten.
Eine typische rotierende elektrische Maschine hat eine Struktur, die im Wesentlichen rotationssymmetrisch um eine Drehachse ist. Daher ist die Verteilung der Verluste im Stator, die die Summe aus dem in den Spulen des Stators erzeugten Kupfer-Verlusten und den in den Statorkernen erzeugten Eisen-Verlusten ist, in der Drehrichtung, also einer Umfangsrichtung, im Wesentlichen gleichmäßig. Wenn also der Stator der rotierenden elektrischen Maschine durch die Wasserkühlung mit einer Verteilung der Kühlleistung, wie vorstehend beschrieben, im Stator gekühlt wird, ist der Temperaturanstieg in dem Bereich, in dem die Kühlleistung der Wasserkühlung niedrig ist, größer als der Temperaturanstieg in dem Bereich, in dem die Kühlleistung der Wasserkühlung hoch ist. Weiterhin ist die rotierende elektrische Maschine so auszulegen, dass der Bereich bei der Maximaltemperatur eine obere Temperaturgrenze nicht überschreitet.
Wenn also die Temperatur einer rotierenden elektrischen Maschine lokal ansteigt, so wird das Design der rotierenden elektrischen Maschine durch die Temperatur des Bereichs begrenzt, in dem die Temperatur ansteigt. Dadurch sind die Eigenschaften der rotierenden elektrischen Maschine lokal begrenzt, und es entsteht das Problem, dass das Volumen der rotierenden elektrischen Maschine erhöht wird, um die Wärmeabführung zu verbessern. Um den lokalen Temperaturanstieg einer rotierenden elektrischen Maschine zu unterdrücken, müssen die Verluste im Stator der rotierenden elektrischen Maschine im Querschnitt senkrecht zur Drehachse der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der Verteilung der Kühlleistung der Wasserkühlung verteilt werden.
Die vorliegende Erfindung wurde zur Lösung des oben genannten Problems konzipiert und hat die Aufgabe, eine rotierende elektrische Maschine aufzuzeigen, die in der Lage ist, Verluste im Stator der rotierenden elektrischen Maschine in einem Querschnitt senkrecht zur Drehachse der rotierenden elektrischen Maschine zu verteilen.
Mittel zum Lösen der Probleme
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine rotierende elektrische Maschine vorgesehen, die Folgendes aufweist: einen Rotor, der um eine Drehachse frei drehbar gelagert ist; und einen Stator, der Folgendes aufweist: einen ringförmigen Jochbereich, der koaxial zum Rotor angeordnet ist; eine Vielzahl von Zähnen, die aus dem Jochbereich zur Rotorseite vorstehen und in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sind; und eine Vielzahl von Spulen, die in Schlitzen untergebracht sind, die jeweils zwischen benachbarten Zähnen gebildet sind, wobei in einem Querschnitt des Stators senkrecht zur Drehachse gerade Linien, die durch Zentren der Zähne in Umfangsrichtung und der Drehachse verlaufen, als Zahn-Mittelachsen definiert sind, Winkel, die durch die Zahn-Mittelachsen der angrenzenden Zähne aus der Vielzahl der Zähne gebildet werden, als Zahn-Teilungswinkel definiert sind, und ein maximaler Zahn-Teilungswinkel der Zahn-Teilungswinkel als ein erster Zahn-Teilungswinkel definiert ist, wobei mindestens ein Zahn-Teilungswinkel der Zahn-Teilungswinkel kleiner wird, ausgehend vom ersten Zahn-Teilungswinkel im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn, und definiert ist als ein zweiter Zahn-Teilungswinkel, wobei eine Spule, die in einem der Schlitze angeordnet ist, der jeweils zwischen benachbarten Zähnen gebildet wird, die dem ersten Zahn-Teilungswinkel entsprechen, als erste Spule definiert ist, und eine Spule, die in einem anderen der Schlitze angeordnet ist, die jeweils zwischen benachbarten Zähnen gebildet wird, die dem zweiten Zahn-Teilungswinkel entsprechen, als zweite Spule definiert ist, und wobei die Querschnittsfläche der zweiten Spule in einem Querschnitt senkrecht zu der Drehachse kleiner ist als die Querschnittsfläche der ersten Spule im Querschnitt senkrecht zu der Drehachse.
Effekt der Erfindung
Die rotierende elektrische Maschine mit der oben beschriebenen Konfiguration ist in der Lage, die Verluste in einem Stator im Querschnitt senkrecht zur Drehachse der rotierenden elektrischen Maschine zu verteilen.
Figurenliste

1 ist ein vertikaler Schnitt durch eine rotierende elektrische Maschine gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einschließlich einer Drehachsenrichtung;
2 ist eine Schnittansicht der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entlang der Linie A-A senkrecht zur Drehachsenrichtung;
3 ist eine perspektivische Ansicht einer Kühleinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine Schnittansicht der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung senkrecht zur Drehachsenrichtung in einem Modifikationsbeispiel;
5 ist eine Schnittdarstellung einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung senkrecht zur Drehachsenrichtung;
6 ist eine Schnittansicht einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung senkrecht zur Drehachsenrichtung;
7 ist eine Schnittansicht einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung senkrecht zur Drehachsenrichtung;
8 ist eine Schnittansicht einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung senkrecht zur Drehachsenrichtung, und
9 ist eine Schnittansicht einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung senkrecht zur Drehachsenrichtung.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Exemplarische Ausführungsformen einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
Ausführungsform 1
1 ist ein vertikaler Schnitt durch eine rotierende elektrische Maschine gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Einbeziehung der Drehachsenrichtung. In 1 weist eine rotierende elektrische Maschine 100 einen Innenrahmen 11, einen Außenrahmen 12, Lagerschalen 16, einen Rotor 30 und einen Stator 20 auf. Der Innenrahmen 11 weist an seiner äußeren Umfangsfläche eine Nut zum Durchfluss eines Kühlmittels auf. Der Außenrahmen 12 wird an der äußeren Umfangsfläche des Innenrahmens 11 montiert.
Die Lagerschalen 16 sind an beiden Endflächen des Innenrahmens 11 in Drehachsen-Richtung angeordnet und halten das Lager 17 auf einer radial inneren Seite. Der Rotor 30 weist eine Welle 5 und eine Vielzahl von Permanentmagneten 6 auf, die an einem Außenumfang der Welle 5 befestigt sind, und ist um eine Drehachse der Welle 5 im Lager 17 frei drehbar gelagert. Der Stator 20 ist an einem Innenumfang des Innenrahmens 11 befestigt und ist auf einer radial äußeren Seite des Rotors 30 mit einem Spalt dazwischen angeordnet.
3 ist eine Schnittansicht der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entlang der Linie A-A senkrecht zur Drehachse. Der Stator 20 weist eine Kernrückseite 14, eine Vielzahl von Zähnen 2 und eine Vielzahl von Spulen 1 auf. Die Kernrückseite 14 ist ein ringförmiger Jochbereich, der koaxial zum Rotor 30 angeordnet ist. Die vielen Zähne 2 ragen nebeneinander aus dem Jochbereich in Richtung Rotor 30 und sind in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet. Die Vielzahl der Spulen 1 ist in Schlitzen 13 untergebracht, die jeweils zwischen benachbarten Zähne 2 gebildet sind. Ein Statorkern 15 besitzt die Kernrückseite 14 und die sechs Zähne 2.
In 2 werden die sechs Zähne 2 - im Uhrzeigersinn - durch die Bezugszeichen 2b, 2c, 2d, 2d, 2e und 2f in dieser Reihenfolge, beginnend bei einem Zahn 2a mit einer aufgewickelten Spule 1 der V1-Phase als Bezugspunkt bezeichnet. Jeder der sechs, d.h. der Vielzahl der Zähne 2 hat einen Basisbereich 4. Der Basisbereich 4 ragt von der Kernrückseite 14 als Jochbereich zur Seite des Rotors 30 hin heraus und weist am distalen Ende einen distalen Endbereich 3 in Richtung zur Seite des Rotors 30 auf. Der distale Endbereich 3 bildet einen Flanschbereich, der aus dem Basisbereich 4 in Umfangsrichtung herausragt.
Weiterhin sind die Abstände in Umfangsrichtung alle gleich, und zwar die Abstände, die jeweils zwischen dem einen der beiden Enden des distalen Endbereichs 3 eines Zahnes 2 in Umfangsrichtung und dem anderen der beiden Enden des distalen Endbereichs 3 eines anderen Zahnes 2 in Umfangsrichtung definiert sind, das an das eine der beiden Enden des distalen Endbereichs 3 des einen Zahnes 2 in Umfangsrichtung angrenzt. Die Breiten der distalen Endbereiche 3 der sechs, d.h. der Vielzahl der Zähne 2 in Umfangsrichtung sind alle gleich. Seitenflächen des distalen Endbereichs 3 in Umfangsrichtung können durchgehende Flächen mit Seitenflächen des Basisbereichs 4 in Umfangsrichtung sein, und es ist nicht immer erforderlich, dass der Flanschbereich aus dem Basisbereich 4 herausragt.
Der Statorkern 15 besteht aus einer Vielzahl von in Drehachsenrichtung laminierten plattenförmigen Statorkernen, die in Form der Kernrückseite 14 und der Zähne 2 gemäß 2 aus elektromagnetischen Stahlplatten mit einer Dicke von jeweils 0,35 mm ausgestanzt sind. Die vielen plattenförmigen Statorkerne sind miteinander verbunden und in Drehachsen-Richtung mit einem Klebstoff fixiert. Die vielen plattenförmigen Statorkerne können in Drehachsen-Richtung durch Verstemmen, Laserschweißen oder dergleichen befestigt werden.
Weiterhin kann der Statorkern 15 aus einem Block eines magnetischen Schüttgutes oder aus anderem Pulvermaterial an Stelle der elektromagnetischen Stahlplatten hergestellt werden. Bei dieser Ausführungsform wird der blechförmige Statorkern aus elektromagnetischen Stahlplatten als ein Stück ausgestanzt, das die Kernrückseite 14 und die Zähne 2 in einem Stück aufweist. Der plattenförmige Statorkern kann ein ein-Zahn-Kern sein, der so ausgestanzt wird, dass die Kernrückseite 14 in Umfangsrichtung für jeden Zahn 2 getrennt ist, und der Statorkern 15 kann eine Struktur aufweisen, in der die Kernrückseite 14 in einer Ebene senkrecht zur Drehachse für jeden Zahn 2 drehbar ist.
Die Anzahl der Spulen 1 beträgt insgesamt sechs, wobei für jede der drei Phasen zwei Spulen vorgesehen sind. Jede der sechs Spulen 1 wird durch eine konzentrierte Wicklung von einer Spule um jeden Zahn 2 gewickelt, und eine Spule wird um jeden der sechs Zähne 2 gewickelt. Ein Magnetdraht, der ein runder leitfähiger Draht ist, wird durch eine vorgegebene Anzahl von Windungen durch Zwischenschaltung eines Isolators (nicht dargestellt) zur Spule 1 um den Zahn 2 gewickelt. Die Spulen 1 werden nach dem Wickeln um die Zähne 2 einer Lack-Behandlung unterzogen, um sie an den Zähnen 2 zu befestigen. Die Phasen der Spulen 1 sind in der Reihenfolge von V1, W1, U2, V2, W2, und U1 gegen den Uhrzeigersinn vom Zahn 2a als Bezugspunkt im Querschnitt gemäß 2 angeordnet.
Wenn Ströme in der gleichen Richtung durch die Spulen 1 fließen, werden die Richtungen der in den Spulen 1 erzeugten elektromagnetischen Felder in der radialen Richtung in die gleiche Richtung ausgerichtet. Dadurch sind die Spulen 1 der gleichen Phase an Positionen der 180°-Drehsymmetrie angeordnet. So sind beispielsweise die Spulen 1 der U1- und U2-Phase an gegenüberliegenden Positionen angeordnet. Weiterhin besitzt die Vielzahl von Spulen 1 zwei, d.h. eine Vielzahl von Phasenspulen, durch die ein Strom einer Phase fließt, insbesondere die Phasenspulen U1 und U2, die Phasenspulen V1 und V2 sowie die Phasenspulen W1 und W2.
Die vielen Phasenspulen, durch die ein Strom einer Phase fließt, d.h. die Phasenspulen U1 und U2, die Phasenspulen V1 und V2 und die Phasenspulen W1 und W2, sind jeweils in Reihe geschaltet. Solange die Phasenspulen eine Konfiguration aufweisen, in der der Widerstand jeder Phase gleich ist, können in dem Fall, in dem die Anzahl der Spulen der gleichen Phase groß ist, die Phasenspulen parallel oder in einer Kombination von seriell und parallel geschaltet sein und nicht in einer Reihenschaltung angeordnet werden.
Die Anordnung der Spulen 1 kann sich von der Anordnung der Spulen 1 dieser Ausführungsform unterscheiden, je nach Kombination der Anzahl der Magnetpole und der Anzahl der Schlitze. Weiterhin ist die Querschnittsform des leitenden Drahtes der Spule 1 nicht auf die Querschnittsform eines Runddrahtes beschränkt, und sie kann auch eine andere Querschnittsform aufweisen, wie beispielsweise die eines rechteckigen Drahtes oder dergleichen. Weiterhin ist das Material des leitenden Drahtes der Spule 1 bei dieser Ausführungsform Kupfer, kann aber auch Aluminium oder dergleichen sein.
Der Rotor 30 besitzt die Welle 5 und zylindrische Permanentmagnete 6 von vier Polen, die zugleich als Rotorkern dienen und am Außenumfang der Welle 5 angeordnet sind. Das heißt, der Rotor 30 weist eine Vielzahl von Magnetpolen auf. Im Rotor 30 sind die Polaritäten der Permanentmagnete 6 in Umfangsrichtung so angeordnet, dass unterschiedliche Polaritäten abwechselnd vorliegen. In 2 bezeichnet „N“ die Polarität eines N-Pols, der ein Magnetpol auf einer Oberfläche des Permanentmagneten 6 auf der Seite des Stators 20 ist, und „S“ die Polarität eines S-Pols, der ein Magnetpol auf einer Oberfläche des Permanentmagneten 6 auf der Seite des Stators 20 ist.
Daher ist die rotierende elektrische Maschine 100 eine rotierende elektrische Maschine vom Oberflächenmagnettyp, d.h. ein Oberflächen-Dauermagnetmotor (SPM-Motor). Der Rotor 30 ist im Lager 17 so gelagert, dass er sich in Bezug auf den Innenrahmen 11, den Außenrahmen 12 und den Stator 20 dreht. Bei dieser Ausführungsform ist das Material der Permanentmagnete 6 ein Ferritmagnet.
Der Rotor 30 kann ein Rotor vom eingebetteten Magnettyp sein, d.h. ein innenliegender Permanentmagnetmotor (IPM-Motor), bei dem die Permanentmagnete 6 in den Rotorkern eingebettet sind. Weiterhin kann der Rotor 30 ein Rotor mit einer anderen Konfiguration sein, wie beispielsweise ein Rotor mit einer Feldwicklung darin oder ein Rotor einer Induktionsmaschine, d.h. ein Induktionsmotor (IM). Bei der rotierenden elektrischen Maschine 100 gemäß dieser Ausführungsform ist das Material der Permanentmagnete 6 ein Ferritmagnet, kann aber auch ein anderes hartmagnetisches Material, wie etwa ein Neodym-Sintermagnet sein.
Die Anzahl der Magnetpole der rotierenden elektrischen Maschine 100 ist vier, und die Anzahl der Schlitze 13, d.h. die Anzahl der Zähne 2, ist sechs. Das heißt, die magnetische Struktur der rotierenden elektrischen Maschine 100 hat eine Struktur von 4-Polen und 6-Schlitzen. Weiterhin weist die rotierende elektrische Maschine 100 eine magnetische Struktur auf, bei der eine Struktur aus 2-Polen und 3-Schlitzen in Umfangsrichtung zweimal wiederholt wird. Das heißt, die magnetische Struktur der rotierenden elektrischen Maschine 100 hat eine Struktur in zweifacher Rotationssymmetrie in Umfangsrichtung, d.h. in der Drehrichtung.
Im Querschnitt des Stators 20 senkrecht zur Drehachse sind gerade Linien, die durch die Zentren der Zähne 2 in Umfangsrichtung und die Drehachse der Welle 5 verlaufen, als Zahn-Mittelachsen definiert, und Winkel, die durch die Zahn-Mittelachsen der benachbarten Zähne 2 aus der Vielzahl der Zähne 2 gebildet werden, sind als Zahn-Teilungswinkel α1, α2 und α3 definiert.
Der Zahn-Teilungswinkel α1 ist der Winkel, der zwischen den Zahn-Mittelachsen der Zähne 2f und 2a und den Zahn-Mittelachsen der Zähne 2a und 2b liegt. Der Zahn-Teilungswinkel α2 ist der Winkel, der zwischen den Zahn-Mittelachsen der Zähne 2b und 2c und den Zahn-Mittelachsen der Zähne 2f und 2e liegt. Der Zahn-Teilungswinkel α3 ist der Winkel, der zwischen den Zahn-Mittelachsen der Zähne 2c und 2d und den Zahn-Mittelachsen der Zähne 2e und 2d liegt. Die Zahn-Teilungswinkel sind mit α1 = 64°, α2 = 60° und α3 = 56° vorgegeben.
Weiterhin ist der größte gemeinsame Teiler zwischen 4, also die Anzahl der vielen Magnetpole, und 6, also die Anzahl der vielen Zähne 2, die Zahl 2. im Querschnitt des Stators 20 senkrecht zur Drehachse tauchen die Zahn-Teilungswinkel α1 im Uhrzeigersinn oder Gegenuhrzeigersinn zweimal auf. Die Zahl „2“ ergibt sich aus der Division von 6, also durch die Zahl der Vielzahl von Zähnen, durch 2, was der größte gemeinsame Teiler ist, und der Subtraktion von 1 von 3, was der Quotient der Division ist.
Weiterhin sind die Zahn-Teilungswinkel α3 im Uhrzeigersinn oder Gegenuhrzeigersinn in ähnlicher Weise zweimal vorhanden. Die Zahn-Teilungswinkel α1, die im Uhrzeigersinn oder Gegenuhrzeigersinn zweimal vorkommen, sind gleich. Weiterhin sind die Zahn-Teilungswinkel α3, die im Uhrzeigersinn oder in Gegenuhrzeigersinn zweimal vorkommen, gleich.
Mit dieser Konfiguration haben die Verteilungen eines durch die Zähne 2f, 2a und 2b fließenden Magnetflusses und eines durch die Zähne 2c, 2d und 2e fließenden Magnetflusses, die eine magnetische Einheit bilden, in Umfangsrichtung in der magnetischen Einheit gleich große Intervalle, und damit werden Drehmomentpulsationen und dgl., die durch eine ungleichmäßige Verteilung in Umfangsrichtung in der magnetischen Einheit verursacht werden, unterdrückt.
Die Zahn-Mittelachse des Zahns 2a mit der Spule 1 der V1-Phasenwicklung ist definiert als Bezugspunkt 7 unter den drei Zähnen 2a, 2b und 2f, die mit den Spulen 1 der Phasen von U1, V1 und W1 umwickelt sind und die in Umfangsrichtung der zweifachen Rotationssymmetrie aufeinander folgen. Die Zahn-Teilungswinkel werden im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn in Bezug auf den Bezugspunkt 7 kleiner.
Daher ist der größte Zahn-Teilungswinkel α1 als erster Zahn-Teilungswinkel α1 definiert. Dabei werden mindestens einer, der Zahn-Teilungswinkel α2 und α3 kleiner als der erste Zahn-Teilungswinkel α1, ausgehend vom ersten Zahn-Teilungswinkel α1 im Uhrzeigersinn bzw. Gegenuhrzeigersinn. Ein solcher Zahn-Teilungswinkel ist definiert als der zweite Zahn- Teilungswinkel.
Die Breiten der Basisbereiche 4 der Zähne 2a bis 2f in Umfangsrichtung sind alle gleich. Daher werden auch die Querschnittsflächen der Schlitze 13, die zwischen benachbarten Zähnen 2 in einem Querschnitt senkrecht zur Drehachse gebildet werden, ausgehend vom Bezugspunkt 7 im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn, kleiner. Weiterhin sind die Querschnittsflächen der Spulen 1, die als konzentrierte Wicklungen um die Zähne 2 gewickelt sind, im Querschnitt senkrecht zur Drehachse auf beiden Seiten der Zähne 2 in Umfangsrichtung gleich.
Daher sind die Querschnittsflächen der Spulen 1 der Phasen U2, V2 und W2 im Querschnitt senkrecht zur Drehachse kleiner als die Querschnittsflächen der Spulen 1 der Phasen U1, V1 und W1 im Querschnitt senkrecht zur Drehachse. Weiterhin sind die Querschnittsflächen der Spulen 1 der Phasen U1, V1 und W1 im Querschnitt senkrecht zur Drehachse gleich und die Querschnittsflächen der Spulen 1 der Phasen U2, V2 und W2 im Querschnitt senkrecht zur Drehachse gleich.
Daher sind die Spulen 1 der Phasen U1, V1 und W1, die in den Schlitzen 13 angeordnet sind, die zwischen benachbarten Zähnen 2a und 2b und zwischen benachbarten Zähnen 2a und 2f entsprechend dem ersten Zahn-Teilungswinkel α1 gebildet werden, als erste Spulen 1a definiert. Weiterhin sind die Spulen 1 der Phasen U2, V2 und W2, die in den Schlitzen 13 zwischen benachbarten Zähnen 2c und 2d und zwischen benachbarten Zähnen 2d und 2e entsprechend dem zweiten Zahn-Teilungswinkel α3 angeordnet sind, als zweite Spulen 1b definiert.
Die ersten Spulen 1a und die zweiten Spulen 1b sind in den jeweiligen Schlitzen 13 angeordnet, die zwischen den benachbarten Zähnen 2b und 2c und zwischen den benachbarten Zähnen 2e und 2f entsprechend dem Zahn-Teilungswinkel α2 gebildet werden. Die Querschnittsflächen der zweiten Spulen 1b im Querschnitt senkrecht zur Drehachse sind kleiner als die Querschnittsflächen der ersten Spulen 1a im Querschnitt senkrecht zur Drehachse.
Weiterhin ist die Anzahl der Windungen bei jeder der Spulen 1 gleich. Daher sind die Querschnittsflächen der leitenden Drähte im Querschnitt senkrecht zur Drehachse entsprechend den Größen der Querschnittsflächen der Spulen 1 im Querschnitt senkrecht zur Drehachse klein. Das heißt, jede der Vielzahl von Spulen 1 hat den um den Zahn 2 gewickelten leitenden Draht, und die Querschnittsfläche des leitenden Drahtes der zweiten Spule 1b im Querschnitt senkrecht zur Drehachse ist kleiner als die Querschnittsfläche des leitenden Drahtes der ersten Spule 1a im Querschnitt senkrecht zur Drehachse. Weiterhin wird der Drahtdurchmesser des leitenden Drahtes entsprechend den Größen der Querschnittsflächen der Spulen 1 im Querschnitt senkrecht zur Drehachse ebenfalls kleiner.
Die Spulen-Raumfaktoren, also das Verhältnis der Querschnittsflächen der Spulen 1 im Querschnitt senkrecht zur Drehachse zu den Querschnittsflächen der Schlitze 13, in denen jede Spule 1 montiert ist, wird als gleich angenommen. Die Querschnittsflächen der Spulen 1 im Querschnitt senkrecht zur Drehachse sind symmetrisch zum Bezugspunkt 7 im Querschnitt gemäß 2. In einer solchen Konfiguration ist der Widerstand der ersten Spulen 1a, also der Spulen 1 der Phasen U1, V1 und W1, kleiner als der Widerstand der zweiten Spulen 1b, also der Spulen 1 der Phasen U2, V2 und W2. Die Spulen 1 der gleichen Phase, d.h. die Spulen 1 der Phasen U1 und U2 sind in Reihe geschaltet, die Spulen 1 der Phasen V1 und V2 sind in Reihe geschaltet, und die Spulen 1 der Phasen W1 und W2 sind in Reihe geschaltet. Daher sind der Widerstand der Spulen 1 der U-Phase, der Widerstand der Spulen 1 der V-Phase und der Widerstand der Spulen 1 der W-Phase, die der Widerstand der Spulen 1 jeder Phase sind, gleich.
Weiterhin werden die durch die jeweiligen Phasen fließenden Ströme in gleicher Größe auf die Spulen 1 aufgebracht, so dass die Kupfer-Verluste in den Phasen U1, V1 und W1, die in den ersten Spulen 1a erzeugt werden, kleiner sind als die Kupfer-Verluste in den Phasen U2, V2 und W2, die in den zweiten Spulen 1b erzeugt werden. Mit anderen Worten, in 2 werden die in den ersten Spulen 1a erzeugte Kupfer-Verluste, die etwa die Hälfte eines oberen Bereichs des Stators 20 in radialer Richtung belegen, kleiner als die in den zweiten Spulen 1b erzeugten Kupfer-Verluste, die etwa die Hälfte des unteren Bereichs des Stators 20 in radialer Richtung belegen.
Weiterhin ist die Größe der Ströme, die durch die Spulen 1 der jeweiligen Phasen fließen, gleich, so dass eine durch Schwankungen der Größe der Ströme verursachte Drehmomentpulsation unterdrückt wird.
Weiterhin sind die Breiten der Zähne 2 in Umfangsrichtung alle gleich, und auch der Spulen-Raumfaktor der Spulen 1 in jedem der Schlitze 13 ist gleich. Daher ist die Summe der Querschnittsflächen aller Spulen 1 des Stators 20 im Querschnitt senkrecht zur Drehachse gleich der Summe der Querschnittsflächen der Spulen 1 im Querschnitt senkrecht zur Drehachse in einer Konfiguration, in der die Zahn-Teilungswinkel α1, α2 und α3 alle gleich sind. Wenn also die an die Spulen 1 angelegten Ströme gleich sind, ist die Summe der in den Spulen 1 erzeugten Kupfer-Verluste gleich der Summe der in den Spulen 1 erzeugten Kupfer-Verluste in der Konfiguration, in der die Zahn-Teilungswinkel α1, α2 und α3 alle gleich sind.
Das heißt, die Zahn-Teilungswinkel α1, α2 und α3 werden in Umfangsrichtung verschoben, um die gleiche Summe zu haben, und somit werden die in den Spulen 1 erzeugten Kupfer-Verluste in Umfangsrichtung verteilt, ohne die Summe der in den Spulen 1 erzeugten Kupfer-Verlust zu ändern.
Weiterhin haben die Zähne 2 eine solche Konfiguration, dass die Zahn-Teilungswinkel α1, α2 und α3 variieren, aber nur die Basisbereiche 4 der Zähne 2 werden in Umfangsrichtung verschoben. Daher sind die Abstände in Umfangsrichtung, die jeweils zwischen dem einen von beiden Enden des distalen Endbereichs 3 eines Zahnes 2 in Umfangsrichtung und dem anderen von beiden Enden des distalen Endbereichs 3 eines anderen Zahnes 2 in Umfangsrichtung definiert sind, das an das eine der beiden Enden des distalen Endbereichs 3 des einen Zahnes 2 in Umfangsrichtung angrenzt, alle gleich. Weiterhin sind die Breiten der distalen Endbereiche 3 der sechs Zähne 2 in Umfangsrichtung alle gleich.
Mit einer solchen Konfiguration ist es möglich, das Auftreten von magnetischen Ungleichgewichten durch Verschiebung der distalen Endbereiche 3 in Umfangsrichtung zusammen mit der Verschiebung der distalen Endbereiche 4 der Zähne 2 in Umfangsrichtung und dem daraus resultierenden Abbruch der Wiederholung der magnetischen Struktur der rotierenden elektrischen Maschine 100 zu verhindern. Weiterhin ist es möglich, eine Verschlechterung der Eigenschaften der rotierenden elektrischen Maschine 100 zu verhindern, wie z.B. eine Erhöhung der Drehmomentpulsationen durch eine magnetische Unwucht.
In 2 sind ein distaler Endbereich des Zahns 2a, der als Bezugspunkt für die Verschiebung der Zähne 2 dient, und ein distaler Endbereich des Zahns 2d an einer dem Zahn 2a gegenüberliegenden Stelle symmetrisch zu den jeweiligen Zahn-Mittelachsen. Und es sind die distalen Endbereiche der anderen Zähne 2b, 2c, 2e und 2f asymmetrisch zu den jeweiligen Zahn-Mittelachsen.
Bei der Verwendung einer rotierenden elektrischen Maschine mit geringerem Einfluss von Drehmomentpulsationen o.ä. können nicht nur die Zähne 2 bei dieser Ausführungsform, sondern auch die distalen Endbereiche 3 in Umfangsrichtung gemäß den Zähnen verschoben werden.
Im Falle eines Ein-Zahnkerns, der so ausgestanzt ist, dass die Kernrückseiten 14 in Umfangspositionen getrennt sind, die sich jeweils zwischen benachbarten Zähne 2 befinden, kann das Material der Ein-Zahnkerne auf der Unterseite (in radialer Richtung) des Stators 20 in ein Material einer Güteklasse mit Eisen-Verlusten geändert werden, die größer sind als die des Materials der anderen Ein-Zahnkerne. In diesem Fall ist der Wirkungsgrad der rotierenden elektrischen Maschine 10 leicht vermindert. Wenn der Temperaturanstieg in einen zulässigen Bereich fällt, kann eine Kostenreduzierung durch einen Materialwechsel des Ein-Zahnkerns erreicht werden.
Im Folgenden wird eine Kühleinrichtung zur Kühlung der rotierenden elektrischen Maschine 100 beschrieben. 3 ist eine perspektivische Ansicht der Kühleinrichtung der vorliegenden Ausführungsform. In 3 wird bei der rotierenden elektrischen Maschine 100 gemäß dieser Ausführungsform eine Kühleinrichtung 40 an der äußeren Umfangsfläche des Stators 20 montiert. Die Kühleinrichtung 40 besitzt den Innenrahmen 11, der auf der äußeren Umfangsfläche des Stators 20 angeordnet ist, und den Außenrahmen 12, der auf der äußeren Umfangsfläche des Innenrahmens 11 montiert ist. Der Innenrahmen 11, der auf der äußeren Umfangsfläche des Stators 20 angeordnet ist, weist an seiner äußeren Umfangsfläche eine Nut auf, in der Kühlwasser als Kühlmittel hindurchströmen kann.
Der Außenrahmen 12 wird an der äußeren Umfangsfläche des Innenrahmens 11 montiert. Auf einer Kontaktfläche zwischen dem Innenrahmen 11 und dem Außenrahmen 12 ist ein O-Ring (nicht dargestellt) oder dergleichen montiert, um ein Austreten des Kühlwassers zu verhindern. Zwischen der Nut des Innenrahmens 11 und der inneren Umfangsfläche des Außenrahmens 12 wird ein Strömungsweg 9 für das Kühlmittel gebildet. An einem unteren Bereich des Außenrahmens 12 ist in radialer Richtung ein Einlass 8 vorgesehen, der es dem Kühlwasser ermöglicht, von außen nach innen und in den Strömungsweg 9 zu strömen.
Am oberen Bereich des Außenrahmens 12 ist in radialer Richtung ein Auslass 10 vorgesehen, damit das Kühlwasser aus dem Strömungsweg 9 nach außen abfließen kann. Daher fließt das Kühlwasser beim Einlass 8 am unteren Bereich der rotierenden elektrischen Maschine 100 in radialer Richtung ein und fließt durch den Strömungsweg 9, der vom Einlass 8 zu beiden Seiten des Innenrahmens 11 in Umfangsrichtung zu Mäandern geteilt ist. Anschließend strömt das Kühlwasser aus dem Auslass 10 im oberen Bereich der rotierenden elektrischen Maschine 100 in radialer Richtung aus und nimmt dabei Wärme aus dem Innenrahmen 11 mit dem daran befestigten Stator 20 auf.
Bei dieser Ausführungsform ist, wie in 2 dargestellt, die Kühleinrichtung 40 an der rotierenden elektrischen Maschine 100 montiert. Das heißt, der Einlass 8 für das Kühlwasser der Kühleinrichtung 40 ist in der gleichen Umfangsposition wie die Spulen 1 angeordnet, die große Kupfer-Verluste erzeugen, also die zweiten Spulen 1b. Das heißt, ein zweiter Kühlbereich 42, der ein von einer Strich-Doppelpunkt-Kettenlinie umgebener Bereich im Bereich vom Einlass 8 für das Kühlwasser der Kühleinrichtung 40 bis zu den gleichen Umfangspositionen wie die Umfangspositionen der zweiten Spulen 1b ist, kühlt die zweite Spulen 1b.
Der Auslass 10 für das Kühlwasser der Kühleinrichtung 40 ist an den gleichen Umfangspositionen der Spulen 1 angeordnet, die geringere Kupfer-Verluste erzeugen als die zweiten Spulen 1b, also die erste Spulen 1a. Das heißt, ein erster Kühlbereich 41, das ist ein von der Strich-Doppelpunkt-Kettenlinie umgebener Bereich beim Auslass 10 für das Kühlwasser der Kühleinrichtung 40 bis zu den gleichen Umfangspositionen wie die Umfangspositionen der ersten Spulen 1a, kühlt die ersten Spulen 1a.
Bei einer solchen Konfiguration werden die Umfangspositionen der zweiten Spulen 1b, die große Kupfer-Verluste erzeugen, auf die Umfangsposition vom Einlass 8 gesetzt, bei der die Kühlleistung der Kühleinrichtung 40 hoch ist. Daher ist es möglich, die Kupfer-Verluste in der rotierenden elektrischen Maschine 100 in Umfangsrichtung gemäß der Umfangsverteilung der Kühlleistung der Kühleinrichtung 40 zu verteilen. Das heißt, die Kühleinrichtung 40 besitzt den ersten Kühlbereich 41 zur Kühlung der ersten Spulen 1a und den zweiten Kühlbereich 42 zur Kühlung der zweiten Spulen 1b. Die Kühlleistung des zweiten Kühlbereichs 42 ist höher als die Kühlleistung des ersten Kühlbereichs 41.
Weiterhin kann die rotierende elektrische Maschine 100 mit der oben beschriebenen Konfiguration die Kupfer-Verluste im Stator 20 der zweiten Spulen 1b in einem Bereich in Richtung der ersten Spulen 1a in einen anderen Bereich, im Querschnitt der rotierenden elektrischen Maschine 100 senkrecht zur Drehachse, im Uhrzeigersinn, die eine Richtung der Umfangsrichtung ist, und im Gegenuhrzeigersinn, die eine andere Richtung der Umfangsrichtung ist, verteilen.
Im Vergleich zu einer rotierenden elektrischen Maschine, die den gleichen Zahn-Teilungswinkel hat und keine Verteilung der Kupfer-Verluste in Umfangsrichtung aufweist, können daher die Kühlung effizienter durchgeführt und damit ein Temperaturanstieg der rotierenden elektrischen Maschine 100 unterdrückt werden. Weiterhin wird die Summe der Kupfer-Verluste in der rotierenden elektrischen Maschine 100 gleich der Summe der Kupfer-Verluste in der rotierenden elektrischen Maschine, in der die Zahn-Teilungswinkel alle gleich sind.
Daher gibt es keine Verschlechterung der Effizienz der rotierende elektrische Maschine 100. Somit ist es möglich, einen lokalen Temperaturanstieg der rotierenden elektrischen Maschine 100 zu unterdrücken und zugleich den Wirkungsgrad der rotierenden elektrischen Maschine 100 zu erhalten. Daher ist es möglich, die lokale Begrenzung der Eigenschaften der rotierenden elektrischen Maschine 100 und eine Volumenzunahme der rotierenden elektrischen Maschine 100 zur Verbesserung der Wärmeabführung zu unterdrücken.
Das heißt, es besteht keine Notwendigkeit, den Außendurchmesser des Stators durch Bildung von Unterschieden bei den Querschnittsflächen der Spulen durch Anpassung des Zahn-Teilungswinkels zu verändern. Weiterhin ist es möglich, eine Einschränkung der Freiheitsgrade bei der Konstruktion der rotierende elektrische Maschine 100 zu vermeiden.
Bei dieser Ausführungsform ist der Fall beschrieben, in dem die Kühlleistung der Kühleinrichtung 40 verteilt wird. Am Außenumfang des Stators 20 können jedoch viele Kühleinrichtungen mit unterschiedlichen Kühlleistungen angeordnet sein. 4 ist eine Schnittansicht einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß dieser Ausführungsform, senkrecht zur Drehachse in einem abgewandelten Beispiel. In 4 weist eine rotierende elektrische Maschine 100a eine erste Kühleinrichtung 40a zur Kühlung der ersten Spulen 1a und eine zweite Kühleinrichtung 40b zur Kühlung der zweiten Spulen 1a auf.
Die erste Kühleinrichtung 40a befindet sich in einem Bereich der gleichen Umfangsposition wie die Umfangsposition der ersten Spule 1a, die um den Zahn 2a gewickelt ist. Die zweite Kühleinrichtung 40b liegt im Bereich vom Einlass 8 für das Kühlwasser der Kühleinrichtung 40 bis zur gleichen Umfangsposition wie die Umfangsposition der zweiten Spule 1b, die um den Zahn 2d gewickelt ist. Die Kühlleistung der zweiten Kühleinrichtung 40b ist höher als die Kühlleistung der ersten Kühleinrichtung 40a.
Eine Verteilung der Kupfer-Verluste in der rotierenden elektrischen Maschine 100a wird basierend auf einer Verschiebung der Basisbereiche 4 der Zähne 2 in Umfangsrichtung bestimmt. Daher ist es wünschenswert, dass die Verteilung der Kupfer-Verluste in der rotierenden elektrischen Maschine 100a so gestaltet wird, dass der Betrag der Verschiebung der Basisbereiche 4 der Zähne 2 in Umfangsrichtung so eingestellt wird, dass die Kupfer-Verluste von den Verteilungen der Kühlleistung der zu verwendenden Kühleinrichtungen 40, 40a und 40b aufgenommen werden kann.
Die Anordnung der Kühleinrichtungen 40, 40a und 40b dieser Ausführungsform ist so, dass die Kühleinrichtungen 40, 40a und 40b auf der äußeren Umfangsfläche des Stators 20 angeordnet sind. Weiterhin wird neben den Kühleinrichtungen 40, 40a und 40b dieser Ausführungsform, wenn ein Kühlverfahren der Ölkühlung verwendet wird, bei dem Öl innerhalb der rotierenden elektrischen Maschinen 100 und 100a zur Kühlung zirkuliert, das Öl in Schwerkraftrichtung an unteren Bereichen innerhalb der rotierenden elektrischen Maschinen 100 und 100a in radialer Richtung vorgehalten. Dadurch wird die Kühlleistung in den unteren Bereichen der rotierenden elektrischen Maschinen 100 und 100a in radialer Richtung verbessert.
Um die Kühlleistung in den unteren Bereichen der rotierenden elektrischen Maschinen 100 und 100a in radialer Richtung weiter zu verbessern, ist es daher wünschenswert, dass die Verteilungen der Kupfer-Verluste in der rotierenden elektrischen Maschinen 100 und 100a durch Erhöhung des Betrages der Verschiebung der Basisbereiche 4 der Zähne 2 in Umfangsrichtung, d.h. durch Erhöhung der Unterschiede zwischen den Zahn-Teilungswinkel α1, α2 und α3, weiter in die unteren Bereiche in radialer Richtung verlagert werden.
Die Bereiche der Kühleinrichtungen 40, 40a und 40b in Umfangsrichtung müssen nicht mit den Bereichen der ersten Spulen 1a und der zweiten Spulen 1b in Umfangsrichtung übereinstimmen. So muss beispielsweise ein Umfangsmittelbereich des ersten Kühlbereichs 41 oder der ersten Kühleinrichtung 40a nur in der Nähe des Umfangsmittelbereichs der ersten Spule 1a vorgesehen werden, und der Umfangsbereich des ersten Kühlbereichs 41 oder der ersten Kühleinrichtung 40a kann sich vom Umfangsbereich der ersten Spule 1a unterscheiden. Bei dieser Ausführungsform wird eine Nut gebildet, die es dem Kühlwasser als Kühlmittel ermöglicht, hindurchzuströmen, aber anstelle einer Nut kann auch ein großer Raum gebildet werden.
Weiterhin ist als Kühlverfahren für die Kühleinrichtungen 40, 40a und 40b eine Flüssigkeitskühlung mit Öl oder Wasser beschrieben, wobei auch ein Luftkühlverfahren eingesetzt werden kann. Das Luftkühlverfahren kann eine Zwangsluftkühlung durch Einblasen von Luft mit Hilfe eines Ventilators oder dergleichen oder eine natürliche Kühlung mit Hilfe von Luftkonvektion sein. In diesem Fall kann sich die Kühlleistung in Abhängigkeit von der Differenz bei den Blasluftmengen, der Größe der Lamellen oder dergleichen ändern.
Weiterhin sind die Verteilungen der Verluste in der rotierenden elektrischen Maschinen 100 und 100a nicht auf die Verteilungen der Kupfer-Verluste beschränkt, und sie können auch Verteilungen der Eisen-Verluste oder Streuverluste im Stator 20 beinhalten.
Ein Wickelverfahren von leitenden Drähten bei dieser Ausführungsform wird nun beschrieben. Leitfähige Drähte mit unterschiedlichen Drahtdurchmessern werden gemäß dieser Ausführungsform um die Spulen 1 der Statoren 20 der rotierenden elektrischen Maschinen 100 und 100a gewickelt. Das heißt, der Drahtdurchmesser der zweiten Spule 1b ist kleiner als der Drahtdurchmesser der ersten Spule 1a.
Es kann jedoch auch der Drahtdurchmesser des leitenden Drahtes geändert werden, indem die Einstellung der Dehnung des leitenden Drahtes durch Ändern der Spannung bzw. Zugkraft, die auf den leitenden Draht beim Aufwickeln des leitenden Drahtes aufgebracht wird, eingestellt wird. Damit kann die Querschnittsfläche des leitenden Drahtes um etwa 10 % verändert werden, indem die auf den leitenden Draht aufgebrachte Spannung verändert wird. Wenn also die Differenz von ca. 10 % zur Verteilung eingestellt ist, kann die Querschnittsfläche des leitenden Drahtes durch Änderung der auf den leitenden Draht aufgebrachten Spannung verändert werden.
Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass ein leitfähiger Draht mit den gleichen Spezifikationen des Drahtdurchmessers verwendet werden kann, so dass es nicht notwendig ist, leitfähige Drähte mit einer Vielzahl von Drahtdurchmessern vorzubereiten, und der Drahtdurchmesser kann geändert werden, ohne dass während des Wickelvorgangs ein leitfähiger Draht mit einem anderen Drahtdurchmesser eingesetzt werden muss.
Insbesondere mit dem letztgenannten Vorteil können die Spulen 1 mit der gleichen Phase kontinuierlich gewickelt werden, und die Anschlusspunkte der leitenden Drähte können reduziert werden. Darüber hinaus ist keine wesentliche Anpassung der Wickelmaschine erforderlich, und der Stator 20 kann ohne Komplikation der Herstellungsprozesse des Stators 20 einschließlich des Wickelprozesses hergestellt werden.
Weiterhin können in einem Fall, in dem für die Statorkerne 15 Ein-Zahn-Kerne verwendet werden, durch Anwendung eines Verfahrens zum Herausführen von Zuleitungsdrähten der Spulen 1 auf dieselbe Seite der Spulen 1 in Drehachsen-Richtung nach dem Wickeln und anschließendes Verbinden der Zuleitungsdrähte mit Anschlusskontakten oder durch Schweißen leitende Drähte mit unterschiedlichen Drahtdurchmessern einfach verbunden werden. Wenn der Drahtdurchmesser der für die Ein-Zahnkerne verwendeten leitenden Drähte signifikant verändert werden muss, ist das oben beschriebene Verbindungsverfahren ein sinnvolles Herstellungsverfahren.
Ferner gibt es, anstatt den Drahtdurchmesser der leitenden Drähte zu ändern, ein Verfahren zum parallelen Wickeln mit einem parallelen Bündel von leitenden Drähten und Wickeln der leitenden Drähte. Dieses Parallelwickelverfahren ist ein Verfahren zum Verbinden von zwei dünnen leitenden Drähten mit jeweils einem kleinen Drahtdurchmesser in paralleler Weise und zum Wickeln der leitenden Drähte als einzelne leitende Drähte, anstatt einen einzelnen dicken leitenden Draht mit einem großen Drahtdurchmesser zu wickeln. Im Falle der Anwendung dieses Verfahrens müssen der Widerstand der beiden dünnen leitenden Drähte und der Widerstand des einen dicken leitenden Drahtes gleich eingestellt werden, indem die Querschnittsfläche der beiden dünnen leitenden Drähte insgesamt und die Querschnittsfläche des einen dicken leitenden Drahtes gleich vorgegeben werden.
Wenn die beiden dünnen leitenden Drähte gewickelt werden, können die Biegeradien der leitenden Drähte kleiner sein als in dem Fall, in dem der eine dicke leitende Draht gewickelt wird, und somit kann der Wickelvorgang leicht durchgeführt werden. Dadurch wird der Spulen-Raumfaktor der Spulen 1 in jedem Schlitz 13 verbessert, und es besteht der Vorteil, den Widerstand der Spulen 1 zu reduzieren, während in einigen Fällen der Spulen-Raumfaktor der Spulen 1 in jedem Schlitz 13 durch den Einfluss der Einstellung der gesamten Querschnittsfläche der beiden dünnen leitenden Drähte und der Querschnittsfläche des einen dicken leitenden Drahtes auf gleich reduziert wird. Daher ist eine umfassende Betrachtung erforderlich.
Ausführungsform 2
5 ist eine Schnittansicht senkrecht zur Drehachsenrichtung einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Konfiguration der rotierenden elektrischen Maschine 100b gemäß dieser Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform in den folgenden Punkten. In 5 ist die Anzahl der Magnetpole sechs und die Anzahl der Schlitze 13 neun. In 5 werden die neun Zähne 2 durch Bezugszeichen 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h und 2i im Uhrzeigersinn von einem Bezugspunkt 7 aus bezeichnet, der die Zahn-Mittelachse des Zahns 2a mit der Spule 1 der V1-Phase ist. Dann werden die Phasen der neun Spulen 1, die um die Zähne 2a bis 2i gewickelt sind, in der Reihenfolge V1, W1, U2, V2, W2, U3, V3, W3, und U1 gegen den Uhrzeigersinn angeordnet, wobei der Zahn 2a der Bezugspunkt 7 im Querschnitt gemäß 5 ist.
Das heißt, die rotierende elektrische Maschine 100b gemäß dieser Ausführungsform hat eine Struktur, in der die Gruppen der beiden Magnetpole und der drei Schlitze wie bei der ersten Ausführungsform dreimal in Umfangsrichtung wiederholt werden. Die Phasen der Spulen 1 beinhalten Phasen der Spulen 1 aus einem ersten Satz von U1, V1 und W1, Phasen der Spulen 1 aus einem zweiten Satz von U2, V2 und W2 und Phasen der Spulen 1 aus einem dritten Satz von U3, V3 und W3. So hat die magnetische Struktur der rotierenden elektrischen Maschine 100b eine Struktur in dreifacher Rotationssymmetrie in Umfangsrichtung, also in Drehrichtung.
Winkel, die durch Zahn-Mittelachsen der benachbarten Zähne 2 aus der Vielzahl der Zähne 2 gebildet werden, sind definiert als Zahn-Teilungswinkel α1, α2 und α3. Der Zahn-Teilungswinkel α1 ist der Winkel, der von Zahn-Mittelachsen der Zähne 2i und 2a und Zahn-Mittelachsen der Zähne 2a und 2b gebildet wird. Der Zahn-Teilungswinkel α2 ist der Winkel, der von Zahn-Mittelachsen der Zähne 2b und 2c und Zahn-Mittelachsen der Zähne 2h und 2i gebildet wird. Der Zahn-Teilungswinkel α3 ist der Winkel, der von Zahn-Mittelachsen der Zähne 2c und 2d, Zahn-Mittelachsen der Zähne 2d und 2e, Zahn-Mittelachsen der Zähne 2e und 2f, Zahn-Mittelachsen der Zähne 2f und 2g und Zahn-Mittelachsen der Zähne 2g und 2h gebildet wird. Die Zahn-Teilungswinkel sind mit α1 = 44°, α2 = 41° und α3 = 38° vorgegeben.
Die Zahn-Teilungswinkel werden im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn in Bezug auf den Bezugspunkt 7 kleiner. Daher wird der maximale Zahn-Teilungswinkel α1 als erster Zahn-Teilungswinkel α1 definiert. Dabei werden mindestens einer der Zahn-Teilungswinkel α2 und α3 kleiner als der erste Zahn-Teilungswinkel α1, ausgehend vom ersten Zahn-Teilungswinkel α1 im Uhrzeigersinn bzw. Gegenuhrzeigersinn. Dieser Zahn-Teilungswinkel ist definiert als der zweite Zahn-Teilungswinkel.
Der größte gemeinsame Teiler zwischen 6, der Anzahl der vielen Magnetpole, und 9, der Anzahl der vielen Zähne 2, ist weiterhin 3. Im Querschnitt des Stators 20 senkrecht zur Drehachse sind die Zahn-Teilungswinkel α1 im Uhrzeigersinn oder Gegenuhrzeigersinn zweimal durchgehend vorgesehen. Die Zahl „2“ ergibt sich aus der Division von 9, was die Anzahl der Vielzahl von Zähne durch 3 ist, was der größte gemeinsame Teiler ist, und der Subtraktion von 1 von 3, was der Quotient der Division ist. Weiterhin sind die Zahn-Teilungswinkel α1, die zweimal nacheinander vorgesehen sind, im Uhrzeigersinn oder Gegenuhrzeigersinn gleich.
Die Breiten der Zähne 2a bis 2i in Umfangsrichtung sind alle gleich. Daher werden auch die Querschnittsflächen der Schlitze 13, die zwischen benachbarten Zähnen 2 in einem Querschnitt senkrecht zur Drehachse gebildet werden, ausgehend vom Bezugspunkt 7 im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn kleiner. Weiterhin werden die Querschnittsflächen der Spulen 1 der Phasen des zweiten Satzes U2, V2 und W2, und des dritten Satzes U3, V3 und W3 im Querschnitt senkrecht zur Drehachse kleiner als die Querschnittsflächen der Spulen 1 der Phasen des ersten Satzes U1, V1, W1 im Querschnitt senkrecht zur Drehachse.
Weiterhin sind die Querschnittsflächen der Spulen 1 der Phasen des ersten Satzes U1, V1 und W1 im Querschnitt senkrecht zur Drehachse gleich. Die Querschnittsflächen der Spulen 1 der Phasen des zweiten Satzes U2, V2 und W2 und des dritten Satzes U3, V3 und W3 sind im Querschnitt senkrecht zur Drehachse gleich.
Bei der rotierenden elektrischen Maschine 100b dieser Ausführungsform sind die Querschnittsflächen der Spulen 1 im Querschnitt senkrecht zur Drehachse symmetrisch zum Bezugspunkt 7. Die Spulen 1 der Phasen des ersten Satzes U1, V1 und W1, die in den Schlitzen 13 zwischen den benachbarten Zähnen 2a und 2b und zwischen 2a und 2i entsprechend dem ersten Zahn-Teilungswinkel α1 angeordnet sind, sind als erste Spulen 1a definiert. Weiterhin sind die Spulen 1 der Phasen des zweiten Satzes U2, V2 und W2 und des dritten Satzes U3, V3 und W3, die in den Schlitzen 13 angeordnet sind, die zwischen benachbarten Zähnen 2c und 2d, zwischen 2d und 2e, zwischen 2e und 2f, zwischen 2f und 2g und zwischen 2g und 2h entsprechend dem zweiten Zahn-Teilungswinkel α3 gebildet sind, als zweite Spulen 1b definiert.
Die ersten Spulen 1a und die zweiten Spulen 1b sind in den jeweiligen Schlitzen 13 angeordnet, die zwischen den benachbarten Zähne 2b und 2c und zwischen 2h und 2i entsprechend dem Zahn-Teilungswinkel α2 gebildet werden. Die Querschnittsflächen der zweiten Spulen 1b in einem Querschnitt senkrecht zur Drehachse sind kleiner als Querschnittsflächen der ersten Spulen 1a in einem Querschnitt senkrecht zur Drehachse.
Weiterhin ist die Anzahl der Windungen von jeder der Spulen 1 gleich. Daher sind die Querschnittsflächen der leitenden Drähte im Querschnitt senkrecht zur Drehachse entsprechend den Größen der Querschnittsflächen der Spulen 1 im Querschnitt senkrecht zur Drehachse klein. Das heißt, jede der Vielzahl von Spulen 1 hat den um den Zahn 2 gewickelten leitenden Draht, und die Querschnittsfläche des leitenden Drahtes der zweiten Spule 1b ist in einem Querschnitt senkrecht zur Drehachse kleiner als die Querschnittsfläche des leitenden Drahtes der ersten Spule 1a im Querschnitt senkrecht zur Drehachse. Weiterhin wird der Drahtdurchmesser des leitenden Drahtes entsprechend den Größen der Querschnittsflächen der Spulen 1 im Querschnitt senkrecht zur Drehachse ebenfalls kleiner.
Der Widerstand der ersten Spulen 1a, die die Spulen 1 der Phasen des ersten Satzes U1, V1 und W1 sind, ist kleiner als der Widerstand der zweiten Spulen 1b, die die Spulen 1 der Phasen des zweiten Satzes U2, V2 und W2 und des dritten Satzes U3, V3 und W3 sind. Daher wird bei der rotierenden elektrischen Maschine 100b dieser Ausführungsform der Kupfer-Verlust in den ersten Spulen 1a, die sich in einem Umfangsbereich von etwa einem Drittel des oberen Bereichs der rotierenden elektrischen Maschine 100b in radialer Richtung befinden, kleiner als der Kupfer-Verlust in den zweiten Spulen 1b, die sich in einem Umfangsbereich von etwa zwei Dritteln des unteren Bereichs der rotierenden elektrischen Maschine 100b in radialer Richtung befinden.
Ein zweiter Kühlbereich 42a, der ein Bereich ist, der von einer Strich-Doppelpunkt-Kettenlinie in einem Bereich vom Einlass 8 für das Kühlwasser der Kühleinrichtung 40c bis zu den gleichen Umfangspositionen wie die Umfangspositionen der zweiten Spulen 1b umgeben ist, kühlt die zweiten Spulen 1b. Der Auslass 10 für das Kühlwasser der Kühleinrichtung 40c ist an den gleichen Umfangspositionen der Spulen 1 angeordnet, die einen geringeren Kupfer-Verlust erzeugen als die zweiten Spulen 1b, also bei den ersten Spulen 1a. Das heißt, ein erster Kühlbereich 41a, das ist ein von einer Strich-Doppelpunkt-Kettenlinie umgebener Bereich im Bereich des Auslasses 10 für das Kühlwasser der Kühleinrichtung 40c bis zu den gleichen Umfangspositionen wie die Umfangspositionen der ersten Spulen 1a, kühlt die ersten Spulen 1a.
Bei einer solchen Konfiguration werden die Umfangspositionen der zweiten Spulen 1b, die große Kupfer-Verluste erzeugen, auf die Umfangsposition des Einlasses 8 gesetzt, bei der die Kühlleistung der Kühleinrichtung 40c hoch ist. Daher ist es möglich, die Kupfer-Verluste in der rotierenden elektrischen Maschine 100 in Umfangsrichtung gemäß der Umfangsverteilung der Kühlleistung der Kühleinrichtung 40c zu verteilen. Das heißt, die Kühleinrichtung 40c besitzt den ersten Kühlbereich 41a zur Kühlung der ersten Spulen 1a und den zweiten Kühlbereich 42a zur Kühlung der zweiten Spulen 1b. Die Kühlleistung des zweiten Kühlbereichs 42a ist höher als die Kühlleistung des ersten Kühlbereichs 41a.
Daher hat die Kühleinrichtung 40c eine geringere Kühlleistung im ersten Kühlbereich 41a im Umfangsbereich von etwa einem Drittel des oberen Bereichs der rotierenden elektrischen Maschine 100b in radialer Richtung und eine höhere Kühlleistung im zweiten Kühlbereich 42a im Umfangsbereich von etwa zwei Dritteln des unteren Bereichs der rotierenden elektrischen Maschine 100b in radialer Richtung und die Kühlung kann effizient erfolgen. Mit einer solchen Konfiguration kann ein ähnlicher Effekt wie bei der ersten Ausführungsform erreicht werden, indem die Zahn-Teilungswinkel α1, α2 und α3 entsprechend dem Verhältnis der Kühlleistungsverteilung der Kühleinrichtung 40c in Umfangsrichtung geändert werden.
Ausführungsform 3
6 ist eine Schnittansicht einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung senkrecht zur Drehachsenrichtung. Die Konfiguration der rotierenden elektrischen Maschine 100c gemäß dieser Ausführungsform unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform in den folgenden Punkten. In der rotierenden elektrischen Maschine 100c gemäß dieser Ausführungsform in 6, wird als Bezugspunkt 7 die Grenze zwischen der Spule 1 der U1-Phase und der Spule 1 der W3-Phase zwischen den Zähnen 2b und 2c gesetzt. Weiterhin sind die ersten Spulen 1a die Spulen 1 der Phasen des ersten Satzes U1, V1 und W1 und des dritten Satzes U3, V3 und W3. Die zweiten Spulen 1b sind die Spulen 1 der Phasen des zweiten Satzes U2, V2 und W2.
Die spezifische Konfiguration der rotierenden elektrischen Maschine 100c gemäß dieser Ausführungsform wird nachfolgend beschrieben. Die Zahn-Teilungswinkel α1 werden von den Zahn-Mittelachsen der Zähne 2i und 2a, den Zahn-Mittelachsen der Zähne 2a und 2b, den Zahn-Mittelachsen der Zähne 2b und 2c, den Zahn-Mittelachsen der Zähne 2c und 2d sowie den Zahn-Mittelachsen der Zähne 2d und 2e gebildet. Der Zahn-Teilungswinkel α2 ist der Winkel, der von den Zahn-Mittelachsen der Zähne 2e und 2f und den Zahn-Mittelachsen der Zähne 2h und 2i gebildet wird. Der Zahn-Teilungswinkel α3 ist der Winkel, der von den Zahn-Mittelachsen der Zähne 2f und 2g und den Zahn-Mittelachsen der Zähne 2g und 2h gebildet wird. Die Zahn-Teilungswinkel sind mit α1 = 42°, α2 = 39° und α3 = 36° vorgegeben.
Die Zahn-Teilungswinkel werden im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn in Bezug auf den Bezugspunkt 7 kleiner. Daher wird der maximale Zahn-Teilungswinkel α1 als erster Zahn-Teilungswinkel α1 definiert. Dabei werden mindestens einer, der Zahn-Teilungswinkel α2 und α3 kleiner als der erste Zahn-Teilungswinkel α1, ausgehend vom ersten Zahn-Teilungswinkel α1 im Uhrzeigersinn bzw. Gegenuhrzeigersinn. Ein solcher Zahn-Teilungswinkel ist definiert als der zweite Zahn-Teilungswinkel.
Weiterhin ist der größte gemeinsame Teiler zwischen 6, der Anzahl der vielen Magnetpole, und 9, der Anzahl der vielen Zähne 2, die Zahl 3. Im Querschnitt des Stators 20 senkrecht zur Drehachse sind die Zahn-Teilungswinkel α3 im Uhrzeigersinn oder Gegenuhrzeigersinn zwei durchgehend. Die Zahl „2“ ergibt sich aus der Division von 9, die Anzahl der Vielzahl von Zähne durch 3, was der größte gemeinsame Teiler ist, und der Subtraktion von 1 von 3, der Quotient der Division. Weiterhin sind die zwei durchgehenden Teilungswinkel α3 im Uhrzeigersinn oder Gegenuhrzeigersinn gleich.
Die Breiten der Zähne 2a bis 2i in Umfangsrichtung sind alle gleich. Daher werden auch die Querschnittsflächen der Schlitze 13, die zwischen benachbarten Zähnen 2 in einem Querschnitt senkrecht zur Drehachse gebildet werden, ausgehend vom Bezugspunkt 7 im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn kleiner. Weiterhin werden die Querschnittsflächen der Spulen 1 der Phasen des zweiten Satzes U2, V2 und W2 im Querschnitt senkrecht zur Drehachse kleiner als die Querschnittsflächen der Spulen 1 der Phasen des ersten Satzes U1, V1 und W1 und des dritten Satzes U3, V3 und W3 im Querschnitt senkrecht zur Drehachse.
Ferner sind die Querschnittsflächen der Spulen 1 der Phasen des zweiten Satzes U2, V2 und W2 im Querschnitt senkrecht zur Drehachse gleich, und die Querschnittsflächen der Spulen 1 der Phasen des ersten Satzes U1, V1 und W1 und des dritten Satzes U3, V3 und W3 im Querschnitt senkrecht zur Drehachse sind einander gleich.
In der rotierenden elektrischen Maschine 100c dieser Ausführungsform sind die Querschnittsflächen der Spulen 1 im Querschnitt senkrecht zur Drehachse symmetrisch zum Bezugspunkt 7. Die Spulen 1 der Phasen des ersten Satzes U1, V1 und W1 und des dritten Satzes U3, V3 und W3, die in den Schlitzen 13 angeordnet sind, die zwischen benachbarten Zähnen 2i und 2a, zwischen 2a und 2b, zwischen 2b und 2c, zwischen 2c und 2d und zwischen 2d und 2e entsprechend dem ersten Zahn-Teilungswinkel α1 gebildet sind, sind als erste Spulen 1a definiert.
Weiterhin sind die Spulen 1 der Phasen des zweiten Satzes U2, V2 und W2, die in den Schlitzen 13 zwischen benachbarten Zähnen 2f und 2g und zwischen 2g und 2h entsprechend dem zweiten Zahn-Teilungswinkel α3 angeordnet sind, als zweite Spulen 1b definiert.
Die ersten Spulen 1a und die zweiten Spulen 1b sind in den jeweiligen Schlitzen 13 angeordnet, die zwischen den benachbarten Zähnen 2e und 2f gebildet werden, und zwischen 2h und 2i entsprechend dem Zahn-Teilungswinkel α2. Die Querschnittsflächen der zweiten Spulen 1b im Querschnitt senkrecht zur Drehachse sind kleiner als die Querschnittsflächen der ersten Spulen 1a im Querschnitt senkrecht zur Drehachse.
Der Widerstand der ersten Spulen 1a, die Spulen 1 der Phasen des ersten Satzes U1, V1 und W1, und die Spulen 1 der Phasen des dritten Satzes U3, V3 und W3 ist kleiner als der Widerstand der zweiten Spulen 1b, die Spulen 1 der Phasen des zweiten Satzes U2, V2 und W2. Daher sind bei der rotierenden elektrischen Maschine 100c dieser Ausführungsform die Kupfer-Verluste in den ersten Spulen 1a, die sich in einem Umfangsbereich von etwa zwei Dritteln des oberen Bereichs der rotierenden elektrischen Maschine 100c in radialer Richtung befinden, kleiner als die Kupfer-Verluste in den zweiten Spulen 1b, die sich in einem Umfangsbereich von etwa einem Drittel des unteren Bereichs der rotierenden elektrischen Maschine 100c in radialer Richtung befinden.
Ein zweiter Kühlbereich 42b, der ein Bereich ist, der von einer Strich-Doppelpunkt-Kettenlinie in einem Bereich vom Einlass 8 für das Kühlwasser der Kühleinrichtung 40d bis zu den gleichen Umfangspositionen wie die Umfangspositionen der zweiten Spulen 1b umgeben ist, kühlt die zweiten Spulen 1b. Der Auslass 10 für das Kühlwasser der Kühleinrichtung 40d ist an den gleichen Umfangspositionen der Spulen 1 angeordnet, die geringere Kupfer-Verluste erzeugen als die zweiten Spulen 1b, also die ersten Spulen 1a.
Das bedeutet, ein erster Kühlbereich 41b, das ist ein von einer Strich-Doppelpunkt-Kettenlinie umgebener Bereich im Bereich beim Auslass 10 für das Kühlwasser der Kühleinrichtung 40d bis zu den gleichen Umfangspositionen wie die Umfangspositionen der ersten Spulen 1a, kühlt die ersten Spulen 1a.
Bei einer solchen Konfiguration werden die Umfangspositionen der zweiten Spulen 1b, die große Kupfer-Verluste erzeugen, auf die Umfangsposition des Einlasses 8 gesetzt, bei der die Kühlleistung der Kühleinrichtung 40d hoch ist. Daher ist es möglich, die Kupfer-Verluste in der rotierenden elektrischen Maschine 100 in Umfangsrichtung gemäß der Umfangsverteilung der Kühlleistung der Kühleinrichtung 40d zu verteilen. Das heißt, die Kühleinrichtung 40d besitzt den ersten Kühlbereich 41b zur Kühlung der ersten Spulen 1a und den zweiten Kühlbereich 42b zur Kühlung der zweiten Spulen 1b. Die Kühlleistung des zweiten Kühlbereichs 42b ist höher als die Kühlleistung des ersten Kühlbereichs 41b.
Daher hat die Kühleinrichtung 40d eine geringere Kühlleistung am ersten Kühlbereich 41b im Umfangsbereich von etwa einem Drittel des oberen Bereichs der rotierenden elektrischen Maschine 100b in radialer Richtung und eine höhere Kühlleistung am zweiten Kühlbereich 42b im Umfangsbereich von etwa zwei Dritteln des unteren Bereichs der rotierenden elektrischen Maschine 100b in radialer Richtung, und die Kühlung kann effizient erfolgen. Mit einer solchen Konfiguration kann ein ähnlicher Effekt wie bei der ersten Ausführungsform erreicht werden, indem die Zahn-Teilungswinkel α1, α2 und α3 entsprechend dem Verhältnis der Kühlleistungsverteilung der Kühleinrichtung 40d in Umfangsrichtung geändert werden.
In einem Fall, in dem die magnetische Struktur der rotierenden elektrischen Maschine 100b die Struktur in dreifacher Rotationssymmetrie in Umfangsrichtung wie bei der zweiten und der dritten Ausführungsformen aufweist, können die Querschnittsflächen der Spulen 1 in den Spulen 1 der Phasen des ersten, zweiten und dritten Satzes im Querschnitt senkrecht zur Drehachse eine Vielzahl von Kombinationen aufweisen.
So können beispielsweise die folgenden beiden Kombinationen verwendet werden: ein Fall, in dem die Querschnittsflächen der Spulen 1 der Phasen des ersten Satzes im Querschnitt senkrecht zur Drehachse größer sind als die Querschnittsflächen der Spulen 1 der Phasen des zweiten und dritten Satzes im Querschnitt senkrecht zur Drehachse; und ein Fall, in dem die Querschnittsflächen der Spulen 1 der Phasen des ersten und dritten Satzes im Querschnitt senkrecht zur Drehachse größer sind als die Querschnittsflächen der Spulen 1 der Phasen des zweiten Satzes im Querschnitt senkrecht zur Drehachse.
Nun gibt es bei der ersten Ausführungsform nur eine Kombination, bei der die Querschnittsflächen der Spulen 1 der Phasen des ersten Satzes U1, V1 und W1 im Querschnitt senkrecht zur Drehachse größer sind als die Querschnittsflächen der Spulen 1 der Phasen des zweiten Satzes U2, V2 und W2 im Querschnitt senkrecht zur Drehachse. Weiterhin können dritte Spulen 3, die im Querschnitt senkrecht zur Drehachse kleinere Querschnittsflächen aufweisen als die der ersten Spulen 1a und der zweiten Spulen 1b, für eine Kombination der Querschnittsflächen entsprechend der Anzahl der Magnetpole und der Anzahl Schlitze verwendet werden.
Weiterhin können vierte Spulen verwendet werden, die im Querschnitt senkrecht zur Drehachse kleinere Querschnittsflächen aufweisen als die der dritten Spulen. So können die verschiedenen Größen der Querschnittsflächen und die verschiedenen Anzahlen von Spulen 1 mit den gleichen Querschnittsflächen vorgesehen werden.
Ausführungsform 4
7 ist eine Schnittansicht einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung senkrecht zur Drehachsenrichtung. Die Konfiguration der rotierenden elektrischen Maschine 100d gemäß dieser Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform in den folgenden Punkten. In der rotierenden elektrischen Maschine 100d gemäß dieser Ausführungsform gemäß 7 werden die Basisbereiche 4 und die distalen Endbereiche 3 der Zähne 2 in Umfangsrichtung entsprechend der Änderung der Zahn-Teilungswinkel α1, α2 und α3 der Zähne 2 verschoben. Weiterhin sind die Breiten der distalen Endbereiche 3 der sechs Zähne 2 in Umfangsrichtung alle gleich.
Daher sind die Abstände in Umfangsrichtung jeweils zwischen dem einen von beiden Enden 3 des distalen Endbereichs 3 eines Zahn 2 in Umfangsrichtung und dem anderen von beiden Enden des distalen Endbereichs 3 eines anderen Zahn 2 in Umfangsrichtung, die an das eine Ende von beiden Enden des distalen Endbereichs 3 des einen Zahns 2 in Umfangsrichtung angrenzen, in einem Bereich der rotierenden elektrischen Maschine 100d unterschiedlich.
Das heißt, der Abstand in Umfangsrichtung, der definiert ist zwischen dem einen von beiden Enden des distalen Endbereichs 3 des Zahns 2b in Umfangsrichtung und dem anderen Ende beider Enden des distalen Endbereichs 3 des Zahns 2c in Umfangsrichtung, der dem Zahn 2b benachbart ist, ist kleiner als der Abstand in Umfangsrichtung zwischen dem einen von beiden Enden des distalen Endbereichs 3 des Zahns 2a in Umfangsrichtung und dem anderen von beiden Enden des distalen Endbereichs 3 des Zahns 2b in Umfangsrichtung, der dem Zahn 2a benachbart ist.
Weiterhin ist der Abstand in Umfangsrichtung zwischen dem einen von beiden Enden des distalen Endbereichs 3 des Zahns 2c in Umfangsrichtung und dem anderen der beiden Enden des distalen Endbereichs 3 des Zahns 2d in Umfangsrichtung, der dem Zahn 2c benachbart ist, kleiner als der Abstand in Umfangsrichtung zwischen dem einen der beiden Enden des distalen Endbereichs 3 des Zahns 2b in Umfangsrichtung und dem anderen der beiden Enden des distalen Endbereichs 3 des Zahns 2c in Umfangsrichtung, der dem Zahn 2b benachbart ist.
Ferner sind in der rotierenden elektrischen Maschine 100d dieser Ausführungsform die Abstände in Umfangsrichtung, die jeweils zwischen dem einen der beiden Enden des distalen Endbereichs 3 in Umfangsrichtung und dem anderen der beiden Enden des distalen Endbereichs 3 der Zähne 2 in Umfangsrichtung, der an das eine der beiden Enden des distalen Endbereichs 3 in Umfangsrichtung angrenzt, symmetrisch zum Bezugspunkt 7.
Weiterhin wird der Statorkern 15a durch die Kernrückseite 14 und die Zähne 2a bis 2f gebildet, die separate Elemente sind, die in einem Stück ausgebildet werden sollen. Die distalen Endbereiche 3 von jedem der Zähne 2 sind symmetrisch zu den Zahn-Mittelachsen der Zähne 2a bis 2f. Daher kann der Statorkern 15a durch Einstellen der Umfangspositionen der Zähne 2a bis 2f gegenüber der Kernrückseite 14 hergestellt werden. Dementsprechend kann der Statorkern 15a unter Verwendung von Zähnen 2 mit gleicher Form hergestellt werden. Daher können in der rotierenden elektrischen Maschine 100d gemäß dieser Ausführungsform die Anzahl der Formen, die zum Ausstanzen eines elektromagnetischen Stahlblechs zum Statorkern 15a verwendet werden, reduziert und damit die Kosten der Formen reduziert werden.
Ausführungsform 5
8 ist eine Schnittansicht einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung senkrecht zur Drehachsenrichtung. Die Konfiguration der rotierende elektrische Maschine 100e gemäß dieser Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform in den folgenden Punkten. In der rotierenden elektrischen Maschine 100e gemäß dieser Ausführungsform gemäß 8 sind die Querschnittsflächen der Spulen 1 im Querschnitt senkrecht zur Drehachse gegenüber dem Bezugspunkt 7 asymmetrisch. Das heißt, der Zahn-Teilungswinkel α11 ist der Winkel, der durch die Zahn-Mittelachsen der Zähne 2f und 2a gebildet wird. Der Zahn-Teilungswinkel α12 ist der Winkel, der durch die Zahn-Mittelachsen der Zähne 2e und 2f gebildet wird.
Der Zahn-Teilungswinkel α13 ist der Winkel, der durch die Zahn-Mittelachsen der Zähne 2d und 2e gebildet wird. Der Zahn-Teilungswinkel α21 ist der Winkel, der durch die Zahn-Mittelachsen der Zähne 2a und 2b gebildet wird. Der Zahn-Teilungswinkel α22 ist der Winkel, der durch die Zahn-Mittelachsen der Zähne 2b und 2c gebildet wird. Der Zahn-Teilungswinkel α23 ist der Winkel, der durch die Zahn-Mittelachsen der Zähne 2c und 2d gebildet wird. Die Zahn-Teilungswinkel sind mit α11 = 62°, α12 = 60°, α13 = 58°, α21 = 63°, α22 = 60° und α23 = 57° vorgegeben.
Der Zahn-Teilungswinkel wird im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn in Bezug auf den Bezugspunkt 7 kleiner. Daher ist der maximale Zahn-Teilungswinkel α21 als erster Zahn-Teilungswinkel α21 definiert. Dabei wird mindestens einer der Zahn-Teilungswinkel α11, α12, α13, α22 und α23 kleiner als der erste Zahn-Teilungswinkel α21, ausgehend vom ersten Zahn-Teilungswinkel α2 im Uhrzeigersinn bzw. Gegenuhrzeigersinn. Der Zahn-Teilungswinkel ist definiert als der zweite Zahn-Teilungswinkel.
Die Querschnittsflächen der Spulen 1 der Phasen U1, V1, W1, U2, V2 und W2 im Querschnitt senkrecht zur Drehachse sind unterschiedlich. Das heißt, die Querschnittsfläche der dritten Spule 1c, also der Spule 1 der U1-Phase, ist im Querschnitt senkrecht zur Drehachse kleiner als die Querschnittsfläche der ersten Spule 1a, also der Spule 1 der V1-Phase im Querschnitt senkrecht zur Drehachse. Die Querschnittsfläche der vierten Spule 1d, also der Spule 1 der W2-Phase, im Querschnitt senkrecht zur Drehachse ist kleiner als die Querschnittsfläche der dritten Spule 1c, also der Spule 1 der U1-Phase, im Querschnitt senkrecht zur Drehachse.
Die Querschnittsfläche der zweiten Spule 1b, also der Spule 1 der V2-Phase, ist im Querschnitt senkrecht zur Drehachse kleiner als die Querschnittsfläche der vierten Spule 1d, also der Spule 1 der W2-Phase im Querschnitt senkrecht zur Drehachse. Die Querschnittsfläche der fünften Spule 1e, also der Spule 1 der W1-Phase, ist im Querschnitt senkrecht zur Drehachse kleiner als die Querschnittsfläche der ersten Spule 1a, also der Spule 1 der V1-Phase, im Querschnitt senkrecht zur Drehachse. Die Querschnittsfläche der sechsten Spule 1f, also der Spule 1 der U2-Phase, ist im Querschnitt senkrecht zur Drehachse kleiner als die Querschnittsfläche der fünften Spule 1e, also der Spule 1 der W1-Phase, im Querschnitt senkrecht zur Drehachse.
Die Querschnittsfläche der zweiten Spule 1b, also der Spule 1 der V2-Phase, ist im Querschnitt senkrecht zur Drehachse kleiner als die Querschnittsfläche der sechsten Spule 1f, also der Spule 1 der U2-Phase im Querschnitt senkrecht zur Drehachse. Die Querschnittsfläche der fünften Spule 1e, also der Spule 1 der W1-Phase, ist im Querschnitt senkrecht zur Drehachse kleiner als die Querschnittsfläche der dritten Spule 1c, also der Spule 1 der U1-Phase, im Querschnitt senkrecht zur Drehachse.
Die Querschnittsfläche der vierten Spule 1d, also der Spule 1 der W2-Phase, ist im Querschnitt senkrecht zur Drehachse kleiner als die Querschnittsfläche der sechsten Spule 1f, also der Spule 1 der U2-Phase, im Querschnitt senkrecht zur Drehachse. Daher ist die Querschnittsfläche der zweiten Spule 1b, die die Spule 1 der V2-Phase ist, im Querschnitt senkrecht zur Drehachse kleiner als die Querschnittsfläche der ersten Spule 1a, die die Spule 1 der V1-Phase ist, im Querschnitt senkrecht zur Drehachse.
Daher sind die erste Spule 1a, die die Spule 1 der V1-Phase ist, und die dritte Spule 1c, die die Spule der U1-Phase ist, in dem zwischen den benachbarten Zähnen 2a und 2b gebildeten Schlitz 13 angeordnet, der dem ersten Zahn-Teilungswinkel α21 entspricht. Die dritte Spule 1c, die Spule 1 der U1-Phase, und die vierte Spule 1d, die Spule 1 der W2-Phase, sind in dem zwischen den benachbarten Zähnen 2b und 2c gebildeten Schlitz 13 angeordnet, der dem Zahn-Teilungswinkel α22 entspricht.
Die vierte Spule 1d, die die Spule 1 der W2-Phase ist, und die zweite Spule 1b, die die Spule 1 der V2-Phase ist, sind in dem Schlitz 13 angeordnet, der zwischen den benachbarten Zähne 2c und 2d entsprechend dem zweiten Zahn-Teilungswinkel α23 gebildet wird. Die erste Spule 1a, die die Spule 1 der V1-Phase ist, und die fünfte Spule 1e, die die Spule 1 der W1-Phase ist, sind in dem zwischen den benachbarten Zähnen 2a und 2f gebildeten Schlitz 13 angeordnet, der dem Zahn-Teilungswinkel α11 entspricht.
Die fünfte Spule 1e, die Spule 1 der W1-Phase, und die sechste Spule 1f, die Spule 1 der U2-Phase, sind in dem zwischen den benachbarten Zähnen 2f und 2e gebildeten Schlitz 13 entsprechend dem Zahn-Teilungswinkel α12 angeordnet. Die sechste Spule 1f, die die Spule 1 der U2-Phase ist, und die zweite Spule 1b, die die Spule 1 der V2-Phase ist, sind in dem zwischen den benachbarten Zähnen 2e und 2d gebildeten Schlitz 13 angeordnet, der dem Zahn-Teilungswinkel α13 entspricht.
Weiterhin ist die Anzahl der Windungen von jeder der Spulen 1 gleich groß. Daher sind die Querschnittsflächen der leitenden Drähte im Querschnitt senkrecht zur Drehachse entsprechend den Größen der Querschnittsflächen der Spulen 1 im Querschnitt senkrecht zur Drehachse klein. Das heißt, jede der Vielzahl von Spulen 1 weist den um den Zahn 2 gewickelten leitenden Draht auf, und die Querschnittsfläche des leitenden Drahtes der zweiten Spule 1b im Querschnitt senkrecht zur Drehachse ist kleiner als die Querschnittsfläche des leitenden Drahtes der ersten Spule 1a im Querschnitt senkrecht zur Drehachse.
Weiterhin wird der Drahtdurchmesser des leitenden Drahtes entsprechend den Größen der Querschnittsflächen der Spulen 1 im Querschnitt senkrecht zur Drehachse ebenfalls kleiner.
Der Spulen-Raumfaktor, der das Verhältnis der Querschnittsflächen der Spulen 1 im Querschnitt senkrecht zur Drehachse zu derjenigen der Schlitze 13 ist, in denen jede Spule 1 montiert ist, wird als gleich angenommen. Daher sind die Querschnittsflächen der Spulen 1 im Querschnitt senkrecht zur Drehachse asymmetrisch zum Bezugspunkt 7 im Querschnitt gemäß 8. In dieser Konfiguration ist der Widerstand der dritten Spule 1c, die die Spule 1 der U1-Phase ist, größer als der Widerstand der ersten Spule 1a, die die Spule 1 der V1-Phase ist. Der Widerstand der vierten Spule 1d, also der Spule 1 der W2-Phase, ist größer als der Widerstand der dritten Spule 1c, also der Spule 1 der U1-Phase. Der Widerstand der zweiten Spule 1b, also der Spule 1 der V2-Phase, ist größer als der Widerstand der vierten Spule 1d, die die Spule 1 der W2-Phase ist.
Der Widerstand der fünften Spule 1e, also der Spule 1 der W1-Phase, ist größer als der Widerstand der ersten Spule 1a, die die Spule 1 der V1-Phase ist. Der Widerstand der sechsten Spule 1f, also der Spule 1 der U2-Phase, ist größer als der Widerstand der fünften Spule 1e, die die Spule 1 der W1-Phase ist. Der Widerstand der zweiten Spule 1b, also der Spule 1 der V2-Phase, ist größer als der Widerstand der sechsten Spule 1f, also der Spule 1 der U2-Phase. Der Widerstand der fünften Spule 1e, also der Spule 1 der W1-Phase, ist größer als der Widerstand der dritten Spule 1c, die die Spule 1 der U1-Phase ist. Der Widerstand der vierten Spule 1d, also der Spule 1 der W2-Phase, ist größer als der Widerstand der sechsten Spule 1f, also der Spule 1 der U2-Phase. Daher ist der Widerstand der zweiten Spule 1b, also der Spule 1 der V2-Phase, größer als der Widerstand der ersten Spule 1a, die die Spule 1 der V1-Phase ist.
Weiterhin sind die Spulen 1 der gleichen Phasen, d.h. U1 und U2, V1 und V2, und W1 und W2 in Reihe geschaltet. Nun sind die Widerstände der Spulen 1 von jeder der Phasen in einigen Fällen nicht gleich. Weiterhin werden die Ströme der einzelnen Phasen in gleicher Größenordnung auf die Spulen 1 aufgebracht, so dass die in der ersten Spule 1a bis zur sechsten Spule 1f erzeugten Kupfer-Verluste einem Größenverhältnis der Spulenwiderstände entsprechen. Mit anderen Worten, da die Querschnittsflächen der Spulen 1 in 8 klein werden, d.h. da die Widerstände der Spulen 1 erhöht werden, werden die in den Spulen 1 erzeugten Kupfer-Verluste erhöht.
Weiterhin sind die Breiten der Zähne 2 in Umfangsrichtung alle gleich und auch der Spulen-Raumfaktor der Spulen 1 in jedem der Schlitze 13 ist gleich. Daher ist die Summe der Querschnittsflächen aller Spulen 1 des Stators 20 im Querschnitt senkrecht zur Drehachse gleich der Summe der Querschnittsflächen der Spulen 1 in einer Konfiguration, in der die Zahn-Teilungswinkel α11, α12, α13, α21, α22 und α23 alle gleich im Querschnitt senkrecht zur Drehachse sind. Wenn also die an die Spulen 1 angelegten Ströme gleich sind, ist die Summe der in den Spulen 1 erzeugten Kupfer-Verluste gleich der Summe der in den Spulen 1 erzeugten Kupfer-Verluste in der Konfiguration, in der die Zahn-Teilungswinkel α11, α12, α13, α21, α22 und α23 alle gleich sind.
Das heißt, die Zahn-Teilungswinkel α11, α12, α13, α21, α22 und α23 werden in Umfangsrichtung zur Bildung der gleichen Summe verschoben und somit werden die in den Spulen 1 in Umfangsrichtung erzeugten Kupfer-Verluste verteilt, ohne die Summe der in den Spulen 1 erzeugten Kupfer-Verlust zu verändern.
Eine Kühleinrichtung zur Kühlung der rotierenden elektrischen Maschine 100e gemäß dieser Ausführungsform wird nachfolgend beschrieben. In einer Kühleinrichtung 40e der rotierenden elektrischen Maschine 100e dieser Ausführungsform gemäß 8 ist zwischen den Zähnen 2c und 2d in Umfangsrichtung am Außenumfang des Außenrahmens 12 ein Einlass 8a vorgesehen, der es dem Kühlwasser ermöglicht, von außen nach innen und in einen Strömungsweg 9 einzulaufen. Zwischen den Zähnen 2a und 2b in Umfangsrichtung am Außenumfang des Außenrahmens 12 ist ein Auslass 10a vorgesehen, damit das Kühlwasser aus dem Strömungsweg 9 nach außen abfließen kann.
Bei dieser Ausführungsform ist, wie in 8 dargestellt, der Einlass 8a für das Kühlwasser der Kühleinrichtung 40e zwischen den Zähnen 2c und 2d in Umfangsrichtung angeordnet, also zwischen der zweiten Spule 1b, die die Spule 1 der V2-Phase mit den größten zu erzeugenden Kupfer-Verlusten ist, und der vierten Spule 1d, die die Spule 1 der W2-Phase in Umfangsrichtung ist. Das heißt, ein zweiter Kühlbereich 42c, der ein von einer Strich-Doppelpunkt-Kettenlinie umgebener Bereich im Bereich des Einlasses 8a für das Kühlwasser der Kühleinrichtung 40e bis zu den gleichen Umfangspositionen wie die Umfangspositionen der zweiten Spule 1b und der vierten Spule 1d ist, kühlt die zweite Spule 1b, die die Spule 1 der V2-Phase ist, und die vierte Spule 1d, die die Spule 1 der W2-Phase ist.
Der Auslass 10a für das Kühlwasser der Kühleinrichtung 40e ist in Umfangsrichtung zwischen den Zähnen 2a und 2b angeordnet, d.h. in Umfangsrichtung zwischen der ersten Spule 1a, die die Spule 1 der V1-Phase mit den kleinsten zu erzeugenden Kupfer-Verlusten ist, und der dritten Spule 1c, die die Spule 1 der U1-Phase ist. Das heißt, der erste Kühlbereich 42c, das ist der von einer Strich-Doppelpunkt-Kettenlinie umgebene Bereich in einem Bereich vom Auslass 10a für das Kühlwasser der Kühleinrichtung 40e bis zu den gleichen Umfangspositionen wie die Umfangspositionen der ersten Spule 1a und der dritten Spule 1c, kühlt die erste Spule 1a, die die Spule 1 der V1-Phase ist, und die dritte Spule 1c, die die Spule 1 der U1-Phase ist.
Bei einer solchen Konfiguration wird der Zahn-Teilungswinkel α23 einschließlich der zweiten Spule 1b mit der größten zu erzeugenden Kupfer-Verlust an der Umfangsposition des Einlasses 8a gebildet, an der die Kühlleistung der Kühleinrichtung 40e hoch ist. Der Zahn-Teilungswinkel α21 einschließlich der ersten Spule 1a mit dem kleinsten zu erzeugenden Kupfer-Verlust wird an der Umfangsposition des Auslasses 10a gebildet, an dem die Kühlleistung der Kühleinrichtung 40e niedrig ist.
Aus diesem Grund können die Kupfer-Verluste in der rotierenden elektrischen Maschine 100e in Umfangsrichtung entsprechend der Umfangsverteilung der Kühlleistung der Kühleinrichtung 40e verteilt werden. Das heißt, die Kühleinrichtung 40e besitzt den ersten Kühlbereich 41c zur Kühlung der ersten Spule 1a und den zweiten Kühlbereich 42c zur Kühlung der zweiten Spule 1b. Die Kühlleistung des zweiten Kühlbereichs 42c ist höher als die Kühlleistung des ersten Kühlbereichs 41c. Nun ist die Kühlleistung der Kühleinrichtung 40e gegenüber dem Bezugspunkt 7 asymmetrisch.
Das heißt, die Kühlleistung der Kühleinrichtung 40e im Umfangsbereich vom Einlass 8a zum Auslass 10a gegen den Uhrzeigersinn ist höher als die Kühlleistung der Kühleinrichtung 40e im Umfangsbereich vom Einlass 8a zum Auslass 10a im Uhrzeigersinn. Somit kann die Kühleinrichtung 40e die rotierende elektrische Maschine 100e gemäß der Verteilung der Kupfer-Verluste der rotierenden elektrischen Maschine 100e effizient kühlen.
Ausführungsform 6
9 ist eine Schnittansicht einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung senkrecht zur Drehachse. Die Konfiguration der rotierenden elektrischen Maschine 100f gemäß dieser Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform in den folgenden Punkten. In der rotierenden elektrischen Maschine 100f gemäß dieser Ausführungsform gemäß 9 ist die Anzahl der Magnetpole zehn und die Anzahl der Schlitze 13 zwölf.
In 9 wird als Bezugspunkt 7 die Grenze zwischen der Spule 1 der +V1-Phase und der Spule 1 der -VI-Phase zwischen den Zähnen 2a und 2b gesetzt.
Die zwölf Zähne 2 sind durch die Bezugszeichen 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i, 2j, 2k und 2m in einer Reihenfolge im Uhrzeigersinn von der Zahn-Mittelachse des Zahns 2a mit der Spule 1 der +V1-Phase gekennzeichnet. Dann werden im Querschnitt gemäß 9 die Phasen der zwölf Spulen 1, die um die Zähne 2a bis 2m gewickelt sind, in der Reihenfolge von +V1, -V1, -U1, +U1, +W2, -W2, -V2, +V2, +U2, +U2, -U2, -W1 und +W1 im Uhrzeigersinn, beginnend bei Zahn 2a angeordnet.
Die Zeichen „+“ und „-“ stellen die unterschiedlichen Wicklungspolaritäten der Spulen 1 dar und zeigen an, dass die Richtungen des in den Spulen 1 erzeugten elektromagnetischen Feldes in radialer Richtung entgegengesetzt sind, wenn die Ströme in gleicher Richtung durch die Spulen 1 fließen, d.h. die rotierende elektrische Maschine 100f gemäß dieser Ausführungsform hat eine Struktur, in der Sätze von fünf Magnetpolen und sechs Schlitzen in Umfangsrichtung mit den invertierten Polaritäten der Magnetpole zweimal wiederholt werden.
Die Phasen der Spulen 1 werden durch Phasen der Spulen 1 des ersten Satzes -W1, +W1, +V1, +V1, -V1, -U1 und +U1 und Phasen der Spulen 1 des zweiten Satzes +W2, -W2, -V2, +V2, +U2 und -U2 gebildet. So weist die magnetische Struktur der rotierenden elektrischen Maschine 100f eine Struktur der zweifachen Rotationsasymmetrie in Umfangsrichtung, also in Drehrichtung, auf.
Die Winkel, die durch die Zahn-Mittelachsen der benachbarten Zähne 2 aus der Vielzahl der Zähne 2 gebildet werden, sind definiert als Zahn-Teilungswinkel α1, α2 und α3. Der Zahn-Teilungswinkel α1 ist der Winkel, der zwischen den Zahn-Mittelachsen der Zähne 2k und 2m, den Zahn-Mittelachsen der Zähne 2m und 2a, den Zahn-Mittelachsen der Zähne 2a und 2b, den Zahn-Mittelachsen der Zähne 2b und 2c und den Zahn-Mittelachsen der Zähne 2c und 2d gebildet wird.
Der Zahn-Teilungswinkel α2 ist der Winkel, der zwischen den Zahn-Mittelachsen der Zähne 2d und 2e und den Zahn-Mittelachsen der Zähne 2j und 2k gebildet wird. Der Zahn-Teilungswinkel α3 ist der Winkel, der zwischen den Zahn-Mittelachsen der Zähne 2e und 2f, den Zahn-Mittelachsen der Zähne 2f und 2g, den Zahn-Mittelachsen der Zähne 2g und 2h, den Zahn-Mittelachsen der Zähne 2h und 2i und den Zahn-Mittelachsen der Zähne 2i und 2j gebildet wird. Die Zahn-Teilungswinkel sind mit α1 = 32°, α2 = 30° und α3 = 28° vorgegeben.
Der Zahn-Teilungswinkel wird im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn in Bezug auf den Bezugspunkt 7 kleiner. Daher wird der maximale Zahn-Teilungswinkel α1 als erster Zahn-Teilungswinkel α1 definiert. Dabei werden mindestens einer der Zahn-Teilungswinkel α2 und/oder α3 kleiner als der erste Zahn-Teilungswinkel α1, ausgehend vom ersten Zahn-Teilungswinkel α1 im Uhrzeigersinn bzw. Gegenuhrzeigersinn. Der Zahn-Teilungswinkel ist definiert als der zweite Zahn-Teilungswinkel.
Weiterhin ist der größte gemeinsame Teiler zwischen 10, der Anzahl der vielen Magnetpole, und 12, der Anzahl der vielen Zähne 2, die Zahl 2. Im Querschnitt des Stators 20 senkrecht zur Drehachse sind die Zahn-Teilungswinkel α1 im Uhrzeigersinn oder Gegenuhrzeigersinn fünfmal nacheinander vorgesehen. Die Zahl „5“ ergibt sich aus der Division von 12, wobei die Anzahl der Vielzahl von Zähnen durch 2 der größte gemein-same Teiler 2 ist, und der Subtraktion von 1 von 6, was der Quotient der Division ist. Die Zahn-Teilungswinkel α1, die nacheinander zu zweit im Uhrzeigersinn oder Gegenuhrzeigersinn liegen, sind gleich.
Im Querschnitt des Stators 20 senkrecht zur Drehachse sind fünf Zahn-Teilungswinkel α3 im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn durchgehend nacheinander vorgesehen. Die Zahl „5“ ergibt sich aus der Division von 12, wobei die Anzahl der Vielzahl von Zähnen durch 2 der größte gemeinsame Teiler 2 ist, und der Subtraktion von 1 von 6, was der Quotient der Division ist. Weiterhin sind die fünf Zahn-Teilungswinkel α3 im Uhrzeigersinn oder Gegenuhrzeigersinn nacheinander angeordnet und gleich.
Die Breiten der Zähne 2a bis 2m in Umfangsrichtung sind alle gleich. Daher werden auch die Querschnittsflächen der Schlitze 13, die zwischen benachbarten Zähnen 2 in einem Querschnitt senkrecht zur Drehachse gebildet werden, kleiner, ausgehend vom Bezugspunkt 7 im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn. Das heißt, die Querschnittsflächen der Spulen 1 der Phasen des zweiten Satzes +W2, -W2, -V2, +V2, +U2 und -U2 im Querschnitt senkrecht zur Drehachse werden kleiner als die Querschnittsflächen der Spulen 1 der Phasen des ersten Satzes -W1, +W1, +V1, -V1, -U1 und +U1 im Querschnitt senkrecht zur Drehachse.
Weiterhin sind die Querschnittsflächen der Spulen 1 der Phasen des ersten Satzes -W1, +W1, +V1, -V1, -U1 und +U1 im Querschnitt senkrecht zur Drehachse gleich. Die Querschnittsflächen der Spulen 1 der Phasen des zweiten Satzes +W2, -W2, -V2, +V2, +U2 und -U2 im Querschnitt senkrecht zur Drehachse sind gleich.
Weiterhin ist die Konfiguration der Zähne 2 so, dass die Zahn-Teilungswinkel α1, α2 und α3 variieren, aber nur die Basisbereiche 4 der Zähne 2 werden in Umfangsrichtung verschoben. Daher sind die Abstände in Umfangsrichtung, die jeweils zwischen dem einen von beiden Enden des distalen Endbereichs 3 eines Zahnes 2 in Umfangsrichtung und dem anderen der beiden Enden des distalen Endbereichs 3 eines anderen Zahnes in Umfangsrichtung definiert sind, die an das eine Ende der beiden Enden des distalen Endbereichs 3 des einen Zahnes 2 in Umfangsrichtung angrenzen, alle gleich. Weiterhin sind die Breiten der distalen Endbereiche 3 der zwölf Zähne 2 in Umfangsrichtung alle gleich.
Bei der rotierenden elektrischen Maschine 100f gemäß dieser Ausführungsform sind die Querschnittsflächen der Spulen 1 im Querschnitt senkrecht zur Drehachse symmetrisch zum Bezugspunkt 7. Die Spulen 1 der Phasen des ersten Satzes -W1, +W1, +V1, -V1, -U1 und +U1, die in den Schlitzen 13 angeordnet sind und jeweils zwischen benachbarten Zähnen 2k und 2m, zwischen 2m und 2a, zwischen 2a und 2b, zwischen 2b und 2c und zwischen 2c und 2d entsprechend dem ersten Zahn-Teilungswinkel α1 gebildet sind, sind als erste Spulen 1a definiert. Weiterhin sind die Spulen 1 der Phasen des zweiten Satzes +W2, -W2, -V2, +V2, +U2 und -U2, die in den Schlitzen 13 angeordnet sind, die jeweils zwischen benachbarten Zähne 2e und 2f, zwischen 2f und 2g, zwischen 2g und 2h, zwischen 2h und 2i und zwischen 2i und 2j entsprechend dem zweiten Zahnungswinkel α3 gebildet sind, als zweite Spulen 1b definiert.
Die ersten Spulen 1a und die zweiten Spulen 1b sind in den jeweiligen Schlitzen 13 angeordnet, die zwischen den benachbarten Zähnen 2d und 2e und zwischen 2j und 2k entsprechend dem Zahn-Teilungswinkel α2 gebildet werden. Die Querschnittsflächen der zweiten Spulen 1b im Querschnitt senkrecht zur Drehachse sind kleiner als die Querschnittsflächen der ersten Spulen 1a im Querschnitt senkrecht zur Drehachse.
Weiterhin ist die Anzahl der Windungen jeder der Spulen 1 gleich groß. Daher sind die Querschnittsflächen der leitenden Drähte im Querschnitt senkrecht zur Drehachse entsprechend den Größen der Querschnittsflächen der Spulen 1 im Querschnitt senkrecht zur Drehachse kleiner. Das heißt, jede der Vielzahl von Spulen 1 hat den um den Zahn 2 gewickelten leitenden Draht, und die Querschnittsfläche des leitenden Drahtes der zweiten Spule 1b im Querschnitt senkrecht zur Drehachse ist kleiner als die Querschnittsfläche des leitenden Drahtes der ersten Spule 1a im Querschnitt senkrecht zur Drehachse. Weiterhin wird in ähnlicher Weise auch der Drahtdurchmesser des leitenden Drahtes entsprechend den Größen der Querschnittsflächen der Spulen 1 im Querschnitt senkrecht zur Drehachse kleiner.
Der Widerstand der ersten Spulen 1a, die die Phasen der Spulen 1 des ersten Satzes -W1, +W1, + V1, -V1, -U1 sind, ist kleiner als der Widerstand der zweiten Spulen 1b, die die Phasen der Spulen 1 des zweiten Satzes +W2, -W2, -V2, +V2, +U2 und -U2 sind. Daher werden in der rotierenden elektrischen Maschine 100f dieser Ausführungsform die Kupfer-Verluste in den ersten Spulen 1a, die sich in einem Umfangsbereich von etwa der Hälfte des oberen Bereichs in radialer Richtung der rotierenden elektrischen Maschine 100f befinden, kleiner als die Kupfer-Verluste in den zweiten Spulen 1b von etwa der Hälfte des unteren Bereichs in radialer Richtung der rotierenden elektrischen Maschine 100f.
Ein zweiter Kühlbereich 42d, der ein von einer Strich-Doppelpunkt-Kettenlinie umgebener Bereich ist, der vom Einlass 8 für das Kühlwasser der Kühleinrichtung 40f bis zu den gleichen Umfangspositionen wie die Umfangspositionen der zweiten Spulen 1b reicht, kühlt die zweite Spulen 1b. Der Auslass 10 für das Kühlwasser der Kühleinrichtung 40f ist an den gleichen Umfangspositionen der Spulen 1 angeordnet, die geringere Kupfer-Verlust erzeugen als die zweiten Spulen 1b, also die ersten Spulen 1a. Das heißt, ein erster Kühlbereich 41d, das ist ein von einer Strich-Doppelpunkt-Kettenlinie umgebener Bereich im Bereich vom Auslass 10 für das Kühlwasser der Kühleinrichtung 40f bis zu den gleichen Umfangspositionen wie die Umfangspositionen der ersten Spulen 1a, kühlt die ersten Spulen 1a.
Bei dieser Konfiguration werden die Umfangspositionen der zweiten Spulen 1b, die große Kupfer-Verluste erzeugen, auf die Umfangsposition des Einlasses 8 gesetzt, bei der die Kühlleistung der Kühleinrichtung 40f hoch ist. Daher ist es möglich, die Kupfer-Verluste in der rotierenden elektrischen Maschine 100 in Umfangsrichtung gemäß der Umfangsverteilung der Kühlleistung der Kühleinrichtung 40f zu verteilen. Das heißt, die Kühleinrichtung 40f besitzt den ersten Kühlbereich 41d zur Kühlung der ersten Spulen 1a und den zweiten Kühlbereich 42d zur Kühlung der zweiten Spulen 1b. Die Kühlleistung des zweiten Kühlbereichs 42d ist höher als die Kühlleistung des ersten Kühlbereichs 41d.
Daher hat die Kühleinrichtung 40f eine geringere Kühlleistung am ersten Kühlbereich 41d im Umfangsbereich von etwa der Hälfte des oberen Bereichs in radialer Richtung der rotierenden elektrischen Maschine 100f und eine höhere Kühlleistung am zweiten Kühlbereich 42d im Umfangsbereich von etwa der Hälfte des unteren Bereichs der rotierenden elektrischen Maschine 100f in radialer Richtung, und die Kühlung kann effizient erfolgen. Mit einer solchen Konfiguration kann ein ähnlicher Effekt wie bei der ersten Ausführungsform erreicht werden, bei der die Zahn-Teilungswinkel α1, α2 und α3 entsprechend dem Verhältnis der Kühlleistungsverteilung der Kühleinrichtung 40f in Umfangsrichtung geändert werden.
In 9 sind die distalen Endbereiche 3 der Zähne 2d und 2e gegenüber jeder der Zahn-Mittelachsen asymmetrisch, können aber auch symmetrisch sein. So kann beispielsweise in der Konfiguration gemäß 9 nur der distale Endbereich 3 eines anderen Zahns gedreht werden, um sich in Umfangsrichtung zu verschieben, und die Asymmetrie kann gegenüber den Zahn-Mittelachsen der distalen Endbereiche 3 reduziert werden, wobei in diesem Fall eine Differenz zwischen der Länge des distalen Endbereichs 3, der in der Umfangsrichtung aus den Zähnen 2 ragt, und der Länge des distalen Endbereichs, der in der anderen Umfangsrichtung aus den Zähnen 2 ragt, reduziert wird. Daraus ergibt sich ein Vorteil, wie z.B. die einfache Wicklung der Spulen 1 um die Zähne 2.
Wie bei dieser Ausführungsform kann eine Konfiguration, bei der die Polaritäten von Gruppen von sieben Magnetpolen und sechs Schlitze oder von Gruppen von elf Magnetpolen und zwölf Schlitze invertiert und wiederholt werden, anstelle der Konfiguration, bei der die Polaritäten der Gruppen der fünf Magnetpole und sechs Schlitze invertiert und wiederholt werden, verwendet werden. Mit einer solchen Konfiguration mit einer ungeraden Anzahl von Magnetpolen können die gleichen Effekte wie bei dieser Ausführungsform erreicht werden. Weiterhin kann eine Konfiguration genommen werden, bei der Sätze von zehn Magnetpolen und zwölf Schlitze wiederholt werden und deren Polaritäten nicht umgekehrt sind.
Bezugszeichenliste

1: Spule
1a: erste Spule
1b: zweite Spule
1c: dritte Spule
1d: vierte Spule
1e: fünfte Spule
1f: sechste Spule
2, 2a, 2b, 2c, 2d, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i, 2j, 2k, 2m: Zahn
3: Distaler Endbereich
4: Basisbereich
5: Welle
6: Permanentmagnet
7: Bezugspunkt
8, 8a: Einlass
9: Strömungsweg
10, 10a: Auslass
11: Innenrahmen
12: Außenrahmen
13: Schlitz
14: Kernseite
15, 15a: Statorkern
16: Lagerschale
17: Lager
20, 20a, 20b, 20c, 20d, 20e: Stator
30, 30a, 30b, 30c: Rotor
40, 40c, 40d,40e, 40f: Kühleinrichtung
40a: erste Kühleinrichtung
40b: zweite Kühleinrichtung
41, 41a, 41b, 41c, 41d: erster Kühlbereich
42, 42a, 42b, 42c, 42d: zweiter Kühlbereich
100, 100a, 100b, 100c, 100d, 100d, 100e, 100f: rotierende elektrische Maschine

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 8149757 A [0007]

Claims

Rotierende elektrische Maschine, die Folgendes aufweist: - einen Rotor, der so gelagert ist, dass er um eine Drehachse frei drehbar ist; und - einen Stator, der Folgendes aufweist: einen ringförmigen Jochbereich, der koaxial zum Rotor angeordnet ist; eine Vielzahl von Zähnen, die aus dem Jochbereich in Richtung Rotor nebeneinander ragen und in einer Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sind; und eine Vielzahl von Spulen, die in Schlitzen untergebracht sind, die jeweils zwischen benachbarten Zähne gebildet sind, - wobei in einem Querschnitt des Stators senkrecht zur Drehachse gerade Linien, die durch Zentren der Zähne in Umfangsrichtung und der Drehachse verlaufen, als Zahn-Mittelachsen definiert sind, Winkel, die durch die Zahn-Mittelachsen der benachbarten Zähne aus der Vielzahl der Zähne gebildet werden, als Zahn-Teilungswinkel definiert sind, und ein maximaler Zahn-Teilungswinkel der Zahn-Teilungswinkel als ein erster Zahn-Teilungswinkel definiert ist, - wobei mindestens ein Zahn-Teilungswinkel der Zahn-Teilungswinkel, ausgehend vom ersten Zahn-Teilungswinkel im Uhrzeigersinn bzw. im Gegenuhrzeigersinn und der als zweiter Zahn-Teilungswinkel definiert ist, kleiner wird, wobei eine Spule, die in einem der Schlitze angeordnet ist, die jeweils zwischen benachbarten Zähnen entsprechend dem ersten Zahn-Teilungswinkel gebildet sind, als erste Spule definiert ist, und eine Spule, die in einem anderen der Schlitze angeordnet ist, der jeweils zwischen benachbarten Zähnen entsprechend dem zweiten Zahn-Teilungswinkel gebildet ist, als zweite Spule definiert ist, und - wobei die Querschnittsfläche der zweiten Spule im Querschnitt senkrecht zur Drehachse kleiner ist als die Querschnittsfläche der ersten Spule im Querschnitt senkrecht zur Drehachse.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei jede von der Vielzahl von Spulen einen leitenden Draht aufweist, der um einen der Zähne gewickelt ist, und wobei die Querschnittsfläche des leitenden Drahtes der zweiten Spule im Querschnitt senkrecht zur Drehachse kleiner ist als die Querschnittsfläche des leitenden Drahtes der ersten Spule im Querschnitt senkrecht zur Drehachse.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vielzahl von Spulen eine Vielzahl von Phasenspulen besitzt, durch die ein Strom einer Phase fließt, und wobei die vielen Phasenspulen, durch die der Strom einer Phase fließt, in Reihe geschaltet sind.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vielzahl von Spulen eine Vielzahl von Phasenspulen besitzt, durch die ein Strom einer Phase fließt, und wobei die vielen Phasenspulen, durch die der Strom einer Phase fließt, parallelgeschaltet sind.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Rotor eine Vielzahl von Magnetpolen aufweist, und wobei - im Querschnitt des Stators senkrecht zur Drehachse - die Anzahl der im Uhrzeigersinn oder Gegenuhrzeigersinn fortlaufenden Zahn-Teilungswinkel, die gleich sind, durch eine Zahl erhalten wird, indem die Anzahl der Mehrzahl von Zähnen durch den größten gemeinsamen Teiler zwischen der Anzahl der vielen Magnetpolen und der Anzahl der vielen Zähnen dividiert wird und 1 vom Quotienten der Teilung subtrahiert wird.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei jeder der Vielzahl von Zähnen einen Basisbereich aufweist, der aus dem Jochbereich zur Rotorseite vorsteht und einen distalen Endbereich an einem distalen Ende des Basisbereichs in einer Richtung zur Rotorseite aufweist, wobei die Abstände in Umfangsrichtung, die jeweils definiert sind zwischen dem einen von beiden Enden des distalen Endbereichs eines Zahnes in Umfangsrichtung und dem anderen der beiden Enden des distalen Endbereichs eines anderen Zahnes in Umfangsrichtung, das an das eine Ende der beiden Enden der distalen Endbereiche des einen Zahnes der distalen Endbereiche in Umfangsrichtung angrenzt, alle gleich sind, und wobei die Breiten der distalen Endbereiche der Vielzahl von Zähnen in Umfangsrichtung alle gleich sind.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die ferner eine Kühleinrichtung aufweist, wobei die Kühleinrichtung Folgendes aufweist: - einen ersten Kühlbereich, der zum Kühlen der ersten Spule konfiguriert ist; und - einen zweiten Kühlbereich, der zum Kühlen der zweiten Spule konfiguriert ist, und wobei die Kühlleistung des zweiten Kühlbereichs höher ist als die Kühlleistung des ersten Kühlbereichs.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die ferner Folgendes aufweist: - eine erste Kühleinrichtung, die zum Kühlen der ersten Spule konfiguriert ist; und - eine zweite Kühleinrichtung, die zum Kühlen der zweiten Spule konfiguriert ist, und wobei die Kühlleistung der zweiten Kühleinrichtung höher ist als die Kühlleistung der ersten Kühleinrichtung.