DE112018006725T5

DE112018006725T5 - Rotierende elektrische Maschine

Info

Publication number: DE112018006725T5
Application number: DE112018006725.4T
Authority: DE
Inventors: Yuki Takahashi
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2017-12-28
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2020-09-10
Also published as: US11863023B2; JP2019122229A; CN111527670A; JP7006541B2; CN111527670B; US20200328639A1

Abstract

Eine rotierende elektrische Maschine (10) weist eine Magnetfelderzeugungseinheit (40), die mit einer Magneteinheit (42) mit einer Vielzahl von Magnetpolen ausgerüstet ist, und einen Anker (50) auf, der eine mehrphasige Ankerwicklung (51) aufweist. Die Ankerwicklung weist Leiterabschnitte (81) auf, die zu einem gegebenen Intervall voneinander in einer Umlaufsrichtung angeordnet sind. Der Anker ist ausgelegt, Leiter-zu-Leiter-Elemente (57, 142, 143) aufzuweisen, die zwischen den Leiterabschnitten in der Umlaufsrichtung angeordnet sind. Die Leiter-zu-Leiter-Elemente sind aus einem magnetischen Material hergestellt, das eine Beziehung von Wt×Bs≤Wm×Br erfüllt, wobei Wt eine Breite der Leiter-zu-Leiter-Elemente in der Umlaufsrichtung innerhalb eines Magnetpols ist, Bs eine Sättigungsmagnetflussdichte der Leiter-zu-Leiter-Elemente ist, Wm eine Breite der Magneteinheit äquivalent zu einem Magnetpol in der Umlaufsrichtung ist, und Br eine Remanenzflussdichte in der Magneteinheit ist, oder sind alternativ aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt. Der Anker kann alternativ ausgelegt sein, keine Leiter-zu-Leiter-Elemente aufzuweisen, die zwischen den Leiterabschnitten in der Umlaufsrichtung angeordnet sind. Die Magneteinheit ist magnetisch derart orientiert, eine leichte Achse der Magnetisierung aufzuweisen, die in einer Region nahe an einer d-Achse, die eine Mitte eines Magnetpols ist, stärker parallel zu der d-Achse-als in einer Region gerichtet ist, die nahe an der q-Achse ist, die eine Grenze zwischen Magnetpolen ist.

Description

Rotierende elektrische Maschine
Querverweis zu vorhandenen Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung beansprucht Priorität aus den Japanischen Patentanmeldungen Nrn. 2017-255056 , die am 28. Dezember, 2017 eingereicht worden ist, 2017-255057, die am 28. Dezember, 2017 eingereicht worden ist, 2017-2555058, die am 28. Dezember, 2017 eingereicht worden ist, 2017-255059, die am 28. Dezember, 2017 eingereicht worden ist, 2017-255061, die am 28. Dezember, 2017 eingereicht worden ist, 2017-255062, die am 28. Dezember, 2017 eingereicht worden ist, 2017-255063, die am 28. Dezember, 2017 eingereicht worden ist, 2017-255068, die am 28. Dezember, 2017 eingereicht worden ist, 2017-255070, die am 28. Dezember, 2017 eingereicht worden ist, und 2018-164840, die am 3. September 2018 eingereicht worden ist.
Technisches Gebiet
Die Offenbarung betrifft allgemein eine rotierende elektrische Maschine.
Stand der Technik
Rotierende elektrische Maschinen, die in Fahrzeugen montiert sind, sind allgemein bekannt, die einen Rotor, der mit Permanentmagneten ausgerüstet ist, und einen Stator aufweisen, der mit einer mehrphasigen Statorwicklung ausgerüstet ist. Steuerung und Systeme für eine derartige Bauart von rotierenden elektrischen Maschinen sind ebenfalls bekannt, die eine Erregung der Statorwicklung in einer Schaltsteuerungsbetriebsart steuern.
Bei rotierenden elektrischen Maschinen besteht ein Risiko bezüglich elektrischer Erosion, die aufgrund von Strom auftritt, der in einer Drehwelle davon erzeugt wird. Beispielsweise lehrt Patentliteratur 1 eine dielektrische Schicht, die zwischen einem äußeren Eisenkern und einem inneren Eisenkern eines Rotors angeordnet ist, um eine elektrostatische Kapazität zwischen dem äußeren Eisenkern und dem inneren Eisenkern zu regulieren, wodurch ein Risiko einer elektrischen Erosion der Lager minimiert wird.
Dokument gemäß dem Stand der Technik
Patentliteratur
Patentliteratur 1: Japanische Patenterstveröffentlichung Nr. 2016-129439
Zusammenfassung der Erfindung
Die in der vorstehend beschriebenen Patentliteratur 1 gelehrte Struktur ist jedoch derart ausgelegt, dass sie die dielektrische Schicht zwischen dem äußeren Eisenkern und dem inneren Eisenkern des Rotors angeordnet aufweist, und ist somit kein Standard, was zu Bedenken bezüglich einer Erhöhung der Produktionskosten führt. Daher gibt es immer noch Raum zur technischen Verbesserung, um das Risiko einer elektrischen Erosion der Lager zu beseitigen.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf das vorstehend beschriebene Problem gemacht. Es ist eine Aufgabe, ein Risiko einer elektrischen Korrosion eines Lagers einer rotierenden elektrischen Maschine zu reduzieren.
Eine Vielzahl von Ausführungsbeispielen, die in dieser Anmeldung offenbart sind, wenden unterschiedliche technische Maßnahmen zum Erzielen der jeweiligen Aufgaben davon an. Die Aufgaben, Merkmale und Vorteile, wie sie in dieser Meldung beschrieben sind, werden anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und beiliegenden Zeichnungen deutlich.
Ein erstes Mittel ist eine rotierende elektrische Maschine mit: (a) einer Magnetfelderzeugungseinheit, die mit einer Magneteinheit ausgerüstet ist, die eine Vielzahl von Magnetpolen aufweist, deren magnetische Polaritäten abwechselnd in einer Umlaufsrichtung angeordnet sind, und (b) einem Anker, der eine mehrphasige Ankerwicklung aufweist. Entweder die Magnetfelderzeugungseinheit oder der Anker ist als ein Rotor ausgeführt ist, dessen Drehwelle durch ein Lager derart festgehalten wird, dass sie drehbar ist. Die Ankerwicklung weist Leiterabschnitte auf, die zu einem gegebenen Intervall weg voneinander in der Umlaufsrichtung angeordnet sind und der Magneteinheit zugewandt sind. Der Anker ist ausgelegt, Leiter-zu-Leiter-Elemente aufzuweisen, die zwischen den Leiterabschnitten in der Umlaufsrichtung angeordnet sind, wobei die Leiter-zu-Leiter-Elemente aus einem magnetischen Material hergestellt sind, das eine Beziehung von Wt×Bs≤Wm×Br erfüllt, wobei Wt eine Breite der Leiter-zu-Leiter-Elemente in der Umlaufsrichtung innerhalb eines Magnetpols ist, Bs eine Sättigungsmagnetflussdichte der Leiter-zu-Leiter-Elemente ist, Wm eine Breite der Magneteinheit äquivalent zu einem Magnetpol in der Umlaufsrichtung ist, und Br eine Remanenzflussdichte in der Magneteinheit ist, oder alternativ aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt sind. Der Anker ist alternativ derart ausgelegt, dass er die Leiter-zu-Leiter-Elemente nicht aufweist, die zwischen den Leiterabschnitten in der Umlaufsrichtung angeordnet sind. Die Magneteinheit ist magnetisch derart orientiert, dass sie einen leichte Achse der Magnetisierung in einer Region, die sich näher an einer d-Achse, die eine Mitte eines Magnetpols ist, befindet, stärker parallel zu der d-Achse gerichtet aufweist, als die in einer Region, die sich näher an einer q-Achse befindet, die eine Grenze zwischen Magnetpolen ist.
Die rotierende elektrische Maschine weist ein Risiko dahingehend auf, dass beispielsweise wenn die Ankerwicklung in Reaktion auf einen Schaltvorgang erregt oder enterregt wird, eine kleine Schaltzeitlücke (d.h. ein Schalt-Ungleichgewicht) auftreten kann, was dadurch zu einer Verzerrung des Magnetflusses resultiert, was zu einer elektrischen Erosion in den Lagern führt, die die Drehwelle enthalten. Die Verzerrung des Magnetflusses hängt von der Induktivität des Ankers ab und erzeugt eine elektromagnetische Kraft, die in einer axialen Richtung orientiert ist, was zu einem dielektrischen Durchbruch in dem Lager führt, um elektrische Erosion zu entwickeln.
Zum Lösen des vorstehend beschriebenen Problems fungiert die rotierende elektrische Maschine gemäß diesem Mittel dazu, die Induktivität in dem Anker zu reduzieren, um die Verzerrung des Magnetflusses zu minimieren, die aus der Schaltzeitlücke resultiert, um eine elektrische Erosion der Lager zu kontrollieren. Insbesondere weist der Anker eine der nachfolgenden Strukturen auf.

(a) Der Anker weist die Leiter-zu-Leiterelemente auf, von denen jeder zwischen den Leiterabschnitten in der Umlaufsrichtung angeordnet ist. Für die Leiter-zu-Leiterelemente wird magnetisches Material verwendet, das die Beziehung von Wt×Bs≤Wm×Br erfüllt, wobei Wt eine Breite der Leiter-zu-Leiter-Elemente in der Umlaufsrichtung innerhalb eines Magnetpols ist, Bs die Sättigungsmagnetflussdichte der Leiter-zu-Leiter-Elemente ist, Wm eine Breite der Magneteinheit, die äquivalent zu einem Magnetpol ist, in der Umlaufsrichtung ist, und Br die Remanenzflussdichte in der Magneteinheit.
(b) Der Anker weist die Leiter-zu-Leiter-Elemente auf, von denen jeder zwischen den Leiterabschnitten in der Umlaufsrichtung angeordnet ist. Die Leiter-zu-Leiter-Elemente sind jeweils aus einem nicht magnetischen Material hergestellt.
(c) Der Anker weist keine Leiter-zu-Leiter-Elemente auf, die zwischen den Leiterabschnitten in der Umlaufsrichtung angeordnet sind.

Die Verwendung von irgendeiner der Strukturen (a) bis (c) ermöglicht ein Reduzieren der Induktivität des Ankers. Dies führt zu einer Reduktion in der Verzerrung des Magnetflusses, wodurch die elektromotorische Kraft reduziert wird, selbst wenn es eine Schaltzeitlücke bei Speisung der Ankerwicklung gibt.
Zusätzlich ist die Magneteinheit magnetisch derart orientiert, die leichte Achse der Magnetisierung derart aufzuweisen, dass sie in einer Region nahe an der d-Achse derart gerichtet ist, dass sie stärker parallel zu der d-Achse ist, als in einer Region nahe an q-Achse. Dies stärkt den durch den Magneten erzeugten Magnetfluss auf der d-Achse, was zu einer gleichförmigen Änderung in dem Oberflächenmagnetfluss (d.h. einer Erhöhung oder Verringerung in dem Magnetfluss) von der q-Achse zu der d-Achse an jedem Magnetpol führt. Dies minimiert eine plötzliche Spannungsänderung, die aufgrund des Schalt-Ungleichgewichts auftritt, um eine elektrische Erosion zu vermeiden.
Ein zweites Mittel ist die rotierende elektrische Maschine nach dem ersten Mittel, wobei die Magneteinheit magnetisch derart orientiert ist, dass ein bogenförmiger, durch einen Magneten erzeugter Magnetpfad erzeugt wird, bei dem die leichte Achse der Magnetisierung in der Region nahe an der d-Achse parallel oder fast parallel gerichtet ist und ebenfalls in der Region nahe an der q-Achse senkrecht oder fast senkrecht zu der q-Achse gerichtet ist.
Die vorstehend beschriebene Struktur stärkt den durch den Magnet erzeugten Magnetfluss auf der d-Achse und reduziert eine Änderung in dem Magnetfluss nahe der q-Achse. Dies verwirklicht eine Magneteinheit, die eine gleichförmige Änderung in dem Oberflächenmagnetfluss von der q-Achse zu der d-Achse an jedem Magnetpol erzielt.
Ein drittes Mittel ist die rotierende elektrische Maschine nach dem ersten oder zweiten Mittel, wobei die Magneteinheit eine Vielzahl von Permanentmagneten aufweist, die in der Umlaufsrichtung angeordnet sind, und wobei jeder der Permanentmagnete derart geformt ist, dass er eine ankerseitige äußere Umfangsoberfläche, die dem Anker zugewandt ist, und eine q-Achsen-seitige äußere Umfangsoberfläche aufweist, die der q-Achse in der Umlaufsrichtung zugewandt ist, wobei die statorseitige äußere Umfangsoberfläche und die q-Achsen-seitige äußere Umfangsoberfläche als Magnetflusseingangs- und - ausgangsoberflächen fungieren, die Magnetflusswirkungsoberflächen sind, in die und aus denen Magnetfluss fließt, und wobei der Magnetpfad derart erzeugt wird, dass er eine Verbindung zwischen der statorseitigen äußeren Umfangsoberfläche und der q-Achsen-seitigen äußeren Umfangsoberfläche bildet.
Die vorstehend beschriebene Struktur stärkt den durch den Magneten erzeugten Magnetfluss auf der d-Achse und reduziert eine Änderung in dem Magnetfluss nahe der q-Achse. Dies verwirklicht einer Magneteinheit, die eine gleichförmige Änderung in dem Oberflächenmagnetfluss von der q-Achse zu der d-Achse an jedem Magnetpol erzielt.
Ein viertes Mittel ist die rotierende elektrische Maschine nach dem ersten oder zweiten Mittel, wobei die Magneteinheit aus einem ringförmigen Magneten hergestellt ist, der ein kreisringförmiger Permanentmagnet ist, und wobei der ringförmige Magnet darin einen bogenförmigen durch den Magneten erzeugten Magnetpfad definiert aufweist, in dem eine magnetische Orientierung in der radialen Richtung auf der d-Achse von jedem Magnetpol gerichtet ist und eine magnetische Orientierung in der Umlaufsrichtung auf der q-Achse zwischen den Magnetpolen gerichtet ist.
Die vorstehend beschriebene Struktur stärkt den durch den Magneten erzeugten Magnetfluss auf der d-Achse und reduziert eine Änderung in dem Magnetfluss nahe der q-Achse. Dies verwirklicht eine Magneteinheit, die eine gleichförmige Änderung in dem Oberflächenmagnetfluss von der q-Achse zu der d-Achse auf jedem Magnetpol erzielt.
Ein fünftes Mittel ist die rotierende elektrische Maschine nach einem der ersten bis vierten Mittel, wobei die Magnetfelderzeugungseinheit eine Schrägungsstruktur aufweist, in der die Magnetpole der Magneteinheit in einer axialen Richtung der Drehwelle angeordnet sind und voneinander in der Umlaufsrichtung versetzt sind, und wobei eine Schrägungsgröße von einer Magnetpolmittellinie von jedem der Magnetpole der Magneteinheit in einer ersten Umlaufsrichtung identisch zu derjenigen in einer zweiten Umlaufsrichtung ist, die entgegengesetzt zu der ersten Umlaufsrichtung ist.
Es wird erwartet, dass die Struktur, in der die Magnetfelderzeugungseinheit geschrägt ist, eine Wirkung des Reduzierens einer Drehmomentfälligkeit bietet, jedoch bestehen Bedenken bezüglich einer elektrischen Erosion der Lager, die aus einem Ungleichgewicht von Magnetflüssen in der axialen Richtung auftritt. Die vorstehend beschriebene Struktur ist ausgelegt, gleiche Schrägungsgrößen in den ersten und zweiten Umlaufsrichtungen von der Speisungsphasenmittellinie aufzuweisen, die sich in der axialen Richtung erstreckt, wodurch elektrische Ströme, die in der axialen Richtung fließen, aufgehoben werden. Dies minimiert ein Risiko für elektrische Erosion der Lager.
Es wird erwartet, dass die Struktur, in der die Schrägungsgrößen von der Magnetpolmittellinie in der ersten Umlaufsrichtung und der zweiten Umlaufsrichtung gleich zueinander sind, durch eine der nachfolgenden Strukturen verwirklicht wird.
Die Struktur gemäß 36(a), die eine Schrägungsstruktur ist, in der Positionen der Magnete 91 in der Umlaufsrichtung derart fehlausgerichtet sind, dass sie schrittweise in der axialen Richtung sind, weist erste Abschnitte B1 und einen zweiten Abschnitt B2 auf. Die ersten Abschnitte B1 unterscheiden sich in der Position in Umlaufsrichtung von den zweiten Abschnitten B2. In jedem der ersten Abschnitte B1 ist die Position in Umlaufsrichtung des Magneten 91 von der Magnetpolmittellinie LA in der ersten Umlaufsrichtung versetzt. In dem zweiten Abschnitt B2 ist die Position in Umlaufsrichtung des Magneten 91 von der Magnetpolmittellinie LA in der zweiten Umlaufsrichtung versetzt. Die Schrägungsgröße L1 von der Magnetpolmittellinie LA in die erste Umlaufsrichtung ist identisch mit der Schrägungsgröße L2 von der Magnetpolmittellinie LA in der zweiten Umlaufsrichtung, die entgegengesetzt zu der ersten Umlaufsrichtung ist.
Die Struktur gemäß 36(b) ist eine Schrägungsstruktur, in der eine Position in Umlaufsrichtung von jedem der Magnete 91 schief in der axialen Richtung geändert ist. Die Struktur weist einen ersten Abschnitt B11 und einen zweiten Abschnitt B12 auf. Richtungen, in denen der erste Abschnitt B11 und der zweite Abschnitt B12 geneigt sind, sind derart orientiert, dass sie sich relativ zu der axialen Richtung voneinander unterscheiden. Der erste Abschnitt B11 und der zweite Abschnitt B12 sind symmetrisch in Bezug auf eine axiale Grenzlinie der ersten und zweiten Abschnitte B11 und B12. Jeder der ersten und zweiten Abschnitte B11 und B12 weist eine Magneteinheitsmittellinie LB auf, die sich schief in einer Schrägungsrichtung erstreckt. Die Magneteinheitsmittellinien LB der ersten und zweiten Abschnitte B11 und B12 schneiden sich mit der Magnetpolmittellinie LA jeweils auf den axialen Mittenpositionen P1 und P2.
Ein sechstes Mittel ist die rotierende elektrische Maschine nach einem der ersten bis fünften Mittel, wobei der Anker eine Schrägungsstruktur aufweist, in der Leiterpositionen der Ankerwicklung für jede Phase in der axialen Richtung der Drehwelle in der Umlaufsrichtung versetzt sind, und wobei eine Schrägungsgröße von jeder der Phasenwicklungen der Ankerwicklung in einer ersten Umlaufsrichtung von einer Mittellinie einer gespeisten Phase, die sich in der axialen Richtung erstreckt, identisch zu derjenigen in einer zweiten Umlaufsrichtung ist, die entgegengesetzt zu der ersten Umlaufsrichtung ist.
Es wird erwartet, dass die Struktur, in der der Anker geschrägt ist, eine Wirkung des Reduzierens einer Drehmomentwelligkeit bietet, jedoch bestehen Bedenken bezüglich einer elektrischen Erosion der Lager, die aufgrund des geförderten Ungleichgewichts von magnetischen Flüssen in der axialen Richtung auftritt. Die vorstehend beschriebene Struktur ist ausgelegt, die Schrägungsgrößen aufzuweisen, durch die die Phasenwicklungen der Ankerwicklung in den ersten und zweiten Umlaufsrichtungen gegenüber einer Speisungsphasenmittellinie geschrägt sind, die sich in der axialen Richtung erstreckt und die gleich zueinander sind, wodurch elektrische Ströme, die in der axialen Richtung fließen, aufgehoben werden. Dies minimiert ein Risiko einer elektrischen Erosion der Lager.
Es wird erwartet, dass die Struktur, in der die Schrägungsgrößen von der Speisungsphasenmittellinie in der ersten Umlaufsrichtung und der zweiten Umlaufsrichtung gleich zueinander sind, durch eine der nachfolgenden Strukturen verwirklicht wird. Es sei bemerkt, dass das Schrägen der Ankerwicklung erfordert, dass die Leiter kontinuierlich miteinander verbunden sind. Eine Schrägungsstruktur, in der Positionen der Leiter der Ankerwicklung für jede Phase schräg in der Umlaufsrichtung geändert werden, kann daher verwendet werden.
In der in 37(a) gezeigten Struktur, die als eine Schrägungsstruktur ausgelegt ist, in der jeder der Leiter 82 einen dem Magneten gegenüberliegenden Abschnitt (d.h. eine Spulenseite) aufweist, die zurückgebogen oder gedreht ist, weist der Leiter 82 einen ersten Abschnitt C1 und einen zweiten Abschnitt C2 auf, die sich in einer geneigten Orientierung des Leiters 82 voneinander in der axialen Richtung unterscheiden. Die ersten und zweiten Abschnitte C1 und C2 sind vertikalsymmetrisch miteinander in Bezug auf den Mittelpunkt mitten zwischen den ersten und zweiten Abschnitten C1 und C2 in der axialen Richtung. Die ersten und zweiten Abschnitte C1 und C2 weisen Mitten P11 und P12 von axialen Längen davon auf, die sich mit der Speisungsphasenmittellinie LC schneiden.
In der in 27(b) gezeigten Struktur, die als eine Schrägungsstruktur ausgelegt ist, in der jeder der Leiter 51 einen dem Magneten gegenüberliegenden Abschnitt (d.h. eine Spulenseite) aufweist, der nicht zurückgedreht ist, sind die Leiter 82, die Leiter gleicher Phase von radial äußeren und inneren Schichten der Statorwicklung 51 sind, in den entgegengesetzten Richtungen geschrägt. Der Leiter 82 von jeder der äußeren und inneren Schichten weist eine axiale Mitte P13 auf, die sich mit der Speisungsphasenmittellinie LC schneidet.
Ein siebtes Mittel ist die rotierende elektrische Maschine nach einem der ersten bis sechsten Mittel, wobei die Drehwelle durch die Vielzahl der Lager derart festgehalten wird, dass sie drehbar ist, und wobei jedes der Lager von einer axialen Mitte von derjenigen beziehungsweise denjenigen der Magnetfelderzeugungseinheit und des Ankers, die bzw. der als Rotor fungiert, zu einem von entgegengesetzten Enden davon in der axialen Richtung versetzt ist.
Die vorstehend beschriebene Struktur ist ausgelegt, die Lager aufzuweisen, die die Drehwelle und den Rotor drehbar halten und sich weg von der axialen Mitte des Rotors zu einem der Enden des Rotors befinden, die entgegengesetzt zueinander in der axialen Richtung davon sind, wodurch ein Risiko einer elektrischen Erosion im Vergleich zu einem Fall, in dem eine Vielzahl von Lager außerhalb axialer Innen eines Rotors angeordnet sind, minimiert wird. Anders ausgedrückt führt in der Struktur, bei der der Rotor Enden aufweist, die durch die Lager gehalten werden, eine Erzeugung eines hochfrequenten Magnetflusses zu einer Erzeugung eines geschlossenen Kreises, der sich durch die Magnetfelderzeugungseinheit, den Anker und die Lager (die axial außerhalb des Rotors angeordnet sind) erstreckt. Dies führt zu einem Risiko, dass der axiale Strom zu einer elektrischen Erosion in den Lagern führen kann. Im Gegensatz dazu wird der Rotor durch die Vielzahl der Lager in der Auslegerform bzw. freitragenden Form gehalten, so dass der vorstehend beschriebene geschlossene Kreis nicht auftritt, wodurch die elektrische Erosion in den Lagern minimiert wird.
Ein achtes Mittel ist die rotierende elektrische Maschine nach dem siebten Mittel, wobei die rotierende elektrische Maschine als eine Bauart mit äußerem Rotor ausgeführt ist, bei der diejenige bzw. derjenige der Magnetfelderzeugungseinheit und des Ankers, die bzw. der als der Rotor fungiert, auf einer radial äußeren Seite angeordnet ist, wobei die Magnetfelderzeugungseinheit eine Magnethalteeinrichtung aufweist, die die Magneteinheit festhält, und wobei die Magnethalteeinrichtung einen Überhang aufweist, der sich in der radialen Richtung der Magnetfelderzeugungseinheit erstreckt, wobei der Überhang mit einer Kontaktvermeidungseinrichtung ausgerüstet ist, die sich in der axialen Richtung erstreckt und einen physikalischen Kontakt mit dem Anker vermeidet.
Die vorstehend beschriebene Struktur weist den Überhang auf, der sich in der radialen Richtung der Magnetfelderzeugungseinheit in der Magnethalteeinrichtung erstreckt, und der mit der Kontaktvermeidungseinrichtung ausgerüstet ist, die sich axial erstreckt, um einen physikalischen Kontakt mit dem Anker zu vermeiden. Dies ermöglicht ein Verlängern eines geschlossenen Kreises, durch den der axiale Strom durch die Magnethalteeinrichtung fließt, so dass der Widerstandswert davon erhöht wird. Dies minimiert das Risiko für eine elektrische Erosion in den Lagern.
Die Kontaktvermeidungseinrichtung kann zur Beseitigung eines physikalischen Kontakts von beispielsweise dem Anker mit den Spulenenden der Ankerwicklung angeordnet sein.
Ein neuntes Mittel ist die rotierende elektrische Maschine nach dem siebten oder achten Mittel, wobei die rotierende elektrische Maschine als eine rotierende elektrische Maschine der Bauart mit äußerem Rotor ausgeführt ist, bei der diejenige bzw. derjenige der Magnetfelderzeugungseinheit und des Ankers, die bzw. der als der Rotor fungiert, auf einer radial äußeren Seite angeordnet ist, weiterhin mit einer Lagerfesthalteeinrichtung, die die Drehwelle umgibt und die Lager festhält, einem Gehäuse, das angeordnet ist, die Magnetfelderzeugungseinheit und den Anker zu umgeben, und eine Ankerhalteeinrichtung, die radial innerhalb des Ankers angeordnet ist, um den Anker festzuhalten, und wobei die Lagerfesthalteeinrichtung an einem ersten Ende des Gehäuses befestigt ist, das entgegengesetzt zu einem zweiten Ende des Gehäuses durch die Magnetfelderzeugungseinheit in der axialen Richtung ist, und das zweite Ende des Gehäuses und die Ankerhalteeinrichtung miteinander verbunden sind.
Die vorstehend beschriebenen Anordnungen erzielen in korrekter Weise die Struktur, in der die Lager sich lediglich an einem Ende der Länge der Drehwelle befinden. Zusätzlich ist die Ankerhalteeinrichtung mit der Drehwelle durch das Gehäuse verbunden, so dass die Ankerhaltereinrichtung sich elektrisch weg von der Drehwelle befindet. Dies minimiert jedenfalls das Risiko einer elektrischen Erosion der Lager.
Beispielweise kann in einem Fall, in dem eine elektrische Vorrichtung in Verbindung mit der Drehwelle angeordnet ist, die elektrische Vorrichtung elektromagnetische Störung in der axialen Richtung aufgrund einer Schaltverzerrung erzeugen. In diesem Fall tritt keine Potentialdifferenz zwischen den Lagern auf, die lediglich an einer axialen Seite der elektrischen Vorrichtung angeordnet sind (beispielsweise zwei leitende Lager, die lediglich an der einen axialen Seite verbunden sind), wodurch elektrische Erosion der Lager minimiert wird.
Das zehnte Mittel ist die rotierende elektrische Maschine nach einer der siebten bis neunten Mitteln, wobei die Lager eine nichtleitende Schmierung aufweisen.
Das einseitige Layout der Lager in der rotierenden elektrischen Maschine in diesem Mittel verringert die axiale Spannung, die an die Lager angelegt wird, und verringert ebenfalls die Potentialdifferenz zwischen der Magnetfelderzeugungseinheit und dem Anker. Eine Verringerung in der Potentialdifferenz, die an die Lager angelegt wird, wird somit ohne Verwendung einer leitenden Schmierung in den Lagern erzielt. Die leitende Schmierung enthält üblicherweise feine Partikel wie Kohlenstoffpartikel, was zu dem Risiko einer Erzeugung eines akustischen Geräuschs führt. Um dieses Problem zu lösen, wird eine nichtleitende Schmierung für die Lager verwendet, um das akustische Geräusch in den Lagern zu minimieren.
Beispielsweise ist es in einem Fall, in dem die rotierende elektrische Maschine mit einem elektrischen Fahrzeug verwendet wird, üblicherweise erforderlich, Maßnahmen gegen akustisches Geräusch vorzunehmen. Die vorstehend beschriebene Struktur ist in der Lage, eine derartige Maßnahme in korrekter Weise vorzunehmen.
Ein elftes Mittel ist die rotierende elektrische Maschine nach einem der ersten bis zehnten Mittel, wobei der Anker ein ringförmiges Basiselement aufweist, das einstückig mit der Ankerwicklung angeordnet ist und an einer Ankerhalteeinrichtung befestigt ist, und wobei die Ankerwicklung mit einem Gussmaterial zusammen mit dem Basiselement bedeckt ist.
Eine Fehlausrichtung der Ankerwicklung des Ankers kann zu einem Fehler bei der Speisung der Ankerwicklung in Abhängigkeit von einem Schaltvorgang führen, was zu Bedenken bezüglich einer elektrischen Erosion der Lager führt. Beispielsweise kann eine Fehlausrichtung der Leiter in der Umlaufsrichtung, die aufgrund einer verlorengegangenen Form der Ankerwicklung auftritt, zu einer Verzerrung des Magnetflusses führen, was zu einer elektrischen Erosion der Lager führt. Beispielsweise offenbart die japanische Patenterstveröffentlichung Nr. JP H6 - 70 522 A eine kernlose rotierende elektrische Maschine, die mit einer tassenförmigen Ankerwicklung ausgerüstet ist. Die Verwendung einer derartigen tassenförmigen Ankerwicklung führt zu einem Risiko, dass die Form der Ankerwicklung aufgrund physikalischer Vibration verloren gehen kann, was zu einer Fehlausrichtung der Leiter führt, da die Ankerwicklung eine komplizierte Struktur aufweist und keinen Ankerkern aufweist.
Die rotierende elektrische Maschine gemäß diesem Mittel ist ausgelegt, eine der vorstehend beschriebenen Strukturen (a), (b) und (c) aufzuweisen oder weist keine Leiter-zu-Leiter-Elemente (d.h. Vorsprünge oder gezahnte Abschnitte) auf, die in der Umlaufsrichtung zwischen den Leitern der Ankerwicklung angeordnet sind, und zu klein für den magneterzeugten magnetischen Fluss in der Magnetfelderzeugungseinheit sind. Dies führt daher zu Bedenken bezüglich einer Fehlausrichtung der Ankerwicklung, insbesondere in der Struktur (c), in der die Leiter-zu-Leiter-Elemente nicht zwischen den Leitern in der Umlaufsrichtung angeordnet sind.
Jedoch ist in diesem Mittel die Ankerwicklung einstückig mit dem ringförmigen Basiselement angeordnet, das an der Ankerhalteeinrichtung des Ankers befestigt ist. Die Ankerwicklung ist mit einem Gussmaterial entlang dem Basiselement abgedeckt, wodurch das Auftreten einer Fehlausrichtung der Ankerwicklung minimiert wird, um eine Positionsverschiebung der Ankerwicklung in der Umlaufsrichtung zu beseitigen. Dies beseitigt ein Risiko für eine Verzerrung von Magnetfluss, die aufgrund der Fehlausrichtung der Ankerwicklung auftritt und zu einer elektrischen Erosion der Lager führt.
Ein zwölftes Mittel ist die rotierende elektrische Maschine nach dem elften Mittel, wobei das Basiselement radial innerhalb oder außerhalb der Ankerwicklung auf einer zu der Magneteinheit entgegengesetzten Seite der Ankerwicklung angeordnet ist, und wobei das Basiselement eine Oberfläche aufweist, die der Ankerwicklung zugewandt ist und auf der Einbuchtungen und Ausbuchtungen aufeinanderfolgend in der Umlaufsrichtung und/oder der axialen Richtung geformt sind, um Aussparungen zu definieren, die mit dem Gussmaterial befüllt sind.
Die vorstehend beschriebene Struktur ist mit dem Basiselement ausgerüstet, das eine Oberfläche aufweist, die der Ankerwicklung (d.h. der Magneteinheit) zugewandt ist und auf der die Ausbuchtungen und Einbuchtungen aufeinanderfolgend in der Umlaufsrichtung und/oder der axialen Richtung geformt sind, um Aussparungen abzugrenzen, die mit dem Gussmaterial gefüllt sind. In diesem Fall existiert das Gussmaterial intermittierend zwischen der Ankerwicklung und dem Basiselement, wodurch eine Positionsverschiebung des Gussmaterials von dem Basiselement minimiert wird. Dies minimiert ein Risiko für eine Fehlausrichtung der Ankerwicklung.
Wenn die Ausbuchtungen und Einbuchtungen aufeinanderfolgend auf dem Basiselement in der axialen Richtung davon angeordnet sind, minimiert dies die Fehlausrichtung der Ankerwicklung in der axialen Richtung. Wenn alternativ die Ausbuchtungen und Einbuchtungen aufeinanderfolgend an dem Basiselement in der Umlaufsrichtung davon angeordnet sind, minimiert dies die Fehlausrichtung der Ankerwicklung in der Umlaufsrichtung.
Ein dreizehntes Mittel ist die rotierende elektrische Maschine nach einem dem elften oder zwölften Mittel, wobei das Basiselement als ein Ankerkern ausgelegt ist, der aus einer Vielzahl von Stahlblechen hergestellt ist, die aufeinander in der axialen Richtung der Drehwelle gestapelt sind, und wobei jedes der Stahlbleche ein Ende aufweist, das der Ankerwicklung zugewandt ist und einen Querschnitt aufweist, der in einer Dickenrichtung davon konisch ist.
In einem Fall, in dem das Basiselement aus einem Stapel von Stahlblechen als den Ankerkern hergestellt ist bestehen Bedenken bezüglich einer Erzeugung von Wirbelstrom in den Stahlblechen, wenn diese einem starken Magnetfeld unterzogen werden. Üblicherweise sind derartige Bedenken stark bezüglich der Enden der Stahlbleche nahe an der Ankerwicklung. Die vorstehend beschriebene Struktur, bei der die Stahlbleche konische Enden nahe an der Ankerwicklung aufweisen, minimiert jedoch die Erzeugung von Wirbelstrom.
Ein vierzehntes Mittel ist die rotierende elektrische Maschine nach einem der elften bis dreizehnten Mittel, wobei das Basiselement durch einen Ankerkern verwirklicht ist, der aus einem leitenden Material herstellt ist, und wobei eine Isolierschicht zwischen der Ankerwicklung und dem Ankerkern angeordnet ist.
Die vorstehend beschriebene Struktur ist in der Lage, einen Fluss elektrischen Stroms zu blockieren, der aufgrund der Erzeugung eines durch die Ankerwicklung an dem Ankerkern ausgeübten Magnetfeldes auftritt, wodurch ein Risiko einer elektrischen Erosion minimiert wird.
Ein fünfzehntes Mittel ist die rotierende elektrische Maschine nach einem der elften bis vierzehnten Mittel, wobei das Basiselement Öffnungen hat, die sich in der axialen Richtung der Drehwelle erstrecken und mit dem Gussmaterial gefüllt sind.
Die vorstehend beschriebene Struktur weist das Gussmaterial auf, das die Ankerwicklung zusammen mit dem Basiselement abdeckt. Das Gussmaterial ist teilweise innerhalb der Öffnungen des Basiselements angeordnet, so dass das Gussmaterial davon abgehalten wird, in der Umlaufsrichtung, radialen und axialen Richtungen bewegt zu werden. Dies minimiert das Risiko einer Fehlausrichtung der Ankerwicklung.
In einem Fall, in dem das Basiselement als der Ankerkern ausgelegt ist, wird dies bewirken, dass die Öffnungen sich von der Ankerwicklung in der radialen Richtung entfernt befinden, wodurch nachteilige Wirkungen auf den Magnetkreis reduziert werden, was die Stabilität des Betriebs der rotierenden elektrischen Maschine gewährleistet.
In einem Fall, dass das Basiselement, das aus einem Stapel von Stahlblechen herstellt ist, als der Ankerkern ausgelegt ist, verursachen kleine Grate dass Stahlbleche üblicherweise Irregularitäten an den Umfangsoberflächen der Öffnungen. Das Gussmaterial tritt in die Irregularitäten ein, die als Anker fungieren, um die Ankerwicklung davon abzuhalten, fehlausgerichtet zu werden.
Ein sechzehntes Mittel ist die rotierende elektrische Maschine nach einem der elften bis fünfzehnten Mittel, wobei die Ankerwicklung mit dem Gussmaterial mit Ausnahme von Abschnitten in einer axialen Richtung und einer radialen Richtung davon bedeckt ist.
In der vorstehend beschriebenen Struktur weist die Ankerwicklung Abschnitte auf, die von dem Gussmaterial freiliegen, ohne dass sie mit dem Gussmaterial bedeckt sind. Eine derartige Struktur, wie sie vorstehend beschrieben worden ist, weist die Wirkung auf, dass die Fehlausrichtung unter Verwendung des Gussmaterials minimiert wird und verbessert ebenfalls eine Kühlfähigkeit der freiliegenden Abschnitte, die nicht mit dem Gussmaterial bedeckt sind.
Ein siebzehntes Mittel ist die rotierende elektrische Maschine nach einem der elften bis sechzehnten Mitteln, wobei die Ankerhaltereinrichtung aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff hergestellt ist.
Die Ankerhalteeinrichtung, die das Basiselement hält, ist aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff hergestellt, wodurch eine elektrische Entladung zu der Ankereinrichtung reduziert wird, um das Auftreten von elektrischer Erosion zu minimieren.
Ein achtzehntes Mittel ist die rotierende elektrische Maschine nach einem der ersten bis siebzehnten Mittel, wobei die weiterhin einen Leistungswandler, der Schalter aufweist und elektrisch mit der Ankerwicklung verbunden ist, und eine Steuerungseinrichtung aufweist, die Ein-Aus-Vorgänge der Schalter steuert, um die Ankerwicklung zu speisen. Die Steuerungseinrichtung stellt eine Schaltfrequenz für die Schalter in einem Niedrigstrombereich, in dem ein niedrigerer elektrischer Strom durch die Ankerwicklung fließt, derart ein, dass sie höher als in einem Hochstrombereich ist, in dem der elektrische Strom höher als in dem Niedrigstrombereich ist, und in dem ein höherer elektrischer Strom durch die Ankerwicklung fließt.
Die rotierende elektrische Maschine, die eine der vorstehend beschriebenen Strukturen (a) bis (c) aufweist, ist in der Lage, die Induktivität in dem Anker zu reduzieren.
Die Reduktion der Induktivität führt üblicherweise zu einer Verringerung der elektrischen Zeitkonstante in der rotierenden elektrischen Maschine. Dies führt zu dem Risiko, dass eine Welligkeit von Strom, der durch die Ankerwicklung fließt, erhöht werden kann, was zu einer Verschlechterung bei der Leichtigkeit der Steuerung des durch die Ankerwicklung fließenden Stroms führt. Diese nachteiligen Wirkungen der vorstehend beschriebenen Verschlechterung bei der Leichtigkeit der Steuerung werden üblicherweise höher, wenn der durch die Ankerwicklung fließende Strom in einer Niedrigstromregion liegt, als wenn der Strom in einem Hochstrombereich liegt.
In dieser Hinsicht ist die vorstehend beschriebene Struktur ausgelegt, die Schaltfrequenz für die Schalter in den Niedrigstrombereich, in dem ein niedriger elektrischer Strom durch die Ankerwicklung fließt, höher als diejenige in dem Hochstrombereich einzustellen, der höher im elektrischen Strom als der Niedrigstrombereich ist, und in den ein höherer elektrischer Strom durch die Ankerwicklung fließt, wodurch die Verschlechterung bei der Leichtigkeit der Steuerung des elektrischen Stroms in dem Niedrigstrombereich minimiert wird.
Wenn der durch die Ankerwicklung fließende elektrische Strom in dem Hochstrombereich liegt, wird die Schaltfrequenz derart ausgewählt, dass sie höher als in dem Niedrigstrombereich ist, wodurch ein Schaltverlust eines Leistungswandlers in dem Hochstrombereich reduziert wird.
Ein neunzehntes Mittel ist eine rotierende elektrische Maschine mit: (a) einer Magnetfelderzeugungseinheit, die mit einer Magneteinheit ausgerüstet ist, die eine Vielzahl von Magnetpolen aufweist, deren magnetische Polaritäten abwechselnd in einer Umlaufsrichtung angeordnet sind, und (b) einem Anker, der eine mehrphasige Ankerwicklung aufweist. Entweder die Magnetfelderzeugungseinheit oder der Anker ist als ein Rotor ausgeführt ist, dessen Drehwelle durch ein Lager derart festgehalten wird, dass sie drehbar ist. Die Drehwelle wird durch die Vielzahl der Lager derart festgehalten, dass sie drehbar ist. Jedes der Lager ist von einer axialen Mitte entweder der Magnetfelderzeugungseinheit oder des Ankers, die bzw. der als der Rotor fungiert, zu einem von entgegengesetzten Enden davon in der axialen Richtung versetzt.
Die rotierende elektrische Maschine gemäß dem neunzehnten Mittel kann ausgelegt sein, alle möglichen Kombinationen der Strukturen in den achten bis zehnten Mitteln aufzuweisen.
Ein zwanzigstes Mittel ist eine rotierende elektrische Maschine mit: (a) einer Magnetfelderzeugungseinheit, die mit einer Magneteinheit ausgerüstet ist, die eine Vielzahl von Magnetpolen aufweist, deren magnetische Polaritäten abwechselnd in einer Umlaufsrichtung angeordnet sind, und (b) einem Anker, der eine mehrphasige Ankerwicklung aufweist. Entweder die Magnetfelderzeugungseinheit oder der Anker ist als ein Rotor ausgeführt ist, dessen Drehwelle durch ein Lager derart festgehalten wird, dass sie drehbar ist. Der Anker weist ein ringförmiges Basiselement auf, das einstückig mit der Ankerwicklung angeordnet ist, und an der Ankerhalteeinrichtung befestigt ist. Die Ankerwicklung ist mit einem Gussmaterial zusammen mit dem Basiselement bedeckt.
Die rotierende elektrische Maschine gemäß dem zwanzigsten Mittel kann ausgelegt sein, beliebige möglichen Kombinationen der Strukturen in den zwölften bis siebzehnten Mitteln aufzuweisen.
Figurenliste
Die vorstehend beschriebenen Aufgaben, weitere Aufgaben, Merkmale oder Vorteile in dieser Offenbarung werden anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen deutlich.

1 zeigt eine perspektivische Längsschnittansicht einer rotierenden elektrischen Maschine.
2 zeigt eine Längsschnittansicht einer rotierenden elektrischen Maschine.
3 zeigt eine Schnittansicht, die entlang der Linie III-III in 2 genommen ist.
4 zeigt eine teilweise vergrößerte Schnittansicht von 3.
5 zeigt eine auseinandergezogene Ansicht der rotierenden elektrischen Maschine.
6 zeigt eine auseinandergezogene Ansicht einer Wechselrichtereinheit.
7 zeigt eine Drehmomentdiagrammansicht, die eine Beziehung zwischen Ampere-Windungen und einer Drehmomentdichte in einer Statorwicklung demonstriert.
8 zeigt eine seitliche Schnittansicht eines Rotors und eines Stators.
9 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Teils von 8.
10 zeigt eine seitliche Schnittansicht eines Stators.
11 zeigt eine Längsschnittansicht eines Stators.
12 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Statorwicklung.
13 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Leiters.
14 zeigt eine schematische Ansicht, die eine Struktur eines Drahts veranschaulicht.
15(a) und 15(b) zeigen Ansichten, die die Anordnung (das Layout) von Leitern an der Position der n-ten Schicht veranschaulichen.
16 zeigt eine Seitenansicht, die Leiter auf der Position der n-ten Schicht und der Position der (n + 1)-ten Schicht veranschaulicht.
17 zeigt eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen einem elektrischen Winkel und einer Magnetflussdichte in Magneten gemäß einem Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
18 zeigt eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen einem elektrischen Winkel und einer Magnetflussdichte in einem Vergleichsbeispiel einer Magnetanordnung repräsentiert.
19 zeigt ein elektrisches Schaltbild eines Steuerungssystems für eine rotierende elektrische Maschine.
20 zeigt ein Funktionsblockschaltbild, das einen Stromregelungsbetrieb einer Steuerungsvorrichtung veranschaulicht.
21 zeigt ein Funktionsblockschaltbild, das einen Drehmomentregelungsbetrieb einer Steuerungsvorrichtung veranschaulicht.
22 zeigt eine seitliche Schnittansicht eines Rotors und eines Stators gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
23 zeigt eine teilweise vergrößerte Ansicht von 22.
24(a) und 24(b) zeigen Ansichten, die Strömungen von Magnetfluss in einer Magneteinheit demonstrieren.
25 zeigt eine Schnittansicht eines Stators in einer ersten Modifikation.
26 zeigt eine Schnittansicht eines Stators in der ersten Modifikation.
27 zeigt eine Schnittansicht eines Stators in einer zweiten Modifikation.
28 zeigt eine Schnittansicht eines Stators in einer dritten Modifikation.
29 zeigt eine Schnittansicht eines Stators in einer vierten Modifikation.
30 zeigt eine Schnittansicht eines Stators in einer sechsten Modifikation.
31 zeigt eine Schnittansicht eines Stators in einer siebten Modifikation.
32 zeigt eine Schnittansicht eines Stators in einer achten Modifikation.
33 zeigt eine Schnittansicht eines Stators in einer neunten Modifikation.
34 zeigt eine Schnittansicht eines Stators in einer zehnten Modifikation.
35 zeigt eine Schnittansicht eines Stators in einer zwölften Modifikation.
36(a) und 36(b) zeigen schematische Darstellungen, die eine Schrägungsstruktur eines Rotors gemäß der zwölften Modifikation veranschaulichen.
37(a) und 37(b) zeigen schematische Darstellungen, die eine Schrägungsstruktur eines Rotors gemäß einer dreizehnten Modifikation veranschaulichen.
38 zeigt eine Schnittansicht in Querrichtung, die einen Rotor und einen Stator gemäß einer fünfzehnten Modifikation veranschaulichen.
39 zeigt ein Funktionsblockschaltbild, das einen Teil von Vorgängen einer Betriebssignalerzeugungseinrichtung in einer sechszehnten Modifikation veranschaulicht.
40 zeigt ein Flussdiagramm, das eine Schrittabfolge zur Ausführung eines Trägerfrequenzänderungsvorgangs veranschaulicht.
41(a) , 41(b) und 41(c) zeigen Ansichten, die Verbindungen von Leitern veranschaulichen, die eine Leitergruppe in einer siebzehnten Modifikation bilden.
42 zeigt eine Ansicht, die einen Stapel von vier Paaren von Leitern gemäß der siebzehnten Modifikation veranschaulicht.
43 zeigt eine Längsschnittansicht, die eine Struktur eines Rotors gemäß einer achtzehnten Modifikation veranschaulicht.
44 zeigt eine seitliche Schnittansicht eines Rotors der Bauart mit innerem Rotor und eines Stators gemäß einer neunzehnten Modifikation.
45 zeigt eine teilweise vergrößerte Ansicht von 44.
46 zeigt eine Längsschnittansicht einer rotierenden elektrischen Maschine der Bauart mit innerem Rotor.
47 zeigt eine Längsschnittansicht, die schematisch eine Struktur einer rotierenden elektrischen Maschine der Bauart mit innerem Rotor veranschaulicht.
48(a) und 48(b) zeigten Schnittansichten, die eine Region nahe an einer Drehwelle gemäß einer zwanzigsten Modifikation veranschaulichen.
49 zeigt eine Ansicht, die eine Struktur einer rotierenden elektrischen Maschine der Innenrotorbauart gemäß einer einundzwanzigsten Modifikation veranschaulicht.
50 zeigt eine Ansicht, die eine Struktur einer rotierenden elektrischen Maschine der Bauart mit innerem Rotor gemäß der einundzwanzigsten Modifikation veranschaulicht.
51 zeigt eine Ansicht, die eine Struktur einer rotierenden elektrischen Maschine der Bauart mit umlaufendem Anker gemäß einer zweiundzwanzigsten Modifikation veranschaulicht.
52 zeigt eine Schnittansicht, die eine Struktur eines Leiters gemäß einer vierundzwanzigsten Modifikation veranschaulicht.
53 zeigt eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen einem Reluktanzdrehmoment, einem Magnetdrehmoment und einem Abstand DM veranschaulicht.
54 zeigt eine Ansicht, die Zähne veranschaulicht.

AUSFÜHRUNGSBEISPIELE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Die Ausführungsbeispiele sind nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Teile gemäß den Ausführungsbeispielen, die funktionell oder strukturell einander entsprechen, oder miteinander verknüpft sind, sind durch dieselben Bezugszeichen oder durch Bezugszeichen bezeichnet, die sich in der Hunderterstelle voneinander unterscheiden. Die entsprechenden oder verknüpften Teile können sich auf die Erläuterung in den anderen Ausführungsbeispielen beziehen.
Die rotierende elektrische Maschine gemäß den Ausführungsbeispielen ist konfiguriert, um beispielsweise als eine Leistungsquelle für Fahrzeuge verwendet zu werden. Die rotierende elektrische Maschine kann jedoch in breiter Weise für Industrie-, Automobil-, Haus-, Büroautomations- oder Spieleanwendungen verwendet werden. In den nachfolgenden Ausführungsbeispielen sind dieselben oder äquivalente Teile durch dieselben Bezugszeichen in den Zeichnungen bezeichnet, wobei deren ausführliche Erläuterung entfällt.
ERSTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Die rotierende elektrische Maschine 10 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist ein synchroner mehrphasiger Wechselstrommotor mit einer Außenrotorstruktur (d.h. einer Außendrehstruktur). Ein Überblick der rotierenden elektrischen Maschine 10 ist in 1 bis 5 veranschaulicht. 1 zeigt eine perspektivische Längsschnittansicht der rotierenden elektrischen Maschine 10. 2 zeigt eine Längsschnittansicht entlang der Drehwelle 11 der rotierenden elektrischen Maschine 10. 3 zeigt eine seitliche Schnittansicht (d.h., eine Schnittansicht, entlang der Linie III-III in 2 genommen ist) der rotierenden elektrischen Maschine 10 senkrecht zu der Drehwelle 11. 4 zeigt eine teilweise vergrößerte Schnittansicht von 3. 5 zeigt eine auseinandergezogene Ansicht der rotierenden elektrischen Maschine 10. 3 lässt die Schraffierung, die einen Schnittausschnitt der Drehwelle 11 zeigt, der Vereinfachung der Zeichnungen halber weg. In der nachfolgenden Diskussion wird eine Längsrichtung der Drehwelle 11 ebenfalls als eine Axialrichtung bezeichnet. Eine radiale Richtung von der Mitte der Drehwelle 11 ist einfach als eine radiale Richtung bezeichnet. Eine Richtung entlang eines Umlaufs der Drehwelle 11 um die Mitte davon ist einfach als eine Umlaufrichtung bezeichnet.
Die rotierende elektrische Maschine 10 weist eine Lagereinheit 20, ein Gehäuse 30, einen Rotor 40, einen Stator 50 und eine Wechselrichtereinheit 60 auf. Diese Elemente sind koaxial miteinander zusammen mit der Drehwelle 11 angeordnet und werden in einer gegebenen Abfolge zusammengebaut, um die rotierende elektrische Maschine 10 zu vervollständigen. Die rotierende elektrische Maschine 10 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist mit dem Rotor 40, der als eine Magnetfelderzeugungseinheit oder ein Feldsystem arbeitet, und dem Stator 50 ausgerüstet, der als ein Anker arbeitet, und ist als eine rotierende elektrische Maschine der Bauart mit umlaufendem Feld entwickelt.
Die Lagereinheit 20 weist zwei Lager 21 und 22, die weg voneinander in der axialen Richtung angeordnet sind, und eine Halteeinrichtung 23 auf, die die Lager 21 und 22 hält. Die Lager 21 und 22 sind beispielsweise durch Radialkugellager verwirklicht, von denen jedes einen äußeren Laufring 25, einen inneren Laufring 26 und eine Vielzahl von Kugeln 27 aufweist, die zwischen dem äußeren Laufring 25 und dem inneren Laufring 26 angeordnet sind. Die Halteeinrichtung 23 ist von einer zylindrischen Form. Die Lager 21 und 22 sind radial innerhalb der Halteeinrichtung 23 angeordnet. Die Drehwelle 11 und der Rotor 40 sind radial innerhalb der Lager 21 und 22 gehalten, um drehbar zu sein. Die Lager 21 und 22 werden als ein Satz von Lagern verwendet, um die Drehwelle 11 drehbar zu halten.
Jedes der Lager 21 und 22 hält die Kugeln 27 unter Verwendung einer nicht gezeigten Festhalteeinrichtung, um einen Abstand zwischen den Kugeln 27 konstant zu halten. Jedes der Lager 21 und 22 ist mit Dichtungen auf axial oberen und unteren Enden der Festhalteeinrichtung ausgerüstet und weist ebenfalls eine nichtleitende Schmierung (beispielsweise eine nichtleitende Urease-Schmierung) auf, die innerhalb der Dichtungen eingesetzt ist. Die Position des inneren Laufrings 26 ist mechanisch durch eine Abstandseinrichtung gesichert, um eine konstante innere Vorspannung an dem inneren Laufring 26 in der Form einer vertikalen Ausbuchtung auszuüben.
Das Gehäuse 30 weist eine zylindrische Umfangswand 31 auf. Die Umfangswand 31 weist ein erstes Ende und ein zweites Ende auf, die einander in einer axialen Richtung davon entgegengesetzt sind. Die Umfangswand 31 weist eine Endoberfläche 32 an dem ersten Ende und eine Öffnung 33 in dem zweiten Ende auf. Die Öffnung 33 belegt die gesamte Fläche des zweiten Endes. Die Endoberfläche 32 weist ein kreisförmiges Loch 34 auf, das in der Mitte davon geformt ist. Die Lagereinheit 20 ist in die Öffnung 34 eingesetzt und unter Verwendung einer Befestigungseinrichtung wie einer Schraube oder einer Niete fixiert. Der hohle zylindrische Rotor 40 und der hohle zylindrische Stator 50 sind in einem inneren Raum angeordnet, der durch die Umfangswand 31 und die Endoberfläche 32 innerhalb des Gehäuses 30 definiert ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die rotierende elektrische Maschine 10 von einer Außenrotorbauart, so dass der Stator 50 radial innerhalb des zylindrischen Rotors 40 innerhalb des Gehäuses 30 angeordnet ist. Der Rotor 40 wird in einer freitragenden Form durch einen Abschnitt der Drehwelle 11 nahe an der Endoberfläche 32 in der axialen Richtung festgehalten.
Der Rotor 40 weist eine hohle zylindrische magnetische Halteeinrichtung 41 und eine ringförmige Magneteinheit 42 auf, die innerhalb der Magnethalteeinrichtung 41 angeordnet ist. Die Magnethalteeinrichtung 41 weist im Wesentlichen eine Tassen- bzw. Schalenform auf und arbeitet als ein Magnethalteelement. Die Magnethalteeinrichtung 41 weist einen Zylinder 43, einen Anbringungsabschnitt 44, der von einer zylindrischen Form ist und im Durchmesser kleiner als der Zylinder 43 ist, und einen Zwischenabschnitt 45 auf, der den Zylinder 43 und den Anbringungsabschnitt 44 miteinander verbindet. Der Zylinder 43 weist die Magneteinheit 42 an einer inneren Umfangsoberfläche davon gesichert auf.
Die Magnethalteeinrichtung 41 ist aus einem kaltgewalzten Stahl (SPCC), Schmiedestahl oder kohlenfaserverstärktem Plastik (CFRP) gebildet, die einen erforderlichen Grad mechanischer Festigkeit aufweisen.
Die Drehwelle 11 verläuft durch eine Durchgangsöffnung 44a des Anbringungsabschnitts 44. Der Anbringungsabschnitt 44 ist an einem Abschnitt der Drehwelle 11 gesichert, der innerhalb der Durchgangsöffnung 44a angeordnet ist. Anders ausgedrückt ist die Magnethalteeinrichtung 41 an der Drehwelle 11 durch den Anbringungsabschnitt 44 gesichert. Der Anbringungsabschnitt 44 kann vorzugsweise mit der Drehwelle 11 unter Verwendung von Einbuchtungen und Ausbuchtungen (Konkavitäten und Konvexitäten), wie einer Kerbverzahnungsverbindung oder einer Keilverbindung, Schweißen oder Crimpen zusammengesetzt sein, so dass der Rotor 40 sich zusammen mit der Drehwelle 11 dreht.
Die Lager 21 und 22 der Lagereinheit 20 sind radial außerhalb des Anbringungsabschnitts 44 gesichert. Die Lagereinheit 20 ist, wie es vorstehend beschrieben worden ist, an der Endoberfläche 32 des Gehäuses 30 fixiert, so dass die Drehwelle 11 und der Rotor 40 durch das Gehäuse 30 festgehalten werden, um drehbar zu sein. Der Rotor 40 ist somit innerhalb des Gehäuses 30 drehbar.
Der Rotor 40 ist mit dem Anbringungsabschnitt 44 ausgerüstet, der lediglich an einem der zueinander in der axialen Richtung des Rotors 40 entgegengesetzt Enden davon angeordnet ist. Dies trägt den Rotor 40 an der Drehwelle 11 freitragend. Der Anbringungsabschnitt 44 des Rotors 40 wird drehbar an zwei Punkten von Stützen unter Verwendung der Lager 21 und 22 der Lagereinheit 20 festgehalten, die sich weg voneinander in der axialen Richtung befinden. Anders ausgedrückt wird der Rotor 40 unter Verwendung der zwei Lager 21 und 22, die voneinander mit einem Abstand in der axialen Richtung getrennt sind, an einem der axial entgegengesetzten Enden der Magnethalteeinrichtung 41 gehalten, um drehbar zu sein. Dies gewährleistet die Stabilität in der Drehung des Rotors 40, selbst wenn der Rotor 40 an der Drehwelle 41 freitragend gehalten wird. Der Rotor 40 wird durch die Lager 21 und 22 an Stellen festgehalten, die von der Mitte zwischen den axial entgegengesetzten Enden des Rotors 40 in der axialen Richtung davon entfernt sind.
Das Lager 22 der Lagereinheit 20, das sich näher an der Mitte des Rotors 40 befindet (der untere der Lager 21 und 22 in den Zeichnungen) unterscheidet sich in der Abmessung eines Spalts zwischen jeweils dem äußeren Laufring 25 und dem inneren Laufring und den Kugeln 27 von dem Lager 21, das sich weiter entfernt von der Mitte des Rotors 40 befindet (d.h. der obere der Lager 21 und 22). Beispielsweise ist die Abmessung des Spalts des Lagers 22, das sich näher an der Mitte des Rotors 40 befindet, größer als bei dem Lager 21. Dies minimiert nachteilige Wirkungen auf die Lagereinheit 20, die von einer Verbiegung des Rotors 40 oder einer mechanischen Vibration des Rotors 40 aufgrund eines Ungleichgewichts, die aus einer Teiletoleranz resultieren, an einer Stelle auftreten, die nahe an der Mitte des Rotors 40 ist. Insbesondere ist das Lager 22, das näher an der Mitte des Rotors 40 ist, derart entwickelt, dass dessen Abmessungen der Spalte oder Spielräume unter Verwendung von Vorspannung erhöht sind, wodurch die Vibration absorbiert wird, die in der freitragenden Struktur erzeugt wird. Die Vorspannung kann entweder durch eine fixierte Positionsvorlast oder eine konstante Druckvorlast bereitgestellt werden. In dem Falle einer fixierten Positionsvorlast ist der äußere Laufring 25 von jedem der Lager 21 und 22 mit der Festhalteeinrichtung 23 unter Verwendung von Presspassung oder Schweißen zusammengesetzt. Der innere Laufring 26 von jedem der Lager 21 und 22 ist mit der Drehwelle 11 durch Presspassung oder Schweißen zusammengesetzt. Die Vorspannung kann durch Anordnen des äußeren Laufrings 25 des Lagers 21 weg von dem inneren Laufring 26 des Lagers 21 in der axialen Richtung oder alternativ durch Anordnen des äußeren Laufrings 25 des Lagers 22 weg von dem inneren Laufring 26 des Lagers 22 in der axialen Richtung erzeugt werden.
In dem Falle der konstanten Druckvorlast ist eine Vorlastfeder wie eine Wellenfederscheibe 24 zwischen dem Lager 22 und dem Lager 21 angeordnet, um die Vorlast zu erzeugen, die von einer Region zwischen dem Lager 22 und dem Lager 21 zu dem äußeren Laufring 25 des Lagers 22 in der axialen Richtung gerichtet ist. In diesem Fall ist der innere Laufring 26 von jedem der Lager 21 und 22 mit der Drehwelle 11 unter Verwendung von Presspassen oder Bonden verbunden. Der äußere Laufring 25 des Lagers 21 oder des Lagers 22 ist weg von dem äußeren Laufring 25 durch einen gegebenen Freiraum angeordnet. Diese Struktur übt Druck, wie er durch die Vorlastfeder erzeugt wird, auf den äußeren Laufring 25 des Lagers 22 aus, um den äußeren Laufring 25 weg von dem Lager 21 zu drängen. Der Druck wird dann durch die Drehwelle 11 übertragen, um den inneren Laufring 26 des Lagers 21 zu dem Lager 22 hin zu drängen, wodurch der äußere Laufring 25 von jedem der Lager 21 und 22 weg von dem inneren Laufring 26 davon in der axialen Richtung gebracht wird, um die Vorlast auf die Lager 21 und 22 in derselben Weise wie bei der fixierten Positionsvorlast auszuüben.
Die konstante Druckvorlast muss nicht notwendigerweise den Federdruck, wie er in 2 veranschaulicht ist, auf den äußeren Laufring 25 des Lagers 22 ausüben, sondern kann alternativ durch Ausüben des Federdrucks auf den äußeren Laufring 25 des Lagers 21 erzeugt werden. Die Ausübung der Vorlast auf die Lager 21 und 22 kann alternativ erzielt werden, indem der innere Laufrings 26 von einem der Lager 21 und 22 weg von der Drehwelle 11 um einen gegebenen Freiraum dazwischen platziert wird und der äußere Laufrings 25 von jedem der Lager 21 und 22 mit der Festhalteeinrichtung 23 unter Verwendung von Presspassen oder Bonden zusammengesetzt wird.
Weiterhin wird in dem Fall, in dem der Druck erzeugt wird, um den inneren Laufring 26 des Lagers 21 weg von dem Lager 22 zu bringen, ein derartiger Druck vorzugsweise zusätzlich auf den inneren Laufring 26 des Lagers 22 weg von dem Lager 21 ausgeübt. Im Gegensatz dazu wird in dem Fall, in dem der Druck erzeugt wird, um den inneren Laufring 26 des Lagers 21 nahe an das Lager 22 zu bringen, ein derartiger Druck vorzugsweise zusätzlich auf den inneren Laufring 26 des Lagers 22 ausgeübt, um diesen nahe an das Lager 21 zu bringen.
In einem Fall, in dem die rotierende elektrische Maschine 10 als eine Leistungsquelle für ein Fahrzeug verwendet wird, besteht ein Risiko, dass eine mechanische Vibration mit einer Komponente, die in einer Richtung ausgerichtet ist, in der die Vorlast erzeugt wird, auf die Vorlasterzeugungsstruktur ausgeübt werden kann, oder dass eine Richtung, in der die Schwerkraft auf ein Objekt einwirkt, bei dem die Vorlast angewendet wird, geändert werden kann. Zur Lösung eines derartigen Problems wird vorzugsweise die fixierte Positionsvorlast in dem Fall verwendet, in dem die rotierende elektrische Maschine 10 in dem Fahrzeug montiert ist.
Der Zwischenabschnitt 45 weist eine ringförmige innere Schulter 49a und eine ringförmige äußere Schulter 49b auf. Die äußere Schulter 49b ist außerhalb der inneren Schulter 49a in der radialen Richtung des Zwischenabschnitts 45 angeordnet. Die innere Schulter 49a und die äußere Schulter 49b sind voneinander in der axialen Richtung des Zwischenabschnitts 45 getrennt. Diese Anordnung führt zu einem teilweisen Überlappen zwischen dem Zylinder 43 und dem Anbringungsabschnitt 44 in der radialen Richtung des Zwischenabschnitts 45. Anders ausgedrückt springt der Zylinder 43 nach außerhalb eines Basisendabschnitts (d.h., des unteren Abschnitts, wie in der Zeichnung gezeigt) des Anbringungsabschnitts 44 in der axialen Richtung vor. Die Struktur gemäß diesem Ausführungsbeispiel ermöglicht es, dass der Rotor 40 durch die Drehwelle 11 an einer Stelle festgehalten wird, die näher an dem Schwerpunkt des Rotors 40 ist als in einem Fall, in dem der Zwischenabschnitt 45 flach ohne irgendeine Schulter geformt ist, wodurch die Stabilität im Betrieb des Rotors 40 gewährleistet wird.
In der vorstehend beschriebenen Struktur des Zwischenabschnitts 45 weist der Rotor 40 eine ringförmige Lagergehäuseaussparung 46 auf, die in einem inneren Abschnitt des Zwischenabschnitts 45 geformt ist und radial den Anbringungsabschnitts 44 umgibt. Die Lagergehäuseaussparung 46 weist einen Abschnitt der Lagereinheit 20 darin angeordnet auf. Der Rotor 40 weist ebenfalls eine Spulengehäuseaussparung 47 auf, die in einem äußeren Abschnitt des Zwischenabschnitts 45 geformt ist und die Lagergehäuseaussparung 46 radial umgibt. Die Spulengehäuseaussparung 47 weist darin angeordnet ein Spulenende 54 der Statorwicklung 51 des Stators 50 auf, die später ausführlich beschrieben wird. Die Gehäuseaussparungen 46 und 47 sind benachbart zueinander in der axialen Richtung angeordnet. Anders ausgedrückt ist ein Abschnitt der Lagereinheit 20 derart angeordnet, dass er das Spulenende 54 der Statorwicklung 51 in der axialen Richtung überlappt. Dies ermöglicht es der rotierenden elektrischen Maschine 10, eine in der axialen Richtung verringerte Länge aufzuweisen.
Der Zwischenabschnitt 45 erstreckt sich oder hängt nach außen über von der Drehwelle 11 in der radialen Richtung. Der Zwischenabschnitt 45 ist mit einer Kontaktvermeidungseinrichtung ausgerüstet, die sich in der axialen Richtung erstreckt und einen physikalischen Kontakt mit dem Spulenende 54 der Statorwicklung 51 des Stators 50 vermeidet. Der Zwischenabschnitt 45 ist ebenfalls als Überhang bezeichnet.
Das Spulenende 54 kann radial nach innen oder nach außen gebogen werden, um einen verringerte axiale Abmessung aufzuweisen, wodurch eine Verringerung der axialen Länge des Stators 50 ermöglicht wird. Eine Richtung, in der das Spulenende 54 gebogen wird, wird vorzugsweise in Abhängigkeit von dem Einbau davon in den Rotor 40 bestimmt. In dem Fall, in dem der Stator 50 radial innerhalb des Rotors 40 eingebaut wird, wird ein Abschnitt des Spulenendes 54, der in den Rotor 40 eingesetzt wird, vorzugsweise radial nach innen gebogen. Ein Spulenende, das entgegengesetzt zu dem Spulenende 54 ist, kann entweder nach innen oder nach außen gebogen werden, wird jedoch vorzugsweise zu einer äußeren Seite hin gebogen, wo es ausreichend Raum im Hinblick auf die Herstellung davon gibt.
Die Magneteinheit 42, die als ein magnetischer Abschnitt arbeitet, ist aus einer Vielzahl von Permanentmagneten gebildet, die radial innerhalb des Zylinders 43 angeordnet sind, so dass sie unterschiedliche Magnetpole aufweisen, die abwechselnd in einer Umlaufrichtung davon angeordnet sind. Die Magneteinheit 42 weist somit eine Vielzahl von Magnetpolen auf, die in der Umlaufrichtung angeordnet sind. Die Magneteinheit 42 wird ebenfalls später ausführlich besch rieben.
Der Stator 50 ist radial innerhalb des Rotors 40 angeordnet. Der Stator 50 weist die Statorwicklung 51, die im Wesentlichen in einer zylindrischen (ringförmigen) Form gewickelt ist, und einen Statorkern 52 auf, der als ein Basiselement verwendet wird, das radial innerhalb der Statorwicklung 51 angeordnet ist. Die Statorwicklung 51 ist angeordnet, um der ringförmigen Magneteinheit 42 über einen gegebenen Luftspalt dazwischen zugewandt zu sein. Die Statorwicklung 51 weist eine Vielzahl von Phasenwicklungen auf, von denen jede aus einer Vielzahl von Leitern gebildet ist, die mit einer gegebenen Teilung weg voneinander in der Umlaufrichtung angeordnet sind und miteinander zusammengesetzt sind. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel werden zwei Drei-Phasen-Wicklungen verwendet: eine, die eine U-Phasen-Wicklung, eine V-Phasen-Wicklung und eine W-Phasen-Wicklung aufweist, und eine andere, die eine X-Phasen-Wicklung, eine Y-Phasen-Wicklung und eine Z-Phasen-Wicklung aufweist, um die Statorwicklung 51 als eine Sechs-Phasen-Wicklung zu vervollständigen.
Der Statorkern 52 ist durch einen ringförmigen Stapel von magnetischen Stahlblechen geformt, die aus einem weichmagnetischen Material gebildet sind und radial innerhalb der Statorwicklung 51 montiert sind. Die magnetischen Stahlbleche sind beispielsweise Siliziumnitrid-Stahlbleche, die durch Hinzufügen eines kleinen Anteils (beispielsweise 3%) von Siliziumnitrid zu Eisen gebildet sind. Die Statorwicklung 51 entspricht einer Ankerwicklung. Der Statorkern 52 entspricht einem Ankerkern.
Die Statorwicklung 51 überlappt den Statorkern 52 in der radialen Richtung und weist einen Spulenseitenabschnitt 53, der radial außerhalb des Statorkerns 52 angeordnet ist, und Spulenenden 54 und 55 auf, die an Enden des Statorkerns 52 in der axialen Richtung überhängen. Der Spulenseitenabschnitt 53 ist dem Statorkern 52 und der Magneteinheit 42 des Rotors 40 in der radialen Richtung zugewandt. Der Stator 50 ist innerhalb des Rotors 40 angeordnet. Das Spulenende 54, das eines (d.h., das obere, wie in der Zeichnung gezeigt) der axial entgegengesetzten Spulenenden 54 und 55 ist und nahe an der Lagereinheit 20 angeordnet ist, ist in der Spulengehäuseaussparung 47 angeordnet, die durch die Magnethalteeinrichtung 41 des Rotors 40 abgegrenzt ist. Der Stator 50 ist ebenfalls später ausführlich beschrieben.
Die Wechselrichtereinheit 60 weist eine Einheitsbasis 61, die an dem Gehäuse 30 unter Verwendung von Befestigungseinrichtungen wie Bolzen gesichert ist, und eine Vielzahl von elektrischen Komponenten 62 auf, die auf der Einheitsbasis 61 montiert sind. Die Einheitsbasis 61 ist beispielsweise aus einem kohlenfaserverstärkten Kunststoff (CFRP) gebildet. Die Einheitsbasis 61 weist eine Endplatte 63, die an einer Flanke der Öffnung 33 des Gehäuses 30 gesichert ist, und ein Gehäuse 64 auf, das einstückig mit der Endplatte 63 geformt ist und sich in der axialen Richtung erstreckt. Die Endplatte 63 weist eine in der Mitte davon geformte kreisförmige Öffnung 65 auf. Das Gehäuse 64 erstreckt sich von einer Umfangskante der Öffnung 65 nach oben.
Der Stator 50 ist an einer äußeren Umfangsoberfläche des Gehäuses 64 angeordnet. Insbesondere ist ein äußerer Durchmesser des Gehäuses 64 derart ausgewählt, dass er identisch mit oder etwas kleiner als ein innerer Durchmesser des Statorkerns 52 ist. Der Statorkern 52 ist an der äußeren Seite des Gehäuses 64 angebracht, um eine Einheit zu vervollständigen, die aus dem Stator 50 und der Einheitsbasis 61 gebildet ist. Die Einheitsbasis 61 ist an dem Gehäuse 30 gesichert, so dass der Stator 50 mit dem Gehäuse 30 in einer Bedingung vereinigt wird, in der der Statorkern 52 in dem Gehäuse 64 eingebaut ist.
Der Statorkern 52 kann an die Einheitsbasis 61 gebondet, schrumpfgepasst oder pressgepasst werden, wodurch eine Positionsverschiebung des Statorkerns 52 in Bezug auf die Einheitsbasis 61 sowohl in der Umlaufrichtung als auch in der axialen Richtung beseitigt wird.
Das Gehäuse 64 weist einen radial inneren Speicherraum auf, in dem die elektrischen Komponenten 62 angeordnet sind. Die elektrischen Komponenten 62 sind derart angeordnet, dass sie die Drehwelle 11 innerhalb des Speicherraums umgeben. Das Gehäuse 64 fungiert als ein Speicherraumformungsabschnitt. Die elektrischen Komponenten 62 weisen Halbleitermodule 66, eine Steuerungsplatine 67 und ein Kondensatormodul 68 auf, die eine Wechselrichterschaltung bilden.
Die Einheitsbasis 61 dient als eine Statorhalteeinrichtung (d.h. eine Ankerhalteeinrichtung), die radial innerhalb des Stators 50 angeordnet ist und den Stator 50 festhält. Das Gehäuse 30 und die Einheitsbasis 61 grenzen ein Motorgehäuse für die rotierende elektrische Maschine 10 ab. In dem Motorgehäuse ist die Festhalteeinrichtung 23 an einem ersten Ende des Gehäuses 30 gesichert, das entgegengesetzt zu einem zweiten Ende des Gehäuses 30 durch den Rotor 40 in der axialen Richtung entgegengesetzt ist. Das zweite Ende des Gehäuses 30 und die Einheitsbasis 61 sind zusammengesetzt. Beispielsweise ist in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug wie einem Elektroautomobil das Motorgehäuse an einer Seite des Fahrzeugs angebracht, um die rotierende elektrische Maschine 10 in das Fahrzeug einzubauen.
Die Wechselrichtereinheit 60 ist ebenfalls unter Verwendung von 6, die eine auseinandergezogene Ansicht ist, zusätzlich zu den 1 bis 5 beschrieben.
Das Gehäuse 64 der Einheitsbasis 61 weist einen Zylinder 71 und eine Endoberfläche 72 auf, die eine von Enden des Zylinders 71 ist, die einander in der axialen Richtung des Zylinders 71 entgegengesetzt sind (d.h., das Ende des Gehäuses 64, das nahe an der Lagereinheit 20 ist). Das Ende des Zylinders 71, das der Endoberfläche 72 in der axialen Richtung gegenüberliegt, ist geformt, um vollständig zu der Öffnung 65 der Endplatte 63 offen zu sein. Die Endoberfläche 72 weist in der Mitte davon die kreisförmige Öffnung 73 auf, durch die die Drehwelle 11 einsetzbar ist. Die Öffnung 73 weist darin eingepasst ein Dichtungselement 171 auf, das hermetisch einen Luftspalt zwischen der Öffnung 73 und dem äußeren Umfang der Drehwelle 11 abdichtet. Das Dichtungselement 171 ist vorzugsweise beispielsweise durch eine harzhaltige verschiebbare Dichtung verwirklicht.
Der Zylinder 71 des Gehäuses 64 dient als eine Unterteilung, die den Rotor 40 und den Stator 50, die radial außerhalb des Zylinders 71 angeordnet sind, von den elektrischen Komponenten 62 isoliert, die radial innerhalb des Zylinders 71 angeordnet sind. Der Rotor 40, der Stator 50 und die elektrischen Komponenten 62 sind radial innerhalb und außerhalb des Zylinders 71 angeordnet.
Die elektrischen Komponenten 62 sind elektrische Vorrichtungen, die die Wechselrichterschaltung aufbauen, die mit einer Motorfunktion und einer Generatorfunktion ausgerüstet ist. Die Motorfunktion besteht darin, einen elektrischen Strom den Phasenwicklungen der Statorwicklung 51 in einer gegebenen Abfolge zuzuführen, um den Rotor 40 zu drehen. Die Generatorfunktion besteht darin, dass ein Drei-Phasen-Wechselstrom, der durch die Statorwicklung 51 in Reaktion auf die Drehung der Drehwelle 11 fließt, zu empfangen und elektrische Leistung zu erzeugen und auszugeben. Die elektrischen Komponenten 62 können entwickelt sein, entweder die Motorfunktion oder die Generatorfunktion durchzuführen. In einem Fall, in dem die rotierende elektrische Maschine 10 als eine Leistungsquelle für ein Fahrzeug verwendet wird, dient die Generatorfunktion als eine regenerative Funktion zur Ausgabe einer regenerierten elektrischen Leistung.
Insbesondere weisen die elektrischen Komponenten 62, wie es in 4 demonstriert ist, ein hohles zylindrisches Kondensatormodul 68, das um die Drehwelle 11 angeordnet ist, und Halbleitermodule 66 auf, die an dem Kondensatormodul 68 montiert sind. Das Kondensatormodul 68 weist eine Vielzahl von Glättungskondensatoren 68a auf, die parallel zueinander geschaltet sind. Insbesondere ist jeder der Kondensatoren 68a durch einen gestapelten Folienkondensator, der aus einer Vielzahl von Folienkondensatoren gebildet ist, die in einer Trapezform im Querschnitt gestapelt sind, verwirklicht. Das Kondensatormodul 68 ist aus zwölf Kondensatoren 68a aufgebaut, die in einer ringförmigen Form angeordnet sind.
Die Kondensatoren 68a können hergestellt werden durch Vorbereiten einer langen Folie, die eine gegebene Breite aufweist und aus einem Stapel von Folien hergestellt ist, und Schneiden der langen Folie in gleichschenklige Trapeze, von denen jedes eine Höhe aufweist, die identisch zu der Breite der langen Folie ist, und deren kurze Basen und lange Basen abwechselnd angeordnet sind. Elektroden sind an den auf diese Weise produzierten Kondensatorvorrichtungen angebracht, um die Kondensatoren 68a zu vervollständigen.
Das Halbleitermodul 66 weist beispielsweise einen Halbleiterschalter wie einen MOSFET oder einen IGBT auf und ist im Wesentlichen in einer ebenen Form. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die rotierende elektrische Maschine 10, wie es vorstehend beschrieben worden ist, mit zwei Sätzen von Drei-Phasen-Wicklungen ausgerüstet und weist die Wechselrichterschaltungen, jeweils eine für jeden Satz der Drei-Phasen-Wicklungen, auf. Die elektrischen Komponenten 62 weisen daher insgesamt zwölf Halbleitermodule 66 auf, die in einer Ringform angeordnet sind, um eine Halbleitermodulgruppe 66A aufzubauen.
Die Halbleitermodule 66 sind zwischen dem Zylinder 61 des Gehäuses 64 und dem Kondensatormodul 68 angeordnet. Die Halbleitermodulgruppe 66A weist eine äußere Umfangsoberfläche auf, die in Kontakt mit einer inneren Umfangsoberfläche des Zylinders 61 versetzt ist. Die Halbleitermodulgruppe 66A weist ebenfalls eine innere Umfangsoberfläche auf, die in Kontakt mit einer äußeren Umfangsoberfläche des Kondensatormoduls 68 versetzt ist. Dies bewirkt, dass Wärme, wie sie in den Halbleitermodulen 66 erzeugt wird, auf die Endplatte 63 durch das Gehäuse 64 übertragen wird, so dass sie von der Endplatte 63 abgeleitet wird.
Die Halbleitermodulgruppe 66A weist vorzugsweise Abstandshalter 69 auf, die radial außerhalb der äußeren Umfangsoberfläche davon, d.h. zwischen den Halbleitermodulen 66 und dem Zylinder 71, angeordnet sind. Eine Kombination der Kondensatormodule 68 ist derart angeordnet, dass sie einen regelmäßigen zwölfeckigen Schnitt aufweist, der sich senkrecht zu der axialen Richtung davon erstreckt, während der innere Umfang des Zylinders 71 einen kreisförmigen Schnitt in Querrichtung aufweist. Die Abstandshalter 69 sind daher jeweils derart geformt, dass sie eine flache innere Umfangsoberfläche und eine gekrümmte äußere Umfangsoberfläche aufweisen. Die Abstandshalter 69 können alternativ einstückig miteinander in einer Ringform geformt sein und radial außerhalb der Halbleitermodule 66A angeordnet sein. Die Abstandshalter 69 sind thermisch hochleitend und sind beispielsweise aus Metall wie Aluminium oder einer wärmeableitenden Gelfolie gebildet. Der innere Umfang des Zylinders 71 kann alternativ derart geformt sein, dass er einen zwölfeckigen Schnitt in Querrichtung wie die Kondensatormodule 68 aufweist. In diesem Fall sind die Abstandshalter 69 jeweils derart geformt, dass sie eine flache innere Umfangsoberfläche und eine flache äußere Umfangsoberfläche aufweisen.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist der Zylinder 71 des Gehäuses 64 darin geformt einen Kühlmittelpfad 74 auf, durch den Kühlmittel fließt. Die in den Halbleitermodulen 66 erzeugte Wärme wird ebenfalls zu dem Kühlmittel, das in dem Kühlmittelpfad 74 fließt, freigegeben. Anders ausgedrückt ist das Gehäuse 64 mit einem Kühlmechanismus ausgerüstet. Der Kühlmittelpfad 74 ist, wie es deutlich in 3 und 4 veranschaulicht ist, in einer ringförmigen Form geformt und umgibt die elektrischen Komponenten 62 (d.h. die Halbleitermodule 66 und das Kondensatormodul 68). Die Halbleitermodule 66 sind entlang der inneren Umfangsoberfläche des Zylinders 71 angeordnet. Der Kühlmittelpfad 74 ist derart gelegt, dass er die Halbleitermodule 66 in der radialen Richtung überlappt.
Der Stator 50 ist außerhalb des Zylinders 71 angeordnet. Die elektrischen Komponenten 62 sind innerhalb des Zylinders 71 angeordnet. Diese Anordnung bewirkt, dass die Wärme von dem Stator 50 zu der äußeren Seite des Zylinders 71 übertragen wird und ebenfalls von den elektrischen Komponenten 62 (beispielsweise den Halbleitermodulen 66) zu der inneren Seite des Zylinders 71 übertragen wird. Es ist ebenfalls möglich, gleichzeitig den Stator 50 und die Halbleitermodule 66 zu kühlen, wodurch eine Ableitung thermischer Energie, die durch die Wärmeerzeugungselemente der rotierenden elektrischen Maschine 10 erzeugt wird, zu begünstigen.
Weiterhin ist zumindest eines der Halbleitermodule 66, die einen Teil oder alle der Wechselrichterschaltungen bilden, die zur Speisung der Statorwicklung 51 dienen, um die rotierende elektrische Maschine anzutreiben, in einer Region angeordnet, die durch den Statorkern 52 umgeben ist, der radial außerhalb des Zylinders 71 des Gehäuses 64 angeordnet ist. Vorzugsweise kann eines der Halbleitermodule 66 vollständig innerhalb der Region angeordnet sein, die durch den Statorkern 52 umgeben ist. Weiter vorzugsweise können alle Halbleitermodule 66 vollständig in der Region angeordnet sein, die durch den Statorkern 52 umgeben ist.
Zumindest ein Abschnitt der Halbleitermodule 66 ist in einer Region angeordnet, die durch den Kühlmittelpfad 74 umgeben ist. Vorzugsweise können alle Halbleitermodule 66 in einer Region angeordnet sein, die durch ein Joch 141 umgeben ist.
Die elektrischen Komponenten 62 weisen ein Isolierblech 75, das an einer von axial gegenüberliegenden Endoberflächen des Kondensatormoduls 68 angeordnet ist, und ein Verdrahtungsmodul 76 auf, das an der anderen Endoberfläche des Kondensatormoduls 68 angeordnet ist. Das Kondensatormodul 68 weist zwei axial entgegengesetzte Endoberflächen auf: eine erste Endoberfläche und eine zweite Endoberfläche. Die erste Endoberfläche des Kondensatormoduls 68, die näher an der Lagereinheit 20 ist, ist der Endoberfläche 72 des Gehäuses 64 zugewandt und ist durch das Isolierblech 75 auf die Endoberfläche 72 gelegt. Die zweite Endoberfläche des Kondensatormoduls 68, die näher an der Öffnung 65 ist, weist das darauf montierte Verdrahtungsmodul 76 auf.
Das Verdrahtungsmodul 76 weist einen aus Harz gebildeten kreisförmigen plattenförmigen Körper 76a und eine Vielzahl von Sammelschienen 76b und 76c auf, die in dem Körper 76a eingebettet sind. Die Sammelschienen 76b und 76c verbinden die Halbleitermodule 66 und das Kondensatormodul 68 elektrisch miteinander. Insbesondere sind die Halbleitermodule 66 mit Verbindungsstiften 66a ausgerüstet, die sich von axialen Enden davon erstrecken. Die Verbindungsstifte 66a sind mit den Sammelschienen 76b radial außerhalb des Körpers 76a verbunden. Die Sammelschienen 76c erstrecken sich weg von dem Kondensatormodul 68 radial außerhalb des Körpers 76a und weisen obere Enden auf, die mit Verdrahtungselementen 79 verbunden sind (siehe 2).
Das Kondensatormodul 68 weist, wie es vorstehend beschrieben worden ist, das Isolierblech 75 auf der ersten Endoberfläche darauf montiert auf. Das Kondensatormodul 68 weist ebenfalls das Verdrahtungsmodul 76 auf der zweiten Endoberfläche davon montiert auf. Das Kondensatormodul 68 weist daher zwei Wärmeableitungspfade auf, die sich von den ersten und zweiten Endoberflächen des Kondensatormoduls 68 zu der Endoberfläche 72 und dem Zylinder 71 erstrecken. Insbesondere ist ein Wärmeableitungspfad definiert, der sich von der ersten Endoberfläche zu der Endoberfläche 72 erstreckt. Ein Wärmeableitungspfad ist definiert, der sich von der zweiten Endoberfläche zu dem Zylinder 71 erstreckt. Dies ermöglicht, dass die Wärme von den Endoberflächen des Kondensatormoduls 68 außer der äußeren Umfangsoberfläche, auf der die Halbleitermodule 66 angeordnet sind, freigegeben wird. Anders ausgedrückt ist es möglich, die Wärme nicht nur in der radialen Richtung abzuleiten, sondern ebenfalls in der axialen Richtung.
Das Kondensatormodul 68 ist von einer hohlen zylindrischen Form und weist die Drehwelle 11 darin zu einem gegebenen Intervall weg von dem inneren Umfang des Kondensatormoduls 68 angeordnet auf, so dass Wärme, die durch das Kondensatormodul 68 erzeugt wird, von dem hohlen zylindrischen Raum abgeleitet wird. Die Drehung der Drehwelle 11 produziert üblicherweise eine Luftströmung, wodurch Kühlwirkungen verbessert werden.
Das Verdrahtungsmodul 76 weist eine daran angebrachte scheibenförmige Steuerungsplatine 67 auf. Die Steuerungsplatine 67 weist eine gedruckte Schaltungsplatine (PCB) auf, auf der gegebene Verdrahtungsmuster geformt sind und die ebenfalls ICs und eine Steuerungsvorrichtung 77 aufweist, die darauf montiert sind. Die Steuerungsvorrichtung 77 dient als eine Steuerungseinrichtung und ist aus einem Mikrocomputer gebildet. Die Steuerungsplatine 67 ist an dem Verdrahtungsmodul 76 unter Verwendung von Befestigungseinrichtungen wie Schrauben gesichert. Die Steuerungsplatine 67 weist eine in der Mitte davon geformte Öffnung 67a auf, durch die die Drehwelle 11 gelangt.
Das Verdrahtungsmodul 76 weist eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche auf, die einander in der axialen Richtung, das heißt, in einer Dickenrichtung des Verdrahtungsmoduls 76 entgegengesetzt sind. Die erste Oberfläche ist dem Kondensatormodul 68 zugewandt. Das Verdrahtungsmodul 76 weist die auf der zweiten Oberfläche davon montierte Steuerungsplatine 67 auf. Die Sammelschienen 76c des Verdrahtungsmoduls 76 erstrecken sich von einer der Oberflächen der Steuerungsplatine 67 zu der anderen. Die Steuerungsplatine 67 kann Ausschnitte aufweisen, um ein physikalisches Eingreifen mit den Sammelschienen 76c zu vermeiden. Beispielsweise kann die Steuerungsplatine 67 Ausschnitte aufweisen, die in Abschnitten der kreisförmigen äußeren Kante davon geformt sind.
Die elektrischen Komponenten 62 sind, wie es bereits beschrieben worden ist, innerhalb des Raums angeordnet, der durch das Gehäuse 64 umgeben ist. Das Gehäuse 30, der Rotor 40 und der Stator 50 sind außerhalb des Raums in der Form von Schichten angeordnet. Diese Struktur dient zur Abschirmung gegenüber elektromagnetische Störung, die in den Wechselrichterschaltungen erzeugt wird. Insbesondere arbeitet die Wechselrichterschaltung zur Steuerung von Schaltvorgängen der Halbleitermodule 66 in einer PWM-Steuerungsbetriebsart unter Verwendung einer gegebenen Trägerfrequenz. Die Schaltvorgänge erzeugen üblicherweise elektromagnetische Störung, gegen die das Gehäuse 30, der Rotor 40 und der Stator 50, die außerhalb der elektrischen Komponenten 62 angeordnet sind, abschirmen.
Weiterhin ist zumindest ein Abschnitt der Halbleitermodule 66 innerhalb der Region angeordnet, die durch den Statorkern 52 umgeben ist, der radial außerhalb des Zylinders 71 des Gehäuses 64 sich befindet, wodurch nachteilige Wirkungen von Magnetfluss, der durch die Halbleitermodule 66 an der Statorwicklung 51 erzeugt wird, im Vergleich zu einem Fall minimiert werden, in dem die Halbleitermodule 66 und die Statorwicklung 51 ohne den dazwischen angeordneten Statorkern 52 angeordnet sind. Der durch die Statorwicklung 51 erzeugte Magnetfluss beeinträchtigt auch kaum die Halbleitermodule 66. Es ist effektiver, dass die Gesamtheit der Halbleitermodule 66 sich in der Region befindet, die durch den Statorkern 52 umgeben ist, der radial außerhalb des Zylinders 71 des Gehäuses 64 angeordnet ist. Wenn zumindest ein Abschnitt der Halbleitermodule 66 durch den Kühlmittelpfad 74 umgeben ist, bietet dies den Vorteil, dass verhindert wird, dass die durch die Statorwicklung 51 oder die Magneteinheit 42 produzierte Wärme die Halbleitermodule 66 erreicht.
Der Zylinder 71 weist die Durchgangsöffnungen 78 auf, die nahe der Endplatte 63 geformt sind, und durch die die Verdrahtungselemente 79 (siehe 2) verlaufen, um den Stator 50, der außerhalb des Zylinders 71 angeordnet ist, und die elektrischen Komponenten 62 zu verbinden, die innerhalb des Zylinders 71 angeordnet sind. Die Verdrahtungselemente 79 sind, wie es in 2 veranschaulicht ist, mit Enden der Statorwicklung 51 und den Sammelschienen 76c des Verdrahtungsmoduls 76 unter Verwendung von Krimpen oder Schweißtechniken verbunden. Die Verdrahtungselemente 79 sind beispielsweise durch Sammelschienen verwirklicht, deren Verbindungsoberflächen vorzugsweise abgeflacht sind. Eine einzelne Durchgangsöffnung 78 oder eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen 78 sind vorzugsweise vorgesehen. Dieses Ausführungsbeispiel weist zwei Durchgangsöffnungen 78 auf. Die Verwendung der zwei Durchgangsöffnungen 78 begünstigt die Leichtigkeit, mit der Anschlüsse, die sich von den zwei Sätzen der Drei-Phasen-Wicklungen erstrecken, durch die Verdrahtungselemente 79 verbunden werden, und ist geeignet, um mehrphasige Drahtverbindungen zu erzielen.
Der Rotor 40 und der Stator 50 sind, wie es bereits gemäß 4 beschrieben worden ist, innerhalb des Gehäuses 30 in dieser Reihenfolge in einer radial nach innen gerichteten Richtung angeordnet. Die Wechselrichtereinheit 60 ist radial innerhalb des Stators 50 angeordnet. Wenn ein Radius des inneren Umfangs des Gehäuses 30 als d definiert ist, befinden sich der Rotor 40 und der Stator 50 radial außerhalb zu einem Abstand von d × 0,705 weg von dem Drehzentrum des Rotors 40. Wenn eine Region, die sich radial innerhalb des inneren Umfangs des Stators 50 (d.h. der inneren umlaufenden Oberfläche des Statorkerns 52) befindet, als eine erste Region X1 definiert ist, und eine Region, die sich radial von dem inneren Umfang des Stators 50 zu dem Gehäuse 30 erstreckt, als eine zweite Region X2 definiert ist, ist eine Fläche eines Querschnitts der ersten Region X1 größer als derjenige der zweiten Region X2 eingestellt. Wie es in einer Region, in der die Magneteinheit 42 des Rotors 40 die Statorwicklung 51 überlappt, gesehen wird, ist das Volumen der ersten Region X1 größer als das der zweiten Region X2.
Der Rotor 40 und der Stator 50 sind als eine magnetische Schaltungskomponentenbaugruppe gebildet. In dem Gehäuse 30 ist die erste Region XI, die sich radial innerhalb der inneren Umfangsoberfläche der magnetischen Schaltungskomponentenbaugruppe befindet, im Volumen größer als die Region X2, die sich zwischen der inneren Umfangsoberfläche der magnetischen Schaltungskomponentenbaugruppe und dem Gehäuse 30 in der radialen Richtung befindet.
Nachstehend sind die Strukturen des Rotors 40 und des Stators 50 ausführlicher beschrieben.
Typische rotierende elektrische Maschinen sind bekannt, die mit einem Stator mit einem ringförmigen Statorkern ausgerüstet sind, der aus einem Stapel von Stahlblechen gebildet ist, und eine Statorwicklung aufweist, die in einer Vielzahl von Nuten gewickelt ist, die in einer Umlaufrichtung des Statorkerns angeordnet sind. Insbesondere weist der Statorkern Zähne auf, die sich in einer radialen Richtung davon zu einem gegebenen Intervall weg von einem Joch erstrecken. Jede Nut ist zwischen zwei radial benachbarten Zähnen geformt. In jeder Nut ist eine Vielzahl von Leitern in der radialen Richtung in der Form von Schichten angeordnet, um die Statorwicklung zu formen.
Jedoch weist die vorstehend beschriebene Statorstruktur ein Risiko auf, dass, wenn die Statorwicklung gespeist wird, eine Erhöhung der magnetomotorischen Kraft in der Statorwicklung zu einer magnetischen Sättigung in den Zähnen des Statorkerns führen kann, wodurch eine Drehmomentdichte in der rotierenden elektrischen Maschine beschränkt wird. Anders ausgedrückt wird in Betracht gezogen, dass Drehfluss, wie er durch die Speisung der Statorwicklung des Statorkerns erzeugt wird, sich an den Zähnen konzentriert, was ein Risiko aufweist, dass eine magnetische Sättigung verursacht wird.
Allgemein sind IPM- (Innen-Permanent-Magnet-) Rotoren bekannt, die eine Struktur aufweisen, bei der Permanentmagnete auf einer d-Achse eines d-q-Achsen-Koordinatensystems angeordnet sind, und ein Rotorkern auf einer q-Achse des d-q-Achsen-Koordinatensystems versetzt ist. Eine Erregung einer Statorwicklung nahe der d-Achse wird bewirken, dass ein erregter Magnetfluss von einem Stator zu einem Rotor entsprechend den Fleming'schen Regeln fließt.
Dies bewirkt das breite Auftreten einer magnetischen Sättigung in dem Rotorkern auf der q-Achse.
7 zeigt eine Drehmomentdiagrammdarstellung, die eine Beziehung zwischen einer Amperewindung (AT), die eine durch die Statorwicklung erzeugte magnetomotorische Kraft repräsentiert, und einer Drehmomentdichte (Nm/L) darstellt. Eine gestrichelte Linie gibt Charakteristiken einer typischen rotierenden elektrischen Maschine mit IPM-Rotor an. 7 zeigt, dass in der typischen rotierenden elektrischen Maschine eine Erhöhung der magnetomotorischen Kraft in dem Stator ein Auftreten einer magnetischen Sättigung an zwei Stellen verursachen wird: dem Zahn zwischen den Nuten und dem q-Achsen-Rotor (d.h. dem Rotorkern auf der q-Achse), wodurch eine Erhöhung des Drehmoments beschränkt wird. Auf diese Weise wird ein Entwurfswert der Amperewindung in der typischen rotierenden elektrischen Maschine auf A1 beschränkt.
Um das vorstehend beschriebenen Problem gemäß diesem Ausführungsbeispiel abzumildern, ist die rotierende elektrische Maschine 10 entworfen, um eine zusätzliche Struktur aufzuweisen, wie es nachstehend beschrieben ist, um die Beschränkung zu beseitigen, die aufgrund der magnetischen Sättigung auftritt. Insbesondere ist als eine erste Maßnahme der Stator 50 entworfen, eine nutenlose Struktur aufzuweisen, um die magnetische Sättigung zu beseitigen, die in den Zähnen des Statorkerns des Stators auftritt, und ebenfalls einen SPM-(Oberflächen-Permanent-Magnet-) Rotor zu verwenden, um die magnetische Sättigung zu beseitigen, die in einem q-Achsen-Kern des IPM-Rotors auftritt. Die erste Maßnahme dient zur Beseitigung der vorstehend beschriebenen zwei Stellen, an denen die magnetische Sättigung auftritt, jedoch kann dies zu einer Verringerung des Drehmoments in einer Region mit niedrigem Strom führen (siehe eine abwechselnd lang und kurz gestrichelte Linie in 7). Zur Abmilderung dieses Problems wird als eine zweite Maßnahme eine polare anisotrope Struktur angewendet, um einen Magnetpfad von Magneten in der Magneteinheit 42 des Rotors 40 zu erhöhen, um eine Magnetkraft zu verbessern, damit ein Magnetfluss in dem SPM-Rotor erhöht wird, um die Drehmomentverringerung zu minimieren.
Zusätzlich wird als eine dritte Maßnahme eine abgeflachte Leiterstruktur angewendet, um eine Dicke von Leitern des Spulenseitenabschnitts 53 der Statorwicklung 51 in der radialen Richtung des Stators 50 zu verringern, um die Drehmomentverringerung zu kompensieren. Es ist denkbar, dass die vorstehend beschriebene magnetkraftverstärkte polare anisotrope Struktur zu einem Fluss von einem großen Wirbelstrom in der Statorwicklung 51 führt, die der Magneteinheit 42 zugewandt ist. Die dritte Maßnahme dient jedoch dazu, die abgeflachte Leiterstruktur anzuwenden, bei der die Leiter eine verringerte Dicke in der radialen Richtung aufweisen, wodurch die Erzeugung des Wirbelstroms in der Statorwicklung 51 in der radialen Richtung minimiert wird. Auf diese Weise wird erwartet, dass die vorstehend beschriebenen ersten bis dritten Strukturen, wie es durch eine durchgezogene Linie in 7 gezeigt ist, stark die Drehmomentcharakteristiken unter Verwendung von Hochmagnetkraft-Magneten verbessern und ebenfalls ein Risiko der Erzeugung eines großen Wirbelstroms, der aus der Verwendung der Hochmagnetkraft-Magneten resultiert, behebt.
Zusätzlich wird als eine vierte Maßnahme eine Magneteinheit angewendet, die eine polare anisotrope Struktur aufweist, um eine Magnetdichteverteilung zu erzeugen, die sich einer Sinuswelle annähert. Dies erhöht einen Sinuswellenübereinstimmungsanteil unter Verwendung einer Impulssteuerung, wie es später beschrieben ist, um das Drehmoment zu verbessern, und führt ebenfalls zu einer moderaten Änderung in dem Magnetfluss, wodurch ein Wirbelstromverlust (d.h., ein Kupferverlust, der durch Wirbelstrom verursacht wird) im Vergleich zu radialen Magneten minimiert wird.
Der Sinuswellenübereinstimmungsanteil ist nachstehend beschrieben. Der Sinuswellenübereinstimmungsanteil kann durch Vergleichen einer Wellenform, eines Zyklus und eines Spitzenwerts einer Oberflächenmagnetflussdichtenverteilung, die durch tatsächliches Bewegen eines Magnetflussfühlers auf einer Oberfläche eines Magneten gemessen wird, mit denjenigen einer Sinuswelle hergeleitet werden. Der Sinuswellenübereinstimmungsanteil ist durch einen Anteil einer Amplitude einer primären Wellenform, die eine Wellenform einer Grundwelle in einer rotierenden elektrischen Maschine ist, zu derjenigen der tatsächlich gemessenen Wellenform, das heißt einer Amplitude der Summe der Grundwelle und einer Oberschwingungskomponente, gegeben. Eine Erhöhung des Sinuswellenübereinstimmungsanteils wird bewirken, dass die Wellenform in der Oberflächenmagnetflussdichtenverteilung sich der Wellenform der Sinuswelle annähert. Wenn ein elektrischer Strom einer primären Sinuswelle von einem Wechselrichter einer rotierenden elektrischen Maschine zugeführt wird, die mit Magneten ausgerüstet ist, die einen verbesserten Sinuswellenübereinstimmungsanteil aufweisen, wird dies die Erzeugung eines großen Ausmaßes von Drehmoment bewirken, kombiniert mit der Tatsache, dass die Wellenform in der Oberflächenmagnetflussdichtenverteilung des Magneten nahe an der Wellenform einer Sinuswelle ist. Die Oberflächenmagnetflussdichtenverteilung kann alternativ unter Verwendung einer elektromagnetischen Analyse entsprechend den Maxwell-Gleichungen hergeleitet werden.
Als eine fünfte Maßnahme ist die Statorwicklung 51 entworfen, eine Leiterstrangstruktur aufzuweisen, die aus einem Bündel von Drähten gebildet ist. In der Leiterstrangstruktur der Statorwicklung 51 sind die Drähte parallel zueinander geschaltet, wodurch das Fließen eines hohen Stroms oder einer hohen Größe von Strom in der Statorwicklung 51 ermöglicht wird und ebenfalls ein Wirbelstrom, der in den Leitern auftritt, die in der Umlaufrichtung des Stators 50 verbreitert sind, effektiver als bei der dritten Maßnahme minimiert wird, bei der die Leiter in der radialen Richtung abgeflacht sind, da jeder der Drähte eine verringerte Querschnittsfläche aufweist. Die Verwendung des Bündels der Drähte wird das Auftreten eines Wirbelstroms aufgrund eines Magnetflusses aufheben, der entsprechend dem Ampereschen Schaltungsgesetz in Reaktion auf die magnetomotorische Kraft auftritt, die durch die Leiter erzeugt wird.
Die Verwendung der vierten und fünften Maßnahmen minimiert den Wirbelstromverlust, der aus der hohen magnetischen Kraft resultiert, die durch die Hochmagnetkraft-Magneten erzeugt wird, die durch die zweite Maßnahme bereitgestellt sind, und verbessert ebenfalls das Drehmoment.
Die nutenlose Struktur des Stators 50, die abgeflachte Leiterstruktur der Statorwicklung 51 und die polare anisotrope Struktur der Magneteinheit 42 sind nachstehend beschrieben. Die nutenlose Struktur des Stators 50 und die abgeflachte Leiterstruktur der Statorwicklung 51 sind zunächst beschrieben. 8 zeigt eine Querschnittsansicht, die den Rotor 40 und den Stator 50 veranschaulicht. 9 zeigt eine teilweise vergrößerte Ansicht, die den Rotor 40 und den Stator 50 in 8 veranschaulicht. 10 zeigt eine Querschnittsansicht des Stators 50, die entlang der Linie X-X in 11 genommen ist. 11 zeigt eine Längsschnittansicht des Stators 50. 12 zeigt eine perspektivische Ansicht der Statorwicklung 51. 8 und 9 geben Richtungen der Magnetisierung der Magnete der Magneteinheit 42 unter Verwendung von Pfeilen an.
Der Statorkern 52 ist, wie es deutlich in 8 bis 11 veranschaulicht ist, von einer zylindrischen Form und aus einer Vielzahl von Magnetstahlblechen aufgebaut, die in der axialen Richtung des Statorkerns 52 gestapelt sind, um eine gegebene Dicke in einer radialen Richtung des Statorkerns 52 aufzuweisen. Die Statorwicklung 51 ist an dem äußeren Umfang des Statorkerns 52 montiert, der dem Rotor 40 zugewandt ist. Die äußere Umfangsoberfläche des Statorkerns 52, die dem Rotor 40 zugewandt ist, dient als ein Leitermontageabschnitt (d.h. eine Leiterfläche). Die äußere Umfangsoberfläche des Statorkerns 52 ist als eine gekrümmte Oberfläche ohne irgendwelche Irregularitäten geformt. Eine Vielzahl von Leitergruppen 81 sind an der äußeren Umfangsoberfläche des Statorkerns 52 zu gegebenen Intervallen weg voneinander in der Umlaufrichtung des Statorkerns 52 angeordnet. Der Statorkern 52 fungiert als ein Gegenjoch, das ein Abschnitt eines Magnetkreises ist, der arbeitet, um dem Rotor 40 zu drehen. Der Stator 50 ist entworfen, eine Struktur aufzuweisen, bei der ein Zahn (d.h. ein Kern), der aus einem weichmagnetischen Material aufgebaut ist, nicht zwischen jeweiligen zweien der Leitergruppen 81 angeordnet ist, die benachbart zueinander in der Umlaufrichtung angeordnet sind (d.h. die nutenlose Struktur). Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist ein Harzmaterial des Dichtungselements 57 in dem Raum oder der Spalte 56 zwischen jeweiligen benachbarten zweien der Leitergruppen 81 angeordnet. Anders ausgedrückt weist der Stator 50 ein Leiter-zu-Leiter-Element auf, das zwischen den Leitergruppen 81 angeordnet ist, die benachbart zueinander in der Umlaufrichtung des Stators 50 angeordnet sind, und aus einem nichtmagnetischen Material aufgebaut sind. Die Leiter-zu-Leiter-Elemente dienen als die Dichtungselemente 57. Bevor die Dichtungselemente 57 zum Dichten der Lücken 56 platziert werden, werden die Leitergruppen 81 in der Umlaufrichtung radial außerhalb des Statorkerns 52 zu einem gegebenen Intervall weg voneinander durch die Spalte 56, die Leiter-zu-Leiter-Regionen sind, angeordnet. Dies ergibt die nutenlose Struktur des Stators 50. Anders ausgedrückt ist jede der Leitergruppen 81, wie es später ausführlich beschrieben ist, aus zwei Leitern 82 aufgebaut. Ein Intervall zwischen jeweiligen zweien der Leitergruppen 81, die benachbart zueinander in der Umlaufrichtung des Stators 50 angeordnet sind, ist lediglich durch ein nichtmagnetisches Material belegt. Das nichtmagnetische Material, auf das sich hier bezogen wird, weist ein nichtmagnetisches Gas wie Luft oder eine nichtmagnetische Flüssigkeit auf. In der nachfolgenden Beschreibung sind die Dichtungselemente 57 ebenfalls als Leiter-zu-Leiter-Elemente bezeichnet.
Die Struktur, wie sich hierin darauf bezogen wird, bei der die Zähne jeweils zwischen den Leitergruppen 81 angeordnet sind, die in der Umlaufrichtung regelmäßig angeordnet sind, bedeutet, dass jeder der Zähne eine gegebene Dicke in der radialen Richtung aufweist und eine gegebene Breite in der Umlaufrichtung des Stators 50 aufweist, so dass ein Abschnitt des Magnetkreises, das heißt ein magnetischer Magnetpfad, zwischen den benachbarten Leitergruppen 81 liegt. Im Gegensatz dazu bedeutet die Struktur, bei der kein Zahn zwischen den benachbarten Leitergruppen 81 liegt, dass es keinen Magnetkreis zwischen den benachbarten Leitergruppen 81 gibt.
Die Statorwicklung (d.h. die Ankerwicklung) 51 weist, wie es in 10 veranschaulicht ist, eine gegebene Dicke T2 (die nachstehend auch als erste Abmessung bezeichnet ist) und eine Breite W2 (die nachstehend auch als eine zweite Abmessung bezeichnet ist) auf. Die Dicke T2 ist durch einen minimalen Abstand zwischen einer äußeren Seitenoberfläche und einer inneren Seitenoberfläche der Statorwicklung 51 gegeben, die einander in der radialen Richtung des Stators 50 gegenüberliegen. Die Breite W2 ist durch eine Abmessung eines Abschnitts der Statorwicklung 51 gegeben, die als eine der mehreren Phasen (d.h. der U-Phase, der V-Phase, der W-Phase, der X-Phase, der Y-Phase und der Z-Phase gemäß diesem Ausführungsbeispiel) der Statorwicklung 51 in der Umlaufrichtung fungiert. Insbesondere ist in einem Fall, in dem die zwei Leitergruppen 81, die benachbart zueinander in der Umlaufrichtung gemäß 10 angeordnet sind, als eine der drei Phasen, beispielsweise die U-Phasen-Wicklung, dienen, ein Abstand zwischen in Umlaufrichtung äußersten Enden der zwei in Umlaufrichtung benachbarten Leitergruppen 81 die Breite W2. Die Dicke T2 ist kleiner als die Breite W2.
Die Dicke T2 ist vorzugsweise kleiner als die Summe der Breiten der zwei Leitergruppen 81 innerhalb der Breite W2 eingestellt. Falls die Statorwicklung 51 (genauer der Leiter 82) entworfen ist, einen echten kreisförmigen Querschnitt, einen ovalen Querschnitt oder einen polygonalen Querschnitt aufzuweisen, kann der Querschnitt des Leiters 82, der in der radialen Richtung des Stators 50 genommen ist, geformt sein, eine maximale Abmessung W12 in der radialen Richtung des Stators 50 und eine maximale Abmessung W11 in der Umlaufrichtung des Stators 50 aufzuweisen.
Die Statorwicklung 51 ist, wie es aus 10 und 11 hervorgeht, durch die Dichtungselemente 57 abgedichtet, die durch einen synthetischen Harzverguss geformt sind. Insbesondere werden die Statorwicklung 51 und der Statorkern 52 in eine Form zusammen eingesetzt, wenn die Dichtungselemente 57 durch das Harz vergossen werden. Das Harz kann als ein nichtmagnetisches Material oder ein Äquivalent davon betrachtet werden, dessen Bs (Sättigungsmagnetflussdichte) Null ist.
Wenn ein Querschnitt in 10 betrachtet wird, sind die Dichtungselemente 57 bereitgestellt, indem synthetisches Harz in die Spalte 56 zwischen den Leitergruppen 81 platziert wird. Die Dichtungselemente 57 dienen als Isolatoren, die zwischen den Leitergruppen 81 angeordnet sind. Anders ausgedrückt fungiert jedes der Dichtungselemente 57 als ein Isolator in einer der Spalten 56. Die Dichtungselemente 57 belegen eine Region, die sich radial außerhalb des Statorkerns 52 befindet und alle Leitergruppen 81 aufweist, anders ausgedrückt, die derart definiert ist, dass sie eine Abmessung aufweist, die größer als jede der Leitergruppen 81 in der radialen Richtung ist.
Wenn ein Längsschnitt in 11 betrachtet wird, liegen die Dichtungselemente 57 derart, dass eine Region einschließlich der Windungen 84 der Statorwicklung 51 belegt wird. Radial innerhalb der Statorwicklung 51 liegen die Dichtungselemente 57 in einer Region einschließlich zumindest eines Abschnitts der axial entgegengesetzten Enden des Statorkerns 52. In diesem Fall ist die Statorwicklung 51 vollständig durch das Harz abgedichtet, mit Ausnahme der Enden jeder Phasenwicklung, d.h., von Anschlüssen, die mit den Wechselrichterschaltungen verbunden sind.
Die Struktur, bei der die Dichtungselemente 57 in der Region einschließlich der Enden des Statorkerns 52 angeordnet sind, ermöglicht es den Dichtungselementen 57, den Stapel der Stahlbleche des Statorkerns 52 nach innen in der axialen Richtung zusammenzudrücken. Anders ausgedrückt arbeiten die Dichtungselemente 57, um den Stapel der Stahlbleche des Statorkerns 52 fest zurückzuhalten. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die innere Umfangsoberfläche des Statorkerns 52 nicht unter der Verwendung von Harz abgedichtet, jedoch kann die Gesamtheit des Statorkerns 52 einschließlich der inneren Umfangsoberfläche unter Verwendung von Harz abgedichtet werden.
In einem Fall, in dem die rotierende elektrische Maschine 10 als eine Leistungsquelle für ein Fahrzeug verwendet wird, sind die Dichtungselemente 57 vorzugsweise aus einem wärmebeständigen Fluorharz, Epoxidharz, PPS-Harz, PEEK-Harz, LCP-Harz, Silikonharz, PAI-Harz oder PI-Harz aufgebaut. Im Hinblick auf einen linearen Ausdehnungskoeffizienten zur Minimierung eines Bruchs der Dichtungselemente 57 aufgrund einer Expansionsdifferenz sind die Dichtungselemente 57 vorzugsweise aus demselben Material wie eine äußere Folie der Leiter der Statorwicklung 51 aufgebaut. Das Silikonharz, dessen linearer Ausdehnungskoeffizient das doppelte oder mehr der anderen Harze ist, wird vorzugsweise von dem Material der Dichtungselemente 57 ausgeschlossen. In einem Fall elektrischer Produkte, wie Elektrofahrzeugen, die nicht mit einer Verbrennungsmaschine ausgerüstet sind, kann PPO-Harz, Phenol-Harz oder FRP-Harz verwendet werden, die 180°C widerstehen, mit Ausnahme in Feldern, in denen erwartet wird, dass eine Umgebungstemperatur der rotierenden elektrischen Maschine niedriger als 100°C ist.
Das Ausmaß von Drehmoment, das von der rotierenden elektrischen Maschine 10 abgegeben wird, ist üblicherweise proportional zu dem Ausmaß eines Magnetflusses. In einem Fall, in dem ein Statorkern mit Zähnen ausgerüstet ist, wird eine maximale Größe von Magnetfluss in dem Statorkern in Abhängigkeit von der Sättigungsmagnetflussdichte in den Zähnen beschränkt, während in einem Fall, in dem der Statorkern nicht mit Zähnen ausgerüstet ist, die maximale Größe des Magnetflusses in dem Statorkern nicht beschränkt ist. Eine derartige Struktur ist daher nützlich zur Erhöhung einer Größe von elektrischem Strom, der der Statorwicklung 51 zugeführt wird, um das Ausmaß von Drehmoment zu erhöhen, das durch die rotierende elektrische Maschine 10 erzeugt wird.
Dieses Ausführungsbeispiel wendet die nutenlose Struktur an, bei der der Stator 50 nicht mit Zähnen ausgerüstet ist, was zu einer Verringerung in der Induktivität des Stators 50 führt. Insbesondere weist ein Stator einer typischen rotierenden elektrischen Maschine, bei der Leiter in Nuten angeordnet sind, die durch Zähne voneinander isoliert sind, eine Induktivität von angenähert 1 mH auf, wohingegen der Stator 50 gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine verringerte Induktivität von 5 bis 60 µH aufweist. Die rotierende elektrische Maschine 10 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist eine Bauart mit äußerem Rotor, weist jedoch eine verringerte Induktivität des Stators 50 auf, so dass eine mechanische Zeitkonstante Tm verringert ist. Anders ausgedrückt ist die rotierende elektrische Maschine 10 in der Lage, ein hohes Ausmaß an Drehmoment auszugeben, und ist entworfen, einen verringerten Wert der mechanischen Zeitkonstante Tm aufzuweisen. Wenn Trägheit als J definiert ist, Induktivität als L definiert ist, eine Drehmomentkonstante als Kt definiert ist und eine gegenelektromotorische Kraftkonstante als Ke definiert ist, wird die mechanische Zeitkonstante Tm entsprechend der Gleichung Tm = (J × L) / (Kt × Ke) berechnet. Dies zeigt, dass eine Verringerung der Induktivität L zu einer Verringerung der mechanischen Zeitkonstanten Tm führen wird.
Jede der Halbleitergruppen 81, die radial außerhalb des Statorkerns 52 angeordnet sind, ist aus einer Vielzahl von Leitern 82 aufgebaut, deren Querschnitt von einer abgeflachten rechteckigen Form ist und die aneinander in der radialen Richtung des Statorkerns 52 angeordnet sind. Jeder der Leiter 82 ist derart ausgerichtet, dass er einen Querschnitt aufweist, der die Beziehung erfüllt: radiale Abmessung < Umlaufabmessung. Dies bewirkt, dass jede der Leitergruppen 81 in der radialen Richtung dünn ist. Eine leitende Region der Leitergruppe 81 erstreckt sich ebenfalls innerhalb einer Region, die durch Zähne eines typischen Stators belegt ist. Dies erzeugt eine Struktur mit abgeflachter leitender Region, bei der eine Schnittfläche von jedem der Leiter 82 in der Umlaufrichtung erhöht ist, wodurch ein Risiko behoben wird, dass die Größe von thermischer Energie durch eine Verringerung in der Querschnittsfläche eines Leiters aufgrund des Abflachens des Leiters erhöht werden kann. Eine Struktur, bei der eine Vielzahl von Leitern in der Umlaufrichtung angeordnet sind und parallel zueinander geschaltet sind, wird üblicherweise einer Verringerung der Querschnittsfläche der Leiter durch eine Dicke einer Beschichtungsschicht der Leiter unterzogen, weist jedoch Vorteile auf, die aus denselben Gründen wie vorstehend beschrieben erhalten werden. In der nachfolgenden Beschreibung ist jede der Leitergruppen 81 oder jeder der Leiter 82 ebenfalls als leitendes Element bezeichnet.
Der Stator 50 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist, wie es bereits beschrieben worden ist, entworfen, keine Nuten aufzuweisen, wodurch ermöglicht wird, die Statorwicklung 51 derart zu entworfen, dass sie eine leitende Region eines gesamten Umlaufabschnitts des Stators 50 aufweist, die größer als eine nichtleitende Region ist, die nicht durch die Statorwicklung 51 in dem Stator 50 belegt wird. In typischen rotierenden elektrischen Maschinen für Fahrzeuge ist ein Verhältnis der leitenden Region/der nichtleitenden Region üblicherweise eins oder weniger. Im Gegensatz dazu weist dieses Ausführungsbeispiel die Leitergruppen 81 auf, die angeordnet sind, eine leitende Region aufzuweisen, die im Wesentlichen identisch mit der Größe oder größer als die nichtleitende Region ist. Falls die Leiterregion, wie sie in 10 veranschaulicht ist, die durch den Leiter 82 belegt ist (d.h., der gerade Abschnitt 83, der später ausführlich beschrieben wird) in der Umlaufrichtung als WA definiert ist, und eine Leiter-zu-Leiter-Region, die ein Intervall zwischen jeweiligen benachbarten zweien der Leiter 82 ist, als WB definiert ist, ist die Leiterregion WA größer als die Leiter-zu-Leiter-Region WB in der Umlaufrichtung.
Die Leitergruppe 81 der Statorwicklung 51 weist eine Dicke in der radialen Richtung davon auf, die kleiner als eine Umlaufbreite eines Abschnitts der Statorwicklung 51 ist, der in einer Region von einem Magnetpol liegt und als eine der Phasen der Statorwicklung 51 dient. In der Struktur, bei der jeder der Leitergruppen 81 aus zwei Leitern 82 aufgebaut ist, die in der Form von zwei Schichten gestapelt sind, die aufeinander in der radialen Richtung liegen, und die zwei Leitergruppen 81 in der Umlaufrichtung innerhalb einer Region von einem Magnetpol für jede Phase angeordnet sind, ist eine Beziehung von Tc × 2 < Wc × 2 erfüllt, wobei Tc die Dicke von jedem der Leiter 82 in der radialen Richtung ist und Wc die Breite von jeder der Leiter 82 in der Umlaufrichtung ist. In einer anderen Struktur, bei der jede der Leitergruppen 81 aus zwei Leitern 82 aufgebaut ist, und jede der Leitergruppen 81 innerhalb der Region von einem Magnetpol für jede Phase liegt, ist vorzugsweise eine Beziehung Tc × 2 < Wc erfüllt. Anders ausgedrückt ist in der Statorwicklung 51, die entworfen ist, Leiterabschnitte (d.h. die Leitergruppen 81) aufzuweisen, die zu einem gegebenen Intervall weg voneinander in der Umlaufrichtung angeordnet sind, die Dicke von jedem Leiterabschnitt (d.h. der Leitergruppe 81) in der radialen Richtung kleiner als die Breite eines Abschnitts der Statorwicklung 51 eingestellt, der in der Region von einem Magnetpol für jede Phase in der Umlaufrichtung liegt.
Anders ausgedrückt ist jeder der Leiter 82 vorzugsweise derart geformt, dass er die Dicke Tc in der radialen Richtung hat, die kleiner als die Breite Wc in der Umlaufrichtung ist. Die Dicke 2Tc von jeder der Leitergruppen 81 ist aus einem Stapel von zwei Leitern 82 in der radialen Richtung gebildet, die vorzugsweise kleiner als die Breite Wc von jeder der Leitergruppen 81 in der Umlaufrichtung ist.
Das Ausmaß von Drehmoment, das von der rotierenden elektrischen Maschine 10 produziert wird, ist im Wesentlichen umgekehrt proportional zu der Dicke des Statorkerns 52 in der radialen Richtung. Die Leitergruppen 81, die radial außerhalb des Statorkerns 52 angeordnet sind, sind, wie es vorstehend beschrieben worden ist, entworfen, eine Dicke aufzuweisen, die in der radialen Richtung verringert ist. Dieser Entwurf ist nützlich bei der Erhöhung des Ausmaßes von Drehmoment, das von der rotierenden elektrischen Maschine 10 abgegeben wird. Dies liegt daran, dass ein Abstand zwischen der Magneteinheit 42 des Rotors 40 und dem Statorkern 52 (d.h., ein Abstand, in dem kein Eisen vorhanden ist) verringert werden kann, um den magnetischen Widerstandswert zu verringern. Dies ermöglicht es, eine Magnetflussverkettung in dem Statorkern 52, der durch die Permanentmagneten produziert wird, zu erhöhen, um das Drehmoment zu verbessern.
Die Verringerung der Dicke der Leitergruppen 81 begünstigt die Leichtigkeit, mit der ein Magnetfluss, der aus den Leitergruppen 81 streut, in dem Statorkern 52 gesammelt wird, wodurch verhindert wird, dass der Magnetfluss nach außerhalb des Statorkerns 52 heraus streut, ohne dass er zur Verbesserung des Drehmoments verwendet wird. Dies vermeidet einen Abfall in der Magnetkraft aufgrund der Streuung des Magnetflusses und erhöht die Magnetflussverkettung in dem Statorkern 52, der durch die Permanentmagneten produziert wird, wodurch das Drehmoment verbessert wird.
Jeder der Leiter 82 ist aus einem beschichteten Leiter aufgebaut, der durch Abdecken der Oberfläche eines Leiterkörpers 82a mit einer Beschichtung 82b geformt wird. Die Leiter 82, die aufeinander in der radialen Richtung gestapelt sind, sind daher voneinander isoliert. Gleichermaßen sind die Leiter 82 von dem Statorkern 52 isoliert. Die Isolierbeschichtung 82b kann eine Beschichtung jedes Drahts 86 sein, wie es nachstehend ausführlich beschrieben ist, in einem Fall, in dem jeder Draht 86 aus einem Draht mit einer selbstklebenden Beschichtung gebildet ist, oder kann durch einen zusätzlichen Isolator gebildet werden, der auf einer Beschichtung jedes Drahts 86 angeordnet ist. Jede Phasenwicklung, die durch die Leiter 82 gebildet wird, ist durch die Beschichtung 82b mit Ausnahme eines freigelegten Abschnitts davon zu Verbindungszwecken isoliert. Der freigelegte Abschnitt weist beispielsweise einen Eingangs- oder einen Ausgangsanschluss oder einen Neutralpunkt im Falle einer Sternschaltung auf. Die Leitergruppen 81, die benachbart zueinander in der radialen Richtung angeordnet sind, sind fest miteinander unter Verwendung von Harz oder selbstklebendem beschichteten Draht fest aneinandergeheftet, wodurch das Risiko eines Isolationsdurchbruchs, einer mechanischen Vibration oder Störung minimiert wird, die durch Reiben der Leiter 82 verursacht werden.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der Leiterkörper 82a aus einer Sammlung von einer Vielzahl von Drähten 86 gebildet. Insbesondere ist der Leiterkörper 82a, wie aus 13 hervorgeht, aus einem Strang der verdrillten Drähte 86 gebildet. Jeder der Drähte 86 ist, wie es aus 14 hervorgeht, aus einem Bündel einer Vielzahl dünner leitender Fasern 87 gebildet. Beispielsweise ist jeder der Drähte 86 aus einem Komplex von CNT- (Kohlenstoffnanoröhren-) Fasern gebildet. Die CNT-Fasern weisen Bor-enthaltende Mikrofasern auf, bei denen zumindest ein Teil von Kohlenstoff mit Bor ersetzt ist. Statt der CNT-Fasern, die kohlenstoffbasierte Mikrofasern sind, kann eine dampfgewachsene Kohlenstofffaser (VGCF, vapor grown carbon fiber) verwendet werden, jedoch wird die CNT-Faser vorgezogen. Die Oberfläche des Drahts 86 ist mit einer Schicht von isolierendem Polymer wie Emaille bedeckt. Die Oberfläche des Drahts 86 ist vorzugsweise mit einer Emaillebeschichtung wie einer Polyimid-Beschichtung oder einer Amid-Imid-Beschichtung bedeckt.
Die Leiter 82 bilden n-Phasen-Wicklungen der Statorwicklung 51. Die Drähte 86 von jedem der Leiter 82 (d.h. des Leitungskörpers 82a) sind in Kontakt miteinander versetzt. Jeder der Leiter 82 weist einen oder mehrere Abschnitte auf, die durch Verdrillen der Drähte 86 geformt sind und einen oder mehrere Abschnitte einer entsprechenden einen der Phasenwicklungen definieren. Ein Widerstandswert zwischen den verdrillten Drähten 86 ist größer als von jedem der Drähte 86. Anders ausgedrückt weisen die jeweiligen benachbarten zwei Drähte 86 einen ersten elektrischen spezifischen Widerstand in einer Richtung auf, in der die Drähte 86 benachbart zueinander angeordnet sind. Jeder der Drähte 86 weist einen zweiten elektrischen spezifischen Widerstand in einer Längsrichtung des Drahts 86 auf. Der erste elektrische spezifische Widerstand ist größer als der zweite elektrische spezifische Widerstand. Jeder der Leiter 82 kann durch eine Anordnung von Drähten, d.h. der verdrillten Drähte 86, die mit Isolierelementen bedeckt sind, deren erster elektrischer spezifischer Widerstand sehr hoch ist, gebildet sein. Der Leiterkörper 82a von jedem der Leiter 82 ist aus einem Strang der verdrillten Drähte 86 gebildet.
Der Leiterkörper 82a ist, wie es vorstehend beschrieben worden ist, aus den verdrillten Drähten 86 gebildet, wodurch ein in jedem der Drähte 86 erzeugter Wirbelstrom reduziert wird, was einen Wirbelstrom in dem Leiterkörper 82a reduziert. Jeder der Drähte 86 ist verdrillt, wodurch bewirkt wird, dass jeder der Drähte 86 Abschnitte aufweist, in denen Richtungen eines angelegten Magnetfeldes entgegengesetzt zueinander sind, was eine gegenelektromotorische Kraft aufhebt. Dies führt zu einer Reduktion des Wirbelstroms. Insbesondere ist jeder der Drähte 86 aus den leitenden Fasern 87 gebildet, wodurch ermöglicht wird, dass die leitenden Fasern 87 dünn sind, und ebenfalls ermöglicht wird, dass die Anzahl der Male, wie oft die leitenden Fasern 87 verdrillt werden, erhöht wird, was die Reduktion des Wirbelstroms verbessert.
Wie die Drähte 86 voneinander isoliert werden, ist nicht auf die vorstehend beschriebene Verwendung der Polymerisolierschicht begrenzt, sondern es kann ein Kontaktwiderstandswert verwendet werden, um einem Stromfluss zwischen den Drähten 86 zu widerstehen. Anders ausgedrückt wird der vorstehend beschriebene Vorteil durch eine Differenz im Potential aufgrund einer Differenz zwischen dem Widerstandswert zwischen den verdrillten Drähten 86 und dem Widerstandswert von jedem der Drähte 86 erhalten, solange wie der Widerstandswert zwischen den Drähten 86 größer als derjenige von jedem der Drähte 86 ist. Beispielsweise kann der Kontaktwiderstandswert erhöht werden, indem eine Produktionsausrüstung für die Drähte 86 und eine Produktionsausrüstung für den Stator 50 (d.h. den Anker) der rotierenden elektrischen Maschine 10 als diskrete Vorrichtungen verwendet werden, um zu bewirken, dass die Drähte 86 während einer Transportzeit oder einer Arbeitspause oxidiert werden.
Jeder der Leiter 82 ist, wie es vorstehend beschrieben worden ist, von einer Niedrigprofilform oder einer abgeflachten rechteckigen Form im Querschnitt. Die Leiter 82, bei denen es sich um mehr als einen handelt, sind in der radialen Richtung angeordnet. Jeder der Leiter 82 ist aus einem Strang der Drähte 86 gebildet, die jeweils durch einen selbstklebenden Beschichtungsdraht geformt sind, der beispielsweise eine Aufschmelzungs- oder Bondschicht oder eine Isolierschicht ausgerüstet ist, und die mit dem zusammen verschmolzenen Bondschichten verdrillt sind. Jeder der Leiter 82 kann alternativ durch Formen von verdrillten Drähten ohne eine Bondschicht oder verdrillten selbstklebenden Beschichtungsdrähten in eine gewünschte Form unter Verwendung von synthetischem Harz gebildet werden. Die Isolierbeschichtung 82b von jedem der Leiter 82 kann eine Dicke von 80 µm bis 100 µm aufweisen, die dicker als diejenige einer Beschichtung eines typischen Drahts ist (d.h. 5 µm bis 40 µm). In diesem Fall wird ein erforderliches Ausmaß von Isolierung zwischen den Leitern 82 erzielt, selbst wenn keine Isolierfolie zwischen den Leitern 82 angeordnet wird.
Es ist ebenfalls vorzuziehen, dass die Isolierbeschichtung 82b ein höheres Ausmaß von Isolierung als die Isolierschicht des Drahts 86 aufweist, um eine Isolierung zwischen den Phasenwicklungen zu erzielen. Beispielsweise weist die Polymerisolierschicht des Drahts 86 eine Dicke von beispielsweise 5 µm auf. In diesem Fall ist die Dicke der Isolierbeschichtung 82b des Leiters 82 vorzugsweise derart ausgewählt, dass sie 80 µm bis 100 µm ist, um die Isolierung zwischen den Phasenwicklungen zu erzielen.
Jeder der Leiter 82 kann alternativ aus einem Bündel von nicht verdrillten Drähten 86 gebildet werden. Kurz gesagt kann jeder der Leiter 82 aus einem Bündel der Drähte 86 gebildet werden, bei denen die gesamten Längen verdrillt sind, bei denen Abschnitte verdrillt sind, oder bei denen die gesamten Längen nicht verdrillt sind. Jeder der Leiter 82, die den Leiterabschnitt bilden, ist, wie es vorstehend beschrieben worden ist, aus einem Bündel der Drähte 86 gebildet. Der Widerstandswert zwischen den Drähten 86 ist größer als der von jedem der Drähte 86.
Die Leiter 82 sind jeweils gebogen und in einem gegebenen Muster in der Umlaufrichtung der Statorwicklung 51 angeordnet, wodurch die Phasenwicklungen der Statorwicklung 51 geformt werden. Die Statorwicklung 51 weist, wie es in 12 veranschaulicht ist, den Spulenseitenabschnitt 53 und die Spulenenden 54 und 55 auf. Die Leiter 82 weisen die geraden Abschnitte 83 auf, die sich gerade in der axialen Richtung der Statorwicklung 51 erstrecken und den Spulenseitenabschnitt 53 bilden. Die Leiter 82 weisen die Windungen 84, die außerhalb des Spulenseitenabschnitts 53 angeordnet sind, in der axialen Richtung auf, und bilden die Spulenenden 54 und 55. Jeder der Leiter 82 ist aus einer wellenförmigen Leiterabfolge gebildet, die durch abwechselndes Anordnen der geraden Abschnitte 83 und der Windungen 84 geformt ist. Die geraden Abschnitte 83 sind derart angeordnet, dass sie der Magneteinheit 42 in der radialen Richtung zugewandt sind. Die geraden Abschnitte 83 sind zu einem gegebenen Intervall weg voneinander angeordnet und miteinander unter Verwendung der Windungen 84 zusammengesetzt, die sich außerhalb der Magneteinheit 42 in der axialen Richtung befinden. Die geraden Abschnitte 83 entsprechen einem dem Magneten zugewandten Abschnitt.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Statorwicklung 51 in der Form einer ringförmigen verteilten Wicklung geformt. In dem Spulenseitenabschnitt 53 sind die geraden Abschnitte 83 zu einem Intervall weg voneinander angeordnet, das jedem Polpaar der Magneteinheit 42 für jede Phase entspricht. In jedem der Spulenenden 54 und 55 sind die geraden Abschnitte 83 für jede Phase durch die Windung 84 miteinander zusammengesetzt, die von einer V-Form ist. Die geraden Abschnitte 83, die für jedes Polpaar gepaart sind, sind entgegengesetzt zueinander in einer Richtung des Flusses von elektrischem Strom. Jeweils zwei der geraden Abschnitte 83, die durch jede der Windungen 84 zusammengesetzt sind, sind zwischen dem Spulenende 54 und dem Spulenende 55 unterschiedlich. Die Verbindungen der geraden Abschnitte 83 durch die Windungen 84 sind in der Umlaufrichtung an jedem der Spulenenden 54 und 55 angeordnet, um die Statorwicklung in einer hohlen zylindrischen Form zu vervollständigen.
Genauer ist die Statorwicklung 51 aus zwei Paaren der Leiter 82 für jede Phase aufgebaut. Die Statorwicklung 51 ist mit einem ersten Drei-Phasen-Wicklungssatz, der die U-Phasen-Wicklung, die V-Phasen-Wicklung und die W-Phasen-Wicklung aufweist, und einem zweiten Drei-Phasen-Wicklungssatz ausgerüstet, der die X-Phasen-Wicklung, die Y-Phasen-Wicklung und die Z-Phasen-Wicklung aufweist. Der erste Drei-Phasen-Wicklungssatz und der zweite Drei-Phasen-Wicklungssatz sind benachbart zueinander in der radialen Richtung in der Form von zwei Schichten angeordnet. Wenn die Anzahl der Phasen der Statorwicklung 51 als S (d.h. 6 gemäß diesem Ausführungsbeispiel) definiert ist, die Anzahl der Leiter 82 für jede Phase als m definiert ist, werden 2 × S × m = 2Sm Leiter 82 für jedes Polpaar in der Statorwicklung 51 verwendet. Die rotierende elektrische Maschine gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist derart entworfen, dass die Anzahl der Phasen S 6 ist, die Anzahl m 4 ist, und 8 Polpaare verwendet werden. 6 × 4 × 8 = 192 Leiter 82 sind in der Umlaufrichtung des Statorkerns 52 angeordnet.
Die Statorwicklung 51 in 12 ist entworfen, den Spulenseitenabschnitt 53 aufzuweisen, der die geraden Abschnitte 82 aufweist, die in der Form von zwei überlappenden Schichten angeordnet sind, die benachbart zueinander in der radialen Richtung angeordnet sind. Jedes der Spulenenden 54 und 55 weist jeweils zwei der Windungen 84 auf, die sich von den radial überlappenden geraden Abschnitten 82 in entgegengesetzten Umlaufrichtungen erstrecken. Anders ausgedrückt sind die Leiter 82, die benachbart zueinander in der radialen Richtung angeordnet sind, in der Richtung, in der die Windungen 84 sich erstrecken, entgegengesetzt zueinander, mit Ausnahme der Enden der Statorwicklung 51.
Eine Wicklungsstruktur der Leiter 82 der Statorwicklung 51 ist nachstehend ausführlich beschrieben. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind die Leiter 82, die in der Form einer Wellenwicklung geformt sind, in der Form einer Vielzahl von Schichten (beispielsweise zwei Schichten) vorgesehen, die benachbart zueinander angeordnet sind, oder sich in der radialen Richtung einander überlappen. 15(a) und 15(b) veranschaulichen die Anordnung der Leiter 82, die die n-te Schicht formen. 15(a) zeigt die Konfigurationen des Leiters 82, wenn die Seite der Statorwicklung 51 betrachtet wird. 15(b) zeigt die Konfigurationen der Leiter 82, wie in der axialen Richtung der Statorwicklung 51 betrachtet. In 15(a) und 15(b) sind die Orte der Leitergruppen 81 durch Symbole D1, D2, D3 ... und D9 angegeben. Der Einfachheit der Offenbarung halber zeigen 15(a) und 15(b) lediglich drei Leiter 82, die nachstehend hier als erster Leiter 82_A, zweiter Leiter 82_B und dritter Leiter 82_C bezeichnet sind.
Die Leiter 82_A bis 82_C weisen die geraden Abschnitte 83 an einen Ort der n-ten Schicht angeordnet auf, anders ausgedrückt, an derselben Position in der Umlaufrichtung. Jeweils zwei der geraden Abschnitte 82, die zu 6 Teilungen (die 3 × m Paaren entsprechen) weg voneinander angeordnet sind, sind durch eine der Windungen 84 miteinander zusammengesetzt. Anders ausgedrückt sind in den Leitern 82_A bis 82_C die äußersten zwei der sieben geraden Abschnitte 83, die in der Umlaufrichtung der Statorwicklung 51 auf demselben Kreis angeordnet sind, der um die Mitte des Rotors 40 definiert ist, unter Verwendung von einer der Windungen 84 miteinander zusammengesetzt. Beispielsweise sind in dem ersten Leiter 82_A die geraden Abschnitte 83, die an den Orten D1 und D7 platziert sind, durch die inverse V-förmige Windung 84 miteinander zusammengesetzt. Die Leiter 82_B und 82_C sind zu einem Intervall angeordnet, das äquivalent zu einem Intervall zwischen jeweils benachbarten zweien der geraden Abschnitte 83 voneinander in der Umlaufrichtung an dem Ort der n-ten Schicht angeordnet ist. In dieser Anordnung sind die Leiter 82_A bis 82_C an einem Ort derselben Schicht platziert, was dadurch zu einem Risiko führt, dass die Windungen 84 davon sich gegenseitig physikalisch beeinträchtigen können. Zur Behebung eines derartigen Risikos ist jede der Windungen 84 der Leiter 82_A bis 82_C gemäß diesem Ausführungsbeispiel geformt, einen Beeinträchtigungsvermeidungsabschnitt aufzuweisen, der geformt ist, indem ein Abschnitt der Windung 84 in der radialen Richtung versetzt ist.
Insbesondere weist die Windung 84 von jedem der Leiter 82_A bis 82_C einen Schrägabschnitt 84a, einen Kopfabschnitt 84b, einen Schrägabschnitt 84c und einen Rückführungsabschnitt 84d auf. Der Schrägabschnitt 84a erstreckt sich in der Umlaufrichtung desselben Kreises (der nachstehend ebenfalls als ein erster Kreis bezeichnet ist). Der Kopfabschnitt 84 erstreckt sich von dem Schrägabschnitt 84a radial innerhalb des ersten Kreises (d.h. in 15(b) aufwärts), um einen anderen Kreis zu erreichen (der nachstehend ebenfalls als ein zweiter Kreis bezeichnet ist). Der Schrägabschnitt 84c erstreckt sich in der Umlaufrichtung des zweiten Kreises. Der Rückführungsabschnitt 84d kehrt von dem zweiten Kreis zurück zu dem ersten Kreis. Der Kopfabschnitt 84b, der Schrägabschnitt 84c und der Rückführungsabschnitt 84d definieren den Beeinträchtigungsvermeidungsabschnitt. Der Schrägabschnitt 84c kann radial außerhalb des Schrägabschnitts 84a angeordnet sein.
Anders ausgedrückt hat jeder der Leiter 82_A bis 82_C die Windung 84 derart geformt, dass sie den Schrägabschnitt 84a und den Schrägabschnitt 84c aufweist, die an entgegengesetzten Seiten des Kopfabschnitts 84b in der Mitte in der Umlaufrichtung angeordnet sind. Die Orte der Schrägabschnitte 84a und 84b unterscheiden sich voneinander in der radialen Richtung (d.h. einer Richtung senkrecht zu der Zeichnung in 15(a) oder einer vertikalen Richtung in 15(b)). Beispielsweise ist die Windung 84 des ersten Leiters 82_A derart geformt, dass sie sich von dem Ort D1 auf der n-ten Schicht in der Umlaufrichtung erstreckt, an dem Kopfabschnitt 84b, der die Mitte der Umlauflänge der Windung 84 ist, in der radialen Richtung (beispielsweise radial nach innen) gebogen ist, erneut in der Umlaufrichtung gebogen ist, sich erneut in der Umlaufrichtung erstreckt, und dann an dem Rückführungsabschnitt 84d in der radialen Richtung (beispielsweise radial nach außen) gebogen ist, um den Ort D7 auf der n-ten Schicht zu erreichen.
Mit den vorstehend beschriebenen Anordnungen sind die Schrägabschnitte 84a der Leiter 82_A bis 82_C vertikal oder abwärts in der Reihenfolge des ersten Leiters 82_A, des zweiten Leiters 82_B und des dritten Leiters 82_C angeordnet. Die Kopfabschnitte 84b ändern die Reihenfolge der Orte der Leiter 82_A bis 82_C in der vertikalen Richtung, so dass die Schrägabschnitte 84c vertikal oder abwärts in der Reihenfolge des dritten Leiters 82_C, des zweiten Leiters 82_B und des ersten Leiters 82_A angeordnet sind. Diese Anordnung erzielt eine Anordnung der Leiter 82_A bis 82_C in der Umlaufrichtung ohne irgendeine physikalische Beeinträchtigung zueinander.
In der Struktur, in der die Leiter 82 derart gelegt sind, dass sie sich einander in der radialen Richtung überlappen, um die Leitergruppe 81 zu formen, sind die Windungen 84, die zu einem radial innersten und einem radial äußersten der geraden Abschnitte 83 führen, die die zwei oder mehr Schichten formen, vorzugsweise radial außerhalb der geraden Abschnitte 83 angeordnet. In einem Fall, in dem die Leiter 83, die die zwei oder mehr Schichten formen, in derselben radialen Richtung nahe an Grenzen zwischen Enden der Windungen 84 und der geraden Abschnitte 83 gebogen werden, sind die Leiter 83 vorzugsweise derart geformt, dass die Isolierung dazwischen aufgrund einer physikalischen Beeinträchtigung der Leiter 83 zueinander nicht verschlechtert wird.
In dem Beispiel von 15(a) und 15(b) sind die Leiter 82, die aufeinander in der radialen Richtung gelegt sind, radial an den Rückführungsabschnitten 84d der Windungen 84 an dem Ort D7 bis D9 gebogen. Es ist zweckmäßig, dass der Leiter 82 der n-ten Schicht und der Leiter 82 der n + 1-ten Schicht, wie es in 16 veranschaulicht ist, zu voneinander unterschiedlichen Krümmungsradien gebogen werden. Insbesondere wird vorzugsweise der Krümmungsradius R1 des Leiters 82 der n-ten Schicht derart ausgewählt, dass er kleiner als der Krümmungsradius R2 des Leiters 82 der n + 1-ten Schicht ist.
Zusätzlich werden radiale Verlagerungen des Leiters 82 der n-ten Schicht und des Leiters 82 der n + 1-ten Schicht vorzugsweise derart ausgewählt, dass sie unterschiedlich voneinander sind. Wenn die Größe der radialen Verlagerung des Leiters 82 der n-ten Schicht als S1 definiert ist und die Größe der radialen Verlagerung des Leiters 82 der n + 1-ten Schicht, die sich radial außerhalb der n-ten Schicht befindet, als S2 definiert ist, wird die Größe der radialen Verlagerung S1 vorzugsweise derart ausgewählt, dass sie größer als die Größe der radialen Verlagerung S2 ist.
Die vorstehend beschriebene Anordnung der Leiter 82 beseitigt das Risiko einer gegenseitigen Beeinträchtigung, wodurch ein erforderliches Ausmaß an Isolierung zwischen den Leitern 82 gewährleistet wird, selbst wenn die in der radialen Richtung aufeinandergelegten Leiter 82 in der gleichen Richtung gebogen werden.
Die Struktur der Magneteinheit 42 des Rotors 40 ist nachstehend beschrieben. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Magneteinheit 42 aus Permanentmagneten gebildet, bei denen eine Remanenzflussdichte Br = 1,0 T ist und eine intrinsische Koerzitivkraft Hcj = 400 kA/m ist. Die gemäß diesem Ausführungsbeispiel verwendeten Permanentmagnete werden durch gesinterte Magnete verwirklicht, die geformt werden, indem Körner von magnetischem Material gesintert werden und diese in eine gegebene Form verdichtet werden, und die die nachfolgenden Spezifikationen aufweisen. Die intrinsische Koerzitivkraft Hcj auf einer J-H-Kurve ist 400 kA/m oder mehr. Die Remanenzflussdichte Br auf der J-H-Kurve ist 1,0 T oder mehr. Magnete, die derart entworfen sind, dass, wenn 5.000 bis 10.000 AT durch eine Phasen-zu-Phasen-Erregung angelegt wird, ein magnetischer Abstand zwischen Polpaaren, d.h. zwischen einem N-Pol und einen S-Pol, anders ausgedrückt eines Pfads, in dem ein Magnetfluss zwischen dem N-Pol und dem S-Pol fließt, ein Abschnitt, der in dem Magnet liegt, eine Länge von 25 mm aufweist, können verwendet werden, um eine Beziehung von Hcj = 10.000 A zu erfüllen, ohne dass sie entmagnetisiert werden.
Anders ausgedrückt ist die Magneteinheit 42 derart ausgelegt, dass eine Sättigungsmagnetflussdichte Js 1,2 T oder mehr ist, eine Körnungsgröße 10 µm oder weniger ist und eine Beziehung von Js × α ≥ 1,0 T erfüllt wird, wobei α ein Ausrichtungsverhältnis ist.
Zusätzlich ist die Magneteinheit 42 nachstehend beschrieben. Die Magneteinheit 42 (d.h. die Magnete) weist ein Merkmal auf, dass Js eine Beziehung von 2,15 T ≥ Js ≥ 1,2 T erfüllt. Anders ausgedrückt können Magnete, die in der Magneteinheit 42 verwendet werden, FeNi-Magnete sein, die NdFe11TiN, Nd2Fe14B, Sm2Fe17N3 oder L10-Kristalle aufweisen. Es ist zu beachten, dass Samarium-Kobalt-Magnete wie SmCo5, FePt, Dy2Fe14B oder CoPt-Magnete nicht verwendet werden können. Wenn Magnete, bei denen hohe Js-Charakteristiken von Neodym etwas verloren sind, jedoch ein hohes Ausmaß von Koerzitivkraft von Dy gewährleistet wird, unter Verwendung von schweren Seltene-Erden-Dysprosium, wie in homotopischen Legierungen wie Dy2Fe14B und Nd2Fe14B gelegentlich eine Beziehung von 2,15 T ≥ Js ≥ 1,2 T erfüllen, können diese in der Magneteinheit 42 verwendet werden. Eine derartige Magnetbauart ist ebenfalls nachstehend als [Nd1 - xDyx] 2Fe14B] bezeichnet. Weiterhin kann ein Magnet, der verschiedene Arten von Zusammensetzungen kontaktiert, anders ausgedrückt ein Magnet, der aus zwei oder mehr Arten von Materialien gebildet ist, wie FeNi und Sm2Fe17N3 verwendet werden, um eine Beziehung von 2,15 T ≥ Js ≥ 1,2 T zu erfüllen. Ein gemischter Magnet, der durch Hinzufügen einer kleinen Menge von beispielsweise Dy2Fe14B, bei dem Js < 1 T gilt, zu einem Nd2Fe14B-Magneten, bei dem Js = 1,6 T gilt, was bedeutet, dass Js ausreichend ist, um die Koerzitivkraft zu verbessern, kann ebenfalls verwendet werden, um die Beziehung von 2,15 T ≥ Js ≥ 1,2 T zu erfüllen.
Bei Verwendung der rotierenden elektrischen Maschine bei einer Temperatur außerhalb eines Temperaturbereich menschlicher Aktivitäten, die höher als beispielsweise 60°C ist, was beispielsweise Temperaturen von Wüsten überschreitet, innerhalb einer Fahrgastzelle eines Fahrzeugs, in der die Temperatur im Sommer auf bis zu 80°C steigen kann, enthält der Magnet vorzugsweise FeNi- oder Sm2Fe17N3-Komponenten, die weniger abhängig von der Temperatur sind. Dies liegt daran, dass Motorcharakteristiken stark durch temperaturabhängige Faktoren davon im Motorbetrieb innerhalb eines Bereichs von angenähert - 40°C, was innerhalb eines Bereichs ist, das durch Kommunen in Nordeuropa erfahren wird, bis zu 60°C oder mehr, was in einer Wüstenregion erfahren wird, oder bei 180 bis 240°C, die eine Wärmewiderstandstemperatur von Emaillebeschichtung ist, geändert werden, was zu einer Schwierigkeit bei Erzielung eines erforderlichen Steuerungsbetriebs unter Verwendung derselben Motoransteuerungsvorrichtung führt. Die Verwendung von FeNi, das die vorstehend beschriebenen L10-Kristalle enthält, oder Sm2Fe17N3-Magneten wird zu einer Verringerung bei der Last auf einer Motoransteuerungsvorrichtung führen, da Charakteristiken davon temperaturabhängige Faktoren aufweisen, die niedriger als eine Hälfte derjenigen von Nd2Fe14B-Magneten sind.
Zusätzlich ist die Magneteinheit 42 entwickelt, das vorstehend beschriebene Magnetgemisch zu verwenden, so dass eine Partikelgröße von Feinpulver, bevor es magnetisch ausgerichtet wird, niedriger als oder gleich 10 µm ist, und höher als oder gleich wie eine Größe von Partikeln einer einzelnen Domäne ist. Die Koerzitivkraft eines Magneten wird üblicherweise durch Verringern der Größe der Pulverpartikel davon auf einige Hundert nm erhöht. In den letzten Jahren wurden kleinstmögliche Partikel verwendet. Wenn die Partikel des Magneten zu klein sind, wird BHmax (d.h. das maximale Energieprodukt) des Magneten aufgrund von Oxidation davon verringert. Es ist somit vorzuziehen, dass die Partikelgröße des Magneten höher als oder gleich wie der Größe der Partikel mit einzelner Domäne ist. Es ist bekannt, dass dadurch, dass die Partikelgröße lediglich bis zu der Größe der Partikel einer einzelnen Domäne ist, die Koerzitivkraft des Magneten erhöht wird. Die Partikelgröße, wie sie hier verwendet wird, bezieht sich auf den Durchmesser oder die Größe von Feinpulverpartikeln in einem magnetischen Ausrichtungsvorgang bei Herstellungsprozessen der Magnete.
Der erste Magnet 91 und der zweite Magnet 92 der Magneteinheit 42 sind jeweils aus gesinterten Magneten gebildet, die geformt werden, indem magnetisches Pulver bei hohen Temperaturen gebrannt oder erhitzt wird, und dieses verdichtet wird. Das Sintern wird erzielt, um Bedingungen zu erfüllen, in denen die Sättigungsmagnetisierung Js der Magneteinheit 42 1,2 T (Tesla) oder mehr ist, die Partikelgröße des ersten Magneten 91 und des zweiten Magneten 92 10 µm oder weniger ist, und Js × α größer oder gleich wie 1,0 T (Tesla) ist, wobei α ein Ausrichtungsverhältnis ist. Der erste Magnet 91 und der zweite Magnet 92 werden jeweils ebenfalls gesintert, um die nachfolgenden Bedingungen zu erfüllen. Durch Durchführen der magnetischen Ausrichtung in dem magnetischen Ausrichtungsvorgang in den Herstellungsprozessen des ersten Magneten 91 und des zweiten Magneten 92 haben diese ein Ausrichtungsverhältnis, was sich von der Definition einer Ausrichtung einer Magnetkraft in einem Magnetisierungsvorgang für isotrope Magnete unterscheidet. Die Magneteinheit 42 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist entworfen, die Sättigungsmagnetisierung Js größer als oder gleich 1,2 T und das Ausrichtungsverhältnis α des ersten Magneten 91 und des zweiten Magneten 92 derart aufzuweisen, dass es hoch ist, um eine Beziehung von Jr ≥ Js × α ≥ 1,0 T zu erfüllen. Das Ausrichtungsverhältnis α, wie es hier verwendet wird, ist in der nachfolgenden Weise definiert. Wenn jeder des ersten Magneten 91 und des zweiten Magneten 92 sechs leichte Achsen der Magnetisierung aufweist, fünf der leichten Achsen der Magnetisierung in derselben Richtung A10 ausgerichtet sind, und die restliche der leichten Achsen der Magnetisierung in der Richtung B10 ausgerichtet ist, die gegenüber der Richtung A10 um 90 Grad gewinkelt ist, wird eine Beziehung von α = 5/6 erfüllt. Alternativ dazu ist, wenn jeder des ersten Magneten 91 und des zweiten Magneten 92 sechs leichte Achsen der Magnetisierung aufweist, fünf der leichten Achsen der Magnetisierung in derselben Richtung A10 ausgerichtet sind, und die restliche der leichten Achsen der Magnetisierung in der Richtung B10 ausgerichtet ist, die um 45 Grad gegenüber der Richtung A10 gewinkelt ist, eine Beziehung von α = (5 + 0,707)/6 erfüllt, da eine Komponente, die in der Richtung A10 ausgerichtet ist, durch cos 45° = 0,707 ausgedrückt wird. Der erste Magnet 91 und der zweite Magnet 92 gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind jeweils, wie es vorstehend beschrieben worden ist, unter Verwendung von Sintertechniken gebildet, jedoch können sie in einer anderen Weise produziert werden, solange wie die vorstehend beschriebenen Bedingungen erfüllt sind. Beispielsweise kann ein Verfahren des Formens eines MQ3-Magneten verwendet werden.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel werden Permanentmagnete verwendet, die magnetisch ausgerichtet werden, um die leichte Achse der Magnetisierung davon zu steuern, wodurch ermöglicht wird, dass eine Magnetkreislänge innerhalb der Magnete länger als diejenige innerhalb typischer linear ausgerichteter Magnete ist, die eine Magnetflussdichte von 1,0 T oder mehr erzeugen. Anders ausgedrückt kann die Magnetkreislänge für ein Polpaar in den Magneten gemäß diesem Ausführungsbeispiel unter Verwendung von Magneten mit einem kleinen Volumen erzielt werden. Zusätzlich ist ein Bereich von umkehrbarem Flussverlust in den Magneten nicht verloren, wenn schädlich hohen Temperaturen ausgesetzt, im Vergleich zu der Verwendung typischer linear ausgerichteter Magnete. Die Erfinder dieser Anmeldung haben herausgefunden, dass Charakteristiken, die ähnlich zu denjenigen von anisotropen Magneten sind, selbst unter Verwendung von Magneten gemäß dem Stand der Technik erhalten werden.
Die leichte Achse der Magnetisierung repräsentiert eine Kristallausrichtung, bei der ein Kristall leicht in einem Magneten zu magnetisieren ist. Die Ausrichtung der leichten Achse der Magnetisierung in dem Magneten, wie es sich hier darauf bezogen wird, ist eine Richtung, in der ein Orientierungsverhältnis 50% oder mehr ist, wobei das Ausrichtungsverhältnis das Ausmaß, zu dem leichte Achsen der Magnetisierung von Kristallen zueinander ausgerichtet sind, oder eine Richtung eines Durchschnitts von magnetischen Ausrichtungen in dem Magneten angibt.
Die Magneteinheit 42 ist, wie es deutlich in 8 und 9 veranschaulicht ist, von einer ringförmigen Form und innerhalb der Magnethalteeinrichtung 41 (insbesondere radial innerhalb des Zylinders 43) angeordnet. Die Magneteinheit 42 ist mit den ersten Magneten 91 und den zweiten Magneten 92 ausgerüstet, die jeweils aus einem polaren anisotropen Magneten gebildet sind. Jeder der ersten Magnete 91 und jeder der zweiten Magnete 92 unterscheiden sich in der Polarität voneinander. Die ersten Magnete 91 und die zweiten Magnete 92 sind abwechselnd in der Umlaufrichtung der Magneteinheit 42 angeordnet. Jeder der ersten Magnete 91 ist entwickelt, einen Abschnitt aufzuweisen, der einen N-Pol nahe der Statorwicklung 51 erzeugt. Jeder der zweiten Magnete 92 ist entwickelt, einen Abschnitt aufzuweisen, der einen S-Pol nahe der Statorwicklung 51 erzeugt. Die ersten Magnete 91 und die zweiten Magnete 92 sind beispielsweise jeweils aus einem Permanent-Seltene-Erden-Magneten wie einem Neodym-Magneten gebildet.
Jeder der Magnete 91 und 92 ist entwickelt, eine Richtung der Magnetisierung (auf die sich nachstehend ebenfalls als eine Magnetisierungsrichtung bezogen wird) aufzuweisen, die sich in einer ringförmigen Form zwischen einer d-Achse (d.h. einer Direkt-Achse) und einer q-Achse (d.h. einer Quer-Achse) in einem bekannten d-q-Koordinatensystem erstreckt, wobei die d-Achse die Mitte eines Magnetpols repräsentiert und die q-Achse eine magnetische Grenze zwischen dem N-Pol und dem S-Pol repräsentiert, anders ausgedrückt, wo eine Dichte des Magnetflusses null Tesla ist. In jedem der Magnete 91 und 92 ist die Magnetisierungsrichtung in der radialen Richtung der ringförmigen Magneteinheit 42 nahe an der d-Achse ausgerichtet, und ist ebenfalls in der Umlaufrichtung der ringförmigen Magneteinheit 42 näher an der q-Achse ausgerichtet. Diese Anordnung ist nachstehend ebenfalls ausführlich beschrieben. Jeder der Magnete 91 und 92 weist, wie aus 9 hervorgeht, einen ersten Abschnitt 250 und zwei zweite Abschnitte 260 auf, die an entgegengesetzten Seiten des ersten Abschnitts 250 in der Umlaufrichtung der Magneteinheit 42 angeordnet sind. Anders ausgedrückt befindet sich der erste Abschnitt 250 näher an der d-Achse, als es die zweiten Abschnitte 260 sind. Die zweiten Abschnitte 260 sind näher an der q-Achse angeordnet, als es der erste Abschnitt 250 ist. Die Richtung, in der die leichte Achse der Magnetisierung 300 sich in dem ersten Abschnitt 250 erstreckt, ist stärker parallel zu der d-Achse ausgerichtet, als die Richtung, in der die leichte Achse der Magnetisierung 310 sich in dem zweiten Abschnitt 260 erstreckt. Anders ausgedrückt ist die Magneteinheit 42 derart entwickelt, dass ein Winkel θ11, den die leichte Achse der Magnetisierung 300 in dem ersten Abschnitt 250 mit der d-Achse bildet, derart ausgewählt, dass er kleiner als ein Winkel θ12 ist, den die leichte Achse der Magnetisierung 310 in dem zweiten Abschnitt 260 mit der q-Achse bildet.
Genauer repräsentiert, wenn eine Richtung von dem Stator 50 (d.h. einem Anker) zu der Magneteinheit 42 hin auf der d-Achse als positiv definiert ist, der Winkel θ11 einen Winkel, den die leichte Achse der Magnetisierung 300 mit der d-Achse bildet. Gleichermaßen repräsentiert, wenn eine Richtung von dem Stator 50 (d.h. dem Anker) zu der Magneteinheit 42 hin auf der q-Achse als positiv definiert ist, der Winkel θ12 einen Winkel, den die leichte Achse der Magnetisierung 310 mit der q-Achse bildet. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind der Winkel θ11 und der Winkel θ12 jeweils auf 90° oder weniger eingestellt. Jede der leichten Achsen der Magnetisierung 300 und 310, wie sich hier darauf bezogen wird, ist in der nachfolgenden Weise definiert. Wenn in jedem der Magnete 91 und 92 eine erste der leichten Achsen der Magnetisierung in einer Richtung A11 ausgerichtet ist und eine zweite der leichten Achsen der Magnetisierung in einer Richtung B11 ausgerichtet ist, ist ein absoluter Wert des Kosinus eines Winkels θ, den die Richtung A11 und die Richtung B11 miteinander bilden (d.h. | cos θ|) als die leichte Achse der Magnetisierung 300 oder die leichte Achse der Magnetisierung 310 definiert.
Die Magnete 91 unterscheiden sich in der leichten Achse der Magnetisierung von den Magneten 92 in Regionen, die näher an der d-Achse und der q-Achse sind. Insbesondere ist in der Region nahe der d-Achse die Richtung der leichten Achse der Magnetisierung angenähert parallel zu der d-Achse ausgerichtet, wohingegen in der Region nahe an der q-Achse die Richtung der leichten Achse der Magnetisierung angenähert senkrecht zu der q-Achse ausgerichtet ist. Ringförmige Magnetpfade werden entsprechend den Richtungen der leichten Achsen der Magnetisierung erzeugt. In jedem der Magnete 91 und 92 kann die leichte Achse der Magnetisierung in der Region nahe an der d-Achse parallel zu der d-Achse ausgerichtet sein, wohingegen die leichte Achse der Magnetisierung in der Region nahe an der q-Achse senkrecht zu der q-Achse ausgerichtet sein kann.
Jeder der Magneten 91 und 92 ist geformt, eine statorseitige äußere Umfangsoberfläche aufzuweisen, die dem Stator 50 gegenüberliegt (d.h. eine untere Oberfläche, wie in 9 betrachtet), und eine q-Achsen-seitige äußere Umfangsoberfläche aufzuweisen, die der q-Achse in der Umlaufsrichtung zugewandt ist. Die statorseitige äußere Umfangsoberfläche und die q-Achsen-seitige äußere Umfangsoberfläche fungieren als Magnetflusseingangs-und-Ausgangsoberflächen, die Magnetflusswirkungsoberflächen sind, in die und aus denen Magnetfluss jeweils fließt. Die Magnetpfade werden jeweils derart erzeugt, dass sie sich zwischen den Magnetflusswirkungsoberflächen erstrecken (d.h. zwischen der statorseitigen äußeren Umfangsoberfläche und q-Achsen-seitigen äußeren Umfangsoberfläche).
In der Magneteinheit 42 fließt ein Magnetfluss in einer ringförmigen Form zwischen jeweils benachbarten zweien der N-Pole und der S-Pole der Magnete 91 und 92, so dass jeder der Magnetpfade eine erhöhte Länge im Vergleich mit beispielsweise radial anisotropen Magneten aufweist. Eine Verteilung der Magnetflussdichte wird daher eine Form zeigen, die ähnlich zu einer Sinuswelle ist, wie es in 17 veranschaulicht ist. Dies begünstigt eine Konzentration von Magnetfluss um die Mitte des Magnetpols, im Gegensatz zu einer Verteilung einer Magnetflussdichte eines radialen anisotropen Magneten, die in 18 als ein Vergleichsbeispiel demonstriert ist, wodurch ermöglicht wird, dass das Ausmaß von Drehmoment, das durch die rotierende elektrische Maschine 10 erzeugt wird, erhöht wird. Es wurde ebenfalls herausgefunden, dass die Magneteinheit 42 gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Verteilung der Magnetflussdichte aufweist, die von derjenigen eines typischen Halbach-Array-Magneten verschieden ist. In 17 und 18 gibt eine horizontale Achse den elektrischen Winkel an, wohingegen eine vertikale Achse die Magnetflussdichte angibt. 90° auf der horizontalen Achse repräsentiert die d-Achse (d.h. die Mitte des Magnetpols). 0° und 180° auf der horizontalen Achse repräsentieren die q-Achse.
Dementsprechend fungiert die vorstehend beschriebene Struktur, von jedem der Magnete 91 und 92, den Magnet-Magnetfluss davon auf der d-Achse zu verbessern und eine Änderung in dem Magnetfluss nahe der q-Achse zu reduzieren. Dies ermöglicht es, die Magnete 91 und 92 zu produzieren, die eine gleichförmige Änderung in dem Oberflächenmagnetfluss von der q-Achse zu der d-Achse auf jedem Magnetpol aufweisen.
Der Sinuswellenübereinstimmungsanteil in der Verteilung der Magnetflussdichte ist vorzugsweise beispielsweise auf 40% oder mehr eingestellt. Dies verbessert die Größe des Magnetflusses um die Mitte einer Wellenform der Verteilung der Magnetflussdichte im Vergleich zu einem radial ausgerichteten Magneten oder einem parallel ausgerichteten Magneten, bei denen der Sinuswellenübereinstimmungsanteil angenähert 30% ist. Durch Einstellen des Sinuswellenübereinstimmungsanteils auf 60% oder mehr wird die Wellenform im Vergleich zu einem konzentrierten Magnetfluss-Array, wie das Halbach-Array, verbessert.
In dem in 18 demonstrierten radialen anisotropen Magneten ändert sich die Magnetflussdichte scharf nahe der q-Achse. Je schärfer die Änderung in der Magnetflussdichte ist, desto stärker wird ein Wirbelstrom, der in der Statorwicklung 51 erzeugt wird, sich erhöhen. Der Magnetfluss nahe an der Statorwicklung 51 ändert sich ebenfalls scharf. Im Gegensatz dazu weist die Verteilung der Magnetflussdichte gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Wellenform auf, die eine Sinuswelle annähert. Eine Änderung in der Magnetflussdichte nahe der q-Achse ist daher kleiner als diejenige in dem radialen anisotropen Magneten nahe der q-Achse. Dies minimiert die Erzeugung des Wirbelstroms.
Die Magneteinheit 42 erzeugt einen Magnetfluss, der senkrecht zu der Magnetflusseinwirkungsoberfläche 280 nahe an dem Stator 50 nahe der d-Achse (d.h. der Mitte des Magnetpols) in jedem der Magnete 91 und 92 ausgerichtet ist. Ein derartiger Magnetfluss erstreckt sich in einer Bogenform weiter weg von der d-Achse, wenn er die Magnetflusseinwirkungsoberfläche 280 nahe zu dem Stator 50 verlässt. Je senkrechter zu der Magnetflusseinwirkungsoberfläche der Magnetfluss sich erstreckt, umso stärker ist der Magnetfluss. Die rotierende elektrische Maschine 10 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist, wie es vorstehend beschrieben worden ist, derart entworfen, jede der Leitergruppen 81 so zu formen, dass sie eine verringerte Dicke in der radialen Richtung haben, so dass die radiale Mitte von jeder der Leitergruppen 81 sich nahe an der Magnetflusseinwirkungsoberfläche der Magneteinheit 42 befindet, wodurch bewirkt wird, dass von dem Rotor 40 ein starker Magnetfluss an den Stator 50 angelegt wird.
Der Stator 50 weist den zylindrischen Statorkern 52 radial innerhalb der Statorwicklung 51, das heißt auf der zu dem Rotor 40 entgegengesetzten Seite der Statorwicklung 51 angeordnet auf. Dies bewirkt, dass der sich aus der Magnetflusseinwirkungsoberfläche von jedem der Magnete 91 und 92 sich erstreckende Magnetfluss durch den Statorkern 52 angezogen wird, so dass er durch den Magnetpfad zirkuliert, der teilweise den Statorkern 52 enthält. Dies ermöglicht eine Optimierung der Ausrichtung des Magnetflusses und des Magnetpfads.
Schritte zum Zusammenbau der Lagereinheit 20, des Gehäuses 30, des Rotors 40, des Stators 50 und der Wechselrichtereinheit 60, die in 5 veranschaulicht sind, sind nachstehend als ein Herstellungsverfahren der rotierenden elektrischen Maschine 10 beschrieben. Die Wechselrichtereinheit 60 ist, wie es in 6 veranschaulicht ist, mit der Einheitsbasis 61 und den elektrischen Komponenten 62 ausgerüstet. Es werden Betriebsprozesse einschließlich Installationsprozesse für die Einheitsbasis 61 und die elektrischen Komponenten 62 beschrieben. In der nachfolgenden Beschreibung wird eine Anordnung des Stators 50 und der Wechselrichtereinheit 60 als eine erste Einheit bezeichnet. Eine Baugruppe der zweiten Lagereinheit 20, des Gehäuses 30 und des Rotors 40 wird als eine zweite Einheit bezeichnet.
Die Herstellungsprozesse weisen auf:

einen ersten Schritt des Einbaus der elektrischen Komponenten 62 radial innerhalb der Einheitsbasis 61;
einen zweiten Schritt des Einbaus der Einheitsbasis 61 radial innerhalb des Stators 50, um die erste Einheit zu bilden;
einen dritten Schritt des Einsetzens des Anbringungsabschnitts 44 des Rotors 40 in die Lagereinheit 20, die in dem Gehäuse 30 eingebaut ist, um die zweite Einheit zu bilden;
einen vierten Schritt des Einbaus der ersten Einheit radial innerhalb der zweiten Einheit; und
einen fünften Schritt des Befestigens des Gehäuses 30 und der Einheitsbasis 61 miteinander. Die Reihenfolge, in der die vorstehend beschriebenen Schritte durchgeführt werden, ist der erste Schritt → der zweite Schritt → der dritte Schritt → der vierte Schritt → der fünfte Schritt.

In dem vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren werden die Lagereinheit 20, das Gehäuse 30, der Rotor 40, der Stator 50 und die Wechselrichtereinheit 60 als eine Vielzahl von Unter-Baugruppen zusammengebaut, und die Unter-Baugruppen werden zusammengebaut, wodurch die Handhabung davon sowie das Erzielen einer Vervollständigung der Untersuchung jeder Unter-Baugruppe begünstigt wird. Dies ermöglicht eine Erstellung einer effizienten Zusammenbaulinie und begünstigt somit eine Mehrfachproduktproduktionsplanung.
In dem ersten Schritt wird ein hochwärmeleitendes Material an der radialen Innenseite der Einheitsbasis 61 und/oder der radialen Außenseite der elektrischen Komponenten 62 angebracht oder geklebt. Darauffolgend können die elektrischen Komponenten an der Einheitsbasis 61 montiert werden. Dies erzielt eine effiziente Übertragung von Wärme, wie sie durch die Halbleitermodule 66 erzeugt wird, zu der Einheitsbasis 61.
In dem dritten Schritt kann ein Einsetzvorgang für den Rotor 40 erzielt werden, wobei das Gehäuse 30 und der Rotor 40 koaxial zueinander angeordnet sind. Insbesondere werden das Gehäuse 30 und der Rotor 40 zusammengebaut, während das Gehäuse 30 oder der Rotor 40 entlang eines Montagegestells geschoben wird, das die äußere Umfangsoberfläche des Rotors 40 (d.h. die äußere Umfangsoberfläche der Magnethalteeinrichtung 41) oder die innere Umfangsoberfläche des Rotors 40 (d.h. die innere Umfangsoberfläche der Magneteinheit 42) in Bezug auf beispielsweise die innere Umfangsoberfläche des Gehäuses 30 positioniert. Dies erzielt den Zusammenbau von schwergewichtigen Teilen ohne Ausübung einer unausgeglichenen Last auf die Lagereinheit 20. Dies führt zu einer Verbesserung der Zuverlässigkeit des Betriebs der Lagereinheit 20.
In dem vierten Schritt können die erste Einheit und die zweite Einheit eingebaut werden, während sie koaxial zueinander platziert werden. Insbesondere werden die erste Einheit und die zweite Einheit eingebaut, während die erste Einheit oder die zweite Einheit entlang eines Montagegestells geschoben wird, das die innere Umfangsoberfläche der Einheitsbasis 61 in Bezug auf beispielsweise die innere Umfangsoberfläche des Rotors 40 und des Anbringungsabschnitts 44 positioniert. Dies erzielt den Einbau der ersten und zweiten Einheiten ohne irgendwelche physikalischen Behinderungen dazwischen mit einem kleinen Freiraum zwischen dem Rotor 40 und dem Stator 50, wobei Risiken für Defekte beseitigt werden, die durch den Einbau verursacht werden, wie eine physikalische Beschädigung an der Statorwicklung 51 oder eine Beschädigung an den Permanentmagneten.
Die vorstehend beschriebenen Schritte können alternativ geplant werden als zweiter Schritt → dritter Schritt → vierter Schritt → fünfter Schritt → erster Schritt. In dieser Reihenfolge werden die besonderen elektrischen Komponenten 62 zum Schluss eingebaut, wodurch eine Spannung an den elektrischen Komponenten in den Einbauprozessen minimiert wird.
Die Struktur eines Steuerungssystems zur Steuerung eines Betriebs der rotierenden elektrischen Maschine 10 ist nachstehend beschrieben. 19 zeigt ein elektrisches Schaltbild des Steuerungssystems für die rotierende elektrische Maschine 10. 20 zeigt ein Funktionsblockschaltbild, das Steuerungsschritte veranschaulicht, die durch die Steuerungseinrichtung 110 durchgeführt werden.
19 veranschaulicht zwei Sätze von Drei-Phasen-Wicklungen 51a und 51b. Die Drei-Phasen-Wicklung 51a weist eine U-Phasen-Wicklung, eine V-Phasen-Wicklung und eine W-Phasen-Wicklung auf. Die Drei-Phasen-Wicklung 51b weist eine X-Phasen-Wicklung, eine Y-Phasen-Wicklung und eine Z-Phasen-Wicklung auf. Ein erster Wechselrichter 101 und ein zweiter Wechselrichter 102 sind jeweils als elektrische Leistungswandler für die Drei-Phasen-Wicklungen 51a und 51b vorgesehen. Die Wechselrichter 101 und 102 sind aus Brückenschaltungen gebildet, mit so vielen oberen und unteren Zweigen, wie es Phasenwicklungen gibt. Der den Phasenwicklungen der Statorwicklung 51 zugeführte Strom wird durch Ein- oder Ausschalten von Schaltern (d.h. Halbleiterschaltern) reguliert, die in den oberen und unteren Zweigen montiert sind.
Eine Gleichspannungsleistungsversorgung 103 und ein Glättungskondensator 104 sind parallel zu den Wechselrichtern 101 und 102 geschaltet. Die Gleichspannungsleistungsversorgung 103 ist beispielsweise aus einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Zellen gebildet. Die Schalter der Wechselrichter 101 und 102 entsprechen den Halbleitermodulen 66 gemäß 1. Der Kondensator 104 entspricht dem Kondensatormodul 68 gemäß 1.
Die Steuerungseinrichtung 110 ist mit einem Mikrocomputer ausgerüstet, der aus einer CPU und Speichern gebildet ist, und zur Durchführung einer Speisungssteuerung durch Ein- oder Ausschalten von Schaltern der Wechselrichter 101 und 102 unter Verwendung verschiedener Arten von gemessenen Informationen, die in der rotierenden elektrischen Maschine 10 gemessen werden, oder Anforderungen nach einer Motorbetriebsart oder eine Generatorbetriebsart der rotierenden elektrischen Maschine 10 arbeitet. Die Steuerungseinrichtung 110 entspricht der in 6 gezeigten Steuerungsvorrichtung 77. Die gemessenen Informationen bezüglich der rotierenden elektrischen Maschine 10 weisen beispielsweise eine Winkelposition (d.h. einen elektrischen Winkel) des Rotors 40, die durch einen Winkelpositionssensor wie einen Resolver gemessen wird, eine Leistungsversorgungsspannung (d.h., eine Spannung, die an die Wechselrichter angelegt wird), die durch einen Spannungssensor gemessen wird, und einen elektrischen Strom auf, der jeder der Phasenwicklungen zugeführt wird, wie er durch einen Stromsensor gemessen wird. Die Steuerungseinrichtung 110 produziert ein Betriebssignal zum Betrieb von jedem der Schalter der Wechselrichter 101 und 102 und gibt dieses aus. Eine Anforderung nach einer elektrischen Leistungserzeugung ist eine Anforderung zum Antrieb der rotierenden elektrischen Maschine 10 in einer regenerativen Betriebsart, beispielsweise in einem Fall, in dem die rotierende elektrische Maschine 10 als eine Leistungsquelle für ein Fahrzeug angewendet wird.
Der erste Wechselrichter 101 ist mit einem Reihenschaltungsteil, der aus einem Oberzweigschalter Sp und einem Unterzweigschalter Sn aufgebaut ist, für jede der Drei-Phasen-Wicklungen ausgerüstet: die U-Phasen-Wicklung, die V-Phasen-Wicklung und die W-Phasen-Wicklung. Die Oberzweigschalter Sp sind mit Hochpotentialanschlüssen davon an einem positiven Anschluss der Gleichstromleistungsversorgung 103 verbunden. Die Unterzweigschalter Sn sind an deren Niedrigpotentialanschlüssen mit einem negativen Anschluss (d.h. Masse) der Gleichstromleistungsversorgung 103 verbunden. Zwischenverbindungen der Oberzweigschalter Sp und der Unterzweigschalter Sn sind mit Enden der U-Phasen-Wicklung, der V-Phasen-Wicklung und der W-Phasen-Wicklung verbunden. Die U-Phasen-Wicklung, die V-Phasen-Wicklung und die W-Phasen-Wicklung sind in Form einer Sternschaltung (d.h. Y-Verbindung) verbunden. Die anderen Enden der U-Phasen-Wicklung, der V-Phasen-Wicklung und der W-Phasen-Wicklung sind miteinander an einem Neutralpunkt verbunden.
Der zweite Wechselrichter 102 ist wie der erste Wechselrichter 101 mit einem Reihenschaltungsteil, der aus einem Oberzweigschalter Sp und einem Unterzweigschalter Sn aufgebaut ist, für jede der Drei-Phasen-Wicklungen ausgerüstet: die X-Phasen-Wicklung, die Y-Phasen-Wicklung und die Z-Phasen-Wicklung. Die Oberzweigschalter Sp sind an deren Hochpotentialanschlüssen mit dem positiven Anschluss der Gleichstromleistungsversorgung 103 verbunden. Die Unterzweigschalter Sn sind an deren Niedrigpotentialanschlüssen mit dem negativen Anschluss (d.h. Masse) der Gleichstromleistungsversorgung 103 verbunden. Zwischenverbindungen der Oberzweigschalter Sp und der Unterzweigschalter Sn sind mit Enden der X-Phasen-Wicklung, der Y-Phasen-Wicklung und der Z-Phasen-Wicklung verbunden. Die X-Phasen-Wicklung, die Y-Phasen-Wicklung und die Z-Phasen-Wicklung sind in der Form einer Sternschaltung (d.h. Y-Verbindung) verbunden. Die anderen Enden der X-Phasen-Wicklung, der Y-Phasen-Wicklung und der Z-Phasen-Wicklung sind miteinander an einem Neutralpunkt verbunden.
20 veranschaulicht einen Stromregelungsbetrieb zur Steuerung von elektrischen Strömen, die der U-Phasen-Wicklung, der V-Phasen-Wicklung und der W-Phasen-Wicklung zugeführt werden, und einen Stromregelungsbetrieb zur Steuerung von elektrischen Strömen, die der X-Phasen-Wicklung, der Y-Phasen-Wicklung und der Z-Phasen-Wicklung zugeführt werden. Der Steuerungsbetrieb für die U-Phasen-Wicklung, die V-Phasen-Wicklung und die W-Phasen-Wicklung ist zunächst beschrieben. Gemäß 20 verwendet eine Strombefehlsbestimmungseinrichtung 111 ein Drehmoment-dq-Kennfeld zur Bestimmung von Strombefehlswerten für die d-Achse und die q-Achse unter Verwendung eines Drehmomentbefehlswerts in der Motorbetriebsart der rotierenden elektrischen Maschine 10 (der ebenfalls als Motorbetriebsart-Drehmomentbefehlswert bezeichnet ist), eines Drehmomentbefehlswerts in der Generatorbetriebsart der rotierenden elektrischen Maschine 10 (der ebenfalls als Generatorbetriebsart-Drehmomentbefehlswert bezeichnet ist) und einer elektrischen Winkelgeschwindigkeit ω, die durch Differenzieren eines elektrischen Winkels θ in Bezug auf die Zeit hergeleitet wird. Die Strombefehlsbestimmungseinrichtung 111 wird von den U-, V- und W-Phasen-Wicklungen und den X-, Y- und Z-Phasen-Wicklungen geteilt. Der Generatorbetriebsart-Drehmomentbefehlswert ist ein regenerativer Drehmomentbefehlswert in einem Fall, in dem die rotierende elektrische Maschine 10 als eine Leistungsquelle eines Fahrzeugs verwendet wird.
Eine d-q-Umwandlungseinrichtung 112 arbeitet zur Umwandlung von Strömen (d.h. Drei-Phasen-Strömen), wie sie durch Stromsensoren gemessen werden, die für die jeweiligen Phasenwicklungen montiert sind, in einen d-Achsen-Strom und einen q-Achsen-Strom, die Komponenten in einem zweidimensionalen rotierenden Kartesischen Koordinatensystem sind, in dem die d-Achse als eine Richtung einer Achse eines Magnetfeldes oder einer Feldrichtung definiert ist.
Eine d-Achsen-Stromregelungsvorrichtung 113 bestimmt eine Befehlsspannung für die d-Achse als eine Stellgröße, um den d-Achsen-Strom in Übereinstimmung mit dem Strombefehlswert für die d-Achse in einer Rückkopplungsbetriebsart zu bringen. Eine q-Achsen-Stromregelungsvorrichtung 114 bestimmt eine Befehlsspannung für die q-Achse als eine Stellgröße, um den q-Achsen-Strom in Übereinstimmung mit dem Strombefehlswert für die q-Achse in einer Rückkopplungsbetriebsart zu bringen. Die Regelungsvorrichtungen 113 und 114 berechnen die Befehlsspannung als eine Funktion einer Abweichung von jedem des d-Achsen-Stroms und des q-Achsen-Stroms von einem entsprechenden der Strombefehlswerte unter Verwendung von PI-Rückkopplungstechniken.
Der Drei-Phasen-Wandler 115 arbeitet zur Umwandlung der Befehlswerte für die d-Achse und die q-Achse in Befehlswerte für die U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Wicklungen. Jede der Vorrichtungen 111 bis 115 ist als eine Regelungseinrichtung zur Durchführung eines Regelungsbetriebs für einen Grundwellenstrom in der d-q-Transformationstheorie entwickelt. Die Befehlsspannungen für die U-Phasen-, die V-Phasen- und die W-Phasen-Wicklungen sind Regelungswerte.
Eine Betriebssignalerzeugungseinrichtung 116 verwendet den bekannten Dreieckwellenträgervergleich zur Erzeugung von Betriebssignalen für den ersten Wechselrichter 101 als eine Funktion der Drei-Phasen-Befehlsspannungen. Insbesondere arbeitet die Betriebssignalerzeugungseinrichtung 116 zur Erzeugung von Schalterbetriebssignalen (d.h. Tastgradsignalen) für die oberen und unteren Zweige für die Drei-Phasen-Wicklungen (d.h. die U-, V- und W-Phasen-Wicklungen) unter einer PWM-Steuerung auf der Grundlage eines Vergleichs von Signalpegeln, die durch Normalisieren der Drei-Phasen-Befehlsspannungen unter Verwendung der Leistungsversorgungsspannung hergeleitet werden, mit einem Pegel eines Trägersignals, wie eines Dreieckwellensignals.
Die gleiche Struktur, wie sie vorstehend beschrieben worden ist, ist für die X-, Y- und Z-Phasen-Wicklungen vorgesehen. Ein d-q-Umwandlungseinrichtung 122 arbeitet zur Umwandlung von Strömen (d.h. Drei-Phasen-Strömen), wie sie durch für die jeweiligen Phasenwicklungen montierte Stromsensoren gemessen werden, in einen d-Achsen-Strom und einen q-Achsen-Strom, die Komponenten in dem zweidimensionalen rotierenden Kartesischen Koordinatensystem sind, in dem die d-Achse als die Richtung der Achse des Magnetfeldes definiert ist.
Eine d-Achsen-Stromregelungsvorrichtung 123 bestimmt eine Befehlsspannung für die d-Achse. Eine q-Achsen-Stromregelungsvorrichtung 124 bestimmt eine Befehlsspannung für die q-Achse. Ein Drei-Phasen-Wandler 125 arbeitet zur Umwandlung der Befehlswerte für die d-Achse und die q-Achse in Befehlswerte für die X-Phase-, Y-Phase und Z-Phasen-Wicklungen. Eine Betriebssignalerzeugungseinrichtung 126 erzeugt Betriebssignale für den zweiten Wechselrichter 102 als eine Funktion der Drei-Phasen-Befehlsspannungen. Insbesondere arbeitet die Betriebssignalerzeugungseinrichtung 126 zur Erzeugung von Schalterbetriebssignalen (d.h. Tastgradsignalen) für die oberen und unteren Zweige für die Drei-Phasen-Wicklungen (d.h. die X-, Y- und Z-Phasen-Wicklungen) auf der Grundlage eines Vergleichs von Signalpegeln, die durch Normalisieren der Drei-Phasen-Befehlsspannungen unter Verwendung der Leistungsversorgungsspannung hergeleitet werden, mit einem Pegel eines Trägersignals wie eines Dreieckwellensignals.
Eine Ansteuerungseinrichtung 117 arbeitet zum Ein- oder Ausschalten der Schalter Sp und Sn in den Wechselrichtern 101 und 102 in Reaktion auf die durch die Betriebssignalerzeugungseinrichtungen 116 und 126 erzeugten Schalterbetriebssignale.
Nachstehend ist ein Drehmomentregelungsbetrieb beschrieben. Dieser Betrieb dient zur Erhöhung einer Abgabe (Ausgangsleistung) der rotierenden elektrischen Maschine 10 und zum Reduzieren eines Drehmomentverlusts in der rotierenden elektrischen Maschine 10 beispielsweise in einem Bereich mit hoher Geschwindigkeit und hoher Ausgangsleistung, in dem Ausgangsspannungen aus den Wechselrichtern 101 und 102 ansteigen. Die Steuerungseinrichtung 110 wählt einen des Drehmomentregelungsbetriebs und des Stromregelungsbetriebs aus und führt den ausgewählten Betrieb als eine Funktion einer Betriebsbedingung der rotierenden elektrischen Maschine 10 durch.
21 zeigt den Drehmomentregelungsbetrieb für die U-, V- und W-Phasen-Wicklungen und den Drehmomentregelungsbetrieb für die X-, Y- und Z-Phasen-Wicklungen. In 21 beziehen sich dieselben Bezugszeichen, wie sie in 20 angewendet werden, auf dieselben Teile, und deren ausführliche Erläuterung entfällt hier. Zunächst ist der Steuerungsbetrieb für die U-, V- und W-Phasen-Wicklungen beschrieben.
Eine Spannungsamplitudenberechnungseinrichtung 127 arbeitet zur Berechnung eines Spannungsamplitudenbefehls, der ein Befehlswert einer Größe eines Spannungsvektors ist, als eine Funktion des Motorbetriebsart-Drehmomentbefehlswerts oder des Generatorbetriebsart-Drehmomentbefehlswerts für die rotierende elektrische Maschine 10 und der elektrischen Winkelgeschwindigkeit ω, die durch Differenzieren des elektrischen Winkels θ in Bezug auf die Zeit hergeleitet wird.
Die Drehmomentberechnungseinrichtung 128a arbeitet zum Schätzen eines Drehmomentwerts in der U-Phase, der V-Phase oder der W-Phase als eine Funktion des d-Achsen-Stroms und des q-Achsen-Stroms, die durch die d-q-Umwandlungseinrichtung 112 umgewandelt werden. Die Drehmomentberechnungseinrichtung 128a kann entworfen sein, den Spannungsamplitudenbefehl unter Verwendung eines Kennfeldes zu berechnen, in dem Beziehungen zwischen dem d-Achsen-Strom, dem q-Achsen-Strom und dem Spannungsbefehlswert aufgelistet sind.
Eine Drehmomentregelungseinrichtung 129a berechnet einen Spannungsphasenbefehl, der ein Befehlswert für eine Phase des Spannungsvektors ist, als eine Stellgröße, um den geschätzten Drehmomentwert in Übereinstimmung mit dem Motorbetriebsart-Drehmomentbefehlswert oder dem Generatorbetriebsart-Drehmomentbefehlswert in der Rückkopplungsbetriebsart zu bringen. Insbesondere berechnet die Drehmomentregelungseinrichtung 129a den Spannungsphasenbefehl als eine Funktion einer Abweichung des geschätzten Drehmomentwerts von dem Motorbetriebsart-Drehmomentbefehlswert oder dem Generatorbetriebsart-Drehmomentbefehlswert unter Verwendung von PI-Rückkopplungstechniken.
Eine Betriebssignalerzeugungseinrichtung 130a arbeitet zur Erzeugung des Betriebssignals für den ersten Wechselrichter 101 unter Verwendung des Spannungsamplitudenbefehls, des Spannungsphasenbefehls und des elektrischen Winkels θ. Insbesondere berechnet die Betriebssignalerzeugungseinrichtung 130a die Befehlswerte für die Drei-Phasen-Wicklungen auf der Grundlage des Spannungsamplitudenbefehls, des Spannungsphasenbefehls und des elektrischen Winkels θ und erzeugt dann Schaltbetriebssignale für die oberen und unteren Zweige für die Drei-Phasen-Wicklungen mittels einer PWM-Steuerung auf der Grundlage eines Vergleichs von Signalpegeln, die durch Normalisieren der Drei-Phasen-Befehlsspannungen unter Verwendung der Leistungsversorgungsspannung hergeleitet werden, mit einem Pegel eines Trägersignals wie eines Dreieckwellensignals.
Die Betriebssignalerzeugungseinrichtung 130a kann alternativ entworfen sein, die Schaltbetriebssignale unter Verwendung von Impulsmusterinformationen, bei denen es sich um Kennfeldinformationen bezüglich Beziehungen zwischen dem Spannungsamplitudenbefehl, dem Spannungsphasenbefehl, dem elektrischen Winkel θ und dem Schaltbetriebssignal handelt, des Spannungsamplitudenbefehls, des Spannungsphasenbefehls und des elektrischen Winkels θ zu erzeugen.
Dieselbe Struktur, wie sie vorstehend beschrieben worden ist, ist für die X-, Y- und Z-Phasen-Wicklungen vorgesehen. Eine Drehmomentberechnungseinrichtung 128b arbeitet zum Schätzen eines Drehmomentwerts in der X-Phase, der Y-Phase oder der Z-Phase als eine Funktion des d-Achsen-Stroms und des q-Achsen-Stroms, die durch die d-q-Umwandlungseinrichtung 122 umgewandelt werden.
Die Drehmomentregelungseinrichtung 129b berechnet einen Spannungsphasenbefehl als eine Stellgröße, um den geschätzten Drehmomentwert in Übereinstimmung mit dem Motorbetriebsart-Drehmomentbefehlswert oder dem Generatorbetriebsart-Drehmomentbefehlswert in der Rückkopplungsbetriebsart zu bringen. Insbesondere berechnet die Drehmomentregelungseinrichtung 129b den Spannungsphasenbefehl als eine Funktion einer Abweichung des geschätzten Drehmomentwerts von dem Motorbetriebsart-Drehmomentbefehlswert oder dem Generatorbetriebsart-Drehmomentbefehlswert unter Verwendung von PI-Rückkopplungstechn iken.
Die Betriebssignalerzeugungseinrichtung 130b arbeitet zur Erzeugung des Betriebssignals für den zweiten Wechselrichter 102 unter Verwendung des Spannungsamplitudenbefehls, des Spannungsphasenbefehls und des elektrischen Winkels θ. Insbesondere berechnet die Betriebssignalerzeugungseinrichtung 130b die Befehlswerte für die Drei-Phasen-Wicklungen auf der Grundlage des Spannungsamplitudenbefehls, des Spannungsphasenbefehls und des elektrischen Winkels θ und erzeugt dann die Schaltbetriebssignale für die oberen und unteren Zweige für die Drei-Phasen-Wicklungen mittels einer PWM-Steuerung auf der Grundlage eines Vergleichs von Signalpegeln, die durch Normalisieren der Drei-Phasen-Befehlsspannungen unter Verwendung der Leistungsversorgungsspannung hergeleitet werden, mit einem Pegel eines Trägersignals wie eines Dreieckwellensignals. Die Ansteuerungseinrichtung 117 arbeitet dann zum Ein- oder Ausschalten der Schalter Sp und Sn für die Drei-Phasen-Wicklungen in den Wechselrichtern 101 und 102 in Reaktion auf die Schaltbetriebssignale, die durch die Betriebssignalerzeugungseinrichtungen 130a und 130b hergeleitet werden.
Die Betriebssignalerzeugungseinrichtung 130b kann alternativ entworfen sein, die Schaltbetriebssignale unter Verwendung von Impulsmusterinformationen, bei denen es sich um Kennfeldinformationen bezüglich Beziehungen zwischen dem Spannungsamplitudenbefehl, dem Spannungsphasenbefehl, dem elektrischen Winkel θ und dem Schaltbetriebssignal handelt, des Spannungsamplitudenbefehls, des Spannungsphasenbefehls und des elektrischen Winkels θ zu erzeugen.
Die rotierende elektrische Maschine 10 weist ein Risiko auf, dass eine Erzeugung eines axialen Stroms zu einer elektrischen Erosion in dem Lager 21 oder 22 führen kann. Wenn beispielsweise die Statorwicklung 51 in Reaktion auf den Schaltbetrieb erregt oder aberregt wird, kann eine kleine Schaltzeitlücke (d.h. ein Schaltungleichgewicht) auftreten, was zu einer Verzerrung des Magnetflusses führt, was zu einer elektrischen Erosion in den Lagern 21 und 22 führt, die die Drehwelle 11 festhalten. Die Verzerrung des Magnetflusses hängt von der Induktivität des Stators 50 ab und erzeugt eine elektromotorische Kraft, die in der axialen Richtung ausgerichtet ist, was zu einem dielektrischen Durchbruch in den Lagern 21 oder 22 führt, so dass sich eine elektrische Erosion zu entwickelt.
Zur Vermeidung der elektrischen Erosion ist dieses Ausführungsbeispiel entwickelt, drei Maßnahmen vorzunehmen, wie sie nachstehend beschrieben sind. Die erste Erosionsvermeidungsmaßnahme besteht darin, die Induktivität zu reduzieren, indem der Stator 50 entworfen wird, eine kernlose Struktur aufzuweisen, und ebenfalls den Magnetfluss in der Magneteinheit 42 derart zu formen, dass er gleichförmig ist, um die elektrische Erosion zu minimieren. Die zweite Erosionsvermeidungsmaßnahme besteht darin, die Drehwelle in einer freitragenden Form festzuhalten, um die elektrische Erosion zu minimieren. Die dritte Erosionsvermeidungsmaßnahme besteht darin, die ringförmige Statorwicklung 51 und den Statorkern 52 unter Verwendung von Gusstechniken unter Verwendung eines Gussmaterials zu vereinigen, um die elektrische Erosion zu minimieren. Die ersten bis dritten Erosionsvermeidungsmaßnahmen sind nachstehend ausführlich beschrieben.
In der ersten Erosionsvermeidungsmaßnahme ist der Stator 50 entworfen, keine Zähne in Spalten zwischen den Leitergruppen 81 in der Umlaufrichtung aufzuweisen. Die Dichtungselemente 57, die aus einem nichtmagnetischen Material gebildet sind, sind in den Spalten zwischen den Leitergruppen 81 anstelle von Zähnen (Eisenkernen) angeordnet (siehe 10). Dies führt zu einer Verringerung der Induktivität des Stators 50, wodurch die Verzerrung von Magnetfluss minimiert wird, die durch die Schaltzeitlücke verursacht wird, die bei Erregung der Statorwicklung 51 auftritt, um die elektrische Erosion in den Lagern 21 und 22 zu reduzieren. Die Induktivität auf der d-Achse ist vorzugsweise kleiner als diejenige auf der q-Achse.
Zusätzlich ist jeder der Magnete 91 und 92 magnetisch derart ausgerichtet, dass ihre leichte Achse der Magnetisierung in einer Region nahe der d-Achse ausgerichtet ist, stärker parallel zu der d-Achse als diejenige in einer Region nahe der q-Achse ist (siehe 9). Dies stärkt den Magnetfluss auf der d-Achse, was zu einer gleichförmigen Änderung des Oberflächenmagnetflusses (d.h. einer Erhöhung oder Verringerung des Magnetflusses) von der q-Achse zu der d-Achse an jedem Magnetpol der Magnete 91 und 92 führt. Dies minimiert eine plötzliche Spannungsänderung aufgrund des Schaltungleichgewichts, um die elektrische Erosion zu vermeiden.
In der zweiten Erosionsvermeidungsmaßnahme ist die rotierende elektrische Maschine 10 derart entworfen, dass deren Lager 21 und 22 weg von der axialen Mitte des Rotors 40 zu einem der Enden des Rotors 40 angeordnet sind, die einander in der axialen Richtung davon entgegengesetzt sind (siehe 2). Dies minimiert das Risiko der elektrischen Erosion im Vergleich zu einem Fall, in dem eine Vielzahl von Lagern außerhalb von axialen Enden eines Rotors angeordnet sind. Anders ausgedrückt führt in der Struktur, in der der Rotor Enden aufweist, die durch die Lager festgehalten werden, eine Erzeugung eines Hochfrequenz-Magnetflusses zu der Erzeugung eines geschlossenen Kreises, der sich durch den Rotor, den Stator und die Lager (die axial außerhalb des Rotors angeordnet sind) erstreckt. Dies führt zu einem Risiko, dass der axiale Strom zu der elektrischen Erosion in den Lagern führen kann. Im Gegensatz dazu wird der Rotor 40 durch die Vielzahl der Lager 21 und 22 in der freitragenden Form festgehalten, so dass der vorstehend beschriebene geschlossene Kreis nicht auftritt, wodurch die elektrische Erosion in den Lagern 21 und 22 minimiert wird.
Zusätzlich zu der vorstehend beschriebenen einseitigen Anordnung der Lager 21 und 22 weist die rotierende elektrische Maschine 10 ebenfalls die nachfolgende Struktur auf. In der Magnethalteeinrichtung 41 ist der Zwischenabschnitt 45, der sich in der radialen Richtung des Rotors 40 erstreckt, mit einer Kontaktvermeidungseinrichtung ausgerüstet, die sich axial erstreckt, um einen physikalischen Kontakt mit dem Stator 50 zu vermeiden (siehe 2). Dies ermöglicht, dass ein geschlossener Kreis, durch den der axiale Strom durch die Magnethalteeinrichtung 41 fließt, verlängert wird, um den Widerstandswert davon zu erhöhen. Dies minimiert das Risiko für die elektrische Erosion der Lager 21 und 22.
Die Festhalteeinrichtung 23 für die Lagereinheit 20 ist an dem Gehäuse 30 gesichert und befindet sich an einer axialen Endseite des Rotors 40, während das Gehäuse 30 und die Einheitsbasis 61 (d.h. die Statorhalteeinrichtung) an dem anderen axialen Ende des Rotors 40 miteinander zusammengesetzt sind (siehe 2). Diese Anordnungen erzielen in geeigneter Weise die Struktur, bei der die Lager 21 und 22 jeweils lediglich an einem des Endes der Länge der Drehwelle 11 angeordnet sind. Zusätzlich ist die Einheitsbasis 61 mit der Drehwelle 11 durch das Gehäuse 30 verbunden, so dass die Einheitsbasis 61 sich elektrisch weg von der Drehwelle 11 befindet. Ein Isolierelement wie ein Harz kann zwischen der Einheitsbasis 61 und dem Gehäuse 30 angeordnet werden, um die Einheitsbasis 61 und die Drehwelle 11 elektrisch weiter voneinander entfernt zu platzieren. Dies minimiert ebenfalls das Risiko für die elektrische Erosion der Lager 21 und 22.
Die einseitige Anordnung der Lager 21 und 22 in der rotierenden elektrischen Maschine 10 gemäß diesem Ausführungsbeispiel verringert die an die Lager 21 und 22 angelegte axiale Spannung und verringert ebenfalls die Potentialdifferenz zwischen dem Rotor 40 und dem Stator 50. Eine Verringerung in der Potentialdifferenz, die an die Lager 21 und 22 angelegt wird, wird somit ohne Verwendung einer leitenden Schmierung in den Lagern 21 und 22 erzielt. Die leitende Schmierung enthält üblicherweise Feinpartikel wie Kohlenstoffpartikel, was somit zu einem Risiko für die Erzeugung von akustischen Geräuschen führt. Zur Behebung des vorstehend beschriebenen Problems verwendet dieses Ausführungsbeispiel eine nichtleitende Schmierung in den Lagern 21 und 22, um die akustischen Geräusche in den Lagern 21 und 22 zu minimieren. Beispielsweise ist es in einem Fall, in dem die rotierende elektrische Maschine 10 mit einem elektrischen Fahrzeug verwendet wird, üblicherweise erforderlich, Maßnahmen zur Beseitigung der akustischen Geräusche vorzunehmen. Dieses Ausführungsbeispiel ist in der Lage, eine derartige Maßnahme in geeigneter Weise vorzunehmen.
In der dritten Erosionsvermeidungsmaßnahme werden die Statorwicklung 51 und der Statorkern 52 unter Verwendung eines Gussmaterials zusammen vereinigt, um einen Positionsfehler der Statorwicklung 51 in dem Stator 50 zu minimieren (siehe 11). Die rotierende elektrische Maschine 10 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist entworfen, keine Leiter-zu-Leiter-Elemente (beispielsweise Zähne) zwischen den Leitergruppen 81 aufzuweisen, die in der Umlaufrichtung der Statorwicklung 51 angeordnet sind, was somit zu Bedenken bezüglich des Positionsfehlers oder einer Fehlausrichtung der Statorwicklung 51 führt. Die Fehlausrichtung des Leiters der Statorwicklung 51 kann minimiert werden, indem die Statorwicklung 51 und der Statorkern 52 in dem Verguss vereinigt werden. Dies beseitigt Risiken für eine Verzerrung von Magnetfluss aufgrund der Fehlausrichtung der Statorwicklung 51 und der elektrischen Erosion in den Lagern 21 und 22, die aus der Verzerrung des Magnetflusses resultiert.
Die Einheitsbasis 61, die als ein Gehäuse zum festen Fixieren des Statorkerns 52 dient, ist aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFRP) gebildet, wodurch eine elektrische Entladung zu der Einheitsbasis 61 im Vergleich dazu minimiert wird, wenn die Einheitsbasis 61 aus Aluminium gebildet ist, wodurch die elektrische Erosion vermieden wird.
Eine zusätzliche Erosionsvermeidungsmaßnahme kann vorgenommen werden, um zumindest einen des äußeren Laufrings 25 und des inneren Laufrings 26 von jedem der Lager 21 und 22 unter Verwendung eines keramischen Materials zu bilden, oder alternativ eine Isolierhülse außerhalb des äußeren Laufrings 26 einzubauen.
Andere Ausführungsbeispiele sind nachstehend im Hinblick auf Unterschiede zwischen diesen und dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
ZWEITES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die polare anisotrope Struktur der Magneteinheit 42 des Rotors 40 geändert und ist nachstehend ausführlich besch rieben.
Die Magneteinheit 42 ist, wie es deutlich in 22 und 23 veranschaulicht ist, unter Verwendung eines Magnet-Arrays gebildet, das als Halbach-Array bezeichnet ist. Insbesondere ist die Magneteinheit 42 mit ersten Magneten 131 und zweiten Magneten 132 ausgerüstet. Die ersten Magnete 131 weisen eine Magnetisierungsrichtung (d.h. eine Ausrichtung eines Magnetisierungsvektors davon) auf, die in der radialen Richtung der Magneteinheit 42 ausgerichtet ist. Die zweiten Magnete 132 weisen eine Magnetisierungsrichtung (d.h. eine Ausrichtung des Magnetisierungsvektors davon) auf, die in der Umlaufrichtung der Magneteinheit 42 ausgerichtet ist. Die ersten Magnete 131 sind zu einem gegebenen Intervall weg voneinander in der Umlaufrichtung regelmäßig angeordnet. Jeder der zweiten Magnete 132 ist zwischen den ersten Magneten 131 angeordnet, die benachbart zueinander in der Umlaufrichtung sind. Die erste Magnete 131 und die zweiten Magnete 132 sind jeweils durch einen Seltene-Erden-Permanentmagnet wie einen Neodym-Magnet verwirklicht.
Die ersten Magnete 131 sind weg voneinander in der Umlaufrichtung derart angeordnet, dass sie N-Pole und S-Pole aufweisen, die an radial inneren Abschnitten davon erzeugt werden und dem Stator 50 zugewandt sind. Die N-Pole und die S-Pole sind abwechselnd in der Umlaufrichtung angeordnet. Die zweiten Magnete 132 sind derart angeordnet, dass sie N-Pole und S-Pole aufweisen, die abwechselnd benachbart zu den ersten Magneten 131 in der Umlaufrichtung angeordnet sind. Der Zylinder 43, der die Magnete 131 und 132 umgibt, kann aus einem weichmagnetischen Kern geformt sein, der aus einem weichmagnetischen Material gebildet ist, und der als ein Gegenkern fungiert. Die Magneteinheit 42 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist derart entworfen, dass sie die leichte Achse der Magnetisierung in derselben Weise wie gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in Bezug auf die d-Achse und die q-Achse in dem d-q-Achsen-Koordinatensystem ausgerichtet aufweist.
Magnetische Elemente 133, von denen jedes aus einem weichmagnetischen Material gebildet ist, sind radial außerhalb der ersten Magnete 131, anders ausgedrückt, nahe an dem Zylinder 43 der Magnethalteeinrichtung 41 angeordnet. Jedes der magnetischen Elemente 133 kann aus einem magnetischen Stahlblech, Weicheisen oder Pulverkernmaterial gebildet sein. Jedes der magnetischen Elemente 133 weist eine Länge auf, die identisch zu derjenigen des ersten Magneten 131 (insbesondere eine Länge eines äußeren Umfangs des ersten Magneten 131) in der Umlaufrichtung ist. Eine Baugruppe, die aus jedem der ersten Magnete 131 und einem entsprechenden der magnetischen Elemente 133 aufgebaut ist, weist eine Dicke auf, die identisch zu derjenigen des zweiten Magneten 132 in der radialen Richtung ist. Anders ausgedrückt weist jeder der ersten Magnete 131 eine Dicke auf, die um diejenige des magnetischen Elements 133 in der radialen Richtung kleiner als diejenige des zweiten Magneten 132 ist. Die Magnete 131 und 132 sowie die magnetischen Elemente 133 sind fest aneinander unter Verwendung von beispielsweise Klebemitteln gesichert. In der Magneteinheit 42 ist die radiale Außenseite der ersten Magnete 131 von dem Stator 50 weg gewandt. Die magnetischen Elemente 133 befinden sich an der entgegengesetzten Seite der ersten Magnete 131 in Bezug auf den Stator 50 in der radialen Richtung (d.h. weiter weg von dem Stator 50).
Jedes der magnetischen Elemente 133 weist einen Nutkeil 134 in einer konvexen Form auf, der an dem äußeren Umfang davon geformt ist und von dem magnetischen Element 133 radial nach außen vorspringt, anders ausgedrückt, in den Zylinder 43 der Magnethalteeinrichtung 41 vorspringt. Der Zylinder 43 weist Keilnuten 135 auf, die in einer inneren Umfangsoberfläche davon in einer konkaven Form geformt sind und in denen die Nutkeile 134 der magnetischen Elemente 133 eingepasst sind. Die vorspringende Form der Nutkeile 134 ist konturiert, um mit der Aussparungsform der Keilnuten 135 übereinzustimmen. Es sind so viele Keilnuten 135 wie die Nutkeile 134 der magnetischen Elemente 133 geformt. Der Eingriff zwischen den Nutkeilen 134 und den Keilnuten 135 dient zur Beseitigung einer Fehlausrichtung oder einer Positionsabweichung der ersten Magnete 131, der zweiten Magnete 132 und der Magnethalteeinrichtung 41 in der Umlaufrichtung (d.h. einer Drehrichtung). Die Nutkeile 134 und die Keilnuten 135 (d.h. Konvexitäten und Konkavitäten) können entweder auf den Zylindern 43 der Magnethalteeinrichtung 41 oder in den magnetischen Elementen 133 jeweils geformt werden. Insbesondere können die magnetischen Elemente 133 die Keilnuten 135 in dem äußeren Umfang davon aufweisen, während der Zylinder 43 der Magnethalteeinrichtung 41 die Nutkeile 134 an dem inneren Umfang davon geformt aufweisen kann.
Die Magneteinheit 42 weist die ersten Magnete 131 und die zweiten Magnete 132 auf, die abwechselnd angeordnet sind, um die Magnetflussdichte in den ersten Magneten 131 zu erhöhen. Dies führt zu einer Konzentration von Magnetfluss auf einer Oberfläche der Magneteinheit 42, um den Magnetfluss nahe an dem Stator 50 zu verbessern.
Die Anordnung der magnetischen Elemente 133, die radial außerhalb der ersten Magnete 131, anders ausgedrückt weiter weg von dem Stator 50 angeordnet sind, reduziert eine teilweise magnetische Sättigung, die radial außerhalb der ersten Magnete 131 auftritt, wodurch ein Risiko einer Entmagnetisierung in den ersten Magneten 131 aufgrund der magnetischen Sättigung behoben wird. Dies führt zu einer Erhöhung in der Magnetkraft, die durch die Magneteinheit 42 erzeugt wird. Anders ausgedrückt wird die Magneteinheit 42 gemäß diesem Ausführungsbeispiel derart betrachtet, dass sie Abschnitte aufweist, die üblicherweise der Entmagnetisierung unterzogen werden und mit den magnetischen Elementen 133 ersetzt werden.
24(a) und 24(b) zeigen Darstellungen, die Strömungen von Magnetfluss in der Magneteinheit 42 demonstrieren. 24(a) veranschaulicht eine herkömmliche Struktur, bei der die Magneteinheit 42 nicht mit den magnetischen Elementen 133 ausgerüstet ist. 24(b) veranschaulicht die Struktur gemäß diesem Ausführungsbeispiel, bei der die Magneteinheit 42 mit den magnetischen Elementen 133 ausgerüstet ist. 24(a) und 24(b) sind linear entwickelte Ansichten des Zylinders 43 der Magnethalteeinrichtung 41 und der Magneteinheit 42. Die unteren Seiten von 24(a) und 24(b) sind näher an dem Stator 50, wohingegen die oberen Seiten davon weiter weg von dem Stator 50 sind.
In der in 24(a) gezeigten Struktur sind eine Magnetflusseinwirkungsoberfläche von jedem der ersten Magnete 131 und eine Seitenoberfläche von jedem der zweiten Magnete 132 in Kontakt mit der inneren Umfangsoberfläche des Zylinders 43 platziert. Eine Magnetflusseinwirkungsoberfläche von jedem der zweiten Magnete 132 ist in Kontakt mit der Seitenoberfläche von einem der ersten Magnete 131 platziert. Eine derartige Anordnung bewirkt die Erzeugung eines kombinierten Magnetflusses in dem Zylinder 43. Der kombinierte Magnetfluss besteht aus einem Magnetfluss F1, der außerhalb des zweiten Magneten 132 verläuft und dann in die Oberfläche des ersten Magneten 131 eintritt, der den Zylinder 43 berührt, und einem Magnetfluss, der im Wesentlichen parallel zu dem Zylinder 43 verläuft und einen Magnetfluss F2 anzieht, der durch den zweiten Magneten 132 erzeugt wird. Dies führt zu einem Risiko, dass die magnetische Sättigung nahe der Oberfläche eines Kontakts zwischen dem ersten Magneten 131 und dem zweiten Magneten 132 in dem Zylinder 43 auftreten kann.
In der Struktur gemäß 24(b), bei der jedes der magnetischen Elemente 133 zwischen der Magnetflusseinwirkungsoberfläche des ersten Magneten 131 und dem inneren Umfang des Zylinders 43, der weiter weg von dem Stator 50 ist, angeordnet ist, wird zugelassen, dass der Magnetfluss durch das magnetische Element 133 verläuft. Dies minimiert die magnetische Sättigung in dem Zylinder 43 und erhöht eine Widerstandsfähigkeit gegenüber der Entmagnetisierung.
Die Struktur gemäß 24(b) fungiert im Gegensatz zu 24(a) zur Beseitigung des Magnetflusses F2, der die magnetische Sättigung begünstigt. Dies verbessert effektiv die Beständigkeit in dem gesamten Magnetkreis, wodurch die Stabilität in den Eigenschaften des Magnetkreises unter einer erhöhten Temperatur gewährleistet wird.
Im Vergleich zu radialen Magneten, die in herkömmlichen SPM-Rotoren verwendet werden, weist die Struktur gemäß 24(b) eine erhöhte Länge des Magnetpfades auf, der durch den Magneten verläuft. Dies führt zu einem Anstieg in der Beständigkeit des Magneten, was die Magnetkraft verbessert, um das Drehmoment zu erhöhen. Weiterhin konzentriert sich der Magnetfluss auf die Mitte der d-Achse, wodurch ein Sinuswellenübereinstimmungsanteil erhöht wird. Insbesondere kann die Erhöhung des Drehmoments effektiv erzielt werden, indem die Wellenform des Stroms unter einer PWM-Steuerung auf eine Sinus- oder Trapezwelle geformt wird oder 120°-Erregungsschalt-ICs verwendet werden.
In einem Fall, in dem der Statorkern 52 aus magnetischen Stahlblechen gebildet ist, ist die Dicke des Statorkerns 52 in der radialen Richtung davon vorzugsweise die Hälfte oder größer als die Hälfte der Dicke der Magneteinheit 42 in der radialen Richtung. Beispielsweise ist es vorzuziehen, dass die Dicke des Statorkerns 52 in der radialen Richtung größer als die Hälfte der Dicke der ersten Magnete 131 ist, die an der Pol-zu-Pol-Mitte in der Magneteinheit 42 angeordnet sind. Es ist ebenfalls vorzuziehen, dass die Dicke des Statorkerns 52 in der radialen Richtung kleiner als die der Magneteinheit 42 ist. In diesem Fall ist ein Magnet-Magnetfluss angenähert 1 T, wohingegen die Sättigungsmagnetflussdichte in dem Statorkern 52 2 T ist. Die Streuung von Magnetfluss nach innerhalb des inneren Umfangs des Statorkerns 52 wird vermieden, indem die Dicke des Statorkerns 52 in der radialen Richtung derart ausgewählt wird, dass sie größer als die Hälfte von derjenigen der Magneteinheit 42 ist.
Magnete, die angeordnet sind, die Halbach-Struktur oder die polare anisotrope Struktur aufzuweisen, weisen üblicherweise einen bogenförmigen Magnetpfad auf, so dass der Magnetfluss proportional zu einer Dicke von denjenigen der Magnete erhöht werden kann, die einen Magnetfluss in der Umlaufrichtung handhaben. In einer derartigen Struktur angenommen, dass der durch den Statorkern 52 strömende Magnetfluss den Magnetfluss, der in der Umlaufrichtung strömt, nicht überschreitet. Anders ausgedrückt kann, wenn der durch die Magnete erzeugte Magnetfluss 1 T ist, während ein eisenhaltiges Metall, dessen Sättigungsmagnetflussdichte 2 T ist, um den Statorkern 52 zu bilden, eine leichtgewichtige und kompakte elektrische rotierende elektrische Maschine produziert werden, indem die Dicke des Statorkerns 52 derart ausgewählt wird, dass sie größer als die Hälfte derjenigen der Magnete ist. Das Entmagnetisierungsfeld wird üblicherweise durch den Stator 50 auf das durch die Magnete produzierte Magnetfeld ausgeübt, so dass der durch die Magnete produzierte Magnetfluss 0,9 T oder weniger sein wird. Die magnetische Permeabilität des Statorkerns kann daher in geeigneter Weise gehalten werden, indem die Dicke des Statorkerns derart ausgewählt wird, dass sie die Hälfte von derjenigen der Magnete ist.
Modifikationen der vorstehend beschriebenen Struktur sind nachstehend beschrieben.
Erste Modifikation
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel weist die äußere Umfangsoberfläche des Statorkerns 52 eine gekrümmte Oberfläche ohne irgendwelche Irregularitäten auf. Die Vielzahl der Leitergruppen 81 sind zu einem gegebenen Intervall voneinander weg auf der äußeren Umfangsoberfläche des Statorkerns 52 angeordnet. Diese Anordnung kann geändert werden. Beispielsweise ist der in 25 veranschaulichte Statorkern 52 mit einem kreisförmigen ringförmigen Joch 141 und Vorsprüngen 142 ausgerüstet. Das Joch 141 befindet sich auf der dem Rotor 40 in der radialen Richtung entgegengesetzten Seite (d.h., der unteren Seite, wie in der Zeichnung betrachtet) der Statorwicklung 51. Jeder der Vorsprünge 142 springt in einen Spalt zwischen jeweiligen zweien der geraden Abschnitte 83 vor, die benachbart zueinander in der Umlaufrichtung angeordnet sind. Die Vorsprünge 142 sind zu einem gegebenen Intervall weg voneinander in der Umlaufrichtung radial außerhalb des Jochs 141, d.h. nahe an dem Rotor 40, angeordnet. Jede der Leitergruppen 81 der Statorwicklung 51 ist in Eingriff mit den Vorsprüngen 142 in der Umlaufrichtung, anders ausgedrückt werden die Vorsprünge 142 als Positioniereinrichtungen zum Positionieren und zum Regelmäßigen Anordnen der Leitergruppen 81 in der Umlaufrichtung verwendet. Die Vorsprünge 142 entsprechen den Leiter-zu-Leiter-Elementen.
Eine radiale Dicke von jedem der Vorsprünge 142 von dem Joch 141, anders ausgedrückt ein Abstand W, wie er in 25 veranschaulicht ist, zwischen der inneren Oberfläche 320 der geraden Abschnitte 82, die in Kontakt mit dem Joch 141 versetzt sind, und der Spitze des Vorsprungs 412 in der radialen Richtung des Jochs 141 wird derart ausgewählt, dass sie kleiner als eine Hälfte einer radialen Dicke (wie durch H1 in der Zeichnung angegeben) der geraden Abschnitte 83 ist, die benachbart zu dem Joch 141 in der radialen Richtung angeordnet sind. Anders ausgedrückt belegen nichtleitende Elemente (d.h. die Dichtungselemente 57) vorzugsweise jeweils drei Viertel einer Abmessung (d.h. Dicke) T1 (d.h., das Doppelte der Dicke der Leiter 82, anders ausgedrückt, einen minimalen Abstand zwischen der Oberfläche 320 der Leitergruppe 81, die in Kontakt mit dem Statorkern 52 versetzt ist, und der Oberfläche 330 der Leitergruppe 81, die dem Rotor 40 zugewandt ist) der Leitergruppen (d.h. Leitern) 81 in der radialen Richtung der Statorwicklung 51 (d.h. des Statorkerns 52). Eine derartige Auswahl der Dicke der Vorsprünge 142 bewirkt, dass jeder der Vorsprünge 142 nicht als ein Zahn zwischen den Leitergruppen 81 (d.h. den geraden Abschnitten 83), die benachbart zueinander in der Umlaufrichtung angeordnet sind, fungiert, so dass es keine Magnetpfade gibt, die üblicherweise durch die Zähne geformt werden würden. Die Vorsprünge 142 müssen nicht notwendigerweise zwischen jeweiligen in Umlaufrichtung zwei benachbarten aller Leitergruppen 81 angeordnet sein, jedoch kann ein einzelner Vorsprung 142 zumindest zwischen zweien der Leitergruppen 81 angeordnet werden, die benachbart zueinander in der Umlaufrichtung angeordnet sind. Beispielsweise können die Vorsprünge 142 weg voneinander in der Umlaufrichtung zu gleichen Intervallen angeordnet werden, die jeweils einer gegebenen Anzahl der Leitergruppen 81 entsprechen. Jeder der Vorsprünge 142 kann entworfen werden, irgendeine Form aufzuweisen, wie eine Rechteckform oder eine Bogenform.
Die geraden Abschnitte 83 können alternativ in einer einzelnen Schicht auf der äußeren Umfangsoberfläche des Statorkerns 52 angeordnet werden. In einem breiten Sinne kann die Dicke der Vorsprünge 142 von dem Joch 141 in der radialen Richtung kleiner als die Hälfte von derjenigen der geraden Abschnitte 83 in der radialen Richtung sein.
Wenn ein imaginärer Kreis, dessen Mitte sich in der axialen Mitte der Drehwelle 11 befindet und der durch die radialen Mitten der geraden Abschnitte 83 verläuft, die benachbart zu dem Joch 141 in der radialen Richtung platziert sind, definiert ist, kann jeder der Vorsprünge 142 geformt sein, lediglich innerhalb des imaginären Kreises vorzuspringen, anders ausgedrückt, nicht radial nach außerhalb des imaginären Kreises zu dem Rotor 40 hin vorzuspringen.
Die vorstehend beschriebene Struktur, bei der die Vorsprünge 142 die begrenzte Dicke in der radialen Richtung aufweisen und nicht als Zähne in den Spalten zwischen den geraden Abschnitten 83 fungieren, die benachbart zueinander in der Umlaufrichtung angeordnet sind, ermöglicht, dass die benachbarten geraden Abschnitte 83 näher aneinander angeordnet werden, als im Vergleich zu einem Fall, in dem Zähne in den Spalten zwischen den geraden Abschnitten 83 vorgesehen sind. Dies ermöglicht eine Erhöhung der Schnittfläche des Leiterkörpers 82a, wodurch eine bei Erregung der Statorwicklung 51 erzeugte Wärme reduziert wird. Das Fehlen der Zähne ermöglicht eine Beseitigung der magnetischen Sättigung, um die Größe von elektrischem Strom zu erhöhen, der der Statorwicklung 51 zugeführt wird. Es ist jedoch möglich, die nachteiligen Wirkungen, die aus einer Erhöhung der Wärmemenge, die durch die Erhöhung von der Statorwicklung 51 zugeführtem elektrischen Strom erzeugt wird, zu verringern. Die Statorwicklung 51 weist, wie es vorstehend beschrieben worden ist, die Windungen 84 auf, die in der radialen Richtung verschoben sind und mit den Behinderungsvermeidungsabschnitten mit den benachbarten Windungen 84 ausgerüstet sind, wodurch eine Anordnung der Windungen 84 weg voneinander in der radialen Richtung ermöglicht wird. Dies verbessert die Wärmeableitung von den Windungen 84. Die vorstehend beschriebene Struktur ist fähig, die Wärmeableitungsfähigkeit des Stators 50 zu verbessern.
Die radiale Dicke der Vorsprünge 142 muss nicht durch die Abmessung H1 gemäß 25 beschränkt werden, solange wie das Joch 141 des Statorkerns 52 und die Magneteinheit 42 (d.h. jeder der Magnete 91 und 92) des Rotors 40 zu einem gegebenen Abstand weg voneinander angeordnet sind. Insbesondere kann die radiale Dicke der Vorsprünge 142 größer als oder gleich wie die Abmessung H1 gemäß 25 sein, solange wie das Joch 141 und die Magneteinheit 42 2 mm oder mehr voneinander weg angeordnet sind. Beispielsweise können in einem Fall, in dem die radiale Dicke des geraden Abschnitts 83 größer als 2 mm ist und jede der Leitergruppen 81 aus zwei Leitern 82 aufgebaut sind, die in der radialen Richtung gestapelt sind, jeder der Vorsprünge 142 derart geformt sein, dass er eine Region belegt, die von der Hälfte der Dicke des geraden Abschnitts 83, der das Joch 141 nicht berührt, d.h. der Dicke des Leiters 82, der sich weiter weg von dem Joch 141 befindet, reicht. In diesem Fall werden die vorstehend beschriebenen Vorteile erhalten, indem die leitende Schnittfläche der Leitergruppen 81 erhöht wird, solange wie die radiale Dicke der Vorsprünge 142 zumindest H1 × 3/2 ist.
Der Statorkern 52 kann derart entworfen werden, dass er die in 26 veranschaulichte Struktur aufweist. 26 lässt die Dichtungselemente 57 weg, jedoch können die Dichtungselemente 57 verwendet werden. Der Einfachheit halber veranschaulicht 26 die Magneteinheit 42 und den Statorkern 52 derart, dass sie linear angeordnet sind.
In der Struktur gemäß 26 weist der Stator 50 die Vorsprünge 142 als Leiter-zu-Leiter-Elemente auf, von denen jeder zwischen jeweils zweien der Leiter 82 (d.h. den geraden Abschnitten 83) angeordnet ist, die in der Umlaufrichtung benachbart zueinander sind. Der Stator 50 ist mit den Vorsprüngen 350 ausgerüstet, von denen jeder magnetisch entlang einem der Magnetpole (d.h. einem N-Pol oder einem S-Pol) der Magneteinheit 42 arbeitet, wenn die Statorwicklung 51 erregt wird. Die Abschnitte 350 erstrecken sich in der Umlaufrichtung des Stators 50. Wenn jeder der Abschnitte 350 eine Länge Wn in der Umlaufrichtung des Stators 50 aufweist, die Summe der Breiten der Vorsprünge 142, die in einem Bereich dieser Länge Wn liegen (d.h. die Gesamtabmessung der Vorsprünge 412 in der Umlaufrichtung des Stators 50 in dem Bereich der Länge Wn) als Wt definiert ist, die Sättigungsmagnetflussdichte der Vorsprünge 412 als Bs definiert ist, eine Breite der Magneteinheit 42, die äquivalent zu einem der Magnetpole der Magneteinheit 42 ist, in der Umlaufrichtung der Magneteinheit 42 als Wm definiert ist, und die Remanenzflussdichte in der Magneteinheit 42 als Br definiert ist, werden die Vorsprünge 142 aus einem magnetischen Material gebildet, die eine Beziehung von Wt × Bs ≤ Wm × Br ... (1) erfüllen.
Der Bereich Wn ist derart definiert, dass er diejenigen von Leitergruppen 81 enthält, die benachbart zueinander in der Umlaufrichtung angeordnet sind und die einander während der Erregung davon überlappen. Es ist zweckmäßig, dass eine Referenz (d.h. eine Grenze), die bei der Definition des Bereichs Wn verwendet wird, in die Mitte des Spalts 56 zwischen den Leitergruppen 81 gesetzt wird. Beispielsweise weisen in der in 26 veranschaulichten Struktur die Vielzahl der Leitergruppen 81, die in dem Bereich Wn liegen, erste, zweite, dritte und vierte Leitergruppen 81 auf, wobei die erste Leitergruppe 81 am nächsten an der magnetischen Mitte des N-Pols ist. Der Bereich Wn ist derart definiert, dass er die Gesamtheit dieser vier Leitergruppen 81 aufweist. Enden (d.h. äußere Grenzen) des Bereichs Wn sind derart definiert, dass sie in den Mitten der Spalte 56 liegen.
Gemäß 26 enthält der Bereich Wn die Hälfte des Vorsprungs 142 innerhalb jedes der Enden davon. Die Gesamtheit der vier Vorsprünge 142 liegt in dem Bereich Wn. Wenn die Breite von jedem der Vorsprünge 142 (d.h. einer Abmessung des Vorsprungs 142 in der Umlaufrichtung des Stators 50, anders ausgedrückt, ein Intervall zwischen den benachbarten Spulengruppen 81) als A definiert ist, erfüllt die Summe von Breiten Wt der Vorsprünge 142, die in dem Bereich Wn liegen, die Beziehung von: Wt = 1/2 A + A + A + A + 1/2 A = 4 A.
Insbesondere sind die Drei-Phasen-Wicklungen der Statorwicklung 51 gemäß diesem Ausführungsbeispiel in der Form von verteilten Wicklungen gebildet. In der Statorwicklung 51 ist die Anzahl der Vorsprünge 142 für jeden Pol der Magneteinheit 42, d.h. die Anzahl der Spalte 56 jeweils zwischen den benachbarten Leitergruppen 81, gewählt als „die Anzahl von Phasen × Q“, wobei Q die Anzahl der Leiter 82 für jede Phase ist, die in Kontakt mit dem Statorkern 52 platziert sind. Anders ausgedrückt ist in dem Fall, in dem die Leiter 82 in der radialen Richtung des Rotors 40 gestapelt sind, um jeweils die Leitergruppen 81 zu bilden, Q die Anzahl der inneren der Leiter 82 der Leitergruppen 81 für jede Phase. In diesem Fall werden, wenn die Drei-Phasen-Wicklungen der Statorwicklung 51 in einer gegebenen Sequenz erregt werden, die Vorsprünge 142 für zwei der Drei-Phasen innerhalb jedes Pols magnetisch erregt. Die Gesamtumlaufrichtungsbreite Wt der Vorsprünge 142, die bei Erregung der Statorwicklung 51 erregt werden, innerhalb eines Bereichs jedes Pols der Magneteinheit 42 erfüllt daher eine Beziehung von „die Anzahl der erregten Phasen × Q × A = 2 × 2 × A“, wobei A die Breite von jedem der Vorsprünge 142 (d.h. des Spalts 56) in der Umlaufrichtung ist.
Die Gesamtbreite Wt wird in der vorstehend beschriebenen Weise bestimmt. Zusätzlich sind die Vorsprünge 142 des Statorkerns 52 aus magnetischem Material gebildet, das die vorstehend beschriebene Gleichung (1) erfüllt. Die Gesamtbreite Wt wird ebenfalls als äquivalent zu einer Abmessung in Umlaufrichtung betrachtet, bei der erwartet wird, dass die relative magnetische Permeabilität größer als eins innerhalb jedes Pols ist. Die Gesamtbreite Wt kann alternativ als eine Breite in Umlaufrichtung der Vorsprünge 142 in jedem Pol mit einem gewissen Spielraum bestimmt werden. Insbesondere kann, da die Anzahl der Vorsprünge 142 für jeden Pol der Magneteinheit 42 durch die Anzahl der Phasen × Q gegeben ist, die Breite der Vorsprünge 142 in jedem Pol (d.h. die Gesamtbreite Wt) gegeben sein durch die Anzahl der Phasen × Q × A = 3 × 2 × A = 6A.
Die verteilte Wicklung, wie sich hier darauf bezogen wird, bedeutet, dass es ein Paar von Polen (d.h. den N-Pol und den S-Pol) der Statorwicklung 51 für jedes Paar der Magnetpole gibt. Das Paar der Pole der Statorwicklung 51, wie sich hier darauf bezogen wird, ist aus den zwei geraden Abschnitten 83, in denen elektrischer Strom in entgegengesetzten Richtungen fließt, und der Windung 84 gebildet, die elektrisch diese miteinander verbindet. Es sei bemerkt, dass eine gesehnte bzw. schrittverkürzte Wicklung oder eine Durchmesserwicklung als ein Äquivalent der verteilten Wicklung betrachtet werden kann, solange wie diese die vorstehend beschriebenen Bedingungen erfüllt.
Nachstehend ist der Fall einer konzentrierten Wicklung beschrieben. Die konzentrierte Wicklung, wie sich hier darauf bezogen wird, bedeutet, dass die Breite jedes Paars von Magnetpolen sich von derjenigen jedes Paars der Pole der Statorwicklung 51 unterscheidet. Ein Beispiel für die konzentrierte Wicklung weist eine Struktur auf, bei der es drei Leitergruppen 81 für jedes Paar der Magnetpole gibt, bei der es drei Leitergruppen 81 für zwei Paare von Magnetpolen gibt, bei der es neun Leitergruppen 81 für vier Paare von Magnetpolen gibt, oder bei der es neun Leitergruppen 81 für fünf Paare von Magnetpolen gibt.
In dem Fall, in dem die Statorwicklung 51 in der Form der konzentrierten Wicklung gebildet ist, wird, wenn die Drei-Phasen-Wicklungen der Statorwicklung 51 in einer gegebenen Sequenz erregt werden, ein Abschnitt der Statorwicklung 51 für zwei Phasen erregt. Dies bewirkt eine magnetische Erregung der Vorsprünge 142 für zwei Phasen. Die Breite Wt in Umlaufrichtung der Vorsprünge 142, die bei Erregung der Statorwicklung magnetisch erregt werden, in einem Bereich jedes Pols der Magneteinheit 42 ist durch Wt = A × 2 gegeben. Die Breite Wt wird auf diese Weise bestimmt. Die Vorsprünge 142 sind aus magnetischem Material gebildet, das die vorstehend beschriebene Gleichung (1) erfüllt. In dem vorstehend beschriebenen Fall der konzentrierten Wicklung ist die Summe der Breiten der Vorsprünge 142, die in der Umlaufrichtung des Stators 50 innerhalb einer Region, die durch die Leitergruppen 81 für dieselbe Phase umgeben ist, als A definiert. Die Abmessung Wm in der konzentrierten Wicklung ist gegeben durch [gesamter Umlauf einer Oberfläche der Magneteinheit 42, die dem Luftspalt zugewandt ist] × [Anzahl der Phasen] ÷ [die Anzahl der verteilten Leitergruppen 81].
Üblicherweise weist ein Neodym-Magnet, ein Samarium-Kobalt-Magnet oder ein Ferrit-Magnet, dessen Wert von BH höher als oder gleich wie 20 [MGOe (kJ / m³)] ein Bd = 1,0 T oder mehr auf. Eisen weist Br = 2,0 T oder mehr auf. Die Vorsprünge 142 des Statorkerns 52 können daher aus magnetischem Material gebildet sein, das eine Beziehung von Wt < 1/2 × Wm erfüllt, um einen Hochleistungsmotor zu verwirklichen.
In einem Fall, in dem jeder der Leiter 82, wie später beschrieben ist, mit einer äußeren Beschichtungsschicht 182 ausgerüstet ist, können die Leiter 82 in der Umlaufrichtung des Statorkerns mit den äußeren Beschichtungsschichten 182 in Kontakt miteinander versetzt angeordnet werden. In diesem Fall kann die Breite Wt als Null oder als äquivalent zu der Dicke der äußeren Beschichtungsschichten 182 der Leiter 82 betrachtet werden, die einander berühren.
Die in 25 oder 26 veranschaulichte Struktur ist derart entworfen, dass sie Leiter-zu-Leiter-Elemente (d.h. die Vorsprünge 142) aufweist, deren Größe zu klein für den durch den Magneten produzierten Magnetfluss in dem Rotor 40 ist. Der Rotor 40 wird durch einen Oberflächenpermanentmagnetrotor verwirklicht, der eine flache Oberfläche und eine niedrige Induktivität aufweist, und weist keine Schenkelpole im Hinblick auf einen magnetischen Widerstandswert auf. Eine derartige Struktur ermöglicht eine Verringerung der Induktivität des Stators 50, wodurch ein Risiko für eine Verzerrung des Magnetflusses reduziert wird, die durch die Schaltzeitlücke in der Statorwicklung 51 verursacht wird, was die elektrische Erosion der Lager 21 und 22 minimiert.
Zweite Modifikation
Der Stator 50, der mit den Leiter-zu-Leiter-Elementen ausgerüstet ist, die gebildet sind, um die vorstehend beschriebene Gleichung zu erfüllen, kann entworfen sein, die nachfolgende Struktur aufzuweisen. Gemäß 27 ist der Statorkern 52 mit den Zähnen 143 als Leiter-zu-Leiter-Elemente ausgerüstet, die in einem äußeren Umfangsabschnitt (einem oberen Abschnitt, wie in der Zeichnung betrachtet) des Statorkerns 52 geformt sind. Die Zähne 143 springen von dem Joch 141 vor und sind zu einem gegebenen Intervall weg voneinander in der Umlaufrichtung des Statorkerns 52 angeordnet. Jeder der Zähne 143 weist eine Dicke auf, die identisch zu derjenigen der Leitergruppe 81 in der radialen Richtung ist. Die Zähne 143 weisen Seitenoberflächen auf, die in Kontakt mit den Leitern 82 der Leitergruppen 81 versetzt sind. Die Zähne 143 können alternativ von den Leitern 82 über Spalte beabstandet sein.
Die Zähne 143 sind geformt, eine beschränkte Breite in der Umlaufrichtung aufzuweisen. Insbesondere weist jeder der Zähne 143 einen Statorzahn auf, der sehr dünn für das Volumen der Magnete ist. Eine derartige Struktur der Zähne 143 dient zur Erzielung einer Sättigung durch den durch den Magneten produzierten Magnetfluss bei 1,8 T oder mehr, um die Permeabilität zu reduzieren, wodurch die Induktivität verringert wird.
Wenn eine Oberflächenfläche der Magnetflusseinwirkungsoberfläche der Magneteinheit 42, die dem Stator 50 zugewandt ist, für jeden Pol als Sm definiert ist und eine Remanenzflussdichte der Magneteinheit 42 als Br definiert ist, wird der Magnetfluss in der Magneteinheit 42 Sm × Br sein. Eine Oberflächenfläche von jedem der Zähne 143, die dem Rotor 40 zugewandt sind, ist als St definiert. Die Anzahl der Leiter 83 für jede Phase ist als m definiert. Wenn die Zähne 143 für zwei Phasen innerhalb eines Bereichs von einem Pol bei Erregung der Statorwicklung 51 magnetisch erregt werden, ist der Magnetfluss in dem Stator 50 ausgedrückt durch St × m × 2 × Bs. Die Verringerung der Induktivität kann erzielt werden, indem die Abmessungen der Zähne 143 derart ausgewählt werden, dass die folgende Beziehung erfüllt wird: $St \times m \times 2 \times Bs<Sm \times Br$
In einem Fall, in dem die Abmessung der Magneteinheit 42 identisch zu derjenigen des Zahns 143 in der axialen Richtung ist, kann die vorstehend beschriebene Gleichung (2) als eine Gleichung (3) umgeschrieben werden mit Wst × m × 2 × Bs < Wm × Br, wobei Wm die Umlaufbreite der Magneteinheit 42 für jeden Pol ist und Wst die Umlaufbreite der Zähne 143 ist. Beispielsweise wird, wenn Bs = 2 T, Br = 1 T und m = 2 gilt, die Gleichung (3) Wst < Wm/8 sein. In diesem Fall kann die Verringerung der Induktivität erzielt werden, indem die Breite Wst der Zähne 143 derart ausgewählt wird, dass sie kleiner als ein Achtel (1/8) der Breite Wm der Magneteinheit 42 für einen Pol ist. Wenn m eins ist, wird die Breite Wst der Zähne 143 vorzugsweise derart ausgewählt, dass sie kleiner als ein Viertel (1/4) der Breite Wm der Magneteinheit 42 für einen Pol ist.
„Wst × m × 2“ in der Gleichung (3) entspricht einer Umlaufbreite der Zähne 143, die bei Erregung der Statorwicklung 51 magnetisch erregt werden, in einem Bereich von einem Pol der Magneteinheit 42.
Die Struktur gemäß 27 ist, wie gemäß 25 und 26, mit den Leiter-zu-Leiter-Elementen (d.h. den Zähnen 143) ausgerüstet, die eine sehr geringe Größe für den durch den Magneten produzierten Magnetfluss in dem Rotor 40 aufweisen. Eine derartige Struktur ist in der Lage, die Induktivität des Stators 50 zu reduzieren, um ein Risiko für eine Verzerrung des Magnetflusses aufgrund der Schaltzeitlücke in der Statorwicklung 51 zu beheben, was die Wahrscheinlichkeit der elektrischen Erosion der Lager 21 und 22 minimiert.
Dritte Modifikation
Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel weist die Dichtungselemente 57 auf, die die Statorwicklung 51 abdecken und eine Region einschließlich aller Leitergruppen 81 radial außerhalb des Statorkerns 52 belegen, anders ausgedrückt in einer Region liegen, in der die Dicke der Dichtungselemente 57 größer als diejenige der Leitergruppen 81 in der radialen Richtung ist. Diese Anordnung der Dichtungselemente 57 kann geändert werden. Beispielsweise können die Dichtungselemente 57, wie es in 28 veranschaulicht ist, derart entworfen sein, dass die Leiter 82 teilweise nach außerhalb der Dichtungselemente 57 vorspringen. Insbesondere sind die Dichtungselemente 57 derart angeordnet, dass Abschnitte der Leiter 82, die radial äußerste Abschnitte der Leitergruppen 81 sind, nach außerhalb der Dichtungselemente 57 zu dem Stator 50 hin freigelegt sind. In diesem Fall kann die Dicke der Dichtungselemente 57 in der radialen Richtung identisch zu oder kleiner als diejenige der Leitergruppen 81 sein.
Vierte Modifikation
Der Stator 50 kann, wie es in 29 veranschaulicht ist, derart entworfen sein, da er nicht die Dichtungselemente 57 aufweist, die die Leitergruppen 81, d.h. die Statorwicklung 51, abdecken. In diesem Fall wird ein Spalt zwischen den benachbarten Leitergruppen 81, die in der Umlaufrichtung angeordnet sind, ohne ein Leiter-zu-Leiter-Element dazwischen erzeugt. Anders ausgedrückt wird kein Leiter-zu-Leiter-Element zwischen den in der Umlaufrichtung angeordneten Leitergruppen 81 angeordnet. Luft kann in den Spalten zwischen den Leitergruppen 81 angeordnet sein. Die Luft kann als ein nichtmagnetisches Element oder ein Äquivalent davon betrachtet werden, dessen Bs Null (0) ist.
Fünfte Modifikation
Die Leiter-zu-Leiter-Elemente des Stators 50 können aus einem anderen nichtmagnetischen Material als Harz gebildet sein. Beispielsweise kann ein nichtmetallisches Material wie SUS304, das ein austenitischer rostfreier Stahl ist, verwendet werden.
Sechste Modifikation
Diese Modifikation weist eine teilweise geänderte vergossene Struktur für die Statorwicklung 51 auf. Diese Modifikationen und nachfolgende Modifikationen der vergossenen Struktur für die Statorwicklung 51 bezieht sich lediglich auf Teile, die sich von denjenigen unterscheiden, die bereits unter Bezugnahme auf 10 und 11 beschrieben worden sind.
Der Statorkern 52 ist, wie es klar in 30 veranschaulicht ist, innerhalb eines inneren Umfangs der Statorwicklung 51 angeordnet (d.h. auf einer entgegengesetzten Seite der Statorwicklung 51 als zu der Magneteinheit 42). Der Statorkern 52 weist eine Oberfläche auf, die der Statorwicklung 51 zugewandt ist, und auf der aufeinanderfolgend in einer Umlaufsrichtung davon Einbuchtungen (Konkavitäten) und Ausbuchtungen (Konvexitäten) geformt sind. Die Einbuchtungen definieren die Aussparungen 151, die mit Gussmaterial gefüllt sind. Das Gussmaterial, das die Abdichtungselemente 57 formt, tritt in die Aussparungen 151 ein. Das Gussmaterial in den Aussparungen 151 setzt Abschnitte des Abdichtungselements 57 zusammen. Die Einbuchtungen und Ausbuchtungen können durch Rändeln geformt werden. Die Einbuchtungen und Ausbuchtungen der Oberfläche (beispielsweise der gerändelten Oberfläche) des Statorkerns 52 können alternativ aufeinanderfolgend benachbart zueinander lediglich in der axialen Richtung oder sowohl in der axialen Richtung als auch in der Umlaufsrichtung angeordnet sein.
In dieser Struktur sind Gussmaterialien intermittierend zwischen der Statorwicklung 51 und dem Statorkern 51 angeordnet, wodurch eine Fehlausrichtung der Gussmaterialien mit dem Statorkern 52 minimiert wird, anders ausgedrückt die Abdichtungselemente 57, die die Leitergruppen 81 umgeben, von einem Bewegen abgehalten werden. Dies beseitigt ein Risiko einer Fehlausrichtung der Statorwicklung 51.
Wenn die Einbuchtungen und Ausbuchtungen aufeinanderfolgend an dem Statorkern 52 in dessen axialer Richtung angeordnet sind, minimiert dies eine Fehlausrichtung der Statorwicklung 51 in der axialen Richtung. Alternativ dazu, wenn die Einbuchtungen und Ausbuchtungen aufeinanderfolgend an dem Statorkern 52 in der Umlaufsrichtung davon angeordnet sind, minimiert dies eine Fehlausrichtung der Statorwicklung 51 in der Umlaufsrichtung.
Siebte Modifikation
Diese Modifikation weist eine teilweise geänderte vergossene Struktur für die Statorwicklung 51 auf. In der in 31 gezeigten Struktur weist der Statorkern 52 eine Vielzahl von Stahlblechen 52a auf, dessen äußere Kanten voneinander versetzt sind, um Einbuchtungen und Ausbuchtungen an einer äußeren Umfangsoberfläche des Statorkerns 52 aufzuweisen, die aufeinanderfolgend in der axialen Richtung angeordnet sind. Gussmaterialien werden in den Aussparungen 152 angeordnet, die durch die Einbuchtungen und Ausbuchtungen definiert sind. Die Struktur kann einen Stapel von Stahlblechen 52a aufweisen, die voneinander unterschiedliche äußere Durchmesser aufweisen.
Achte Modifikation
Diese Modifikation weist eine teilweise geänderte vergossene Struktur für die Statorwicklung 51 auf. In der in 32 veranschaulichten Strukturen weist jedes der Stahlbleche 52a ein Ende auf, das der Statorwicklung 51 zugewandt ist und weist einen Querschnitt auf, der in einer Dickenrichtung konisch ist. Die konischen Enden der Stahlbleche 52(a) definieren aufeinanderfolgende Aussparungen, in denen Gussmaterialien angeordnet sind. Bei dem Statorkern 52, der aus einem Stapel von Stahlblechen hergestellt ist, bestehen Bedenken bezüglich einer Erzeugung von Wirbelstrom in den Stahlblechen 52a, wenn sie einem starken Magnetfeld unterzogen werden. Üblicherweise sind derartige Bedenken stark bezüglich der Enden der Stahlblechen 52a, die sich näher an der Statorwicklung 51 befinden. Die vorstehend beschriebene Struktur, in der die Stahlbleche 52a konische Enden nahe an der Statorwicklung 51 aufweisen, minimiert jedoch die Erzeugung von Wirbelstrom.
Neunte Modifikation
Diese Modifikation hat eine teilweise geänderte vergossene Struktur für die Statorwicklung 51. Die in 33 veranschaulichte Struktur weist die Isolierschicht 155 auf, die zwischen der Statorwicklung 51 und dem Statorkern 52 angeordnet ist. Die Isolierschicht 155 ist aus Harz hergestellt. Die Struktur in dieser Modifikation dient dazu, einen Fluss elektrischen Stroms, der aufgrund eines durch die Statorwicklung 51 an dem Magnetkern 52 ausgeübten elektromagnetischen Feldes auftritt, zu blockieren, wodurch eine geeignete Maßnahme zur Vermeidung elektrischer Erosion erzielt wird.
Zehnte Modifikation
Diese Modifikation weist eine teilweise geänderte vergossene Struktur für die Statorwicklung 51 auf. Die in 34 veranschaulichte Struktur weist den Statorkern 52 auf, in dem Harzeinspritzöffnungen 156 geformt sind. Die Harzeinspritzöffnungen 156 erstrecken sich in der axialen Richtung und sind jeweils mit einem Gussmaterial (d.h. Harz) befüllt. Die Harzeinspritzöffnungen 156 sind Durchgangsöffnungen, die sich von einem Ende zu dem anderen Ende des Statorkerns 52 in der axialen Richtung erstrecken und zu einem gegebenen Intervall weg voneinander in der Umlaufsrichtung angeordnet sind. Dies hält vergossene Elemente (d.h. die Abdichtungselemente 57), die an festen Positionen in der Umlaufsrichtung und den axialen Richtungen angeordnet sind, wodurch die Struktur verbessert wird, um eine Fehlausrichtung der Statorwicklung 51 zu minimieren.
Die Harzeinspritzöffnungen 156 des Statorkerns 52 befinden sich weg von der Statorwicklung 51 in der Radiusrichtung, wodurch nachteilige Wirkungen auf die Magnetkreise reduziert werden, um die Stabilität des Betriebs der rotierenden elektrischen Maschine 10 zu gewährleisten.
In dem Statorkern 52, der aus einem Stapel von Stahlblechen hergestellt ist, erzeugen Grate der Stahlbleche üblicherweise Irregularitäten auf Umfangsoberflächen der Harzeinspritzöffnungen 156. Das Gussmaterial dringt in die Irregularitäten ein, die als Anker fungieren, um die Statorwicklung 51 davon abzuhalten, fehlausgerichtet zu werden. Jede der Harzeinspritzöffnungen 156 kann alternativ durch eine Öffnung verwirklicht werden, die sich nicht durch den Statorkern 52 in der axialen Richtung erstreckt.
In der in 34 veranschaulichten Struktur ist die Statorwicklung 51 in einem Gussmaterial bedeckt oder eingebettet, mit Ausnahme von Abschnitten, die sich in der axialen Richtung oder der radialen Richtung erstrecken. Anders ausgedrückt sind Abschnitte der Statorwicklung 51 nach außerhalb des Gussmaterials freigelegt. Genauer sind die Spulenenden 54 und 55 (d.h. axial gegenüberliegende Enden) der Statorwicklung 51 teilweise nach außerhalb des Gussmaterials freigelegt. Die Statorwicklung 51 kann alternativ ausgelegt sein, lediglich Abschnitte aufzuweisen, die sich in der radialen Richtung nach außerhalb des Gussmaterials erstrecken (siehe 28).
Die Statorwicklung 51 weist daher den vorstehend beschriebenen Vorteil auf, dass die Statorwicklung 51 durch den Verguss davon abgehalten wird, fehlausgerichtet zu werden, und die Abschnitte der Statorwicklung 51, die nicht in dem Verguss eingebettet sind, dienen zur Verbesserung einer Kühlwirkung. Es ist daher möglich sowohl die Fehlausrichtungsreduktionswirkung als auch die Kühlwirkung zu erzielen. Die rotierende elektrische Maschine 10 kann eine Struktur zum Kühlen eines Motorgehäuses unter Verwendung von Kühlluft, die durch die Drehung der Drehwelle 11 und des Rotors 40 erzeugt wird, oder zum Kühlen des Stators 50 unter Verwendung eines Flüssigkeitskühlmediums aufweisen. In diesem Fall weist die Statorwicklung 51 Abschnitte auf, die nach außerhalb des Gussmaterials (d.h. der Abdichtungselemente 57) freiliegen, sodass die freiliegenden Abschnitte durch Luft oder ein Kühlmedium gekühlt werden, wodurch die Kühlfähigkeit der Statorwicklung 51 verbessert wird.
Elfte Modifikation
Diese Modifikation weist eine teilweise geänderte vergossene Struktur für die Statorwicklung 51 auf. In der in 35 veranschaulichten Struktur ist die Isolierschicht 157, die aus Harz hergestellt ist, zwischen dem Statorkern 52 und der Einheitsbasis 61 angeordnet. Diese Struktur dient zum Blockieren eines Flusses von elektrischem Strom, der aufgrund eines durch den Statorkerns 51 auf die Einheitsbasis 61 ausgeübten elektromagnetischen Feldes auftritt, wodurch eine geeignete Maßnahme zur Vermeidung elektrischer Erosion erzielt wird.
Zwölfte Modifikation
In dieser Modifikation weist der Rotor 40, der als eine Magnetfelderzeugungseinheit dient, eine Schrägungsstruktur auf. Insbesondere weist der Rotor 40 die Magneteinheit 42 auf, die derart ausgelegt ist, dass sie die Schrägungsstruktur aufweist, in der Magnetpole, die in der axialen Richtung der Drehwelle 11 angeordnet sind, voneinander in der Umlaufsrichtung des Rotors 40 versetzt sind. Insbesondere weisen die Magnetpole der Magneteinheit 42 jeweilige Magnetpolmittellinien auf, von denen sich jede in der axialen Richtung erstreckt und die durch entweder eine erste Größe in einer ersten Umlaufsrichtung des Rotors 40 oder einer zweiten Größe in einer zweiten Umlaufsrichtung, die entgegengesetzt zu der ersten Umlaufsrichtung des Rotors 40, geschrägt ist. Die ersten und zweiten Größen (die auch als Schrägungsgrößen bezeichnet sind) sind identisch zueinander.
Die Schrägungsstruktur des Rotors 40 ist nachstehend ausführlich unter Bezugnahme auf 36(a) und 36(b) beschrieben. 36(a) und 36(b) sind Vorderansichten, die schematisch Positionen der Magnete 91 mit gegebenen Magnetpolen veranschaulicht. Die Schrägungsstruktur in jeder der 36(a) und 36(b) weist axial gegenüberliegende Endabschnitte und einen Mittenabschnitt zwischen den Endabschnitten auf. Die Endabschnitte und der Mittenabschnitt weisen jeweils unterschiedliche Schrägungsorientierungen zueinander in der Form einer sogenannten V-förmigen Schrägung auf.
Die Struktur gemäß 36(a) ist eine Schrägungsstruktur, in der die Positionen der Magnete 91 in der Umlaufsrichtung derart fehlausgerichtet sind, dass sie in der axialen Richtung schrittweise sind. Die Struktur weist zwei erste Abschnitte B1, die sich an axial entgegengesetzten Enden befinden, und einen zweiten Abschnitt B2 zwischen den ersten Abschnitten B1 auf. Die ersten Abschnitte B1 unterscheiden sich in der Position in Umlaufsrichtung von dem zweiten Abschnitt B2. In jedem der ersten Abschnitte B1 ist die Position in Umlaufsrichtung des Magneten 91 nach links, wie in der Zeichnung gesehen, von der Magnetpolmittellinie LA versetzt. In dem zweiten Abschnitt B2 ist die Position in Umlaufsrichtung des Magneten 91 nach rechts, wie in der Zeichnung gesehen, von der Magnetpolmittellinie LA versetzt. Die Schrägungsgröße L1 von jedem der ersten Abschnitte B1 von der Magnetpolmittellinie LA in der ersten Umlaufsrichtung ist identisch zu der Schrägungsgröße L2 der zweiten Abschnitte B2 von der Magnetpolmittellinie LA in der zweiten Umlaufsrichtung, die entgegengesetzt zu der ersten Umlaufsrichtung ist. Die ersten Abschnitte B1 weisen eine Länge in der axialen Richtung auf, die identisch zu derjenigen der zweiten Abschnitte B2 ist. Jeder der Schrägungsgrößen L1 und L2 ist durch einen Abstand zwischen der Magnetpolmittellinie LA und der Mittellinie des Magneten 91 in der Umlaufsrichtung gegeben. Jeder der ersten Abschnitte B1 weist eine Länge in der axialen Richtung auf, die die Hälfte derjenigen des zweiten Abschnitts B2 ist.
Die Struktur gemäß 36(b) ist eine Schrägungsstruktur, in der eine Position in Umlaufsrichtung von jedem der Magneten 91 schief in der axialen Richtung geändert ist. Die Struktur weist einen ersten Abschnitt B11, der durch eines von axial entgegengesetzten Enden davon gegeben ist, und einen zweiten Abschnitt B12 auf, der durch das andere Ende gegeben ist. Richtungen, in der der erste Abschnitt B11 und der zweite Abschnitt B12 geneigt sind, sind derart orientiert, dass sie unterschiedlich voneinander in Bezug auf die axiale Richtung orientiert sind. Der erste Abschnitt B11 und der zweite Abschnitt B12 sind symmetrisch in Bezug auf eine axiale Grenzlinie der ersten und zweiten Abschnitte B11 und B12.
Jeder der ersten und zweiten Abschnitte B11 und B12 weist eine Magneteinheitsmittellinie LB auf, die sich schief in einer Schrägungsrichtung erstreckt. Die Magneteinheitsmittellinien LB der ersten und zweiten Abschnitte B11 und B12 schneiden sich mit der Magnetpolmittellinie LA jeweils an den axialen Mittenpositionen P1 und P2. Die Winkel θ1 und θ2, mit denen die Magnete 91 in den ersten Abschnitt und den zweiten Abschnitt B12 geneigt sind, sind identisch zueinander.
Es wird erwartet, dass die Struktur, in der der Rotor 40 geschrägt ist, eine Wirkung des Reduzierens einer Drehmomentwelligkeit so wie eine resultierende Wirkung der Verbesserung einer Geräuschreduktion bietet, jedoch bestehen Bedenken bezüglich einer elektrischen Erosion der Lager 21 und 22, die aufgrund eines Ungleichgewichts von magnetischen Flüssen in der axialen Richtung auftritt. Die vorstehend beschriebene Struktur ist ausgelegt, die gleichen ersten und zweiten Schrägungsgrößen von der Magnetpolmittellinie LA von jedem Magnetpol aufzuweisen, die sich in der axialen Richtung der Magneteinheit 42 erstreckt, wodurch elektrische Ströme, die in der axialen Richtung fließen, aufgehoben werden. Dies minimiert ein Risiko für eine elektrische Erosion der Lager 21 und 22.
Dreizehnte Modifikation
Bei dieser Modifikation dient der Stator 50 als ein Anker, der ausgelegt ist, aus einer Schrägungsstruktur zu bestehen. Insbesondere weist der Rotor 50 die Schrägungsstruktur auf, in der Leiterpositionen der Statorwicklung 51 für jede Phase in der axialen Richtung der Drehwelle 11 in der Umlaufsrichtung versetzt sind. Eine erste Größe, um die jede der Phasenwicklungen der Statorwicklung 51 in einer Umlaufsrichtung von einer Mittellinie einer gespeisten Phase, die sich in der axialen Richtung erstreckt geschrägt ist, ist derart ausgewählt, dass sie identisch zu einer zweiten Größe ist, um die jede der Phasenwicklungen der Statorwicklung 51 für jede Phase in einer zweiten Umlaufsrichtung, die entgegengesetzt zu der ersten Umlaufsrichtung ist, von der Mittellinie der gespeisten Phase geschrägt ist.
Die Schrägungsstruktur des Stators 50 ist nachstehend ausführlich unter Bezugnahme auf 37(a) und 37(b) beschrieben. 37(a) und 37(b) sind Vorderansichten, die schematisch ein Layout der Leiter 82 für eine gegebene Phase veranschaulichen. Es ist erforderlich, dass die Statorwicklung 51 Leiter 82 aufweist, die kontinuierlich miteinander verbunden sind. Die Schrägungsstruktur wird daher angewandt, bei der Leiterpositionen der Statorwicklung 51 für jede Phase schief in der Umlaufsrichtung geändert sind.
Die in 37(a) veranschaulichte Struktur ist als eine Schrägungsstruktur ausgelegt, bei der jeder der Leiter 82 einen dem Magneten gegenüberliegenden Abschnitt (d.h. eine Spulenseite) aufweist, die gebogen oder zurückgedreht ist. Der Leiter 82 weist einen ersten Abschnitt C1 und einen zweiten Abschnitt C2 auf, die sich in der geneigten Richtung des Leiters 82 voneinander in der axialen Richtung unterscheiden. Die ersten und zweiten Abschnitte C1 und C2 sind vertikal symmetrisch zueinander in Bezug auf den axialen Mittelpunkt des Stators 50. Die ersten und zweiten Abschnitte C1 und C2 weisen Mitten P11 und P12 von axialen Längen davon auf, die sich mit der Mittellinie der gespeisten Phase LC, die sich in der axialen Richtung erstreckt, schneiden.
Die in 37(b) veranschaulichte Struktur ist als eine Schrägungsstruktur ausgelegt, bei der jede der Leiter 82 einen dem Magneten zugewandten Abschnitt (d.h. eine Spulenseite) aufweist, der nicht zurückgedreht ist, anders ausgedrückt, der dem Magneten zugewandte Abschnitt des Leiters 82 erstreckt sich schief gerade. Der Leiter 82, wie durch eine durchgezogene Linie in 37(b) angegeben, ist ein Leiter einer äußeren von zwei Schichten der Statorwicklung 51, die benachbart zueinander in der radialen Richtung angeordnet sind. Der Leiter 82, wie es durch eine gestrichelte Linie in 37(b) angegeben ist, ist ein Leiter einer inneren Schicht der zwei Schichten. Der Leiter 82 der äußeren Schicht ist in einer Richtung geschrägt, die im Gegensatz zu derjenigen ist, in der der Leiter 82 der inneren Schicht geschrägt ist. Die Leiter 82 von jeder der äußeren und inneren Schichten weist eine axiale Mitte P13 auf, die sich mit der Mittellinie der gespeisten Phase LC schneidet.
Es wird erwartet, dass die Struktur, in der der Stator 50 geschrägt ist, eine Wirkung des Reduzierens von Drehmomentwelligkeit bietet, jedoch bestehen Bedenken bezüglich einer elektrischen Erosion der Lager 21 und 22, die aufgrund des geförderten Ungleichgewichts der Magnetflüsse in der axialen Richtung auftritt. Die vorstehend beschriebene Struktur ist ausgelegt, die ersten und zweiten Schrägungsgrößen aufzuweisen, um die die Phasenwicklungen der Statorwicklung 51 in den ersten und zweiten Umlaufsrichtungen von der Mittellinie der gespeisten Phase LC, die sich in der axialen Richtung erstreckt, geschrägt sind und die gleich zueinander sind, wodurch elektrische Ströme, die in der axialen Richtung fließen, aufgehoben werden. Dies minimiert ein Risiko für eine elektrische Erosion der Lager 21 und 22.
Sowohl der Rotor 40 als auch der Stator 50 können ausgelegt sein, die Schrägungsstruktur aufzuweisen. Anders ausgedrückt können die Strukturen in 36(a) und 36(b) sowie 37(a) und 37(b) kombiniert werden.
Die rotierende elektrische Maschine 10, die gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben ist, weist den Rotor 40 und den Stator 50 auf, die beide als eine Struktur ohne Schrägung ausgelegt sind, die nicht eine Wirkung der Reduktion der Drehmomentwelligkeit bietet, die üblicherweise aus der Schrägung resultiert, weist jedoch den Vorteil auf, dass kein Ungleichgewicht von Magnetflüssen aufgrund der Schrägung auftritt.
Vierzehnte Modifikation
Der Stator 50 kann derart ausgelegt sein, dass er keinen Statorkern 52 aufweist. Insbesondere ist der Stator 50 aus der in 12 gezeigten Statorwicklung 51 aufgebaut. Die Statorwicklung 51 des Stators 50 kann mit einem Abdichtungselement bedeckt sein. Der Stator 50 kann alternativ ausgelegt sein, eine ringförmige Wicklungsfesthalteeinrichtung, die aus einem nichtmagnetischen Material wie einem synthetischen Harz hergestellt ist, anstelle des Statorkerns 52, der aus einem weichmagnetischen Material hergestellt ist, aufzuweisen.
Fünfzehnte Modifikation
Die Struktur gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel verwendet die Magnete 91 und 92, die in der Umlaufsrichtung angeordnet sind, um die Magneteinheit 42 des Rotors 40 zu bilden. Die Magneteinheit 42 kann unter Verwendung eines kreisringförmigen Permanentmagneten hergestellt sein. Beispielsweise ist der bogenförmige oder ringförmige Magnet 95, wie es in 38 veranschaulicht ist, an einem radial inneren Umfang des Zylinders 43 der Magnethalteeinrichtung 41 befestigt. Der ringförmige Magnet 95 ist mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Magnetpolen ausgerüstet, deren Polaritäten abwechselnd in der Umlaufsrichtung des ringförmigen Magneten 95 angeordnet sind. Der Magnet 95 liegt integral sowohl auf der d-Achse als auch auf q-Achse. Der ringförmige Magnet 95 weist eine magnetische Orientierung, die in der radialen Richtung auf der d-Achse jedes Magnetpols gerichtet ist, und eine magnetische Orientierung auf, die in der Umlaufsrichtung auf der q-Achse zwischen den Magnetpolen gerichtet ist, wodurch bogenförmige Magnetpfade erzeugt werden.
Der ringförmige Magnet 95 kann magnetisch derart orientiert werden, dass der bogenförmige, durch den Magneten erzeugte Magnetpfad erzeugt wird, in der die leichte Achse der Magnetisierung parallel oder fast parallel zu der d-Achse in der Region, die nahe an der d-Achse ist, und ebenfalls senkrecht oder fast senkrecht zu der q-Achse in der Region nahe an der q-Achse gerichtet ist.
Sechzehnte Modifikation
Diese Modifikation unterscheidet sich im Betrieb der Steuerungseinrichtung 110 gegenüber dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel oder den Modifikationen. Nachstehend sind lediglich Unterschiede gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Nachstehend sind unter Bezugnahme auf 31 die Betriebe der in 20 veranschaulichten Betriebssignalerzeugungseinrichtungen 116 und 126 und der in 21 veranschaulichten Betriebssignalerzeugungseinrichtungen 130a und 130b beschrieben. Die durch die Betriebssignalerzeugungseinrichtungen 116, 126, 130a und 130b ausgeführten Betriebe sind im Wesentlichen identisch zueinander. Daher ist nachstehend der Einfachheit halber lediglich der Betrieb der Betriebssignalerzeugungseinrichtung 116 beschrieben.
Die Betriebssignalerzeugungseinrichtung 116 weist eine Trägererzeugungseinrichtung 116a, einen U-Phasen-Vergleicher 116bU, einen V-Phasen-Vergleicher 116bV und einen W-Phasen-Vergleicher 116bW auf. Die Trägererzeugungseinrichtung 116a erzeugt das Trägersignal SigC in der Form eines Dreieckwellensignals und gibt es aus.
Die U-, V- und W-Phasen-Vergleicher 116bU, 116bV und 116bW empfangen das von der Trägererzeugungseinrichtung 116a ausgegebene Trägersignal SigC und die durch die Drei-Phasen-Umwandlungseinrichtung 115 produzierten U-, V- und W-Phasen-Befehlsspannungen. Die U-, V- und W-Phasen-Befehlsspannungen werden beispielsweise in der Form einer Sinuswelle produziert und um 120° in der elektrischen Phase zueinander versetzt ausgegeben.
Die U-, V- und W-Phasen-Vergleicher 116bU, 116bV und 116bW vergleichen die U-, V- und W-Phasen-Befehlsspannungen mit dem Trägersignal SigC, um Betriebssignale für die Schalter Sp und Sn der oberen und unteren Zweige in dem ersten Wechselrichter 101 für die U-, V- und W-Phasen-Wicklungen unter einer PWM- (Pulsbreitenmodulations-) Steuerung zu erzeugen. Insbesondere arbeitet die Betriebssignalerzeugungseinrichtung 116 zur Erzeugung von Betriebssignalen für die Schalter Sp und Sn der oberen und unteren Zweige für die U-, V- und W-Phasen-Wicklungen unter der PWM-Steuerung auf der Grundlage eines Vergleichs von Signalpegeln, die durch Normalisieren der U-, V- und W-Phasen-Befehlsspannungen unter Verwendung der Leistungsversorgungsspannung hergeleitet werden, mit einem Pegel des Trägersignals SigC. Die Ansteuerungseinrichtung 117 spricht auf die durch die Betriebssignalerzeugungseinrichtung 116 ausgegebenen Betriebssignale an, um die Schalter Sp und Sn in dem ersten Wechselrichter 101 für die U-, V- und W-Phasen-Wicklungen ein- oder auszuschalten.
Die Steuerungseinrichtung 110 ändert die Trägerfrequenz fc des Trägersignals SigC, d.h. eine Schaltfrequenz für jeden der Schalter Sp und Sn. Die Trägerfrequenz fc wird derart geändert, dass sie in einem Niedrigdrehmomentbereich oder einem Hochgeschwindigkeitsbereich in der rotierenden elektrischen Maschine 10 höher ist, und dass sie alternativ in einem Hochdrehmomentbereich in der rotierenden elektrischen Maschine 10 niedriger ist. Diese Änderung wird erzielt, um eine Verschlechterung bei der Leichtigkeit der Steuerung des durch jede der U-, V- und W-Phasen-Wicklungen fließenden elektrischen Stroms zu minimieren.
Kurz gesagt dient die kernlose Struktur des Stators 50 zum Reduzieren der Induktivität des Stators 50. Die Reduktion der Induktivität führt üblicherweise zu einer Verringerung der elektrischen Zeitkonstante in der rotierenden elektrischen Maschine 10. Dies führt zu einem Risiko, dass Welligkeit von Strom, der durch jede der Phasenwicklungen fließt, erhöht werden kann, was zu einer Verschlechterung bei der Leichtigkeit der Steuerung des durch die Phasenwicklung fließenden Stroms führt, was eine Steuerungsabweichung verursacht. Die nachteiligen Wirkungen der vorstehend beschriebenen Verschlechterung bei der Leichtigkeit der Steuerung werden üblicherweise höher, wenn der Strom (beispielsweise ein Effektivwert des Stroms), der durch die Wicklung fließt, in einem Niedrigstrombereich liegt, als wenn der Strom in einem Hochstrombereich liegt. Zur Behebung eines derartigen Problems ist die Steuerungseinrichtung 110 gemäß diesem Ausführungsbeispiel entworfen, die Trägerfrequenz fc zu ändern.
Wie die Trägerfrequenz fc zu ändern ist, ist nachstehend unter Bezugnahme auf 40 beschrieben. Dieser Betrieb der Betriebssignalerzeugungseinrichtung 116 wird durch die Steuerungseinrichtung 110 zyklisch zu einem gegebenen Intervall ausgeführt.
Zunächst wird in Schritt S10 bestimmt, ob der durch jede der Drei-Phasen-Wicklungen 51a fließende elektrische Strom in dem Niedrigstrombereich liegt. Diese Bestimmung wird durchgeführt, um zu bestimmen, ob das jetzt durch die rotierende elektrische Maschine 10 produzierte Drehmoment in dem Niedrigdrehmomentbereich liegt. Eine derartige Bestimmung kann entsprechend einem ersten Verfahren oder einem zweiten Verfahren, die nachstehend beschrieben sind, erzielt werden.
ERSTES VERFAHREN
Der geschätzte Drehmomentwert der rotierenden elektrischen Maschine 10 wird unter Verwendung des d-Achsen-Stroms und des q-Achsen-Stroms, die durch die d-q-Umwandlungseinrichtung 112 umgewandelt werden, berechnet. Wenn bestimmt wird, dass der geschätzte Drehmomentwert niedriger als ein Drehmomentschwellwert ist, wird daraus geschlossen, dass der durch die Wicklung 51a fließende Strom in dem Niedrigstrombereich liegt. Wenn alternativ dazu bestimmt wird, dass der geschätzte Drehmomentwert höher als oder gleich wie der Drehmomentschwellwert ist, wird daraus geschlossen, dass der Strom in dem Hochstrombereich liegt. Der Drehmomentschwellwert ist beispielsweise derart ausgewählt, dass er die Hälfte des Ausmaßes eines Startdrehmoments (das ebenfalls als verriegeltes Rotordrehmoment bezeichnet ist) in der rotierenden elektrischen Maschine 10 ist.
ZWEITES VERFAHREN
Wenn bestimmt wird, dass ein durch einen Winkelsensor gemessener Drehwinkel des Rotors 40 höher als oder gleich wie ein Geschwindigkeitsschwellwert ist, wird bestimmt, dass der durch die Wicklung 51a fließende Strom in dem Niedrigstrombereich liegt, das heißt, in dem Hochgeschwindigkeitsbereich. Der Geschwindigkeitsschwellwert kann derart ausgewählt sein, dass er eine Drehgeschwindigkeit der rotierenden elektrischen Maschine 10 ist, wenn ein durch die rotierende elektrische Maschine 10 produziertes maximales Drehmoment gleich dem Drehmomentschwellwert ist.
Wenn in Schritt S10 eine NEIN-Antwort erhalten wird, was bedeutet, dass der Strom in dem Hochstrombereich liegt, geht die Routine zu Schritt S11 über, wobei die Trägerfrequenz fc auf die erste Frequenz fL eingestellt wird.
Wenn alternativ dazu in Schritt S10 eine JA-Antwort erhalten wird, geht die Routine zu Schritt S12 über, wobei die Trägerfrequenz fc auf die zweite Frequenz fH eingestellt wird, die höher als die erste Frequenz fL ist.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, wird, wenn der durch jede der Drei-Phasen-Wicklungen fließende Strom in dem Niedrigstrombereich liegt, die Trägerfrequenz fc derart ausgewählt, dass sie höher als diejenige ist, wenn der Strom in dem Hochstrombereich liegt. Die Schaltfrequenz für die Schalter Sp und Sn wird daher in dem Niedrigstrombereich erhöht, wodurch ein Anstieg in der Stromwelligkeit minimiert wird, um die Stabilität bei der Steuerung des Stroms zu gewährleisten.
Wenn der durch jede der Drei-Phasen-Wicklungen fließende Strom in dem Hochstrombereich liegt, wird die Trägerfrequenz fc derart ausgewählt, dass sie niedriger als diejenige ist, wenn der Strom in dem Hochstrombereich liegt. Der durch die Wicklung fließende Strom in dem Hochstrombereich weist üblicherweise eine Amplitude auf, die größer als diejenige ist, wenn der Strom in dem Niedrigstrombereich liegt, so dass der Anstieg der Stromwelligkeit aufgrund der Reduktion der Induktivität eine geringe Auswirkung auf die Leichtigkeit der Steuerung des Stroms aufweist. Es ist daher möglich, die Trägerfrequenz fc in dem Hochstrombereich derart einzustellen, dass sie niedriger als diejenige in dem Niedrigstrombereich ist, wodurch ein Schaltverlust in den Wechselrichtern 101 und 102 reduziert wird.
Diese Modifikation kann die nachfolgenden Modi verwirklichen.
Wenn in Schritt S10 in 40 eine JA-Antwort erhalten wird, wenn die Trägerfrequenz fc auf die erste Frequenz fL eingestellt ist, kann die Trägerfrequenz fc allmählich von der ersten Frequenz fL auf die zweite Frequenz fH geändert werden.
Alternativ dazu kann, wenn in Schritt S10 eine NEIN-Antwort erhalten wird, wenn die Trägerfrequenz fc auf die zweite Frequenz fH eingestellt ist, die Trägerfrequenz fc allmählich von der zweiten Frequenz fH auf die erste Frequenz fL geändert werden.
Die Betriebssignale für die Schalter können alternativ unter Verwendung von SVM (Raumvektormodulation (Space Vector Modulation)) anstelle von PWM erzeugt werden. Die vorstehend beschriebene Änderung der Schaltfrequenz kann ebenfalls durchgeführt werden.
Siebzehnte Modifikation
Gemäß jedem Ausführungsbeispiel sind zwei Paare von Leitern, die die Leitergruppen 81 für jede Phase bauen, wie es in 41(a) veranschaulicht ist, parallel zueinander angeordnet. 41(a) zeigt eine Darstellung, die eine elektrische Verbindung der ersten und zweiten Leiter 88a und 88b veranschaulicht, die die zwei Paare von Leitern sind. Die ersten und zweiten Leiter 88a und 88b können alternativ, wie es in 41(b) veranschaulicht ist, im Gegensatz zu der Verbindung gemäß 41(a) in Reihe miteinander verbunden sein.
Drei oder mehr Paare von Leitern können in der Form von mehreren Schichten gestapelt werden. 42 veranschaulicht vier Paare von Leitern: erste bis vierte Leiter 88a bis 88d, die gestapelt sind. Der erste Leiter 88a, der zweite Leiter 88b, der dritte Leiter 88c und der vierte Leiter 88d sind in dieser Reihenfolge von dem Statorkern 52 in der radialen Richtung angeordnet.
Die dritten und vierten Leiter 88c und 88d sind, wie es in 44(c) veranschaulicht ist, parallel zueinander verbunden. Der erste Leiter 88a ist mit einem der Verbindungspunkte der dritten und vierten Leiter 88c und 88d verbunden. Der zweite Leiter 88b ist mit dem anderen Verbindungspunkt der dritten und vierten Leiter 88c und 88d verbunden. Die Parallelverbindung der Leiter führt üblicherweise zu einer Verringerung der Stromdichte dieser Leiter, wodurch thermische Energie, die bei Speisung der Leiter erzeugt wird, minimiert wird. Dementsprechend sind in der Struktur, bei der eine zylindrische Statorwicklung in einem Gehäuse (d.h. der Einheitsbasis 61) mit dem darin geformten Kühlpfad 74 eingebaut ist, die ersten und zweiten Leiter 88a und 88b, die nicht parallel zueinander verbunden sind, nahe an dem Statorkern 52 angeordnet, der in Kontakt mit der Einheitsbasis 61 platziert ist, wohingegen die dritten und vierten Leiter 88c und 88d, die parallel zueinander verbunden sind, weiter weg von dem Statorkern 52 angeordnet sind. Diese Anordnung gleicht die Kühlfähigkeit der Leiter 88a bis 88d, die in der Form von mehreren Schichten gestapelt sind, aus.
Die Leitergruppe 81 mit den ersten bis vierten Leitern 88a bis 88d kann eine Dicke in der radialen Richtung aufweisen, die kleiner als eine Umlaufbreite der Leitergruppen 81 für eine Phase innerhalb einer Region eines Pols ist.
Achtzehnte Modifikation
Der Rotor 40 der rotierenden elektrischen Maschine 10 kann wie nachstehend beschrieben ausgelegt werden. Gemäß 43(a) ist der Zylinder 43 der Magnethalteeinrichtung 41 mit dem Gegenkern 48 ausgerüstet, der aus einem Stapel von magnetischen Stahlblechen hergestellt ist. Die Magneteinheit 42 ist radial innerhalb des Gegenkerns 48 angeordnet. Genauer weist der Gegenkern 48 die Gehäuseaussparung 48(a) auf, die innerhalb eines inneren Umfangs davon definiert ist und in der die Magneteinheit 42 untergebracht ist. Die Magneteinheit 42 ist vollständig oder teilweise innerhalb der Gehäuseaussparung 48a angeordnet, wobei axial entgegengesetzte Endoberflächen davon in Kontakt mit dem Gegenkern 48 versetzt sind. Diese Struktur minimiert einen Streumagnetfluss aus den axial entgegengesetzten Enden der Magneteinheit 42 und verbessert auch stark eine Widerstandsfähigkeit gegenüber einer Entmagnetisierung davon, die aus einer Reduktion des magnetischen Widerstandswerts von Eisen resultiert.
Neunzehnte Modifikation
Die rotierende elektrische Maschine 10 kann alternativ entworfen sein, eine Struktur mit innerem Rotor (d.h. eine innendrehende Struktur) aufzuweisen. In diesem Fall kann der Stator 50 beispielsweise radial außerhalb innerhalb des Gehäuses 30 montiert sein, während der Rotor 40 auf der radialen Innenseite innerhalb des Gehäuses 30 angeordnet sein kann. Die Wechselrichtereinheit 60 kann an einer oder beiden axialen Seiten des Stators 50 oder des Rotors 40 montiert sein. 44 zeigt eine Querschnittsansicht des Rotors 40 und des Stators 50. 45 zeigt eine vergrößerte Ansicht, die teilweise den Rotor 40 und den Stator 50 gemäß 44 veranschaulicht.
Die Innenrotorstruktur gemäß 44 und 45 ist im Wesentlichen identisch zu der Außenrotorstruktur gemäß 8 und 9 mit der Ausnahme des Entwurfs des Rotors 40 und des Stators 50 in der radialen Richtung. Kurz gesagt ist der Stator 50 mit der Statorwicklung 51, die die abgeflachte Leiterstruktur aufweist, und dem Statorkern 52 ohne Zähne ausgerüstet. Die Statorwicklung 51 ist radial innerhalb des Statorkerns 52 eingebaut. Der Statorkern 52 wie die Außenrotorstruktur, weist irgendeine der nachfolgenden Strukturen auf.
(A) Der Stator 50 weist die Leiter-zu-Leiter-Elemente auf, von denen jedes zwischen den Leiterabschnitten in der Umlaufrichtung angeordnet ist. Für die Leiter-zu-Leiter-Elemente wird magnetisches Material verwendet, das eine Beziehung von Wt × Bs ≤ Wm × Br erfüllt, wobei Wt eine Breite der Leiter-zu-Leiter-Elemente in der Umlaufrichtung innerhalb eines Magnetpols ist, Bs die Sättigungsmagnetflussdichte der Leiter-zu-Leiter-Elemente ist, Wm eine Breite der Magneteinheit äquivalent zu einem Magnetpol in der Umlaufrichtung ist, und Br die Remanenzflussdichte in der Magneteinheit ist.
(B) Der Stator 50 weist die Leiter-zu-Leiter-Elemente auf, von denen jedes zwischen den Leiterabschnitten in der Umlaufrichtung angeordnet ist. Die Leiter-zu-Leiter-Elemente sind jeweils aus einem nichtmagnetischen Material gebildet.
(C) Der Stator 50 weist kein Leiter-zu-Leiter-Element auf, das zwischen den Leiterabschnitten in der Umlaufrichtung angeordnet ist.
Das Gleiche gilt für die Magnete 91 und 92 der Magneteinheit 42. Insbesondere ist die Magneteinheit 42 aus den Magneten 91 und 92 aufgebaut, von denen jeder magnetisch derart ausgerichtet ist, dass er die leichte Achse der Magnetisierung aufweist, die nahe der d-Achse derart gerichtet ist, dass sie stärker parallel zu der d-Achse ist, als diejenige nahe der q-Achse, die auf der Grenze der Magnetpole definiert ist. Die Einzelheiten der Magnetisierungsrichtung in jedem der Magnete 91 und 92 sind dieselben wie vorstehend beschrieben. Die Magneteinheit 42 kann der ringförmige Magnet 95 sein (siehe 38).
46 zeigt eine Längsschnittansicht der rotierenden elektrischen Maschine 10, die entworfen ist, die Innenrotorstruktur aufzuweisen. 46 entspricht 2. Unterschiede gegenüber der Struktur gemäß 2 sind nachstehend kurz beschrieben. Gemäß 46 ist der ringförmige Stator 50 innerhalb des Gehäuses 30 festgehalten. Der Rotor 40 ist innerhalb des Stators 50 mit einem Luftspalt dazwischen derart angeordnet, dass er drehbar ist. Die Lager 21 und 22 sind, wie gemäß 2, gegenüber der axialen Mitte des Rotors 40 zu einem der axial entgegengesetzten Enden des Rotors 40 versetzt, so dass der Rotor 40 in der freitragenden Form festgehalten wird. Der Wechselrichter 60 ist innerhalb der Magnethalteeinrichtung 41 des Rotors 40 montiert.
47 veranschaulicht die Innenrotorstruktur der rotierenden elektrischen Maschine 10, die sich von der vorstehend beschriebenen unterscheidet. Das Gehäuse 30 weist die Drehwelle 11 auf, die durch die Lager 21 und 22 festgehalten wird, so dass sie drehbar ist. Der Rotor 40 ist an der Drehwelle 11 gesichert. Wie die Struktur gemäß 2 ist jeder der Lager 21 und 22 gegenüber der axialen Mitte des Rotors 40 in der axialen Richtung des Rotors 40 versetzt. Der Rotor 40 ist mit der Magnethalteeinrichtung 41 und der Magneteinheit 42 ausgerüstet.
Die rotierende elektrische Maschine 10 gemäß 47 unterscheidet sich von derjenigen gemäß 46 dahingehend, dass die Wechselrichtereinheit 60 nicht radial innerhalb des Rotors 40 angeordnet ist. Die Magnethalteeinrichtung 41 ist mit der Drehwelle 11 radial innerhalb der Magneteinheit 42 zusammengesetzt. Der Stator 50 ist mit der Statorwicklung 51 und dem Statorkern 52 ausgerüstet und an dem Gehäuse 30 gesichert.
Zwanzigste Modifikation
Bei dieser Modifikation ist die Drehwelle 11 mit einer Isolierschicht ausgerüstet, die auf einem äußeren Umfang davon angeordnet ist und einen äußeren Umfang aufweist, auf dem ein Rotor befestigt ist. Insbesondere weist die Drehwelle 11, wie es klar in 48(a) veranschaulicht ist, die Isolierschicht 161 vollständig um die Gesamtheit eines äußeren Umfangs davon gewickelt auf. Der Rotor 40 ist außerhalb der Isolierschicht 161 angeordnet. Die Isolierschicht 161 ist beispielsweise aus einem harzartigen Material hergestellt. Die Magnethalteeinrichtung 41 des Rotors 40 ist an die Drehwelle 11 durch die Isolierschicht 161 angebracht, die zwischen sich selbst und der Drehwelle 11 angeordnet ist. Die Drehwelle 11 kann alternativ, wie es in 48(b) zu veranschaulicht ist, ausgelegt sein, eine Aussparung aufzuweisen, die in dem äußeren Umfang davon geformt ist und in der die Isolierschicht 161 angeordnet ist.
Die vorstehend beschriebene Struktur dient dazu, einen in der Drehwelle 11 fließenden axialen Storm durch Verwendung der Isolierschicht 161 zu blockieren, wodurch ein Risiko für eine elektrische Erosion minimiert wird.
Einundzwanzigste Modifikation
Die Innenrotorstruktur einer rotierenden elektrischen Maschine, die sich von der vorstehend beschriebenen unterscheidet, ist nachstehend beschrieben. 49 zeigt eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht einer rotierenden elektrischen Maschine 200. 50 zeigt eine Schnittseitenansicht der rotierenden elektrischen Maschine 200. In der nachfolgenden Beschreibung beruht eine vertikale Richtung auf der Ausrichtung der rotierenden elektrischen Maschine 200 in 39 und 50.
Die rotierende elektrische Maschine 200 weist, wie es in 49 und 50 veranschaulicht ist, den Stator 203 und den Rotor 204 auf. Der Stator 203 ist mit einem ringförmigen Statorkern 201 und einer mehrphasigen Statorwicklung 202 ausgerüstet. Der Rotor 204 ist innerhalb des Statorkerns 201 derart angeordnet, dass er drehbar ist. Der Stator 203 arbeitet als ein Anker. Der Rotor 204 arbeitet als ein Feldmagnet. Der Statorkern 201 ist aus einem Stapel von Silizium-Stahlblechen gebildet. Die Statorwicklung 202 ist in dem Statorkern 201 eingebaut. Obwohl nicht veranschaulicht, ist der Rotor 204 mit einem Rotorkern und einer Vielzahl von Permanentmagneten ausgerüstet, die in Form einer Magneteinheit angeordnet sind. Der Rotorkern weist darin geformt eine Vielzahl von Öffnungen auf, die zu gleichen Intervallen weg voneinander in der Umlaufrichtung des Rotorkerns angeordnet sind. Die Permanentmagnete, die derart magnetisiert sind, dass sie abwechselnd geänderte Magnetisierungsrichtungen in benachbarten Magnetpolen aufweisen, sind in den Öffnungen des Rotorkerns angeordnet. Die Permanentmagnete der Magneteinheit können wie gemäß 23 derart entworfen sein, dass sie eine Halbach-Array-Struktur oder eine ähnliche Struktur aufweisen. Die Permanentmagnete der Magneteinheit können alternativ aus anisotropen Magneten gebildet sein, wie es unter Bezugnahme auf 9 oder 30 beschrieben worden ist, bei denen die magnetische Ausrichtung (d.h. die Magnetisierungsrichtung) sich in einer Bogenform zwischen der d-Achse, die auf der magnetischen Mitte definiert ist, und der q-Achse erstreckt, die auf der Grenze der Magnetpole definiert ist.
Der Stator 203 kann derart gebildet sein, dass er eine der nachfolgenden Strukturen aufweist.
(A) Der Stator 203 weist Leiter-zu-Leiter-Elemente auf, von denen jedes zwischen Leiterabschnitten in der Umlaufrichtung angeordnet ist. Für die Leiter-zu-Leiter-Elemente wird magnetisches Material verwendet, das eine Beziehung von Wt × Bs ≤ Wm × Br erfüllt, wobei Wt eine Breite der Leiter-zu-Leiter-Elemente in der Umlaufrichtung innerhalb eines Magnetpols ist, Bs die Sättigungsmagnetflussdichte der Leiter-zu-Leiter-Elemente ist, Wm eine Breite der Magneteinheit äquivalent zu einem Magnetpol in der Umlaufrichtung ist, und Br die Remanenzflussdichte in der Magneteinheit ist.
(B) Der Stator 203 weist die Leiter-zu-Leiter-Elemente auf, von denen jedes zwischen den Leiterabschnitten in der Umlaufrichtung angeordnet ist. Die Leiter-zu-Leiter-Elemente sind jeweils aus einem nichtmagnetischen Material gebildet.
(C) Der Stator 203 weist kein Leiter-zu-Leiter-Element auf, das zwischen den Leiterabschnitten in der Umlaufrichtung angeordnet ist.
Der Rotor 204 weist die Magneteinheit auf, die aus einer Vielzahl von Magneten aufgebaut ist, von denen jeder magnetisch derart ausgerichtet ist, dass er die leichte Achse der Magnetisierung aufweist, die nahe der d-Achse derart gerichtet ist, dass sie stärker parallel zu der d-Achse ist, als diejenige nahe der q-Achse, die auf der Grenze der Magnetpole definiert ist.
Ein ringförmiger Wechselrichterkasten 211 ist an einer Endseite einer Achse der rotierenden elektrischen Maschine 200 angeordnet. Der Wechselrichterkasten 211 weist eine untere Oberfläche auf, die in Kontakt mit einer oberen Oberfläche des Statorkerns 201 versetzt ist. Der Wechselrichterkasten 211 weist darin angeordnet eine Vielzahl von Leistungsmodulen 212, die eine Wechselrichterschaltung bilden, Glättungskondensatoren 213, die zur Reduktion einer Variation in der Spannung oder dem Strom (d.h. einer Welligkeit) arbeiten, die aus Schaltvorgängen von Halbleiterschaltern resultiert, eine Steuerungsplatine 214, die mit einer Steuerungseinrichtung ausgerüstet ist, einen Stromsensor 215, der zum Messen eines Phasenstroms arbeitet, und einen Resolverstator 216 auf, der als ein Drehgeschwindigkeitssensor für den Rotor 204 arbeitet. Die Leistungsmodule 212 sind mit IGBTs, die als Halbleiterschalter dienen, und Dioden ausgerüstet.
Der Wechselrichterkasten 211 weist einen Leistungsverbinder 217 auf, der an einer Umlaufkante davon zur Verbindung mit einer Gleichstromschaltung für eine in einem Fahrzeug montiere Batterie angeordnet ist. Der Wechselrichterkasten 211 weist ebenfalls einen Signalverbinder 218 auf, der an der Umlaufkante davon angeordnet ist, um eine Übertragung von Signalen zwischen der rotierenden elektrischen Maschine 200 und einer in dem Fahrzeug eingebauten Steuerungseinrichtung zu erzielen. Der Wechselrichterkasten 211 ist mit einer oberen Abdeckung 219 abgedeckt. Die durch die in dem Fahrzeug eingebaute Batterie produzierte Gleichstromleistung wird in den Leistungsverbinder 217 eingegeben, durch die Schalter der Leistungsmodule 212 in einen Wechselstrom umgewandelt und dann zu Phasenwicklungen der Statorwicklung 202 zugeführt.
Eine Lagereinheit 221 und ein ringförmiger hinterer Kasten 222 sind an der zu dem Wechselrichterkasten 211 entgegengesetzten Endseite der Achse des Statorkerns angeordnet. Die Lagereinheit 221 hält eine Drehwelle des Rotors 204 fest, so dass sie drehbar ist. Der hintere Kasten 222 weist die darin angeordnete Lagereinheit 221 auf. Die Lagereinheit 221 ist beispielsweise mit zwei Lagern ausgerüstet und gegenüber der Mitte der Länge des Rotors 204 zu einem der Enden der Länge des Rotors 204 hin versetzt. Die Lagereinheit 221 kann alternativ entwickelt sein, eine Vielzahl von Lagern aufzuweisen, die an beiden Endseiten des Statorkerns 201 angeordnet sind, die zueinander in der axialen Richtung entgegengesetzt sind, so dass die Lager beide Enden der Drehwelle festhalten. Der hintere Kasten 222 ist an einem Getriebekasten oder einem Getriebe des Fahrzeugs unter Verwendung von Bolzen befestigt, wodurch die rotierende elektrische Maschine 200 an dem Fahrzeug gesichert wird.
Der Wechselrichterkasten 211 weist darin geformt einen Kühlflusspfad 211a auf, durch den ein Kühlmedium fließt. Der Kühlflusspfad 211a ist durch Schließen einer ringförmigen Aussparung, die in einer unteren Oberfläche des Wechselrichterkastens 211 geformt ist, durch eine obere Oberfläche des Statorkerns 201 definiert. Der Kühlflusspfad 211a umgibt ein Spulenende der Statorwicklung 202. Der Kühlflusspfad 211a weist Modulkästen 212a der Leistungsmodule 212 auf, die darin angeordnet sind. Gleichermaßen weist der hintere Kasten 222 darin geformt einen Kühlflusspfad 222a auf, der ein Spulenende der Statorwicklung 202 umgibt. Der Kühlflusspfad 222a ist durch Schließen einer ringförmigen Aussparung, die in einer oberen Oberfläche des hinteren Kastens 222 geformt ist, durch eine untere Oberfläche des Statorkerns 201 definiert.
Zweiundzwanzigste Modifikation
In der vorstehend beschriebenen Diskussion wurde sich auf rotierende elektrische Maschinen der Bauart mit umlaufendem Feld bezogen, jedoch kann eine rotierende elektrische Maschine der Bauart mit umlaufendem Anker verkörpert werden. 51 veranschaulicht eine rotierende elektrische Maschine 230 der Bauart mit umlaufendem Anker.
Die rotierende elektrische Maschine 230 gemäß 51 weist ein Lager 232 auf, das durch die Gehäuse 231a und 231b festgehalten wird. Das Lager 232 hält eine Drehwelle 233 derart fest, dass sie drehbar ist. Das Lager 232 ist beispielsweise aus einem ölimprägnierten Lager gebildet, bei dem poröses Metall mit Öl imprägniert wird. Die Drehwelle 233 weist daran gesichert den Rotor 234 auf, der als ein Anker arbeitet. Der Rotor 234 weist einen Rotorkern 235 und eine mehrphasige Rotorwicklung 236 auf, die an einem äußeren Umfang des Rotorkerns 235 gesichert ist. Der Rotorkern 235 des Rotors 234 ist entworfen, eine nutenlose Struktur aufzuweisen. Die mehrphasige Rotorwicklung 236 weist eine abgeflachte Leiterstruktur auf, wie sie vorstehend beschrieben worden ist. Anders ausgedrückt ist die mehrphasige Rotorwicklung 236 geformt, eine Fläche für jede Phase aufzuweisen, die eine Abmessung in der Umlaufrichtung aufweist, die größer als diejenige in der radialen Richtung ist.
Der Stator 237 ist radial außerhalb des Rotors 234 angeordnet. Der Stator 237 arbeitet als ein Feldmagnet. Der Stator 237 weist den Statorkern 238 und die Magneteinheit 239 auf. Der Statorkern 238 ist an dem Gehäuse 231a gesichert. Die Magneteinheit 239 ist an einem inneren Umfang des Statorkerns 238 angebracht. Die Magneteinheit 239 ist aus einer Vielzahl von Magneten aufgebaut, die derart angeordnet sind, dass sie Magnetpole aufweisen, die abwechselnd in der Umlaufrichtung regelmäßig angeordnet sind. Wie die vorstehend beschriebene Magneteinheit 42 ist die Magneteinheit 239 magnetisch derart ausgerichtet, dass deren leichte Achse der Magnetisierung, die nahe der d-Achse gerichtet ist, stärker parallel zu der d-Achse als diejenige nahe der q-Achse ist, die auf einer Grenze zwischen den Magnetpolen definiert ist. Die Magneteinheit 239 ist mit magnetisch ausgerichteten gesinterten Neodym-Magneten ausgerüstet, deren intrinsische Koerzitivkraft 400 [kA/m] oder mehr beträgt und dessen Remanenzflussdichte als 1,0 [T] oder mehr beträgt.
Die rotierende elektrische Maschine 230 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist als ein zweipoliger kernloser Bürstenmotor mit drei Spulen entwickelt. Die Mehr-Phasen-Rotorwicklung 236 ist aus drei Spulen gebildet. Die Magneteinheit 239 ist entwickelt, zwei Pole aufzuweisen. Ein Verhältnis der Anzahl der Pole und der Anzahl der Spulen in typischen Bürstenmotoren beträgt 2:3, 4:10 oder 4:21 in Abhängigkeit von der beabsichtigten Verwendung.
Eine Drehwelle 233 weist einen daran gesicherten Kommutator 241 auf. Eine Vielzahl von Bürsten 242 sind radial außerhalb des Kommutators 241 angeordnet. Der Kommutator 241 ist elektrisch mit der Mehr-Phasen-Rotorwicklung 236 durch Leiter 234 verbunden, die in der Drehwelle 233 eingebettet sind. Der Kommutator 241, die Bürsten 242 und die Leiter 243 werden zur Zufuhr eines Gleichstroms zu der Mehr-Phasen-Rotorwicklung 236 verwendet. Der Kommutator 241 ist aus einer Vielzahl von Sektionen aufgebaut, die in Umlaufrichtung davon in Abhängigkeit von der Anzahl der Phasen der Mehrphasen-Rotorwicklung 236 regelmäßig angeordnet sind. Die Bürsten 242 können mit einer Gleichstromleistungsversorgung wie einer Speicherbatterie unter Verwendung elektrischer Drähte oder unter Verwendung eines Anschlussblocks verbunden sein.
Die Drehwelle 233 weist eine Harz-Zwischenscheibe 244 auf, die zwischen dem Lager 232 und dem Kommutator 241 angeordnet ist. Die Harz-Zwischenscheibe 244 dient als Dichtungselement, um ein Streuen von Öl zu minimieren, das aus dem Lager 232, das durch ein ölimprägniertes Lager verwirklicht ist, zu dem Kommutator 241 heraus leckt.
Dreiundzwanzigste Modifikation
Jeder der Leiter 82 der Statorwicklung 51 der rotierenden elektrischen Maschine 10 kann entworfen sein, einen Stapel von isolierenden Beschichtungen oder Schichten aufzuweisen, die aufeinandergelegt sind. Beispielsweise kann jeder der Leiter 82 durch Abdecken eines Bündels einer Vielzahl von mit einer Isolierschicht abgedeckten Leitern (d.h. Drähten) mit einer Isolierschicht gebildet werden, so dass die Isolierschicht (d.h. eine innere Isolierschicht) von jedem der Leiter 82 mit der Isolierschicht (d.h. einer äußeren Isolierschicht) des Bündels abgedeckt ist. Die äußere Isolierschicht ist vorzugsweise entworfen, eine Isolierfähigkeit aufzuweisen, die größer als diejenige der inneren Isolierschicht ist. Insbesondere ist die Dicke der äußeren Isolierschicht derart ausgewählt, dass sie größer als diejenige der inneren Isolierschicht ist. Beispielsweise weist die äußere Isolierschicht eine Dicke von 100 µm auf, wohingegen die innere Isolierschicht eine Dicke von 40 µm aufweist. Alternativ dazu kann die äußere Isolierschicht eine Permittivität aufweisen, die niedriger als diejenige der inneren Isolierschicht ist. Jeder der Leiter 82 kann irgendeine der vorstehend beschriebenen Strukturen aufweisen. Jeder Draht ist vorzugsweise aus einer Sammlung von leitenden Elementen oder Fasern gebildet.
Wie aus der vorstehenden Diskussion hervorgeht, wird die rotierende elektrische Maschine 10 in einem Hochspannungssystem eines Fahrzeugs durch Erhöhung der Isolierfähigkeit der äußersten Schicht des Leiters 82 nützlich. Die vorstehend beschriebene Struktur ermöglicht es, dass die rotierende elektrische Maschine 10 unter Niedrigdruckbedingungen wie im Hochland betrieben werden kann.
Vierundzwanzigste Modifikation
Jeder der Leiter 82, der mit einem Stapel einer Vielzahl von Isolierschichten ausgerüstet ist, kann derart entworfen sein, dass ein Linearexpansionskoeffizient und/oder ein Ausmaß der Adhäsionsfestigkeit sich zwischen der äußeren und der inneren der Isolierschichten unterscheiden/unterscheidet. Die Leiter 82 gemäß dieser Modifikation sind in 52 veranschaulicht.
Gemäß 52 weist der Leiter 82 eine Vielzahl von (in der Zeichnung vier) Drähten 181, die äußere Beschichtungsschicht 182 (d.h. eine äußere Isolierschicht), mit der die Drähte 181 abgedeckt sind, und die beispielsweise aus Harz gebildet sind, und die Zwischenschicht 183 (d.h. eine Zwischenisolierschicht) auf, die um jede der Drähte 181 innerhalb der äußeren Beschichtungsschicht 182 angeordnet ist. Jeder der Drähte 181 weist einen leitenden Abschnitt 181a, der aus Kupfermaterial gebildet ist, und eine Leiterbeschichtungsschicht (d.h. eine innere Isolierschicht) auf, die aus einem elektrischen Isoliermaterial gebildet ist. Die äußere beschichtete Schicht 182 dient zum elektrischen Isolieren zwischen Phasenwicklungen der Statorwicklung. Jeder der Drähte 181 ist vorzugsweise aus einer Sammlung von leitenden Elementen oder Fasern gebildet.
Die Zwischenschicht 183 weist einen Linearexpansionskoeffizienten auf, der höher als derjenige der beschichteten Schicht 181b ist, jedoch niedriger als derjenige der äußeren beschichteten Schicht 182. Anders ausgedrückt ist der Linearexpansionskoeffizient der Leiter 82 von der inneren Seite zu einer äußeren Seite davon hin erhöht. Typischerweise ist die äußere beschichtete Schicht 182 entworfen, einen Linearexpansionskoeffizienten aufzuweisen, der höher als derjenige der beschichteten Schicht 181b ist. Die Zwischenschicht 183 weist, wie es vorstehend beschrieben worden ist, einen Linearexpansionskoeffizienten auf, der zwischen denjenigen der beschichteten Schicht 181b und der äußeren beschichteten Schicht 182 ist und somit als ein Kissen dient, um ein Risiko zu beseitigen, dass die inneren und äußeren Schichten gleichzeitig beschädigt werden können.
Jeder der Drähte 181 des Leiters 82 weist den leitenden Abschnitt 181a und die beschichtete Schicht 181b auf, die an den leitenden Abschnitt 181a geklebt ist. Die beschichtete Schicht 181b und die Zwischenschicht 183 sind ebenfalls zusammen verklebt. Die Zwischenschicht 183 und die äußere beschichtete Schicht 182 sind zusammen verklebt. Derartige Verbindungen weisen Adhäsionsfestigkeiten auf, die sich zu einer unteren Seite des Leiters 82 hin verringern. Anders ausgedrückt ist die Adhäsionsfestigkeit zwischen dem leitenden Abschnitt 181a und der beschichteten Schicht 181b niedriger als diejenige zwischen der beschichteten Schicht 181b und der Zwischenschicht 183 und zwischen der Zwischenschicht 183 und den äußeren beschichteten Schichten 182. Die Adhäsionsfestigkeit zwischen der beschichteten Schicht 181b und der Zwischenschicht 183 kann höher als oder identisch zu derjenigen zwischen der Zwischenschicht 183 und den äußeren beschichteten Schichten 182 sein. Üblicherweise kann die Adhäsionsfestigkeit zwischen beispielsweise zwei beschichteten Schichten als eine Funktion einer Zugfestigkeit gemessen werden, die erforderlich ist, um die beschichteten Schichten voneinander abzulösen. Die Adhäsionsfestigkeit des Leiters 82 wird in der vorstehend beschriebenen Weise ausgewählt, um das Risiko zu minimieren, dass die inneren und äußeren Schichten aufgrund einer Temperaturdifferenz zwischen dem Inneren und Äußeren des Leiters 82 bei Erwärmung oder Kühlung zusammen beschädigt werden können.
Üblicherweise führt eine Wärmeerzeugung oder eine Temperaturänderung in der rotierenden elektrischen Maschine zu Kupferverlusten aufgrund der Wärme aus dem leitenden Abschnitt 181a des Drahts 181 und aus einem Eisenkern. Diese zwei Arten von Verlusten resultieren von der Wärme, die von dem leitenden Abschnitt 181a in dem Leiter 82 oder von außerhalb des Leiters 82 übertragen wird. Die Zwischenschicht 183 weist keine Wärmequelle auf. Die Zwischenschicht 183 weist die Adhäsionsfestigkeit auf, die als ein Kissen für die beschichtete Schicht 181b und die äußere beschichtete Schicht 182 dient, wodurch das Risiko beseitigt wird, dass die beschichtete Schicht 181b und die äußere beschichtete Schicht 182 gleichzeitig beschädigt werden können. Dies ermöglicht eine Verwendung der rotierenden elektrischen Maschine unter Bedingungen wie in Fahrzeugen, bei denen eine Widerstandsfähigkeit gegenüber hohem Druck erforderlich ist, oder die Temperatur sich stark ändert.
Zusätzlich kann der Draht 181 aus Lackdraht mit einer Schicht (d.h. der beschichteten Schicht 181b), die mit Harz beschichtet ist, wie PA, PI oder PAI, gebildet sein. Gleichermaßen ist die äußere beschichtete Schicht 182 außerhalb des Drahts 181 vorzugsweise aus PA, PI und PAI gebildet und weist eine große Dicke auf. Dies minimiert ein Risiko für ein Brechen der äußeren beschichteten Schicht 182, das durch eine Differenz im Linearexpansionskoeffizienten verursacht wird. Anstelle der Verwendung von PA, PI, PAI zur Fertigung der äußeren beschichteten Schicht 182 mit einer großen Dicke wird Material wie PPS, PEEK, Fluor, Polycarbonat, Silikon, Epoxid, Polyethylen, Naphthalat oder LCP, das eine dielektrische Permittivität aufweist, die niedriger als diejenige von PI oder PAI ist, vorzugsweise verwendet, um die Leiterdichte der rotierenden elektrischen Maschine zu erhöhen. Die Verwendung eines derartigen Harzes verbessert die Isolierfähigkeit der äußeren beschichten Schicht 182, selbst wenn sie eine Dicke aufweist, die kleiner als oder gleich wie diejenige der beschichteten Schicht 181b ist, und erhöht die Belegung des leitenden Abschnitts. Üblicherweise weist das vorstehend beschriebene Harz ein Ausmaß von elektrischer Permittivität auf, das höher als diejenige von einer Isolierschicht von Lackdraht ist. Selbstverständlich gibt es ein Beispiel, bei dem der Formungszustand oder Additive zu einer Verringerung in der elektrischen Permittivität davon führen. Üblicherweise ist PPS und PEEK höher im Linearexpansionskoeffizienten als eine Lackschicht, jedoch niedriger als eine andere Art von Harz und ist somit lediglich für die äußere der zwei Schichten nützlich.
Die Adhäsionsfestigkeit der zwei Arten von beschichteten Schichten, die außerhalb des Drahts 181 angeordnet sind (d.h. die Zwischenisolierschicht und die äußere Isolierschicht), zu der Lackschicht des Drahts 181 ist vorzugsweise niedriger als diejenige zwischen dem Kupferdraht und der Lackschicht des Drahts 181, wodurch ein Risiko minimiert wird, dass die Lackschicht und die vorstehend beschriebenen zwei Arten von beschichteten Schichten gleichzeitig beschädigt werden.
In einem Fall, in dem der Stator mit einem Wasserkühlungsmechanismus, einem Flüssigkeitskühlungsmechanismus oder einem Luftkühlungsmechanismus ausgerüstet ist, wird daran gedacht, dass thermische Spannung oder eine Stoßbelastung zuerst auf den äußeren beschichteten Schichten 182 ausgeübt werden. Die thermische Spannung oder die Stoßbelastung wird dadurch verringert, dass die Isolierschicht des Drahts 181 und die zwei vorstehend beschriebenen Arten von beschichteten Schichten miteinander gebondet werden, selbst wenn die Isolierschicht aus Harz gebildet ist, das sich von denjenigen der vorstehenden zwei Arten von beschichteten Schichten unterscheidet. Anders ausgedrückt kann die vorstehend beschriebene Isolierstruktur erzeugt werden, indem ein Draht (d.h. ein Lackdraht) und ein Luftspalt platziert werden und ebenfalls Fluor, Polycarbonat, Silikon, Epoxid, Polyethylen-Naphthalat oder LCP angeordnet werden. In diesem Fall wird vorzugsweise ein Klebemittel, das aus Epoxid gebildet ist, eine niedrige elektrische Permittivität aufweist und ebenfalls einen niedrigen Linearexpansionskoeffizienten aufweist, vorzugsweise verwendet, um die äußere beschichtete Schicht und die innere beschichtete Schicht miteinander zu bonden. Dies beseitigt einen Bruch der beschichteten Schichten, der durch Reibung aufgrund von Vibration des leitenden Abschnitts oder Bruchs der äußeren beschichteten Schicht aufgrund einer Differenz im Linearexpansionskoeffizienten als auch der mechanischen Festigkeit verursacht wird.
Die äußerste Schicht, die dazu dient, die mechanische Festigkeit oder Sicherheit des Leiters 82 mit der vorstehend beschriebenen Struktur zu gewährleisten, ist vorzugsweise aus einem Harzmaterial wie Epoxid, PPS, PEEK oder LCP gebildet, das leicht zu formen ist und eine zu der Lackschicht ähnliche dielektrische Konstante oder ähnlichen Linearexpansionskoeffizienten aufweist, typischerweise in einem finalen Prozess für eine Statorwicklung.
Typischerweise wird Harzverguss unter Verwendung von Urethan oder Silikon gebildet. Ein derartiges Harz weist jedoch einen Linearexpansionskoeffizienten auf, der angenähert das Doppelte desjenigen anderer Arten von Harz ist, was zu einem Risiko führt, dass thermische Spannung erzeugt wird, wenn das Harz dem Harzverguss unterzogen wird, so dass es geschert wird. Das vorstehend beschriebene Harz ist ungeeignet zur Verwendung, wenn bei 60 V oder mehr die Isoliererfordernisse schwerwiegend sind. Der endgültige Isolationsprozess zur Fertigung der äußersten Schicht unter Verwendung von Einspritzgusstechniken mit Epoxid, PPS, PEEK oder LCP erfüllt die vorstehend beschriebenen Erfordernisse.
Andere Modifikationen sind nachstehend beschrieben.
Der Abstand DM zwischen einer Oberfläche der Magneteinheit 42, die dem Anker zugewandt ist, und der axialen Mitte des Rotors in der radialen Richtung kann derart ausgewählt werden, dass er 50 mm oder mehr ist. Beispielsweise kann der Abstand DM, wie es in 4 veranschaulicht ist, zwischen der radialen inneren Oberfläche der Magneteinheit 42 (d.h. der ersten und zweiten Magnete 91 und 92) und der Mitte der Achse des Rotors 40 derart ausgewählt werden, dass er 50 mm oder mehr ist.
Die kleine nutenlose Struktur der rotierenden elektrischen Maschine, deren Ausgangsleistung einige zehn oder hundert Watt beträgt, ist bekannt, was für Modelle verwendet wird. Die Erfinder dieser Anmeldung haben keine Beispiele gesehen, bei denen die nutenlose Struktur mit großen industriellen rotierenden elektrischen Maschinen verwendet wird, deren Ausgangsleistung mehr als 10 kW ist. Die Erfinder haben den Grund dafür untersucht.
Moderne größere rotierende elektrische Maschinen sind in vier Hauptarten kategorisiert: einen Bürstenmotor, einen Kurzschlussläufer-Induktionsmotor, einen Permanentmagnet-Synchronmotor, einen Reluktanzmotor.
Bürstenmotoren wird ein Erregungsstrom unter Verwendung von Bürsten zugeführt. Große Bürstenmotoren weisen daher eine zunehmende Größe von Bürsten auf, was zu einer komplexen Wartung davon führt. Mit der außerordentlichen Entwicklung der Halbleitertechnologie wurden bürstenlose Motoren wie Induktionsmotoren stattdessen verwendet. In dem Feld kleiner Motoren, ist ebenfalls eine große Anzahl von kernlosen Motoren im Hinblick auf ein niedriges Trägheitsmoment oder ökonomische Effizienz auf den Markt gebracht worden.
Kurzschlussläufer-Induktionsmotoren arbeiten nach dem Prinzip, dass ein Magnetfeld, das durch eine Primärstatorwicklung erzeugt wird, durch einen Sekundärstatorkern empfangen wird, um einen induzierten Stromleiter der Bracket-Bauart zuzuführen, wodurch ein magnetisches Reaktionsfeld erzeugt wird, um Drehmoment zu erzeugen. Im Hinblick auf eine kleine Größe und hohen Wirkungsgrad der Motoren ist es unzweckmäßig, dass der Stator und der Rotor derart entworfen werden, dass sie keine Eisenkerne aufweisen.
Reluktanzmotoren sind Motoren, die entworfen sind, um eine Änderung in der Reluktanz in einem Eisenkern zu verwenden. Es ist somit im Prinzip unzweckmäßig, dass der Eisenkern weggelassen wird.
In den letzten Jahren haben Permanentmagnet-Synchronmotoren einen IPM-(Innenpermanentmagnet-) Rotor verwendet. Insbesondere verwenden die meisten großen Motoren einen IPM-Rotor, solange es keine speziellen Umstände gibt.
IPM-Motoren weisen Eigenschaften auf, dass sowohl Magnetdrehmoment als auch Reluktanzdrehmoment erzeugt wird. Das Verhältnis zwischen dem Magnetdrehmoment und dem Reluktanzdrehmoment wird zeitlich unter Verwendung eines Wechselrichters gesteuert. Aus diesen Gründen wird gedacht, dass die IPM-Motoren kompakt sind und in der Fähigkeit, gesteuert zu werden, exzellent sind.
Entsprechend einer Analyse durch die Erfinder wird Drehmoment auf der Oberfläche eines Rotors, der das Magnetdrehmoment und das Reluktanzdrehmoment erzeugt, gemäß 53 als eine Funktion des Abstands DM zwischen der Oberfläche der Magneteinheit, die dem Anker zugewandt ist, und der Mitte der Achse des Rotors, d.h. des Radius eines Statorkerns eines typischen Innenrotors, ausgedrückt, der auf der horizontalen Achse angegeben ist.
Das Potential des Magnetdrehmoments, wie aus der nachfolgenden Gleichung (eq1) hervorgeht, hängt von der Stärke eines durch einen Permanentmagneten erzeugten Magnetfeldes ab, wohingegen das Potential des Reluktanzdrehmoments, wie aus der nachfolgenden Gleichung (eq2) hervorgeht, von dem Ausmaß der Induktivität, insbesondere auf der q-Achse, abhängt. $Das Magnetdrehmoment = k \cdot ψ \cdot Iq$
$Das Reluktanzdrehmoment = k \cdot (Lq - Ld) \cdot Iq \cdot Id$
Ein Vergleich zwischen der Stärke eines durch den Permanentmagneten erzeugten Magnetfeldes und des Grads der Induktivität einer Wicklung unter Verwendung des Abstands DM zeigt, dass die Stärke des durch den Permanentmagneten erzeugten Magnetfeldes, d.h. die Größe des Magnetflusses ψ proportional zu der Gesamtfläche einer Oberfläche des Permanentmagneten ist, die dem Stator zugewandt ist. In dem Falle eines zylindrischen Stators ist eine derartige Gesamtfläche eine Fläche einer zylindrischen Oberfläche des Permanentmagneten. Technisch gesagt, weist der Permanentmagnet einen N-Pol und einen S-Pol auf, ist die Größe des Magnetflusses ψ proportional zu der Hälfte der Fläche der zylindrischen Oberfläche. Die Fläche der zylindrischen Oberfläche ist proportional zu dem Radius der zylindrischen Oberfläche und der Länge der zylindrischen Oberfläche. Wenn die Länge der zylindrischen Oberfläche konstant ist, ist die Fläche der zylindrischen Oberfläche proportional zu dem Radius der zylindrischen Oberfläche.
Die Induktivität Lq der Wicklung hängt von der Form des Eisenkerns ab, jedoch ist deren Empfindlichkeit niedrig und eher proportional zu dem Quadrat der Anzahl der Windungen der Statorwicklung, so dass sie stark abhängig von der Anzahl der Windungen ist. Die Induktivität L wird ausgedrückt durch eine Beziehung von L = µ · N² × S/δ, wobei µ die Permeabilität eines Magnetkreises ist, N die Anzahl der Windungen ist, S eine Schnittfläche des Magnetkreises ist und δ eine effektive Länge des Magnetkreises ist. Die Anzahl der Windungen der Wicklung hängt von der Größe des durch die Wicklung belegten Raums ab. In dem Fall eines zylindrischen Motors hängt die Anzahl der Windungen daher von der Größe des durch die Wicklung des Stators belegten Raums, anders ausgedrückt Flächen von Nuten in dem Stator, ab. Die Nut ist, wie es in 54 veranschaulicht ist, rechteckig, so dass die Fläche der Nut proportional zu dem Produkt von a und b ist, wobei a die Breite der Nut in der Umlaufrichtung ist und b die Länge der Nut in der radialen Richtung ist.
Die Breite der Nut in der Umlaufrichtung wird mit einer Erhöhung des Durchmessers des Zylinders groß, so dass die Breite proportional zu dem Durchmesser des Zylinders ist. Die Länge der Nut in der radialen Richtung ist proportional zu dem Durchmesser des Zylinders. Die Fläche der Nut ist daher proportional zu dem Quadrat des Durchmessers des Zylinders. Es geht aus der vorstehend beschriebenen Gleichung (eq2) hervor, dass das Reluktanzdrehmoment proportional zu dem Quadrat des Stroms in dem Stator ist. Das Leistungsvermögen der rotierenden elektrischen Maschine hängt daher davon ab, wieviel Strom in der rotierenden elektrischen Maschine fließen kann, das heißt, hängt von den Flächen der Nuten in dem Stator ab. Die Reluktanz ist daher proportional zu dem Quadrat des Durchmessers des Zylinders für einen Zylinder einer konstanten Menge. Auf der Grundlage dieser Tatsache ist eine Beziehung des Magnetdrehmoments und des Reluktanzdrehmoments zu dem Abstand DM durch Diagramme in 53 gezeigt.
Das Magnetdrehmoment wird, wie es in 53 gezeigt ist, linear als eine Funktion des Abstands DM erhöht, während das Reluktanzdrehmoment in der Form einer quadratischen Funktion als eine Funktion des Abstands DM erhöht wird. 53 zeigt, dass, wenn der Abstand DM klein ist, das magnetische Drehmoment dominant ist, wohingegen das Reluktanzdrehmoment mit einer Erhöhung des Durchmessers des Statorkerns dominanter wird. Die Erfinder dieser Anmeldung kamen zu dem Schluss, dass ein Schnittpunkt der Linien, die das magnetische Drehmoment und das Reluktanzdrehmoment in 53 ausdrücken, nahe 50 mm liegt, was der Radius des Statorkerns ist. Es scheint, dass es für einen Motor, dessen Ausgangsleistung 10 kW ist und dessen Statorkern einen Radius von sehr viel mehr als 50 mm ist, schwierig ist, den Statorkern wegzulassen, da die Verwendung des Reluktanzdrehmoments heute allgemein verbreitet ist. Dies ist einer der Gründe, warum die nutenlose Struktur in großen Motoren nicht verwendet wird.
Eine rotierende elektrische Maschine, die einen Eisenkern in dem Stator verwendet, ist stets einem Problem ausgesetzt, das mit der magnetischen Sättigung des Eisenkerns verknüpft ist. Insbesondere weisen rotierende elektrische Maschinen der Radialspaltbauart einen Längsschnitt der Drehwelle auf, die von einer Ventilatorform für jeden Magnetpol ist, so dass je weiter innerhalb der rotierenden elektrischen Maschine, umso kleiner die Breite eines Magnetkreises ist, so dass innere Abmessungen von Zähnen, die Nuten in dem Kern bilden, ein Faktor für die Begrenzung des Leistungsvermögens der rotierenden elektrischen Maschine werden. Selbst wenn ein Hochleistungs-Permanentmagnet verwendet wird, wird die Erzeugung einer magnetischen Sättigung in dem Permanentmagneten zu einer Schwierigkeit bei der Erzeugung eines erforderlichen Ausmaßes eines Leistungsvermögens des Permanentmagneten führen. Es ist notwendig, den Permanentmagneten derart zu entwerfen, dass er einen erhöhten Innendurchmesser aufweist, um ein Risiko für die Erzeugung der magnetischen Sättigung zu beseitigen, was zu einer erhöhten Größe der rotierenden elektrischen Maschine führt.
Beispielsweise ist eine typische rotierende elektrische Maschine mit einer verteilten Drei-Phasen-Wicklung derart entworfen, dass drei bis sechs Zähne zur Erzeugung einer Strömung eines Magnetflusses für jeden Magnetpol dienen, ist jedoch dem Risiko ausgesetzt, dass der Magnetfluss sich auf einen führenden der Zähne in der Umlaufrichtung konzentrieren kann, wodurch bewirkt wird, dass der Magnetfluss nicht gleichförmig in den drei bis sechs Zähnen fließt. Beispielsweise konzentriert sich der Fluss des Magnetflusses auf einen oder zwei der Zähne, so dass der eine oder die zwei der Zähne, in denen die magnetische Sättigung auftritt, sich in der Umlaufrichtung mit der Drehung des Rotors bewegen, was zu einem Faktor führen kann, der eine Nutenwelligkeit (slot ripple) verursacht.
Aus den vorstehend beschriebenen Gründen ist es erforderlich, die Zähne in der nutenlosen Struktur der rotierenden elektrischen Maschine wegzulassen, deren Abstand DM 50 mm oder mehr ist, um das Risiko für die Erzeugung der magnetischen Sättigung zu beseitigen. Das Weglassen der Zähne führt jedoch zu einer Erhöhung im magnetischen Widerstandswert in Magnetkreisen des Rotors und des Stators, wodurch das durch die rotierende elektrische Maschine erzeugte Drehmoment verringert wird. Der Grund für eine derartige Erhöhung des magnetischen Widerstandswerts ist, dass es beispielsweise einen großen Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator gibt. Die nutenlose Struktur der rotierenden elektrischen Maschine, deren Abstand DM 50 mm oder mehr ist, weist daher Raum zur Verbesserung auf, um das Ausgangsdrehmoment zu erhöhen. Es gibt zahlreiche Vorteile zur Verwendung der vorstehend beschriebenen Drehmomenterhöhungsstruktur in der nutenlosen Struktur der rotierenden elektrischen Maschine, dessen Abstand DM 50 mm oder mehr ist.
Nicht nur rotierende elektrische Maschinen der Außenrotorbauart, sondern ebenfalls rotierende elektrische Maschine der Innenrotorbauart werden vorzugsweise derart entworfen, dass sie den Abstand DM von 50 mm oder mehr zwischen der Oberfläche der Magneteinheit, die dem Anker zugewandt ist, und der Mitte der Achse des Rotors in der radialen Richtung aufweisen.
Die Statorwicklung 51 der rotierenden elektrischen Maschine 10 kann entworfen sein, lediglich den einzelnen geraden Abschnitt 83 des Leiters 82 aufzuweisen, der in der radialen Richtung angeordnet ist. Alternativ kann beispielsweise eine Vielzahl gerader Abschnitte 83, beispielsweise drei, vier, fünf oder sechs gerade Abschnitte 83, aufeinander in der radialen Richtung gestapelt sein.
Beispielsweise weist die in 2 veranschaulichte Struktur die sich außerhalb der Enden der Länge der rotierenden elektrischen Maschine 10 erstreckende Drehwelle 11 auf, jedoch kann sie alternativ entworfen sein, die Drehwelle 11 aufzuweisen, die lediglich an einem der Enden nach außerhalb der rotierenden elektrischen Maschine 10 vorspringt. In diesem Fall ist es ratsam, dass ein Abschnitt der Drehwelle 11, der durch die Lagereinheit 20 in der freitragenden Form festgehalten wird, sich an einem der Enden der rotierenden elektrischen Maschine befindet, und dass die Drehwelle 11 an einem derartigen Ende der rotierenden elektrischen Maschine nach außerhalb vorspringt. Diese Struktur bewirkt, dass die Drehwelle 11 nicht nach innerhalb der Wechselrichtereinheit 60 vorspringt, was ermöglicht, dass ein breiter Innenraum der Wechselrichtereinheit 60, d.h. des Zylinders 71, verwendet werden kann.
Die vorstehend beschriebene Struktur der rotierenden elektrischen Maschine 10 verwendet eine nichtleitende Schmierung in den Lagern 21 und 22, kann jedoch alternativ entworfen sein, eine leitende Schmierung in den Lagern 21 und 22 aufzuweisen. Beispielsweise kann leitende Schmierung verwendet werden, die metallische Partikel oder Kohlenstoffpartikel enthält.
Ein Lager oder Lager können an lediglich einem oder beiden axialen Enden des Rotors 40 zum Festhalten der Drehwelle 11 derart, dass sie drehbar ist, montiert werden. Beispielsweise kann die Struktur gemäß 1 ein oder mehrere Lager aufweisen, die lediglich an einer Seite oder entgegengesetzten Seiten der Wechselrichtereinheit 60 in der axialen Richtung montiert sind.
Die Magnethalteeinrichtung 41 des Rotors 40 der rotierenden elektrischen Maschine 10 weist den Zwischenabschnitt 45 auf, der mit der inneren Schulter 49a und der ringförmigen äußeren Schulter 49b ausgerüstet ist, jedoch kann die Magnethalteeinrichtung 41 alternativ entworfen sein, einen flachen Zwischenabschnitt 45 ohne die Schultern 49a und 49b aufzuweisen.
Der Leiterkörper 82a von jedem der Leiter 82 der Statorwicklung 51 der rotierenden elektrischen Maschine 10 ist aus einer Sammlung der Drähte 86 gebildet, kann jedoch alternativ durch Verwendung eines quadratischen Leiters mit einem rechteckigen Querschnitt geformt sein. Der Leiter 82 kann alternativ unter Verwendung eines kreisförmigen Leiters mit einem kreisförmigen Querschnitt oder einem ovalen Querschnitt gebildet sein.
Die rotierende elektrische Maschine 10 weist die radial innerhalb des Stators 50 angeordnete Wechselrichtereinheit 60 auf, kann jedoch alternativ entworfen sein, die Wechselrichtereinheit 60 nicht innerhalb des Stators 50 angeordnet aufzuweisen. Dies ermöglicht es dem Stator 50, einen radial inneren Freiraum aufzuweisen, in dem andere Teile als die Wechselrichtereinheit 60 montiert werden können.
Die rotierende elektrische Maschine 10 kann entworfen sein, das Gehäuse 30 nicht aufzuweisen. In diesem Fall kann der Rotor 40 oder der Stator 50 durch ein Rad oder ein anderes Teil eines Fahrzeugs festgehalten werden.
Obwohl diese Offenbarung im Hinblick auf bevorzugte Ausführungsbeispiele zur Erleichterung eines besseren Verständnisses davon diskutiert worden ist, sollte beachtet werden, dass die Erfindung in verschiedenerlei Weise ohne Abweichen von dem Prinzip der Erfindung verkörpert werden kann. Daher sollte diese Offenbarung derart verstanden werden, dass sie alle möglichen Ausführungsbeispiele und Modifikationen der gezeigten Ausführungsbeispiele umfasst, die ohne Abweichen von dem Prinzip dieser Offenbarung verkörpert werden können, wie sie in den beigefügten Patentansprüchen dargelegt ist.
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 2017255056 [0001]
JP H670522 A [0042]

Claims

Rotierende elektrische Maschine (10) mit: einer Magnetfelderzeugungseinheit (40), die mit einer Magneteinheit (42) ausgerüstet ist, die eine Vielzahl von Magnetpolen aufweist, deren magnetische Polaritäten abwechselnd in einer Umlaufsrichtung angeordnet sind, und einem Anker (50), der eine mehrphasige Ankerwicklung (51) aufweist, wobei entweder die Magnetfelderzeugungseinheit oder der Anker als ein Rotor ausgeführt ist, dessen Drehwelle (11) durch ein Lager (21, 22) derart festgehalten wird, dass sie drehbar ist, die Ankerwicklung Leiterabschnitte (81) aufweist, die zu einem gegebenen Intervall weg voneinander in der Umlaufsrichtung angeordnet sind und der Magneteinheit zugewandt sind, der Anker ausgelegt ist, Leiter-zu-Leiter-Elemente (57, 142, 143) aufzuweisen, die zwischen den Leiterabschnitten in der Umlaufsrichtung angeordnet sind, wobei die Leiter-zu-Leiter-Elemente aus einem magnetischen Material hergestellt sind, das eine Beziehung von Wt×Bs≤Wm×Br erfüllt, wobei Wt eine Breite der Leiter-zu-Leiter-Elemente in der Umlaufsrichtung innerhalb eines Magnetpols ist, Bs eine Sättigungsmagnetflussdichte der Leiter-zu-Leiter-Elemente ist, Wm eine Breite der Magneteinheit äquivalent zu einem Magnetpol in der Umlaufsrichtung ist, und Br eine Remanenzflussdichte in der Magneteinheit ist, oder alternativ aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt sind, der Anker alternativ derart ausgelegt ist, dass er die Leiter-zu-Leiter-Elemente nicht aufweist, die zwischen den Leiterabschnitten in der Umlaufsrichtung angeordnet sind, und die Magneteinheit magnetisch derart orientiert ist, dass sie einen leichte Achse der Magnetisierung in einer Region, die sich näher an einer d-Achse, die eine Mitte eines Magnetpols ist, befindet, stärker parallel zu der d-Achse gerichtet aufweist, als die in einer Region, die sich näher an einer q-Achse befindet, die eine Grenze zwischen Magnetpolen ist.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei die Magneteinheit magnetisch derart orientiert ist, dass ein bogenförmiger, durch einen Magneten erzeugter Magnetpfad erzeugt wird, bei dem die leichte Achse der Magnetisierung in der Region nahe an der d-Achse parallel oder fast parallel gerichtet ist und ebenfalls in der Region nahe an der q-Achse senkrecht oder fast senkrecht zu der q-Achse gerichtet ist.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Magneteinheit eine Vielzahl von Permanentmagneten (91, 92) aufweist, die in der Umlaufsrichtung angeordnet sind, und wobei jeder der Permanentmagnete derart geformt ist, dass er eine ankerseitige äußere Umfangsoberfläche, die dem Anker zugewandt ist, und eine q-Achsen-seitige äußere Umfangsoberfläche aufweist, die der q-Achse in der Umlaufsrichtung zugewandt ist, wobei die statorseitige äußere Umfangsoberfläche und die q-Achsen-seitige äußere Umfangsoberfläche als Magnetflusseingangs- und -ausgangsoberflächen fungieren, die Magnetflusswirkungsoberflächen sind, in die und aus denen Magnetfluss fließt, und wobei der Magnetpfad derart erzeugt wird, dass er eine Verbindung zwischen der statorseitigen äußeren Umfangsoberfläche und der q-Achsen-seitigen äußeren Umfangsoberfläche bildet.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Magneteinheit aus einem ringförmigen Magneten (95) hergestellt ist, der ein kreisringförmiger Permanentmagnet ist, und wobei der ringförmige Magnet darin einen bogenförmigen durch den Magneten erzeugten Magnetpfad definiert aufweist, in dem eine magnetische Orientierung in der radialen Richtung auf der d-Achse von jedem Magnetpol gerichtet ist und eine magnetische Orientierung in der Umlaufsrichtung auf der q-Achse zwischen den Magnetpolen gerichtet ist.
Rotierende elektrische Maschinen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Magnetfelderzeugungseinheit eine Schrägungsstruktur aufweist, in der die Magnetpole der Magneteinheit in einer axialen Richtung der Drehwelle angeordnet sind und voneinander in der Umlaufsrichtung versetzt sind, und wobei eine Schrägungsgröße von einer Magnetpolmittellinie von jedem der Magnetpole der Magneteinheit in einer ersten Umlaufsrichtung identisch zu derjenigen in einer zweiten Umlaufsrichtung ist, die entgegengesetzt zu der ersten Umlaufsrichtung ist.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Anker eine Schrägungsstruktur aufweist, in der Leiterpositionen der Ankerwicklung für jede Phase in der axialen Richtung der Drehwelle in der Umlaufsrichtung versetzt sind, und wobei eine Schrägungsgröße von jeder der Phasenwicklungen der Ankerwicklung in einer ersten Umlaufsrichtung von einer Mittellinie einer gespeisten Phase, die sich in der axialen Richtung erstreckt, identisch zu derjenigen in einer zweiten Umlaufsrichtung ist, die entgegengesetzt zu der ersten Umlaufsrichtung ist.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Drehwelle durch die Vielzahl der Lager derart festgehalten wird, dass sie drehbar ist, und wobei jedes der Lager von einer axialen Mitte von derjenigen beziehungsweise denjenigen der Magnetfelderzeugungseinheit und des Ankers, die bzw. der als Rotor fungiert, zu einem von entgegengesetzten Enden davon in der axialen Richtung versetzt ist.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 7, wobei die rotierende elektrische Maschine als eine Bauart mit äußerem Rotor ausgeführt ist, bei der diejenige bzw. derjenige der Magnetfelderzeugungseinheit und des Ankers, die bzw. der als der Rotor fungiert, auf einer radial äußeren Seite angeordnet ist, wobei die Magnetfelderzeugungseinheit eine Magnethalteeinrichtung (41) aufweist, die die Magneteinheit festhält, und wobei die Magnethalteeinrichtung einen Überhang (45) aufweist, der sich in der radialen Richtung der Magnetfelderzeugungseinheit erstreckt, wobei der Überhang mit einer Kontaktvermeidungseinrichtung ausgerüstet ist, die sich in der axialen Richtung erstreckt und einen physikalischen Kontakt mit dem Anker vermeidet.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 7 oder 8, wobei die rotierende elektrische Maschine als eine rotierende elektrische Maschine der Bauart mit äußerem Rotor ausgeführt ist, bei der diejenige bzw. derjenige der Magnetfelderzeugungseinheit und des Ankers, die bzw. der als der Rotor fungiert, auf einer radial äußeren Seite angeordnet ist, weiterhin mit einer Lagerfesthalteeinrichtung (23), die die Drehwelle umgibt und die Lager festhält, einem Gehäuse (30), das angeordnet ist, die Magnetfelderzeugungseinheit und den Anker zu umgeben, und eine Ankerhalteeinrichtung (61), die radial innerhalb des Ankers angeordnet ist, um den Anker festzuhalten, und wobei die Lagerfesthalteeinrichtung an einem ersten Ende des Gehäuses befestigt ist, das entgegengesetzt zu einem zweiten Ende des Gehäuses durch die Magnetfelderzeugungseinheit in der axialen Richtung ist, und das zweite Ende des Gehäuses und die Ankerhalteeinrichtung miteinander verbunden sind.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Lager eine nichtleitende Schmierung aufweisen.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Anker ein ringförmiges Basiselement (52) aufweist, das einstückig mit der Ankerwicklung angeordnet ist und an einer Ankerhalteeinrichtung (61) befestigt ist, und wobei die Ankerwicklung mit einem Gussmaterial zusammen mit dem Basiselement bedeckt ist.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 11, wobei das Basiselement radial innerhalb oder außerhalb der Ankerwicklung auf einer zu der Magneteinheit entgegengesetzten Seite der Ankerwicklung angeordnet ist, und wobei das Basiselement eine Oberfläche aufweist, die der Ankerwicklung zugewandt ist und auf der Einbuchtungen und Ausbuchtungen aufeinanderfolgend in der Umlaufsrichtung und/oder der axialen Richtung geformt sind, um Aussparungen (151, 152) zu definieren, die mit dem Gussmaterial befüllt sind.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Basiselement als ein Ankerkern (52) ausgelegt ist, der aus einer Vielzahl von Stahlblechen (52a) hergestellt ist, die aufeinander in der axialen Richtung der Drehwelle gestapelt sind, und wobei jedes der Stahlbleche ein Ende aufweist, das der Ankerwicklung zugewandt ist und einen Querschnitt aufweist, der in einer Dickenrichtung davon konisch ist.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das Basiselement durch einen Ankerkern (52) verwirklicht ist, der aus einem leitenden Material hergestellt ist, und wobei eine Isolierschicht (155) zwischen der Ankerwicklung und dem Ankerkern angeordnet ist.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei das Basiselement Öffnungen (156) aufweist, die sich in der axialen Richtung der Drehwelle erstrecken und mit dem Gussmaterial befüllt sind.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die Ankerwicklung mit dem Gussmaterial mit Ausnahme von Abschnitten in axialen und radialen Richtungen davon bedeckt ist.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei die Ankerhalteeinrichtung aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff hergestellt ist.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 17, weiterhin mit einem Leistungswandler (101, 102), der Schalter (Sp, Sn) aufweist und elektrisch mit der Ankerwicklung verbunden ist, und einer Steuerungseinrichtung (110), die Ein-Aus-Vorgänge der Schalter steuert, um die Ankerwicklung zu speisen, wobei die Steuerungseinrichtung eine Schaltfrequenz für die Schalter in einem Niedrigstrombereich, in dem ein niedrigerer elektrischer Strom durch die Ankerwicklung fließt, derart einstellt, dass sie höher als in einem Hochstrombereich ist, in dem der elektrische Strom höher als in dem Niedrigstrombereich ist, und in dem ein höherer elektrischer Strom durch die Ankerwicklung fließt.
Rotierende elektrische Maschine (10) mit: einer Magnetfelderzeugungseinheit (40), die mit einer Magneteinheit (42) ausgerüstet ist, die eine Vielzahl von Magnetpolen aufweist, deren magnetische Polaritäten abwechselnd in einer Umlaufsrichtung angeordnet sind, und einem Anker (50), der eine mehrphasige Ankerwicklung (51) aufweist, wobei entweder die Magnetfelderzeugungseinheit oder der Anker als ein Rotor ausgeführt ist, dessen Drehwelle (11) durch ein Lager (21, 22) derart festgehalten wird, dass sie drehbar ist, die Drehwelle durch die Vielzahl der Lager derart festgehalten wird, dass sie drehbar ist, und jedes der Lager von einer axialen Mitte entweder der Magnetfelderzeugungseinheit oder des Ankers, die bzw. der als der Rotor fungiert, zu einem von entgegengesetzten Enden davon in der axialen Richtung versetzt ist.
Rotierende elektrische Maschine (10) mit: einer Magnetfelderzeugungseinheit (40), die mit einer Magneteinheit (42) ausgerüstet ist, die eine Vielzahl von Magnetpolen aufweist, deren magnetische Polaritäten abwechselnd in einer Umlaufsrichtung angeordnet sind, und einem Anker (50), der eine mehrphasige Ankerwicklung (51) aufweist, wobei entweder die Magnetfelderzeugungseinheit oder der Anker als ein Rotor ausgeführt ist, dessen Drehwelle (11) durch ein Lager (21, 22) derart festgehalten wird, dass sie drehbar ist, der Anker ein ringförmiges Basiselement (52) aufweist, das einstückig mit der Ankerwicklung angeordnet ist, und an der Ankerhalteeinrichtung (61) befestigt ist, und die Ankerwicklung mit einem Gussmaterial zusammen mit dem Basiselement bedeckt ist.