DE112018006726T5

DE112018006726T5 - Rotierende elektrische Maschine

Info

Publication number: DE112018006726T5
Application number: DE112018006726.2T
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: 2020-10-01
Also published as: JP6927186B2; US20200328658A1; JP2019122245A; US11368073B2; CN111527677A; CN111527677B

Abstract

In einer rotierenden elektrischen Maschine ist von beiden Enden einer Statorwicklung (721) jeder Phase ein Endabschnitt auf einer Neutralpunktseite ein erster Endabschnitt (741) und ist ein Endabschnitt auf einer Verbindungspunktseite eines Oberzweigschalters (901) und eines Unterzweigschalters (902) eines Wechselrichters ein zweiter Endabschnitt (742). Die rotierende elektrische Maschine weist eine Neutralpunktstromschiene (731) auf, die die ersten Endabschnitte der Phasen miteinander elektrisch und mechanisch verbindet. Der erste Endabschnitt und der zweite Endabschnitt jeder Phase ist in einem Endabschnitt auf der gleichen Seite in einer axialen Richtung eines Stators (720) angeordnet. Die Neutralpunktstromschiene und der zweite Endabschnitt jeder Phase sind mechanisch mit einer Isolierfolie (736) dazwischen verbunden.

Description

Querverweis zu verwandten Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung beruht auf beansprucht Priorität aus den Japanischen Patentanmeldungen Nrn. 2017-255067 , die am 28. Dezember 2017 eingereicht worden ist, 2017-255079, die am 28. Dezember 2017 eingereicht worden ist, 2018-228191, die am 5. Dezember 2018 eingereicht worden ist, 2018-228193, die am 5. Dezember 2018 eingereicht worden ist, 2018-228194, die am 5. Dezember 2018 eingereicht worden ist, und 2018-228192, , die am 5. Dezember 2018 eingereicht worden ist, wobei deren Offenbarungen hiermit durch Bezugnahme einbezogen sind.
[Technical Field]
Technisches Gebiet
Die Offenbarung dieser Beschreibung bezieht sich auf eine rotierende elektrische Maschine.
Herkömmlich ist beispielsweise, wie es in PTL1 beschrieben ist, eine rotierende elektrische Maschine bekannt, die ein Feldelement und einen Anker aufweist. Das Feldelement weist eine Magneteinheit auf, die eine Vielzahl von Magnetpolen aufweist, deren Polaritäten in einer Umlaufsrichtung abwechselt. Der Anker weist eine mehrphasige Ankerwicklung auf. Ein Strom fließt zu der Ankerwicklung als Ergebnis eines Ein-/Aus-Schaltens eines Oberzweigschalters und eines Unterzweigschalters, die einen elektrischen Leistungswandler konfigurieren.
Zitierungsliste
Patentliteratur
PLT1 JP 2014-093859 A
Zusammenfassung der Erfindung
Von beiden Enden der Ankerwicklung ist ein Ende an einer Neutralpunktseite ein erster Endabschnitt, und ist ein Ende auf der Ober- und Unterzweigschalterverbindungspunktseite ist ein zweiter Endabschnitt. In der Ankerwicklung wird, wenn der erste Endabschnitt und der zweite Endabschnitt verglichen werden, während der zweite Endabschnitt in der Reihenfolge von Speisung von Phasen gespeist wird, der erste Endabschnitt stets während des Betriebs der rotierenden elektrischen Maschine ungeachtet der Reihenfolge der Speisung der Phasen gespeist. Daher tendiert die Temperatur des ersten Endabschnitts dazu, höher als eine Temperatur des zweiten Endabschnitts zu sein. Folglich ist eine Konfiguration wünschenswert, bei der eine Erhöhung der Temperatur in dem ersten Endabschnitt unterdrückt werden kann.
Die folgende Offenbarung wurde im Licht der vorstehend beschriebenen Punkte erzielt. Die Hauptaufgabe der folgenden Offenbarung besteht darin, eine rotierende elektrische Maschine bereitzustellen, die in der Lage ist, eine Erhöhung der Temperatur an einer Neutralpunktseite von beiden Enden einer Ankerwicklung zu unterdrücken.
Eine Vielzahl von Ausführungsbeispielen, die in dieser Beschreibung offenbart sind, wenden technische Merkmale an, die sich voneinander unterscheiden, um jeweilige Aufgaben zu lösen. Aufgaben, Merkmale und Vorteile, wie sich darauf in dieser Beschreibung bezogen wird, werden anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung oder den beiliegenden Zeichnungen deutlich.
Eine A1-Offenbarung ist eine rotierende elektrische Maschine mit: einem Feldelement, das einen Magnetabschnitt aufweist, der eine Vielzahl von Magnetpolen aufweist, deren Polaritäten in einer Umlaufsrichtung abwechseln; einem Anker, der eine mehrphasige Ankerwicklung aufweist, und einem elektrischen Leistungswandler, der einen Reihenschaltungskörper aufweist, der aus einem Oberzweigschalter (901) und einem Unterzweigschalter (902) zusammengesetzt ist. Entweder das Feldelement oder der Anker ist ein Rotor. IN der rotierenden elektrischen Maschine ist ein Neutralpunktverbindungselement vorgesehen, in dem, wenn von beiden Enden der Ankerwicklung jeder Phase ein Endabschnitt auf einer Neutralpunktseite ein erster Endabschnitt ist und ein Endabschnitt auf einer Verbindungspunktseite des Oberzweigschalters und des Unterzweigschalters ein zweiter Endabschnitt ist, das Neutralpunktverbindungselement die ersten Endabschnitte der Phasen elektrisch und mechanisch miteinander verbindet. Der erste Endabschnitt und der zweite Endabschnitt jeder Phase sind in einem Endabschnitt auf der gleichen Seite in der axialen Richtung des Ankers angeordnet Das Neutralpunktverbindungselement und der zweite Endabschnitt jeder Phase sind mechanisch mit einer Isolierschicht dazwischen verbunden.
Das Neutralpunktverbindungselement tendiert dazu, eine höhere Temperatur als die Ankerwicklung aufzuweisen. Zusätzlich können, wenn Vibrationen in der rotierenden elektrischen Maschine erzeugt werden, Vibrationen, die individuell in dem ersten Endabschnitt und dem zweiten Endabschnitt der Ankerwicklung erzeugt werden, berücksichtigt werden. Auf diese Weise weist das Neutralpunktverbindungselement Probleme in Bezug auf Wärme auf. Beide Endabschnitte der Ankerwicklung weisen Probleme in Bezug Vibrationen auf.
Dabei sind in der A1-Offenbarung die ersten Endabschnitte der Phasen elektrisch und mechanisch miteinander durch das Neutralpunktverbindungselement verbunden. Das Neutralpunktverbindungselement und der zweite Endabschnitt jeder Phase sind mechanisch mit einer Isolierschicht dazwischen verbunden. Als Ergebnis dieser Konfiguration kann Wärme von dem Neutralpunktverbindungselement, das dazu tendiert, eine relativ hohe Temperatur aufzuweisen, durch die Isolierschicht auf den zweiten Endabschnitt übertragen werden, der dazu tendiert, eine relativ niedrige Temperatur aufzuweisen. Als Ergebnis kann eine Erhöhung der Temperatur in den Neutralpunktverbindungselement unterdrückt werden. Weiterhin kann eine Erhöhung der Temperaturen auf der Neutralpunktseite von beiden Enden der Ankerwicklung unterdrückt werden. Zusätzlich sind für jede Phase der erste Endabschnitt, der mechanisch mit dem Neutralpunktverbindungselement verbunden ist, und der zweite Endabschnitt mechanisch mit der Isolierschicht dazwischen verbunden. Folglich können Vibrationen in dem ersten Endabschnitt und dem zweiten Endabschnitt in geeigneter Weise unterdrückt werden.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, können als Ergebnis der A1-Offenbarung Vibrationen in dem ersten Endabschnitt und dem zweiten Endabschnitt der Ankerwicklung unterdrückt werden, während eine Erhöhung der Temperatur auf der Neutralpunktseite von beiden Seiten der Ankerwicklung unterdrückt wird.
Eine A2-Offenbarung ist die A1-Offenbarung, bei der die ersten Endabschnitte und die zweiten Endabschnitte der Phasen jeweils zu gleichen Intervallen in der Umlaufsrichtung angeordnet sind. Das Neutralpunktverbindungselement weist eine kreisringförmige Form auf. Das Neutralpunktverbindungselement ist mit den ersten Endabschnitten der Phasen zu gleichen Intervallen in der Umlaufsrichtung verbunden.
Als Ergebnis der A2-Offenbarung können signifikante Variationen in der Wärmefreisetzbarkeit der ersten Endabschnitte der Phasen unterdrückt werden. Variationen in der Wirkung der Unterdrückung der Temperaturerhöhung in den ersten Endabschnitten können unterdrückt werden. Zusätzlich ist gemäß der A2-Offenbarung das Neutralpunktverbindungselement, das eine kreisringförmige Form aufweist, mit den ersten Endabschnitten der Phasen zu gleichen Intervallen in der Umlaufsrichtung verbunden. Daher kann die Wirkung der Unterdrückung von Vibrationen in dem ersten Endabschnitt und dem zweiten Endabschnitt ebenfalls verbessert werden.
Eine A3-Offenbarung ist die A1- oder A2-Offenbarung, bei der die Ankerwicklung jeder Phase eine Spulenseite aufweist, die zu einem vorbestimmten Intervall in der Umlaufsrichtung an einer Position angeordnet ist, die dem Magnetabschnitt gegenüberliegt. Eine Steuerungseinrichtung ist vorgesehen, die Ein bzw. Aus der Schalter zur Speisung der Ankerwicklung steuert. In dem Anker ist ein Zwischenleiterelement zwischen den Spulenseiten in der Umlaufsrichtung vorgesehen, und ein magnetisches Material oder ein nichtmagnetisches Material wird als das Zwischenleiterelement verwendet, wobei das magnetische Material eine Beziehung von Wt x Bs ≤ Wm x Br erfüllt, wobei Wt eine Breitenabmessung in der Umlaufsrichtung des Zwischenleiterelements für einen einzelnen Magnetpol ist, Bs eine Sättigungsmagnetflussdichte des Zwischenleiterelements ist, Wm eine Breitenabmessung in der Umlaufsrichtung des Magnetabschnitts für einen einzelnen Magnetpol ist, und Br eine Remanenzflussdichte des Magnetabschnitts ist. Alternativ ist in dem Anker kein Zwischenleiterelement zwischen den Spulenseiten in der Umlaufsrichtung angeordnet.
Gemäß der A3-Offenbarung verringert sich als Ergebnis davon, dass der Anker wie vorstehend beschrieben konfiguriert ist, die Induktivität in dem Anker, und verringert sich eine elektrische Zeitkonstante der rotierenden elektrischen Maschine. Als Ergebnis erhöhen sich Welligkeiten in einem Strom, der zu der Ankerwicklung fließt, wenn die Steuerungseinrichtung eine Ein-/Aus-Steuerung der Schalter durchführt. Daher bestehen Bedenken bezüglich einer Verschlechterung der Steuerbarkeit des zu der Ankerwicklung fließenden Stroms.
In dieser Hinsicht sind gemäß der A3-Offenbarung die ersten Endabschnitte der Phasen miteinander durch das Neutralpunktverbindungselement in der Ankerwicklung verbunden. Die Induktivität in dem Anker kann durch das Neutralpunktverbindungselement erhöht werden. Daher kann die elektrische Zeitkonstante der rotierenden elektrischen Maschine erhöht werden. Eine Verringerung der Steuerbarkeit des zu der Ankerwicklung fließenden Stroms kann unterdrückt werden. Auf diese Weise kann als Ergebnis der A3-Offenbarung das Neutralpunktverbindungselement zur Unterdrückung einer Verringerung der Stromsteuerbarkeit zur Unterdrückung einer Temperaturerhöhung in den ersten Endabschnitten sowie zur Unterdrückung von Vibrationen in den ersten und zweiten Endabschnitten verwendet werden.
Die rotierende elektrische Maschine kann ebenfalls die nachstehend beschriebene sein.
Herkömmlich ist, wie es beispielsweise in PTL1 beschrieben ist, eine rotierende elektrische Maschine bekannt, die ein Feldelement, das einen Magnetabschnitt aufweist, der eine Vielzahl von Magnetpolen aufweist, deren Polaritäten in einer Umlaufsrichtung abwechseln, und einen Anker aufweist, der eine mehrphasige Ankerwicklung aufweist. Die Ankerwicklung jeder Phase weist eine Spulenseite auf, die zu einem vorbestimmten Intervall in der Umlaufsrichtung an einer Position angeordnet ist, die dem Magnetabschnitt gegenüberliegt. Ein Strom fließt zu der Ankerwicklung als Ergebnis einer Ein-/Aus-Steuerung eines Oberzweigschalters und eines Unterzweigschalters, die einen elektrischen Leistungswandler konfigurieren.
In dem Anker kann ein Zwischenleiterelement zwischen den Spulenseiten in der Umlaufsrichtung vorgesehen sein, und kann ein magnetisches Material oder ein nichtmagnetisches Material als das Zwischenleiterelement verwendet werden, wobei das magnetische Material eine Beziehung von Wt x Bs ≤ Wm x Br erfüllt, wobei Wt eine Breitenabmessung in der Umlaufsrichtung des Zwischenleiterelements für einen einzelnen Magnetpol ist, Ws eine Sättigungsmagnetflussdichte des Zwischenleiterelements ist, Wm eine Breitenabmessung in der Umlaufsrichtung des Magnetabschnitts für einen einzelnen Magnetpol ist und Br eine Remanenzflussdichte des Magnetabschnitts ist. Alternativ dazu können in dem Anker keine Zwischenleiterelemente zwischen den Spulenseiten in der Umlaufsrichtung vorgesehen werden. In der rotierenden elektrischen Maschine, die mit dieser Konfiguration versehen ist, wird die Induktivität in dem Anker niedrig und wird die elektrische Zeitkonstante der rotierenden elektrischen Maschine klein. Als Ergebnis gibt es Bedenken, wenn eine Ein-/Aus-Steuerung der Ober- und Unterzweigschalter durchgeführt wird, dass Welligkeiten in dem Strom, der zu der Ankerwicklung fließt, sich erhöhen und sich eine Steuerbarkeit des zu der Ankerwicklung fließenden Stroms sich verschlechtert. Insbesondere bestehen Bedenken, dass, wenn eine Schaltfrequenz der Ober- und Unterzweigschalter niedrig ist, eine Verringerung der Stromsteuerbarkeit signifikant wird.
Dabei kann zur Erhöhung der Induktivität in dem Anker eine Erhöhung der Dicke in radialer Richtung der Spulenseite in der Ankerwicklung in Betracht gezogen werden. Jedoch erhöht sich in diesem Fall ein Luftspalt zwischen dem Anker, der die Spulenseite aufweist, und dem Feldelement. Das Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine verringert sich.
Die vorliegende Offenbarung wurde im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen Probleme gemacht. Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Offenbarung besteht darin, eine rotierende elektrische Maschine anzugeben, die in der Lage ist, eine Verringerung der Steuerbarkeit eines Stroms zu unterdrücken, der zu einer Ankerwicklung fließt.
Eine Vielzahl von Ausführungsbeispielen, die in dieser Beschreibung offenbart sind, wenden technische Merkmale an, die sich voneinander unterscheiden, um jeweilige Aufgaben zu lösen. Aufgaben, Merkmale und Vorteile, wie sich darauf in dieser Beschreibung bezogen wird, werden anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung oder den beiliegenden Zeichnungen deutlich.
Eine B1-Offenbarung ist eine rotierende elektrische Maschine mit: einem Feldelement, das einen Magnetabschnitt aufweist, der eine Vielzahl von Magnetpolen aufweist, deren Polaritäten in einer Umlaufsrichtung abwechseln, und einem Anker, der eine mehrphasige Ankerwicklung aufweist. Entweder das Feldelement oder der Anker ist ein Rotor. In der rotierenden elektrischen Maschine weist die Ankerwicklung jeder Phase eine Spulenseite auf, die zu einem vorbestimmten Intervall in der Umlaufsrichtung an einer Position angeordnet ist, die dem Magnetabschnitt gegenüberliegt. In dem Anker kann ein Zwischenleiterelement zwischen den Spulenseiten in der Umlaufsrichtung vorgesehen sein, und wird ein magnetisches Material oder ein nichtmagnetisches Material als das Zwischenleiterelement verwendet, wobei das magnetische Material eine Beziehung von Wt x Bs ≤ Wm x Br erfüllt, wobei Wt eine Breitenabmessung in der Umlaufsrichtung des Zwischenleiterelements für einen einzelnen Magnetpol ist, Bs eine Sättigungsmagnetflussdichte des Zwischenleiterelements ist, Wm eine Breitenabmessung in der Umlaufsrichtung des Magnetabschnitts für einen einzelnen Magnetpol ist, und Br eine Remanenzflussdichte des Magnetabschnitts ist. Alternativ kann in dem Anker kein Zwischenleiterelement zwischen den Spulenseiten in der Umlaufsrichtung vorgesehen sein. Die rotierende elektrische Maschine weist auf: einen elektrischen Leistungswandler, der einen Reihenschaltungskörper aufweist, der aus einem Oberzweigschalter und einem Unterzweigschalter zusammengesetzt ist, eine Steuerungseinrichtung, die eine Ein-/Aus-Steuerung der Schalter zur Speisung der Ankerwicklung durchführt, und ein Neutralpunktverbindungselement, das von beiden Enden der Ankerwicklung jeder Phase Endabschnitte auf einer Neutralpunktseite miteinander verbindet.
Gemäß der B1-Offenbarung sind in der Ankerwicklung die Endabschnitte auf der Neutralpunktseite der Phasen miteinander durch das Neutralpunktverbindungselement verbunden. Die Induktivität des Ankers kann durch das Neutralpunktverbindungselement erhöht werden. Folglich kann die elektrische Zeitkonstante der rotierenden elektrischen Maschine erhöht werden, und kann eine Verringerung der Steuerbarkeit des Stroms, der zu der Ankerwicklung fließt, unterdrückt werden.
Eine B2-Offenbarung ist die B1-Offenbarung, in der Endabschnitte auf der Neutralpunktseite der Phasen zu gleichen Intervallen in der Umlaufsrichtung in einem Endabschnitt auf der gleichen Seite in der axialen Richtung des Ankers angeordnet sind. In dem Neutralpunktverbindungselement sind Abstände zwischen Verbindungsabschnitten mit benachbarten Endabschnitten auf der Neutralpunktseite gleich zueinander.
Gemäß der B2-Offenbarung kann in dem Neutralpunktverbindungselement die Induktivität zwischen Verbindungsabschnitten mit benachbarten Endabschnitten auf der Neutralpunktseite gleich gemacht werden. Eine Differenz in der Impedanz zwischen den Phasen in dem Neutralpunktverbindungselement kann reduziert werden. Folglich kann eine Verringerung der Steuerbarkeit des zu der Ankerwicklung fließenden Stroms unterdrückt werden.
Eine B3-Offenbarung ist die B2-Offenbarung, in der das Neutralpunktverbindungselement eine kreisringförmige Form aufweist. Das Neutralpunktverbindungselement ist mit den Endabschnitten auf der Neutralpunktseite der Phasen zu gleichen Intervallen in der Umlaufsrichtung verbunden.
Als Ergebnis der B3-Offenbarung kann im Vergleich zu einer Konfiguration, in der beispielsweise das Neutralpunktverbindungselement die Form eines gleichseitigen Dreiecks aufweist, in dem Neutralpunktverbindungselement ein Abstand zwischen den Verbindungsabschnitten mit benachbarten Endabschnitten auf der Neutralpunktseite länger gemacht werden. Die Induktivität kann erhöht werden. Als Ergebnis kann die elektrische Zeitkonstante der rotierenden elektrischen Maschine weiter erhöht werden. Eine Verringerung der Steuerbarkeit des zu der Ankerwicklung fließenden Stroms kann weiter unterdrückt werden.
Die rotierende elektrische Maschine kann ebenfalls die nachstehend beschriebene sein.
Herkömmlich ist, wie es beispielsweise in PTL1 beschrieben ist, eine rotierende elektrische Maschine bekannt, die ein Feldelement, das einen Magnetabschnitt aufweist, der eine Vielzahl von Magnetpolen aufweist, deren Polaritäten in einer Umlaufsrichtung abwechseln, und einen Anker aufweist, der eine mehrphasige Ankerwicklung aufweist. Die Ankerwicklung jeder Phase weist eine Spulenseite auf, die zu einem vorbestimmten Intervall in der Umlaufsrichtung an einer Position angeordnet ist, die dem Magnetabschnitt gegenüberliegt. Ein Strom fließt zu der Ankerwicklung als Ergebnis einer Ein-/Aus-Steuerung eines Oberzweigschalters und eines Unterzweigschalters, die einen elektrischen Leistungswandler konfigurieren.
In dem Anker kann ein Zwischenleiterelement zwischen den Spulenseiten in der Umlaufsrichtung vorgesehen sein, und kann ein magnetisches Material oder nichtmagnetisches Material als das Zwischenleiterelement verwendet werden, wobei das magnetische Material eine Beziehung von Wt x Bs ≤ Wm x Br erfüllt, wobei Wt eine Breitenabmessung in der Umlaufsrichtung des Zwischenleiterelements für einen einzelnen Magnetpol ist, Bs eine Sättigungsmagnetflussdichte des Zwischenleiterelements ist, Wm eine Breitenabmessung in der Umlaufsrichtung des Magnetabschnitts für einen einzelnen Magnetpol ist und Br eine Remanenzflussdichte des Magnetabschnitts ist. Alternativ dazu können in dem Anker keine Zwischenleiterelemente zwischen den Spulenseiten in der Umlaufsrichtung vorgesehen sein. In der rotierenden elektrischen Maschine, die mit dieser Konfiguration versehen ist, wird die Induktivität in dem Anker niedrig und wird die elektrische Zeitkonstante der rotierenden elektrischen Maschine klein. Als Ergebnis gibt es Bedenken, dass, wenn Ein-/Aus-Steuerung der Ober- und Unterzweigschalter durchgeführt wird, sich Welligkeiten in dem Strom, der zu der Ankerwicklung fließt, sich erhöhen und die Steuerbarkeit des zu der Ankerwicklung fließenden Stroms sich verschlechtert. Insbesondere gibt es Bedenken, dass, wenn eine Schaltfrequenz der Ober- und Unterzweigschalter niedrig ist, eine Verringerung in der Stromsteuerbarkeit signifikant wird.
Dabei kann in Betracht gezogen werden, zur Erhöhung der Induktivität in dem Anker eine Dicke in radialer Richtung der Spulenseite in der Ankerwicklung zu erhöhen. Jedoch erhöht sich in diesem Fall ein Luftspalt zwischen dem Anker, der die Spulenseite aufweist, und dem Feldelement. Das Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine verringert sich.
Die vorliegende Offenbarung wurde im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen Probleme erzielt. Die Hauptaufgabe der vorliegenden Offenbarung besteht darin, eine rotierende elektrische Maschine bereitzustellen, die in der Lage ist, eine Verringerung der Steuerbarkeit eines zu einer Ankerwicklung fließenden Stroms zu verringern.
Eine Vielzahl von Ausführungsbeispielen, die in dieser Beschreibung offenbart sind, wenden technische Merkmale an, die sich voneinander unterscheiden, um jeweilige Aufgaben zu lösen. Aufgaben, Merkmale und Vorteile, wie sich darauf in dieser Beschreibung bezogen wird, werden anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung oder den beiliegenden Zeichnungen deutlich.
Eine C1-Offenbarung ist eine rotierende elektrische Maschine mit: einem Feldelement, das einen Magnetabschnitt aufweist, der eine Vielzahl von Magnetpolen aufweist, deren Polaritäten in einer Umlaufsrichtung abwechseln, und einem Anker, der eine mehrphasige Ankerwicklung aufweist. Entweder das Feldelement oder der Anker ist ein Rotor. In der rotierenden elektrischen Maschine weist die Ankerwicklung jeder Phase eine Spulenseite auf, die zu einem vorbestimmten Intervall in der Umlaufsrichtung an einer Position angeordnet ist, die dem Magnetabschnitt gegenüberliegt. In dem Anker kann ein Zwischenleiterelement zwischen den Spulenseiten in der Umlaufsrichtung vorgesehen sein, und wird ein magnetisches Material oder ein nichtmagnetisches Material als das Zwischenleiterelement verwendet, wobei das magnetische Material eine Beziehung von Wt x Bs ≤ Wm x Br erfüllt, wobei Wt eine Breitenabmessung in der Umlaufsrichtung des Zwischenleiterelements für einen einzelnen Magnetpol ist, Bs eine Sättigungsmagnetflussdichte des Zwischenleiterelements ist, Wm eine Breitenabmessung in der Umlaufsrichtung des Magnetabschnitts für einen einzelnen Magnetpol ist, und Br eine Remanenzflussdichte des Magnetabschnitts ist. Alternativ kann in dem Anker kein Zwischenleiterelement zwischen den Spulenseiten in der Umlaufsrichtung vorgesehen sein. Die rotierende elektrische Maschine weist auf: einen elektrischen Leistungswandler, der einen Reihenschaltungskörper aufweist, der aus einem Oberzweigschalter und einen Unterzweigschalter zusammengesetzt ist, eine Verdrahtung, die elektrisch einen Verbindungspunkt zwischen dem Oberzweigschalter und dem Unterzweigschalter und die Ankerwicklung für jede Phase verbindet, eine Stromerfassungseinrichtung, die für jede jeweilige Verdrahtung von zumindest zwei Phasen unter den Phasen vorgesehen ist und einen Stromwert erfasst, der zu der Verdrahtung fließt, und eine Steuerungseinrichtung, die eine Ein-/Aus-Steuerung des Oberzweigschalters und des Unterzweigschalters zur Speisung der Ankerwicklung auf der Grundlage des durch die Stromerfassungseinrichtung erfassten Stromwerts durchführt. Die Stromerfassungseinrichtung weist einen Eisenkern, die eine ringförmige Form aufweist, die die Verdrahtung umgibt und einen Spalt formt, und eine Spannungsausgabeeinheit auf, die eine Spannung auf der Grundlage einer in dem Spalt erzeugten Magnetflussdichte ausgibt. Die Stromerfassungseinrichtung erfasst den zu der Verdrahtung fließenden Stromwert auf der Grundlage der Ausgangsspannung der Spannungsausgangseinheit erfasst. Eine Querschnittsfläche der Verdrahtung ist größer als eine Querschnittsfläche der Spulenseite.
Gemäß der C1-Offenbarung ist die Stromerfassungseinrichtung für jede jeweilige Verdrahtung von zumindest zwei Phasen unter den Phasen vorgesehen. Die Steuerungseinrichtung führt eine Ein-/Aus-Steuerung des Oberzweigschalters und des Unterzweigschalters zum Speisen der Ankerwicklung auf der Grundlage des durch die Stromerfassungseinrichtung erfassten Stromwertes durch. Die Stromerfassungseinrichtung weist einen Eisenkern, der eine ringförmige Form aufweist, die die Verdrahtung umgibt, und einen Spalt bildet, und die Spannungsausgangseinheit auf, die eine Spannung auf der Grundlage der in dem Spalt erzeugten Magnetflussdichte ausgibt. Die Stromerfassungseinrichtung erfasst den zu der Verdrahtung fließenden Stromwert auf der Grundlage der Ausgangsspannung der Spannungsausgangseinheit.
Dabei kann gemäß der C1-Offenbarung als Ergebnis davon, dass der Eisenkern die Stromerfassungseinrichtung konfiguriert, die Induktivität des Ankers erhöht werden. Zusätzlich ist gemäß der C1-Offenbarung zur Vermeidung einer Erhöhung des Luftspalts zwischen dem Anker und dem Feldelement die Querschnittsfläche der Verdrahtung, die von dem Eisenkern umgeben ist, größer als die Querschnittsfläche der Spulenseite. Als Ergebnis kann die Induktivität in dem Anker erhöht werden. Auf diese Weise wird die Induktivität in dem Anker unter Verwendung einer Konfiguration zur Stromerfassung erhöht. Als Ergebnis kann die elektrische Zeitkonstante der rotierenden elektrischen Maschine erhöht werden. Eine Verringerung der Steuerbarkeit des zu der Ankerwicklung fließenden Stroms kann unterdrückt werden.
Die C2-Offenbarung ist die C1-Offenbarung, wobei die rotierende elektrische Maschine aufweist: einen Ankerkern, der auf einer Seite vorgesehen ist, die gegenüberliegend zu dem Magnetabschnitt in der radialen Richtung mit der Ankerwicklung dazwischen ist, und ein Ankerhalteelement, das auf einer Seite gegenüberliegend zu der Ankerwicklung in der radialen Richtung mit dem Ankerkern dazwischen vorgesehen ist und den Ankerkern hält. Die Stromerfassungseinrichtung ist auf einer Seite gegenüberliegend zu dem Ankerkern in der radialen Richtung mit dem Ankerhalteelement dazwischen vorgesehen.
Als Ergebnis der C2-Offenbarung kann, wenn die Stromerfassungseinrichtung den Stromwert erfasst, eine Magnetflussinterferenz aus dem Anker unterdrückt werden. Als Ergebnis kann die Stromerfassungsgenauigkeit verbessert werden.
Die rotierende elektrische Maschine kann ebenfalls diejenige sein, die nachstehend beschrieben ist.
Herkömmlich ist, wie es beispielsweise in PTL1 beschrieben ist, eine rotierende elektrische Maschine bekannt, die ein Feldelement, das einen Magnetabschnitt aufweist, der eine Vielzahl von Magnetpolen aufweist, deren Polaritäten in einer Umlaufsrichtung abwechseln, und einen Anker aufweist, der eine mehrphasige Ankerwicklung aufweist. Die Ankerwicklung jeder Phase weist eine Spulenseite, die zu einem vorbestimmten Intervall in der Umlaufsrichtung an einer Position angeordnet ist, die dem Magnetabschnitt gegenüberliegt, und ein Spulenende auf, das axial außerhalb der Spulenseite angeordnet ist.
Wenn die Ankerwicklung gespeist wird, wird Wärme in der Ankerwicklung erzeugt. Daher ist eine Konfiguration wünschenswert, in der die in der Ankerwicklung erzeugte Wärme in geeigneter Weise freigesetzt werden kann.
Die vorliegende Offenbarung wurde im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen Probleme erzielt. Die Hauptaufgabe der vorliegenden Offenbarung besteht darin, eine rotierende elektrische Maschine bereitzustellen, die in der Lage ist, eine Wärmefreisetzungsfähigkeit einer Ankerwicklung zu verbessern.
Eine Vielzahl von Ausführungsbeispielen, die in dieser Beschreibung offenbart sind, wenden technische Merkmale an, die sich voneinander unterscheiden, um jeweilige Aufgaben zu lösen. Aufgaben, Merkmale und Vorteile, wie sich darauf in dieser Beschreibung bezogen wird, werden anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung oder den beiliegenden Zeichnungen deutlich.
Eine D1-Offenbarung ist eine rotierende elektrische Maschine mit: einem Feldelement, das einen Magnetabschnitt aufweist, der eine Vielzahl von Magnetpolen aufweist, deren Polaritäten in einer Umlaufsrichtung abwechseln, und einem Anker, der eine mehrphasige Ankerwicklung aufweist. Entweder das Feldelement oder der Anker ist ein Rotor In der rotierenden elektrischen Maschine weist die Ankerwicklung jeder Phase eine Spulenseite, die zu einem vorbestimmten Intervall in der Umlaufsrichtung an einer Position angeordnet ist, die dem Magnetabschnitt gegenüberliegt, ein erstes Spulenende, das auf einer äußeren Seite in einer axialen Richtung in Bezug auf die Spulenseite angeordnet ist, und ein zweites Spulenende auf, das auf einer anderen äußeren Seite in der axialen Richtung in Bezug auf die Spulenseite angeordnet ist. Die Spulenseite ist in zwei Schichten in einer radialen Richtung vorgesehen. Das erste Spulenende und/oder das zweite Spulenende macht eine Wendung in einer kreisförmigen Form und verbindet das Spulenende auf einer Innenschichtseite in der radialen Richtung und das Spulenende auf einer Außenschichtseite in der radialen Richtung, und springt radial von der Spulenseite vor und formt einen ringförmigen Hohlraum, der in der Umlaufsrichtung innerhalb des Spulenendes verbunden ist.
Gemäß der D1-Offenbarung ist die Spulenseite in zwei Schichten in der radialen Richtung vorgesehen. Zumindest eines der ersten und zweiten Spulenenden, die auf den äußeren Seiten in der axialen Richtung in Bezug auf die Spulenseite angeordnet sind, macht eine Drehung in einer kreisförmigen Form und verbindet das Spulenende auf der Innenschichtseite in der radialen Richtung und das Spulenende auf der Außenschichtseite in der radialen Richtung. Zusätzlich springt das Spulenende, das die Innen- und Außenschichtseiten in der radialen Richtung verbindet, radial von der Spulenseite vor und formt einen ringförmigen Hohlraum, der in der Umlaufsrichtung innerhalb des Spulenendes verbunden ist. Der ringförmige Hohlraum fungiert als ein Wärmefreisetzungsabschnitt, der Wärme freisetzt, die in der Ankerwicklung erzeugt wird. Daher kann als Ergebnis der D1-Offenbarung die Wärmefreisetzungsfähigkeit der Ankerwicklung verbessert werden.
Eine D2-Offenbarung ist die D1-Offenbarung, bei der ein ringförmiger Kühlkörper in dem ringförmigen Hohlraum angeordnet ist.
Als Ergebnis der D2-Offenbarung kann Wärme, die in der Spulenseite der Ankerwicklung erzeugt wird, auf den Kühlkörper übertragen werden. Daher kann die Wärmefreisetzungsfähigkeit der Ankerwicklung weiter verbessert werden.
Eine D3-Offenbarung ist die D2-Offenbarung, bei der die rotierende elektrische Maschine aufweist: einen elektrischen Leistungswandler, der einen Schalter aufweist und elektrisch mit der Ankerwicklung verbunden ist, und eine Steuerungseinrichtung, die Ein-/Aus des Schalters steuert, um die Ankerwicklung zu speisen. In dem Anker kann ein Zwischenleiterelement zwischen den Spulenseiten in der Umlaufsrichtung vorgesehen sein, und wird ein magnetisches Material oder ein nichtmagnetisches Material als das Zwischenleiterelement verwendet, wobei das magnetische Material eine Beziehung von Wt x Bs ≤ Wm x Br erfüllt, wobei Wt eine Breitenabmessung in der Umlaufsrichtung des Zwischenleiterelements für einen einzelnen Magnetpol ist, Bs eine Sättigungsmagnetflussdichte des Zwischenleiterelements ist, Wm eine Breitenabmessung in der Umlaufsrichtung des Magnetabschnitts für einen einzelnen Magnetpol ist und Br eine Remanenzflussdichte des Magnetabschnitts ist. Alternative kann in dem Anker kein Zwischenleiterelement zwischen den Spulenseiten in der Umlaufsrichtung vorgesehen sein. Der Kühlkörper ist konfiguriert, ein ferromagnetisches Material aufzuweisen.
Gemäß der D3-Offenbarung verringert sich als Ergebnis davon, dass der Anker wie vorstehend konfiguriert ist, die Induktivität in dem Anker, und verringert sich die elektrische Zeitkonstante der rotierenden elektrischen Maschine. Als Ergebnis erhöhen sich, wenn die Steuerungseinrichtung eine Ein-/Aus-Steuerung des Schalters durchführt, Welligkeiten in einem Strom, der zu der Ankerwicklung fließt. Es gibt Bedenken, dass sich die Steuerbarkeit des zu der Ankerwicklung fließenden Stroms sich verringert.
In dieser Hinsicht ist gemäß der D3-Offenbarung der Kühlkörper konfiguriert, ein ferromagnetisches Material (wie Eisen) aufzuweisen. Als Ergebnis dieser Konfiguration kann der Kühlkörper, der zur Wärmefreisetzung verwendet wird, ebenfalls zur Erhöhung der Induktivität in dem Anker verwendet werden. Folglich kann die elektrische Zeitkonstante der rotierenden elektrischen Maschine erhöht werden. Weiterhin kann eine Verringerung der Steuerbarkeit des zu der Ankerwicklung fließenden Stroms unterdrückt werden.
Eine D4-Offenbarung ist irgendeine der D1- bis D3-Offenbarungen, in der von dem ersten Spulenende und dem zweiten Spulenende in dem Spulenende, in dem der ringförmige Hohlraum geformt ist, Verbindungsabschnitte mit der Spulenseite auf der Innenschichtseite in der radialen Richtung und der Spulenseite auf der Außenschichtseite in der radialen Richtung an derselben Position in der Umlaufsrichtung angeordnet sind.
Als Ergebnis der D4-Offenbarung kann eine Länge des Spulenendes, das den ringförmigen Hohlraum formt, verkürzt werden. Ein Widerstandswert des Spulenendes kann reduziert werden. Als Ergebnis kann eine Menge von Wärme, die in dem Spulenende erzeugt wird, wenn ein Strom zu dem Spulenende fließt, reduziert werden.
Figurenliste
Die vorstehend beschriebenen Aufgaben, weitere Aufgaben, Merkmale oder Vorteile gemäß dieser Offenbarung werden anhand der beigefügten Zeichnungen oder der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung deutlich.
In den Zeichnungen zeigen:

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 einer Ampere-Windung 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 zeigt eine Ansicht, die die Anordnung (das Layout) von Leitern an der Position der n-ten Schicht veranschaulicht.
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 zeigt eine Ansicht, die Strömungen von Magnetfluss in einer Magneteinheit demonstriert.
25 zeigt eine Schnittansicht eines Stators in einer Modifikation 1.
26 zeigt eine Schnittansicht eines Stators in der Modifikation 1.
27 zeigt eine Schnittansicht eines Stators in einer Modifikation 2.
28 zeigt eine Schnittansicht eines Stators in einer Modifikation 3.
29 zeigt eine Schnittansicht eines Stators in einer Modifikation 4.
30 zeigt eine Schnittansicht eines Stators in einer Modifikation 7.
31 zeigt ein Funktionsblockschaltbild, das einen Teil von Vorgängen einer Betriebssignalerzeugungseinrichtung in einer Modifikation 8 veranschaulicht.
32 zeigt ein Flussdiagramm, das eine Schrittabfolge zur Ausführung eines Trägerfrequenzänderungsvorgangs veranschaulicht.
33 zeigt eine Ansicht, die Verbindungen von Leitern veranschaulicht, die eine Leitergruppe in einer Modifikation 9 bilden.
34 zeigt eine Ansicht, die einen Stapel von vier Paaren von Leitern in einer Modifikation 4 veranschaulicht.
35 zeigt eine seitliche Schnittansicht eines Rotors der Bauart mit innerem Rotor und eines Stators in einer Modifikation 10.
36 zeigt eine teilweise vergrößerte Ansicht von 35.
37 zeigt eine Längsschnittansicht einer rotierenden elektrischen Maschine der Bauart mit innerem Rotor.
38 zeigt eine Längsschnittansicht, die schematisch eine Struktur einer rotierenden elektrischen Maschine der Bauart mit innerem Rotor veranschaulicht.
39 zeigt eine Ansicht, die eine Struktur einer rotierenden elektrischen Maschine der Bauart mit innerem Rotor in einer Modifikation 11 veranschaulicht.
40 zeigt eine Ansicht, die eine Struktur einer rotierenden elektrischen Maschine der Bauart mit innerem Rotor in einer Modifikation 11 veranschaulicht.
41 zeigt eine Ansicht, die eine Struktur einer rotierenden elektrischen Maschine der Bauart mit umlaufendem Anker in einer Modifikation 12 veranschaulicht.
42 zeigt eine Schnittansicht, die eine Struktur eines Leiters in einer Modifikation 14 veranschaulicht,
43 zeigt eine vertikale Schnittansicht des Rotors und des Stators in einer Modifikation 15,
44 zeigt eine Draufsicht des Rotors und des Stators in der Modifikation 15, von einer Endseite in der axialen Richtung betrachtet,
45 zeigt eine perspektivische Ansicht der Statorwicklung in der Modifikation 15,
46 zeigt eine Längsschnittansicht der Statorwicklung in der Modifikation 15,
47 zeigt eine Vorderansicht der Statorwicklung in der Modifikation 15, in der die Statorwicklung in einem ebenen Zustand ausgedehnt ist,
48 zeigt ein elektrisches Schaltbild eines Steuerungssystems der rotierenden elektrischen Maschine in der Modifikation 15,
49 zeigt eine Darstellung einer Stromerfassungseinrichtung,
50 zeigt eine Darstellung, die einen Herstellungsprozess für die Statorwicklung veranschaulicht,
51 zeigt eine Draufsicht der Statorwicklung in einem anderen Beispiel der Modifikation 15,
52 zeigt eine Längsschnittansicht der Statorwicklung in dem anderen Beispiel der Modifikation 15,
53 zeigt eine Längsschnittansicht des Rotors und des Stators in einer Modifikation 16,
54 zeigt eine perspektivische Ansicht der Statorwicklung in der Modifikation 16,
55 zeigt eine Längsschnittansicht der Statorwicklung in der Modifikation 16,
56 zeigt eine Draufsicht der Statorwicklung in einer Modifikation 17, von einer Endseite in der axialen Richtung betrachtet,
57 zeigt eine Längsschnittansicht der Statorwicklung in der Modifikation 17,
58 zeigt eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen Reluktanzdrehmoment, Magnetdrehmoment und Abstand DM veranschaulicht, und
59 zeigt eine Darstellung, die Zähne veranschaulicht.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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 beschrieben.
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 Silikonnitrid-Stahlbleche, die durch Hinzufügen eines kleinen Anteils (beispielsweise 3%) von Silikon 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 eine Isolierfolie 75, die 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 Isolierfolie 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, die Isolierfolie 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 x 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 X1, 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 x L) / (Kt x 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 x 2 < Wc x 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 x 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 x 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 ausgeführt, 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. Magnete, bei denen hohe Js-Charakteristiken von Neodym etwas verloren sind, jedoch ein hohes Ausmaß von Koerzitivkraft von Dy unter Verwendung von schweren Seltene-Erden-Dysprosium, wie in homotopischen Legierungen wie Dy2Fe14B und Nd2Fe14B, gewährleistet ist, erfüllen gelegentlich eine Beziehung von 2,15 T ≥ Js ≥ 1,2 T, und diese können 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 Magnete 91 und 92 ist derart geformt, dass er eine erste Umfangsoberfläche, die dem Stator 50 zugewandt ist (d.h., eine untere Oberfläche gemäß 9, auf die sich ebenfalls als eine statorseitige äußere Oberfläche bezogen wird), und eine zweite Umfangsoberfläche aufweist, die der q-Achse in der Umlaufrichtung zugewandt ist. Die ersten und zweiten Umfangsoberflächen fungieren als Magnetflusseinwirkungsoberflächen, in die und aus denen Magnetfluss fließt. Die Magnetpfade werden jeweils derart erzeugt, dass sie sich zwischen den Magnetflusseinwirkungsoberflächen erstrecken (d.h., zwischen der statorseitigen äußeren Oberfläche und der zweiten Umfangsoberfläche, die der q-Achse zugewandt ist).
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.
Eine Drei-Phasen-Umwandlungseinrichtung 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, die nahe der d-Achse ausgerichtet ist, stärker parallel zu der d-Achse als diejenige 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 beschrieben.
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 Entmag netisieru ng.
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.
Modifikation 1
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 der Leitergruppen 81 verwendet und sind in der Umlaufrichtung regelmäßig angeordnet. 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] x [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 x 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.
Modifikation 2
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. Es sei bemerkt, dass die Definitionen der Parameter, wie Wt, Wn, A und Bs, die mit dem Stator 50 verknüpft sind, oder Parameter, wie Wm und Br, die mit der Magneteinheit 42 verknüpft sind, sich auf diejenigen gemäß der vorstehend beschriebenen Modifikation 1 beziehen können.
Modifikation 3
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.
Modifikation 4
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.
Modifikation 5
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.
Modifikation 6
Der Stator 50 kann entworfen sein, den Statorkern 52 nicht aufzuweisen. Insbesondere ist der Stator 50 aus der in 12 gezeigten Statorwicklung 51 gebildet. Die Statorwicklung 51 des Stators 50 kann mit einem Dichtungselement abgedeckt werden. Der Stator 50 kann alternativ entworfen sein, eine ringförmige Wicklungsfesthalteeinrichtung, die aus einem nichtmagnetischen Material wie einem synthetischen Harz gebildet ist, anstelle des Statorkerns 52, der aus weichmagnetischem Material gebildet ist, aufzuweisen.
Modifikation 7
Die Struktur gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel verwendet die Magnete 91 und 92, die in der Umlaufrichtung angeordnet sind, um die Magneteinheit 42 des Rotors 40 zu bilden. Die Magneteinheit 42 kann unter Verwendung eines ringförmigen Permanentmagneten gebildet werden. Beispielsweise ist, wie es in 30 veranschaulicht ist, ein ringförmiger Magnet 95 an einem radial inneren Umfang des Zylinders 43 der Magnethalteeinrichtung 41 gesichert. Der ringförmige Magnet 95 ist mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Magnetpolen ausgerüstet, deren Polaritäten abwechselnd in der Umlaufrichtung des ringförmigen Magneten 95 angeordnet sind. Der Magnet 95 liegt einstückig sowohl auf der d-Achse als auch auf der q-Achse. Der ringförmige Magnet 95 weist eine magnetische Ausrichtung, die in der radialen Richtung auf der d-Achse jedes Magnetpols gerichtet ist, und eine magnetische Ausrichtung auf, die in der Umlaufrichtung auf der q-Achse zwischen den Magnetpolen gerichtet ist, wodurch bogenförmige Magnetpfade erzeugt werden.
Der ringförmige Magnet 95 kann entworfen sein, eine leichte Achse der Magnetisierung, die parallel oder fast parallel zu der d-Achse gerichtet ist, nahe der d-Achse aufzuweisen, und ebenfalls eine leichte Achse der Magnetisierung, die senkrecht oder fast senkrecht zu der q-Achse gerichtet ist, nahe der q-Achse aufzuweisen, wodurch die bogenförmigen Magnetpfade erzeugt werden.
Modifikation 8
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 32 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 32 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.
Modifikation 9
Gemäß jedem Ausführungsbeispiel sind zwei Paare von Leitern, die die Leitergruppen 81 für jede Phase bauen, wie es in 33(a) veranschaulicht ist, parallel zueinander angeordnet. 33(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 33(b) veranschaulicht ist, im Gegensatz zu der Verbindung gemäß 33(a) in Reihe miteinander verbunden sein.
Drei oder mehr Paare von Leitern können in der Form von mehreren Schichten gestapelt werden. 34 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 33(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.
Modifikation 10
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. 35 zeigt eine Querschnittsansicht des Rotors 40 und des Stators 50. 36 zeigt eine vergrößerte Ansicht, die teilweise den Rotor 40 und den Stator 50 gemäß 35 veranschaulicht.
Die Innenrotorstruktur gemäß 35 und 36 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 30).
37 zeigt eine Längsschnittansicht der rotierenden elektrischen Maschine 10, die entworfen ist, die Innenrotorstruktur aufzuweisen. 37 entspricht 2. Unterschiede gegenüber der Struktur gemäß 2 sind nachstehend kurz beschrieben. Gemäß 37 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 in der axialen Richtung 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.
38 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 38 unterscheidet sich von derjenigen gemäß 37 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. Es sei bemerkt, dass die Definitionen von Parametern wie Wt, Wn, Wm und Bs, die mit dem Stator 50 verknüpft sind, oder Parametern wie θ11, θ12, X1, X2, Wm und Br, die mit der Magneteinheit 42 verknüpft sind, sich auf diejenigen gemäß dem vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel oder der Modifikation 1 beziehen können.
Modifikation 11
Die Innenrotorstruktur einer rotierenden elektrischen Maschine, die sich von der vorstehend beschriebenen unterscheidet, ist nachstehend beschrieben. 39 zeigt eine auseinandergezogene Ansicht einer rotierenden elektrischen Maschine 200. 40 zeigt eine Schnittseitenansicht der rotierenden elektrischen Maschine 200. In der nachfolgenden Beschreibung beruht eine vertikale Richtung auf der Ausrichtung der rotierenden elektrischen Maschine 200.
Die rotierende elektrische Maschine 200 weist, wie es in 39 und 40 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. Es sei bemerkt, dass die Definition von Parametern, wie Wt, Wn, Wm und Bs, die mit dem Stator 50 verknüpft sind, oder Parametern, wie θ11, θ12, X1, X2, Wm und Br, die mit der Magneteinheit 42 verknüpft sind, sich auf diejenigen gemäß dem vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel oder der Modifikation 1 beziehen können.
Modifikation 12
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. 41 veranschaulicht eine rotierende elektrische Maschine 230 der Bauart mit umlaufendem Anker.
Die rotierende elektrische Maschine 230 gemäß 41 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.
Modifikation 13
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.
Modifikation 14
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 42 veranschaulicht.
Gemäß 42 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, Silizium, 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, Silizium, 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 Silizium 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.
Modifikation 15
Ein Stator, der wie nachstehend beschrieben konfiguriert ist, kann ebenfalls als der Stator der in 1 gezeigten rotierenden elektrischen Maschine 10 verwendet werden. Der Stator gemäß der vorliegenden Modifikation ist nachstehend ausführlich beschrieben. 43 zeigt eine Längsschnittansicht, die eine vertikale Ebene eines Rotors 710 und einen Stator 720 der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Modifikation veranschaulicht. 44 zeigt eine Draufsicht des Rotors 710 und des Stators 720, von einer Endseite in der axialen Richtung aus betrachtet.
Wie es in 43 und 44 gezeigt ist, ist die rotierende elektrische Maschine gemäß der vorliegenden Modifikation eine rotierende elektrische Maschine der Oberflächenmagnetbauart und Innenrotorbauart. Die rotierende elektrische Maschine weist den Stator 710, der an einer Drehwelle 701 derart befestigt ist, dass er sich einstückig mit der Drehwelle 701 drehen kann, und den Stator 720 auf, der auf einer äußeren Seite in der radialen Richtung des Rotors 710 vorgesehen ist. In einer Weise, die ähnlich zu derjenigen der vorstehend beschriebenen Konfiguration ist, wird die Drehwelle 710 durch ein (nicht gezeigtes) Lager drehbar gestützt. Gemäß der vorliegenden Modifikation entspricht der Rotor 710 einem „Feldelement“. Der Stator 720 entspricht einem „Anker“.
Der Rotor 710 weist einen Rotorkern 711 und eine ringförmige Magneteinheit 712 auf, die an dem Rotorkern 711 befestigt ist. Die Magneteinheit 712 ist durch eine Vielzahl von Permanentmagneten konfiguriert, die derart angeordnet sind, dass Polaritäten sich entlang der Umlaufsrichtung des Rotors 710 abwechselnd ändern. Als Ergebnis weist die Magneteinheit 712 eine Vielzahl von Magnetpolen in der Umlaufsrichtung auf. Die Magneteinheit 712 weist die vorstehend beschriebene Konfiguration wie die Magneteinheit 42 in 8 und 9 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel auf. Als Permanentmagnet wird ein gesinterter Neodymmagnet verwendet, dessen intrinsische Koerzitivkraft gleich wie oder größer als 400 kA/m ist und dessen Remanenzflussdichte Br gleich wie oder größer als 1,0 T ist.
In einer Weise, die ähnlich zu der Magneteinheit 42 in 9 und dergleichen ist, weist die Magneteinheit 712 einen ersten Magneten 91 und einen zweiten Magneten 92 auf, von denen jeder ein aniosotroper Magnet ist und die sich voneinander in der Polarität unterscheiden. Wie es in 8 und 9 gezeigt ist, unterscheidet sich in jedem der Magnete 91 und 92 die Orientierung der leichten Achse der Magnetisierung zwischen der d-Achsen-Seite (einem Abschnitt näher zu der d-Achse) und der q-Achsen-Seite (einem Abschnitt näher zu der q-Achse). Die Orientierung der leichten Achse der Magnetisierung auf der d-Achsen-Seite ist eine Orientierung, die nahe an einer Richtung ist, die parallel zu der d-Achse ist. Die Orientierung der leichten Achse der Magnetisierung auf der q-Achsen-Seite ist eine Orientierung, die nahe an einer Richtung ist, die senkrecht zu der q-Achse ist. Zusätzlich wird ein kreisbogenförmiger Magnetpfad durch eine Orientierung geformt, die auf den Orientierungen der leichten Achsen der Magnetisierung beruht. Dabei kann in jedem der Magnete 91 und 92 die leichte Achse der Magnetisierung derart orientiert werden, dass sie auf der d-Achsen-Seite parallel zu der d-Achse wird. Die leichte Achse der Magnetisierung kann derart orientiert werden, dass sie auf der q-Achsen-Seite senkrecht zu der q-Achse ist. Anders ausgedrückt ist die Magneteinheit 712 derart konfiguriert, dass an Stellen, die näher an der d-Achse sind, die eine Magnetpolmitte ist, die Orientierung der leichten Achse der Magnetisierung stärker parallel zu der d-Achse orientiert ist, als sie es an Stellen ist, die näher an der q-Achse sind, die eine Magnetpolgrenze ist. Dabei können als die Magneteinheit 712 die in 22 und 23 gezeigte Konfiguration der Magneteinheit 42 oder die in 30 gezeigte Konfiguration der Magneteinheit 42 ebenfalls verwendet werden.
Weiterhin weist der Stator 750 eine Statorwicklung 721 und einen Statorkern 722 auf. Die Statorwicklung 721 ist aus einer Vielzahl von Phasenwicklungen zusammengesetzt, die derart geformt sind, dass sie im Wesentlichen in eine zylindrische (ringförmige) Form gewickelt sind. Der Statorkern 722, der als ein Basiselement dient, ist an einer äußeren Seite in der radialen Richtung der Statorwicklung 721 angebracht. Gemäß der vorliegenden Modifikation ist die Statorwicklung 721 als Phasenwicklungen für drei Phasen durch Verwendung von Phasenwicklungen für eine U-Phase, eine V-Phase und eine W-Phase konfiguriert. In 44 ist die Phasenwicklung der gleichen Phase (wie eine U-Phasen-Wicklung) in der Statorwicklung 721 mit Punkten angegeben. Die Statorwicklung 721 ist durch einen Leiter 723 konfiguriert, der in zwei Schichten ist, die innerhalb und außerhalb in der radialen Richtung sind. In einer Weise, die ähnlich zu dem vorstehend beschriebenen Stator 50 und dergleichen ist, ist der Stator 27 dadurch gekennzeichnet, dass er eine nutenlose Struktur und eine abgeflachte Leiterstruktur in der Statorwicklung 721 aufweist. Der Stator 720 weist eine Konfiguration auf, die ähnlich oder identisch zu derjenigen des in 8 bis 19 gezeigten Stators 50 ist.
Dabei sind in der in 44 gezeigten Statorwicklung 721 die Leiter der gleichen Phase jeweils als ein einzelner in der Umlaufsrichtung angeordnet. Jedoch können stattdessen die Leiter der gleichen Phase zu zweit in der Umlaufsrichtung angeordnet sein.
Eine Konfiguration des Statorkerns 722 ist nachstehend beschrieben. Obwohl in den Zeichnungen nicht gezeigt, ist der Statorkern 722 an einem Gehäuse angebracht, das derart vorgesehen ist, dass es den Statorkern 722 umgibt.
In einer ähnlichen Weise zu dem vorstehend beschriebenen Statorkern 52 ist der Statorkern 722 durch eine Vielzahl elektromagnetischer Stahlbleche geformt, die in axialer Richtung gestapelt sind, und weist eine kreisförmige zylindrische Form auf, die eine vorbestimmte Dicke in der radialen Richtung aufweist. Die Statorwicklung 721 ist an einer inneren Seite in der radialen Richtung angebracht, die die Seite des Rotors 710 des Statorkerns 722 ist. Eine äußere Umfangsoberfläche des Statorkerns 722 weist eine gekrümmte Form ohne Ungleichheiten auf. In einem Zustand, in dem die Statorwicklung 721 an den Statorkern 722 angebracht ist, sind die Leiter 723, die die Statorwicklung 721 konfigurieren, nebeneinander in der Umlaufsrichtung auf einer inneren Umfangsoberfläche des Statorkerns 722 angeordnet. Der Statorkern 722 fungiert als ein Gegenkern.
Der Stator 720 kann einer sein, in der irgendeine der nachfolgenden (A) bis (C) verwendet werden.

(A) In dem Stator 720 ist ein Zwischenleiterelement zwischen den Leitern 723 in der Umlaufsrichtung vorgesehen. Zusätzlich wird ein magnetisches Material für das Zwischenleiterelement verwendet. Das magnetische Material erfüllt eine Beziehung von Wt × Bs ≤ Wm × Br, wobei Wt eine Breitenabmessung in der Umlaufsrichtung des Zwischenleiterelements für einen einzelnen Magnetpol ist, Bs die Sättigungsmagnetflussdichte des Zwischenleiterelements ist, Wm eine Breitenabmessung in der Umlaufsrichtung der Magneteinheit 712 für einen einzelnen Magnetpol ist, und Br die Remanenzflussdichte der Magneteinheit 712 ist.
(B) In dem Stator 720 ist ein Zwischenleiterelement zwischen den Leitern 723 in der Umlaufsrichtung vorgesehen. Zusätzlich wird für das Zwischenleiterelement ein nichtmagnetisches Material verwendet.
(C) In dem Stator 720 ist kein Zwischenleiterelement zwischen den Leitern 723 in der Umlaufsrichtung vorgesehen.

Als Ergebnis einer derartigen Konfiguration des Stators 720 wird die Induktivität reduziert, im Vergleich zu derjenigen einer rotierenden elektrischen Maschine, die eine typische Zahnstruktur aufweist, in der Zähne (Eisenkern) zur Herstellung eines Magnetpfads zwischen Leiterabschnitten für die Statorwicklung 721 vorgesehen sind. Insbesondere wird die Induktivität auf 1/10 oder weniger reduziert. In diesem Fall verringern sich die Impedanz im Zusammenhang mit der Verringerung der Induktivität. Daher erhöht sich die Ausgangsleistung in Bezug auf die Eingangsleistung der rotierenden elektrischen Maschine, wodurch zu einer Erhöhung des Drehmoments beigetragen wird. Zusätzlich kann im Vergleich zu einer rotierenden elektrischen Maschine, die einen Rotor der Bauart mit eingebettetem Magneten verwendet, in der Drehmomentabgabe unter Verwendung einer Spannung einer Impedanzkomponente (anders ausgedrückt unter Verwendung von Reluktanzdrehmoment) durchgeführt wird, eine rotierende elektrische Maschine mit hoher Ausgangsleistung bereitgestellt werden.
Weiterhin ist es in dem Stator 720 gemäß der vorliegenden Modifikation weniger wahrscheinlich, dass magnetische Sättigung auftritt, da die Induktivität reduziert werden kann. Daher kann die Dicke (Dicke in der radialen Richtung) des Statorkerns 722 reduziert werden.
Gemäß der vorliegenden Modifikation ist die Statorwicklung 721 derart konfiguriert, dass sie einstückig mit dem Statorkern 722 durch ein Gussmaterial (Isolierelement) vergossen ist, das aus Harz oder dergleichen zusammengesetzt ist. Das Gussmaterial wird zwischen den Leitern 723 angeordnet, die in der Umlaufsrichtung angeordnet sind. Auf der Grundlage dieser Konfiguration entspricht der Stator 720 des vorliegenden Beispiels der Konfiguration in (B), unter den vorstehend beschriebenen (A) bis (C). Zusätzlich sind die in der Umlaufsrichtung zueinander benachbarten Leiter 723 derart angeordnet, dass Endoberflächen davon in der Umlaufsrichtung in Kontakt miteinander oder in der Nähe mit einem kleinen Freiraum dazwischen sind. Auf der Grundlage dieser Konfiguration kann der Stator 720 des vorliegenden Beispiels der Konfiguration in dem vorstehend Beschriebenen (C) entsprechen. Dabei können, wenn die Konfiguration in dem vorstehend Beschriebenen (A) verwendet wird, beispielsweise Vorsprünge auf der äußeren Umfangsoberfläche des Statorkerns 722 vorgesehen werden, um mit der Orientierung der Leiter 723 in der axialen Richtung übereinzustimmen, das heißt, einem Schrägungswinkel übereinzustimmen, sollte die Statorwicklung 21 beispielsweise eine geschrägte Struktur aufweisen.
Nachstehend ist eine Konfiguration der Statorwicklung 721 unter Bezugnahme auf 45 und 46 beschrieben. 45 zeigt eine perspektivische Darstellung der Statorwicklung 721. 46 zeigt eine Längsschnittansicht der Statorwicklung 721. Zusätzlich zeigt 47 eine Vorderansicht der Statorwicklung 721, in der die Statorwicklung 721 in einem ebenen Zustand ausgedehnt ist. 47(a) zeigt die Leiter 723, die in der äußeren Schicht in der radialen Richtung positioniert sind. 47(b) zeigt die Leiter 723, die in der inneren Schicht in der radialen Richtung positioniert sind.
Die Statorwicklung 721 ist dadurch geformt, dass sie in einer kreisförmigen ringförmigen Form durch verteilte Wicklung gewickelt ist. Die Statorwicklung 721 weist eine Spulenseite 725, die nebeneinander mit dem Statorkern 722 in der radialen Richtung angeordnet ist, und erste und zweite Spulenenden 726A und 726B auf, die weiter zu den äußeren Seiten in der axialen Richtung als die Spulenseite 725 liegen. Die ersten und zweiten Spulenenden 726A und 726B sind derart vorgesehen, dass sie zu den äußeren Seiten in der radialen Richtung von der Spulenseite 725 auf beiden Endseiten in der axialen Richtung der Statorwicklung 721 vorspringen.
Die Statorwicklung 712 ist derart konfiguriert, dass ein Leitermaterial in zwei Schichten, die innen und außen in der radialen Richtung sind, gewickelt ist. In der Spulenseite 725 sind zwei Schichten von Leitern 723 in der radialen Richtung angeordnet. In den ersten und zweiten Spulenenden 726A und 726B wendet der Leiter 723 in einer kreisförmigen Form und verbindet die Innenschichtseite und die Außenschichtseite. In diesem Fall ist der Leiter 723 auf der Innenschichtseite in einer linearen Form geformt, ohne dass er zu der inneren Seite in der radialen Richtung in Bezug auf die Spulenseite 725 in den ersten und zweiten Spulenenden 726A und 726B vorspringt. Demgegenüber ist der Leiter 723 auf der Außenschichtseite derart geformt, dass er zu der äußeren Seite in der radialen Richtung in Bezug auf die Spulenseite 725 in den ersten und zweiten Spulenenden 726A und 726B vorspringt. Die Leiter 723 sind voneinander isoliert. Wie es in 13 gezeigt ist, kann der Leiter 723 derart konfiguriert sein, dass eine Sammlung einer Vielzahl von Drähten 86 durch einen Isolierfilm bedeckt wird.
Die ersten und zweiten Spulenenden 726A und 726B sind derart konfiguriert, dass ein Trennungsabstand zwischen der Innenschichtseite und der Außenschichtseite größer als derjenige in der Spulenseite 725 ist, und die Wendung ist in einer kreisförmigen Form auf der Innenschichtseite und der Außenschichtseite ausgeführt. Daher kann beispielsweise im Vergleich zu einer Konfiguration, bei der die Wendung auf der Innenschichtseite und der Außenschichtseite ausgeführt ist, wobei der Trennungsabstand zwischen der Innenschichtseite und der Außenschichtseite auf denselben wie in der Spulenseite 725 eingestellt ist, eine Last, mit der der Leiter 723 in den ersten und zweiten Spulenenden 726A und 726B beaufschlagt wird, reduziert werden. In diesem Fall ist es lediglich erforderlich, dass die ersten und zweiten Spulenenden 726A und 726B derart sind, dass der Leiter 723 eine Wendung in einer kreisförmigen Bogenform mit einem Durchmesser macht, der von einem Ausmaß ist, dass eine übermäßige Biegespannung an dem Leiter, eine Beschädigung des Isolierfilms und dergleichen in einem Zustand, in dem der Leiter 723 gekrümmt wird, nicht auftritt. Gemäß der vorliegenden Modifikation sind die ersten und zweiten Spulenenden 726A und 726B mit einem Durchmesser von etwa 4 bis 6 mm gekrümmt. Dabei kann der Durchmesser, mit dem die ersten und zweiten Spulenenden 726A und 726B gekrümmt werden, etwa 3 mm minimal sein.
Dabei kann zu einer kontinuierlichen Verbindung der Leiter 723 in der Umlaufsrichtung in Betracht gezogen werden, die Leiter 723 in den ersten und zweiten Spulenenden 726A und 726B durch Schweißen oder dergleichen zu verbinden. Jedoch kann als Ergebnis der vorstehend beschriebenen Konfiguration eine kontinuierliche Verbindung in der Statorwicklung 721 in geeigneter Weise erhalten werden, ohne dass ein Schweißvorgang erforderlich ist.
In der Statorwicklung 721 ist ein einzelner Leiterabschnitt derselben Phase durch zwei Schichten von Leitern 723 in der radialen Richtung konfiguriert. Der Leiterabschnitt ist jeweils als ein einzelner innerhalb eines einzelnen Magnetpols vorgesehen. Jeder der Leiter 723, die in der Umlaufsrichtung angeordnet sind, weist vorzugsweise eine Dickenabmessung in der radialen Richtung auf, die kleiner als eine Breitenabmessung in der Umlaufsrichtung für eine einzelne Phase innerhalb eines einzelnen Magnetpols ist. Als Ergebnis weist die Statorwicklung 721 eine abgeflachte Leiterstruktur auf.
Dabei ist gemäß 43 eine Dicke in der radialen Richtung der ersten und zweiten Spulenenden 726A und 726B größer als eine Dicke in der radialen Richtung des Statorkerns 722. Das heißt, dass die ersten und zweiten Spulenenden 726A und 726B derart geformt sind, dass sie weiter zu der äußeren Seite in der radialen Richtung hin als der Statorkern 722 vorspringen. Als Ergebnis wird eine Bewegung der Statorwicklung 721 in der axialen Richtung beschränkt. Ein Verriegeln der Statorwicklung 721 kann erhalten werden.
Dabei kann die Dicke in der radialen Richtung der ersten und zweiten Spulenenden 726A und 726B dieselbe wie die Dicke in der radialen Richtung des Statorkerns 722 sein. Alternativ dazu kann die Dicke in der radialen Richtung der ersten und zweiten Spulenenden 726A und 726B kleiner als die Dicke in der radialen Richtung des Statorkerns 722 sein.
Wenn die ersten und zweiten Spulenenden 726A und 726B beide derart geformt sind, dass sie zu der äußeren Seite in der radialen Richtung auf beiden Seiten in der axialen Richtung der Statorwicklung 721 vorspringen, wie es vorstehend beschrieben worden ist, kann der Statorkern 722 in eine Vielzahl von Sektionen in der Umlaufsrichtung unterteilt werden. Diese Sektionen können zu der Statorwicklung 721 zusammengebaut werden.
Die Statorwicklung 721 weist eine abgeschrägte Struktur auf. Wie es in 47(a) und (b) gezeigt ist, sind in der Spulenseite 725 die Leiter 723 auf der Innenschichtseite und der Außenschichtseite in Richtungen geschrägt, die voneinander abweichen. Insbesondere unterscheidet sich, wie es in 46 gezeigt ist, in der Statorwicklung 721 ein Zustand des Schrägens zwischen einem Mittenbereich AR1, die die Spulenseite 725 aufweist, und einem Endabschnittsbereich AR2, der die ersten und zweiten Spulenenden 726A und 726B aufweist. In dem Mittenbereich AR1 ist ein Schrägungswinkel, der ein Neigungswinkel in Bezug auf die axiale Richtung ist, größer als derjenige in dem Endabschnittsbereich AR2. In diesem Fall ist in dem Endabschnittsbereich AR2 der Schrägungswinkel kleiner als derjenige des Mittenbereichs AR1. Alternativ dazu weist der Endabschnittsbereich AR2 keine Schrägung (einen Schrägungswinkel von Null) auf. In der Statorwicklung 721 sind in der Spulenseite 725 die Leiter 723 nebeneinander in der Umlaufsrichtung derart angeordnet, dass sie zu einem vorbestimmten Schrägungswinkel geneigt sind. Zusätzlich wird in den ersten und zweiten Spulenenden 726A und 726B der Leiter 723 gewendet (macht eine Wendung) in der axialen Richtung und ist kontinuierlich verbunden. In diesem Fall geht jedes Mal, wenn der Leiter 723 in der axialen Richtung in den ersten und zweiten Spulenenden 726A und 726B gewendet wird, der Leiter 723 auf einer Seite in der Umlaufsrichtung über, während er sich abwechselnd zwischen der Innenschichtseite und der Außenschichtseite ändert.
In dem Endabschnittsbereich AR2 ist der Schrägungswinkel kleiner als in dem Mittenbereich AR1. Alternativ dazu ist keine Schrägung (der Schrägungswinkel ist Null) in dem Endabschnittsbereich AR2. Daher kann eine Länge des Leiters 723 in den ersten und zweiten Spulenenden 726A und 726B minimiert werden. Das heißt, dass, Bedenken bestehen, dass in den ersten und zweiten Spulenenden 726A und 726B die Leiterlänge lang wird, da der Leiter 723 eine Wendung in einer kreisförmigen Form macht. Jedoch kann als Ergebnis davon, dass der Schrägungswinkel reduziert wird oder auf Null eingestellt wird, die Leiterlänge minimiert werden kann. Gemäß der vorliegenden Modifikation kehrt der Leiter 723 zu einer gleichen Position in der Umlaufsrichtung durch eine einzelne Wendung des Leiters 723 in den ersten und zweiten Spulenenden 726A und 726B zurück. Jedoch kann der Leiter 723 etwas in die Umlaufsrichtung durch eine einzelne Wendung des Leiters 723 in den ersten und zweiten Spulenenden 726A und 726B verschoben werden. Beispielsweise kann der Leiter 723 zu einer Position zurückkehren, die um eine Größe verschoben ist, die so groß ist wie ein eine einzelne Leiterunterteilung.
In den ersten und zweiten Spulenenden 726A und 726B ist als Ergebnis davon, dass der Leiter 723 auf der Außenschichtseite zu der Außenschichtseite in der radialen Richtung vorspringt, ein Hohlraum 727 innerhalb der ersten und zweiten Spulenenden 726A und 726B geformt. Der Hohlraum 727 ist als ein ringförmiger Raum geformt, der in der Umlaufsrichtung verbunden ist. Der Hohlraum 727 fungiert als ein Wärmefreisetzungsabschnitt, der Wärme freisetzt, die in der Statorwicklung 721 erzeugt wird. Wie es in 43 gezeigt ist, formt ein Ring 728, der einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, eine kreisringförmige Form und dient als ein Kühlkörper, der innerhalb des Hohlraums 727 eingesetzt werden kann. Der Ring 728 ist ein Wärmefreisetzungselement, das aus einem Metallmaterial zusammengesetzt ist, und ist derart angeordnet, dass er nahe an oder in Kontakt mit dem Leiter 723 innerhalb des Hohlraums 727 ist.
Der Ring 728 kann konfiguriert sein, ein ferromagnetisches Material aufzuweisen. Insbesondere kann der Ring 728 aus Eisen zusammengesetzt sein. Zusätzlich dazu, dass er massiv ist, wie es in 43 gezeigt ist, kann der Ring 728 hohl sein. Wenn der Ring 728 hohl ist, kann ein Kühlmittel wie ein Kühlwasser durch den hohlen Abschnitt geführt werden.
Dabei ist der Ring 728 nicht auf das ferromagnetische Material begrenzt. Beispielsweise kann der Ring 728 aus einem nichtmagnetischen Material wie Aluminium zusammengesetzt sein.
Die Statorwicklung 721 ist derart konfiguriert, dass die Phasenwicklungen der drei Phasen durch eine Sternschaltung verbunden sind. Die Phasenwicklungen sind miteinander an einem Ende (einem Endabschnitt auf der Neutralpunktseite) mit einem Neutralpunktverbindungselement dazwischen verbunden. Ein anderes Ende (ein Endabschnitt auf der Wechselrichterseite) jeder Phasenwicklung ist mit dem Wechselrichter mit einem Verbindungsanschluss für eine externe Verbindung dazwischen verbunden.
Wie es in 44 bis 46 gezeigt ist, sind in der Statorwicklung 721 die Phasenwicklungen der drei Phasen miteinander an einem Ende durch eine Neutralpunktstromschiene 731 verbunden, die als das Neutralpunktverbindungselement dient. Die Neutralpunktstromschiene 731 weist eine kreisringförmige Form auf und ist mit jeder Phasenwicklung der drei Phasen zu einem gleichen Intervall (das heißt zu einem Intervall von 120° im Hinblick auf den mechanischen Winkel) in der Umlaufsrichtung verbunden. Zusätzlich ist das andere Ende jeder Phasenwicklung in der Statorwicklung 721 mit einem Verbindungsanschluss 732 verbunden.
Genauer sind in der Statorwicklung 721 erste Endabschnitte 741 auf der Neutralpunktseite der Phasenwicklung der drei Phasen derart angeordnet, dass sie zu gleichen Intervallen (das heißt zu einem Intervall von 120° im Hinblick auf den mechanischen Winkel) in der Umlaufsrichtung verstreut sind. Jeder erste Endabschnitt 741 ist mit der Neutralpunktstromschiene 731 verbunden. Insbesondere ist der erste Endabschnitt 741 jeder Phasenwicklung derart vorgesehen, dass er sich in der axialen Richtung von der Innenschichtseite in dem ersten Spulenende 726A auf einer Seite in der axialen Richtung erstreckt. Die Neutralpunktstromschiene 731 ist mit dem ersten Endabschnitt 741 durch Schweißen, Anhaften oder dergleichen verbunden. Der erste Endabschnitt 741 und die Neutralpunktstromschiene 731 sind im Hinblick sowohl auf die elektrische Verbindung als auch auf die mechanische Verbindung verbunden.
Außerdem sind in einer ähnlichen Weise zweite Endabschnitte 742 auf der Wechselrichterseite der Phasenwicklungen der drei Phasen derart angeordnet, dass sie zu gleichen Intervallen (das heißt zu einem Intervall von 120° im Hinblick auf den mechanischen Winkel) in der Umlaufsrichtung verstreut sind. Der Verbindungsanschluss 732 ist mit jedem zweiten Endabschnitt 742 verbunden. Insbesondere ist der zweite Endabschnitt 742 jeder Phasenwicklung derart vorgesehen, dass er sich zu der äußeren Seite in der radialen Richtung von der Außenschichtseite in dem ersten Spulenende 726A auf einer Seite in der axialen Richtung erstreckt. Der Verbindungsanschluss 732 ist mit dem zweiten Endabschnitt 742 verbunden.
In jeder Phasenwicklung der drei Phasen in der Statorwicklung 721 sind eine Startendposition und eine Anschlussendposition (Positionen der Endabschnitte 741 und 742) in der Umlaufsrichtung dieselben. Daher sind, wie es in 44 gezeigt ist, die Phasenwicklungen der U-Phase, der V-Phase und der W-Phase jeweils mit der Neutralpunktstromschiene 731 verbunden und mit dem Verbindungsanschluss 732 an derselben Position in der Umlaufsrichtung verbunden.
Eine Konfiguration eines Wechselrichters 900 und dergleichen ist nachstehend unter Bezugnahme auf 48 beschrieben.
Der Wechselrichter 900 weist eine Anzahl von Reihenschaltungskörpern, die aus einem Oberzweigschalter 901 und einem Unterzweigschalter 902 zusammengesetzt sind, in derselben Anzahl wie die Anzahl der Phasen auf. Für jede Phase ist der zweite Endabschnitt 742 der Phasenwicklung mit einem Verbindungspunkt zwischen dem Oberzweigschalter 901 und dem Unterzweigschalter 902 mit einer Verdrahtung 910 und dem Verbindungsanschluss 732 dazwischen verbunden. Beispielsweise ist die Verdrahtung 910 eine Stromschiene. Beispielsweise weist die Verdrahtung 910 eine Konfiguration auf, die der Stromschiene 76c gemäß 2 entspricht.
Eine Ansteuerungsschaltung 903 führt eine Ein-/Aus-Steuerung von jedem der Schalter 901 und 902 durch. Die Wicklung jeder Phase wird durch die Ein-/AusSteuerung gespeist. Beispielsweise sind die Schalter 901 und 902 jeweils durch ein Halbleiterschaltelement wie ein MOSFET oder ein IGBT konfiguriert. 48 zeigt einen Fall, in dem jeder der Schalter 901 und 902 ein IGBT ist. In den oberen und unteren Zweigen jeder Phase ist ein Kondensator 904 zur elektrischen Ladungszufuhr parallel zu dem Reihenschaltungskörper der Schalter 901 und 902 geschaltet. Der Kondensator 904 führt elektrische Ladung, die während des Schaltens erforderlich ist, jedem der Schalter 901 und 902 zu. Eine Gleichstromleistungsversorgung 905 und ein Glättungskondensator 906 sind parallel zu dem Reihenschaltungskörper der Ober- und Unterzweigschaltern 901 und 902 geschaltet.
Das Steuerungssystem weist eine Stromerfassungseinrichtung 930 auf, die einen zu der Verdrahtung 910 fließenden Strom erfasst. Gemäß der vorliegenden Modifikation ist die Stromerfassungseinrichtung 930 individuell für jede Verdrahtung 910 vorgesehen. Wie es in 49 gezeigt ist, ist die Stromerfassungseinrichtung 930 eine kontaktfreie Bauart, die einen Eisenkern 931 und ein Hall-Element 932 aufweist, das als eine Spannungsausgabeeinheit dient. Der Eisenkern 931 weist eine ringförmige Form auf, die die Verdrahtung 910 umgibt und einen Spalt formt. Das Hall-Element 832 ist in dem Spalt angeordnet und gibt eine Spannung aus, die proportional zu der in dem Spalt erzeugten Magnetflussdichte ist. Die Stromerfassungseinrichtung 930 erfasst einen Stromwert, der zu der Verdrahtung 910 fließt, auf der Grundlage der Ausgangsspannung des Hall-Elements 932. Ein Erfassungswert der Stromerfassungseinrichtung 930 wird in eine Steuerungseinrichtung 920 eingegeben, die in dem Steuerungssystem enthalten ist.
Die Abmessung des Eisenkerns 931 ist in einer Richtung, in der die Verdrahtung 910 sich erstreckt, größer als eine Dickenabmessung in der radialen Richtung davon. Zusätzlich ist eine Querschnittsfläche Sa der Verdrahtung 910 größer als eine Querschnittsfläche Scs der Spulenseite 725.
Die Steuerungseinrichtung 920 ist durch einen Mikrocomputer konfiguriert, der aus einer Zentralverarbeitungseinheit (CPU) und verschiedenen Speichern zusammengesetzt ist. Die Steuerungseinrichtung 920 führt eine Speisungssteuerung durch Durchführung einer Ein-/Aus-Steuerung der Schalter 901 und 902 auf der Grundlage verschiedener Arten von Erfassungsinformationen sowie Anforderungen in Bezug auf einen Motorbetrieb und einen Generatorbetrieb der rotierenden elektrischen Maschine. Beispielsweise führt die Steuerungseinrichtung 920 die Ein-/Aus-Steuerung der Schalter 901 und 902 durch eine PWM-Steuerung zu einer vorbestimmten Schaltfrequenz (Trägerfrequenz) oder eine Rechteckwellensteuerung durch. Die Steuerungseinrichtung 920 kann ein internes Steuerungsgerät sein, das innerhalb der rotierenden elektrischen Maschine vorgesehen ist. Alternativ kann die Steuerungseinrichtung 920 ein externes Steuerungsgerät sein, das außerhalb der rotierenden elektrischen Maschine vorgesehen ist.
Dabei kann ein Stromsensor 215 für jede jeweilige Verdrahtung 910 von zwei der drei Phasen vorgesehen sein.
Wie es in 45 und 46 gezeigt ist, kann als Ergebnis davon, dass die ersten Endabschnitte 741 (die Endabschnitte an der Neutralpunktseite) der Phasenwicklungen miteinander mit der kreisförmigen ringförmigen Neutralpunktstromschiene 731 dazwischen verbunden sind, die Induktivität der Statorwicklung 721 erhöht werden. Das heißt, dass in der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Modifikation, während eine Erhöhung des Drehmoments in Zusammenhang mit der Verringerung der Induktivität als Ergebnis davon, dass die Zähne des Statorkerns 722 beseitigt sind oder kleiner gemacht sind, erwartet werden kann, eine Verschlechterung der Stromsteuerbarkeit, die eine übermäßige Verringerung der elektrischen Zeitkonstante unter Verringerung der Induktivität begleitet, ein Problem wird. In dieser Hinsicht erhöht sich als Ergebnis davon, dass die Neutralpunktstromschiene 731 vorgesehen ist, die Induktivität in dem Stator 720, und wird die Stromsteuerbarkeit verbessert.
Zusätzlich sind die ersten Endabschnitte 741 der Phasenwicklungen mit der Neutralpunktstromschiene 731 zu gleichen Intervallen in der Umlaufsrichtung verbunden. Daher sind in der Neutralpunktstromschiene 731 eine Stromschienenlänge zwischen der U-Phase und der V-Phase, eine Stromschienenlänge zwischen der V-Phase und der W-Phase und eine Stromschienenlänge zwischen der V-Phase und der W-Phase identisch. Daher kann ein Differieren der Induktivität für jede Phasenwicklung der Statorwicklung 721 unterdrückt werden.
Zusätzlich ist in der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Modifikation ein Teil der Neutralpunktstromschiene 731 mit den zweiten Endabschnitten 742 der Phasenwicklungen verbunden. Insbesondere weist die Neutralpunktstromschiene 731 einen kreisförmigen ringförmigen Neutralpunktverbindungsabschnitt 734 und einen Zweigabschnitt 735 für jede Phasenwicklung auf, der sich zu der äußeren Seite in der radialen Richtung von dem Neutralpunktverbindungsabschnitt 734 hin erstreckt. Der Zweigabschnitt 735 ist mechanisch mit dem zweiten Endabschnitt 742 der Phasenwicklung mit einer Isolierfolie 736 dazwischen verbunden. Die Isolierfolie 736 weist elektrisch isolierende Eigenschaften auf. Die Neutralpunktstromschiene 731 und der zweite Endabschnitt 742 jeder Phasenwicklung sind mechanisch verbunden, jedoch elektrisch isoliert. Wie es in 46 gezeigt ist, ist der erste Endabschnitt 741 jeder Phasenwicklung mit einer rückseitigen Oberfläche jedes Zweigabschnitts 735 verbunden. Dabei ist der kreisringförmige äußere Durchmesser des Neutralpunktverbindungsabschnitts 734 kleiner als ein innerer Durchmesser der Statorwicklung 721.
Als Ergebnis davon, dass die Neutralpunktstromschiene 731 und die zweiten Endabschnitte 741 (die Endabschnitte auf der Wechselrichterseite) der Phasenwicklungen integriert sind und eine integrierte Struktur formen, werden hervorragende Wirkungen in Bezug auf Wärme und Vibrationen erzielt, die in der Statorwicklung 721 erzeugt werden.
Das heißt, dass in der Statorwicklung 721 Wärme in Zusammenhang mit der Speisung der Phasenwicklung jeder Phase erzeugt wird und die Temperatur sich erhöht. In dieser Hinsicht ist in der vorstehend beschriebenen Konfiguration der erste Endabschnitt 741 jeder Phasenwicklung mit der Neutralpunktstromschiene 731 verbunden. Zusätzlich ist der zweite Endabschnitt 742 an der Neutralpunktstromschiene 731 mit der Isolierfolie 736, die als eine Isolierschicht dazwischen dient, befestigt. Als Ergebnis wird die Wärme, die in jeder Phasenwicklung erzeugt wird, auf die Neutralpunktstromschiene 731 übertragen und von der Neutralpunktstromschiene 731 freigesetzt. In dieser Hinsicht wird, da die Phasenwicklungen gleichmäßig in der Umlaufsrichtung mit der Neutralpunktstromschiene 731 verbunden sind, die Wärmefreisetzung gleichmäßig für alle Phasenwicklungen durchgeführt.
Außerdem unterscheiden sich, wenn die Neutralpunktstromschiene 731 und die zweiten Endabschnitte 742 der Phasenwicklungen verglichen werden, die Speisungsperioden. Obwohl die zweiten Endabschnitte 742 der Phasenwicklungen in der Reihenfolge der Speisung der Phasen gespeist werden, wird die Neutralpunktstromschiene 731 stets während des Betriebs der rotierenden elektrischen Maschine ungeachtet der Reihenfolge der Speisung der Phasen gespeist. In diesem Fall kann eine Temperaturdifferenz, die zwischen der Neutralpunktstromschiene 731 und den zweiten Endabschnitten 742 der Phasenwicklungen auftritt, in Betracht gezogen werden. Jedoch tritt als Ergebnis davon, dass die Neutralpunktstromschiene 731 und die zweiten Endabschnitte 742 mechanisch verbunden sind, eine Wärmeübertragung von einer Hochtemperaturseite auf eine Niedrigtemperaturseite auf, und wird eine geeignete Wärmefreisetzung erhalten.
Weiterhin können, wenn Vibrationen in der rotierenden elektrischen Maschine erzeugt werden, Vibrationen, die individuell in dem ersten Endabschnitt 741 und dem zweiten Endabschnitt 742 jeder Phasenwicklung der Statorwicklung 721 erzeugt werden, berücksichtigt werden. Außerdem können unterschiedliche Vibrationen, die zwischen der Seite des ersten Endabschnitts 741 und der Seite des zweiten Endabschnitts 742 jeder Phasenwicklung als ein Ergebnis von Unterschieden in den Ausgestaltungen, wie Leiterlängen und Form erzeugt werden, berücksichtigt werden. In dieser Hinsicht wird als Ergebnis der vorstehend beschriebenen Konfiguration, da die Neutralpunktstromschiene 731 und die zweiten Endabschnitte 742 der Phasenwicklungen eine integrierte Struktur formen, eine Unterdrückung von Vibrationen in den Endabschnitten 741 und 742 möglich. Insbesondere wird in Betracht gezogen, dass Vibrationen leicht individuell in den zweiten Endabschnitten 742 der Phasenwicklungen erzeugt werden, da der zweite Endabschnitt 742 mit dem Wechselrichter jeder Phase verbunden ist. Jedoch kann als Ergebnis davon, dass die zweiten Endabschnitte 742 mit der Neutralpunktstromschiene 731 integriert sind, eine geeignete Maßnahme gegen Vibrationen vorgenommen werden.
Nachstehend ist ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung der Statorwicklung 721 beschrieben, die wie vorstehend beschrieben konfiguriert ist. 50 zeigt eine Darstellung eines Herstellungsprozesses für die Statorwicklung 721. Gemäß 50 ist ein Paar von Ringen 728 koaxial und parallel zueinander mit einem vorbestimmten Raum dazwischen angeordnet. In einem Zustand, in dem ein Ende des Leitermaterials C fixiert ist, wird das Leitermaterial C um das Paar der Ringe 728 für jede Phase gewickelt. In diesem Fall wird in Abschnitten, die den ersten und zweiten Spulenenden 726A und 726B entsprechen, das Leitermaterial C derart eingeformt, dass es in eine kreisförmige Form durch das Paar der Ringe 728 gekrümmt wird. Zusätzlich wird in einem Abschnitt, der der Spulenseite 725 entspricht, das Leitermaterial C derart eingeformt, dass es in der Nähe auf der Innenschichtseite und der Außenschichtseite unter Verwendung von Montagehaltevorrichtungen J eingeformt wird, die zwischen dem Paar der Ringe 728 angeordnet sind. Das Leitermaterial C wird derart gewickelt, dass die Leiter 723 der Phasen in einer vorbestimmten Reihenfolge in der Umlaufsrichtung angeordnet werden. Dabei kann hier das Leitermaterial C bei einem vorbestimmten Schrägungswinkel unter Verwendung eines Montagehaltevorrichtungen zum Schrägen geschrägt werden. Zusätzlich wird, nachdem das Leitermaterial C durch das Paar der Ringe 728 und die Montagehaltevorrichtungen J eingeformt worden ist, eine Formrückhaltebehandlung wie eine Härtebehandlung derart durchgeführt, dass der eingeformte Zustand beibehalten wird.
Als Ergebnis der vorstehend beschriebenen vorliegenden Modifikation werden die nachfolgenden Wirkungen erzielt.
Die Spulenseite 725 ist in zwei Schichten in der radialen Richtung vorgesehen. Die ersten und zweiten Spulenenden 726A und 726B, die auf den äußeren Seiten in der axialen Richtung in Bezug auf die Spulenseite 725 angeordnet sind, machen jeweils eine Wendung in einer kreisförmigen Form und verbinden die Spulenseite 725 auf der Innenschichtseite in der radialen Richtung und die Spulenseite 725 auf der Außenschichtseite in der radialen Richtung. Zusätzlich formen die Spulenenden 726A und 726B, die jeweils die Innen- und Außenschichtseiten in der radialen Richtung verbinden, den ringförmigen Hohlraum 727, der in der radialen Richtung vorspringt und in der Umlaufsrichtung innerhalb der Spulenenden 726A und 726B verbunden ist. Als Ergebnis dieser Konfiguration fungiert der Hohlraum 727 als Wärmefreisetzungsabschnitt. Daher kann die Wärmefreisetzbarkeit der Statorwicklung 721 verbessert werden.
Der ringförmige Ring 728 ist in dem ringförmigen Hohlraum 727 angeordnet. Als Ergebnis kann die Wärmefreisetzbarkeit der Statorwicklung 721 weiter verbessert werden.
Der Ring 728 ist aus Eisen zusammengesetzt, das ein ferromagnetisches Material ist. Als Ergebnis kann die Induktivität des Stators 720 erhöht werden, und kann die elektrische Zeitkonstante der rotierenden elektrischen Maschine erhöht werden. Folglich kann eine Verringerung der Steuerbarkeit des zu der Statorwicklung 721 fließenden Stroms unterdrückt werden.
In den Spulenenden 726A und 726B sind die Verbindungsabschnitte mit der Spulenseite 725 auf der Innenschichtseite in der radialen Richtung und der Spulenseite 725 auf der Außenschichtseite in der radialen Richtung an derselben Position an der Umlaufsrichtung angeordnet. Als Ergebnis kann die Länge von jedem der Spulenenden 726A und 726B, die den ringförmigen Hohlraum 727 formen, verkürzt werden. Ein Widerstandswert von jedem der Spulenenden 726A und 726B kann reduziert werden. Als Ergebnis kann die Menge von Wärme, die in jedem der Spulenenden 726A und 726B erzeugt wird, wenn ein Strom zu den Spulenenden 726A und 726B fließt, reduziert werden.
Als Ergebnis davon, dass der Eisenkern 931 die Stromerfassungseinrichtung 930 konfiguriert, kann die Induktivität in dem Stator 720 erhöht werden. Zusätzlich ist die Querschnittsfläche Sa der Verdrahtung 910 größer als die Querschnittsfläche Scs der Spulenseite 725. Als Ergebnis kann die Induktivität in dem Stator 720 erhöht werden. Folglich kann die elektrische Zeitkonstante der rotierenden elektrischen Maschine erhöht werden. Eine Verringerung der Steuerbarkeit des zu der Statorwicklung 721 fließenden Stroms kann unterdrückt werden.
In der Statorwicklung 721 sind die ersten Endabschnitte 741 der Phasen miteinander durch die Neutralpunktstromschiene 731 verbunden. Als Ergebnis kann die Induktivität in dem Stator 720 erhöht werden. Die elektrische Zeitkonstante der rotierenden elektrischen Maschine kann erhöht werden. Folglich kann eine Verringerung in der Steuerbarkeit des zu der Statorwicklung 721 fließenden Stroms unterdrückt werden.
Die Neutralpunktstromschiene 731 weist eine kreisringförmige Form auf. Daher können in der Neutralpunktstromschiene 731 die Stromschiene zwischen der U-Phase und der V-Phase, die Stromschiene zwischen der V-Phase und der W-Phase und die Stromschiene zwischen der V-Phase und der W-Phase länger gemacht werden. Die Induktivität kann erhöht werden. Als Ergebnis kann die elektrische Zeitkonstante der rotierenden elektrischen Maschine weiter erhöht werden. Eine Verringerung der Steuerbarkeit des zu der Statorwicklung 721 fließenden Stroms kann weiter unterdrückt werden.
Die ersten Endabschnitte 741 der Phasen sind zu gleichen Intervallen in der Umlaufsrichtung in dem Endabschnitt des Stators 720 angeordnet, der auf derselben Seite in der axialen Richtung ist. Die Neutralpunktstromschiene 731 ist mit den ersten Endabschnitten 741 der Phasen zu gleichen Intervallen in der Umlaufsrichtung verbunden. Daher können in der Neutralpunktstromschiene 731 die Induktivität und die Impedanz in jeder der Stromschiene zwischen der U-Phase und der V-Phase, der Stromschiene zwischen der V-Phase und der W-Phase und der Stromschiene zwischen der V-Phase und der W-Phase gleich gemacht werden. Eine Verringerung in der Steuerbarkeit des Stroms, der zu der Statorwicklung 721 fließt, kann unterdrückt werden.
Die ersten Endabschnitte 741 der Phasen sind elektrisch und mechanisch miteinander durch die Neutralpunktstromschiene 731 verbunden. Zusätzlich sind für jede Phase der Zweigabschnitte 735 und der zweite Endabschnitt 742 mechanisch mit der Isolierfolie 736 dazwischen verbunden. Als Ergebnis dieser Konfiguration kann Wärme aus dem ersten Endabschnitt 741, die dazu tendiert eine relativ hohe Temperatur anzunehmen, auf den zweiten Endabschnitt 742, der dazu tendiert, eine relativ niedrige Temperatur anzunehmen, über die Isolierfolie 736 übertragen werden. Als Ergebnis kann eine Erhöhung der Temperatur in den ersten Endabschnitten 741 und der Neutralpunktstromschiene 731 unterdrückt werden.
Wenn Vibrationen in der rotierenden elektrischen Maschine erzeugt werden, können Vibrationen, die individuell in dem ersten Endabschnitt 741 und dem zweiten Endabschnitt 742 der Statorwicklung 721 erzeugt werden, in Betracht gezogen werden. In dieser Hinsicht sind für jede Phase der erste Endabschnitt 741 und der zweite Endabschnitt 742 mechanisch mit der Isolierfolie 736 dazwischen verbunden. Als Ergebnis dieser Konfiguration können die Vibrationen in dem ersten Endabschnitt 741 und dem zweiten Endabschnitt 742 in geeigneter Weise unterdrückt werden.
Die ersten Endabschnitte 741 und die zweiten Endabschnitte 742 der Phasen sind jeweils zu gleichen Intervallen in der Umlaufsrichtung angeordnet. Die kreisringförmige Neutralpunktstromschiene 731 ist mit den ersten Endabschnitten 741 der Phasen zu gleichen Intervallen in der Umlaufsrichtung verbunden. Daher kann die Wärmefreisetzfähigkeit der ersten Endabschnitte 741 der Phasen gleichgemacht werden. Zusätzlich kann ebenfalls eine Wirkung der Unterdrückung von Vibrationen in dem ersten Endabschnitt 741 und dem zweiten Endabschnitt 742 ebenfalls verbessert werden.
In der vorliegenden Modifikation sind die nachfolgenden Beispiele möglich.
Für die Statorwicklung 721 ist ebenfalls eine Konfiguration möglich, bei der der Ring 728 nicht innerhalb des Hohlraums 727 vorgesehen ist. In diesem Fall kann beispielsweise der Ring 728 durch ein Material geformt sein, das durch Erwärmen geschmolzen werden kann (beispielsweise thermoplastisches Harz). Der Ring 728 kann geschmolzen werden, nachdem die Statorwicklung 721 eingeformt wurde. Alternativ kann anstelle des Paars der Ringe 728 ein Paar von kreisförmigen säulenförmigen Elementen verwendet werden, die eine lineare Form formen. Nachdem die Spulenseite 725 und die Spulenenden 726A und 726B in eine Plattenform geformt worden sind, kann der geformte Teil in eine zylindrische Form gekrümmt werden, wodurch die Statorwicklung 721 hergestellt wird.
Die Konfiguration der Neutralpunktstromschiene 731 kann modifiziert werden, wie es in 51 und 52 gezeigt ist. 51 zeigt eine Draufsicht der Statorwicklung 721. 52 zeigt eine Längsschnittansicht der Statorwicklung 721.
In der in 51 und 52 gezeigten Konfiguration unterscheidet sich als Unterschied zu der Konfiguration gemäß 44 und dergleichen eine radiale Abmessung des Neutralpunktverbindungsabschnitts 734 der Neutralpunktstromschiene 731 in Bezug auf eine radiale Abmessung der Statorwicklung 721. Der Neutralpunktverbindungsabschnitt 734 der Neutralpunktstromschiene 731 ist derart vorgesehen, dass sie in der axialen Richtung die ersten und zweiten Spulenenden 726A und 726B der Statorwicklung 721 überlappt. In diesem Fall ist der Neutralpunktverbindungsabschnitt 734 derart vorgesehen, dass er nicht weiter zu der inneren Seite in der radialen Richtung und der äußeren Seite in der radialen Richtung als die Statorwicklung 721 vorspringt.
Jedoch kann zusätzlich zu dem vorstehend Beschriebenen eine innere radiale Abmessung des Neutralpunktverbindungsabschnitts 734 der Neutralpunktstromschiene 731 größer als eine radiale Abmessung der Spulenenden 726A und 726B der Statorwicklung 721 sein.
Ein anderes Material als das ferromagnetische Material kann in dem Material enthalten sein, aus dem der Ring 728 zusammengesetzt ist. Beispielsweise kann zusätzlich zu Eisen Aluminium enthalten sein.
Die Isolierschicht ist nicht auf die Isolierfolie 736 begrenzt, kann beispielsweise ein Klebemittel sein, das elektrische Isoliereigenschaften aufweist.
Die Neutralpunktstromschiene ist nicht auf etwas begrenzt, was eine kreisringförmige Form aufweist, und kann beispielsweise eine Form eines gleichseitigen Dreiecks aufweisen, wenn aus der axialen Richtung aus betrachtet. In diesem Fall können ebenfalls in der Neutralpunktstromschiene Abstände zwischen Verbindungsabschnitten, die benachbarte erste Endabschnitte verbindet, gleichgemacht werden.
Modifikation 16
In einer Weise, die ähnlich zu derjenigen gemäß der vorstehend beschriebenen Modifikation 15 ist, ist gemäß der vorliegenden Modifikation die Konfiguration eines Stators, in dem ein Hohlraum in einem Spulenende einer Statorwicklung vorgesehen ist, teilweise modifiziert. Nachstehend sind hauptsächlich Unterschiede zu der Modifikation 15 beschrieben. 53 zeigt eine Längsschnittansicht eines Rotors 810 und eines Stators 820 in einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Modifikation. Zusätzlich zeigt 54 eine perspektivische Ansicht einer Statorwicklung 821. 55 zeigt eine Längsschnittansicht der Statorwicklung 821. 56 zeigt eine Draufsicht der Statorwicklung 821, von einer Endseite in der axialen Richtung betrachtet.
Wie es in 53 gezeigt ist, ist die rotierende elektrische Maschine gemäß der vorliegenden Modifikation eine rotierende elektrische Maschine der Außenrotorbauart und Oberflächenmagnetbauart. Die rotierende elektrische Maschine weist den Rotor 810, der an eine Drehwelle 801 befestigt ist, um sich einstückig mit der Drehwelle 801 zu drehen, und den Stator 820 auf, der an einer äußeren Seite in der radialen Richtung des Rotors 810 vorgesehen ist. In einer Weise, die ähnlich zu derjenigen in der vorstehend beschriebenen Konfiguration ist, wird die Drehwelle 801 durch ein (nicht gezeigtes) Lager drehbar gestützt. In der vorliegenden Modifikation entspricht der Rotor 810 einem „Feldelement“. Der Stator 820 entspricht einem „Anker“.
Der Rotor 810 weist eine Magnethalteeinrichtung 811, die in eine hohle zylindrische Form geformt ist, und eine ringförmige Magneteinheit 812 auf, die an einer inneren Seite in der radialen Richtung der Magnethalteeinrichtung 811 befestigt ist. Die Magnethalteeinrichtung 811 ist an der Drehwelle 801 befestigt und fungiert als ein Magnethalteelement. Dabei ist die Konfiguration des Rotors 810 im Wesentlichen identisch zu derjenigen des vorstehend beschriebenen Rotors 710, ungeachtet des Unterschieds in Bezug auf die Innenrotorbauart und die Außenrotorbauart. Die Beschreibung davon entfällt hier.
Zusätzlich weist der Stator 820 die Statorwicklung 821 und einen kreisförmigen zylindrischen Statorkern 822 auf, der an einer inneren Seite in der radialen Richtung der Statorwicklung 821 angebracht ist. Auch in Bezug auf den Stator 820 ist die grundsätzliche Konfiguration identisch zu derjenigen des vorstehend beschriebenen Stators 720. Beispielsweise ist die Konfiguration identisch im Hinblick darauf, dass die Statorwicklung 821 eine Drei-Phasen-Wicklung ist, die aus den Phasenwicklungen der U-Phase, der V-Phase und der W-Phase zusammengesetzt ist, und eine abgeflachte Leiterstruktur aufweist. Zusätzlich ist die Konfiguration identisch im Hinblick darauf, dass der Statorkern 822 eine nutenlose Struktur aufweist.
Ein Statorhalteelement 851 ist an einer inneren Seite in der radialen Richtung des Statorkerns 822 angebracht. Der Stator 820 wird durch ein Statorhalteelement 851 gehalten. Das Statorhalteelement 851 weist einen zylindrischen Abschnitt 852 auf, der an der inneren Seite in der radialen Richtung des Statorkerns 822 angeordnet ist. Ein Kühlmittelpfad 853, durch den ein Kühlmittel wie ein Kühlwasser in einer ringförmigen Weise fließt, ist in den zylindrischen Abschnitt 852 geformt. Dabei kann ein elektrisches Modul, das ein Halbleiterschaltelement und dergleichen aufweist, an einer inneren Seite in der radialen Richtung des zylindrischen Abschnitts 852 angeordnet sein.
Nachstehend ist eine Konfiguration der Statorwicklung 821 unter Bezugnahme auf 54 bis 56 beschrieben.
Die Statorwicklung 821 wird geformt, indem sie in eine kreisringförmige Form durch verteilte Wicklung gewickelt wird. Die Statorwicklung 821 weist eine Spulenseite 725, die nebeneinander mit dem Statorkern 822 in der radialen Richtung angeordnet ist, und erste und zweite Spulenenden 826A und 826B auf, die weiter zu den äußeren Seiten in der axialen Richtung als die Spulenseite 825 sind. Die ersten und zweiten Spulenenden 826A und 826B sind derart vorgesehen, dass sie in abweichenden Richtungen voneinander in der radialen Richtung von der Spulenseite 825 an einem Endabschnitt in der axialen Richtung der Statorwicklung 821 vorspringen.
In einer Weise, die ähnlich zu der Statorwicklung 721 ist, ist die Statorwicklung 821 derart konfiguriert, dass ein Leitermaterial in zwei Schichten gewickelt wird, die innen und außen in der radialen Richtung sind. In der Spulenseite 825 sind die zwei Schichten von Leitern 823 in der radialen Richtung angeordnet. In den ersten und zweiten Spulenenden 826A und 826B macht der Leiter 823 eine Wendung in einer kreisförmigen Form und verbindet die Innenschichtseite und die Außenschichtseite. In der Konfiguration gemäß der vorliegenden Modifikation ist in dem ersten Spulenende 826A der Leiter 823 auf der Außenschichtseite derart gekrümmt, dass er zu der äußeren Seite in der radialen Richtung vorspringt. Demgegenüber ist in dem zweiten Spulenende 826B der Leiter 823 auf der Innenschichtseite derart gekrümmt, dass er zu der inneren Seite in der radialen Richtung vorspringt. Es ist lediglich erforderlich, dass die ersten und zweiten Spulenenden 826A und 826B derart sind, dass der Leiter 823 eine Wendung in einer kreisförmigen Bogenform mit einem Durchmesser macht, der von einem Ausmaß ist, dass eine übermäßige Biegespannung auf die Leiter, eine Beschädigung an dem Isolierfilm und dergleichen in einem Zustand nicht auftreten, in dem der Leiter 823 gekrümmt wird. Ein Durchmesser der ersten und zweiten Spulenenden 826A und 826B ist etwa 5 bis 6 mm. Ein Durchmesser der ersten und zweiten Spulenenden 826A und 826B kann etwa minimal 3 mm sein.
In der Statorwicklung 821 kann in der Konfiguration, in der das erste Spulenende 826A zu der äußeren Seite in der radialen Richtung vorspringt und das zweite Spulenende 826B zu der inneren Seite in der radialen Richtung vorspringt, der zylindrische Statorkern 822 an die Statorwicklung 821 von der Seite des ersten Spulenendes 826A angebracht werden. Zusätzlich kann der Rotor 810 an den Stator 820 von der Seite des zweiten Spulenendes 826B angebracht werden.
Die Statorwicklung 821 weist eine geschrägte Struktur auf. Wie es in 55 gezeigt ist, unterscheidet sich in der Statorwicklung 821 ein Zustand der Schrägung zwischen einem Mittenbereich AR1, der die Spulenseite 825 aufweist, und einem Endabschnittsbereich AR2, der die ersten und zweiten Spulenenden 826A und 826B aufweist. In dem Mittenbereich AR1 ist ein Schrägungswinkel, der ein Neigungswinkel in Bezug auf die axiale Richtung ist, größer als derjenige in dem Endabschnittsbereich AR2. In diesem Fall ist in dem Endabschnittsbereich AR2 der Schrägungswinkel kleiner als derjenige des Mittenbereichs AR1. Alternativ dazu weist der Endabschnittsbereich AR2 keine Schrägung auf (einen Schrägungswinkel von Null). In der Statorwicklung 821 sind in der Spulenseite 825 die Leiter 823 nebeneinander in der Umlaufsrichtung derart angeordnet, dass sie zu einem vorbestimmten Schrägungswinkel geneigt sind. Zusätzlich ist in den ersten und zweiten Spulenenden 826A und 826B der Leiter 823 in der axialen Richtung gewendet (macht eine Wendung) und ist kontinuierlich verbunden. In diesem Fall geht jedes Mal, wenn der Leiter 823 in der axialen Richtung in den ersten und zweiten Spulenenden 826A und 826B gewendet wird, der Leiter 823 von einer Seite in der Umlaufsrichtung bei abwechselndem Ändern zwischen der Innenschichtseite und der Außenschichtseite über.
In dem Endabschnittsbereich AR2 ist der Schrägungswinkel kleiner als derjenige in dem Mittenbereich AR1. Alternativ dazu gibt es keine Schrägung in dem Endabschnittsbereich AR2 (ist der Schrägungswinkel Null). Daher kann die Länge des Leiters 823 in den ersten und zweiten Spulenenden 826A und 826B minimiert werden. Das heißt, dass es bei den ersten und zweiten Spulenenden 826A und 826B Bedenken gibt, dass die Leiterlänge lang wird, da der Leiter 823 eine Wendung in einer kreisförmigen Form macht. Jedoch kann als Ergebnis davon, dass der Schrägungswinkel reduziert ist oder auf Null eingestellt ist, die Leiterlänge minimiert werden. Gemäß der vorliegenden Modifikation kehrt der Leiter 823 zu einer selben Position in der Umlaufsrichtung durch eine einzelne Wendung des Leiters 823 in den ersten und zweiten Spulenenden 826A und 826B zurück. Jedoch kann der Leiter 823 etwas in der Umlaufsrichtung durch eine einzelne Wendung des Leiters 823 in den ersten und zweiten Spulenenden 826A und 826B verschoben sein. Beispielsweise kann der Leiter 823 zu einer Position zurückkehren, die um eine Größe, die so groß wie eine einzelne Leiterunterteilung ist, verschoben ist.
In einer Weise, die ähnlich zu derjenigen gemäß Modifikation 15 ist, ist in den ersten und zweiten Spulenenden 826A und 826B ein Hohlraum 827 darin geformt. Der Hohlraum 827 ist als ein ringförmiger Raum geformt, der in einer kreisförmigen ringförmigen Form verbunden ist. Der Hohlraum 827 fungiert als ein Wärmefreisetzungsabschnitt, der Wärme freisetzt, die in der Statorwicklung 821 erzeugt wird. Wie es in 53 gezeigt ist, kann in einer Weise, die ähnlich zu der gemäß der Modifikation 15 ist, ein kreisringförmiger Ring 828 innerhalb des Hohlraums 827 eingesetzt werden. Der Ring 828 ist derart angeordnet, dass er nahe an oder in Kontakt mit dem Leiter 823 innerhalb des Hohlraums 827 ist. In der Konfiguration gemäß der Zeichnung weist der Ring 828 eine hohle Form auf. Der hohle Abschnitt dient als ein Kühlmittelpfad, durch den ein Kühlmittel wie Kühlwasser fließt. Dabei kann beispielsweise, wenn der hohle Abschnitt des Rings 828 als der Kühlmittelpfad verwendet wird, ein Spaltabschnitt, der sich in der Umlaufsrichtung erstreckt, dadurch geformt werden, dass die Endabschnitte auf der Wechselrichterseite der Phasenwicklungen zu der äußeren Seite hin gebogen werden. Das Kühlmittel kann unter Verwendung des Spaltabschnitts herein- und herausgeführt werden.
Zusätzlich sind in der Statorwicklung 821 die Phasenwicklungen miteinander an einem Ende durch eine Neutralpunktstromschiene 831 verbunden, die als das Neutralpunktverbindungselement dient. Gemäß der vorliegenden Modifikation sind in der Statorwicklung 821 erste Endabschnitte 841 auf der Neutralpunktseite der Phasenwicklungen an Positionen vorgesehen, die nahe aneinander in der Umlaufsrichtung sind. Die ersten Endabschnitte 841 der Phasen sind mit der Neutralpunktstromschiene 831 zu gleichen Intervallen in der Umlaufsrichtung verbunden. Die ersten Endabschnitte 841 der Phasen sind mit einem Raum, der so groß wie ein einzelner Leiter ist, dazwischen in der Umlaufsrichtung angeordnet. Zusätzlich ist ein Verbindungsabschnitt 832 mit jedem zweiten Endabschnitt 842 auf der Wechselrichterseite jeder Phasenwicklung verbunden.
Dabei sind die in der 54 gezeigten Statorwicklung 821 die Leiter derselben Phase jeweils einzeln in der Umlaufsrichtung angeordnet. Jedoch können stattdessen die Leiter derselben Phasen jeweils zu zweit in der Umlaufsrichtung angeordnet sein. In diesem Fall sind die ersten Endabschnitte 841 der Phasen mit einem Raum, der so groß wie zwei Leiter ist, dazwischen in der Umlaufsrichtung angeordnet.
In der Statorwicklung 821 sind die U-Phasen-Wicklung, die V-Phasen-Wicklung und die W-Phasen-Wicklung derart gewickelt, dass sie in dieser Reihenfolge in der Umlaufsrichtung angeordnet sind. Hier ist in 56 die U-Phasen-Wicklung der Phasenwicklungen der drei Phasen durch Punkte angegeben. In diesem Fall sind die U-Phasen-Wicklung, die V-Phasen-Wicklung und die W-Phasen-Wicklung innerhalb von 180° im elektrischen Winkel angeordnet, was so groß wie ein einzelner Magnetpol ist. Diese Anordnung wird in der Umlaufsrichtung wiederholt. Zusätzlich sind der erste Endabschnitt 841 und der zweite Endabschnitt 842 der U-Phasen-Wicklung, der erste Endabschnitt 841 und der zweite Endabschnitt 842 der V-Phasen-Wicklung und der erste Endabschnitt 841 und der zweite Endabschnitt 842 der W-Phasen-Wicklung jeweils zu einem Intervall von 120° im elektrischen Winkel (θe = 120°) angeordnet. Dabei ist der erste Endabschnitt 841 nicht in 56 gezeigt. Jedoch ist, wie es in 55 gezeigt ist, der erste Endabschnitt 841 mit einer rückwärtigen Oberflächenseite der Neutralpunktstromschiene 831 verbunden.
Das heißt, dass gemäß dieser Modifikation ebenfalls in jeder Phasenwicklung der drei Phasen in der Statorwicklung 821 die Startendposition und die Anschlussendposition (Positionen der Endabschnitte 841 und 842) in der Umlaufsrichtung dieselben sind. Daher sind die Phasenwicklungen der U-Phase, der V-Phase und der W-Phase jeweils mit der Neutralpunktstromschiene 831 verbunden und mit dem Verbindungsanschluss 832 an derselben Position in der Umlaufsrichtung verbunden.
Als Ergebnis davon, dass die ersten Endabschnitte 841 (die Endabschnitte auf der Neutralpunktseite) der Phasenwicklungen miteinander mit der Neutralpunktstromschiene 831 dazwischen verbunden sind, kann die Induktivität der Statorwicklung 821 erhöht werden. Daher kann, selbst in dem Stator 820, der eine niedrige Induktivität als Ergebnis davon hat, dass der Statorkern 822 nutenlos ausgeführt ist, die Induktivität in dem Stator 820 erhöht werden, indem die Neutralpunktstromschiene 831 vorgesehen wird, und kann die Stromsteuerbarkeit verbessert werden.
In der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Modifikation ist ein Teil der Neutralpunktstromschiene 831 mit den zweiten Endabschnitten 842 der Phasenwicklungen verbunden. Insbesondere weist die Neutralpunktstromschiene 831 den Neutralpunktverbindungsabschnitt 834, der sich in der Umlaufsrichtung erstreckt und mit den ersten Endabschnitten 841 verbunden ist, und den Zweigabschnitt 835 für jede Phasenwicklung auf, die sich von dem Neutralpunktverbindungsabschnitt 834 zu der äußeren Seite in der radialen Richtung erstreckt. Der Zweigabschnitt 835 ist mechanisch mit dem zweiten Endabschnitt 842 der Phasenwicklung mit der Isolierfolie 836 dazwischen verbunden. Die Neutralpunktstromschiene 831 und der zweite Endabschnitt 842 jeder Phasenwicklung sind mechanisch verbunden, jedoch elektrisch isoliert.
Der Neutralpunktverbindungsabschnitt 834 der Neutralpunktstromschiene 831 ist derart vorgesehen, dass eine 120°-Speisung der Phasenwicklung ermöglicht wird und in der Umlaufsrichtung die kürzeste Länge aufweist. Der Neutralpunktverbindungsabschnitt 834 weist eine Länge auf, die so groß wie fünf Unterteilungen im Hinblick auf die Leiterunterteilung ist. In diesem Fall sind in dem Neutralpunktverbindungsabschnitt 834 der erste Endabschnitt 841 der U-Phasen-Wicklung, der erste Endabschnitt 841 der V-Phasen-Wicklung und der erste Endabschnitt 841 der W-Phasen-Wicklung jeweils derart verbunden, dass ein Raum, der so groß wie ein einzelner Leiter (eine einzelne Unterteilung ist), zwischen der U-Phase und der W-Phase und zwischen der W-Phase und der V-Phase vorgesehen ist.
Als Ergebnis davon, dass die Neutralpunktstromschiene 831 und die zweiten Endabschnitte 842 (die Endabschnitte auf der Wechselrichterseite) der Phasenwicklungen integriert sind und eine integrierte Struktur formen, werden hervorragende Wirkungen in Bezug auf Wärme und Vibrationen erzielt, die in der Statorwicklung 821 erzeugt werden.
Das heißt, dass in der Statorwicklung 821 Wärme in Zusammenhang mit der Speisung der Phasenwicklung jeder Phase erzeugt wird, und dass die Temperatur sich erhöht. In dieser Hinsicht ist in der vorstehend beschriebenen Konfiguration der erste Endabschnitt 841 jeder Phasenwicklung mit der Neutralpunktstromschiene 831 verbunden. Zusätzlich ist der zweite Endabschnitt 842 an der Neutralpunktstromschiene 831 mit der Isolierfolie 836 dazwischen befestigt. Als Ergebnis wird die Wärme, die in jeder Phasenwicklung erzeugt wird, auf die Neutralpunktstromschiene 831 übertragen und von der Neutralpunktstromschiene 831 freigesetzt.
Zusätzlich unterscheiden sich die Speisungsperioden, wenn die Neutralpunktstromschiene 831 und die zweiten Endabschnitte 842 der Phasenwicklungen verglichen werden. Während die zweiten Endabschnitte 842 der Phasenwicklungen in der Reihenfolge der Speisung der Phasen gespeist werden, wird die Neutralpunktstromschiene 831 stets während des Betriebs der rotierenden elektrischen Maschine ungeachtet der Reihenfolge der Speisung der Phasen gespeist. In diesem Fall kann ein Temperaturunterschied, der zwischen der Neutralpunktstromschiene 831 und den zweiten Endabschnitten 842 der Phasenwicklungen auftritt, berücksichtigt werden. Jedoch tritt als Ergebnis davon, dass die Neutralpunktstromschiene 831 und die zweiten Endabschnitte 842 mechanisch verbunden sind, eine Wärmeübertragung von einer Hochtemperaturseite auf eine Niedrigtemperaturseite auf, und wird eine geeignete Wärmefreisetzung erhalten.
Weiterhin können, wenn Vibrationen in der rotierenden elektrischen Maschine erzeugt werden, Vibrationen, die individuell in dem ersten Endabschnitt 841 und dem zweiten Endabschnitt 842 jeder Phasenwicklung der Statorwicklung 821 erzeugt werden, berücksichtigt werden. Zusätzlich können unterschiedliche Vibrationen, die zwischen der Seite des ersten Endabschnitts 841 und der Seite des zweiten Endabschnitts 842 jeder Phasenwicklung als Ergebnis von Unterschieden in den Ausgestaltungen, wie Leiterlänge und Form, auftreten, berücksichtigt werden. In dieser Hinsicht wird als Ergebnis der vorstehend beschriebenen Konfiguration, da die Neutralpunktstromschiene 831 und die zweiten Endabschnitte 842 der Phasenwicklungen eine integrierte Struktur formen, eine Unterdrückung von Vibrationen in den Endabschnitten 841 und 842 möglich. Insbesondere wird in Betracht gezogen, dass Vibrationen leicht individuell in den zweiten Endabschnitten 842 der Phasenwicklungen erzeugt werden, da der zweite Endabschnitt 842 mit dem Wechselrichter für jede Phase verbunden ist. Jedoch kann als Ergebnis davon, dass die zweiten Endabschnitte 842 mit der Neutralpunktstromschiene 831 integriert sind, eine geeignete Maßnahme gegen Vibrationen getroffen werden.
Zusätzlich ist gemäß der vorliegenden Modifikation, wie es in 53 gezeigt ist, die Stromerfassungseinrichtung 930 weiter zu der inneren Seite in der radialen Richtung als das Statorhalteelement 851 angeordnet. Daher kann, wenn die Stromerfassungseinrichtung 930 einen Stromwert erfasst, eine Magnetflussinterferenz von dem Stator 820 unterdrückt werden. Daher kann die Stromerfassungsgenauigkeit verbessert werden. Dabei kann im Hinblick auf die Unterdrückung der Wirkungen einer Magnetflussinterferenz eine Dickenabmessung in der radialen Richtung des Statorkerns 822 derart eingestellt werden, dass sie gleich wie oder größer als die Hälfte der Dickenabmessung in der radialen Richtung der Magneteinheit 812 ist.
Modifikation 17
Eine Statorwicklung 871 gemäß der vorliegenden Modifikation ist in 57 gezeigt. Die Statorwicklung 871 kann in der in 43 gezeigten rotierenden elektrischen Maschine der Innenrotorbauart oder der in 53 gezeigten rotierenden elektrischen Maschine der Außenrotorbauart verwendet werden.
Die Statorwicklung 871 ist durch einen Leiter 872 konfiguriert, der in zwei Schichten ist, die innerhalb und außerhalb in der radialen Richtung sind. Die Statorwicklung 871 weist eine Spulenseite 873, sowie erste und zweite Spulenenden 874A und 874B auf, die weiter zu der äußeren Seite in der axialen Richtung als die Spulenseite 873 sind. Beispielsweise springen, im Gegensatz zu derjenigen in der Statorwicklung 721, die in 46 gezeigt ist, in der Statorwicklung 871, während das erste Spulenende 874A in einer kreisförmigen Form zu der äußeren Seite in der radialen Richtung vorspringt, das zweite Spulenende 874B weder zu der äußeren noch zu der inneren Seite in der radialen Richtung vor. In diesem Fall macht in dem ersten Spulenende 874A der Leiter 872 eine Wendung (ist gekrümmt) in der kreisförmigen Form auf der Innenschichtseite und der Außenschichtseite. In dem zweiten Spulenende 874B sind der Leiter 872 auf der Innenschichtseite und der Leiter 872 auf der Außenschichtseite miteinander durch Schweißen oder dergleichen verbunden. Gemäß der vorliegenden Modifikation unterscheiden sich die Abmessungen in axialer Richtung der ersten und zweiten Spulenenden 874A und 874B voneinander. Die Abmessung in axialer Richtung des ersten Spulenendes 874A ist lang, und die Abmessung in axialer Richtung des zweiten Spulenendes 874B ist kurz.
Ein Hohlraum 875 ist in dem ersten Spulenende 874A geformt. Der Hohlraum 875 fungiert als ein Wärmefreisetzungsabschnitt, der Wärme freisetzt, die in der Statorwicklung 871 erzeugt wird. Wie es in 43 und dergleichen gezeigt ist, kann ein kreisringförmiger Ring innerhalb des Hohlraums 875 eingesetzt sein.
Eine Neutralpunktstromschiene 876, die als ein Neutralpunktverbindungselement dient, ist mit einem Ende jeder Phasenwicklung der drei Phasen in der Statorwicklung 871 verbunden. Die Neutralpunktstromschiene 876 weist eine kreisringförmige Form auf und ist mit jeder Phasenwicklung der drei Phasen zu einem gleichen Intervall (das heißt einem Intervall von 120° im mechanischen Winkel) in der Umlaufsrichtung verbunden. Zusätzlich ist ein Verbindungsanschluss 877 mit jedem der anderen Enden der Phasenwicklungen in der Statorwicklung 871 verbunden. Ein Zweigabschnitt der Neutralpunktstromschiene 876 und ein zweiter Endabschnitt der Statorwicklung 871 sind mechanisch mit einer Isolierfolie 878 dazwischen verbunden.
In der in 57 gezeigten Statorwicklung 871 unterscheidet sich die Wärmefreisetzungsfähigkeit zwischen der einen Endseite und der anderen Endseite (Spulenenden 874A und 874B) in der axialen Richtung auf der Grundlage des Vorhandenseins/Nichtvorhandenseins des Hohlraums 875 und dergleichen. Daher kann eine Orientierung der rotierenden elektrischen Maschine unter Berücksichtigung von Belüftung und dergleichen an einer Stelle, an der die rotierende elektrische Maschine versetzt ist, vorgegeben sein. Beispielsweise kann in einer rotierenden elektrischen Maschine, die als ein Radmotor eines Fahrzeugs verwendet wird, das erste Spulenende 874A, das sich auf einer Hochwärmefreisetzungsfähigkeitsseite befindet, eine Radinnenseite sein, in der eine Lüftung schlecht ist, und kann das zweite Spulenende 874B, das auf der Niedrigwärmefreisetzungsfähigkeitsseite sein, eine Radaußenseite sein, auf der die Lüftung hervorragend ist.
Dabei kann das erste Spulenende 874A konfiguriert sein, in einer kreisförmigen Form sowohl auf der äußeren Seite als auch auf der inneren Seite in der radialen Richtung vorzuspringen. In diesem Fall springt in dem ersten Spulenende 874A der Leiter 872 auf der Innenschichtseite zu der Innenseite in der radialen Richtung in Bezug auf die Spulenseite 873 vor, springt der Leiter 872 auf der Außenschichtseite zu der Außenseite in der radialen Richtung in Bezug auf die Spulenseite 873 vor und sind die Leiter 872 in einer kreisförmigen Form verbunden.
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 Käfigläufer-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.
Käfigläufer-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 43 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. $Das Magnetdrehmoment = k \cdot Ψ \cdot Iq - - - - (eq 1)$
$Das Reluktanzdrehmoment = k \cdot (Lq - Ld) \cdot Iq \cdot Id - - - - (eq 2)$
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 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 59 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 58 gezeigt.
Das Magnetdrehmoment wird, wie es in 58 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. 58 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 58 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 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.
Die Offenbarung der vorliegenden Beschreibung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele begrenzt, die als Beispiele gegeben sind. Die Offenbarung umfasst die als Beispiele gegebenen Ausführungsbeispiele, als auch Modifikationen durch den Fachmann auf der Grundlage der Ausführungsbeispiele. Beispielsweise ist die Offenbarung nicht auf Kombinationen von Komponenten und/oder Elementen begrenzt, die gemäß den Ausführungsbeispielen beschrieben worden sind. Die Offenbarung kann unter Verwendung verschiedener Kombinationen umgesetzt werden. Die Offenbarung kann zusätzliche Abschnitte aufweisen, die zu den Ausführungsbeispielen hinzugefügt werden können. Die Offenbarung umfasst die, in der eine Komponente und/oder ein Element gemäß einem Ausführungsbeispiel weggelassen ist. Die Offenbarung umfasst Ersetzungen und Kombinationen von Komponenten und/oder Elementen zwischen einem Ausführungsbeispiel und einem anderen Ausführungsbeispiel. Der technische Umfang, der offenbart ist, ist nicht auf die Beschreibungen gemäß den Ausführungsbeispielen begrenzt. Verschiedene technische Umfänge, die offenbart sind, sind in dem Umfang der Ansprüche dargelegt. Weiterhin sollten die technischen Umfänge derart verstanden werden, dass sie alle Modifikationen innerhalb der Bedeutung und dem Umfang der Äquivalenz des Umfangs der Ansprüche umfassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2017255067 [0001]
JP 2014093859 A [0004]

Claims

Rotierende elektrische Maschine mit einem Feldelement (710, 810), das einen Magnetabschnitt (712, 812) aufweist, der eine Vielzahl von Magnetpolen aufweist, deren Polaritäten in einer Umlaufsrichtung abwechseln, einem Anker (720, 820), der eine mehrphasige Ankerwicklung (721, 821, 871) aufweist, und einem elektrischen Leistungswandler (900), der einen Reihenschaltungskörper aufweist, der aus einem Oberzweigschalter (901) und einem Unterzweigschalter (902) zusammengesetzt ist, wobei entweder das Feldelement oder der Anker ein Rotor ist, wobei ein Neutralpunktverbindungselement (731, 831, 876) vorgesehen ist, in dem, wenn von beiden Enden der Ankerwicklung jeder Phase ein Endabschnitt auf einer Neutralpunktseite ein erster Endabschnitt (741, 841) ist und ein Endabschnitt auf einer Verbindungspunktseite des Oberzweigschalters und des Unterzweigschalters ein zweiter Endabschnitt (742, 842) ist, das Neutralpunktverbindungselement die ersten Endabschnitte der Phasen elektrisch und mechanisch miteinander verbindet, der erste Endabschnitt und der zweite Endabschnitt jeder Phase in einem Endabschnitt auf der gleichen Seite in der axialen Richtung des Ankers angeordnet sind, und das Neutralpunktverbindungselement und der zweite Endabschnitt jeder Phase mechanisch mit einer Isolierschicht (736, 836, 876) dazwischen verbunden sind.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei die ersten Endabschnitte (741) und die zweiten Endabschnitte (742) der Phasen jeweils zu gleichen Intervallen in der Umlaufsrichtung angeordnet sind, das Neutralpunktverbindungselement (731, 876) eine kreisringförmige Form aufweist, und das Neutralpunktverbindungselement mit den ersten Endabschnitten der Phasen zu gleichen Intervallen in der Umlaufsrichtung verbunden ist.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ankerwicklung jeder Phase eine Spulenseite (725, 825, 873) aufweist, die zu einem vorbestimmten Intervall in der Umlaufsrichtung an einer Position angeordnet ist, die dem Magnetabschnitt gegenüberliegt, eine Steuerungseinrichtung (920) vorgesehen ist, die Ein-/Ausschalten der Schalter zur Speisung der Ankerwicklung steuert, und in dem Anker ein Zwischenleiterelement (57, 142, 143) zwischen den Spulenseiten in der Umlaufsrichtung vorgesehen ist, und ein magnetisches Material oder ein nichtmagnetisches Material als das Zwischenleiterelement verwendet wird, wobei das magnetische Material eine Beziehung von Wt × Bs ≤ Wm × Br erfüllt, wobei Wt eine Breitenabmessung in der Umlaufsrichtung des Zwischenleiterelements für einen einzelnen Magnetpol ist, Bs eine Sättigungsmagnetflussdichte des Zwischenleiterelements ist, Wm eine Breitenabmessung in der Umlaufsrichtung des Magnetabschnitts für einen einzelnen Magnetpol ist, und Br eine Remanenzflussdichte des Magnetabschnitts ist, oder kein Zwischenleiterelement zwischen den Spulenseiten in der Umlaufsrichtung vorgesehen ist.
Rotierende elektrische Maschine mit einem Feldelement (710, 810), das einen Magnetabschnitt (712, 812) aufweist, der eine Vielzahl von Magnetpolen aufweist, deren Polaritäten in einer Umlaufsrichtung abwechseln, und einem Anker (720, 820), der eine mehrphasige Ankerwicklung (721, 821, 871) aufweist, wobei entweder das Feldelement oder der Anker ein Rotor ist, wobei die Ankerwicklung jeder Phase eine Spulenseite (725, 825, 873) aufweist, die zu einem vorbestimmten Intervall in der Umlaufsrichtung an einer Position angeordnet ist, die dem Magnetabschnitt gegenüberliegt, in dem Anker ein Zwischenleiterelement (57, 142, 143) zwischen den Spulenseiten in der Umlaufsrichtung vorgesehen ist, und ein magnetisches Material oder ein nichtmagnetisches Material als das Zwischenleiterelement verwendet wird, wobei das magnetische Material eine Beziehung von Wt × Bs ≤ Wm × Br erfüllt, wobei Wt eine Breitenabmessung in der Umlaufsrichtung des Zwischenleiterelements für einen einzelnen Magnetpol ist, Bs eine Sättigungsmagnetflussdichte des Zwischenleiterelements ist, Wm eine Breitenabmessung in der Umlaufsrichtung des Magnetabschnitts für einen einzelnen Magnetpol ist, und Br eine Remanenzflussdichte des Magnetabschnitts ist, oder kein Zwischenleiterelement zwischen den Spulenseiten in der Umlaufsrichtung vorgesehen ist, und die rotierende elektrische Maschine aufweist: einen elektrischen Leistungswandler (900), der einen Reihenschaltungskörper aufweist, der aus einem Oberzweigschalter (901) und einem Unterzweigschalter (902) zusammengesetzt ist, eine Steuerungseinrichtung (920), die eine Ein-/Aus-Steuerung der Schalter zur Speisung der Ankerwicklung durchführt, und ein Neutralpunktverbindungselement (731, 831, 876), das von beiden Enden der Ankerwicklung jeder Phase Endabschnitte auf einer Neutralpunktseite miteinander verbindet.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 4, wobei Endabschnitte (741) auf der Neutralpunktseite der Phasen zu gleichen Intervallen in der Umlaufsrichtung in einem Endabschnitt auf der gleichen Seite in der axialen Richtung des Ankers angeordnet sind, und in dem Neutralpunktverbindungselement Abstände zwischen Verbindungsabschnitten mit benachbarten Endabschnitten auf der Neutralpunktseite gleich zueinander sind.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 5, wobei das Neutralpunktverbindungselement (731, 876) eine kreisringförmige Form aufweist, und das Neutralpunktverbindungselement mit den Endabschnitten auf der Neutralpunktseite der Phasen zu gleichen Intervallen in der Umlaufsrichtung verbunden ist.
Rotierende elektrische Maschine mit einem Feldelement (710, 810), das einen Magnetabschnitt (712, 812) aufweist, der eine Vielzahl von Magnetpolen aufweist, deren Polaritäten in einer Umlaufsrichtung abwechseln, und einem Anker (720, 820), der eine mehrphasige Ankerwicklung (721, 821, 871) aufweist, wobei entweder das Feldelement oder der Anker ein Rotor ist, wobei für jede Phase die Ankerwicklung eine Spulenseite (725, 825, 873) aufweist, die zu einem vorbestimmten Intervall in der Umlaufsrichtung an einer Position angeordnet ist, die dem Magnetabschnitt gegenüberliegt, in dem Anker ein Zwischenleiterelement (57, 142, 143) zwischen den Spulenseiten in der Umlaufsrichtung vorgesehen ist, und ein magnetisches Material oder ein nichtmagnetisches Material als das Zwischenleiterelement verwendet wird, wobei das magnetische Material eine Beziehung von Wt × Bs ≤ Wm × Br erfüllt, wobei Wt eine Breitenabmessung in der Umlaufsrichtung des Zwischenleiterelements für einen einzelnen Magnetpol ist, Bs eine Sättigungsmagnetflussdichte des Zwischenleiterelements ist, Wm eine Breitenabmessung in der Umlaufsrichtung des Magnetabschnitts für einen einzelnen Magnetpol ist, und Br eine Remanenzflussdichte des Magnetabschnitts ist, oder kein Zwischenleiterelement zwischen den Spulenseiten in der Umlaufsrichtung vorgesehen ist, die rotierende elektrische Maschine aufweist: einen elektrischen Leistungswandler (900), der einen Reihenschaltungskörper aufweist, der aus einem Oberzweigschalter (901) und einen Unterzweigschalter (902) zusammengesetzt ist, eine Verdrahtung (910), die elektrisch einen Verbindungspunkt zwischen dem Oberzweigschalter und dem Unterzweigschalter und die Ankerwicklung für jede Phase verbindet, eine Stromerfassungseinrichtung (930), die für jede jeweilige Verdrahtung von zumindest zwei Phasen unter den Phasen vorgesehen ist und einen Stromwert erfasst, der zu der Verdrahtung fließt, und eine Steuerungseinrichtung (920), die eine Ein-/Aus-Steuerung des Oberzweigschalters und des Unterzweigschalters zur Speisung der Ankerwicklung auf der Grundlage des durch die Stromerfassungseinrichtung erfassten Stromwerts durchführt, wobei die Stromerfassungseinrichtung einen Eisenkern (931), die eine ringförmige Form aufweist, die die Verdrahtung umgibt und einen Spalt formt, und eine Spannungsausgabeeinheit (932) aufweist, die eine Spannung auf der Grundlage einer in dem Spalt erzeugten Magnetflussdichte ausgibt, und den zu der Verdrahtung fließenden Stromwert auf der Grundlage der Ausgangsspannung der Spannungsausgangseinheit erfasst, und eine Querschnittsfläche (Sa) der Verdrahtung größer als eine Querschnittsfläche (Scs) der Spulenseite ist.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 7, weiterhin mit einem Ankerkern (822), der auf einer Seite vorgesehen ist, die gegenüberliegend zu dem Magnetabschnitt in der radialen Richtung mit der Ankerwicklung dazwischen ist, und einem Ankerhalteelement (851), das auf einer Seite gegenüberliegend zu der Ankerwicklung in der radialen Richtung mit dem Ankerkern dazwischen vorgesehen ist und den Ankerkern hält, wobei die Stromerfassungseinrichtung auf einer Seite gegenüberliegend zu dem Ankerkern in der radialen Richtung mit dem Ankerhalteelement dazwischen vorgesehen ist.
Rotierende elektrische Maschine mit einem Feldelement (710, 810), das einen Magnetabschnitt (712, 812) aufweist, der eine Vielzahl von Magnetpolen aufweist, deren Polaritäten in einer Umlaufsrichtung abwechseln, und einem Anker (720, 820), der eine mehrphasige Ankerwicklung (721, 821, 871) aufweist, wobei entweder das Feldelement oder der Anker ein Rotor ist, wobei die Ankerwicklung jeder Phase eine Spulenseite (725, 825, 873), die zu einem vorbestimmten Intervall in der Umlaufsrichtung an einer Position angeordnet ist, die dem Magnetabschnitt gegenüberliegt, ein erstes Spulenende (776A, 826A, 874A), das auf einer äußeren Seite in einer axialen Richtung in Bezug auf die Spulenseite angeordnet ist, und ein zweites Spulenende (726B, 826B, 874B) aufweist, das auf einer anderen äußeren Seite in der axialen Richtung in Bezug auf die Spulenseite angeordnet ist, die Spulenseite in zwei Schichten in einer radialen Richtung vorgesehen ist, und das erste Spulenende und/oder das zweite Spulenende eine Wendung in einer kreisförmigen Form macht und das Spulenende auf einer Innenschichtseite in der radialen Richtung und das Spulenende auf einer Außenschichtseite in der radialen Richtung verbindet, und radial von der Spulenseite vorspringt und einen ringförmigen Hohlraum (727, 827) formt, der in der Umlaufsrichtung innerhalb des Spulenendes verbunden ist.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 9, weiterhin mit einem ringförmigen Kühlkörper (728, 828), der innerhalb des ringförmigen Hohlraums angeordnet ist.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 10, weiterhin mit einem elektrischen Leistungswandler (900), der einen Schalter (901, 902) aufweist und elektrisch mit der Ankerwicklung verbunden ist, und einer Steuerungseinrichtung (920), die Ein-/Aus-Schalten des Schalters steuert, um die Ankerwicklung zu speisen, wobei in dem Anker ein Zwischenleiterelement (57, 142, 143) zwischen den Spulenseiten in der Umlaufsrichtung vorgesehen ist, und ein magnetisches Material oder ein nichtmagnetisches Material als das Zwischenleiterelement verwendet wird, wobei das magnetische Material eine Beziehung von Wt × Bs ≤ Wm × Br erfüllt, wobei Wt eine Breitenabmessung in der Umlaufsrichtung des Zwischenleiterelements für einen einzelnen Magnetpol ist, Bs eine Sättigungsmagnetflussdichte des Zwischenleiterelements ist, Wm eine Breitenabmessung in der Umlaufsrichtung des Magnetabschnitts für einen einzelnen Magnetpol ist und Br eine Remanenzflussdichte des Magnetabschnitts ist, oder kein Zwischenleiterelement zwischen den Spulenseiten in der Umlaufsrichtung vorgesehen ist, und der Kühlkörper konfiguriert ist, ein ferromagnetisches Material aufzuweisen.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei von dem ersten Spulenende und dem zweiten Spulenende in dem Spulenende, in dem der ringförmige Hohlraum geformt ist, Verbindungsabschnitte mit der Spulenseite auf der Innenschichtseite in der radialen Richtung und der Spulenseite auf der Außenschichtseite in der radialen Richtung an derselben Position in der Umlaufsrichtung angeordnet sind.