DE112019000730T5

DE112019000730T5 - Rotierende elektrische Maschine der Feldwicklungsbauart

Info

Publication number: DE112019000730T5
Application number: DE112019000730.0T
Authority: DE
Inventors: Masahiro Seguchi
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2018-02-08
Filing date: 2019-01-30
Publication date: 2020-10-22
Also published as: US20200373822A1; WO2019155963A1; CN111712999A; JP2019140763A; US11251688B2; CN111712999B; JP6841247B2

Abstract

Eine rotierende elektrische Maschine (30) weist auf: eine Statorwicklung (31U bis 31W), eine Feldwicklung (70), die einen Reihenschaltungskörper mit einer Vielzahl von Wicklungsabschnitten (71a bis 71c) aufweist, und einem Rotor (60), der Hauptpolabschnitte (62) aufweist, die von einem Rotorkern (61) in einer radialen Richtung vorspringen. Jeder aus der Vielzahl der Wicklungsabschnitte ist um den Hauptpolabschnitt gewickelt. Ein Oberschwingungsstrom zum Induzieren eines Feldstroms in der Feldwicklung fließt zu der Statorwicklung. Die rotierende elektrische Maschine weist auf: ein Gleichrichtungselement (90), das in Reihe mit der Feldwicklung geschaltet ist, einen geschlossenen Kreis mit der Feldwicklung konfiguriert und den Feldstrom, der zu der Feldwicklung fließt, zum Fließen in eine Richtung gleichrichtet, einen Kondensator (91), bei dem ein erstes Ende mit einem Verbindungspunkt zwischen benachbarten Wicklungsabschnitten verbunden ist, und ein zweites Ende mit einen von beiden Enden des Gleichrichtungselements verbunden ist, und einen Unterteilungsabschnitt (80), der zumindest zwischen einem einzelnen Satz von benachbarten Wicklungsabschnitten unter der Vielzahl der Wicklungsabschnitten angeordnet ist und ein magnetisches Material aufweist.

Description

Querverweis zu verwandten Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung beruht auf und beansprucht Priorität aus der japanischen Patentanmeldung Nummer 2018-020856 , die am 8. Februar 2018 eingereicht worden ist, wobei deren Beschreibung hiermit durch Bezugnahme einbezogen ist.
Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine rotierende elektrische Maschine der Feldwicklungsbauart.
Stand der Technik
Wie es in PTL 1 gezeigt ist, ist als diese Art der rotierenden elektrischen Maschine eine rotierende elektrische Maschine bekannt, die einen Stator mit einer Statorwicklung, eine Feldwicklung, die durch einen Reihenschaltungskörper von zwei Wicklungsabschnitten konfiguriert ist, einen Rotor, der einen Rotorkern und Hauptpolabschnitte aufweist, und ein Gleichrichtungselement aufweist. Die Hauptpolabschnitte sind zu vorbestimmten Intervallen in einer Umlaufsrichtung vorgesehen und springen in einer radialen Richtung von dem Rotorkern vor. Das Gleichrichtungselement ist in Reihe mit der Feldwicklung geschaltet und konfiguriert zusammen mit der Feldwicklung einen geschlossenen Stromkreis. Das Gleichrichtungselement richtet einen zu der Feldwicklung fließenden Feldstrom zum Fließen in eine Richtung gleich. Die zwei Wicklungsabschnitte sind jeweils um einen gemeinsamen Hauptpolabschnitt gewickelt. Ein Grundwellenstrom, der hauptsächlich Drehmoment erzeugt, und ein Oberschwingungsstrom, der hauptsächlich die Feldwicklung erregt, fließen zu der Statorwicklung.
Zitierungsliste
Patentliteratur
PTL 1: JP 2008 - 178 211 A
Zusammenfassung der Erfindung
Wenn der Oberschwingungsstrom fließt, fließt ein Hauptmagnetfluss zu einem Magnetkreis, der Hauptmagnetpolabschnitte, die in der Umlaufsrichtung benachbart sind, und den Rotorkern aufweist. Als Ergebnis des Fließens des Hauptmagnetflusses wird eine induzierte Spannung in jedem der zwei Wicklungsabschnitten erzeugt, die in Reihe geschaltet sind. Ein Strom wird in dem Wicklungsabschnitt induziert. Dabei richtet das Gleichrichtungselement den zu dem Wicklungsabschnitt fließenden Strom gleich, um in einer Richtung zu fließen. Als Ergebnis fließt ein Feldstrom zu der Feldwicklung in der Richtung der Gleichrichtung durch das Gleichrichtungselement, und wird die Feldwicklung erregt.
Demgegenüber wird, wenn der Oberschwingungsstrom fließt, ein Streufluss zusätzlich dem Hauptmagnet erzeugt. Der Streufluss fließt derart, dass er von dem einen der Hauptpolabschnitte zu dem anderen quert, die in der Umlaufsrichtung benachbart sind, ohne dass er durch den Rotorkern gelangt, und ist mit der Feldwicklung verkettet. In diesem Fall werden in demselben Wicklungsabschnitt induzierte Spannungen entgegengesetzter Polarität erzeugt, und verringert sich der Strom, der induziert wird. Als Ergebnis verringert sich ein Gesamtwert der Ströme, die jeweils in den zwei Wicklungsabschnitten induziert werden. Weiterhin verringert sich der Feldstrom, der zu der Feldwicklung fließt. Dabei kann zur Kompensation der Verringerung des Feldstroms eine Erhöhung einer Amplitude des Oberschwingungsstroms, der der Statorwicklung zugeführt wird, in Betracht gezogen werden. Jedoch bestehen in diesem Fall Bedenken, dass Drehmomentwelligkeiten in der rotierenden elektrischen Maschine erhöht werden.
Die Hauptaufgabe der vorliegenden Offenbarung besteht darin, eine rotierende elektrische Maschine der Feldwicklungsbauart anzugeben, die in der Lage ist, einen Feldstrom zu erhöhen, der zu einer Feldwicklung fließt.
Eine erste Offenbarung stellt eine rotierende elektrische Maschine der Feldwicklungsbauart auf, die aufweist: einen Stator der eine Statorwicklung aufweist, eine Feldwicklung, die einen Reihenschaltungskörper mit einer Vielzahl von Wicklungsabschnitten aufweist, und einen Rotor, der einen Rotorkern und Hauptpolabschnitte aufweist, die zu vorbestimmten Intervallen in einer Umlaufsrichtung vorgesehen sind und von dem Rotorkern in einer radialen Richtung vorspringen, wobei jeder aus der Vielzahl der Wicklungsabschnitte um den Hauptpolabschnitt gewickelt ist, und ein Oberschwingungsstrom zum Induzieren eines Feldstroms in der Feldwicklung zu der Statorwicklung fließt. Die rotierende elektrische Maschine der Feldwicklungsbauart weist auf: ein Gleichrichtungselement, das in Reihe mit der Feldwicklung geschaltet ist, einen geschlossenen Kreis mit der Feldwicklung konfiguriert, und den Feldstrom, der zu der Feldwicklung fließt, zum Fließen in eine Richtung gleichrichtet; einen Kondensator, von dem ein erstes Ende mit einem Verbindungspunkt zwischen benachbarten Wicklungsabschnitten verbunden ist und ein zweites Ende mit einem von beiden Enden des Gleichrichtungselements verbunden ist; und einen Unterteilungsabschnitt, der zwischen zumindest einem einzelnen Satz von benachbarten Wicklungsabschnitten unter der Vielzahl der Wicklungsabschnitte vorgesehen ist und ein magnetisches Material aufweist.
Die erste Offenbarung weist den Unterteilungsabschnitt auf, der ein magnetisches Material aufweist. Als Ergebnis fließt ein großer Teil des Streuflusses durch den Unterteilungsabschnitt anstelle durch die Feldwicklung. Folglich werden induzierte Spannungen, die von entgegengesetzten Polaritäten sind, nicht ohne weiteres in dem gleichen Wicklungsabschnitt erzeugt. Ein Strom, der induziert wird, erhöht sich. Als Ergebnis kann der Feldstrom, der zu der Feldwicklung fließt, erhöht werden.
Weiterhin weist die erste Offenbarung den Kondensator auf, bei dem das erste Ende mit dem Verbindungspunkt zwischen benachbarten Wicklungsabschnitten verbunden ist, und das zweite Ende mit einem der beiden Enden des Gleichrichtungselements verbunden ist. Daher heben sich selbst in Fällen, in denen die induzierten Spannungen, die jeweils in einem Paar von Wicklungsabschnitten erzeugt werden, mit denen der Kondensator verbunden ist, von entgegengesetzten Polaritäten sind, die induzierten Ströme, die zu dem Paar der Wicklungsabschnitte fließen, nicht einander auf, und fließen beispielsweise zu der Gleichrichtungselementseite über den Kondensator. Als Ergebnis kann der Feldstrom, der zu der Feldwicklung fließt, erhöht werden. Dabei kann, da der Feldstrom durch den Unterteilungsabschnitt erhöht wird, die Wirkung der Erhöhung des Feldstroms, die durch den Kondensator erhalten wird, weiter verbessert werden.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, kann als ein Ergebnis der ersten Offenbarung der Feldstrom erhöht werden. Daher kann eine Amplitude des Oberschwingungsstroms, der zu der Statorwicklung fließt, reduziert werden. Weiterhin können Drehmomentwelligkeiten in der rotierenden elektrischen Maschine reduziert werden.
Gemäß einer zweiten Offenbarung sind die Wicklungsabschnitte jeweils um den Hauptpolabschnitt derart gewickelt, dass sie in der radialen Richtung angeordnet sind. Der Unterteilungsabschnitt ist konfiguriert, sich in der Umlaufsrichtung zu erstrecken.
Gemäß der zweiten Offenbarung ist der Unterteilungsabschnitt derart konfiguriert, dass er sich in der Umlaufsrichtung erstreckt. Als Ergebnis dieser Konfiguration kann ein Magnetpfad, der den Streufluss von einem zu dem anderen der in der Umlaufsrichtung benachbarten Hauptpolabschnitte über den Unterteilungsabschnitt führt, in geeigneter Weise konstruiert werden.
Gemäß einer dritten Offenbarung ist ein Spalt zwischen den Unterteilungsabschnitten geformt, die in der Umlaufsrichtung benachbart sind.
Als Ergebnis der dritten Offenbarung kann ein Hauptmagnetfluss, der von einem zu dem anderen der in der Umlaufsrichtung benachbarten Hauptpolabschnitte über den Unterteilungsabschnitt fließt, unterdrückt werden. Folglich kann eine Verringerung des Hauptmagnetflusses unterdrückt werden, der zu einem Magnetkreis fließt, der die in der Umlaufsrichtung benachbarten Hauptpolabschnitte und den Rotorkern aufweist. Eine Verringerung des Feldstroms kann unterdrückt werden.
Gemäß einer vierten Offenbarung weist eine Hüllkurve des Oberschwingungsstroms, der zu dem Stator fließt, eine Periode auf, die die Hälfte derjenigen eines Grundwellenstroms ist, der zu der Statorwicklung fließt. Ein Zeitpunkt, zu dem die Hüllkurve einen Spitzenwert davon erreicht, ist gegenüber einem Zeitpunkt, zu dem der Grundwellenstrom einen Spitzenwert davon erreicht, verschoben.
Als Ergebnis der vierten Offenbarung kann im Vergleich dazu, wenn der Zeitpunkt, zu dem die Hüllkurve den Spitzenwert davon erreicht, und der Zeitpunkt, zu dem der Grundwellenstrom den Spitzenwert davon erreicht, dieselben sind, ein maximaler Wert des Stroms, der zu der Statorwicklung fließt, reduziert werden. Folglich kann ein Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine auf ein angenommenes Drehmoment eingestellt werden, ohne dass eine Kapazität eines Wechselrichters, der mit der Statorwicklung verbunden ist, erhöht wird.
Gemäß einer fünften Offenbarung ist der Zeitpunkt, zu dem die Hüllkurve den Spitzenwert davon erreicht, derselbe Zeitpunkt wie ein Zeitpunkt, zu dem der Grundwellenstrom sich auf einer Schwankungsmitte davon befindet. Als Ergebnis der fünften Offenbarung kann die Wirkung des Reduzierens des maximalen Werts des Stroms, der zu der Statorwicklung fließt, verbessert werden.
Gemäß einer sechsten Offenbarung ist eine Resonanzfrequenz von einer Resonanzschaltung, die durch einen Wicklungsabschnitt der benachbarten Wicklungsabschnitte, mit dem der Kondensator verbunden ist, und den Kondensator konfiguriert ist, und/oder einer Resonanzschaltung, die durch den anderen Wicklungsabschnitt und den Kondensator konfiguriert ist, eine Frequenz des Oberschwingungsstroms, der zu der Statorwicklung fließt.
Als Ergebnis der sechsten Offenbarung kann der Strom, der in dem Wicklungsabschnitt induziert wird, weiter erhöht werden. Der Feldstrom kann weiter erhöht werden.
Gemäß einer siebten Offenbarung weist die Feldwicklung einen Reihenschaltungskörper mit drei oder mehr Wicklungsabschnitten auf. Der Kondensator ist individuell entsprechend jedem Verbindungspunkt zwischen den benachbarten Wicklungsabschnitten vorgesehen. Resonanzfrequenzen der Resonanzschaltungen, die den Wicklungsabschnitten entsprechen, unterscheiden sich voneinander.
Als Ergebnis der siebten Offenbarung kann zusätzlich zu der Resonanzschaltung, in der die Frequenz des Oberschwingungsstroms die Resonanzfrequenz ist, eine Resonanzschaltung verwirklicht werden, bei der eine Frequenz, die sich von der Frequenz des Oberschwingungsstroms unterscheidet, die Resonanzfrequenz ist. Folglich kann beispielsweise selbst in Fällen, in denen die Frequenz des Oberschwingungsstroms, der der Statorwicklung zugeführt wird, gegenüber einer eingestellten Frequenz verschoben ist, die Wirkung der Erhöhung des Feldstroms bei der Frequenz erhalten werden, so lange wie die verschobene Frequenz die Resonanzfrequenz der anderen Resonanzschaltung ist.
Gemäß einer achten Offenbarung ist die Feldwicklung durch eine Alpha- (α-) Wicklung konfiguriert.
Als Ergebnis der achten Offenbarung kann die Feldwicklung derart aufgebaut werden, dass sie in den Hauptpolabschnitt in der radialen Richtung eingesetzt wird. Daher kann der Aufbau (Zusammenbau, Montage) der Feldwicklung verbessert werden. Zusätzlich zeigen als Ergebnis der Alpha-Wicklung ein Anfang der Wicklung und ein Ende der Wicklung der Feldwicklung in dieselbe Richtung. Daher kann eine Verbindung der Wicklungsabschnitte der Feldwicklung, des Gleichrichtungselements und des Kondensators leicht durchgeführt werden.
Gemäß neunten und zehnten Offenbarungen ist eine erste Resonanzfrequenz einer Resonanzschaltung, die durch einen Wicklungsabschnitt der benachbarten Wicklungsabschnitte, mit denen der Kondensator verbunden ist, und den Kondensator konfiguriert ist, ein Wert ist, der kleiner als eine zweite Resonanzfrequenz einer Resonanzschaltung ist, die durch den anderen Wicklungsabschnitt und den Kondensator konfiguriert ist. Wenn eine Abweichung zwischen einem Medianwert der ersten Resonanzfrequenz und der zweiten Resonanzfrequenz und jeder der ersten Resonanzfrequenz und der zweiten Resonanzfrequenz eine Frequenzabweichung ist, ist die Frequenz des Oberschwingungsstroms, der zu der Statorwicklung fließt, in einem Bereich von einem Wert, der erhalten wird, indem die Frequenzabweichung von der ersten Resonanzfrequenz subtrahiert wird, bis zu einem Wert eingestellt, der erhalten wird, wenn die Frequenzabweichung zu der zweiten Resonanzfrequenz addiert wird.
Resonanzcharakteristiken der Resonanzschaltung können vor und nach der Resonanzfrequenz der Schaltung als gleich betrachtet werden. Daher können die Resonanzcharakteristiken der Resonanzschaltung durch die Frequenz des Oberschwingungsstroms verbessert werden, der zu der Statorwicklung fließt, die wie vorstehend beschrieben eingestellt worden ist.
Figurenliste
Die vorstehend beschriebene Aufgabe, andere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen weiter verdeutlicht. Ein Überblick der Zeichnungen ist wie folgt:

1 zeigt eine Gesamtkonfigurationsdarstellung eines Steuerungssystems einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 zeigt eine Darstellung einer elektrischen Schaltung, die in einem Rotor vorgesehen ist.
3 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht des Rotors und eines Stators,
4 zeigt eine Darstellung eines Abschnitts von 3 in einem vergrößerten Zustand,
5 zeigt eine Darstellung von Übergängen in einem Grundwellenstrom, einem Oberschwingungsstrom und dergleichen,
6 zeigt eine Darstellung von Übergängen in einem Drei-Phasen-Strom,
7 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines Rotors und eines Stators eines Vergleichsbeispiels,
8 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht des Rotors und des Stators des Vergleichsbeispiels,
9 zeigt eine Darstellung von erzeugten Mustern für eine induzierte Spannung in den Vergleichsbeispielen,
10 zeigt eine Darstellung von elektrischen Schaltungen, die erzeugten Mustern 2 und 3 entsprechen,
11 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht des Rotors und des Stators gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
12 zeigt eine Darstellung von Übergängen in einem Drei-Phasen-Strom, einem Feldstrom und einem Drehmoment,
13 zeigt eine Darstellung einer Wirkung des Reduzierens von Drehmomentwelligkeiten,
14 zeigt eine Darstellung von Übergängen in einem Grundwellenstrom, einem Oberschwingungsstrom und dergleichen in einem Variationsbeispiel 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
15 zeigt eine Darstellung von Übergängen in einem Drei-Phasen-Strom in dem Variationsbeispiel 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
16 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Wicklungsabschnitts in einem Variationsbeispiel 2 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
17 zeigt eine Draufsicht eines Unterteilungsabschnitts in dem Variationsbeispiel 2 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
18 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines Rotors und eines Stators gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
19 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines Rotors und eines Stators gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
20 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines Rotors und eines Stators in einem Variationsbeispiel gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel,
21 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines Rotors und eines Stators gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel,
22 zeigt eine Darstellung einer elektrischen Schaltung, die in dem Rotor vorgesehen ist,
23 zeigt eine seitliche Querschnittansicht eines Rotors und eines Stators in einem Variationsbeispiel 1 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel,
24 zeigt eine Darstellung einer Beziehung zwischen einer Frequenz eines Oberschwingungsstroms und Resonanzcharakteristiken gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
25 zeigt eine Darstellung einer elektrischen Schaltung, die in einem Rotor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel vorgesehen ist, und
26 zeigt eine Darstellung einer elektrischen Schaltung, die in einem Rotor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel vorgesehen ist.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Nachstehend sind Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Beispielsweise ist eine rotierende elektrische Maschine gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in einem Fahrzeug montiert. Dabei sind Sektionen unter den Ausführungsbeispielen, die nachstehend beschrieben sind, die identisch oder äquivalent zueinander sind, in den Zeichnungen dieselben Bezugszeichen zugeordnet. Beschreibungen von Sektionen, die dieselben Bezugszeichen aufweisen, sind dazwischen anwendbar.
Erstes Ausführungsbeispiel
Zunächst erfolgt eine Beschreibung unter Bezugnahme auf 1 bis 4. Ein Steuerungssystem weist eine Gleichstromleistungsversorgung 10, einen Wechselrichter 20, eine rotierende elektrische Maschine 30 und ein Steuerungsgerät 40 auf. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein Synchronmotor der Feldwicklungsbauart als die rotierende elektrische Maschine 30 verwendet. Zusätzlich steuert gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel das Steuerungsgerät 40 die rotierende elektrische Maschine 30 derart, dass die rotierende elektrische Maschine 30 als ein integrierter Starter Generator (ISG), der sowohl ein Elektromotor als auch ein Leistungsgenerator ist, und ein Motorgenerator (MG) fungiert. Beispielsweise kann ein Antriebsgerät der elektromechanisch integrierten Bauart durch Vorsehen der rotierenden elektrischen Maschine 30 des Wechselrichters 20 und des Steuerungsgeräts 40 konfiguriert sein. Alternativ dazu können die rotierende elektrische Maschine 30, der Wechselrichter 20 und das Steuerungsgerät 40 jeweils konfigurierte Komponente sein.
Die rotierende elektrische Maschine 30 weist einen Rotor 60 auf. Eine Feldwicklung 70 ist um den Rotor 60 gewickelt. Die Feldwicklung 70 ist durch einen Reihenschaltungskörper eines ersten Wicklungsabschnitts 71a und eines zweiten Wicklungsabschnitts 71b konfiguriert.
Die rotierende elektrische Maschine 30 weist eine Stator 50 auf. Eine Statorwicklung ist um den Stator 50 gewickelt. Beispielsweise weist die Statorwicklung einen Kupferdraht auf. Die Statorwicklung weist U-, V- und W-Phasenwicklungen 31U, 31V und 31W auf, die derart angeordnet sind, dass sie voneinander um 120 Grad im elektrischen Winkel verschoben sind.
Der Wechselrichter 20 weist Reihenschaltungskörper auf, die U-, V-, und W-Phase-Oberzweigschalter SUp, SVp und SWp sowie U-, V-, und W-Phasen-Unterzweigschalter SUn, SVn und SWn aufweisen. Erste Enden der U-, V-, und W-Phasen-Wicklungen 31U, 31V und 31W sind mit Verbindungspunkten zwischen den U-, V-, und W-Phasen-Oberzweigschaltern SUp, SVp und SWp und den U-, V-, und W-Phasen-Unterzweigschaltern SUn, SVn und SWn verbunden. Zweite Enden der U-, V-, und W-Phasen-Wicklungen 31U, 31V und 31W sind mit einem Neutralpunkt verbunden. Das heißt, dass gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die U-, V-, und W-Phasen-Wicklungen 31U, 31V und 31W durch eine Sternschaltung verbunden sind. Dabei ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel jeder der Schalter SUp bis SWn ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT). Eine Freilaufdiode ist umgekehrt parallel zu jedem der Schalter SUp, SVp, SWp, SUn, SVn und SWn geschaltet.
Ein positiver Anschluss der Gleichstromleistungsversorgung 10 ist mit Kollektoren der U-, V-, und W-Phase-Oberzweigschalter SUp, SVp und SWp verbunden. Ein negativer Anschluss der Gleichstromleistungsversorgung 10 ist mit Emittern der U-, V-, und W-Phasen-Unterzweigschaltern SUn, SVn und SWn verbunden. Dabei ist ein Glättungskondensator 11 parallel zu der Gleichstromleistungsversorgung 10 geschaltet.
Das Steuerungssystem weist eine Winkelerfassungseinheit 41 auf. Die Winkelerfassungseinheit 41 gibt ein Winkelsignal aus, das ein auf einem Drehwinkel des Rotors 60 basierendes Signal ist. Das Ausgangssignal der Winkelerfassungseinheit 41 wird in das Steuerungsgerät 40 eingegeben.
Nachstehend sind der Stator 50 und der Rotor 60 beschrieben.
Der Stator 50 und der Rotor 60 sind beide koaxial zusammen mit einer Drehwelle 32 angeordnet. In der nachfolgenden Beschreibung ist eine Richtung, in der sich die Drehwelle 32 erstreckt, eine axiale Richtung. Eine Richtung, die sich in einer ausstrahlenden Weise von einer Mitte der Drehwelle 32 erstreckt, ist eine radiale Richtung. Eine Richtung, die sich in einer Umlaufsweise mit der Drehwelle 32 als eine Mitte erstreckt, ist eine Umlaufsrichtung.
Der Stator 50 ist durch geschichtete Stahlbleche konfiguriert, die ein weichmagnetisches Material aufweisen. Der Stator 50 weist einen kreisringförmigen Statorkern 51 und eine Vielzahl von Zähnen 52 auf, die von dem Statorkern 51 zu einer inneren Seite in der radialen Richtung vorspringen. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Phasenwicklungen 31U, 31V und 31W durch eine verteilte Wicklung (oder eine konzentrierte Wicklung) um die Zähne 52 gewickelt. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind, wie es in 3 gezeigt ist, 48 Zähne zu gleichen Intervallen in der Umlaufsrichtung vorgesehen. Daher weist die rotierende elektrische Maschine 30 48 Nuten auf.
Der Rotor 60 ist durch geschichtete Stahlbleche konfiguriert, die ein weichmagnetisches Material aufweisen. Der Rotor 60 weist einen kreisförmigen zylindrischen Rotorkern 61 und eine Vielzahl von Hauptpolabschnitten 62 auf, die von dem Rotorkern 61 zu einer äußeren Seite in der radialen Richtung vorspringen. Eine Oberfläche auf einer Spitzenendseite jedes Hauptmagnetpolabschnitts 62 liegt einer Endoberfläche der Zähne 52 gegenüber.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind acht Hauptpolabschnitte 62 zu gleichen Intervallen in der Umlaufsrichtung vorgesehen.
In jedem Hauptpolabschnitt 62 ist der erste Wicklungsabschnitt 71a an der äußeren Seite in der radialen Richtung gewickelt und ist der zweite Wicklungsabschnitt 71b weiter zu der inneren Seite hin in der radialen Richtung als der erste Wicklungsabschnitt 71a gewickelt. In dem Hauptpolabschnitt 62 sind die Wicklungsrichtung des ersten Wicklungsabschnitts 71a und diejenige des zweiten Wicklungsabschnitts 71b gleich zueinander. Zusätzlich sind von den Wicklungsabschnitten 71a, die in der Umlaufsrichtung benachbart sind, die Wicklungsrichtung der Wicklungsabschnitte, die um einen gewickelt sind, und die Wicklungsrichtung der Wicklungsabschnitte, die um den anderen gewickelt sind, entgegengesetzt zueinander. Daher sind die Magnetisierungsrichtungen der in der Umlaufsrichtung zueinander benachbarten Hauptpolabschnitte 62 entgegengesetzt zueinander.
2 zeigt eine elektrische Schaltung auf der Rotorseite, die die Wicklungsabschnitte 71a und 71b aufweist, die um einen gemeinsamen Hauptpolabschnitt 62 gewickelt sind. Der Rotor 60 weist eine Diode 90, die als ein Gleichrichtungselement dient, und einen Kondensator 91 auf. Ein erstes Ende des ersten Wicklungsabschnitts 71a ist mit einer Kathode der Diode 90 verbunden. Ein erstes Ende des zweiten Wicklungsabschnitts 71b ist mit einem zweiten Ende des ersten Wicklungsabschnitts 71a verbunden. Eine Anode der Diode 90 ist mit einem zweiten Ende des zweiten Wicklungsabschnitts 71b verbunden. Der Kondensator 91 ist parallel zu dem zweiten Wicklungsabschnitt 71b geschaltet. In 2 bezeichnet L1 eine Induktivität in dem ersten Wicklungsabschnitt 71a, bezeichnet L2 eine Induktivität in dem zweiten Wicklungsabschnitt 71b und bezeichnet C eine Kapazität des Kondensators 91.
Wie es in 3 gezeigt ist, ist in dem Rotor 60 ein Unterteilungsabschnitt 80, der ein weichmagnetisches Material aufweist, zwischen dem ersten Wicklungsabschnitt 71a und dem zweiten Wicklungsabschnitt 71b vorgesehen. Beispielsweise weist der Unterteilungsabschnitt 80 eine ringförmige Form auf und ist in einem Zustand, in dem eine Mittenöffnung des Unterteilungsabschnitts 80 in den Hauptpolabschnitt 62 eingesetzt ist. Wenn aus der axialen Richtung betrachtet, weist der Unterteilungsabschnitt 80 eine abgeflachte Form auf, die sich in der Umlaufsrichtung erstreckt. Als Ergebnis davon, dass der Unterteilungsabschnitt 80 zwischen dem ersten Wicklungsabschnitt 71a und dem zweiten Wicklungsabschnitt 71b angeordnet ist, werden der erste Wicklungsabschnitt 71a und der zweite Wicklungsabschnitt 71b in der radialen Richtung durch den Unterteilungsabschnitt 80 blockiert. Eine Radialrichtungsdicke des Unterteilungsabschnitts 80 ist kleiner als die jeweilige Radialrichtungsdicke des ersten Wicklungsabschnitts 71a und des zweiten Wicklungsabschnitts 71b. Zusätzlich ist eine Umlaufsrichtungslänge des Unterteilungsabschnitts 80 gleich wie oder größer als Umlaufsrichtungslängen der Wicklungsabschnitte 71a und 71b.
Wie es in 4 gezeigt ist, ist der Unterteilungsabschnitt 80 konfiguriert, indem ein weichmagnetisches Material in der radialen Richtung geschichtet wird. Als Ergebnis wird eine Reduktion von Wirbelstromverlust erhalten. Zusätzlich kann als Ergebnis davon, dass die Schichtungsrichtung in der radialen Richtung ist, die Radialrichtungsdicke des Unterteilungsabschnitts 80 derart eingestellt werden, dass sie so dünn ist, dass sie mit einer Stahlblechdickenabmessung übereinzustimmt, während die Umlaufsrichtungslänge davon gewährleistet wird.
Der Unterteilungsabschnitt 80 ist als eine von dem Rotor 60 separate Komponente konfiguriert. Als Ergebnis kann die Verarbeitbarkeit des Rotorkerns 61 und der Zusammenbau, wenn die Feldwicklung 70 an die Hauptpolabschnitte 62 angebracht wird, verbessert werden. Zusätzlich ist ein Spalt zwischen dem Unterteilungsabschnitt 80 und dem Hauptpolabschnitt 62 geformt. Als Ergebnis kann der Zusammenbau, wenn die Feldwicklung 70 an die Hauptpolabschnitte 62 angebracht wird, verbessert werden. Weiterhin kann die Größe von Magnetfluss, der mit jedem der Wicklungsabschnitte 71a und 71b verkettet ist, leicht durch Justierung der Spaltabmessungen justiert werden.
Nachstehend ist das Steuerungsgerät 40 beschrieben. Dabei können beispielsweise ein Teil oder alle der Funktionen, die durch das Steuerungsgerät 40 bereitgestellt werden, durch Hardware, durch eine einzelne oder mehrere integrierte Schaltungen oder dergleichen konfiguriert sein. Zusätzlich können beispielsweise die Funktionen, die durch das Steuerungsgerät 40 bereitgestellt werden, durch Software, die in einem nichtflüchtigen computerlesbaren Speicherträger gespeichert ist, und einen Computer, der die Software ausführt, konfiguriert sein.
Das Steuerungsgerät 40 beschafft das Winkelsignal aus der Winkelerfassungseinheit 41 und erzeugt Ansteuerungssignale zum Ein-/Ausschalten der Schalte SUp bis SWn, die den Wechselrichter 20 konfigurieren, auf der Grundlage des beschafften Winkelsignals. Insbesondere erzeugt, wenn die rotierende elektrische Maschine 30 als Elektromotor betrieben wird, das Steuerungsgerät 40 die Ansteuerungssignale zum Ein-/Ausschalten der Zweigschalter SUp bis SWn, um Gleichstromleistung, die aus der Gleichstromleistungsversorgung 10 ausgegeben wird, in Wechselstromleistung umzuwandeln und die Wechselstromleistung den U-, V-, und W-Phasen-Wicklungen 31U, 31V und 31W zuzuführen. Das Steuerungsgerät 40 führt die erzeugten Ansteuerungssignale den Gates der Zweigschalte SUp bis SWn zu. Wenn demgegenüber die rotierende elektrische Maschine 30 als Leistungsgenerator betrieben wird, erzeugt das Steuerungsgerät 40 die Ansteuerungssignale zum Ein-/Ausschalten der Zweigschalter SUp bis SWn, um Wechselstromleistung, die aus den U-, V-, und W-Phasen-Wicklungen 31U, 31V und 31W ausgegeben wird, in Gleichstromleistung umzuwandeln und die Gleichstromleistung der Gleichstromleistungsversorgung 10 zuzuführen.
Das Steuerungsgerät 40 schaltet die Schalter SUp bis SWn ein/aus, so dass ein zusammengesetzter Strom eines Grundwellenstroms und eines Oberschwingungsstroms den Phasenwicklungen 31U, 31V und 31W zugeführt wird. Wie es in 5(a) gezeigt ist, ist der Grundwellenstrom ein Strom, der hauptsächlich Drehmoment in der rotierenden elektrischen Maschine 30 erzeugt. Wie es in 5(b) gezeigt ist, ist der Oberschwingungsstrom ein Strom, der hauptsächlich die Feldwicklung 70 erregt. 5(c) zeigt einen Phasenstrom, der ein zusammengesetzter Strom des Grundwellenstroms und des Oberschwingungsstroms ist. Werte auf der vertikalen Achse, die in 5 gezeigt ist, geben eine Entsprechungsbeziehung mit einem Betrag einer Wellenform an, die in jeder der 5(a) bis 5(c) gezeigt sind. Wie es in 6 gezeigt ist, sind Phasenströme IU, IV und IW, die zu dem Phasenwicklungen 31U, 31V und 31W fließen, voneinander um 120° im elektrischen Winkel verschoben.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist, wie es in 5(a) und 5(b) gezeigt ist, eine Hüllkurve des Oberschwingungsstroms einer Periode auf, die die Hälfte derjenigen des Grundwellenstroms ist. Die Hüllkurve ist durch eine Strichpunktlinie in 5(b) gezeigt. Ein Zeitpunkt, zu dem die Hüllkurve einen Spitzenwert davon erreicht, ist gegenüber einem Zeitpunkt, zu dem der Grundwellenstrom einen Spitzenwert davon erreicht, verschoben. Insbesondere ist ein Zeitpunkt, zu dem die Hüllkurve den Spitzenwert davon erreicht, ein Zeitpunkt, zu dem der Grundwellenstrom bei einer Schwankungsmitte (0) davon ist. Das Steuerungsgerät 40 steuert unabhängig jeweilige Amplituden und Perioden des Grundwellenstroms und des Oberschwingungsstroms.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine Frequenz fh des Oberschwingungsstroms eine Frequenz, die dieselbe wie oder nahe an einer ersten Resonanzfrequenz f1 einer Resonanzschaltung, die durch den ersten Wicklungsabschnitt 71a und den Kondensator 91 konfiguriert ist, oder dieselbe wie oder nahe an einer zweiten Resonanzfrequenz f2 einer Resonanzschaltung ist, die durch den zweiten Wicklungsabschnitt 71b und den Kondensator 91 konfiguriert ist. Die Resonanzfrequenzen f1 und f2 sind durch die nachstehend beschriebene Gleichung (Gl. 1) ausgedrückt.
[Gleichung 1] $\begin{matrix} f 1 = \frac{1}{2 π \sqrt{L 1 \times C}} \\ f 2 = \frac{1}{2 π \sqrt{L 2 \times C}} \end{matrix}$
Nachstehend sind Wirkungen, die als Ergebnis davon, dass der Kondensator 91 und der Unterteilungsabschnitt 80 vorgesehen sind, erhalten werden, im Vergleich zu einem Vergleichsbeispiel beschrieben.
Zunächst ist das Vergleichsbeispiel beschrieben. Wie es in 7 und 8 gezeigt ist, ist das Vergleichsbeispiel eine Konfiguration, in der der Unterteilungsabschnitt 80 und der Kondensator 91 von der Konfiguration gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weggelassen sind.
Wenn der Oberschwingungsstrom zu den Phasenwicklungen 31U, 32V und 31W fließt, fließt ein Hauptmagnetfluss zu einem magnetischen Kreis, der die Hauptpolabschnitte 62, die in der Umlaufsrichtung benachbart sind, den Rotorkern 61, die Zähne 52 und den Statorkern 51 aufweist. Als Ergebnis des Fließens des Hauptmagnetflusses wird eine induzierte Spannung in jedem der ersten und zweiten Wicklungsabschnitte 71a und 71b erzeugt. Ströme werden in den ersten und zweiten Wicklungsabschnitten 71a und 71b induziert. Dabei werden, wie es in erzeugten Mustern 1 und 4 gemäß 9 gezeigt ist, wenn induzierte Spannungen, die die gleiche Polarität aufweisen, jeweils in den ersten und zweiten Wicklungsabschnitten 71a und 71b erzeugt werden, die jeweiligen induzierten Ströme der ersten und zweiten Wicklungsabschnitte 71a und 71b nicht aufgehoben. Daher erhöht sich der induzierte Strom. Als Ergebnis der Diode 90 werden die Ströme, die zu den ersten und zweiten Wicklungsabschnitten 71a und 71b fließen, zum Fließen in eine Richtung gleichgerichtet. Als Ergebnis fließt der Feldstrom zu der Feldwicklung 70 in der Richtung der Gleichrichtung durch die Diode 90, und wird die Feldwicklung erregt. Dabei bezeichnet in 9 e1 die induzierte Spannung, die in dem ersten Wicklungsabschnitt 71a erzeugt wird, und bezeichnet e2 die induzierte Spannung, die in den zweiten Wicklungsabschnitt 71b erzeugt wird.
Dabei wird, wenn der Oberschwingungsstrom fließt, ein Streufluss zusätzlich zu dem Hauptmagnetfluss erzeugt. Wie es in 7 und 8 gezeigt ist, fließt der Streufluss derart, dass er von einem zu dem anderen der Hauptpolabschnitte 62, die in der Umlaufsrichtung benachbart sind, quert, ohne durch den Rotorkern 61 zu gelangen, und ist mit der Feldwicklung 70 verkettet. Dabei wird ein Streufluss, der lediglich mit Zwischenabschnitten der Wicklungsabschnitte 71a und 71b verkettet ist, ebenfalls erzeugt. Wenn der Streufluss mit der Feldwicklung 70 verkettet ist, werden in dem ersten Wicklungsabschnitt 71a induzierte Spannungen, die von entgegengesetzten Polaritäten sind, erzeugt, und verringert sich der Strom, der in dem ersten Wicklungsabschnitt 71a induziert wird. Zusätzlich werden ebenfalls in dem zweiten Wicklungsabschnitt 71b induzierte Spannungen, die von entgegengesetzten Polaritäten sind, erzeugt, und verringert sich der Strom, der in dem zweiten Wicklungsabschnitt 71b induziert wird. Als Ergebnis verringert sich ein Gesamtwert der Ströme, die jeweils in den ersten und zweiten Wicklungsabschnitten 71a und 71b induziert werden. Weiterhin verringert sich der zu der Feldwicklung 70 fließende Feldstrom.
Dabei kann zum Kompensieren der Verringerung des Feldstroms in Betracht gezogen werden, die Amplitude des Oberschwingungsstroms zu erhöhen, der den Phasenwicklungen 31U, 31V und 31W zugeführt wird. Jedoch bestehen in diesem Fall Bedenken, dass Drehmomentwelligkeiten in der rotierenden elektrischen Maschine 30 erhöht werden.
Daher ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Unterteilungsabschnitt 80 vorgesehen. Als Ergebnis fließt, wie es in 11 gezeigt ist, ein großer Teil des Streuflusses zu dem Unterteilungsabschnitt 80 anstelle zu der Feldwicklung 70. Folglich werden die induzierten Spannungen, die von entgegengesetzten Polaritäten sind, nicht ohne Weiteres in jedem der ersten und zweiten Wicklungsabschnitte 71a und 71b erzeugt. Die Ströme, die induziert werden, erhöhen sich. Als Ergebnis können in den erzeugten Mustern 1 bis 4, die in 9 gezeigt sind, die Ströme, die jeweils in den ersten und zweiten Wicklungsabschnitten 71a und 71b induziert werden, erhöht werden.
Zusätzlich ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Kondensator 91 parallel zu dem zweiten Wicklungsabschnitt 71b geschaltet. Daher fließen, wie es in den erzeugten Mustern 2 und 3 in 9 gezeigt ist, selbst in Fällen, in denen die induzierten Spannungen, die jeweils in den ersten und zweiten Wicklungsabschnitten 71a und 71b erzeugt werden, entgegengesetzte Polaritäten aufweisen, die induzierten Ströme über den Kondensator 91. Daher heben sich die induzierten Ströme, die zu den ersten und zweiten Wicklungsabschnitten 71a und 71b fließen, nicht einander auf. Daher fließen, wie es in 10(a) gezeigt ist, der Strom, der in den ersten Wicklungsabschnitt 71a induziert wird, und der Strom, der in den zweiten Wicklungsabschnitt 71b induziert wird, zu der Anodenseite der Diode 90 über den Kondensator 91, und fließen, wie es in 10(b) gezeigt ist, zu der Anodenseite der Diode 90 von dem Kondensator 91 durch den zweiten Wicklungsabschnitt 71b. Als Ergebnis kann der Feldstrom, der zu der Feldwicklung 70 fließt, erhöht werden. Dabei kann, da der induzierte Strom durch den Unterteilungsabschnitt 80 erhöht wird, die Wirkung der Erhöhung des Feldstroms, die durch den Kondensator 91 erhalten wird, weiter verbessert werden. Daher kann die Amplitude des Oberschwingungsstroms, der zu den Phasenwicklungen 31U, 31V und 31W fließt, reduziert werden. Weiterhin können Drehmomentwelligkeiten in der rotierenden elektrischen Maschine 30 reduziert werden.
12 zeigt Übergänge in den Phasenströmen IU, IV und IW, dem Feldstrom und dem Drehmoment gemäß dem folgenden Ausführungsbeispiel und diejenigen gemäß dem Vergleichsbeispiel. Gemäß dem folgenden Ausführungsbeispiel kann, da der Feldstrom erhöht werden kann, die Amplitude des Oberschwingungsstroms, der zu den Phasenwicklungen 31U, 31V und 31W fließt, reduziert werden. Als Ergebnis können die Drehmomentwelligkeiten in der rotierenden elektrischen Maschine 30 reduziert werden. Gemäß dem folgenden Ausführungsbeispiel können, wie es in 13 gezeigt ist, die Drehmomentwelligkeiten um etwa 20% reduziert werden.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Unterteilungsabschnitt 80 derart konfiguriert, dass er sich in der Umlaufsrichtung erstreckt. Als Ergebnis dieser Konfiguration kann ein Magnetpfad, der den Streufluss von einem zu dem anderen der in der Umlaufsrichtung zueinander benachbarten Hauptpolabschnitte 62 über den Unterteilungsabschnitt 80 führt, in geeigneter Weise konstruiert werden. Der Feldstrom kann weiter erhöht werden.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein Spalt zwischen den Unterteilungsabschnitten 80 geformt, die in der Umlaufsrichtung benachbart sind. Daher kann der Hauptmagnetfluss, der von einem zu dem anderen der in der Umlaufsrichtung benachbarten Hauptpolabschnitte 62 über den Unterteilungsabschnitt 80 fließt, unterdrückt werden. Insbesondere kann ein Magnetfluss, der durch einen Magnetkreis, der den Unterteilungsabschnitt 80, den Rotorkern 61 und die die in der Umlaufsrichtung benachbarten Hauptpolabschnitte 62 aufweist, unterdrückt werden. Als Ergebnis kann eine Verringerung in dem Hauptmagnetfluss, der zu dem Magnetkreis fließt, der die in der Umlaufsrichtung benachbarten Hauptpolabschnitte 62 und den Rotorkern 61 aufweist, unterdrückt werden. Eine Verringerung in dem Feldstrom kann unterdrückt werden.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die jeweiligen Resonanzfrequenzen f1 und f2 der Resonanzschaltung, die durch den ersten Wicklungsabschnitt 71a und den Kondensator 91 konfiguriert ist, und der Resonanzschaltung, die durch den zweiten Wicklungsabschnitt 71b und den Kondensator 91 konfiguriert ist, die Frequenz fh des Oberschwingungsstroms. Daher können die Ströme, die in den ersten und zweiten Wicklungsabschnitten 71a und 71b induziert werden, weiter erhöht werden. Der Feldstrom kann weiter erhöht werden.
Der Zeitpunkt, zu dem die Hüllkurve des Oberschwingungsstroms, der zu den Phasenwicklungen 31U, 31V und 31W fließt, den Spitzenwert davon erreicht, ist auf einen Zeitpunkt eingestellt, der derselbe wie der Zeitpunkt ist, zu dem der Grundwellenstrom, der zu den Phasenwicklungen 31U, 31V und 31W fließt, null wird. Als Ergebnis kann ein maximaler Wert der Phasenströme, die zu den Phasenwicklungen 31U, 31V und 31W fließen, reduziert werden. Das Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine 30 kann auf das befohlene Drehmoment eingestellt werden, ohne dass die Fähigkeit des Wechselrichters 20 erhöht wird.
Variationsbeispiel 1 des ersten Ausführungsbeispiels
Der Oberschwingungsstrom, der zu den Phasenwicklungen 31U, 31V und 31W fließt, kann derjenige sein, der in 14(b) gezeigt ist. 14(a) und (c) entsprechen den vorstehend beschriebenen 5(a) und (c).
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist, wie es in 14(a) und 14(b) gezeigt ist, der Zeitpunkt, zu dem die Hüllkurve des Oberschwingungsstroms den Spitzenwert davon erreicht, der Zeitpunkt, zu dem der Grundwellenstrom den Spitzenwert davon erreicht. Der in 14(b) gezeigte Oberschwingungsstrom ist derjenige, in dem die Phase des in 5(b) gezeigten Oberschwingungsstroms um eine Größe verschoben ist, die 1/4 der Periode des Grundwellenstroms beträgt. 15 zeigt Übergänge in den Phasenströmen IU, IV und IW, die zu den Phasenwicklungen 31U, 31V und 31W fließen, gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel.
Variationsbeispiel 2 des zweiten Ausführungsbeispiels
Wie es in 16 gezeigt ist, können jeder der ersten und zweiten Wicklungsabschnitte der Feldwicklung durch eine Alpha- (α-) Wicklung konfiguriert sein, die einen rechteckigen Draht verwendet. Als Ergebnis davon, dass der rechteckige Draht verwendet wird, kann ein Raumfaktor der Feldwicklung erhöht werden. Dabei kann beispielsweise als der Wicklungsabschnitt, der eine Alpha-Wicklung ist, die einen rechteckigen Draht verwendet, ein in 5(a) in JP 2008 - 178 211 A gezeigter Wicklungsabschnitt verwendet werden.
Wie es in 17 gezeigt ist, kann ein ringförmiger Unterteilungsabschnitt 81 verwendet werden. Der Unterteilungsabschnitt 81 weist eine abgeflachte Form auf. Der Unterteilungsabschnitt 81 wird an den Hauptpolabschnitt 62 durch eine Durchgangsöffnung angebracht, die in einem Mittenabschnitt davon geformt ist, der in den Hauptpolabschnitt 62 eingesetzt wird. Dabei werden der zweite Wicklungsabschnitt, der Unterteilungsabschnitt 81 und der erste Wicklungsabschnitt an den Hauptpolabschnitt 62 in dieser Reihenfolge angebracht. Zusätzlich kann eine Öffnung 81a, die durch den Unterteilungsabschnitt 81 in der Dickenrichtung verläuft, in dem Unterteilungsabschnitt 81 geformt sein. In diesem Fall können Wirbelströme reduziert werden. Dabei ist in 17 ein Beispiel gezeigt, bei dem sechs Öffnungen 81a in dem Unterteilungsabschnitt 81 geformt sind.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann, da die Feldwicklung derart angebracht werden kann, dass sie in den Hauptpolabschnitt in der radialen Richtung eingesetzt wird, das Anbringen der Feldwicklung verbessert werden. Zusätzlich zeigen als Ergebnis der Alpha-Wicklung ein Anfang der Wicklung und ein Ende der Wicklung der Feldwicklung in dieselbe Richtung. Daher kann eine Verbindung der Wicklungsabschnitte der Feldwicklung, der Diode 90 und des Kondensators 91 leicht durchgeführt werden.
Variationsbeispiel 3 des vorliegenden Ausführungsbeispiels
Gemäß 2 können die Orientierungen der Anode und der Kathode der Diode 90 entgegengesetzt sein. Zusätzlich kann der Kondensator 91 parallel zu dem ersten Wicklungsabschnitt 71a anstelle zu dem zweiten Wicklungsabschnitt 71b geschaltet sein.
Zweites Ausführungsbeispiel
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist, wie es in 18 gezeigt ist, der Rotor 60 Zwischenpolabschnitte 63, die von dem Rotorkern 61 zu der äußeren Seite in der radialen Richtung vorspringen, und einen Permanentmagneten 100 auf, der in dem Zwischenpolabschnitt 63 vorgesehen ist. Die Zwischenpolabschnitte 63 sind zu vorbestimmten Intervallen in der Umlaufsrichtung vorgesehen, und sind zwischen den Feldwicklungen 70 vorgesehen, die in der Umlaufsrichtung benachbart sind. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Rotor 60 acht Zwischenpolabschnitte 63 auf. Die Zwischenpolabschnitte 63, die benachbart in der Umlaufsrichtung sind, sind derart vorgesehen, dass Polaritäten in der radialen Richtung entgegensetzt zueinander sind.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann ein Streufluss zwischen den Hauptpolabschnitten 62, die in der Umlaufsrichtung benachbart sind, unterdrückt werden. Die Erregbarkeit der Feldwicklung 70 kann verbessert werden.
Drittes Ausführungsbeispiel
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind, wie es in 19 gezeigt ist, ein Wicklungsaspekt eines ersten Wicklungsabschnitts 74a und eines zweiten Wicklungsabschnitts 74b, die eine Feldwicklung 73 konfigurieren, modifiziert. Insbesondere ist der erste Wicklungsabschnitt 74a um den Hauptpolabschnitt 62 gewickelt, und ist der zweite Wicklungsabschnitt 74b um eine äußere Seite des ersten Wicklungsabschnitts 74a gewickelt. Ein Unterteilungsabschnitt 82 ist zwischen dem ersten Wicklungsabschnitt 74a und dem zweiten Wicklungsabschnitt 74b angeordnet.
Variationsbeispiel des dritten Ausführungsbeispiels
Wie es in 20 gezeigt ist, kann der Zwischenpolabschnitt 63 und der Permanentmagnet 100, die gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben worden sind, in der Konfiguration gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel vorgesehen werden.
Viertes Ausführungsbeispiel
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist, wie es in 21 und 22 gezeigt ist, die Feldwicklung 70 einen Reihenschaltungskörper mit dem ersten Wicklungsabschnitt 71a, dem zweiten Wicklungsabschnitt 71b und einem dritten Wicklungsabschnitt 71c auf. In jedem Hauptpolabschnitt 62 ist der erste Wicklungsabschnitt 71a an der äußersten Seite in der radialen Richtung gewickelt, ist der zweite Wicklungsabschnitt 71b weiter zu der inneren Seite in der radialen Richtung als der erste Wicklungsabschnitt 71a gewickelt und ist der dritte Wicklungsabschnitt 71c weiter zu der inneren Seite in der radialen Richtung als der zweite Wicklungsabschnitt 71b gewickelt. In dem Hauptpolabschnitt 62 sind die Wicklungsrichtungen der Wicklungsabschnitte 71a, 71b und 71c dieselben. Zusätzlich sind die Wicklungsrichtung der Wicklungsabschnitte 71a, 71b und 71c, die um einen der Hauptpolabschnitte 62, die in der Umlaufsrichtung benachbart sind, gewickelt sind, und die Wicklungsrichtung der Wicklungsabschnitte 71a, 71b und 71c, die um den anderen der Hauptpolabschnitte 62 gewickelt sind, entgegengesetzt.
In dem Rotor 60 ist ein erster Unterteilungsabschnitt 82a, der ein weichmagnetisches Material aufweist, zwischen dem ersten Wicklungsabschnitt 71a und dem zweiten Wicklungsabschnitt 71b vorgesehen. Ein zweiter Unterteilungsabschnitt 82b, der ein weichmagnetisches Material aufweist, ist zwischen dem zweiten Wicklungsabschnitt 71b und dem dritten Wicklungsabschnitt 71c vorgesehen. Die Radialrichtungsdicke von jedem der Unterteilungsabschnitte 82a und 82b ist kleiner als die Radialrichtungsdicke von jedem der Wicklungsabschnitte 71a, 71b und 71c. Die Unterteilungsabschnitte 82a und 82b können jeweils durch ein weichmagnetisches Material, das in der radialen Richtung geschichtet ist, konfiguriert sein.
22 zeigt eine elektrische Schaltung auf der Rotorseite, die die Wicklungsabschnitte 71a, 71b und 71c aufweist, die um einen gemeinsamen Hauptpolabschnitt 62 gewickelt sind. Eine Diode 92, ein erster Kondensator 93a und ein zweiter Kondensator 92b sind in dem Rotor 60 vorgesehen. Ein erstes Ende des dritten Wicklungsabschnitts 71c ist mit dem zweiten Ende des zweiten Wicklungsabschnitts 71b verbunden. Eine Anode der Diode 92 ist mit einem zweiten Ende des dritten Wicklungsabschnitts 71c verbunden. Die Anode der Diode 92 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen dem ersten Wicklungsabschnitt 71a und dem zweiten Wicklungsabschnitt 71b über den ersten Kondensator 93a verbunden. Die Anode der Diode 92 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen dem zweiten Wicklungsabschnitt 71b und dem dritten Wicklungsabschnitt 71c über den zweiten Kondensator 93b verbunden. In 22 bezeichnet L3 die Induktivität in dem dritten Wicklungsabschnitt 71c und bezeichnet C1 und C2 die Kapazität der ersten und zweiten Kondensatoren 93a und 93b.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Resonanzfrequenz einer ersten Resonanzschaltung, die durch den ersten Wicklungsabschnitt 71a und den ersten Kondensator 93a konfiguriert ist, f1. Die Resonanzfrequenz einer zweiten Resonanzschaltung, die durch den zweiten Wicklungsabschnitt 71b und den ersten und zweiten Kondensatoren 93a und 93b konfiguriert ist, ist f2. Die Resonanzfrequenz einer dritten Resonanzschaltung, die durch den dritten Wicklungsabschnitt 71c und den zweiten Kondensator 93b konfiguriert ist, ist f3. Die Resonanzfrequenzen f1, f2 und f3 werden durch die nachstehende Gleichung (Gl. 2) ausgedrückt. Dabei bezeichnet Ct eine kombinierte Kapazität von C1 und C2.
[Gleichung 2] $\begin{array}{l} f 1 = \frac{1}{2 π \sqrt{L 1 \times C 1}} \\ f 2 = \frac{1}{2 π \sqrt{L 2 \times C} t} \\ f 3 = \frac{1}{2 π \sqrt{L 3 \times C} 2} \\ C t = \frac{C 1 \times C 2}{C 1 + C 2} \end{array}$
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel gilt „f1 < f2 = fh < f3“. Daher können zusätzlich zu der zweiten Resonanzschaltung, in der die Frequenz fh des Oberschwingungsstroms die Resonanzfrequenz f2 ist, die ersten und dritten Resonanzschaltungen verwirklicht werden, in denen Frequenzen, die sich von der Frequenz fh des Oberschwingungsstroms unterscheiden, die Resonanzfrequenzen f1 und f3 sind, verwirklicht werden.
Daher kann selbst in Fällen, in denen die Frequenz des Oberschwingungsstroms, der den Phasenwicklungen 31U, 31V und 31W zugeführt wird, gegenüber einer Frequenz, die eingestellt worden ist, verschoben ist, die Wirkung der Erhöhung des Feldstroms bei der Frequenz erhalten werden, so lang wie die verschobene Frequenz die Resonanzfrequenz f1 oder f3 der ersten und dritten Resonanzschaltungen ist.
Dabei kann beispielsweise ein Phänomen, bei dem die Frequenz des Oberschwingungsstroms gegenüber einer Frequenz, die eingestellt worden ist, verschoben ist, in einer Region auftreten, in der eine elektrische Winkelfrequenz der rotierenden elektrischen Maschine 30 hoch ist. Ein Grund dafür ist, dass, wenn die elektrische Winkelfrequenz sich erhöht, eine Zahl n (wobei n eine natürliche Zahl ist) von Oberschwingungsströmen, die auf eine einzelne Periode des Grundwellenstroms überlagert werden können, sich verringert, und eine Frequenzschwankung, wenn die Anzahl der überlagerten Oberschwingungsströme sich von n auf n-1 ändert, signifikant wird.
Wenn beispielsweise n zwischen 4 und 3 sich ändert, tritt eine Schwankung in der Frequenz von mehr oder weniger als 30% auf. Die Frequenz fh des Oberschwingungsstroms vor und nach der Änderung schwankt um zumindest 30%. n = 3 gibt an, dass der Oberschwingungsstrom, der drei Perioden entspricht, in einer einzelnen Periode des Grundwellenstroms für eine einzelne Phase des Drei-Phasen-Stroms enthalten ist. Dies wird als eine minimale Einheit für eine Erregungsfrequenz der Feldwicklung betrachtet.
Variationsbeispiel 1 des vierten Ausführungsbeispiels
Wie es in 23 gezeigt ist, muss die Konfiguration gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel den zweiten Unterteilungsabschnitt 82b nicht aufweisen.
Variationsbeispiel 2 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel
Wie es in 22 gezeigt ist, können die Orientierungen der Anode und der Kathode der Dioden 92 umgekehrt sein.
Andere Ausführungsbeispiele
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele können in der nachfolgenden Weise modifiziert werden.
Gemäß 2 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist die zweite Resonanz f2 der Resonanzschaltung, die durch den zweiten Wicklungsabschnitt 71b und den Kondensator 91 konfiguriert ist, höher als die Resonanzfrequenz f1 der Resonanzschaltung, die durch den ersten Wicklungsabschnitt 71a und den Kondensator 91 konfiguriert ist. In diesem Fall ist die Frequenz fh des Oberschwingungsstroms, der auf dem Grundwellenstrom überlagert wird, vorzugsweise nahe an den ersten und zweiten Resonanzfrequenzen f1 und f2.
Zusätzlich sollten zur Verbesserung von Resonanzeigenschaften die erste Resonanzfrequenz f1 und die zweite Resonanzfrequenz f2 auf Werte eingestellt werden, die so nah wie möglich sind. Dabei bedeutet eine Verbesserung der Resonanzeigenschaften, dass eine Impedanz in der Resonanzschaltung niedrig ist, das heißt, dass der Feldstrom, der in der Feldwicklung induziert werden kann, groß ist. Wie es in 24 gezeigt ist, ist, wenn ein Medianwert der Schwankung in der Frequenz, die das Ziel des Oberschwingungsstroms ist, (f1+f2)/2 ist, der Schwankungsbereich vorzugsweise zwischen der ersten Resonanzfrequenz f1 und der zweiten Resonanzfrequenz f2. Jedoch ist dies nicht darauf beschränkt. Dies ist nachstehend beschrieben.
Resonanzeigenschaften der Resonanzschaltung können als gleich vor und nach der Resonanzfrequenz der Schaltung betrachtet werden. Daher kann, wenn eine Abweichung zwischen dem Medianwert „(f1+f2)/2“ der Schwankung in der Frequenz und den Resonanzfrequenzen f1 und f2 eine Frequenzabweichung Δf=(f2-f1)/2 ist, eine gleiche Resonanz über einen Frequenzbereich von „f1-Δf“ bis „f2+Δf“ erwartet werden.
Wie es in 25 gezeigt ist, kann die Feldwicklung durch einen Reihenschaltungskörper mit vier oder mehr Wicklungsabschnitten konfiguriert sein. In diesem Fall ist, wenn die Anzahl der Wicklungsabschnitte N+1 ist, die Anzahl der Kondensatoren N.
Gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist der Kondensator in einer anderen Sektion als den Wicklungsabschnitten der Feldwicklung angeschlossen. Anstelle dieser Konfiguration kann, wie es in 26 gezeigt ist, der Kondensator 91 in der Mitte des Wicklungsabschnitts der Feldwicklung 75 angeschlossen werden. In diesem Fall entsprechen Abschnitte der Feldwicklung 75, die durch einen Verbindungspunkt des Kondensators 91 geteilt sind, den Wicklungsabschnitten. Die rotierende elektrische Maschine ist nicht auf eine Bauart mit innerem Rotor begrenzt und kann eine Bauart mit äußerem Rotor sein. In diesem Fall springen die Hauptpolabschnitte von dem Rotorkern zu der inneren Seite in der radialen Richtung vor.
Ein anderes Gleichrichtungselement als die Diode kann verwendet werden, so lang wie das Gleichrichtungselement ein Element ist, das den Feldstrom, das zu der Feldwicklung fließt, zum Fließen in eine Richtung gleichrichtet.
Obwohl die vorliegende Offenbarung unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, sei zu verstehen, dass die Offenbarung nicht auf die Ausführungsbeispiele und Konstruktionen beschränkt ist. Die vorliegende Offenbarung deckt verschiedene Modifikationsbeispiele und Modifikationen innerhalb des Äquivalenzbereichs ab. Zusätzlich sind verschiedene Kombinationen und Konfigurationen sowie weitere, andere Kombinationen und Konfigurationen einschließlich mehr, weniger oder lediglich einem einzelnen Element davon ebenfalls innerhalb der Idee und des Umfangs der vorliegenden Offenbarung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2018020856 [0001]
JP 2008178211 A [0004, 0064]

Claims

Rotierende elektrische Maschine (30) der Feldwicklungsbauart mit: einem Stator (50) der eine Statorwicklung (31U bis 31W) aufweist, einer Feldwicklung (70, 73), die einen Reihenschaltungskörper mit einer Vielzahl von Wicklungsabschnitten (71a bis 71c, 72, 74a, 74b) aufweist, und einem Rotor (60), der einen Rotorkern (61) und Hauptpolabschnitte (62) aufweist, die zu vorbestimmten Intervallen in einer Umlaufsrichtung vorgesehen sind und von dem Rotorkern in einer radialen Richtung vorspringen, wobei jeder aus der Vielzahl der Wicklungsabschnitte um den Hauptpolabschnitt gewickelt ist, und ein Oberschwingungsstrom zum Induzieren eines Feldstroms in der Feldwicklung zu der Statorwicklung fließt, und die rotierende elektrische Maschine der Feldwicklungsbauart aufweist: ein Gleichrichtungselement (90, 92), das in Reihe mit der Feldwicklung geschaltet ist, einen geschlossenen Kreis mit der Feldwicklung konfiguriert, und den Feldstrom, der zu der Feldwicklung fließt, zum Fließen in eine Richtung gleichrichtet, einen Kondensator (91, 93a, 93b), von dem ein erstes Ende mit einem Verbindungspunkt zwischen benachbarten Wicklungsabschnitten verbunden ist und ein zweites Ende mit einem von beiden Enden des Gleichrichtungselements verbunden ist, und einen Unterteilungsabschnitt (80, 81, 82a, 82b), der zwischen zumindest einem einzelnen Satz von benachbarten Wicklungsabschnitten unter der Vielzahl der Wicklungsabschnitte vorgesehen ist und ein magnetisches Material aufweist.
Rotierende elektrische Maschine der Feldwicklungsbauart nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl der Wicklungsabschnitte (71a bis 71c) jeweils um den Hauptpolabschnitt derart gewickelt sind, dass sie in der radialen Richtung angeordnet sind, und der Unterteilungsabschnitt (80, 82a, 82b) konfiguriert ist, sich in der Umlaufsrichtung zu erstrecken.
Rotierende elektrische Maschine der Feldwicklungsbauart nach Anspruch 2, wobei ein Spalt zwischen Unterteilungsabschnitten geformt ist, die in der Umlaufsrichtung benachbart sind.
Rotierende elektrische Maschine der Feldwicklungsbauart nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: eine Hüllkurve des Oberschwingungsstroms, der zu dem Stator fließt, eine Periode aufweist, die die Hälfte derjenigen eines Grundwellenstroms ist, der zu der Statorwicklung fließt, und ein Zeitpunkt, zu dem die Hüllkurve einen Spitzenwert davon erreicht, gegenüber einem Zeitpunkt, zu dem der Grundwellenstrom einen Spitzenwert davon erreicht, verschoben ist.
Rotierende elektrische Maschine der Feldwicklungsbauart nach Anspruch 4, wobei: der Zeitpunkt, zu dem die Hüllkurve den Spitzenwert davon erreicht, derselbe Zeitpunkt wie ein Zeitpunkt ist, zudem der Oberwellenstrom an einer Schwankungsmitte davon ist.
Rotierende elektrische Maschine der Feldwicklungsbauart nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei: eine Resonanzfrequenz von einer Resonanzschaltung, die durch den Kondensator und einem Wicklungsabschnitt der benachbarten Wicklungsabschnitte, der mit denen der Kondensator verbunden ist, konfiguriert ist und/oder einer Resonanzschaltung, die durch den anderen Wicklungsabschnitt und den Kondensator konfiguriert ist, eine Frequenz des Oberschwingungsstroms ist, der zu der Statorwicklung fließt.
Rotierende elektrische Maschine der Feldwicklungsbauart nach Anspruch 6, wobei: die Feldwicklung einen Reihenschaltungskörper mit drei oder mehr Wicklungsabschnitten (71a bis 71c) aufweist, der Kondensator (93a, 93b) entsprechend jedem Verbindungspunkt zwischen den benachbarten Wicklungsabschnitten individuell vorgesehen ist, und Resonanzfrequenzen der Resonanzschaltungen, die den Wicklungsabschnitten entsprechen, sich voneinander unterscheiden.
Rotierende elektrische Maschine der Feldwicklungsbauart nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei: die Feldwicklung durch eine Alpha-Wicklung konfiguriert ist.
Rotierende elektrische Maschine der Feldwicklungsbauart nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei: eine erste Resonanzfrequenz (f1) einer Resonanzschaltung, die durch einen Wicklungsabschnitt (71a) der benachbarten Wicklungsabschnitte, mit denen der Kondensator verbunden ist, und den Kondensator (91) konfiguriert ist, ein Wert ist, der kleiner als eine zweite Resonanzfrequenz (f2) einer Resonanzschaltung ist, die durch den anderen Wicklungsabschnitt (71b) und den Kondensator konfiguriert ist, und, wenn eine Abweichung zwischen einem Medianwert der ersten Resonanzfrequenz und der zweiten Resonanzfrequenz und jeder der ersten Resonanzfrequenz und der zweiten Resonanzfrequenz eine Frequenzabweichung (Δf) ist, die Frequenz des Oberschwingungsstroms, der zu der Statorwicklung fließt, in einem Bereich von einem Wert (f1-Δf), der erhalten wird, indem die Frequenzabweichung von der ersten Resonanzfrequenz subtrahiert wird, bis zu einem Wert (f2+Δf) eingestellt ist, der erhalten wird, wenn die Frequenzabweichung zu der zweiten Resonanzfrequenz addiert wird.
Rotierende elektrische Maschine (30) der Feldwicklungsbauart mit: einem Stator (50) der eine Statorwicklung (31U bis 31W) aufweist, einer Feldwicklung (70, 73), die einen Reihenschaltungskörper mit einer Vielzahl von Wicklungsabschnitten (71a bis 71c, 72, 74a, 74b) aufweist, und einem Rotor (60), der einen Rotorkern (61) und Hauptpolabschnitte (62) aufweist, die zu vorbestimmten Intervallen in einer Umlaufsrichtung vorgesehen sind und von dem Rotorkern in einer radialen Richtung vorspringen, wobei jeder aus der Vielzahl der Wicklungsabschnitte um den Hauptpolabschnitt gewickelt ist, und ein Oberschwingungsstrom zum Induzieren eines Feldstroms in der Feldwicklung zu der Statorwicklung fließt, und die rotierende elektrische Maschine der Feldwicklungsbauart aufweist: ein Gleichrichtungselement (90, 92), das in Reihe mit der Feldwicklung geschaltet ist, einen geschlossenen Kreis mit der Feldwicklung konfiguriert, und den Feldstrom, der zu der Feldwicklung fließt, zum Fließen in eine Richtung gleichrichtet, einen Kondensator (91, 93a, 93b), von dem ein erstes Ende mit einem Verbindungspunkt zwischen benachbarten Wicklungsabschnitten verbunden ist und ein zweites Ende mit einem von beiden Enden des Gleichrichtungselements verbunden ist, eine erste Resonanzfrequenz (f1) einer Resonanzschaltung, die durch und den Kondensator und einen Wicklungsabschnitt (71a) der benachbarten Wicklungsabschnitte, mit denen der Kondensator verbunden ist, konfiguriert ist, ein Wert ist, der kleiner als eine zweite Resonanzfrequenz (f2) einer Resonanzschaltung ist, die durch den anderen Wicklungsabschnitt (71b) und den Kondensator konfiguriert ist, und, wenn eine Abweichung zwischen einem Medianwert der ersten Resonanzfrequenz und der zweiten Resonanzfrequenz und jeder der ersten Resonanzfrequenz und der zweiten Resonanzfrequenz eine Frequenzabweichung (Δf) ist, die Frequenz des Oberschwingungsstroms, der zu der Statorwicklung fließt, in einem Bereich von einem Wert (f1-Δf), der erhalten wird, indem die Frequenzabweichung von der ersten Resonanzfrequenz subtrahiert wird, bis zu einem Wert (f2+Δf) eingestellt ist, der erhalten wird, wenn die Frequenzabweichung zu der zweiten Resonanzfrequenz addiert wird.