DE112019006077T5

DE112019006077T5 - Drehende elektrische Maschine

Info

Publication number: DE112019006077T5
Application number: DE112019006077.5T
Authority: DE
Inventors: Yuki Takahashi
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2018-12-05
Filing date: 2019-12-03
Publication date: 2021-08-19
Also published as: CN113169651A; JP7293627B2; WO2020116429A1; US11863031B2; US20210367494A1; JP2020092516A

Abstract

Eine drehende elektrische Maschine (10) hat einen Rotor (40) und einen Anker (50), der eine mehrphasige Ankerwicklung (51) und ein Basiselement (52) hat, an dem die mehrphasige Ankerwicklung befestigt ist. Das Basiselement ist aus magnetischem Material gefertigt und hat eine hohlzylindrische oder zylindrische Form, eine innere Umfangsfläche und eine äußere Umfangsfläche. Die mehrphasige Ankerwicklung hat leitende Elemente (81, 82), die dem Feldgenerator zugewandt sind und in der Umfangsrichtung in bestimmten Abständen zueinander angeordnet sind. Jedes der leitenden Elemente hat eine seitliche Umfangsfläche (1082a) des Basiselements. Der Anker hat ein folienartiges Filmschichtelement (1000), das entweder an der inneren Umfangsfläche oder an der äußeren Umfangsfläche des Basiselements befestigt ist, um die innere Umfangsfläche oder die äußere Umfangsfläche des Basiselements abzudecken. Das Filmschichtelement ist aus thermoplastischem Harz als nichtmagnetischem Material hergestellt und hat eine feldelementseitige Umfangsfläche (1001). Jedes der leitenden Elemente ist in radialer Richtung der drehenden elektrischen Maschine zumindest teilweise in das Plattenelement eingebettet, um dadurch die feldelementseitige Umfangsfläche so anzuordnen, dass sie radial näher an dem Basiselement liegt als die feldelementseitige Umfangsfläche des Schichtelements.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANWENDUNG
Diese Anmeldung beruht auf der japanischen Patentanmeldung Nr. 2018 - 228 195 , die am 5. Dezember 2018 eingereicht wurde und beansprucht die Priorität dieser Anmeldung, deren Offenbarung hier durch Bezugnahme vollständig aufgenommen ist.
Technisches Gebiet
Diese Offenbarung bezieht sich allgemein auf drehende elektrische Maschinen.
Hintergrund
Drehende elektrische Maschinen sind in elektrischen Haushaltsgeräten, Industriemaschinen, Unterhaltungsmaschinen, landwirtschaftlichen Maschinen und Automobilen anwendbar. Eine typische drehende elektrische Maschine hat einen Statorkern, der Zähne hat, die das Innere des Statorkerns unterteilen, um mehrere Schlitze zu definieren, die als Installationsabschnitte für eine Wicklung dienen. Leiterdrähte, wie z. B. Kupferdrähte oder Aluminiumdrähte, sind in den jeweiligen Schlitzen installiert, um mehrphasige Statorwicklungen zu bilden.
Die Patentliteratur 1 offenbart einen schlitzlosen Motor mit einem zahnlosen Stator.
Zitierliste
Patentliteratu r
Patentliteratur 1
Japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungs-Nr. H06 - 70 522
Zusammenfassung
Bei einem solchen schlitzlosen Motor kann ein Problem auftreten, dass es schwierig ist, die mehrphasigen Wicklungen in der Umfangsrichtung des Motors zu befestigen, da keine Zähne vorhanden sind. Ein solcher schlitzloser Motor kann daher eine zusätzliche Befestigungsmaßnahme benötigen, um die mehrphasigen Wicklungen richtig zu befestigen.
Aus dem voranstehend geschilderten Gesichtspunkt zielt die vorliegende Offenbarung darauf ab, hauptsächlich drehende elektrische Maschinen bereitzustellen, von denen jede in der Lage ist, mehrphasige Wicklungen geeignet zu befestigen.
Eine erste Maßnahme zur Lösung der voranstehend beschriebenen Probleme ist eine drehende elektrische Maschine mit einem Feldgenerator, der eine Magneteinheit hat. Die Magneteinheit hat eine Vielzahl Magnetpole, deren Polaritäten in einer Umfangsrichtung der drehenden elektrischen Maschine abwechselnd angeordnet sind. Die drehende elektrische Maschine umfasst einen Anker, der eine mehrphasige Ankerwicklung hat, und ein Basiselement, auf dem die mehrphasige Ankerwicklung befestigt ist. Das Basiselement ist aus einem magnetischen Material hergestellt. Das Basiselement hat eine hohlzylindrische oder eine zylindrische Form, eine innere Umfangsfläche und eine äußere Umfangsfläche. Eines der Elemente aus dem Feldgenerator und dem Anker dient als ein Rotor der drehenden elektrischen Maschine. Die mehrphasige Ankerwicklung hat mehrere leitende Elemente, die dem Feldgenerator zugewandt sind und in der Umfangsrichtung in bestimmten Abständen zueinander angeordnet sind. Jedes der leitenden Elemente hat eine auf der Seite des Basiselements liegende Umfangsfläche. Der Anker hat außerdem ein Filmschichtelement, das so angeordnet ist, dass es entweder die innere Umfangsfläche oder die äußere Umfangsfläche des Basiselements bedeckt. Das Filmschichtelement ist aus thermoplastischem Harz als einem nichtmagnetischen Material hergestellt und hat eine feldelementseitige Umfangsfläche. Jedes der leitenden Elemente weist zumindest ein Teil in einer radialen Richtung der drehenden elektrischen Maschine in das Schichtelement eingebettet auf, um dadurch die basiselementseitige Umfangsfläche so anzuordnen, dass sie radial näher als die feldelementseitige Umfangsfläche des Schichtelements an dem Basiselement liegt.
Dies führt dazu, dass Abschnitte des Schichtelements jeweils zwischen einem entsprechenden benachbarten Paar leitende Elemente in der Umfangsrichtung angeordnet sind. Dies verhindert ein Verdrehen der leitenden Elemente 81 relativ zu dem Basiselement. Das Schichtelement ermöglicht es, dass die leitenden Elemente und das Basiselement elektrisch voneinander isoliert sind, was zu einer Reduzierung eines Eisenverlusts wie z. B. eines Wirbelstromverlustes führt.
Eine zweite Maßnahme besteht darin, dass jedes der leitenden Elemente eine feldelementseitige Umfangsfläche aufweist, die freiliegt und vorragt, um radial näher als die feldseitige Umfangsfläche des Schichtelements an dem Feldelement zu liegen.
Dies ergibt, dass ein Luftspalt zwischen dem Feldgenerator und dem Anker verringert ist.
Eine dritte Maßnahme besteht darin, dass die eine aus der inneren Umfangsfläche und der äußeren Umfangsfläche des Basiselements, an der die leitenden Elemente über das Schichtelement befestigt sind, als eine ebene Fläche ohne jegliche Unregelmäßigkeiten geformt ist.
Dies führt zu einer einfacheren Herstellung des Basiselements, da die eine aus der inneren Umfangsfläche und der äußeren Umfangsfläche des Basiselements als flache Form ausgebildet ist. Die flache, flach geformte äußere oder innere Umfangsfläche des Basiselements ermöglicht es dem Schichtelement, die flache, flach geformte äußere oder innere Umfangsfläche des Basiselements zu bedecken, ohne dass ein Raum dazwischen vorhanden ist. Die flach geformte äußere oder innere Umfangsfläche des Basiselements ergibt außerdem eine einfachere Befestigung des Schichtelements an der flach geformten äußeren oder inneren Umfangsfläche des Basiselements.
Eine vierte Maßnahme gemäß einer der ersten bis dritten Maßnahmen besteht darin, dass die Magneteinheit d-Achsen-Seitenbereiche aufweist, die benachbart zu jeweiligen d-Achsen angeordnet sind, wobei jede der d-Achsen ein Zentrum des entsprechenden einen der Magnetpole ist. Die Magneteinheit weist q-Achsen-Seitenbereiche auf, die benachbart zu jeweiligen q-Achsen angeordnet sind, wobei jede der q-Achsen eine Grenze zwischen einem entsprechenden benachbarten Paar der Magnetpole ist. Die Magneteinheit ist magnetisch so ausgerichtet, dass sie (i) einen ersten Satz von leichten Magnetisierungsachsen in jedem der d-Achsen-Seitenbereiche ausgebildet aufweist, und (ii) einen zweiten Satz von leichten Magnetisierungsachsen in jedem der q-Achsen-Seitenbereiche ausgebildet aufweist. Die leichten Magnetisierungsachsen, die in jedem der d-Achsen-Seitenbereiche ausgebildet sind, liegen stärker parallel zu der entsprechenden d-Achse als die leichten Magnetisierungsachsen, die in jedem der q-Achsen-Seitenbereiche ausgebildet sind.
Eine fünfte Maßnahme gemäß einer der ersten bis vierten Maßnahmen besteht darin, dass die Magneteinheit mit einer Vielzahl Magneten versehen ist, und jeder der Magnete eine intrinsische Koerzitivkraft von nicht weniger als 400 [kA/m] und eine remanente Flussdichte von nicht weniger als 1,0 [T] aufweist.
Eine sechste Maßnahme gemäß einer der ersten bis fünften Maßnahmen ist, dass jedes der leitenden Elemente, die dem Feldgenerator zugewandt und in den gegebenen Abständen voneinander in der Umfangsrichtung angeordnet sind, eine radiale Dicke aufweist, die kleiner als eine Umfangsbreite eines Abschnitts der mehrphasigen Ankerwicklung ist. Der Abschnitt der mehrphasigen Ankerwicklung liegt in einem Bereich eines entsprechenden der Magnetpole und dient als eine der mehreren Phasen der mehrphasigen Ankerwicklung.
Eine siebente Maßnahme gemäß einer der ersten bis sechsten Maßnahmen besteht darin, dass jedes der dem Feldgenerator zugewandten leitenden Elemente, die in den vorgegebenen Abständen in der Umfangsrichtung voneinander angeordnet sind, eine Mehrzahl von Leitern aufweist. Jeder der Leiter besteht aus einer Ansammlung von Drähten, und die Drähte weisen dazwischen einen ersten Widerstand auf. Jeder der Drähte hat in sich einen zweiten Widerstand, worin der erste Widerstand höher als der zweite Widerstand ist.
Eine achte Maßnahme ist ein Verfahren zur Herstellung einer drehenden elektrischen Maschine. Die drehende elektrische Maschine hat einen Feldgenerator, der eine Magneteinheit hat. Die Magneteinheit weist eine Vielzahl Magnetpole auf, deren Polaritäten in einer Umfangsrichtung der drehenden elektrischen Maschine abwechselnd angeordnet sind. Die drehende elektrische Maschine hat einen Anker, der eine mehrphasige Ankerwicklung und ein Basiselement hat, an dem die mehrphasige Ankerwicklung befestigt ist. Das Basiselement ist aus einem magnetischem Material gefertigt und hat eine hohlzylindrische oder zylindrische Form, eine innere Umfangsfläche und eine äußere Umfangsfläche. Eines aus dem Feldgenerator und dem Anker dient als Rotor der drehenden elektrischen Maschine. Die mehrphasige Ankerwicklung hat eine mehrfache Anzahl von leitenden Elementen, die dem Feldgenerator zugewandt sind und in der Umfangsrichtung in bestimmten Abständen voneinander angeordnet sind. Das Verfahren hat

1. Einen ersten Schritt, eine aus der inneren Umfangsfläche und der äußeren Umfangsfläche des Abdeckelements mit einem folienartigen Filmschichtelement aus thermoplastischem Harz als nichtmagnetischem Material zu bedecken;
2. Einen zweiten Schritt, mindestens ein radiales Teil jedes der leitenden Elemente in das Filmschichtelement einzubetten, um dadurch das entsprechende der leitenden Elemente über das Filmschichtelement an dem Basiselement zu befestigen.

Dies führt dazu, dass Abschnitte des Schichtelements jeweils zwischen einem entsprechenden benachbarten Paar leitender Elemente in der Umfangsrichtung angeordnet sind. Dadurch wird ein Verdrehen der leitenden Elemente 81 relativ zu dem Basiselement verhindert. Das Schichtelement ermöglicht es, die leitenden Elemente und das Basiselement voneinander elektrisch zu isolieren, was zu einer Reduzierung eines Eisenverlusts, wie z. B. eines Wirbelstromverlusts, führt.
Eine neunte Maßnahme ist ein Verfahren zur Herstellung einer drehenden elektrischen Maschine. Die drehende elektrische Maschine hat einen Feldgenerator, der eine Magneteinheit hat. Die Magneteinheit weist eine Vielzahl Magnetpole auf, deren Polaritäten in einer Umfangsrichtung der drehenden elektrischen Maschine abwechselnd angeordnet sind. Die drehende elektrische Maschine hat einen Anker, der eine mehrphasige Ankerwicklung und ein Basiselement hat, an dem die mehrphasige Ankerwicklung befestigt ist. Eines aus dem Feldgenerator und dem Anker dient als Rotor der drehenden elektrischen Maschine. Die mehrphasige Ankerwicklung hat mehrere leitende Elemente, die dem Feldgenerator zugewandt sind und in der Umfangsrichtung in bestimmten Abständen voneinander angeordnet sind. Das Verfahren hat

1. Einen ersten Schritt, eine Oberfläche einer flachen Platte aus einem magnetischem Material mit einem folienartigen Filmschichtelement aus thermoplastischem Harz als nicht-magnetischem Material abzudecken.
2. Einen zweiten Schritt, mindestens einen Teil jedes der leitenden Elemente in das Filmschichtelement einzubetten, um dadurch das entsprechende der leitenden Elemente über das Filmschichtelement an der flachen Platte zu befestigen.
3. Ein dritter Schritt, die flache Platte mit den daran über das Schichtelement befestigten leitenden Elementen zu rollen, um dadurch das Basiselement auszubilden, das eine hohlzylindrische Form aufweist.

Dies führt dazu, dass Abschnitte des Schichtelements in der Umfangsrichtung jeweils zwischen einem entsprechenden benachbarten Paar leitende Elemente angeordnet sind. Dadurch wird ein Verdrehen der leitenden Elemente 81 relativ zu dem Basiselement verhindert. Eine umfangsseitige Oberfläche und die basiselementseitige Umfangsfläche jedes leitenden Elements sind ordnungsgemäß an dem Schichtelement befestigt. Das Schichtelement ermöglicht es, die leitenden Elemente und das Basiselement elektrisch voneinander zu isolieren, was zu einer Reduzierung eines Eisenverlusts, wie z. B. eines Wirbelstromverlusts, führt.
Das Basiselement ist durch Walzen der flachen Platte ausgebildet, an der die leitenden Elemente über das Schichtelement befestigt sind. Dies führt im Vergleich zur Herstellung eines Basiselements durch Anbringen der leitenden Elemente an der äußeren oder inneren Umfangsfläche eines hohlzylindrischen Basiselements zu einer einfacheren Herstellung des Basiselements. Daraus ergibt sich eine einfachere Einstellung einer konstanten radialen Abmessung, d.h. einer konstanten radialen Dicke, jedes leitfähigen Elements.
Eine zehnte Maßnahme gemäß der achten Maßnahme oder der neunten Maßnahme ist, dass der zweite Schritt einen Schritt hat, jedes der leitfähigen Elemente in Richtung des Basiselements unter einer Hochtemperaturbedingung zu pressen, um dadurch jedes der leitfähigen Elemente zumindest teilweise in das Schichtelement einzubetten.
Durch Einstellen der Presskraft der leitenden Elemente kann das Ausmaß eines Teils jedes leitenden Elements, das in das Filmschichtelement eingebettet ist, angepasst werden. Dies führt zu einer einfacheren Einstellung eines konstanten radialen Abstands (d.h. einer konstanten radialen Abmessung, d.h. einer konstanten radialen Dicke) für jedes leitfähige Element.
Figurenliste
Die oben genannten eine oder mehreren Aufgaben und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen ersichtlich:

Die 1 ist eine perspektivische Längsschnittansicht einer drehenden elektrischen Maschine.
Die 2 ist eine Längsschnittansicht der drehenden elektrischen Maschine.
Die 3 ist eine Schnittansicht entlang der Linie III-III in der 2.
Die 4 ist eine teilweise vergrößerte Schnittansicht eines Teils der 3.
Die 5 ist eine Explosionsansicht der drehenden elektrischen Maschine.
Die 6 ist eine Explosionsansicht einer Wechselrichtereinheit.
Die 7 ist ein grafisches Drehmomentdiagramm, das die Beziehung zwischen einer Amperewindung und einer Drehmomentdichte in einer Statorwicklung darstellt.
Die 8 ist eine Querschnittsansicht eines Rotors und eines Stators. Die 9 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils der 8.
Die 10 ist eine Querschnittsansicht eines Stators.
Die 11 ist eine Längsschnittansicht eines Stators.
Die 12 ist eine perspektivische Ansicht einer Statorwicklung.
Die 13 ist eine perspektivische Ansicht eines Leiters.
Die 14 ist eine schematische Ansicht, die eine Struktur eines Drahtes darstellt.
Die 15 ist eine Ansicht, die die Anordnung von Leitern an der Position in der n-ten Schicht darstellt.
Die 16 ist eine Seitenansicht, die Leiter an der Position der n-ten Schicht und der (n+1)-ten Schicht darstellt.
Die 17 ist eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen einem elektrischen Winkel und einer magnetischen Flussdichte in einer Magneteinheit einer Ausführungsform darstellt.
Die 18 ist eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen einem elektrischen Winkel und einer magnetischen Flussdichte in einer Magneteinheit eines Vergleichsbeispiels darstellt.
Die 19 ist ein elektrischer Schaltplan eines Steuerungssystems für eine drehende elektrische Maschine.
Die 20 ist ein funktionales Blockdiagramm, das einen stromgeregelten Vorgang einer Regeleinrichtung darstellt.
Die 21 ist ein funktionales Blockdiagramm, das einen drehmomentgeregelten Vorgang der Regeleinrichtung darstellt.
Die 22 ist eine Querschnittansicht eines Rotors und eines Stators in der zweiten Ausführungsform.
Die 23 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht eines Teils der 22.
Die 24 ist eine Ansicht, die Flüsse eines magnetischen Flusses in einer Magneteinheit darstellt.
Die 25 ist eine Schnittansicht eines Stators in einer Abwandlung 1.
Die 26 ist eine Schnittansicht eines Stators in der Abwandlung 1.
Die 27 ist eine Schnittansicht eines Stators in einer Abwandlung 2.
Die 28 ist eine Schnittansicht eines Stators in einer Abwandlung 3.
Die 29 ist eine Schnittansicht eines Stators in einer Abwandlung 4.
Die 30 ist eine Querschnittsansicht eines Rotors und eines Stators in einer Abwandlung 7.
Die 31 ist ein funktionales Blockdiagramm, das einen Abschnitt des Betriebs eines Betriebssignalerzeugers in einer Abwandlung 8 darstellt.
Die 32 ist ein Flussdiagramm, das eine Abfolge von Schritten zur Ausführung einer Trägerfrequenzänderungsbetätigung darstellt.
Die 33 ist eine Ansicht, die Verbindungen von Leitern darstellt, die eine Leitergruppe in einer Abwandlung 9 bilden.
Die 34 ist eine Ansicht, die einen Stapel von vier Leiterpaaren in einer Abwandlung 9 darstellt.
Die 35 ist eine Querschnittsansicht eines Innenrotors und eines Stators in einer Abwandlung 10.
Die 36 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht eines Teils der 35.
Die 37 ist eine Längsschnittansicht einer drehenden elektrischen Maschine mit Innenrotor.
Die 38 ist eine Längsschnittansicht, die schematisch eine Struktur einer drehenden elektrischen Maschine mit Innenrotor darstellt.
Die 39 ist eine Ansicht, die den Aufbau einer drehenden elektrischen Maschine mit Innenrotor in einer Abwandlung 11 darstellt.
Die 40 ist eine Ansicht, die den Aufbau einer drehenden elektrischen Maschine mit Innenrotor in der Abwandlung 11 darstellt.
Die 41 ist eine Ansicht, die den Aufbau einer drehenden elektrischen Maschine mit drehendem Anker in einer Abwandlung 12 darstellt.
Die 42 ist eine Schnittansicht, die den Aufbau eines Leiters in einer Abwandlung 14 darstellt.
Die 43 ist eine Ansicht, die den Zusammenhang zwischen einem Reluktanzmoment, einem Magnetmoment und einem Abstand DM darstellt.
Die 44 ist eine Ansicht, die Zähne darstellt.
Die 45 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Reifen-Rad-Baugruppe und eine umgebende Struktur darstellt.
Die 46 ist eine Längsschnittansicht, die die Reifen-Rad-Baugruppe und die umgebende Struktur darstellt.
Die 47 ist eine perspektivische Explosionsansicht der Reifen-Rad-Baugruppe.
Die 48 ist eine Seitenansicht einer drehenden elektrischen Maschine.
Die 49 ist eine Längsschnittansicht der drehenden elektrischen Maschine entlang der Linie 49-49 in der 48.
Die 50 ist eine Querschnittansicht der drehenden elektrischen Maschine, entlang der Linie 50-50 in der 49.
Die 51 ist eine Explosionsschnittansicht der drehenden elektrischen Maschine.
Die 52 ist eine Teilschnittansicht eines Rotors.
Die 53 ist eine perspektivische Ansicht einer Statorwicklung und eines Statorkerns.
Die 54(a) und 54(b) sind jeweils eine Teilabwicklungsansicht, die eine Statorwicklung darstellt.
Die 55 ist eine Ansicht, die einen abschrägten Leiter darstellt.
Die 56 ist eine Explosionsschnittansicht der Struktur einer Wechselrichterein heit.
Die 57 ist eine Explosionsschnittansicht eines anderen Aufbaus der Wechselrichterein heit.
Die 58 ist eine Ansicht, die die Anordnung der elektrischen Module in einem Wechselrichtergehäuse darstellt.
Die 59 ist ein Schaltplan, der den elektrischen Aufbau eines Leistungswandlers darstellt.
Die 60 ist eine Ansicht, die eine Kühlstruktur eines Schaltmoduls darstellt.
Die 61(a) und 61(b) sind jeweils eine Schnittansicht, die eine Kühlstruktur des Schaltmoduls darstellt.
Die 62(a), 62(b) und 62(c) sind jeweils eine Ansicht, die eine andere Kühlstruktur des Schaltmoduls darstellt.
Die 63(a) und 63(b) sind jeweils eine Ansicht, die eine modifizierte Struktur des Schaltmoduls darstellt.
Die 64 ist eine Ansicht, die eine weitere Kühlstruktur des Schaltmoduls darstellt.
Die 65 ist eine Ansicht, die eine Anordnungsreihenfolge von elektrischen Modulen in einem Kühlpfad darstellt.
Die 66 ist ein Querschnitt entlang der Linie 66-66 in der 49.
Die 67 ist ein Querschnitt entlang der Linie 67-67 in der 49.
Die 68 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Stromschienenmodul darstellt.
Die 69 ist eine Entwicklungsansicht der elektrischen Module, die schematisch die elektrischen Verbindungen der elektrischen Module mit dem Stromschienenmodul darstellt.
Die 70 ist eine Ansicht, die schematisch die elektrischen Verbindungen von ringförmig angeordneten elektrischen Modulen mit dem Stromschienenmodul darstellt.
Die 71 ist eine Ansicht, die elektrische Verbindungen zwischen den elektrischen Modulen und dem Stromschienenmodul darstellt.
Die 72(a)-72(d) sind jeweils eine Strukturansicht einer ersten modifizierten Form eines Radnabenmotors;
Die 73(a)-73(c) sind jeweils eine Strukturansicht einer zweiten modifizierten Form eines Radnabenmotors.
Die 74(a) und 74(b) sind jeweils eine Strukturansicht der dritten modifizierten Form eines Radnabenmotors.
Die 75 ist eine Strukturansicht der vierten modifizierten Form eines Radnabenmotors.
Die 76 ist eine Ansicht, die einen Stator gemäß einer Abwandlung 15 darstellt.
Die 77(a) und 77(b) darstellen zusammenwirkend die Herstellung des Stators gemäß der Abwandlung 15.

Beschreibung der Ausführungsformen
Im Folgenden werden die Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Teile der Ausführungsformen, die funktionell oder strukturell miteinander korrespondieren oder einander zugeordnet sind, werden mit denselben Bezugszeichen oder mit Bezugszeichen bezeichnet, die sich an der Hunderterstelle voneinander unterscheiden. Die entsprechenden oder zugeordneten Teile können sich auf die Erläuterung in den anderen Ausführungsformen beziehen.
Die drehende elektrische Maschine in jeder Ausführungsform ist so konfiguriert, dass sie zum Beispiel als Leistungsquelle für Fahrzeuge verwendet werden kann. Die drehende elektrische Maschine kann jedoch allgemein für Industrie-, Automobil-, Haushalts-, Büroautomatisierungs- oder Spielanwendungen verwendet werden. In den folgenden Ausführungsformen werden gleiche oder gleichwertige Teile in den Zeichnungen mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet, und es wird darauf verzichtet, diese im Einzelnen zu erläutern.
Erste Ausführungsform
Eine drehende elektrische Maschine 10 in dieser Ausführungsform ist ein synchroner Mehrphasen-Wechselstrommotor mit einer äußeren Rotorstruktur (d.h. einer äußeren drehenden Struktur). Der Umriss der drehenden elektrischen Maschine 10 ist in den 1 bis 5 dargestellt.
Die 1 ist eine perspektivische Längsschnittansicht der drehenden elektrischen Maschine 10. Die 2 ist eine Längsschnittansicht entlang der drehenden Welle 11 der drehenden elektrischen Maschine 10. Die 3 ist eine Querschnittansicht (d.h. eine Schnittansicht entlang der Linie III-III in der 2) der drehenden elektrischen Maschine 10 senkrecht zu der drehenden Welle 11.
Die 4 ist eine teilweise vergrößerte Schnittansicht der 3. Die 5 ist eine Explosionsansicht der drehenden elektrischen Maschine 10. In der 3 wurde mit Ausnahme der drehenden Welle 11 der Einfachheit halber auf eine Schraffur verzichtet, die einen Schnitt darstellt. Im Folgenden wird eine Längsrichtung der drehenden Welle 11 auch als axiale Richtung bezeichnet. Eine radiale Richtung von der Mitte der drehenden Welle 11 wird einfach als radiale Richtung bezeichnet. Eine Richtung entlang eines Umfangs der drehenden Welle 11 um deren Zentrum wird einfach als Umfangsrichtung bezeichnet.
Die drehende elektrische Maschine 10 hat eine Lagereinheit 20, ein Gehäuse 30, einen Rotor 40, einen Stator 50 und eine Wechselrichtereinheit 60. Diese Elemente sind zusammen mit der drehenden Welle 11 koaxial zueinander angeordnet und in einer bestimmten Reihenfolge zusammengebaut, um die drehende elektrische Maschine 10 zu vervollständigen. Die drehende elektrische Maschine 10 ist in dieser Ausführungsform mit dem Rotor 40, der als Magnetfeldgenerator oder Feldsystem arbeitet, und dem Stator 50, der als Anker arbeitet, ausgestattet und als drehende elektrische Maschine der Drehfeldart ausgeführt.
Die Lagereinheit 20 hat zwei in axialer Richtung zueinander beanstandete Lager 21 und 22 und den Käfig 23, der die Lager 21 und 22 hält. Die Lager 21 und 22 sind z.B. durch Radialkugellager realisiert, die jeweils einen Außenring 25, einen Innenring 26 und eine Vielzahl Kugeln 27, die zwischen dem Außenring 25 und dem Innenring 26 angeordnet sind, aufweisen. Der Käfig 23 hat eine zylindrische Form. Die Lager 21 und 22 sind radial innerhalb des Halters 23 angeordnet. Die drehende Welle 11 und der Rotor 40 sind radial innerhalb der Lager 21 und 22 drehbar gelagert. Die Lager 21 und 22 werden als ein Satz Lager verwendet, um die drehende Welle 11 drehbar zu halten.
Jedes der Lager 21 und 22 hält die Kugeln 27 mit Hilfe eines Halters, der nicht dargestellt ist, um einen Abstand zwischen den Kugeln 27 konstant zu halten. Jedes der Lager 21 und 22 ist mit Dichtungen an den axial oberen und unteren Enden des Halters ausgestattet und hat auch nichtleitendes Fett (z.B. nichtleitendes Harnstofffett), das innerhalb der Dichtungen installiert ist. Die Position des Innenringes 26 ist mechanisch durch ein Distanzstück gesichert, um eine konstante innere Vorspannung in Form einer vertikalen Wölbung auf den Innenring 26 auszuüben.
Das Gehäuse 30 hat eine zylindrische Umfangswand 31. Die Umfangswand 31 hat ein erstes Ende und ein zweites Ende, die einander in einer axialen Richtung davon gegenüberliegen. Die Umfangswand 31 hat eine Stirnfläche 32 am ersten Ende und eine Öffnung 33 im zweiten Ende. Die Öffnung 33 nimmt die gesamte Fläche des zweiten Endes ein. In der Stirnfläche 32 ist in der Mitte eine kreisförmige Bohrung 34 ausgebildet.
Die Lagereinheit 20 wird in die Bohrung 34 eingesetzt und mit einem Befestigungsmittel, wie z. B. einer Schraube oder einem Niet, befestigt. Der hohlzylindrisch geformte Rotor 40 und der hohlzylindrisch geformte Stator 50 sind in einem durch die Umfangswand 31 und die Stirnfläche 32 definierten Innenraum innerhalb des Gehäuses 30 angeordnet. In dieser Ausführungsform handelt es sich um die drehende elektrische Maschine 10 der Art mit Außenrotor, so dass der Stator 50 radial innerhalb des Gehäuses 30 in dem zylindrischen Rotor 40 angeordnet ist. Der Rotor 40 ist durch einen Abschnitt der drehenden Welle 11 nahe der Stirnfläche 32 in axialer Richtung freitragend ausgebildet.
Der Rotor 40 hat einen hohlzylindrischen Magnethalter 41 und eine ringförmige Magneteinheit 42, die radial innerhalb des Magnethalters 41 angeordnet ist. Der Magnethalter 41 hat im Wesentlichen die Form eines Bechers und dient als Magnethalteelement. Der Magnethalter 41 hat einen Zylinder 43, einen Befestigungsabschnitt 44, der eine zylindrische Form und einen kleineren Durchmesser als der Zylinder 43 hat, und einen Zwischenabschnitt 45, der den Zylinder 43 und den Befestigungsabschnitt 44 miteinander verbindet. Der Zylinder 43 hat die Magneteinheit 42, die an einer inneren Umfangsfläche davon befestigt ist.
Der Magnethalter 41 ist aus kaltgewalztem Stahl (SPCC), Schmiedestahl oder kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) hergestellt, die einen erforderlichen Grad an mechanischer Festigkeit aufweisen.
Der Befestigungsabschnitt 44 weist eine Durchgangsloch 44a auf, und die Drehwelle 11 geht durch die Durchgangsloch 44a des Befestigungsabschnitts 44 hindurch. Der Befestigungsabschnitt 44 ist an einem Abschnitt der drehenden Welle 11 befestigt, der innerhalb des Durchgangslochs 44a vorgesehen ist. Mit anderen Worten, der Magnethalter 41 ist durch den Befestigungsabschnitt 44 an der drehenden Welle 11 befestigt.
Der Befestigungsabschnitt 44 kann vorzugsweise mit der drehenden Welle 11 unter Verwendung von Konkavitäten und Konvexitäten, wie z. B. einer Keilschlitzverbindung oder einer Passfederverbindung, durch Schweißen oder Quetschen (Crimpen) verbunden werden, so dass sich der Rotor 40 zusammen mit der drehenden Welle 11 dreht.
Die Lager 21 und 22 der Lagereinheit 20 sind radial außerhalb des Befestigungsabschnitts 44 befestigt. Die Lagereinheit 20 ist, wie voranstehend beschrieben wurde, an der Stirnfläche 32 des Gehäuses 30 befestigt, so dass die drehende Welle 11 und der Rotor 40 durch das Gehäuse 30 drehbar gehalten sind. Der Rotor 40 ist somit drehbar innerhalb des Gehäuses 30 aufgenommen.
Der Rotor 40 ist mit einem Befestigungsabschnitt 44 versehen, der nur an einem seiner Enden in axialer Richtung des Rotors 40 gegenüberliegend angeordnet ist. Dadurch ist der Rotor 40 freitragend auf der drehenden Welle 11 gelagert. Der Befestigungsabschnitt 44 des Rotors 40 ist über die in axialer Richtung voneinander beabstandeten Lager 21 und 22 der Lagereinheit 20 an zwei Abstützpunkten drehbar gehalten.
Mit anderen Worten, der Rotor 40 ist über die beiden in axialer Richtung voneinander beabstandeten Lager 21 und 22 an einem der axial gegenüberliegenden Enden des Magnethalters 41 drehbar gehalten. Dadurch wird die Stabilität in der Drehung des Rotors 40 gewährleistet, obwohl der Rotor 40 freitragend auf der drehenden Welle 11 sitzt. Der Rotor 40 ist durch die Lager 21 und 22 an Stellen gehalten, die von der Mitte zwischen den axial gegenüberliegenden Enden des Rotors 40 in dessen axialer Richtung entfernt sind.
Das Lager 22 der Lagereinheit 20, das näher an der Mitte des Rotors 40 angeordnet ist (ein unteres der Lager 21 und 22 in den Zeichnungen), weist Spalte zwischen jedem der äußeren und inneren Laufringe 25 und 26 und den Kugeln 27 auf, und das Lager 21 der Lagereinheit 20, das weiter von der Mitte des Rotors 40 entfernt angeordnet ist (d.h. ein oberes der Lager 21 und 22), weist Spalte zwischen jedem der äußeren und inneren Laufringe 25 und 26 und den Kugeln 27 auf. Diese Spalte des Lagers 22 sind anders dimensioniert als die Spalte des Lagers 21.
So ist das Lager 22, das sich näher an der Mitte des Rotors 40 befindet, in der Abmessung der Spalte größer als das Lager 21. Dadurch werden nachteilige Auswirkungen auf die Lagereinheit 20 minimiert, die sich aus einer Durchbiegung des Rotors 40 oder mechanischen Schwingungen des Rotors 40 aufgrund einer Unwucht ergeben, die von einer Teiletoleranz an einer Stelle der Lagereinheit 20 nahe der Mitte des Rotors 40 herrührt.
Insbesondere ist das Lager 22, das sich näher an der Mitte des Rotors 40 befindet, so konstruiert, dass die Spalt- oder Spielmaße durch eine Vorverdichtung vergrößert werden, wodurch die in der freitragenden Struktur erzeugten Schwingungen absorbiert werden.
Die Vorverdichtung kann entweder durch eine Vorspannung mit fester Position oder durch eine Vorspannung mit konstantem Druck bereitgestellt werden. In der positionsfesten Vorspannung ist der Außenring 25 von jedem der Lager 21 und 22 durch Einpressen oder Schweißen mit der Aufnahme 23 verbunden. Der Innenring 26 von jedem der Lager 21 und 22 ist durch Einpressen oder Schweißen mit der drehenden Welle 11 verbunden. Die Vorverdichtung kann dadurch erzeugt werden, dass der Außenring 25 des Lagers 21 in axialer Richtung von dem Innenring 26 des Lagers 21 entfernt wird oder alternativ der Außenring 25 des Lagers 22 in axialer Richtung von dem Innenring 26 des Lagers 22 entfernt wird.
Im Fall der konstanten Druckvorspannung ist eine Vorspannfeder, wie z.B. eine Wellenscheibe 24, zwischen dem Lager 22 und dem Lager 21 angeordnet, um die Vorspannung zu erzeugen, die von einem Bereich zwischen dem Lager 22 und dem Lager 21 in axialer Richtung in Richtung des Außenrings 25 des Lagers 22 gerichtet ist. Dabei ist der Innenring 26 sowohl des Lagers 21 als auch des Lagers 22 mit der drehenden Welle 11 durch Einpressen oder Kleben eingepasst. Der Außenring 25 des Lagers 21 bzw. des Lagers 22 ist durch einen vorgegebenen Freiraum vom Außenring 25 entfernt angeordnet. Diese Struktur übt auf den Außenring 25 des Lagers 22 einen Druck aus, wie er von der Vorspannfeder erzeugt wird, um den Außenring 25 von dem Lager 21 wegzudrücken. Der Druck wird dann durch die drehende Welle 11 übertragen, um den inneren Laufring 26 des Lagers 21 in Richtung des Lagers 22 zu drücken, wodurch der äußere Laufring 25 von jedem der Lager 21 und 22 von dessen innerem Laufring 26 in axialer Richtung weggebracht wird, um die Vorspannung auf die Lager 21 und 22 in der gleichen Weise wie die Vorspannung der festen Position auszuüben.
Die konstante Druckvorspannung muss nicht notwendigerweise den Federdruck, wie in der 2 dargestellt ist, auf den Außenring 25 des Lagers 22 ausüben, sondern kann alternativ auch durch Ausüben des Federdrucks auf den Außenring 25 des Lagers 21 erzeugt werden. Die Ausübung der Vorspannung auf die Lager 21 und 22 kann alternativ dadurch erreicht werden, dass der Innenring 26 von einem der Lager 21 und 22 um einen bestimmten Freiraum von der drehenden Welle 11 entfernt ist und der Außenring 25 von jedem der Lager 21 und 22 mit dem Halter 23 durch Einpressen oder Kleben verbunden wird.
Außerdem wird in dem Fall, in dem der Druck erzeugt wird, um den inneren Laufring 26 des Lagers 21 von dem Lager 22 wegzubringen, ein solcher Druck vorzugsweise zusätzlich weg von dem Lager 21 auf den inneren Laufring 26 des Lagers 22 ausgeübt. Umgekehrt wird in dem Fall, in dem der Druck erzeugt wird, um den Innenring 26 des Lagers 21 in die Nähe des Lagers 22 zu bringen, ein solcher Druck vorzugsweise zusätzlich auf den Innenring 26 des Lagers 22 ausgeübt, um ihn in die Nähe des Lagers 21 zu bringen.
In einem Fall, in dem die drehende elektrische Maschine 10 beispielsweise als Leistungsquelle für ein Fahrzeug verwendet wird, besteht die Möglichkeit, dass mechanische Schwingungen mit einem Bauteil, das in einer Richtung orientiert ist, in der die Vorspannung erzeugt wird, auf die vorspannungserzeugende Struktur ausgeübt werden oder dass eine Richtung, in der die Schwerkraft auf einen Gegenstand wirkt, auf das die Vorspannung aufgebracht wird, verändert wird. Um ein solches Problem zu entschärfen, wird die Vorspannung mit fester Position vorzugsweise in dem Fall verwendet, in dem die drehende elektrische Maschine 10 in einem Fahrzeug montiert ist.
Der Zwischenabschnitt 45 hat eine ringförmige Innenschulter 49a und eine ringförmige Außenschulter 49b.
Die Außenschulter 49b ist in radialer Richtung des Zwischenabschnitts 45 außerhalb der Innenschulter 49a angeordnet. In axialer Richtung des Zwischenabschnitts 45 sind die Innenschulter 49a und die Außenschulter 49b voneinander getrennt. Durch diese Anordnung ergibt sich in radialer Richtung des Zwischenabschnitts 45 eine teilweise Überlappung zwischen dem Zylinder 43 und dem Befestigungsabschnitt 44. Mit anderen Worten, der Zylinder 43 steht in axialer Richtung über einen unteren Abschnitt (d.h. einen unteren Abschnitt, wie in der Zeichnung dargestellt) des Befestigungsabschnitts 44 hinaus. Die Struktur in dieser Ausführungsform ermöglicht es, dass der Rotor 40 von der drehenden Welle 11 an einer Stelle gehalten wird, die näher an dem Schwerpunkt des Rotors 40 liegt als in einem Fall, in dem der Zwischenabschnitt 45 flach und ohne jegliche Schulter geformt ist, wodurch die Stabilität im Betrieb des Rotors 40 gewährleistet wird.
In der voranstehend beschriebenen Ausgestaltung des Zwischenabschnitts 45 weist der Rotor 40 eine ringförmige Lagergehäuseausnehmung 46 auf, die in einem inneren Abschnitt des Zwischenabschnitts 45 ausgebildet ist und den Befestigungsabschnitt 44 radial umgibt. In der Lagergehäuseausnehmung 46 ist ein Abschnitt der Lagereinheit 20 aufgenommen.
Der Rotor 40 weist außerdem eine Spulengehäuseausnehmung 47 auf, die in einem äußeren Abschnitt des Zwischenabschnitts 45 ausgebildet ist und die Lagergehäuseausnehmung 46 radial umgibt. In der Spulengehäuseausnehmung 47 ist das Spulenende 54 einer Statorspule, d.h. einer Statorwicklung, 51 des Stators 50 vorgesehen, die später noch im Detail beschrieben wird. Die Gehäuseausnehmungen 46 und 47 sind in axialer Richtung nebeneinander angeordnet. Mit anderen Worten, ein Abschnitt der Lagereinheit 20 ist so verlegt, dass er das Spulenende 54 der Statorspule 51 in axialer Richtung überlappt. Dadurch kann die drehende elektrische Maschine 10 eine in axialer Richtung verringerte Länge aufweisen.
Der Zwischenabschnitt 45 erstreckt sich von der drehenden Welle 11 in radialer Richtung nach außen oder ragt über diese hinaus. Der Zwischenabschnitt 45 ist mit einem Kontaktverhinderer ausgestattet, der sich in axialer Richtung erstreckt und eine Berührung mit dem Spulenende 54 der Statorspule 51 des Stators 50 vermeidet. Der Zwischenabschnitt 45 wird auch als Überstand bezeichnet.
Das Spulenende 54 kann radial nach innen oder nach außen gebogen sein, um eine verringerte axiale Abmessung zu haben, wodurch die axiale Länge des Stators 50 verringert werden kann. Eine Richtung, in der das Spulenende 54 gebogen ist, wird vorzugsweise in Abhängigkeit von dessen Einbau in den Rotor 40 bestimmt. In dem Fall, in dem der Stator 50 radial in den Rotor 40 eingebaut ist, ist ein Abschnitt des Spulenendes 54, der in den Rotor 40 eingesetzt ist, vorzugsweise radial nach innen gebogen. Ein dem Spulenende 54 gegenüberliegendes Spulenende kann entweder nach innen oder nach außen gebogen sein, wird aber vorzugsweise zu einer Außenseite gebogen, wo ein ausreichender Freiraum in Bezug auf die Herstellung derselben vorhanden ist.
Die als magnetischer Abschnitt wirkende Magneteinheit 42 besteht aus einer Vielzahl Dauermagneten, die radial innerhalb des Zylinders 43 angeordnet sind, um in dessen Umfangsrichtung abwechselnd unterschiedliche Magnetpole zu haben. Die Magneteinheit 42 weist also eine Vielzahl in der Umfangsrichtung angeordneten Magnetpolen auf. Die Magneteinheit 42 wird später noch im Detail besch rieben.
Der Stator 50 ist radial innerhalb des Rotors 40 angeordnet. Der Stator 50 hat die Statorspule 51, die in einer im Wesentlichen zylindrischen (ringförmigen) Form gewickelt ist, und einen Statorkern 52, der als ein radial innerhalb der Statorspule 51 angeordnetes Basiselement verwendet ist. Die Statorspule 51 ist so angeordnet, dass sie der ringförmigen Magneteinheit 42 durch einen dazwischen gegebenen Luftspalt zugewandt ist. Die Statorspule 51 hat eine Vielzahl Phasenwicklungen, die jeweils aus einer Vielzahl Leiter bestehen, die in der Umfangsrichtung in vorgegebenen Abständen zueinander angeordnet und miteinander verbunden sind. In dieser Ausführungsform gibt es einen ersten und einen zweiten Satz dreiphasige Wicklungen:

Der erste Satz hat eine U-Phasen-Wicklung, eine V-Phasen-Wicklung und eine W-Phasen-Wicklung, und der zweite Satz hat eine X-Phasen-Wicklung, eine Y-Phasen-Wicklung und eine Z-Phasen-Wicklung. Die Statorspule 51 verwendet diese ersten und zweiten Sätze von Dreiphasenwicklungen, um als eine sechsphasige Spule zu dienen.

Der Statorkern 52 ist durch einen ringförmigen Stapel magnetischer Stahlplatten aus weichmagnetischem Material ausgebildet, der radial innerhalb der Statorspule 51 angebracht ist. Bei den magnetischen Stahlplatten handelt es sich beispielsweise um Siliziumnitrid-Stahlplatten, die durch Zugabe eines geringen Prozentsatzes (z. B. 3 %) von Siliziumnitrid zu Eisen hergestellt werden. Die Statorspule 51 entspricht einer Ankerwicklung. Der Statorkern 52 entspricht einem Ankerkern.
Die Statorspule 51 überlappt den Statorkern 52 in radialer Richtung und hat einen Spulenseitenabschnitt 53, der radial außerhalb des Statorkerns 52 angeordnet ist, und die Spulenenden 54 und 55, die in axialer Richtung über die jeweiligen Enden des Statorkerns 52 ragen. Der Spulenseitenabschnitt 53 ist dem Statorkern 52 und der Magneteinheit 42 des Rotors 40 in radialer Richtung zugewandt. Der Stator 50 ist innerhalb des Rotors 40 angeordnet. Das Spulenende 54, das eines (d.h. ein oberes, wie in den Zeichnungen gesehen) der axial gegenüberliegenden Spulenenden 54 und 55 ist und nahe der Lagereinheit 20 angeordnet ist, ist in der Spulengehäuseausnehmung 47 vorgesehen, die durch den Magnethalter 41 des Rotors 40 definiert ist. Der Stator 50 wird später ebenfalls detailliert beschrieben.
Die Wechselrichtereinheit 60 hat einen Einheitssockel 61, der mit Hilfe von Befestigungsmitteln, wie Schrauben, an dem Gehäuse 30 befestigt ist, und eine Vielzahl elektrische Bauteile 62, die auf dem Einheitssockel 61 montiert sind. Der Einheitssockel 61 ist z. B. aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) gefertigt. Der Einheitssockel 61 hat eine Endplatte 63, die an einem Rand der Öffnung 33 des Gehäuses 30 befestigt ist, und ein Gehäuse 64, das einstückig mit der Endplatte 63 ausgebildet ist und sich in axialer Richtung erstreckt. In der Endplatte 63 ist in der Mitte eine kreisförmige Öffnung 65 ausgebildet. Das Gehäuse 64 erstreckt sich von einer Umfangskante der Öffnung 65 nach oben.
Der Stator 50 ist an einer äußeren Umfangsfläche des Gehäuses 64 angeordnet. Insbesondere ist ein Außendurchmesser des Gehäuses 64 so gewählt, dass er mit einem Innendurchmesser des Statorkerns 52 identisch oder geringfügig kleiner als dieser ist. Der Statorkern 52 ist an der Außenseite des Gehäuses 64 befestigt, um eine Einheit zu bilden, die aus dem Stator 50 und dem Einheitssockel 61 besteht. Der Einheitssockel 61 ist an dem Gehäuse 30 befestigt, so dass der Stator 50 in einem Zustand, in dem der Statorkern 52 auf dem Gehäuse 64 montiert ist, mit dem Gehäuse 50 vereinigt ist.
Der Statorkern 52 kann auf den Einheitssockel 61 aufgeklebt, aufgeschrumpft oder eingepresst werden, wodurch eine Positionsverschiebung des Statorkerns 52 relativ zu dem Einheitssockel 61 sowohl in der Umfangsrichtung als auch in der axialen Richtung ausgeschlossen ist.
Das Gehäuse 64 weist einen radial inneren Stauraum auf, in dem die elektrischen Bauteile 62 angeordnet sind. Die elektrischen Bauteile 62 sind so angeordnet, dass sie die drehende Welle 11 innerhalb des Stauraums umgeben. Das Gehäuse 64 fungiert als speicherraumbildender Abschnitt. Die elektrischen Bauteile 62 haben Halbleitermodule 66, eine Steuerplatine 67 und ein Kondensatormodul 68, die eine Wechselrichterschaltung bilden.
Der Einheitssockel 61 dient als Statorhalter (d.h. als Ankerhalter), der radial innerhalb des Stators 50 angeordnet ist und den Stator 50 hält. Das Gehäuse 30 und der Einheitssockel 61 definieren ein Motorgehäuse für die drehende elektrische Maschine 10. In dem Motorgehäuse ist die Halterung 23 an einem ersten Ende des Gehäuses 30 befestigt, das einem zweiten Ende des Gehäuses 30 durch den Rotor 40 hindurch in axialer Richtung gegenüberliegt. Das zweite Ende des Gehäuses 30 und der Geräteboden 61 sind miteinander verbunden. Beispielsweise wird in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug, wie einem Elektroauto, das Motorgehäuse an einer Fahrzeugseite befestigt, um die drehende elektrische Maschine 10 in dem Fahrzeug zu installieren.
Die Wechselrichtereinheit 60 wird auch anhand der 6 beschrieben, die zusätzlich zu den 1 bis 5 eine Explosionsansicht ist.
Das Gehäuse 64 des Einheitssockels 61 hat einen Zylinder 71 und eine Stirnfläche 72, die eines der Enden des Zylinders 71 ist, die sich in axialer Richtung des Zylinders 71 gegenüberliegen (d.h. das Ende des Gehäuses 64, das näher an der Lagereinheit 20 liegt). Das Ende des Zylinders 71, das der Stirnfläche 72 in axialer Richtung gegenüberliegt, ist so geformt, dass es sich vollständig in die Öffnung 65 der Endplatte 63 öffnet.
In der Stirnfläche 72 ist in der Mitte eine kreisförmige Bohrung 73 ausgebildet, durch die die drehende Welle 11 einführbar ist. In die Bohrung 73 ist ein Dichtelement 171 eingepasst, das einen Luftspalt zwischen der Bohrung 73 und dem Außenumfang der drehenden Welle 11 hermetisch abdichtet. Das Dichtelement 171 ist vorzugsweise z.B. durch eine harzige Gleitdichtung realisiert.
Der Zylinder 71 des Gehäuses 64 dient als Trennwand, die den radial außerhalb des Zylinders 71 angeordneten Rotor 40 und den Stator 50 von den radial innerhalb des Zylinders 71 angeordneten elektrischen Bauteilen 62 isoliert. Der Rotor 40, der Stator 50 und die elektrischen Bauteile 62 sind so angeordnet, dass sie von der Innenseite des Zylinders 71 zu dessen Außenseite radial fluchten.
Bei den elektrischen Bauteilen 62 handelt es sich um elektrische Vorrichtungen, die die Wechselrichterschaltung bilden und mit einer Motorfunktion und einer Generatorfunktion ausgestattet sind. Die Motorfunktion ist es, elektrischen Strom zu den Phasenwicklungen der Statorspule 51 in einer bestimmten Reihenfolge zu liefern, um den Rotor 40 zu drehen. Die Generatorfunktion ist es, einen dreiphasigen Wechselstrom zu empfangen, der durch die Statorspule 51 in Reaktion auf die Drehung der drehenden Welle 11 fließt, und eine elektrische Leistung zu erzeugen und auszugeben. Die elektrischen Bauteile 62 können so konstruiert sein, dass sie entweder die Motorfunktion oder die Generatorfunktion ausführen. In einem Fall, in dem die drehende elektrische Maschine 10 als Leistungsquelle für ein Fahrzeug verwendet wird, dient die Generatorfunktion als regenerative Funktion zur Abgabe einer regenerierten elektrischen Leistung.
Insbesondere haben die elektrischen Bauteile 62, wie in der 4 dargestellt ist, das Kondensatormodul 68, das eine hohlzylindrische Form aufweist und um die drehende Welle 11 herum angeordnet ist, und die Halbleitermodule 66, die an der äußeren Umfangsfläche des Kondensatormoduls 68 angebracht sind. Das Kondensatormodul 68 weist eine Vielzahl Glättungskondensatoren 68a auf, die parallel verbunden sind.
Insbesondere ist jeder der Kondensatoren 68a durch einen Schichtkondensator realisiert, der aus einer Vielzahl im Querschnitt trapezförmig gestapelten Folienkondensatoren besteht. In dieser Ausführungsform sind zwölf Kondensatoren 68a ringförmig angeordnet und bilden das Kondensatormodul 68.
Die Kondensatoren 68a können hergestellt werden, indem eine lange Folie, die eine bestimmte Breite hat und aus einem Stapel von Folien besteht, vorbereitet wird, und die lange Folie in gleichschenklige Trapeze geschnitten wird, von denen jedes eine Höhe hat, die mit der Breite der langen Folie identisch ist, und deren kurze Basen und lange Basen abwechselnd angeordnet sind. Durch Anbringen von Elektroden an den so hergestellten Kondensatorvorrichtungen können die Kondensatoren 68a fertiggestellt werden.
Jedes Halbleitermodul 66 hat z.B. einen Halbleiterschalter, wie z.B. einen MOSFET oder einen IGBT und ist im Wesentlichen planar ausgebildet. In dieser Ausführungsform ist die drehende elektrische Maschine 10, wie voranstehend beschrieben wurde, mit dem ersten und zweiten Satz Drehstromwicklungen (Drei-Phasenwicklungen) ausgestattet und weist für jeden Satz Drehstromwicklungen eine Wechselrichterschaltung auf. Die elektrischen Bauteile 62 haben also insgesamt zwölf Halbleitermodule 66, die ringförmig angeordnet sind, um eine Halbleitermodulgruppe 66A zu bilden.
Die Halbleitermodule 66 sind zwischen dem Zylinder 71 des Gehäuses 64 und dem Kondensatormodul 68 angeordnet. Die Halbleitermodulgruppe 66A hat eine äußere Umfangsfläche, die in Berührung mit einer inneren Umfangsfläche des Zylinders 71 steht. Die Halbleitermodulgruppe 66A hat auch eine innere Umfangsfläche, die in Berührung mit einer äußeren Umfangsfläche des Kondensatormoduls 68 steht. Dies bewirkt, dass die in den Halbleitermodulen 66 erzeugte Wärme durch das Gehäuse 64 auf die Endplatte 63 übertragen wird, so dass sie von der Endplatte 63 abgeleitet wird.
Die Halbleitermodulgruppe 66A weist vorzugsweise Abstandshalter 69 auf, die radial außerhalb ihrer äußeren Umfangsfläche, d.h. zwischen den Halbleitermodulen 66 und dem Zylinder 71, angeordnet sind.
Eine Kombination der Kondensatormodule 68 ist so angeordnet, dass sie einen regelmäßigen zwölfeckigen Querschnitt aufweist, der sich senkrecht zu ihrer axialen Richtung erstreckt, während der Innenumfang des Zylinders 71 einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Die Abstandshalter 69 sind daher jeweils so geformt, dass sie eine ebene innere Umfangsfläche und eine gekrümmte äußere Umfangsfläche haben.
Die Abstandshalter 69 können alternativ auch einstückig miteinander ringförmig ausgebildet und radial außerhalb der Halbleitermodulgruppe 66A angeordnet sein. Die Abstandshalter 69 sind hoch wärmeleitend und bestehen z. B. aus Metall, wie Aluminium oder wärmeableitendem Gelblatt. Der Innenumfang des Zylinders 71 kann alternativ auch so geformt sein, dass er wie die Kondensatormodule 68 einen zwölfeckigen Querschnitt aufweist. In diesem Fall sind die Abstandshalter 69 jeweils vorzugsweise so geformt, dass sie eine ebene innere Umfangsfläche und eine ebene äußere Umfangsfläche aufweisen.
In dieser Ausführungsform ist in dem Zylinder 71 des Gehäuses 64 ein Kühlmittelpfad 74 ausgebildet, durch den ein Kühlmittel durchströmt. Die in den Halbleitermodulen 66 erzeugte Wärme wird ebenfalls an das im Kühlmittelpfad 74 fließende Kühlmittel abgegeben. Mit anderen Worten: Das Gehäuse 64 ist mit einem Kühlmechanismus ausgestattet. Die Kühlmittelpfad 74 ist, wie in den 3 und 4 deutlich zu sehen, ringförmig ausgebildet und umgibt die elektrischen Bauteile 62 (d.h. die Halbleitermodule 66 und das Kondensatormodul 68). Die Halbleitermodule 66 sind entlang der inneren Umfangsfläche des Zylinders 71 angeordnet. Die Kühlmittelpfad 74 ist so verlegt, dass sie die Halbleitermodule 66 in radialer Richtung überlappt.
Der Stator 50 ist außerhalb des Zylinders 71 angeordnet. Die elektrischen Bauteile 62 sind innerhalb des Zylinders 71 angeordnet. Diese Anordnung bewirkt, dass die Wärme von dem Stator 50 zur Außenseite des Zylinders 71 übertragen wird und auch von den elektrischen Bauteilen 62 (z.B. den Halbleitermodulen 66) zu der Innenseite des Zylinders 71 übertragen wird. Es ist möglich, den Stator 50 und die Halbleitermodule 66 gleichzeitig zu kühlen, wodurch die Ableitung der von den wärmeerzeugenden Elementen der drehenden elektrischen Maschine 10 erzeugten Wärmeenergie erleichtert wird.
Außerdem ist mindestens eines der Halbleitermodule 66, die einen Teil oder die Gesamtheit der Wechselrichterschaltungen bilden, die zur Erregung der Statorspule 51 zu dem Antrieb der drehenden elektrischen Maschine dienen, in einem Bereich angeordnet, der von dem radial außerhalb des Zylinders 71 des Gehäuses 64 angeordneten Statorkern 52 umgeben ist. Vorzugsweise kann eines der Halbleitermodule 66 vollständig innerhalb des von dem Statorkern 52 umgebenen Bereichs angeordnet sein. Noch bevorzugter können alle Halbleitermodule 66 vollständig in dem von dem Statorkern 52 umgebenen Bereich angeordnet sein.
Zumindest ein Abschnitt der Halbleitermodule 66 ist in einem Bereich angeordnet, der von der Kühlmittelpfad 74 umgeben ist. Vorzugsweise können alle Halbleitermodule 66 in einem Bereich angeordnet sein, der von dem Joch 141 umgeben ist.
Die elektrischen Bauteile 62 haben ein Isolierblech 75, das an einer der axial gegenüberliegenden Stirnflächen des Kondensatormoduls 68 angeordnet ist, und ein Verdrahtungsmodul 76, das an der anderen Stirnfläche des Kondensatormoduls 68 angeordnet ist. Das Kondensatormodul 68 hat zwei axial gegenüberliegende Stirnflächen: eine erste Stirnfläche und eine zweite Stirnfläche. Die erste Stirnfläche des Kondensatormoduls 68, die näher an der Lagereinheit 20 liegt, ist der Stirnfläche 72 des Gehäuses 64 zugewandt und liegt durch die Isolierfolie 75 auf der Stirnfläche 72 auf. An der zweiten Stirnfläche des Kondensatormoduls 68, die näher an der Öffnung 65 liegt, ist das Verdrahtungsmodul 76 angebracht.
Das Verdrahtungsmodul 76 hat einen aus einem Harz gefertigten, kreisförmigen, plattenförmigen Körper 76a und eine Vielzahl Stromschienen 76b und 76c, die in den Körper 76a eingebettet sind.
Die Stromschienen 76b und 76c sind elektrisch mit den Halbleitermodulen 66 und dem Kondensatormodul 68 verbunden. Insbesondere sind die Halbleitermodule 66 mit Anschlussstiften 66a ausgestattet, die sich von deren axialen Enden aus erstrecken. Die Anschlussstifte 66a sind mit den Stromschienen 76b radial außerhalb des Gehäuses 76a verbunden. Die Stromschienen 76c erstrecken sich radial außerhalb des Gehäuses 76a vom Kondensatormodul 68 weg und haben obere Enden, die mit den Verdrahtungselementen 79 verbunden sind (siehe die 2).
Wie voranstehend beschrieben wurde, weist das Kondensatormodul 68 die Isolierplatte 75 auf, die an seiner ersten Stirnfläche angebracht ist. Das Kondensatormodul 68 weist auch das Verdrahtungsmodul 76 auf, das an seiner zweiten Stirnfläche angebracht ist. Das Kondensatormodul 68 hat daher einen ersten und einen zweiten Wärmeableitungspfad, die sich jeweils von der ersten und der zweiten Stirnfläche des Kondensatormoduls 68 zu der Stirnfläche 72 und dem Zylinder 71 erstrecken.
Insbesondere ist der erste Wärmeableitungspfad definiert, der sich von der ersten Stirnfläche zur Stirnfläche 72 erstreckt. Der zweite Wärmeableitungspfad ist definiert, der sich von der zweiten Stirnfläche zu dem Zylinder 71 erstreckt. Dadurch ist es möglich, die Wärme von den anderen Stirnflächen des Kondensatormoduls 68 als der äußeren Umfangsfläche, an der die Halbleitermodule 66 angeordnet sind, abzuleiten. Mit anderen Worten ist es möglich, die Wärme nicht nur in radialer Richtung, sondern auch in axialer Richtung abzuführen.
Das Kondensatormodul 68 hat eine hohlzylindrische Form, und die drehende Welle 11 ist innerhalb des Kondensatormoduls 68 in einem bestimmten Abstand von dem Innenumfang des Kondensatormoduls 68 angeordnet, so dass die von dem Kondensatormodul 68 erzeugte Wärme aus dem hohlzylindrischen Raum abgeleitet wird. Die Drehung der drehenden Welle 11 erzeugt in der Regel einen Luftstrom, wodurch die Kühlwirkung verstärkt wird.
Die Steuerplatine 67, die eine scheibenförmige Form hat, ist an dem Verdrahtungsmodul 76 befestigt. Die Steuerplatine 67 hat eine Leiterplatte (PCB), auf der bestimmte Verdrahtungsmuster ausgebildet sind und auf der auch ICs und die Steuereinrichtung 77 montiert sind. Die Steuereinrichtung 77 dient als Steuerung und besteht aus einem Mikrocomputer. Die Steuerplatine 67 ist mit Befestigungsmitteln, wie z. B. Schrauben, an dem Verdrahtungsmodul 76 befestigt. In der Mitte der Steuerplatine 67 ist ein Loch 67a ausgebildet, durch das die drehende Welle 11 hindurchgeht.
Das Verdrahtungsmodul 76 hat eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche, die sich in axialer Richtung, d.h. in Richtung der Dicke des Verdrahtungsmoduls 76, gegenüberliegen. Die erste Fläche ist dem Kondensatormodul 68 zugewandt. Auf der zweiten Fläche des Verdrahtungsmoduls 76 ist die Steuerplatine 67 montiert. Die Stromschienen 76c des Verdrahtungsmoduls 76 erstrecken sich von einer der Oberflächen der Steuerplatine 67 zur anderen. Die Steuerplatine 67 kann Aussparungen aufweisen, um physische Zusammenstöße mit den Stromschienen 76c zu vermeiden. Beispielsweise können die Aussparungen in Abschnitten der kreisförmigen Außenkante der Steuerplatine 67 ausgebildet sein.
Wie bereits beschrieben wurde, sind die elektrischen Bauteile 62 innerhalb eines von dem Gehäuse 64 umgebenen Raumes angeordnet. Das Gehäuse 30, der Rotor 40 und der Stator 50 sind außerhalb des Raumes in Form von Schichten ausgebildet. Dieser Aufbau dient zur Abschirmung von elektromagnetischen Störungen, die in den Wechselrichterschaltungen erzeugt werden.
Insbesondere steuert jede Wechselrichterschaltung die Schaltvorgänge der entsprechenden Halbleitermodule 66 in einem PWM-Steuermodus mit einer vorgegebenen Trägerfrequenz. Die Schaltvorgänge erzeugen üblicherweise elektromagnetische Störungen, gegen die die außerhalb der elektrischen Bauteile 62 angeordneten Gehäuse 30, Rotor 40 und Stator 50 abschirmen.
Außerdem ist zumindest ein Abschnitt der Halbleitermodule 66 innerhalb des Bereichs angeordnet, der von dem radial außerhalb des Zylinders 71 des Gehäuses 64 befindlichen Statorkern 52 umgeben ist, wodurch nachteilige Auswirkungen des von den Halbleitermodulen 66 erzeugten magnetischen Flusses auf die Statorspule 51 im Vergleich zu einem Fall minimiert werden, in dem die Halbleitermodule 66 und die Statorspule 51 ohne den dazwischen angeordneten Statorkern 52 angeordnet sind.
Auch der von der Statorspule 51 erzeugte magnetische Fluss wirkt sich kaum auf die Halbleitermodule 66 aus. Effektiver ist es, wenn sich die gesamten Halbleitermodule 66 in dem Bereich befinden, der von dem radial außerhalb des Zylinders 71 des Gehäuses 64 angeordneten Statorkern 52 umgeben ist. Wenn zumindest ein Abschnitt der Halbleitermodule 66 von dem Kühlmittelpfad 74 umgeben sein kann, ist es vorteilhaft, dass die von der Statorspule 51 oder der Magneteinheit 42 erzeugte Wärme nicht zu den Halbleitermodulen 66 gelangen kann.
Der Zylinder 71 weist Durchgangslöcher 78 auf, die nahe der Endplatte 63 ausgebildet sind und durch die jeweils die Verdrahtungselemente 79 (siehe die 2) hindurchgehen, um den außerhalb des Zylinders 71 angeordneten Stator 50 und die innerhalb des Zylinders 71 angeordneten elektrischen Bauteile 62 elektrisch zu verbinden. Die Verdrahtungselemente 79 sind, wie in der 2 dargestellt ist, mit den Enden der Statorspule 51 und mit den Stromschienen 76c des Verdrahtungsmoduls 76 durch Quetsch- oder Schweißtechniken verbunden.
Die Verdrahtungselemente 79 sind z. B. durch Stromschienen realisiert, deren Fügeflächen vorzugsweise abgeflacht sind. Vorzugsweise ist ein einzelnes Durchgangsloch 78 oder eine Vielzahl Durchgangslöcher 78 bereitgestellt. In dieser Ausführungsform sind zwei Durchgangslöcher 78 vorgesehen. Die Verwendung von zwei Durchgangslöchern 78 erleichtert das einfache Verbinden von Anschlüssen, die sich von den beiden Sätzen der Dreiphasenwicklungen erstrecken, durch die Verdrahtungselemente 79 und ist geeignet, um mehrphasige Drahtverbindungen zu erreichen.
Der Rotor 40 und der Stator 50 sind, wie bereits anhand der 4 beschrieben, innerhalb des Gehäuses 30 in dieser Reihenfolge in radialer Richtung nach innen angeordnet. Die Wechselrichtereinheit 60 ist radial innerhalb des Stators 50 angeordnet.
Ist ein Radius des Innenumfangs des Gehäuses 30 mit d definiert, so befinden sich der Rotor 40 und der Stator 50 radial außerhalb eines Abstands von d x 0,705 vom Drehzentrum des Rotors 40. Wenn ein Bereich, der sich radial innerhalb des inneren Umfangs des Stators 50 (d.h. der inneren Umfangsfläche des Statorkerns 52) befindet, als ein erster Bereich X1 definiert ist, und ein Bereich, der sich radial vom inneren Umfang des Stators 50 zu dem Gehäuse 30 erstreckt, als ein zweiter Bereich X2 definiert ist, wird eine Fläche eines Querschnitts des ersten Bereichs X1 größer eingestellt als die des zweiten Bereichs X2. In einem Bereich, in dem die Magneteinheit 42 des Rotors 40 die Statorspule 51 überlappt, ist das Volumen des ersten Bereichs X1 größer als das des zweiten Bereichs X2.
Der Rotor 40 und der Stator 50 sind als des Magnetkreis-Bauteil-Baugruppe hergestellt. Im Gehäuse 30 ist der erste Bereich X1, der sich radial innerhalb der inneren Umfangsfläche der Magnetkreis-Baugruppe befindet, volumenmäßig größer als der Bereich X2, der in radialer Richtung zwischen der inneren Umfangsfläche der Magnetkreis-Baugruppe und dem Gehäuse 30 liegt.
Im Folgenden werden die Strukturen des Rotors 40 und des Stators 50 näher beschrieben.
Es sind typische drehende elektrische Maschinen bekannt, die einen Stator mit einem ringförmigen Statorkern aufweisen; der ringförmige Statorkern besteht aus einem Stapel Stahlbleche. Der Stator weist Statorwicklungen auf, die in einer Vielzahl Schlitze gewickelt sind, die in einer Umfangsrichtung des Statorkerns angeordnet sind. Insbesondere hat der Statorkern Zähne, die sich jeweils in einer entsprechenden radialen Richtung davon in einem entsprechenden gegebenen Abstand von einem Joch erstrecken. Jeder Schlitz ist zwischen einem entsprechenden Paar von zwei radial benachbarten Zähnen ausgebildet. In jedem Schlitz ist eine Vielzahl Leiter in der radialen Richtung in Form von Schichten angeordnet, um die Statorwicklungen auszubilden.
In der voranstehend beschriebenen Statorstruktur besteht jedoch die Möglichkeit, wenn die Statorwicklungen mit Energie beaufschlagt sind, dass eine Erhöhung der magnetomotorischen Kraft, die auf den erregten Statorwicklungen beruht, zu einer magnetischen Sättigung in den Zähnen des Statorkerns führen kann, wodurch die Drehmomentdichte in der drehenden elektrischen Maschine eingeschränkt wird. Mit anderen Worten: Der durch die Erregung der Statorwicklungen des Statorkerns erzeugte Drehfluss kann sich auf die Zähne konzentrieren, was zu einer möglichen magnetischen Sättigung führen kann.
Im Allgemeinen sind IPM-Rotoren (Innerer Permanentmagnet) bekannt, die eine Struktur aufweisen, in der Permanentmagnete auf einer d-Achse eines d-q-Achsenkoordinatensystems in dem Rotor angeordnet sind und ein Abschnitt des Rotorkerns auf einer q-Achse des d-q-Achsenkoordinatensystems angeordnet ist. Die Erregung einer Statorwicklung in der Nähe der d-Achse bewirkt, dass ein erregter magnetischer Fluss gemäß den Flemingschen Regeln von dem Stator zu dem Rotor fließt. Dies bewirkt, dass eine weitgehende magnetische Sättigung in dem Rotorkern in der q-Achse auftritt.
Die 7 ist ein grafisches Drehmomentdiagramm, das eine Beziehung zwischen einer Amperewindung (AT), die eine von einer Statorwicklung erzeugte magnetomotorische Kraft darstellt, und einer Drehmomentdichte (Nm/L) demonstriert. Die gestrichelte Linie stellt die Charakteristik einer typischen IPM-Rotor-drehenden Elektromaschine dar. Die 7 stellt dar, dass in der typischen drehenden elektrischen Maschine eine Erhöhung der magnetomotorischen Kraft in einem Stator zu einer magnetischen Sättigung an zwei Stellen führt; eine der beiden Stellen ist jeder Zahn zwischen dem entsprechenden benachbarten Paar von Schlitzen, und die andere davon ist ein q-Achsenkern, der ein Abschnitt des Rotorkerns auf der q-Achse ist. Dies kann zu einer Einschränkung des Drehmomentanstiegs führen. Auf diese Weise wird ein Entwurfswert der Amperewindung in der typischen drehenden elektrischen Maschine bei A1 eingeschränkt.
Um das voranstehend geschilderte Problem in dieser Ausführungsform abzumildern, ist die drehende elektrische Maschine 10 so ausgelegt, dass sie eine zusätzliche Struktur aufweist, wie im Folgenden beschrieben wird, die darauf abzielt, die durch die magnetische Sättigung entstehende Beschränkung zu beseitigen.
Insbesondere ist der Stator 50 als erste Maßnahme so ausgelegt, dass er eine schlitzlose Struktur aufweist, um die magnetische Sättigung zu beseitigen, die in den Zähnen des Statorkerns des Stators auftritt, und auch einen SPM-(Oberflächenpermanentmagnet) Rotor zu verwenden, um die magnetische Sättigung zu beseitigen, die in einem q-Achsenkern des IPM-Rotors auftritt. Die erste Maßnahme dient zur Beseitigung der voranstehend beschriebenen zwei Stellen, an denen die magnetische Sättigung auftritt, kann jedoch zu einer Verringerung des Drehmoments in einem stromarmen Bereich führen (siehe die Strich-Punkt-Linie in der 7).
Um dieses Problem zu lindern, setzt die drehende elektrische Maschine 10 als zweite Maßnahme eine polare anisotrope Struktur ein, um einen magnetischen Pfad von Magneten in der Magneteinheit 42 des Rotors 40 zu erhöhen, um dadurch eine magnetische Kraft zu verbessern. Dies führt zu einer Erhöhung eines magnetischen Flusses in dem SPM-Rotor, um den Drehmomentabfall zu minimieren.
Zusätzlich verwendet die drehende elektrische Maschine 10 als eine dritte Maßnahme eine abgeflachte Leiterstruktur, um eine Dicke von Leitern des spulenseitigen Abschnitts 53 der Statorspule 51 in der radialen Richtung des Stators 50 zu verringern, um die Drehmomentabnahme zu kompensieren. Die voranstehend erwähnte magnetkraftverstärkte polare anisotrope Struktur würde in der Statorspule 51 gegenüber der Magneteinheit 42 zu einem großen Wirbelstromfluss führen.
Unter diesem Gesichtspunkt besteht die dritte Maßnahme darin, die abgeflachte Leiterstruktur zu verwenden, in der die Leiter in der radialen Richtung eine verringerte Dicke haben, wodurch die Erzeugung des Wirbelstroms in der Statorspule 51 in der radialen Richtung minimiert wird. Die voranstehend beschriebenen ersten bis dritten Strukturen sollen, wie durch eine durchgezogene Linie in der 7 angedeutet ist, die Drehmomentcharakteristiken unter Verwendung von hochmagnetischen, d.h. starken, Magneten erheblich verbessern und auch das Risiko der Erzeugung eines großen Wirbelstroms verringern, der sich aus der Verwendung der hochfesten Magnete ergibt.
Zusätzlich verwendet die drehende elektrische Maschine 10 als vierte Maßnahme eine Magneteinheit, die eine polare anisotrope Struktur aufweist, um eine magnetische Dichteverteilung zu erzeugen, die sich einer Sinuswelle annähert. Dies erhöht den Prozentsatz einer Sinuswellenanpassung unter Verwendung einer Impulssteuerung, wie später beschrieben wird, um dadurch das Drehmoment zu erhöhen, und führt außerdem zu einer moderaten Änderung des magnetischen Flusses, wodurch ein Wirbelstromverlust (d. h. ein durch Wirbelstrom verursachter Kupferverlust) im Vergleich zu radialen Magneten minimiert wird.
Der Prozentsatz der Sinuswellenanpassung wird im Folgenden beschrieben. Der Prozentsatz der Sinuswellenanpassung kann abgeleitet werden, indem eine Wellenform, ein Zyklus und ein Spitzenwert einer Oberflächen-Magnetflussdichteverteilung, die durch tatsächliches Bewegen einer Magnetflusssonde auf einer Oberfläche eines Magneten gemessen wird, mit denen einer Sinuswelle verglichen wird. Der Prozentsatz der Sinuswellenanpassung wird durch den Prozentsatz einer Amplitude einer primären Wellenform, die eine Wellenform einer Grundwelle in einer drehenden elektrischen Maschine ist, zu der der tatsächlich gemessenen Wellenform angegeben, d. h. einer Amplitude der Summe der Grundwellen und harmonischer Komponenten.
Eine Erhöhung des Prozentsatzes der Sinuswellenanpassung bewirkt, dass sich die Wellenform in der oberflächlichen magnetischen Flussdichteverteilung der Wellenform der Sinuswelle annähert. Wenn ein elektrischer Strom einer primären Sinuswelle von einem Wechselrichter an eine drehende elektrische Maschine geliefert wird, die mit Magneten ausgestattet ist, die einen verbesserten Prozentsatz der Sinuswellenanpassung aufweisen, wird ein großes Drehmoment erzeugt, kombiniert mit der Tatsache, dass die Wellenform in der oberflächlichen magnetischen Flussdichteverteilung des Magneten nahe der Wellenform einer Sinuswelle liegt. Die Verteilung der magnetischen Oberflächenflussdichte kann alternativ mit Hilfe der elektromagnetischen Analyse gemäß den Maxwell-Gleichungen abgeleitet werden.
Als fünfte Maßnahme ist die Statorspule 51 entworfen, eine Leiterlitzenstruktur aus einem Bündel von Drähten aufzuweisen. In der Leiterlitzenstruktur der Statorspule 51 sind die Drähte parallel miteinander verbunden, wodurch ein hoher Strom bzw. eine große Strommenge in der Statorspule 51 fließen kann, und auch ein in den in der Umfangsrichtung des Stators 50 verbreiterten Leitern auftretender Wirbelstrom effektiver minimiert wird als in der dritten Maßnahme, in der die Leiter in radialer Richtung abgeflacht sind, weil jeder der Drähte eine verringerte Querschnittsfläche aufweist.
Die Verwendung des Bündels der Drähte wird einen Wirbelstrom aufheben, der aus dem magnetischen Fluss entsteht, der gemäß dem Ampere'schen Kreislaufgesetz als Reaktion auf die von den Leitern erzeugte magnetomotorische Kraft auftritt.
Die Verwendung der vierten und fünften Maßnahme minimiert den Wirbelstromverlust, der sich aus der hohen magnetischen Kraft ergibt, die von den Magneten mit hoher magnetischer Kraft erzeugt wird, die durch die zweite Maßnahme bereitgestellt werden, und erhöht auch das Drehmoment.
Die schlitzlose Struktur des Stators 50, die abgeflachte Leiterstruktur der Statorspule 51 und die polare anisotrope Struktur der Magneteinheit 42 werden im Folgenden beschrieben.
Zunächst werden die schlitzlose Struktur des Stators 50 und die abgeflachte Leiterstruktur der Statorspule 51 besprochen. Die 8 ist eine Querschnittsansicht, die den Rotor 40 und den Stator 50 darstellt. Die 9 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht, die den Rotor 40 und den Stator 50 in der 8 darstellt. Die 10 ist eine Querschnittansicht des Stators 50 entlang der Linie X-X in der 11. Die 11 ist eine Längsschnittansicht des Stators 50. Die 12 ist eine perspektivische Ansicht der Statorspule 51. Die 8 und 9 stellen die Magnetisierungsrichtungen der Magnete der Magneteinheit 42 durch Pfeile dar.
Wie in den 8 bis 11 deutlich dargestellt ist, hat der Statorkern 52 eine zylindrische Form und ist mit einer Vielzahl magnetischer Stahlplatten versehen, die in axialer Richtung des Statorkerns 52 gestapelt sind, um in einer radialen Richtung des Statorkerns 52 eine gegebene Dicke aufzuweisen. Die Statorspule 51 ist an der äußeren Umfangsfläche des Statorkerns 52 angebracht, die dem Rotor 40 zugewandt ist. Die dem Rotor 40 zugewandte äußere Umfangsfläche des Statorkerns 52 dient als Leiterbefestigungsabschnitt (d. h. als Leiterbereich). Die äußere Umfangsfläche des Statorkerns 52 ist als gekrümmte Fläche ohne Unregelmäßigkeiten ausgebildet.
Auf der Außenumfangsfläche des Statorkerns 52 sind in der Umfangsrichtung des Statorkerns 52 in vorgegebenen Abständen voneinander eine Vielzahl Leitergruppen 81 angeordnet. Der Statorkern 52 fungiert als Rückjoch, das ein Abschnitt eines magnetischen Kreises ist, der zu dem Drehen des Rotors 40 arbeitet. Der Stator 50 ist so gestaltet, dass er eine Struktur aufweist, in der kein Zahn (d.h. kein Abschnitt eines Kerns) aus einem weichmagnetischen Material zwischen jedem Paar benachbarter Leitergruppen 81 in der Umfangsrichtung vorgesehen ist (d.h. die schlitzlose Struktur).
In dieser Ausführungsform ist in dem Raum oder Spalt 56 zwischen jedem Paar benachbarter Leitergruppen 81 ein Harzmaterial des Dichtelements 57 vorgesehen. Mit anderen Worten, der Stator 50 hat ein Leiter-zu-Leiter-Element, d. h. ein Zwischen-Leiter-Element, das zwischen den in der Umfangsrichtung des Stators 50 nebeneinander angeordneten Leitergruppen 81 vorgesehen ist und aus einem nichtmagnetischen Material besteht. Die Leiter-zu-Leiter-Elemente dienen als die Dichtelemente 57.
Bevor die Dichtelemente 57 zu dem Abdichten der Spalte 56 angebracht werden, werden die Leitergruppen 81 in der Umfangsrichtung radial außerhalb des Statorkerns 52 in einem bestimmten Abstand voneinander durch die Spalte 56 angeordnet, die Leiter-zu-Leiter-Bereiche sind. Dies macht die schlitzlose Struktur des Stators 50 aus. Mit anderen Worten: Jede der Leitergruppen 81 besteht, wie später im Detail beschrieben wird, aus zwei Leitern 82. Ein Zwischenraum zwischen jeweils zwei der in der Umfangsrichtung des Stators 50 nebeneinander angeordneten Leitergruppen 81 ist ausschließlich mit einem nichtmagnetischen Material belegt. Das nichtmagnetische Material, auf das hier Bezug genommen wird, kann ein nichtmagnetisches Gas, wie z. B. Luft, oder eine nichtmagnetische Flüssigkeit sein. In der folgenden Diskussion werden die Dichtelemente 57 auch als Leiter-zu-Leiter-Elemente bezeichnet.
Die Struktur, wie hier erwähnt, in der jeder der Zähne zwischen dem entsprechenden benachbarten Paar der Leitergruppen 81 angeordnet ist, die in der Umfangsrichtung angeordnet sind, bedeutet, dass jeder der Zähne eine gegebene Dicke in der radialen Richtung und eine gegebene Breite in der Umfangsrichtung des Stators 50 hat, so dass ein Abschnitt des magnetischen Kreises, das heißt, ein magnetischer Pfad, zwischen jedem benachbarten Paar Leitergruppen 81 liegt.
Im Gegensatz dazu bedeutet die Struktur, in der kein Zahn zwischen den benachbarten Leitergruppen 81 liegt, dass es keinen magnetischen Kreis zwischen jedem benachbarten Paar Leitergruppen 81 gibt.
Die Statorspule (d.h. eine Ankerspule) 51, wie sie in der 10 dargestellt ist, hat eine gegebene Dicke T2 (die im Folgenden auch als eine erste Dimension bezeichnet wird) und eine Breite W2 (die im Folgenden auch als eine zweite Dimension bezeichnet wird). Die Dicke T2 ist durch einen Mindestabstand zwischen einer äußeren Seitenfläche und einer inneren Seitenfläche der Statorspule 51 gegeben, die sich in radialer Richtung des Stators 50 gegenüberliegen.
Die Breite W2 ist durch eine Abmessung eines Abschnitts der Statorspule 51 gegeben, der als eine von mehreren Phasen (d.h. in dieser Ausführungsform die U-Phase, die V-Phase, die W-Phase, die X-Phase, die Y-Phase und die Z-Phase) der Statorspule 51 in der Umfangsrichtung fungiert. Insbesondere in einem Fall, in dem ein in der Umfangsrichtung benachbartes Paar Leitergruppen 81 in der 10 als eine entsprechende der drei Phasen dient, z. B. die U-Phasen-Wicklung, beträgt ein Abstand zwischen den in der Umfangsrichtung äußersten Enden der Leitergruppen 81 des in der Umfangsrichtung benachbarten Paars 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 beiden Leitergruppen 81 innerhalb der Breite W2 eingestellt. Wenn die Statorspule 51 (insbesondere der Leiter 82) mit einem echten kreisförmigen Querschnitt, einem ovalen Querschnitt oder einem polygonalen Querschnitt ausgebildet ist, kann der Querschnitt des Leiters 82 in radialer Richtung des Stators 50 betrachtet so geformt sein, dass er in radialer Richtung des Stators 50 eine maximale Abmessung W12 und in der Umfangsrichtung des Stators 50 eine maximale Abmessung W11 aufweist.
Die Statorspule 51 wird, wie in den 10 und 11 zu sehen ist, durch die Dichtelemente 57 abgedichtet, die durch eine Kunstharzform ausgebildet sind. Insbesondere werden die Statorspule 51 und der Statorkern 52 zusammen in eine Form gelegt, wenn die Dichtelemente 57 durch das Harz geformt werden. Das Harz kann als ein nichtmagnetisches Material oder ein Äquivalent davon betrachtet werden, dessen Bs (Sättigungsmagnetflussdichte) Null beträgt.
Wie in dem Querschnitt in der 10 dargestellt ist, sind die Dichtelemente 57 durch Einbringen von Kunstharz in die Spalte 56 zwischen den Leitergruppen 81 bereitgestellt. Die Dichtelemente 57 dienen als Isolatoren, die zwischen den Leitergruppen 81 angeordnet sind. Mit anderen Worten, jedes der Dichtelemente 57 fungiert in einem der Spalte 56 als Isolator. Die Dichtelemente 57 nehmen einen Bereich ein, der sich radial außerhalb des Statorkerns 52 befindet und alle Leitergruppen 81 hat, mit anderen Worten, der so definiert ist, dass er eine Dickenabmessung hat, die in radialer Richtung größer als die jeder der Leitergruppen 81 ist.
Wie in dem Längsschnitt in der 11 dargestellt, liegen die Dichtelemente 57 in einem Bereich, der die Windungen 84 der Statorspule 51 hat. Radial innerhalb der Statorspule 51 liegen die Dichtelemente 57 in einem Bereich, der zumindest einen Abschnitt der axial gegenüberliegenden Enden des Statorkerns 52 hat. In diesem Fall ist die Statorspule 51 mit Ausnahme der Enden jeder Phasenwicklung, d. h. der mit den Wechselrichterschaltungen gefügten Anschlüsse, vollständig durch das Harz abgedichtet.
Die Struktur, in der die Dichtelemente 57 in dem Bereich vorgesehen sind, der die Enden des Statorkerns 52 hat, ermöglicht es den Dichtelementen 57, den Stapel der Stahlplatten des Statorkerns 52 in axialer Richtung nach innen zu drücken. Mit anderen Worten, die Dichtelemente 57 wirken, um den Stapel der Stahlplatten des Statorkerns 52 fest zu halten. In dieser Ausführungsform ist die innere Umfangsfläche des Statorkerns 52 nicht mit Harz abgedichtet, jedoch kann der gesamte Statorkern 52, einschließlich der inneren Umfangsfläche, mit Harz abgedichtet sein.
In einem Fall, in dem die drehende elektrische Maschine 10 als Leistungsquelle für ein Fahrzeug verwendet wird, sind die Dichtelemente 57 vorzugsweise aus einem hochwärmebeständigen Fluorharz, Epoxidharz, PPS-Harz, PEEK-Harz, LCP-Harz, Silikonharz, PAI-Harz oder PI-Harz hergestellt. Im Hinblick auf einen linearen Ausdehnungskoeffizienten, um den Bruch der Dichtelemente 57 aufgrund einer Ausdehnungsdifferenz zu minimieren, bestehen die Dichtelemente 57 vorzugsweise aus demselben Material wie das einer Außenfolie der Leiter der Statorspule 51. Ein Silikonharz, dessen linearer Ausdehnungskoeffizient doppelt so groß oder größer ist als der anderer Harze, ist vorzugsweise von dem Material der Dichtelemente 57 ausgeschlossen. Bei elektrischen Erzeugnissen, wie z. B. bei Elektrofahrzeugen ohne Verbrennungsmotor, kann ein PPO-Harz, ein Phenolharz oder ein GFK-Harz verwendet werden, das 180°C standhält. Andere Harzmaterialien können in Bereichen verwendet werden, in denen eine Umgebungstemperatur der drehenden elektrischen Maschine von weniger als 100°C zu erwarten ist.
Der Grad des von der drehenden elektrischen Maschine 10 abgegebenen Drehmoments ist normalerweise proportional zu dem Grad des magnetischen Flusses. In einem Fall, in dem ein Statorkern mit Zähnen ausgestattet ist, ist ein maximaler Betrag des magnetischen Flusses in dem Statorkern abhängig von der Sättigungsmagnetflussdichte in den Zähnen begrenzt, während in einem Fall, in dem der Statorkern nicht mit Zähnen ausgestattet ist, der maximale Betrag des magnetischen Flusses in dem Statorkern nicht begrenzt ist. Eine solche Struktur ist daher nützlich, um eine Menge an elektrischem Strom zu erhöhen, der an die Statorspule 51 geliefert wird, um den Grad des von der drehenden elektrischen Maschine 10 erzeugten Drehmoments zu erhöhen.
In dieser Ausführungsform wird die schlitzlose Struktur verwendet, in der der Stator 50 nicht mit Zähnen ausgestattet ist, was zu einer Verringerung der Induktanz des Stators 50 führt. Insbesondere hat ein Stator einer typischen drehenden elektrischen Maschine, in der die Leiter in durch Zähne voneinander isolierten Schlitzen angeordnet sind, eine Induktanz von etwa 1 mH, während der Stator 50 in dieser Ausführungsform eine verringerte Induktanz von 5 bis 60 µH aufweist. Die drehende elektrische Maschine 10 in dieser Ausführungsform ist von der Art mit einem Außenrotor, hat aber eine verringerte Induktanz des Stators 50, um eine mechanische Zeitkonstante Tm zu verringern. Mit anderen Worten, die drehende elektrische Maschine 10 ist in der Lage, ein hohes Maß an Drehmoment abzugeben und ist so ausgelegt, dass sie einen verringerten Wert der mechanischen Zeitkonstante Tm aufweist. Wenn die Trägheit als J, die Induktanz als L, die Drehmomentkonstante als Kt und die Konstante der gegenelektromotorischen Kraft als Ke definiert sind, wird die mechanische Zeitkonstante Tm gemäß der Gleichung Tm = (J × L)/(Kt × Ke) berechnet. Dies stellt dar, dass eine Verringerung der Induktanz L zu einer Verringerung der mechanischen Zeitkonstante Tm führt.
Jede der radial außerhalb des Statorkerns 52 angeordneten Leitergruppen 81 besteht aus einer Vielzahl Leiter 82, deren Querschnitt eine abgeflachte Rechteckform aufweist und die in radialer Richtung des Statorkerns 52 aufeinander angeordnet sind. Jeder der Leiter 82 ist so ausgerichtet, dass er einen Querschnitt aufweist, der ein Verhältnis von Radialmaß < Umfangsmaß erfüllt. Dies bewirkt, dass jede der Leitergruppen 81 in radialer Richtung dünn ist. Ein leitender Bereich der Leitergruppe 81 erstreckt sich auch innerhalb eines Bereichs, der von Zähnen eines typischen Stators eingenommen wird. Dadurch entsteht eine Struktur mit einem abgeflachten leitenden Bereich, in dem eine Querschnittsfläche von jedem der Leiter 82 in der Umfangsrichtung vergrößert ist, wodurch die Möglichkeit verringert wird, dass die Menge an thermischer Energie durch eine Verringerung der Querschnittsfläche eines Leiters, die aus der Abflachung des Leiters resultiert, vergrößert werden kann. Eine Struktur, in der mehrere Leiter in der Umfangsrichtung angeordnet und parallel miteinander verbunden sind, unterliegt in der Regel einer Verringerung der Querschnittsfläche der Leiter durch die Dicke einer überzogenen Schicht der Leiter, hat jedoch günstige Vorteile, die aus den gleichen Gründen erzielt werden, wie oben beschrieben wurde. In der folgenden Diskussion wird jede der Leitergruppen 81 oder jeder der Leiter 82 auch als ein leitendes Element bezeichnet.
Wie bereits beschrieben wurde, ist der Stator 50 ist in dieser Ausführungsform so ausgebildet, dass er keine Schlitzen aufweist, wodurch die Statorspule 51 so ausgebildet werden kann, dass ein leitender Bereich eines gesamten umlaufenden Abschnitts des Stators 50 größer ist als ein nicht leitender Bereich, der von der Statorspule 51 im Stator 50 nicht belegt ist.
In typischen drehenden elektrischen Maschinen für Fahrzeuge, beträgt ein Verhältnis des leitenden Bereichs / dem nicht leitenden Bereich in der Regel eins oder weniger. Im Gegensatz dazu sind in dieser Ausführungsform die Leitergruppen 81 so angeordnet, dass der leitende Bereich im Wesentlichen gleich groß wie oder größer als der nicht leitende Bereich ist. Wenn der Leiterbereich, wie in der 10 dargestellt ist, der von dem Leiter 82 (d.h. dem geraden Abschnitt 83, der später im Detail beschrieben wird) in der Umfangsrichtung eingenommen wird, als WA definiert ist, und ein Leiter-zu-Leiter-Bereich, der ein Zwischenraum zwischen jeweils zwei benachbarten der Leiter 82 ist, als WB definiert ist, ist der Leiterbereich WA größer als der Leiter-zu-Leiter-Bereich WB in der Umfangsrichtung.
Die Leitergruppe 81 der Statorspule 51 hat in ihrer radialen Richtung eine Dicke, die kleiner als eine Umfangsbreite eines Abschnitts der Statorspule 51 ist, der in einem Bereich eines Magnetpols liegt und als eine der Phasen der Statorspule 51 dient.
In der Struktur, in der jede der Leitergruppen 81 aus den beiden Leitern 82 gebildet ist, die in Form von zwei in radialer Richtung aufeinander liegenden Schichten gestapelt sind, und die beiden Leitergruppen 81 in der Umfangsrichtung innerhalb eines Bereichs eines Magnetpols für jede Phase angeordnet sind, ist eine Beziehung Tc x 2 < Wc x 2 erfüllt, worin Tc die Dicke von jedem der Leiter 82 in radialer Richtung ist und Wc die Breite von jedem der Leiter 82 in der Umfangsrichtung ist.
In einer anderen Struktur, in der jede der Leitergruppen 81 aus den beiden Leitern 82 besteht und jede der Leitergruppen 81 in dem Bereich eines Magnetpols für jede Phase liegt, ist vorzugsweise eine Beziehung Tc × 2 < Wc erfüllt.
Mit anderen Worten: In der Statorspule 51, die so ausgebildet ist, dass die Leiterabschnitte (d.h. die Leitergruppen 81) in der Umfangsrichtung in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet sind, ist die Dicke jedes Leiterabschnitts (d.h. der Leitergruppe 81) in radialer Richtung kleiner eingestellt als die Breite eines Abschnitts der Statorspule 51, der in der Umfangsrichtung in dem Bereich eines Magnetpols für jede Phase liegt.
Mit anderen Worten, jeder der Leiter 82 ist vorzugsweise so geformt, dass er in der radialen Richtung eine Dicke Tc aufweist, die kleiner als die Breite Wc in der Umfangsrichtung ist. Die Dicke 2Tc von jeder der Leitergruppen 81, die jeweils aus einem Stapel der beiden Leiter 82 bestehen, ist in der radialen Richtung vorzugsweise kleiner als die Breite Wc von jeder der Leitergruppen 81 in der Umfangsrichtung.
Das Maß des von der drehenden elektrischen Maschine 10 erzeugten Drehmoments ist im Wesentlichen verkehrt proportional zu der Dicke des Statorkerns 52 in radialer Richtung. Wie oben beschrieben wurde, sind die radial außerhalb des Statorkerns 52 angeordneten Leitergruppen 81 so gestaltet, dass ihre Dicke in radialer Richtung abnimmt. Diese Konstruktion ist nützlich, um das von der drehenden elektrischen Maschine 10 abgegebene Drehmoment zu erhöhen. Dies liegt daran, dass ein Abstand zwischen der Magneteinheit 42 des Rotors 40 und dem Statorkern 52 (d. h. ein Abstand, in dem sich kein Eisen befindet) verringert werden kann, um den magnetischen Widerstand zu verringern. Dadurch kann der von den Permanentmagneten erzeugte Zwischenmagnetfluss in dem Statorkern 52 erhöht werden, um das Drehmoment zu steigern.
Die Verringerung der Dicke der Leitergruppen 81 erleichtert das Auffangen eines aus den Leitergruppen 81 austretenden magnetischen Flusses in dem Statorkern 52, wodurch verhindert wird, dass der magnetische Fluss außerhalb des Statorkerns 52 austritt, ohne zur Erhöhung des Drehmoments verwendet zu werden. Dies vermeidet einen Abfall der Magnetkraft, der durch das Austreten des magnetischen Flusses entsteht, und erhöht den durch die Permanentmagnete erzeugten Verkettungsmagnetfluss in dem Statorkern 52, wodurch das Drehmoment erhöht wird.
Jeder der Leiter 82 ist aus einem beschichteten Leiter hergestellt, der durch Bedecken der Oberfläche des Leiterkörpers 82a mit der Beschichtung 82b ausgebildet ist. Die in radialer Richtung aufeinander gestapelten Leiter 82 sind daher gegeneinander isoliert. In ähnlicher Weise sind die Leiter 82 gegenüber dem Statorkern 52 isoliert.
Die isolierende Beschichtung 82b kann in einem Fall, in dem jeder Draht 86 aus einem Draht mit einer selbsthaftenden Beschichtung hergestellt ist, eine Beschichtung jedes Drahtes 86 sein, wie später im Detail beschrieben wird, oder kann durch einen zusätzlichen Isolator hergestellt werden, der auf einer Beschichtung jedes Drahtes 86 vorgesehen ist. Jede aus den Leitern 82 hergestellte Phasenwicklung ist mit Ausnahme eines freiliegenden Abschnitts davon zu dem Fügen durch die Beschichtung 82b isoliert. Der freiliegende Abschnitt hat z.B. eine Eingangs- oder Ausgangsklemme oder im Falle einer Sternschaltung einen Sternpunkt. Die in radialer Richtung nebeneinander angeordneten Leitergruppen 81 sind mit Harz oder selbstklebend beschichtetem Draht fest miteinander verklebt, wodurch die Möglichkeit eines Isolationsdurchbruchs, mechanischer Schwingungen oder von Geräuschen durch Reiben der Leiter 82 minimiert wird.
In dieser Ausführungsform besteht der Leiterkörper 82a aus einer Ansammlung einer Vielzahl Drähte 86. Insbesondere ist der Leiterkörper 82a, wie in der 13 zu sehen, aus einer Litze der Drähte 86 hergestellt, die jeweils verdrillt sind. Jeder der Drähte 86 besteht aus einem Bündel von mehreren dünnen leitenden Fasern 87, wie in der 14 zu sehen ist.
Beispielsweise ist jeder der Drähte 86 aus einem Komplex von CNT-Fasern (Kohlenstoff-Nanoröhren) hergestellt. Die CNT-Fasern haben borhaltige Mikrofasern, bei denen zumindest ein Abschnitt des Kohlenstoffs durch Bor ersetzt ist. Anstelle der CNT-Fasern, die auf Kohlenstoff basierende Mikrofasern sind, können auch aus der Gasphase gewachsene Kohlenstofffasern (VGCF) verwendet werden, jedoch ist die CNT-Faser vorzuziehen. Die Oberfläche des Drahtes 86 ist mit einer Schicht aus isolierendem Polymer, wie z. B. Emaille, bedeckt. Die Oberfläche des Drahtes 86 ist vorzugsweise mit einer Lackbeschichtung, z. B. einer Polyimidbeschichtung oder einer Amid-Imidbeschichtung, bedeckt.
Die Leiter 82 bilden n-phasige Wicklungen der Statorspule 51 aus. Die Drähte 86 von jedem der Leiter 82, d.h. der Leiterkörper 82a von jedem der Leiter 82, sind miteinander in Berührung gebracht. Jeder der Leiter 82 hat einen oder mehrere Abschnitte, die durch Verdrillen der Drähte 86 ausgebildet sind und einen oder mehrere Abschnitte einer entsprechenden der Phasenwicklungen definieren. Ein Widerstandswert zwischen den verdrillten Drähten 86 ist größer als der der einzelnen Drähte 86. Mit anderen Worten, die jeweils benachbarten zwei Drähte 86 haben einen ersten elektrischen Widerstand in einer Richtung, in der die Drähte 86 nebeneinander angeordnet sind. Jeder der Drähte 86 hat einen zweiten spezifischen elektrischen Widerstand in einer Längsrichtung des Drahtes 86.
Der erste elektrische Widerstand ist größer als der zweite elektrische Widerstand. Jeder der Leiterkörper 82 kann aus einer Anordnung von Drähten bestehen, d. h. die verdrillten Drähte 86 sind mit isolierenden Elementen bedeckt, deren erster elektrischer Widerstand sehr hoch ist. Der Leiterkörper 82a eines jeden der Leiter 82 besteht aus einer Litze der verdrillten Drähte 86.
Wie oben beschrieben wurde, ist der Leiterkörper 82a aus den verdrillten Drähten 86 hergestellt, wodurch ein in jedem der Drähte 86 erzeugter Wirbelstrom reduziert wird, wodurch ein Wirbelstrom in dem Leiterkörper 82a reduziert wird. Jeder der Drähte 86 ist verdrillt, wodurch jeder der Drähte 86 Abschnitte aufweist, in denen die Richtungen des angelegten Magnetfeldes einander entgegengesetzt sind, wodurch eine rückwirkende elektromotorische Kraft aufgehoben wird. Dies führt zu einer Reduzierung des Wirbelstroms. Insbesondere ist jeder der Drähte 86 aus den leitenden Fasern 87 hergestellt, wodurch die leitenden Fasern 87 dünn sein können und auch die Anzahl der Verdrehungen der leitenden Fasern 87 erhöht werden kann, was die Reduzierung des Wirbelstroms verstärkt.
Die Art und Weise, wie die Drähte 86 voneinander isoliert werden, ist nicht auf die voranstehend beschriebene Verwendung der Polymer-Isolierschicht beschränkt, sondern der Berührungswiderstand kann verwendet werden, um einem Stromfluss zwischen den Drähten 86 zu widerstehen. Mit anderen Worten, der oben beschriebene vorteilhafte Effekt wird durch eine Potentialdifferenz erzielt, die sich aus einer Differenz zwischen dem Widerstand zwischen den verdrillten Drähten 86 und dem Widerstand jedes der Drähte 86 ergibt, solange der Widerstand zwischen den Drähten 86 größer als der von jedem der Drähte 86 ist. Beispielsweise kann der Berührungswiderstand erhöht werden, indem eine Fertigungseinrichtung für die Drähte 86 und eine Fertigungseinrichtung für den Stator 50 (d. h. einen Anker) der drehenden elektrischen Maschine 10 als getrennte Einrichtungen verwendet werden, um die Drähte 86 während einer Transportzeit oder eines Arbeitsintervalls zu oxidieren.
Jeder der Leiter 82 hat, wie voranstehend beschrieben wurde, in dem Querschnitt eine flache oder abgeflachte rechteckige Form. Die Leiter 82 sind in radialer Richtung angeordnet. Jeder der Leiter 82 besteht aus einer Litze der Drähte 86, die jeweils durch einen selbsthaftenden Manteldraht ausgebildet sind, der z.B. mit einer Schmelz- oder Verbindungsschicht oder einer Isolierschicht versehen ist, und die mit den miteinander verschmolzenen Verbindungsschichten verdrillt sind. Jeder der Leiter 82 kann alternativ durch verdrillte Drähte ohne Bondschicht oder verdrillte Drähte mit selbstbindender Beschichtung hergestellt werden, die mit Kunstharz in eine gewünschte Form ausgebildet werden. Die isolierende Beschichtung 82b jedes der Leiter 82 kann eine Dicke von 80 µm bis 100 µm haben, die größer ist als die einer Beschichtung eines typischen Drahtes (d. h. 5 µm bis 40 µm). In diesem Fall wird ein erforderlicher Isolationsgrad zwischen den Leitern 82 auch dann erreicht, wenn keine Isolierfolie zwischen den Leitern 82 angeordnet ist.
Es ist auch zweckmäßig, dass die Isolierschicht 82b einen höheren Isolationsgrad aufweist als die Isolierschicht des Drahtes 86, um eine Isolierung zwischen den Phasenwicklungen zu erreichen. Beispielsweise hat die Polymer-Isolierschicht des Drahtes 86 eine Dicke von z. B. 5 µm. In diesem Fall wird die Dicke der Isolierschicht 82b des Leiters 82 vorzugsweise so gewählt, dass sie 80 µm bis 100 µm beträgt, um die Isolierung zwischen den Phasenwicklungen zu erreichen.
Jeder der Leiter 82 kann alternativ aus einem Bündel der nicht verdrillten Drähte 86 hergestellt sein. Kurz gesagt kann jeder der Leiter 82 aus einem Bündel der Drähte 86 hergestellt sein, deren gesamte Längen verdrillt sind, deren Abschnitte verdrillt sind oder deren gesamte Längen nicht verdrillt sind. Jeder der Leiter 82, die den Leiterabschnitt bilden, ist aus einem Bündel der Drähte 86 hergestellt, wie voranstehend beschrieben wurde. Der Widerstand zwischen den Drähten 86 ist größer als derjenige der einzelnen Drähte 86.
Die Leiter 82 sind jeweils in einem vorgegebenen Muster in der Umfangsrichtung der Statorspule 51 gebogen und angeordnet und bilden so die Phasenwindungen der Statorspule 51. Wie in der 12 dargestellt ist, hat die Statorspule 51 den Spulenseitenabschnitt 53 und die Spulenenden 54 und 55. Die Leiter 82 haben die geraden Abschnitte 83, die sich gerade in axialer Richtung der Statorspule 51 erstrecken und den Spulenseitenabschnitt 53 ausbilden.
Die Leiter 82 haben die Windungen 84, die in axialer Richtung außerhalb des spulenseitigen Abschnitts 53 angeordnet sind und die Spulenenden 54 und 55 ausbilden. Jeder der Leiter 82 besteht aus einem wellenförmigen Leiterstrang, der durch abwechselndes Anordnen der geraden Abschnitte 83 und der Windungen 84 ausgebildet ist. Die geraden Abschnitte 83 sind so angeordnet, dass sie der Magneteinheit 42 in radialer Richtung zugewandt sind. Die geraden Abschnitte 83 sind in vorgegebenen Abständen zueinander angeordnet und durch die in axialer Richtung außerhalb der Magneteinheit 42 liegenden Windungen 84 miteinander verbunden. Die geraden Abschnitte 83 entsprechen einem zu dem Magnet gewandten Abschnitt.
In dieser Ausführungsform ist die Statorspule 51 in Form einer ringförmig verteilten Spule ausgebildet. In dem spulenseitigen Abschnitt 53 sind die geraden Abschnitte 83 in Abständen voneinander für jede Phase angeordnet; jeder der Abstände entspricht einem entsprechenden Polpaar der Magneteinheit 42.
In jedem der Spulenenden 54 und 55 sind die geraden Abschnitte 83 für jede Phase durch die Windungen 84, die jeweils V-förmig ausgebildet sind, miteinander verbunden. Die geraden Abschnitte 83, die für jedes Polpaar gepaart sind, liegen einander in einer Richtung des elektrischen Stromflusses gegenüber.
Die Kombination von Paaren gerader Abschnitte 83, die jeweils durch eine entsprechende Windung 84 miteinander verbunden sind, in dem Spulenende 53 unterscheidet sich von der Kombination von Paaren gerader Abschnitte 83, die jeweils durch eine entsprechende Windung 84 miteinander verbunden sind, in dem Spulenende 54. Die Verbindungen der geraden Abschnitte 83 durch die Windungen 84 sind in der Umfangsrichtung an jedem der Spulenenden 54 und 55 angeordnet, um die Statorwicklung in einer hohlzylindrischen Form zu vervollständigen.
Insbesondere ist die Statorspule 51 aus zwei Paaren Leiter 82 für jede Phase aufgebaut. Die Statorspule 51 ist mit einem ersten dreiphasigen Wicklungssatz ausgestattet, der die U-Phasen-Wicklung, die V-Phasen-Wicklung und die W-Phasen-Wicklung hat, und mit einem zweiten dreiphasigen Wicklungssatz, der die X-Phasen-Wicklung, die Y-Phasen-Wicklung und die Z-Phasen-Wicklung hat. Der erste Dreiphasen-Wicklungssatz und der zweite Dreiphasen-Wicklungssatz sind in radialer Richtung nebeneinander in Form von zwei Lagen ausgebildet. Wenn die Anzahl der Phasen der Statorwicklung 51 als S definiert ist (d. h. 6 in dieser Ausführungsform), ist die Anzahl der Leiter 82 für jede Phase als m definiert, d. h. es werden 2 × S × m = 2Sm Leiter 82 für jedes Polpaar in der Statorwicklung 51 verwendet. Die drehende elektrische Maschine ist in dieser Ausführungsform so ausgelegt, 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 Umfangsrichtung des Statorkerns 52 angeordnet.
Die Statorspule 51 in der 12 ist so ausgebildet, dass der spulenseitige Abschnitt 53, der die geraden Abschnitte 82 aufweist, in Form von zwei überlappenden Lagen ausgebildet ist, die in radialer Richtung nebeneinander 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 entgegengesetzte Umfangsrichtungen erstrecken. Mit anderen Worten, die in radialer Richtung nebeneinander angeordneten Leiter 82 liegen mit Ausnahme der Enden der Statorspule 51 in der Richtung, in der sich die Windungen 84 erstrecken, einander gegenüber.
Eine Wicklungsstruktur der Leiter 82 der Statorspule 51 wird im Folgenden detailliert beschrieben. In dieser Ausführungsform sind die Leiter 82, die in Form einer Wellenwicklung ausgebildet sind, in Form von mehreren Lagen (z.B. zwei Lagen) angeordnet, die in radialer Richtung nebeneinander oder überlappend angeordnet sind.
Die 15(a) und 15(b) veranschaulichen die Anordnung der Leiter 82, die die n-te Lage ausbilden. Die 15(a) stellt die Anordnung der Leiter 82 dar, wie sie von der Seite der Statorspule 51 gesehen wird. Die 15(b) stellt die Anordnung der Leiter 82 in der axialen Richtung der Statorspule 51 gesehen dar. In den 15(a) und 15(b) sind die Positionen der Leitergruppen 81 durch die Symbole D1, D2, D3..... und D9 angezeigt. Der Einfachheit der Offenbarung halber stellen die 15(a) und 15(b) nur drei Leiter 82 dar, die hier als der erste Leiter 82_A, der zweite Leiter 82_B und der dritte Leiter 82_C bezeichnet sind.
Die Leitern 82_A bis 82_C weisen die geraden Abschnitte 83 an einer Stelle der n-ten Schicht angeordnet auf, also an der gleichen Position in radialer Richtung. Jeweils zwei der geraden Abschnitte 82, die in der Umfangsrichtung in 6 Teilungen (entsprechend 3 × m Paaren) voneinander entfernt angeordnet sind, sind durch eine der Windungen 84 miteinander verbunden. Mit anderen Worten, in jedem der Leiter 82_A bis 82_C sind die beiden äußersten geraden Abschnitte der sieben geraden Abschnitte 83, die in der Umfangsrichtung der Statorspule 51 auf dem gleichen, um den Mittelpunkt des Rotors 40 definierten Kreis angeordnet sind, durch eine der Windungen 84 miteinander verbunden. Beispielsweise sind in dem ersten Leiter 82_A die geraden Abschnitte 83, die an den jeweiligen Stellen D1 und D7 angeordnet sind, durch die inverse V-förmige Windung 84 miteinander verbunden.
Der Leiter 82_B ist an der gleichen Stelle der n-ten Schicht um eine Teilung relativ zu dem Leiter 82_A in der Umfangsrichtung versetzt angeordnet, und der Leiter 82_C ist an der gleichen Stelle der n-ten Schicht um eine Teilung relativ zu dem Leiter 82_B in der Umfangsrichtung versetzt angeordnet.
In dieser Anordnung sind die Leiter 82_A bis 82_C an einer Stelle der gleichen Schicht angeordnet, wodurch die Möglichkeit besteht, dass sich deren Windungen 84 physikalisch gegenseitig stören können. Um eine solche Möglichkeit zu vermindern, ist jede der Windungen 84 der Leiter 82_A bis 82_C in dieser Ausführungsform so geformt, dass ein Abschnitt zur Vermeidung von Interferenzen ausgebildet ist, indem ein Abschnitt der entsprechenden Windung 84 in radialer Richtung verschoben wird.
Insbesondere hat die Windung 84 eines jeden der Leiter 82_A bis 82_C einen schrägen Abschnitt 84a, einen Kopfabschnitt 84b, einen schrägen Abschnitt 84c und einen Rücklaufabschnitt 84d. Der schräge Abschnitt 84a erstreckt sich in der Umfangsrichtung desselben Kreises (der auch als erster Kreis bezeichnet wird). Der Kopfabschnitt 84 erstreckt sich vom schrägen Abschnitt 84a radial innerhalb des ersten Kreises (d. h. in der 15(b) nach oben), um einen anderen Kreis zu erreichen (der auch als zweiter Kreis bezeichnet wird).
Der schräge Abschnitt 84c erstreckt sich in der Umfangsrichtung des zweiten Kreises. Der Rücklaufabschnitt 84d kehrt vom zweiten Kreis zurück zu dem ersten Kreis. Der Kopfabschnitt 84b, der schräge Abschnitt 84c und der Rücklaufabschnitt 84d bilden den Abschnitt zur Vermeidung von Interferenzen. Der schräge Abschnitt 84c kann radial außerhalb des schrägen Abschnitts 84a angeordnet sein.
Mit anderen Worten, jeder der Leiter 82_A bis 82_C hat die Windung 84, die so geformt ist, dass sie den schrägen Abschnitt 84a und den schrägen Abschnitt 84c aufweist, die auf gegenüberliegenden Seiten des Kopfabschnitts 84b in der Mitte in der Umfangsrichtung angeordnet sind. Die Positionen der schrägen Abschnitte 84a und 84b sind in radialer Richtung (d.h. in einer Richtung senkrecht zur Zeichnung der 15(a) oder in vertikaler Richtung in der 15(b)) voneinander verschieden.
Beispielsweise ist die Windung 84 des ersten Leiters 82_A so geformt, dass sie sich von der Stelle D1 auf der n-ten Lage in der Umfangsrichtung erstreckt, an dem Kopfabschnitt 84b, der das Zentrum der Umfangslänge der Windung 84 ist, in radialer Richtung (z.B. radial nach innen) gebogen wird, erneut in der Umfangsrichtung gebogen wird, sich erneut in der Umfangsrichtung erstreckt und dann an dem Rücklaufabschnitt 84d in radialer Richtung (z.B. radial nach außen) gebogen wird, um die Stelle D7 auf der n-ten Lage zu erreichen.
Bei den voranstehend beschriebenen Anordnungen sind die schrägen Abschnitte 84a der Leiter 82_A bis 82_C in der Reihenfolge erster Leiter 82_A, zweiter Leiter 82_B und dritter Leiter 82_C vertikal oder nach unten angeordnet. Die Kopfabschnitte 84b ändern die Reihenfolge der Anordnung der Leiter 82_A bis 82_C in vertikaler Richtung, so dass die schrägen Abschnitte 84c vertikal oder abwärts in der Reihenfolge dritter Leiter 82_C, zweiter Leiter 82_B und erster Leiter 82_A angeordnet sind. Durch diese Anordnung wird eine Anordnung der Leiter 82_A bis 82_C in der Umfangsrichtung erreicht, ohne dass sie sich gegenseitig physikalisch beeinflussen.
In der Struktur, in der die Leiter 82 so verlegt sind, dass sie sich in radialer Richtung überlappen, um die Leitergruppe 81 auszubilden, befinden sich die Windungen 84, die zu einem radial innersten und einem radial äußersten der geraden Abschnitte 83 führen, die die zwei oder mehr Schichten bilden, vorzugsweise radial außerhalb der geraden Abschnitte 83. In einem Fall, in dem die Leiter 83, die die zwei oder mehr Schichten ausbilden, in der gleichen radialen Richtung in der Nähe der Grenzen zwischen den Enden der Windungen 84 und den geraden Abschnitten 83 gebogen sind, sind die Leiter 83 vorzugsweise so geformt, dass die Isolierung dazwischen nicht aufgrund einer physikalischen Beeinflussung der Leiter 83 untereinander verschlechtert wird.
In dem Beispiel der 15(a) und 15(b) sind die in radialer Richtung aufeinander gelegten Leiter 82 an den Rücklaufabschnitten 84d der Windungen 84 an der Stelle D7 bis D9 radial gebogen. Es ist zweckmäßig, dass der Leiter 82 der n-ten Lage und der Leiter 82 der n+1-ten Lage, wie in der 16 dargestellt ist, mit voneinander verschiedenen Krümmungsradien gebogen werden. Insbesondere wird der Krümmungsradius R1 des Leiters 82 der n-ten Lage vorzugsweise kleiner gewählt als der Krümmungsradius R2 des Leiters 82 der n+1-ten Lage.
Zusätzlich sind die Radialverschiebungen des Leiters 82 der n-ten Schicht und des Leiters 82 der n+1-ten Schicht vorzugsweise so gewählt, dass sie sich voneinander unterscheiden. Wenn der Betrag der radialen Verschiebung des Leiters 82 der n-ten Schicht als S1 und der Betrag der radialen Verschiebung des Leiters 82 der n+1-ten Schicht, der sich radial außerhalb der n-ten Schicht befindet, als S2 definiert ist, wird der Betrag der radialen Verschiebung S1 vorzugsweise größer gewählt als der Betrag der radialen Verschiebung S2.
Durch die oben beschriebene Anordnung der Leiter 82 wird die Gefahr einer gegenseitigen Beeinflussung eliminiert, so dass ein erforderlicher Isolationsgrad zwischen den Leitern 82 auch dann gewährleistet ist, wenn die in radialer Richtung aufeinander gelegten Leiter 82 in die gleiche Richtung gebogen sind.
Im Folgenden wird der Aufbau der Magneteinheit 42 des Rotors 40 beschrieben. In dieser Ausführungsform ist die Magneteinheit 42 aus Permanentmagneten mit einer remanenten Flussdichte Br = 1,0 T und einer intrinsischen Koerzitivkraft Hcj = 400 kA/m hergestellt. Die in dieser Ausführungsform verwendeten Dauermagnete sind als Sintermagnete ausgeführt, die durch Sintern von Körnern aus magnetischem Material und deren Verdichtung in eine vorgegebene Form ausgebildet sind, und haben die folgenden Spezifikationen. Die intrinsische Koerzitivkraft Hcj auf einer J-H-Kurve beträgt 400 kA/m oder mehr. Die remanente Flussdichte Br auf der J-H-Kurve beträgt 1,0 T oder mehr.
Als Magnete der vorliegenden Ausführungsform können ausgewählte Magnete verwendet werden, die jeweils so ausgelegt sind, dass bei einer phasenweisen Erregung von 5.000 bis 10.000 AT ein magnetischer Abstand zwischen gepaarten Polen, d. h. zwischen einem N-Pol und einem S-Pol, in dem entsprechenden Magneten eine Länge von 25 mm aufweist. Der magnetische Abstand zwischen gepaarten Polen stellt einen Weg dar, in dem ein magnetischer Fluss fließt. Jeder der ausgewählten Magnete kann ein Verhältnis von Hcj = 10000 A erfüllen, ohne entmagnetisiert zu werden.
Mit anderen Worten, die Magneteinheit 42 ist so konstruiert, dass eine Sättigungsmagnetflussdichte Js 1,2 T oder mehr beträgt, eine Korngröße 10 µm oder weniger ist und eine Beziehung von Js × α ≥ 1,0 T erfüllt ist, wobei α ein Orientierungsverhältnis ist.
Zusätzlich wird die Magneteinheit 42 im Folgenden beschrieben. Die Magneteinheit 42 (d.h. die Magnete) hat die Eigenschaft, dass Js eine Beziehung von 2,15 T ≥ Js ≥ 1,2 T erfüllt. Mit anderen Worten, die in der Magneteinheit 42 verwendeten Magnete können FeNi-Magnete mit einem NdFe11TiN-, Nd2Fe14B-, Sm2Fe17N3- oder L10-Kristall sein. Es ist zu beachten, dass Samarium-Kobalt-Magnete, wie SmCo5-, FePt-, Dy2Fe14B- oder CoPt-Magnete nicht verwendet werden können. Wenn Magnete, in denen die hohen Js-Eigenschaften von Neodym etwas verloren gehen, aber ein hohes Maß an Koerzitivkraft von Dy gewährleistet ist, die schwere Seltene Erde Dysprosium verwenden, wie in homotopen Verbindungen, wie Dy2Fe14B und Nd2Fe14B, die eine Beziehung von 2,15 T ≥ Js ≥ 1,2 T erfüllen können, können sie in der Magneteinheit 42 verwendet werden. Ein solcher Magnettyp wird hier auch als [Nd1-xDyx]2Fe14B] bezeichnet. Des Weiteren kann ein Magnet verwendet werden, der verschiedene Arten von Zusammensetzungen berührt, mit anderen Worten, ein Magnet, der aus zwei oder mehr Arten von Materialien hergestellt ist, wie z. B. FeNi und Sm2Fe17N3, um eine Beziehung von 2,15 T ≥ Js ≥ 1,2 T zu erfüllen. Ein gemischter Magnet, der durch Hinzufügen einer kleinen Menge von z. B. Dy2Fe14B, in dem Js < 1 T ist, zu einem Nd2Fe14B-Magneten, in dem Js = 1,6 T ist, was bedeutet, dass Js ausreicht, um die Koerzitivkraft zu erhöhen, kann ebenfalls verwendet werden, um eine Beziehung von 2,15 T ≥ Js ≥ 1,2 T zu erfüllen.
Beim Einsatz der drehenden elektrischen Maschine bei einer Temperatur außerhalb eines Temperaturbereiches menschlicher Aktivitäten, die höher ist als z.B. 60°C, die Temperaturen von Wüsten übersteigt, z.B. im Fahrzeuginsassenraum eines Fahrzeuges, wo die Temperatur im Sommer auf 80°C ansteigen kann, enthält der Magnet vorzugsweise FeNi oder Sm2Fe17N3 Bauteile, die weniger temperaturabhängig sind. Dies liegt daran, dass die Motoreigenschaften durch deren temperaturabhängige Faktoren bei einem Motorbetrieb in einem Bereich von etwa -40°, der in einem Bereich liegt, den Gesellschaften in Nordeuropa erleben, bis zu 60°C oder mehr, die in Wüstenregionen erlebt werden, oder bei 180 bis 240°C, das ist eine Hitzebeständigkeitstemperatur der Emailbeschichtung, stark verändert werden, was zu einer Schwierigkeit führt, einen gewünschten Regelbetrieb mit demselben Motorantrieb zu erreichen. Die Verwendung von FeNi mit den voranstehend beschriebenen L10-Kristallen oder Sm2Fe17N3-Magneten führt zu einer geringeren Belastung des Motorantriebs, da deren Eigenschaften temperaturabhängige Faktoren aufweisen, die geringer sind als die Hälfte von denen von Nd2Fe14B-Magneten.
Zusätzlich ist die Magneteinheit 42 so konstruiert, dass sie die voranstehend beschriebene Magnetmischung verwendet, so dass eine Partikelgröße des feinen Pulvers vor der magnetischen Ausrichtung kleiner oder gleich 10µm und größer oder gleich einer Größe von einzelnen Partikeln (single domain particles) ist. Die Koerzitivkraft eines Magneten wird in der Regel dadurch erhöht, dass die Größe seiner angetriebenen Teilchen auf einige hundert nm verringert wird. In den letzten Jahren wurden die kleinstmöglichen Teilchen verwendet. Wenn die Partikel des Magneten zu klein sind, wird die BHmax (d.h. das maximale Energieprodukt) des Magneten aufgrund von dessen Oxidation verringert. Es ist daher vorzuziehen, dass die Partikelgröße des Magneten größer oder gleich der Größe von einzelnen Partikeln ist. Es ist bekannt, dass eine Teilchengröße, die nur bis zur Größe von Einzeldomänen-Teilchen reicht, die Koerzitivkraft des Magneten erhöht. Die Partikelgröße, auf die hier Bezug genommen wird, bezieht sich auf den Durchmesser oder die Größe von feinen, pulverförmigen Partikeln bei einem magnetischen Orientierungsvorgang in Herrstellungsvorgängen von Magneten.
Die Magneteinheit 42 hat einen ersten Magneten 91 und einen zweiten Magneten 92. Sowohl der erste Magnet 91 als auch der zweite Magnet 92 der Magneteinheit 42 bestehen aus einem gesinterten Magneten, der durch Brennen oder Erhitzen von Magnetpulver bei hohen Temperaturen und dessen Verdichtung ausgebildet ist. Das Sintern wird so erreicht, dass die Bedingungen erfüllt sind, bei denen die Sättigungsmagnetisierung Js der Magneteinheit 42 1,2 T (Tesla) oder mehr beträgt, die Teilchengröße des ersten Magneten 91 und des zweiten Magneten 92 10µm oder weniger beträgt und Js × α größer oder gleich 1,0 T (Tesla) ist, wobei α ein Orientierungsverhältnis ist.
Jeder aus dem ersten Magneten 91 und dem zweiten Magneten 92 wird auch gesintert, um die folgenden Bedingungen zu erfüllen. Durch die Durchführung der magnetischen Orientierung in dem magnetischen Orientierungsvorgang in den Herstellungsvorgängen des ersten Magneten 91 und des zweiten Magneten 92 haben der erste und der zweite Magnet 91 und 92 ein Orientierungsverhältnis, das sich von der Definition der Orientierung der Magnetkraft in einer Magnetisierungsoperation für isotrope Magnete unterscheidet. Die Magneteinheit 42 ist in dieser Ausführungsform so ausgelegt, dass

(1) Die Sättigungsmagnetisierung Js größer oder gleich 1,2 T;
(2) das hohe Orientierungsverhältnis α jedes des ersten Magneten 91 und des zweiten Magneten 92, das die Beziehung Jr ≥ Js × α ≥ 1,0 T erfüllt.

Das Orientierungsverhältnis α, auf das hier Bezug genommen wird, ist auf folgende Weise definiert. Wenn sowohl der erste Magnet 91 als auch der zweite Magnet 92 sechs leichte Magnetisierungsachsen haben, fünf der leichten Magnetisierungsachsen in die gleiche Richtung A10 ausgerichtet sind und die verbleibende der leichten Magnetisierungsachsen in die Richtung B10 ausgerichtet ist, die um 90 Grad zur Richtung A10 abgewinkelt ist, dann wird ein Verhältnis von α = 5/6 erfüllt.
Wenn der erste Magnet 91 und der zweite Magnet 92 jeweils sechs leichte Magnetisierungsachsen haben, fünf der leichten Magnetisierungsachsen in die gleiche Richtung A10 ausgerichtet sind und die verbleibende der leichten Magnetisierungsachsen in die Richtung B10 ausgerichtet ist, die um 45 Grad zur Richtung A10 abgewinkelt ist, dann ist eine Beziehung von α = (5 + 0,707)/6 erfüllt, da ein in die Richtung A10 ausgerichtetes Bauteil durch cos 45° = 0,707 ausgedrückt wird. Der erste Magnet 91 und der zweite Magnet 92 werden in dieser Ausführungsform jeweils im Sinterverfahren hergestellt, wie oben beschrieben wurde, können aber auch auf andere Weise hergestellt werden, solange die voranstehend beschriebenen Bedingungen erfüllt sind. Zum Beispiel kann ein Verfahren zur Ausbildung eines MQ3-Magneten verwendet werden.
In dieser Ausführungsform werden Permanentmagnete verwendet, von denen jeder magnetisch so ausgerichtet ist, dass er eine kontrollierte leichte Achse der Magnetisierung aufweist, wodurch eine Magnetkreislänge innerhalb des entsprechenden der Magnete länger sein kann als die innerhalb eines typischen linear ausgerichteten Magneten, der eine magnetische Flussdichte von 1,0 T oder mehr erzeugt.
Mit anderen Worten, ermöglicht es diese Ausführungsform, die Magnetkreislänge für ein Polpaar in den Magneten in dieser Ausführungsform mit Magneten zu erreichen, die jeweils ein kleineres Volumen aufweisen. Zusätzlich geht ein Bereich des reversiblen Flussverlustes in den Magneten nicht verloren, wenn sie starken hohen Temperaturen ausgesetzt werden, verglichen mit der Verwendung typischer linear orientierter Magnete. Die Offenleger bzw. Erfinder dieser Anmeldung haben festgestellt, dass ähnliche Eigenschaften wie bei anisotropen Magneten auch bei Verwendung von Magneten nach dem Stand der Technik erzielt werden.
Die leichte Achse der Magnetisierung stellt eine Kristallorientierung dar, in der ein Kristall in einem Magneten leicht zu magnetisieren ist. Die Orientierung der leichten Achse der Magnetisierung in dem Magneten, wie hierin erwähnt, ist eine Richtung, in der ein Orientierungsverhältnis 50% oder mehr beträgt, wobei das Orientierungsverhältnis den Grad angibt, in dem leichte Magnetisierungsachsen von Kristallen zueinander ausgerichtet sind, oder eine Richtung eines Durchschnitts der magnetischen Orientierungen im Magneten.
Die Magneteinheit 42 ist, wie in den 8 und 9 deutlich dargestellt ist, von ringförmiger Gestalt und innerhalb des Magnethalters 41 (insbesondere radial innerhalb des Zylinders 43) angeordnet. Die Magneteinheit 42 ist mit den ersten Magneten 91 und den zweiten Magneten 92 ausgestattet, die jeweils aus einem polaren anisotropen Magneten bestehen.
Jeder der ersten Magnete 91 und jeder der zweiten Magnete 92 sind in ihrer Polarität voneinander verschieden. Die ersten Magnete 91 und die zweiten Magnete 92 sind abwechselnd in der Umfangsrichtung der Magneteinheit 42 angeordnet. Jeder der ersten Magnete 91 ist so ausgebildet, dass er einen Abschnitt aufweist, der einen N-Pol in der Nähe der Statorspule 51 bildet. Jeder der zweiten Magnete 92 ist so ausgebildet, dass er einen Abschnitt aufweist, der einen S-Pol in der Nähe der Statorspule 51 bildet. Die ersten Magnete 91 und die zweiten Magnete 92 sind jeweils aus beispielsweise einem permanenten Seltenerdmagneten, wie einem Neodym-Magneten, hergestellt.
Wie in der 9 dargestellt ist, ist jeder der Magnete 91 und 92 so ausgebildet, dass er eine Magnetisierungsrichtung aufweist (die im Folgenden auch als Magnetisierungsrichtung bezeichnet wird), die sich ringförmig zwischen einer d-Achse (d.h. einer Direkt-Achse) und einer q-Achse (d.h., einer Quadraturachse) in einem bekannten d-q-Koordinatensystem erstreckt, wobei die d-Achse das Zentrum eines Magnetpols darstellt, und die q-Achse eine magnetische Grenze zwischen dem N-Pol und dem S-Pol darstellt, mit anderen Worten, wo eine Dichte des magnetischen Flusses null Tesla beträgt. In jedem der Magnete 91 und 92 ist die Magnetisierungsrichtung in der radialen Richtung der ringförmigen Magneteinheit 42 nahe der d-Achse und auch in der Umfangsrichtung der ringförmigen Magneteinheit 42 näher zu der q-Achse orientiert.
Auch diese Anordnung wird weiter unten im Detail beschrieben.
Wie in der 9 zu sehen ist, hat jeder der Magnete 91 und 92 einen ersten Abschnitt 250 und zwei zweite Abschnitte 260, die in der Umfangsrichtung der Magneteinheit 42 auf gegenüberliegenden Seiten des ersten Abschnitts 250 angeordnet sind. Mit anderen Worten, der erste Abschnitt 250 ist näher an der d-Achse angeordnet als die zweiten Abschnitte 260. Die zweiten Abschnitte 260 sind näher an der q-Achse angeordnet als es der erste Abschnitt 250 ist. Die Richtung, in der sich die leichte Achse der Magnetisierung 300 in dem ersten Abschnitt 250 erstreckt, ist paralleler zu der d-Achse ausgerichtet als die Richtung, in der sich die leichte Achse der Magnetisierung 310 in den zweiten Abschnitten 260 erstreckt. Mit anderen Worten, die Magneteinheit 42 ist so konstruiert, dass ein Winkel θ11, den die leichte Achse der Magnetisierung 300 in dem ersten Abschnitt 250 mit der d-Achse einnimmt, kleiner gewählt ist als ein Winkel θ12, den die leichte Achse der Magnetisierung 310 in dem zweiten Abschnitt 260 mit der q-Achse einnimmt.
Insbesondere, wenn eine Richtung von dem Stator 50 (d.h. einem Anker) in Richtung der Magneteinheit 42 auf der d-Achse als positiv definiert ist, stellt der Winkel θ11 einen Winkel dar, den die leichte Achse der Magnetisierung 300 mit der d-Achse einnimmt. Wenn eine Richtung vom Stator 50 (d. h. einem Anker) zur Magneteinheit 42 auf der q-Achse als positiv definiert ist, stellt der Winkel θ12 einen Winkel dar, den die leichte Magnetisierungsachse 310 mit der q-Achse bildet. In dieser Ausführungsform ist jeder der Winkel θ11 und der Winkel θ12 auf 90° oder weniger eingestellt.
Jede der leichten Magnetisierungsachsen 300 und 310, auf die hier Bezug genommen wird, ist auf folgende Weise definiert. Wenn in jedem der Magnete 91 und 92 eine erste der leichten Magnetisierungsachsen in einer Richtung A11 ausgerichtet ist und eine zweite der leichten Magnetisierungsachsen in einer Richtung B11 ausgerichtet ist, ist ein Absolutwert 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 von den Magneten 92 in Bereichen nahe der d-Achse und der q-Achse in der leichten Magnetisierungsachse. Insbesondere ist in dem Bereich nahe der d-Achse die Richtung der leichten Magnetisierungsachse etwa parallel zur d-Achse orientiert, während im Bereich nahe der q-Achse die Richtung der leichten Magnetisierungsachse etwa senkrecht zur q-Achse orientiert ist. Gemäß den Richtungen der leichten Magnetisierungsachsen entstehen ringförmige Magnetbahnen. In jedem der Magnete 91 und 92 kann die leichte Achse der Magnetisierung in dem Bereich nahe der d-Achse parallel zu der d-Achse ausgerichtet sein, während die leichte Achse der Magnetisierung in dem Bereich nahe der q-Achse senkrecht zu der q-Achse ausgerichtet sein kann.
Jeder der Magnete 91 und 92 ist so geformt, dass er eine erste Umfangsfläche hat, die dem Stator 50 zugewandt ist (d.h., in der 9 gesehen eine untere Fläche, die auch als statorseitige Außenfläche bezeichnet wird), und eine zweite Umfangsfläche, die in der Umfangsrichtung der q-Achse zugewandt ist. Die erste und zweite Umfangsfläche fungieren als Magnetflusswirkflächen, in die und aus denen der Magnetfluss fließt. Die magnetischen Pfade sind jeweils so angelegt, dass sie sich zwischen den auf den magnetischen Fluss wirkenden Oberflächen erstrecken (d.h. zwischen der statorseitigen Außenfläche und der zweiten, der q-Achse zugewandten Umfangsfläche).
In der Magneteinheit 42 fließt ein magnetischer Fluss ringförmig zwischen jeweils zwei benachbarten der N-Pole und der S-Pole der Magnete 91 und 92, so dass jeder der magnetischen Pfade im Vergleich zu beispielsweise radial anisotropen Magneten eine vergrößerte Länge aufweist. Eine Verteilung der magnetischen Flussdichte wird daher eine ähnliche Form wie eine Sinuswelle aufweisen, wie in der 17 dargestellt ist. Dies erleichtert die Konzentration des magnetischen Flusses um das Zentrum des Magnetpols im Gegensatz zu einer Verteilung der magnetischen Flussdichte eines radialen anisotropen Magneten, die in der 18 als Vergleichsbeispiel dargestellt ist, wodurch das Maß an Drehmoment, das von der drehenden elektrischen Maschine 10 erzeugt wird, erhöht werden kann. Es wurde auch festgestellt, dass die Magneteinheit 42 in dieser Ausführungsform die Verteilung der magnetischen Flussdichte unterschiedlich von der eines typischen Halbach-Feld-Magneten aufweist. In den 17 und 18 zeigt eine horizontale Achse den elektrischen Winkel an, während eine vertikale Achse die magnetische Flussdichte anzeigt. 90° auf der horizontalen Achse zeigt die d-Achse (d. h. die Mitte des Magnetpols). 0° und 180° auf der horizontalen Achse zeigen die q-Achse dar.
Dementsprechend funktioniert die voranstehend beschriebene Struktur jedes der Magnete 91 und 92 so, dass deren magnetischer Fluss auf der d-Achse verstärkt und eine Änderung des magnetischen Flusses in der Nähe der q-Achse verringert wird. Dies ermöglicht die Herstellung von Magneten 91 und 92, die eine gleichmäßige Änderung des magnetischen Oberflächenflusses von der q-Achse zur d-Achse an jedem Magnetpol aufweisen
Der Prozentsatz der Sinuswellenanpassung in der Verteilung der magnetischen Flussdichte wird vorzugsweise auf z. B. 40 % oder mehr eingestellt. Dies verbessert die Menge des magnetischen Flusses um die Mitte einer Wellenform der Verteilung der magnetischen Flussdichte im Vergleich zu einem radial ausgerichteten Magneten oder einem parallel ausgerichteten Magneten, in dem der Prozentsatz der Sinuswellenanpassung etwa 30 % beträgt. Durch Einstellen des Prozentsatzes der Sinuswellenanpassung auf 60 % oder mehr wird die Menge des magnetischen Flusses um die Mitte der Wellenform im Vergleich zu einer konzentrierten Magnetflussanordnung, wie der Halbach-Anordnung, verbessert.
In dem radialen anisotropen Magneten, der in der 18 dargestellt ist, ändert sich die magnetische Flussdichte in der Nähe der q-Achse stark. Je stärker die Änderung der magnetischen Flussdichte ist, desto mehr wird ein in der Statorspule 51 erzeugter Wirbelstrom zunehmen. Der magnetische Fluss in der Nähe der Statorspule 51 ändert sich ebenfalls stark. Im Gegensatz dazu hat die Verteilung der magnetischen Flussdichte in dieser Ausführungsform eine Wellenform, die sich einer Sinuswelle annähert. Eine Änderung der magnetischen Flussdichte in der Nähe der q-Achse ist daher kleiner als die des radial anisotropen Magneten in der Nähe der q-Achse. Dadurch wird die Erzeugung des Wirbelstroms minimiert.
Die Magneteinheit 42 erzeugt in jedem der Magnete 91 und 92 einen magnetischen Fluss, der senkrecht zu der auf den magnetischen Fluss wirkenden Fläche 280 in der Nähe des Stators 50 nahe der d-Achse (d. h. der Mitte des Magnetpols) ausgerichtet ist. Ein solcher magnetischer Fluss erstreckt sich bogenförmig weiter weg von der d-Achse, wenn er die auf den magnetischen Fluss einwirkende Fläche 280 in der Nähe des Stators 50 verlässt. Je mehr sich der magnetische Fluss senkrecht zur Magnetflusswirkfläche erstreckt, desto stärker ist der magnetische Fluss. Wie voranstehend beschrieben wurde, ist die drehende elektrische Maschine 10 in dieser Ausführungsform so gestaltet, dass jede der Leitergruppen 81 so geformt ist, dass sie in radialer Richtung eine verringerte Dicke aufweist, so dass die radiale Mitte jeder Leitergruppe 81 nahe an der auf den magnetischen Fluss einwirkenden Oberfläche der Magneteinheit 42 angeordnet ist, wodurch der starke magnetische Fluss von dem Rotor 40 auf den Stator 50 aufgebracht wird.
Der Stator 50 weist den zylindrischen Statorkern 52 auf, der radial innerhalb der Statorspule 51 angeordnet ist, d.h. auf der dem Rotor 40 gegenüberliegenden Seite der Statorspule 51. Dies bewirkt, dass der magnetische Fluss, der sich von der auf den magnetischen Fluss wirkenden Oberfläche jedes der Magnete 91 und 92 erstreckt, von dem Statorkern 52 angezogen wird, so dass er durch den magnetischen Pfad zirkuliert, der teilweise den Statorkern 52 hat. Dadurch kann die Ausrichtung des magnetischen Flusses und des magnetischen Pfades optimiert werden.
Die in der 5 dargestellten Schritte zu dem Zusammenbau der Lagereinheit 20, des Gehäuses 30, des Rotors 40, des Stators 50 und der Wechselrichtereinheit 60 werden im Folgenden als Herstellungsverfahren der drehenden elektrischen Maschine 10 beschrieben. Wie in der 6 dargestellt ist, ist die Wechselrichtereinheit 60 mit dem Einheitssockel 61 und den elektrischen Bauteilen 62 ausgestattet. Es werden Betriebsabläufe einschließlich Montageabläufe für den Einheitssockel 61 und die elektrischen Bauteile 62 erläutert. Im Folgenden wird eine Baugruppe aus dem Stator 50 und der Wechselrichtereinheit 60 als erste Einheit bezeichnet. Eine Baugruppe aus der Lagereinheit 20, dem Gehäuse 30 und dem Rotor 40 wird als zweite Einheit bezeichnet.
Die Herstellungsvorgänge weisen auf:

einen ersten Schritt, die elektrischen Bauteile 62 radial in das Innere des Einheitssockels 61 einzubauen;
einen zweiten Schritt, den Einheitssockel 61 radial innerhalb des Stators 50 einzubauen, um die erste Einheit herzustellen;
einen dritten Schritt, den Befestigungsabschnitt 44 des Rotors 40 in die in dem Gehäuse 30 installierte Lagereinheit 20 einzusetzen, um die zweite Einheit herzustellen;
einen vierten Schritt, die erste Einheit radial innerhalb der zweiten Einheit einzubauen; und
einen fünften Schritt, das Gehäuse 30 und den Einheitssockel 61 aneinander. Die Reihenfolge, in der die voranstehend beschriebenen Schritte ausgeführt werden, ist der erste Schritt → der zweite Schritt →der dritte Schritt → der vierte Schritt → der fünfte Schritt.

In dem voranstehend beschriebenen Herstellungsverfahren werden die Lagereinheit 20, das Gehäuse 30, der Rotor 40, der Stator 50 und die Wechselrichtereinheit 60 als eine Vielzahl Unterbaugruppen zusammengebaut und die Unterbaugruppen zusammengesetzt, wodurch deren Handhabung erleichtert und eine vollständige Inspektion jeder Unterbaugruppe erreicht wird. Dies ermöglicht den Aufbau einer effizienten Montagelinie und erleichtert somit die Planung der Mehrproduktfertigung.
In dem ersten Schritt wird ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit auf mindestens eine aus den radialen Innenseiten des Gerätebodens 61 und den radialen Außenseiten der elektrischen Bauteile 62 aufgebracht oder aufgeklebt. Anschließend können die elektrischen Bauteile auf den Einheitssockel 61 montiert werden. Dadurch wird eine effiziente Übertragung der von den Halbleitermodulen 66 erzeugten Wärme an den Einheitssockel 61 erreicht.
In dem dritten Schritt kann ein Einsetzvorgang für den Rotor 40 erreicht werden, wobei das Gehäuse 30 und der Rotor 40 koaxial zueinander angeordnet sind. Insbesondere werden das Gehäuse 30 und der Rotor 40 zusammengebaut, während entweder das Gehäuse 30 oder der Rotor 40 entlang einer Vorrichtung verschoben wird, die die äußere Umfangsfläche des Rotors 40 (d. h. die äußere Umfangsfläche des Magnethalters 41) oder die innere Umfangsfläche des Rotors 40 (d. h. die innere Umfangsfläche der Magneteinheit 42) in Bezug auf beispielsweise die innere Umfangsfläche des Gehäuses 30 positioniert. Dadurch wird die Montage von schwergewichtigen Teilen erreicht, ohne dass eine Unwucht auf die Lagereinheit 20 ausgeübt wird. Dies führt zu einer Verbesserung der Zuverlässigkeit in dem Betrieb der Lagereinheit 20.
In dem vierten Schritt können die erste Einheit und die zweite Einheit installiert werden, während sie koaxial zueinander angeordnet sind. Insbesondere werden die erste Einheit und die zweite Einheit installiert, während eine aus der ersten Einheit und der zweiten Einheit entlang einer Vorrichtung verschoben wird, die die innere Umfangsfläche des Einheitssockels 61 in Bezug auf beispielsweise die inneren Umfangsflächen des Rotors 40 und des Befestigungsabschnitts 44 positioniert. Dadurch wird die Installation der ersten und der zweiten Einheit ohne physische Beeinträchtigung dazwischen innerhalb eines kleinen Freiraums zwischen dem Rotor 40 und dem Stator 50 erreicht, wodurch die Risiken von Defekten, die durch die Installation verursacht werden, wie z. B. physische Beschädigung der Statorspule 51 oder Beschädigung der Permanentmagnete, beseitigt werden.
Die oben genannten Schritte können alternativ als zweiter Schritt → dritter Schritt → vierter Schritt → fünfter Schritt → erster Schritt geplant werden. In dieser Reihenfolge werden schließlich die empfindlichen elektrischen Bauteile 62 installiert, wodurch die Belastung der elektrischen Bauteile während den Installationsvorgängen minimiert wird.
Im Folgenden wird der Aufbau eines Steuerungssystems zur Steuerung eines Betriebs der drehenden elektrischen Maschine 10 beschrieben. Die 19 ist ein elektrischer Schaltplan des Steuerungssystems für die drehende elektrische Maschine 10. Die 20 ist ein funktionales Blockdiagramm, das die von der Steuerung 110 durchgeführten Steuerungsschritte darstellt.
Die 19 stellt zwei Sätze von Drehstromwicklungen 51a und 51b dar. Die Dreiphasenwicklungen 51a haben eine U-Phasenwicklung, eine V-Phasenwicklung und eine W-Phasenwicklung. Die Dreiphasenwicklungen 51b haben eine X-Phasen-Wicklung, eine Y-Phasen-Wicklung und eine Z-Phasen-Wicklung.
Der erste Wechselrichter 101 und der zweite Wechselrichter 102 sind als elektrische Leistungswandler für die Drehstromwicklungen 51a bzw. 51b bereitgestellt. Die Wechselrichter 101 und 102 bestehen aus Brückenschaltungen mit so vielen Ober- und Unterarmen, wie es Phasenwicklungen gibt. Der an die Phasenwicklungen der Statorspule 51 gelieferte Strom wird durch Ein- oder Ausschalten von Schaltern (d. h. Halbleiterschaltern) geregelt, die an den oberen und unteren Armen angebracht sind.
Die Gleichstromversorgung 103 und der Glättungskondensator 104 sind parallel mit den Wechselrichtern 101 und 102 verbunden. Die Gleichstromversorgung 103 ist z. B. aus einer Vielzahl in Reihe geschalteter Zellen aufgebaut. Die Schalter der Wechselrichter 101 und 102 entsprechen den Halbleitermodulen 66 in der 1. Der Kondensator 104 entspricht dem Kondensatormodul 68 in der 1.
Die Steuerung 110 ist mit einem Mikrorechner ausgestattet, der aus einer CPU und Speichern besteht, und arbeitet so, dass er durch Ein- oder Ausschalten der Schalter der Wechselrichter 101 und 102 eine Regelungserregung durchführt, wobei er verschiedene Arten von gemessenen Informationen, die in der drehenden elektrischen Maschine 10 gemessen werden, oder Anforderungen für einen Motormodus oder einen Generatormodus der drehenden elektrischen Maschine 10 verwendet. Die Steuerung 110 entspricht der in der 6 dargestellten Steuereinrichtung 77.
Die gemessenen Informationen über die drehende elektrische Maschine 10 haben z. B. eine Winkelposition (d. h. einen elektrischen Winkel) des Rotors 40, die von einem Winkelpositionssensor, wie z. B. einem Resolver, gemessen wird, eine Versorgungsspannung (d. h. die in die Wechselrichter eingespeiste Spannung), die von einem Spannungssensor gemessen wird, und einen elektrischen Strom, der an jede der Phasenwicklungen geliefert wird, der von einem Stromsensor gemessen wird. Die Steuerung 110 erzeugt und gibt ein Betriebssignal aus, um jeden der Schalter der Wechselrichter 101 und 102 zu betreiben. Eine Anforderung zur Erzeugung elektrischer Energie ist eine Anforderung zu dem Antrieb der drehenden elektrischen Maschine 10 in einem regenerativen Modus, zum Beispiel in einem Fall, in dem die drehende elektrische Maschine 10 als Leistungsquelle für ein Fahrzeug verwendet wird.
Der erste Wechselrichter 101 ist mit einem in Reihe geschalteten Teil ausgestattet, der aus einem oberen Armschalter Sp und einem unteren Armschalter Sn für jede der Dreiphasenwicklungen besteht: die U-Phasen-Wicklung, die V-Phasen-Wicklung und die W-Phasen-Wicklung. Die oberen Armschalter Sp sind an ihren hochpoligen Klemmen mit einem Pluspol der Gleichstromversorgung 103 verbunden. Die unteren Armschalter Sn sind mit ihren Niederspannungsanschlüssen mit einem Minuspol (d. h. Masse) der Gleichstromversorgung 103 verbunden. Zwischenverbindungen der oberen Armschalter Sp und der unteren Armschalter Sn sind mit den Enden der U-Phasenwicklung, der V-Phasenwicklung und der W-Phasenwicklung verbunden. Die U-Phasen-Wicklung, die V-Phasen-Wicklung und die W-Phasen-Wicklung sind in Form einer Sternschaltung (d. h. einer Y-Schaltung) ausgebildet. Die anderen Enden der U-Phasen-Wicklung, der V-Phasen-Wicklung und der W-Phasen-Wicklung sind in einem Sternpunkt (Neutralpunkt) miteinander verbunden.
Der zweite Wechselrichter 102 ist, wie der erste Wechselrichter 101, mit einem in Reihe geschalteten Teil ausgestattet, das aus einem oberen Armschalter Sp und einem unteren Armschalter Sn für jede der drei Phasenwicklungen besteht: die X-Phasenwicklung, die Y-Phasenwicklung und die Z-Phasenwicklung. Die oberen Armschalter Sp sind an ihren hochpoligen Klemmen mit dem Pluspol der Gleichstromversorgung 103 verbunden. Die unteren Armschalter Sn sind an ihren Niederspannungsanschlüssen mit dem Minuspol (d. h. der Masse) der Gleichstromversorgung 103 verbunden. Zwischenverbindungen der Oberen Armschalter Sp und der unteren Armschalter Sn sind mit den 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 Form einer Sternschaltung (d. h. einer Y-Schaltung) verbunden. Die anderen Enden der X-Phasen-Wicklung, der Y-Phasen-Wicklung und der Z-Phasen-Wicklung sind an einem Sternpunkt miteinander verbunden.
Die 20 stellt einen stromrückgekoppelten Regelvorgang zur Regelung der elektrischen Ströme dar, die an die U-Phasen-Wicklung, die V-Phasen-Wicklung und die W-Phasen-Wicklung geliefert werden, und einen stromgeregelten Steuervorgang zur Regelung der elektrischen Ströme, die an die X-Phasen-Wicklung, die Y-Phasen-Wicklung und die Z-Phasen-Wicklung geliefert werden. Zunächst wird der Regelvorgang für die U-Phasen-Wicklung, die V-Phasen-Wicklung und die W-Phasen-Wicklung erläutert.
In der 20 verwendet ein Stromanweisungsbestimmer 111 eine Drehmoment-dq-Abbildung, um Stromanweisungswerte für die d-Achse und die q-Achse unter Verwendung eines Drehmomentanweisungswertes im Motormodus der drehenden elektrischen Maschine 10 (der auch als Drehmomentanweisungswert im Motormodus bezeichnet wird), eines Drehmomentanweisungswertes im Generatormodus der drehenden elektrischen Maschine 10 (der als Drehmomentanweisungswert im Generatormodus bezeichnet wird) und einer elektrischen Winkelgeschwindigkeit ω zu bestimmen, die durch Differenzieren eines elektrischen Winkels θ in Bezug auf die Zeit abgeleitet wird. Der Stromanweisungsbestimmer 111 wird von den U-, V- und W-Phasenwicklungen und den X-, Y- und W-Phasenwicklungen gemeinsam verwendet. Der Drehmomentanweisungswert im Generatorbetrieb ist ein regenerativer Drehmomentanweisungswert in einem Fall, in dem die drehende elektrische Maschine 10 als Leistungsquelle eines Fahrzeugs verwendet wird.
Ein d-q-Wandler 112 arbeitet, um Ströme (d.h. dreiphasige Ströme), wie sie von Stromsensoren gemessen werden, die für die jeweiligen Phasenwicklungen angebracht sind, in einen d-Achsenstrom und einen q-Achsenstrom umzuwandeln, die Bauteile in einem zweidimensionalen drehenden kartesischen Koordinatensystem sind, in dem eine d-Achse als eine Richtung einer Achse eines Magnetfelds oder einer Feldrichtung definiert ist.
Eine d-Achsen-Stromregeleinrichtung 113 ermittelt eine Anweisungsspannung für die d-Achse als Stellgröße, um den d-Achsen-Strom in einem Regelungsmodus in Übereinstimmung mit dem aktuellen Anweisungswert für die d-Achse zu bringen.
Eine q-Achsenstrom-Regelungseinrichtung 114 ermittelt eine Anweisungsspannung für die q-Achse als Stellgröße, um den q-Achsenstrom in einem Regelungsmodus mit dem aktuellen Anweisungswert für die q-Achse in Übereinstimmung zu bringen. Die Regelungsvorrichtungen 113 und 114 berechnen die Anweisungsspannung als Funktion einer Abweichung des d-Achsenstroms und des q-Achsenstroms von einem entsprechenden Stromanweisungswert unter Verwendung von PI-Regelungsverfahren.
Ein dreiphasiger Wandler 115 arbeitet, um die Anweisungswerte für die d-Achse und die q-Achse in Anweisungswerte für die U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Wicklungen umzuwandeln. Jedes der Geräte 111 bis 115 ist als Regelung ausgeführt, um eine Regelung für einen Grundstrom in der d-q-Transformationstheorie durchzuführen. Die Anweisungsspannungen für die U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Wicklungen sind geregelte Steuerwerte.
Ein Betriebssignalerzeuger 116 verwendet den bekannten Dreieckswellen-Trägervergleich, um Betriebssignale für den ersten Wechselrichter 101 in Abhängigkeit von den dreiphasigen Befehlsspannungen zu erzeugen. Insbesondere arbeitet der Betriebssignalerzeuger 116 zur Erzeugung von Schaltbetriebssignalen (d.h. Tastverhältnissignalen) für die oberen und unteren Arme für die Dreiphasenwicklungen (d.h. die U-, V- und W-Phasen-Wicklungen) unter PWM-Steuerung auf der Grundlage eines Vergleichs der Pegel von Signalen, die durch Normalisierung der dreiphasigen Befehlsspannungen unter Verwendung der Stromversorgungsspannung mit einem Pegel eines Trägersignals, wie z.B. einem Dreieckswellensignal, abgeleitet werden.
Für die X-, Y- und Z-Phasenwicklungen ist der gleiche Aufbau wie oben beschrieben bereitgestellt.
Ein d-q-Wandler 122 wandelt die Ströme (d.h. die dreiphasigen Ströme), wie sie von den für die jeweiligen Phasenwicklungen angebrachten Stromsensoren gemessen werden, in einen d-Achsenstrom und einen q-Achsenstrom um, die Bauteile im zweidimensionalen drehenden kartesischen Koordinatensystem sind, in dem die d-Achse als die Richtung der Achse des Magnetfeldes definiert ist.
Eine d-Achsen-Stromregelungsvorrichtung 123 bestimmt eine Anweisungsspannung für die d-Achse.
Eine q-Achsen- Stromregelungsvorrichtung 124 ermittelt eine Anweisungsspannung für die q-Achse.
Ein dreiphasiger Wandler 125 wandelt die Anweisungswerte für die d-Achse und die q-Achse in Anweisungswerte für die X-Phasen-, Y-Phasen- und Z-Phasen-Wicklungen um.
Ein Betriebssignalerzeuger 126 erzeugt Betriebssignale für den zweiten Wechselrichter 102 in Abhängigkeit von den dreiphasigen Steuerspannungen.
Insbesondere arbeitet der Betriebssignalerzeuger 126 zur Erzeugung von Schaltbetriebssignalen (d.h. Tastverhältnissen) für die oberen und unteren Arme für die Dreiphasenwicklungen (d.h. die X-, Y- und Z-Phasen-Wicklungen), die auf dem Vergleich von Signalpegeln beruhen, die durch Normierung der dreiphasigen Befehlsspannungen unter Verwendung der Stromversorgungsspannung mit einem Pegel eines Trägersignals, wie z.B. einem Dreieckswellensignal, abgeleitet werden.
Ein Antrieb 117 arbeitet, um die Schalter Sp und Sn in den Wechselrichtern 101 und 102 in Reaktion auf die von den Betriebssignalerzeugern 116 und 126 erzeugten Schalterbetriebssignale ein- oder auszuschalten.
Nachfolgend wird eine Operation zur Drehmomentregelung beschrieben. Dieser Vorgang dient dazu, eine Leistung der drehenden elektrischen Maschine 10 zu erhöhen und den Drehmomentverlust in der drehenden elektrischen Maschine 10 zu verringern, beispielsweise in einem Hochgeschwindigkeits- und Hochleistungsbereich, in dem die Ausgangsspannungen von den Wechselrichtern 101 und 102 ansteigen. Die Steuerung 110 wählt eine von der Drehmomentregelungsoperation und der Stromregelungsoperation aus und führt die ausgewählte Operation in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der drehenden elektrischen Maschine 10 durch.
Die 21 stellt den Drehmoment-Regelbetrieb für die U-, V- und W-Phasen-Wicklungen und den Drehmoment-Regelbetrieb für die X-, Y- und Z-Phasen-Wicklungen dar. In der 21 beziehen sich die gleichen Bezugszeichenn wie in der 20 auf die gleichen Teile, so dass eine detaillierte Erläuterung hier nicht erforderlich ist. Zunächst wird der Regelvorgang für die U-, V- und W-Phasen-Wicklungen beschrieben.
Ein Spannungsamplitudenrechner 127 arbeitet, um einen Spannungsamplitudenbefehl zu berechnen, der ein Anweisungswert eines Grades eines Spannungsvektors als eine Funktion des Motormodus-Drehmomentanweisungswertes oder des Generatormodus-Drehmomentanweisungswertes für die drehende elektrische Maschine 10 und der elektrischen Winkelgeschwindigkeit ω ist, die durch Differenzieren des elektrischen Winkels θ in Bezug auf die Zeit abgeleitet wird.
Ein Drehmomentrechner 128a arbeitet, um einen Drehmomentwert in der U-Phase, V-Phase oder der W-Phase als eine Funktion des d-Achsen-Stroms und des q-Achsen-Stroms, der durch den d-q-Wandler 112 umgewandelt wird, zu schätzen. Der Drehmomentrechner 128a kann so ausgelegt sein, dass er den Spannungsamplitudenbefehl unter Verwendung von Karteninformationen über Beziehungen zwischen dem d-Achsenstrom, dem q-Achsenstrom und dem Spannungsamplitudenbefehl berechnet.
Ein Drehmoment-Regler 129a berechnet einen Spannungsphasenbefehl, der ein Anweisungswert für eine Phase des Spannungsvektors ist, als eine Stellgröße, um den geschätzten Drehmomentwert in Übereinstimmung mit dem Motormodus-Drehmomentanweisungswert oder dem Generatormodus-Drehmomentanweisungswert im Regelungsmodus zu bringen. Insbesondere berechnet der Drehmoment-Regler 129a den Spannungsphasen-Anweisungswert als eine Funktion einer Abweichung des geschätzten Drehmomentwerts von dem Motormodus-Drehmoment-Anweisungswert oder dem Generatormodus-Drehmoment-Anweisungswert unter Verwendung von PI-Regelungstechniken.
Ein Betriebssignalerzeuger 130a arbeitet, um das Betriebssignal für den ersten Wechselrichter 101 unter Verwendung des Spannungsamplitudenbefehls, des Spannungsphasenbefehls und des elektrischen Winkels θ zu erzeugen. Insbesondere berechnet der Betriebssignalerzeuger 130a die Anweisungswerte für die Dreiphasenwicklungen auf der Grundlage des Spannungsamplitudenbefehls, des Spannungsphasenbefehls und des elektrischen Winkels θ und erzeugt dann Schaltbetriebssignale für den oberen und unteren Arm für die Dreiphasenwicklungen mittels PWM-Steuerung auf der Grundlage eines Vergleichs der Pegel von Signalen, die durch Normierung der dreiphasigen Befehlsspannungen unter Verwendung der Stromversorgungsspannung mit einem Pegel eines Trägersignals, wie z. B. einem Dreieckswellensignal, abgeleitet werden.
Der Betriebssignalerzeuger 130a kann alternativ dazu ausgelegt sein, die Schaltbetriebssignale unter Verwendung von Impulsmusterinformationen zu erzeugen, die Abbildungsinformationen über Beziehungen zwischen dem Spannungsamplitudenbefehl, dem Spannungsphasenbefehl, dem elektrischen Winkel θ und dem Schaltbetriebssignal sind.
Für die X-, Y- und Z-Phasenwicklungen ist der gleiche Aufbau wie oben beschrieben bereitgestellt. Ein Drehmomentrechner 128b arbeitet, um einen Drehmomentwert in der X-Phase, Y-Phase oder der Z-Phase als Funktion des d-Achsenstroms und des q-Achsenstroms, der durch den d-q-Wandler 122 umgewandelt wird, zu schätzen.
Ein Drehmoment-Regler 129b berechnet einen Spannungsphasen-Anweisungswert als Stellgröße, um den geschätzten Drehmomentwert in Übereinstimmung mit dem Motormodus-Drehmoment-Anweisungswert oder dem Generatormodus-Drehmoment-Anweisungswert im Regelungsmodus zu bringen. Insbesondere berechnet der Drehmoment-Regler 129b den Spannungs-Phasen-Anweisungswert als Funktion einer Abweichung des geschätzten Drehmomentwerts von dem Motorbetriebs-Drehmoment-Anweisungswert oder dem Generatorbetriebs-Drehmoment-Anweisungswert unter Verwendung von PI-Regelungstechniken .
Ein Betriebssignalerzeuger 130b arbeitet, um das Betriebssignal für den zweiten Wechselrichter 102 unter Verwendung des Spannungsamplitudenbefehls, des Spannungsphasenbefehls und des elektrischen Winkels θ zu erzeugen. Insbesondere berechnet der Betriebssignalerzeuger 130b die Anweisungswerte für die Dreiphasenwicklungen auf der Grundlage des Spannungsamplitudenbefehls, des Spannungsphasenbefehls und des elektrischen Winkels θ und erzeugt dann die Schaltbetriebssignale für die oberen und unteren Arme für die Dreiphasenwicklungen mittels PWM-Steuerung auf der Grundlage eines Vergleichs der Pegel von Signalen, die durch Normierung der dreiphasigen Befehlsspannungen unter Verwendung der Stromversorgungsspannung mit einem Pegel eines Trägersignals, wie z. B. einem Dreieckswellensignal, abgeleitet werden. Der Antrieb 117 arbeitet dann, um die Schalter Sp und Sn für die Dreiphasenwicklungen in den Wechselrichtern 101 und 102 in Reaktion auf die von den Betriebssignalerzeugern 130a und 130b abgeleiteten Schaltbetriebssignale ein- oder auszuschalten.
Der Betriebssignalerzeuger 130b kann alternativ so ausgelegt sein, dass er die Schaltbetriebssignale unter Verwendung von Impulsmusterinformationen erzeugt, die Abbildungsinformationen über Beziehungen zwischen dem Spannungsamplitudenbefehl, dem Spannungsphasenbefehl, dem elektrischen Winkel θ und dem Schaltbetriebssignal sind, der Spannungsamplitudenbefehl, der Spannungsphasenbefehl und der elektrische Winkel θ.
In der drehenden elektrischen Maschine 10 besteht die Möglichkeit, dass die Erzeugung eines axialen Stroms zu einer elektrischen Erosion im Lager 21 oder 22 führt. Wenn beispielsweise die Statorspule 51 als Reaktion auf den Schaltvorgang erregt oder entregt wird, kann eine kleine Schaltzeitlücke (d. h. eine Schaltunwucht) auftreten, wodurch eine Verzerrung des magnetischen Flusses entsteht, die zu der elektrischen Erosion in den Lagern 21 und 22, die die drehende Welle 11 halten, führen kann. Die Verzerrung des magnetischen Flusses in Abhängigkeit von der Induktanz des Stators 50 kann eine in axialer Richtung orientierte elektromotorische Kraft erzeugen, die zu einem dielektrischen Durchschlag im Lager 21 oder 22 führen kann, um die elektrische Erosion zu entwickeln.
Um die elektrische Erosion zu vermeiden, werden in dieser Ausführungsform drei Maßnahmen ergriffen, die im Folgenden erläutert werden. Die erste Erosionsvermeidungsmaßnahme besteht darin, die Induktanz zu verringern, indem der Stator 50 so konstruiert wird, dass er eine kernlose Struktur hat, und auch den magnetischen Fluss in der Magneteinheit 42 so zu gestalten, dass er glatt ist, um die elektrische Erosion zu minimieren.
Die zweite Erosionsvermeidungsmaßnahme besteht darin, die drehende Welle in einer freitragenden Form zu halten, um die elektrische Erosion zu minimieren.
Die dritte Erosionsvermeidungsmaßnahme besteht darin, die ringförmige Statorspule 51 und den Statorkern 52 unter Verwendung von Formtechniken mit einem Formmaterial zu vereinigen, um die elektrische Erosion zu minimieren. Die erste bis dritte Erosionsvermeidungsmaßnahme werden im Folgenden im Detail besch rieben.
In der ersten Erosionsvermeidungsmaßnahme ist der Stator 50 in der Umfangsrichtung in Spalträumen zwischen den Leitergruppen 81 zahnlos ausgeführt. Anstelle von Zähnen (Eisenkernen) sind in den Spalten zwischen den Leitergruppen 81 die Dichtelemente 57 aus nichtmagnetischem Material angeordnet (siehe Die 10). Dies führt zu einer Verringerung der Induktanz des Stators 50, wodurch die Verzerrung des magnetischen Flusses, die durch die Schaltzeitlücke in der Erregung der Statorspule 51 entsteht, minimiert wird, um die elektrische Erosion in den Lagern 21 und 22 zu verringern. Die Induktanz auf der d-Achse ist vorzugsweise kleiner als die auf der q-Achse.
Zusätzlich ist jeder der Magnete 91 und 92 magnetisch so ausgerichtet, dass die leichte Achse der Magnetisierung, die sich in der Nähe der d-Achse befindet, mehr parallel zur d-Achse verläuft als die in der Nähe der q-Achse (siehe die 9). Dadurch wird der magnetische Fluss auf der d-Achse verstärkt, was zu einer sanften Änderung des magnetischen Oberflächenflusses (d.h. eine Zunahme oder Abnahme des magnetischen Flusses) von der q-Achse zur d-Achse an jedem Magnetpol der Magnete 91 und 92 führt. Dies minimiert eine plötzliche Spannungsänderung, die durch die Schaltunwucht entsteht, um elektrische Erosion zu vermeiden.
In der zweiten Erosionsvermeidungsmaßnahme ist die drehende elektrische Maschine 10 so ausgelegt, dass die Lager 21 und 22 von der axialen Mitte des Rotors 40 weg in Richtung eines der Enden des Rotors 40 angeordnet sind, die einander in dessen axialer Richtung gegenüberliegen (siehe Die 2). Dies minimiert das Risiko der elektrischen Erosion im Vergleich zu einem Fall, in dem eine Vielzahl Lager außerhalb der axialen Enden eines Rotors angeordnet sind. Mit anderen Worten, in der Struktur, in der der Rotor Enden hat, die durch die Lager gehalten werden, führt die Erzeugung eines hochfrequenten magnetischen Flusses zur Bildung eines geschlossenen Kreises, der sich durch den Rotor, den Stator und die Lager (die axial außerhalb des Rotors angeordnet sind) erstreckt. Dies führt zu der Möglichkeit, dass der axiale Strom zu elektrischem Abbrand in den Lagern führt. Im Gegensatz dazu werden die Rotoren 40 von den mehrfachen Lagern 21 und 22 freitragend gehalten, so dass der oben genannte geschlossene Kreislauf nicht auftritt, wodurch die elektrische Erosion in den Lagern 21 und 22 minimiert wird.
Zusätzlich zu der voranstehend beschriebenen einseitigen Anordnung der Lager 21 und 22 weist die drehende elektrische Maschine 10 auch die folgende Struktur auf. In der Magnethalterung 41 ist der sich in radialer Richtung des Rotors 40 erstreckende Zwischenabschnitt 45 mit dem Kontaktverhinderer ausgestattet, der sich axial erstreckt, um eine physische Berührung mit dem Stator 50 zu vermeiden (siehe Die 2). Dies ermöglicht es, einen geschlossenen Kreislauf, durch den der axiale Strom durch den Magnethalter 41 fließt, zu verlängern, um den Widerstand desselben zu erhöhen. Dies minimiert das Risiko der elektrischen Erosion der Lager 21 und 22.
Der Halter 23 für die Lagereinheit 20 ist am Gehäuse 30 befestigt und befindet sich auf der einen axialen Stirnseite des Rotors 40, während das Gehäuse 30 und der Einheitssockel 61 (d.h. ein Statorhalter) auf der anderen axialen Stirnseite des Rotors 40 zusammengefügt sind (siehe Die 2). Durch diese Anordnungen wird in geeigneter Weise die Struktur erreicht, in der die Lager 21 und 22 nur an dem einen Ende der Länge der drehenden Welle 11 angeordnet sind.
Außerdem ist der Einheitssockel 61 über das Gehäuse 30 mit der drehenden Welle 11 verbunden, so dass der Einheitssockel 61 elektrisch von der drehenden Welle 11 entfernt ist. Ein isolierendes Element, wie z. B. Harz, kann zwischen dem Einheitssockel 61 und dem Gehäuse 30 vorgesehen werden, um den Einheitssockel 61 und die drehende Welle 11 elektrisch weiter voneinander entfernt zu platzieren. Dies minimiert auch das Risiko der elektrischen Erosion der Lager 21 und 22.
Die einseitige Anordnung der Lager 21 und 22 in der drehenden elektrischen Maschine 10 in dieser Ausführungsform verringert die an den Lagern 21 und 22 anliegende axiale Spannung und verringert auch die Potentialdifferenz zwischen dem Rotor 40 und dem Stator 50. Eine Verringerung der an den Lagern 21 und 22 anliegenden Potentialdifferenz wird somit ohne Verwendung von leitfähigem Fett in den Lagern 21 und 22 erreicht. Das leitfähige Fett enthält in der Regel feine Partikel, wie z. B. Kohlenstoffpartikel, wodurch die Gefahr der Erzeugung von akustischen Geräuschen entsteht. Um das voranstehend beschriebene Problem zu entschärfen, wird in dieser Ausführungsform ein nichtleitendes Fett in den Lagern 21 und 22 verwendet, um das akustische Geräusch in den Lagern 21 und 22 zu minimieren. Zum Beispiel ist es in einem Fall, in dem die drehende elektrische Maschine 10 mit einem Elektrofahrzeug verwendet wird, normalerweise erforderlich, eine Maßnahme zu ergreifen, um das akustische Geräusch zu beseitigen. Diese Ausführungsform ist in der Lage, eine solche Maßnahme ordnungsgemäß durchzuführen.
In der dritten Erosionsvermeidungsmaßnahme werden die Statorspule 51 und der Statorkern 52 unter Verwendung eines Formmaterials miteinander vereinigt, um einen Positionsfehler der Statorspule 51 im Stator 50 zu minimieren (siehe Die 11). Die drehende elektrische Maschine 10 ist in dieser Ausführungsform so konstruiert, dass zwischen den in der Umfangsrichtung der Statorspule 51 angeordneten Leitergruppen 81 keine Leiter-zu-Leiter-Elementer (z.B. Zähne) angeordnet sind, so dass der Positionsfehler bzw. Ausrichtungsfehler der Statorspule 51 zu befürchten ist. Die Fehlausrichtung der Leiter der Statorspule 51 kann minimiert werden, indem die Statorspule 51 und der Statorkern 52 in der Form vereinigt werden. Dies eliminiert die Risiken der Verzerrung des magnetischen Flusses, die aus der Fehlausrichtung der Statorspule 51 resultiert, und die elektrische Erosion in den Lagern 21 und 22, die aus der Verzerrung des magnetischen Flusses resultiert.
Der Einheitssockel 61, der als Gehäuse zur festen Aufnahme des Statorkerns 52 dient, ist aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) hergestellt, wodurch die elektrische Entladung auf den Einheitssockel 61 im Vergleich zu dem Fall, dass der Einheitssockel 61 aus Aluminium hergestellt ist, minimiert wird, wodurch die elektrische Erosion vermieden wird.
Eine zusätzliche Erosionsvermeidungsmaßnahme kann darin bestehen, mindestens einen der Außenringe 25 und den Innenring 26 von jedem der Lager 21 und 22 unter Verwendung eines keramischen Materials herzustellen oder alternativ eine isolierende Hülse außerhalb des Außenrings 25 zu installieren.
Andere Ausführungsformen werden im Folgenden im Hinblick auf Unterschiede zwischen ihnen und der ersten Ausführungsform beschrieben.
Zweite Ausführungsform
In dieser Ausführungsform ist die polare anisotrope Struktur der Magneteinheit 42 des Rotors 40 verändert und wird nachfolgend im Detail besch rieben.
Die Magneteinheit 42 ist, wie in den 22 und 23 deutlich dargestellt ist, unter Verwendung einer Magnetanordnung hergestellt, die als Halbach-Anordnung bezeichnet wird.
Insbesondere ist die Magneteinheit 42 mit den ersten Magneten 131 und den zweiten Magneten 132 ausgestattet. Die ersten Magnete 131 haben eine Magnetisierungsrichtung (d.h. eine Orientierung eines Magnetisierungsvektors davon), die in der radialen Richtung der Magneteinheit 42 orientiert ist. Die zweiten Magnete 132 haben eine Magnetisierungsrichtung (d.h. eine Orientierung ihres Magnetisierungsvektors), die in der Umfangsrichtung der Magneteinheit 42 orientiert ist. Die ersten Magnete 131 sind in einem bestimmten Abstand voneinander in der Umfangsrichtung angeordnet. Jeder der zweiten Magnete 132 ist zwischen den in der Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten ersten Magneten 131 vorgesehen. Die ersten Magnete 131 und die zweiten Magnete 132 sind jeweils durch einen Seltene-Erden-Permanentmagneten, wie z. B. einen Neodym-Magneten, realisiert.
Die ersten Magnete 131 sind in der Umfangsrichtung voneinander beabstandet angeordnet, so dass sie N-Pole und S-Pole aufweisen, die in radial inneren Abschnitten davon ausgebildet sind und dem Stator 50 zugewandt sind. Die N-Pole und die S-Pole sind in der Umfangsrichtung abwechselnd angeordnet. Die zweiten Magnete 132 sind so angeordnet, dass die N-Pole und S-Pole in der Umfangsrichtung abwechselnd neben den ersten Magneten 131 liegen. Der Zylinder 43, der die Magnete 131 und 132 umgibt, kann als weichmagnetischer Kern aus einem weichmagnetischen Material ausgebildet sein, der als Rückenkern fungiert. Die Magneteinheiten 42 sind in dieser Ausführungsform so ausgebildet, dass die leichte Magnetisierungsachse in der gleichen Weise wie in der ersten Ausführungsform relativ zur d-Achse und zur q-Achse im d-q-Achsenkoordinatensystem orientiert ist.
Die magnetischen Elemente 133, die jeweils aus einem weichmagnetischen Material bestehen, sind radial außerhalb der ersten Magnete 131, also nahe dem Zylinder 43 des Magnethalters 41, angeordnet. Jedes der magnetischen Elemente 133 kann aus magnetischem Stahlblech, Weicheisen oder einem Staubkernmaterial hergestellt sein. Jedes der magnetischen Elemente 133 hat eine Länge, die mit der des ersten Magneten 131 identisch ist (insbesondere eine Länge eines Außenumfangs des ersten Magneten 131) in der Umfangsrichtung. Eine Baugruppe, die aus jedem der ersten Magneten 131 und einem entsprechenden der magnetischen Elemente 133 besteht, hat eine Dicke, die mit der des zweiten Magneten 132 in der radialen Richtung identisch ist. Mit anderen Worten, jeder der ersten Magnete 131 hat die Dicke, die um die des magnetischen Elements 133 in der radialen Richtung kleiner ist als die des zweiten Magneten 132. Die Magnete 131 und 132 und die magnetischen Elemente 133 sind fest miteinander verbunden, z. B. mit einem Klebemittel. In der Magneteinheit 42 ist die radiale Außenseite der ersten Magnete 131 vom Stator 50 weggerichtet. Die magnetischen Elemente 133 befinden sich auf der dem Stator 50 in radialer Richtung gegenüberliegenden Seite der ersten Magnete 131 (d.h. weiter vom Stator 50 entfernt).
Jedes der Magnetelemente 133 hat den Schlüssel 134 in einer konvexen Form, die an seinem Außenumfang ausgebildet ist und radial aus dem Magnetelement 133 herausragt, d.h. in den Zylinder 43 des Magnethalters 41 ragt. Der Zylinder 43 hat an seiner inneren Umfangsfläche konkav ausgebildete Schlüsselnuten 135, in die die Schlüssel 134 der Magnetelemente 133 eingepasst sind. Die voranstehende Form der Tasten 134 ist so konturiert, dass sie mit der vertieften Form der Tastennuten 135 übereinstimmt. Es sind so viele Keilnuten 135 ausgebildet, wie Keile 134 der Magnetelemente 133 vorhanden sind. Der Eingriff zwischen den Passfedern 134 und den Passfedernuten 135 dient dazu, eine Fehlausrichtung bzw. eine Positionsabweichung der ersten Magnete 131, der zweiten Magnete 132 und des Magnethalters 41 in der Umfangsrichtung (d. h. in Drehrichtung) auszuschließen. Die Passfedern 134 und die Passfedernuten 135 (d. h. Konvexitäten und Konkavitäten) können entweder an den Zylindern 43 des Magnethalters 41 oder in den Magnetelementen 133 ausgebildet sein. Insbesondere können die magnetischen Elemente 133 die Keilnuten 135 an ihrem Außenumfang aufweisen, während die Keile 134 an dem Innenumfang des Zylinders 43 des Magnethalters 41 ausgebildet sein können.
Die Magneteinheit 42 hat die ersten Magnete 131 und die zweiten Magnete 132 abwechselnd angeordnet, um die magnetische Flussdichte in den ersten Magneten 131 zu erhöhen. Dies führt zu einer Konzentration des magnetischen Flusses auf einer Oberfläche der Magneteinheit 42, um den magnetischen Fluss in der Nähe des Stators 50 zu erhöhen.
Durch die Anordnung der Magnetelemente 133 radial außerhalb der ersten Magnete 131, also weiter entfernt vom Stator 50, wird eine partielle magnetische Sättigung, die radial außerhalb der ersten Magnete 131 auftritt, reduziert, wodurch eine durch die magnetische Sättigung entstehende Gefahr der Entmagnetisierung in den ersten Magneten 131 vermindert wird. Dies führt zu einer Erhöhung der von der Magneteinheit 42 erzeugten Magnetkraft. Mit anderen Worten wird die Magneteinheit 42 in dieser Ausführungsform so betrachtet, dass sie Abschnitte aufweist, die normalerweise der Entmagnetisierung ausgesetzt sind und durch die magnetischen Elemente 133 ersetzt werden.
Die 24(a) und 24(b) sind Abbildungen, die den Fluss des magnetischen Flusses in der Magneteinheit 42 darstellen. Die 24(a) stellt einen konventionellen Aufbau dar, in dem die Magneteinheit 42 nicht mit den magnetischen Elementen 133 ausgestattet ist. Die 24(b) stellt den Aufbau in dieser Ausführungsform dar, in der die Magneteinheit 42 mit den Magnetelementen 133 ausgestattet ist. Die 24(a) und 24(b) sind geradlinig entwickelte Ansichten des Zylinders 43 des Magnethalters 41 und der Magneteinheit 42. Die Unterseiten die 24(a) und 24(b) befinden sich in der Nähe des Stators 50, während die Oberseiten davon weiter vom Stator 50 entfernt sind.
In der in der 24(a) dargestellten Struktur sind eine auf den magnetischen Fluss wirkende Oberfläche jedes der ersten Magneten 131 und eine Seitenfläche jedes der zweiten Magneten 132 in Berührung mit der inneren Umfangsfläche des Zylinders 43 angeordnet. Eine auf den magnetischen Fluss wirkende Oberfläche jedes der zweiten Magnete 132 ist in Berührung mit der Seitenfläche eines der ersten Magnete 131 angeordnet. Diese Anordnung bewirkt, dass im Zylinder 43 ein kombinierter Magnetfluss erzeugt wird. Der kombinierte Magnetfluss setzt sich zusammen aus einem Magnetfluss F1, der außerhalb des zweiten Magneten 132 hindurchgeht und dann in die Oberfläche der ersten Magneten 131 eintritt, die den Zylinder 43 berühren, und einem Magnetfluss, der im Wesentlichen parallel zu dem Zylinder 43 fließt und einen vom zweiten Magneten 132 erzeugten Magnetfluss F2 anzieht. Dies führt zu einer Möglichkeit, dass die magnetische Sättigung in der Nähe der Berührungsfläche zwischen dem ersten Magneten 131 und dem zweiten Magneten 132 im Zylinder 43 auftreten kann
In der Struktur in der 24(b), in der jedes der magnetischen Elemente 133 zwischen der auf den magnetischen Fluss wirkenden Oberfläche des ersten Magneten 131 und der inneren Peripherie des Zylinders 43 weiter entfernt vom Stator 50 angeordnet ist, wird dem magnetischen Fluss erlaubt, durch das magnetische Element 133 hindurchzugehen. Dadurch wird die magnetische Sättigung im Zylinder 43 minimiert und der Widerstand gegen die Entmagnetisierung erhöht.
Die Struktur in der 24(b) funktioniert im Gegensatz zu Die 24(a) so, dass der magnetische Fluss F2, der die magnetische Sättigung erleichtert, eliminiert wird. Dadurch wird die Permeanz in dem gesamten Magnetkreis effektiv erhöht, wodurch die Stabilität der Eigenschaften des Magnetkreises bei erhöhter Temperatur gewährleistet wird.
Im Vergleich zu Radialmagneten, die in herkömmlichen SPM-Rotoren verwendet werden, weist die Struktur in der 24(b) eine vergrößerte Länge des magnetischen Pfades auf, der durch den Magneten hindurchgeht. Dies führt zu einem Anstieg der Permeanz des Magneten, was die Magnetkraft zur Erhöhung des Drehmoments verstärkt. Außerdem konzentriert sich der magnetische Fluss auf die Mitte der d-Achse, wodurch der Anteil der Sinuswellenanpassung erhöht wird. Die Erhöhung des Drehmoments kann insbesondere durch die Formung der Wellenform des Stroms zu einer Sinus- oder Trapezwelle unter PWM-Steuerung oder durch die Verwendung von 120°-Erregungsschalt-ICs effektiv erreicht werden.
In einem Fall, in dem der Statorkern 52 aus magnetischen Stahlblechen hergestellt ist, ist die Dicke des Statorkerns 52 in seiner radialen Richtung vorzugsweise halb so groß oder größer als die Hälfte der Dicke der Magneteinheit 42 in der radialen Richtung. Zum Beispiel ist es bevorzugt, dass die Dicke des Statorkerns 52 in der radialen Richtung größer ist als die Hälfte der Dicke der ersten Magnete 131, die an der Pol-zu-Pol-Mitte in der Magneteinheit 42 angeordnet sind. Es ist auch bevorzugt, dass die Dicke des Statorkerns 52 in der radialen Richtung kleiner ist als die der Magneteinheit 42. In diesem Fall beträgt der magnetische Fluss eines Magneten etwa 1T, während die Sättigungsmagnetflussdichte im Statorkern 52 2T beträgt. Die Streuung des magnetischen Flusses in den Innenumfang des Statorkerns 52 wird dadurch vermieden, dass die Dicke des Statorkerns 52 in radialer Richtung größer als die Hälfte der Dicke der Magneteinheit 42 gewählt wird.
Magnete, die so angeordnet sind, dass sie die Halbach-Struktur oder die polare anisotrope Struktur aufweisen, haben normalerweise einen bogenförmigen magnetischen Pfad, so dass der magnetische Fluss im Verhältnis zu einer Dicke derjenigen der Magnete erhöht werden kann, die einen magnetischen Fluss in der Umfangsrichtung verarbeiten. In einer solchen Struktur wird der durch den Statorkern 52 fließende magnetische Fluss als nicht größer als der in der Umfangsrichtung fließende magnetische Fluss angesehen. Mit anderen Worten, wenn der von den Magneten erzeugte magnetische Fluss 1T beträgt, während Eisenmetall, dessen Sättigungsmagnetflussdichte 2T beträgt, zur Herstellung des Statorkerns 52 verwendet wird, kann eine leichte und kompakte elektrische Rotationsmaschine hergestellt werden, indem die Dicke des Statorkerns 52 so gewählt wird, dass sie größer als die Hälfte der Dicke der Magneten ist. Das Entmagnetisierungsfeld wird normalerweise durch den Stator 50 auf das von den Magneten erzeugte Magnetfeld ausgeübt, so dass der von den Magneten erzeugte magnetische Fluss 0,9T oder weniger beträgt. Die magnetische Permeabilität des Statorkerns kann daher richtig gehalten werden, indem die Dicke des Statorkerns auf die Hälfte der Dicke der Magnete gewählt wird.
Abwandlungen des voranstehenden Aufbaus werden im Folgenden besch rieben.
ABWANDLUNG 1
In der voranstehend beschriebenen Ausführungsform hat die äußere Umfangsfläche des Statorkerns 52 eine gekrümmte Oberfläche ohne jegliche Unregelmäßigkeiten. Die mehrfachen Leitergruppen 81 sind in vorgegebenen Abständen voneinander auf der Außenumfangsfläche des Statorkerns 52 angeordnet. Diese Anordnung kann geändert werden. Beispielsweise ist der in der 25 dargestellte Statorkern 52 mit dem kreisringförmigen Joch 141 und den Vorsprüngen 142 ausgestattet. Das Joch 141 befindet sich auf der dem Rotor 40 in radialer Richtung gegenüberliegenden (d.h. in der Zeichnung gesehen unteren) Seite der Statorspule 51. Jeder der Vorsprünge 142 ragt in einen Spalt zwischen jeweils zwei der in der Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten geraden Abschnitte 83. Die Vorsprünge 142 sind in bestimmten Abständen voneinander in der Umfangsrichtung radial außerhalb des Jochs 141, d.h. in der Nähe des Rotors 40, angeordnet. Jede der Leitergruppen 81 der Statorspule 51 greift in der Umfangsrichtung in die Vorsprünge 142 ein, d.h. die Vorsprünge 142 dienen als Positionierer zur Positionierung und Anordnung der Leitergruppen 81 in der Umfangsrichtung. Die Vorsprünge 142 entsprechen den Leiter-zu-Leiter-Elementern.
Eine radiale Dicke jedes der Vorsprünge 142 vom Joch 141, mit anderen Worten ein Abstand W, wie in der 25 dargestellt ist, zwischen der inneren Oberfläche 320 der geraden Abschnitte 82, die in Berührung mit dem Joch 141 steht, und der Oberseite des Vorsprungs 412 in radialer Richtung des Jochs 141 ist so gewählt, dass er kleiner ist als die Hälfte einer radialen Dicke (wie in der Zeichnung mit H1 angegeben) der geraden Abschnitte 83, die in radialer Richtung neben dem Joch 141 angeordnet sind. Mit anderen Worten, die nichtleitenden Elemente (d.h. die Dichtelemente 57) nehmen vorzugsweise jeweils drei Viertel einer Abmessung (d.h. Dicke) T1 (d.h., das Doppelte der Dicke der Leiter 82, d.h. einen Mindestabstand zwischen der mit dem Statorkern 52 in Berührung stehenden Fläche 320 der Leitergruppe 81 und der dem Rotor 40 zugewandten Fläche 330 der Leitergruppe 81) der Leitergruppen (d.h. Leiter) 81 in radialer Richtung der Statorspule 51 (d.h. des Statorkerns 52). Eine solche Wahl der Dicke der Vorsprünge 142 bewirkt, dass jeder der Vorsprünge 142 nicht als Zahn zwischen den in der Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Leitergruppen 81 (d.h. den geraden Abschnitten 83) wirkt, so dass keine magnetischen Pfade vorhanden sind, die normalerweise durch die Zähne ausgebildet wären. Die Vorsprünge 142 müssen nicht notwendigerweise zwischen jeweils zwei in der Umfangsrichtung benachbarten aller Leitergruppen 81 angeordnet sein, sondern ein einzelner Vorsprung 142 kann auch zumindest nur zwischen zwei der in der Umfangsrichtung benachbart angeordneten Leitergruppen 81 angeordnet sein. Die Vorsprünge 142 können z. B. in der Umfangsrichtung in gleichen Abständen voneinander vorgesehen sein, die jeweils einer bestimmten Anzahl der Leitergruppen 81 entsprechen. Jeder der Vorsprünge 142 kann in beliebiger Form ausgebildet sein, z.B. rechteckig oder bogenförmig.
Die geraden Abschnitte 83 können alternativ in einer einzigen Lage auf der äußeren Umfangsfläche des Statorkerns 52 angeordnet sein. Im weiteren Sinne kann die Dicke der Vorsprünge 142 aus dem Joch 141 in radialer Richtung kleiner als die Hälfte der geraden Abschnitte 83 in radialer Richtung sein.
Wenn ein imaginärer Kreis definiert ist, dessen Mittelpunkt in der axialen Mitte der drehenden Welle 11 liegt und der durch die radialen Mittelpunkte der geraden Abschnitte 83 hindurchgeht, die in radialer Richtung neben dem Joch 141 angeordnet sind, kann jeder der Vorsprünge 142 so geformt sein, dass er nur innerhalb des imaginären Kreises hervorsteht, mit anderen Worten, dass er nicht radial außerhalb des imaginären Kreises in Richtung des Rotors 40 hervorsteht.
Die voranstehend beschriebene Struktur, in der die Vorsprünge 142 die begrenzte Dicke in der radialen Richtung haben und nicht als Zähne in den Spalten zwischen den in der Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten geraden Abschnitten 83 fungieren, ermöglicht es, dass die benachbarten geraden Abschnitte 83 verglichen mit einem Fall näher zueinander bereitgestellt werden, in dem Zähne in den Spalten zwischen den geraden Abschnitten 83 bereitgestellt werden. Dadurch kann eine Querschnittsfläche des Leiterkörpers 82a vergrößert werden, wodurch die in der Erregung der Statorspule 51 erzeugte Wärme reduziert wird. Das Fehlen der Zähne ermöglicht es, die magnetische Sättigung zu beseitigen, um die Menge des elektrischen Stroms zu erhöhen, der an die Statorspule 51 geliefert wird. Es ist jedoch möglich, die nachteiligen Auswirkungen, die sich aus einer Erhöhung der Menge an Wärme durch die Erhöhung der elektrischen Strom an die Statorspule 51 geliefert erzeugt zu lindern. Die Statorspule 51 weist, wie oben beschrieben wurde, die Windungen 84 auf, die in radialer Richtung verschoben sind und mit Abschnitten zur Vermeidung von Interferenzen mit den benachbarten Windungen 84 ausgestattet sind, wodurch die Windungen 84 in radialer Richtung voneinander entfernt angeordnet werden können. Dadurch wird die Wärmeableitung von den Windungen 84 verbessert. Die voranstehend beschriebene Struktur ermöglicht es, die Wärmeableitungsfähigkeit des Stators 50 zu optimieren.
Die radiale Dicke der Vorsprünge 142 kann nicht durch das Maß H1 in der 25 eingeschränkt werden, solange das Joch 141 des Statorkerns 52 und die Magneteinheit 42 (d.h. jeder der Magnete 91 und 92) des Rotors 40 in gegebenen Abständen zueinander angeordnet sind. Insbesondere kann die radiale Dicke der Vorsprünge 142 größer oder gleich dem Maß H1 in der 38 sein, solange das Joch 141 und die Magneteinheit 42 in einem Abstand von 2 mm oder mehr zueinander angeordnet sind. Beispielsweise kann in einem Fall, in dem die radiale Dicke des geraden Abschnitts 83 größer als 2 mm ist und jede Leitergruppe 81 aus zwei in radialer Richtung gestapelten Leitern 82 besteht, jeder der Vorsprünge 142 so geformt sein, dass er einen Bereich einnimmt, der bis zur Hälfte der Dicke des geraden Abschnitts 83 reicht, der das Joch 141 nicht berührt, d.h. die Dicke des weiter vom Joch 141 entfernten Leiters 82. In diesem Fall werden die oben genannten vorteilhaften Eigenschaften durch eine Vergrößerung der leitenden Querschnittsfläche der Leitergruppen 81 erreicht, solange die radiale Dicke der Vorsprünge 142 mindestens H1×3/2 beträgt.
Der Statorkern 52 kann mit der in der 26 dargestellten Struktur ausgeführt sein. In die 26 sind die Dichtelemente 57 nicht dargestellt ist, die Dichtelemente 57 können jedoch verwendet werden. In die 26 sind die Magneteinheit 42 und der Statorkern 52 der Einfachheit halber als linear angeordnet dargestellt.
In der Struktur der 26 weist der Stator 50 die Vorsprünge 142 als Leiter-zu-Leiter-Elemente auf, die jeweils zwischen zwei der in der Umfangsrichtung nebeneinander liegenden Leiter 82 (d.h. den geraden Abschnitten 83) angeordnet sind. Der Stator 50 ist mit den Abschnitten 350 ausgestattet, von denen jeder magnetisch mit einem der Magnetpole (d.h. einem N-Pol oder einem S-Pol) der Magneteinheit 42 zusammenarbeitet, wenn die Statorspule 51 erregt ist. Die Abschnitte 350 erstrecken sich in der Umfangsrichtung des Stators 50. Wenn jeder der Abschnitte 350 eine Länge Wn in der Umfangsrichtung des Stators 50 hat, ist die Summe der Breiten der Vorsprünge 142, die in einem Bereich dieser Länge Wn liegen (d.h., die Gesamtabmessung der Vorsprünge 412 in der Umfangsrichtung des Stators 50 im Bereich der Länge Wn) ist definiert als Wt, die Sättigungsmagnetflussdichte der Vorsprünge 412 ist definiert als Bs, eine Breite eines Abschnitts der Magneteinheit 42, der einem der magnetischen Pole der Magneteinheit 42 in der Umfangsrichtung der Magneteinheit 42 entspricht, ist als Wm definiert, und die remanente Flussdichte in der Magneteinheit 42 ist als Br definiert, die Vorsprünge 142 sind aus einem magnetischen Material hergestellt, das eine Beziehung von Wt × Bs ≤ Wm × Br ------ (1) erfüllt.
Der Bereich Wn ist so definiert, dass er diejenigen der Leitergruppen 81 enthält, die in der Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sind und sich im Zeitpunkt ihrer Anregung miteinander überlappen. Es ist zweckmäßig, dass ein Bezug (d.h. eine Grenze), die in der Definition des Bereichs Wn verwendet wird, auf die Mitte des Spalts 56 zwischen den Leitergruppen 81 gesetzt wird. In der in der 26 dargestellten Struktur haben beispielsweise die mehrfach im Bereich Wn liegenden Leitergruppen 81 die erste, die zweite, die dritte und die vierte Leitergruppe 81, wobei die erste Leitergruppe 81 dem magnetischen Zentrum des N-Pols am nächsten liegt. Der Bereich Wn ist so definiert, dass er die Summe dieser vier Leitergruppen 81 hat. Die Enden (d. h. die äußeren Grenzen) des Bereichs Wn sind so definiert, dass sie in den Zentren der Spalte 56 liegen.
In der 26 enthält der Bereich Wn innerhalb seiner Enden jeweils die Hälfte des Vorsprungs 142. Die insgesamt vier Vorsprünge 142 liegen im Bereich Wn. Wenn die Breite jedes der Vorsprünge 142 (d.h. eine Abmessung des Vorsprungs 142 in der Umfangsrichtung des Stators 50, mit anderen Worten ein Intervall zwischen den benachbarten Leitergruppen 81) als A definiert ist, erfüllt die Summe der Breiten Wt der im Bereich Wn liegenden Vorsprünge 142 die Beziehung Wt = 1/2A + A + A + A + 1/2A = 4A.
Insbesondere sind die Dreiphasenwicklungen der Statorspule 51 in dieser Ausführungsform in Form von verteilten Wicklungen ausgebildet. In der Statorspule 51 ist die Anzahl der Vorsprünge 142 für jeden Pol der Magneteinheit 42, d. h. die Anzahl der Spalte 56 zwischen den benachbarten Leitergruppen 81, so gewählt, dass sie „der Anzahl der Phasen × Q“ entspricht, wobei Q die Anzahl der Leiter 82 für jede Phase ist, die in Berührung mit dem Statorkern 52 stehen. Mit anderen Worten: In dem Fall, in dem die Leiter 82 in radialer Richtung des Rotors 40 gestapelt sind, um jede der Leitergruppen 81 zu bilden, ist Q die Anzahl der inneren der Leiter 82 der Leitergruppen 81 für jede Phase. In diesem Fall werden, wenn die Dreiphasenwicklungen der Statorspule 51 in einer bestimmten Reihenfolge erregt werden, die Vorsprünge 142 für zwei der drei Phasen innerhalb jedes Pols magnetisch erregt. Die Gesamtumfangsbreite Wt der Vorsprünge 142, die bei Erregung der Statorspule 51 innerhalb eines Bereichs jedes Pols der Magneteinheit 42 erregt werden, erfüllt daher die folgende Beziehung:

Die Anzahl der erregten Phasen × Q × A = 2 × 2 × A
wobei A die Breite jedes der Vorsprünge 142 (d.h. des Spalts 56) in der Umfangsrichtung ist.

Die Gesamtbreite Wt wird auf die voranstehend beschriebene Weise bestimmt. Zusätzlich sind die Vorsprünge 142 des Statorkerns 52 aus einem magnetischen Material gefertigt, das die voranstehend beschriebene Gleichung (1) erfüllt. Die Gesamtbreite Wt wird auch als äquivalent zu einer Umfangsabmessung angesehen, in der erwartet wird, dass die relative magnetische Permeabilität innerhalb jedes Pols größer als eins wird. Die Gesamtbreite Wt kann alternativ als Umfangsbreite der Vorsprünge 142 in jedem Pol mit einem gewissen Spielraum bestimmt werden. Insbesondere, da die Anzahl der Vorsprünge 142 für jeden Pol der Magneteinheit 42 durch die Anzahl der Phasen × Q gegeben ist, kann die Breite der Vorsprünge 412 in jedem Pol (d. h. die Gesamtbreite Wt) durch die Anzahl der Phasen × Q × A = 3 × 2 × A = 6A gegeben sein.
Die verteilte Wicklung, auf die hier Bezug genommen wird, bedeutet, dass es für jedes magnetische Polpaar ein Polpaar (d. h. den N-Pol und den S-Pol) der Statorspule 51 gibt. Das Polpaar der Statorspule 51, auf das hier Bezug genommen wird, besteht aus den beiden geraden Abschnitten 83, in denen elektrischer Strom in entgegengesetzte Richtungen fließt, und der Windung 84, mit der sie elektrisch miteinander verbunden sind. Es ist zu beachten, dass eine Wicklung mit kurzer Teilung oder eine Wicklung mit voller Teilung als Äquivalent der verteilten Wicklung angesehen werden kann, solange sie die oben genannten Bedingungen erfüllt.
Im Folgenden wird der Fall einer konzentrierten Wicklung beschrieben. Die hier erwähnte konzentrierte Wicklung bedeutet, dass die Breite jedes Paar magnetische Pole anders als die von jedem Paar Pole der Statorspule 51 ist. Ein Beispiel für die konzentrierte Wicklung hat eine Struktur, in der es drei Leitergruppen 81 für jedes Magnetpolpaar gibt, in der es drei Leitergruppen 81 für zwei Magnetpolpaare gibt, in der es neun Leitergruppen 81 für vier Magnetpolpaare gibt, oder in der es neun Leitergruppen 81 für fünf Magnetpolpaare gibt.
In dem Fall, in dem die Statorspule 51 in Form der konzentrierten Wicklung ausgebildet ist, wird bei Erregung der Dreiphasenwicklungen der Statorspule 51 in einer bestimmten Reihenfolge ein Abschnitt der Statorspule 51 für zwei Phasen erregt. Dies bewirkt, dass die Vorsprünge 142 für zwei Phasen magnetisch erregt werden. Die Umfangsbreite Wt der Vorsprünge 142, die bei Erregung der Statorwicklung in einem Bereich jedes Pols der Magneteinheit 42 magnetisch erregt wird, ist gegeben durch Wt = A×2. Die Breite Wt wird auf diese Weise bestimmt. Die Vorsprünge 142 bestehen aus magnetischem Material, das die voranstehend beschriebene Gleichung (1) erfüllt. Im voranstehend beschriebenen Fall der konzentrierten Wicklung ist die Summe der Breiten der Vorsprünge 142, die in der Umfangsrichtung des Stators 50 innerhalb eines von den Leitergruppen 81 umgebenen Bereichs für dieselbe Phase angeordnet sind, definiert als A. Das Maß Wm in der konzentrierten Wicklung ist gegeben durch [gesamter Umfang einer dem Luftspalt zugewandten Fläche der Magneteinheit 42] × [die Anzahl der Phasen] ÷ [die Anzahl der verteilten Leitergruppen 81].
Normalerweise hat ein Neodym-Magnet, ein Samarium-Kobalt-Magnet oder ein Ferrit-Magnet, dessen BH-Wert größer oder gleich 20[MGOe (kJ/m^3)] ist, Bd = 1,0 T oder mehr. Eisen hat Br = 2,0 T oder mehr. Die Vorsprünge 142 des Statorkerns 52 können daher aus magnetischem Material bestehen, das eine Beziehung von Wt < 1/2 × Wm erfüllt, um einen Hochleistungsmotor zu realisieren.
In einem Fall, in dem jeder der Leiter 82, wie später beschrieben, mit der äußeren beschichteten Schicht 182 versehen ist, können die Leiter 82 in der Umfangsrichtung des Statorkerns angeordnet sein, wobei die äußeren beschichteten Schichten 182 in Berührung zueinander stehen. In diesem Fall kann die Breite Wt als Null oder äquivalent zu den Dicken der äußeren beschichteten Schichten 182 der miteinander in Berührung stehenden Leiter 82 angesehen werden.
Die in der 25 oder 26 dargestellte Struktur ist so ausgelegt, dass die Leiter-zu-Leiter-Elemente (d.h. die Vorsprünge 142) zu klein für den durch den Magneten erzeugten magnetischen Fluss in dem Rotor 40 sind. Der Rotor 40 wird durch einen Oberflächen-Permanentmagnet-Rotor realisiert, der eine flache Oberfläche und eine niedrige Induktanz aufweist und keinen vorspringenden Pol in Bezug auf einen magnetischen Widerstand hat. Eine solche Struktur ermöglicht es, die Induktanz des Stators 50 zu verringern, wodurch ein Risiko der Verzerrung des magnetischen Flusses durch die Schaltzeit Lücke in der Statorspule 51, die die elektrische Erosion der Lager 21 und 22 minimiert.
ABWANDLUNG 2
Der Stator 50, der mit den Leiter-Leiter-Gliedern ausgestattet ist, die gemäß der voranstehend beschriebenen Gleichung hergestellt wurden, kann so gestaltet werden, dass er die folgende Struktur aufweist. In der 40 ist der Statorkern 52 mit den Zähnen 143 als Leiter-zu-Leiter-Elemente ausgestattet, die in einem äußeren peripheren Abschnitt (einem oberen Abschnitt, wie in der Zeichnung gesehen) des Statorkerns 52 ausgebildet sind. Die Zähne 143 ragen aus dem Joch 141 heraus und sind in vorgegebenen Abständen voneinander in der Umfangsrichtung des Statorkerns 52 angeordnet. Jeder der Zähne 143 hat eine Dicke, die mit derjenigen der Leitergruppe 81 in radialer Richtung identisch ist. Die Zähne 143 haben Seitenflächen, die in Berührung mit den Leitern 82 der Leitergruppen 81 stehen. Die Zähne 143 können alternativ auch durch Spaltöffnungen von den Leitern 82 entfernt angeordnet sein.
Die Zähne 143 sind so geformt, dass sie in der Umfangsrichtung eine begrenzte Breite aufweisen. Insbesondere weist jeder der Zähne 143 einen Statorzahn auf, der für das Volumen der Magnete sehr dünn ist. Eine solche Struktur der Zähne 143 dient dazu, eine Sättigung durch den vom Magneten erzeugten magnetischen Fluss bei 1,8T oder mehr zu erreichen, um die Permeanz zu reduzieren und dadurch die Induktanz zu verringern.
Wenn ein Oberflächenbereich einer magnetischen Fluss Wirkoberfläche der Magneteinheit 42, die dem Stator 50 zugewandt ist, für jeden Pol als Sm definiert ist, und die remanente Flussdichte der Magneteinheit 42 als Br definiert ist, ist der magnetische Fluss in der Magneteinheit 42 Sm × Br. Ein Oberflächenbereich jedes 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 in einem Bereich von einem Pol bei Erregung der Statorspule 51 magnetisch erregt werden, wird der magnetische Fluss im Stator 50 durch St × m × 2 × Bs ausgedrückt. Die Verringerung der Induktanz kann erreicht werden, indem die Abmessungen der Zähne 143 so gewählt werden, dass sie die Beziehung St × m × 2 × Bs < Sm × Br ---- (2) erfüllen.
In einem Fall, in dem die Abmessung der Magneteinheit 42 mit derjenigen der Zähne 143 in axialer Richtung identisch ist, kann die voranstehend beschriebene Gleichung (2) in eine Gleichung (3) von Wst × m × 2 × Bs < Wm × Br umgeschrieben werden, wobei Wm die Umfangsbreite der Magneteinheit 42 für jeden Pol und Wst die Umfangsbreite der Zähne 143 ist. Wenn z. B. Bs = 2 T, Br = 1 T und m = 2 ist, lautet die Gleichung (3) Wst < Wm/8. In diesem Fall kann die Verringerung der Induktanz dadurch erreicht werden, dass die Breite Wst der Zähne 143 kleiner als ein Achtel (1/8) der Breite Wm der Magneteinheit 42 für einen Pol gewählt wird. Wenn m eins ist, wird die Breite Wst der Zähne 143 vorzugsweise so gewählt, 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 Umfangsbreite der Zähne 143, die bei Erregung der Statorspule 51 in einem Bereich von einem Pol der Magneteinheit 42 magnetisch erregt werden.
Die Struktur in der 27 ist, wie in den 25 und 26, mit den Leiter-zu-Leiter-Elementen (d.h. den Zähnen 143) ausgestattet, die für den durch den Magneten erzeugten magnetischen Fluss in dem Rotor 40 sehr klein sind. Eine solche Struktur ist in der Lage, die Induktanz des Stators 50 zu reduzieren, um ein Risiko der Verzerrung des magnetischen Flusses abzuschwächen, die durch die Schaltzeitlücke in der Statorspule 51 entsteht, was die Wahrscheinlichkeit der elektrischen Erosion der Lager 21 und 22 minimiert. Es ist zu beachten, dass die Definitionen von Parametern, wie Wt, Wn, A und Bs, die dem Stator 50 zugeordnet sind, oder von Parametern, wie Wm und Br, die der Magneteinheit 42 zugeordnet sind, sich auf diejenigen in der voranstehend beschriebenen Abwandlung 1 beziehen können.
ABWANDLUNG 3
In der voranstehend beschriebenen Ausführungsform haben die Dichtelemente 57, die die Statorspule 51 abdecken, einen Bereich, der alle Leitergruppen 81 radial außerhalb des Statorkerns 52 einschließt, mit anderen Worten, sie liegen in einem Bereich, in dem die Dicke der Dichtelemente 57 größer als die der Leitergruppen 81 in radialer Richtung ist. Diese Anordnung der Dichtelemente 57 kann geändert werden. Beispielsweise können die Dichtelemente 57, wie in der 28 dargestellt ist, so gestaltet sein, dass die Leiter 82 teilweise aus den Dichtelementen 57 herausragen. Insbesondere sind die Dichtelemente 57 so angeordnet, dass Abschnitte der Leiter 82, die radial äußerste Abschnitte der Leitergruppen 81 sind, außerhalb der Dichtelemente 57 in Richtung des Stators 50 freiliegen. In diesem Fall kann die Dicke der Dichtelemente 57 in radialer Richtung gleich oder kleiner als die der Leitergruppen 81 sein.
ABWANDLUNG 4
Der Stator 50 kann, wie in der 29 dargestellt ist, so ausgeführt sein, dass die Dichtelemente 57 die Leitergruppen 81, d. h. die Statorspule 51, nicht abdecken. In diesem Fall entsteht ein Spalt zwischen den benachbarten, in der Umfangsrichtung angeordneten Leitergruppen 81 ohne ein dazwischen liegendes Leiter-zu-Leiter-Element. Mit anderen Worten: Zwischen den in der Umfangsrichtung angeordneten Leitergruppen 81 ist kein Leiter-zu-Leiter-Element vorgesehen. In den Spalten zwischen den Leitergruppen 81 kann Luft angeordnet sein. Die Luft kann als ein nichtmagnetisches Element oder ein Äquivalent davon angesehen werden, dessen Bs gleich Null (0) ist.
ABWANDLUNG 5
Die Leiter-zu-Leiter-Elemente des Stators 50 können aus einem anderen nicht-magnetischen Material als Harz hergestellt sein. Zum Beispiel kann ein nicht-metallisches Material, wie SUS304, das ein austenitischer Edelstahl ist, verwendet werden.
ABWANDLUNG 6
Der Stator 50 kann so gestaltet sein, dass er keinen Statorkern 52 aufweist. Insbesondere wird der Stator 50 aus der in der 12 dargestellten Statorspule 51 hergestellt. Die Statorspule 51 des Stators 50 kann mit einem Dichtelement abgedeckt sein. Der Stator 50 kann alternativ dazu so ausgebildet sein, dass er anstelle des Statorkerns 52 aus weichmagnetischem Material einen ringförmigen Wicklungshalter aus nichtmagnetischem Material, wie z.B. Kunstharz, aufweist.
ABWANDLUNG 7
Der Aufbau in der ersten Ausführungsform verwendet die in der Umfangsrichtung angeordneten Magnete 91 und 92, um die Magneteinheit 42 des Rotors 40 zu bilden. Die Magneteinheit 42 kann unter Verwendung eines ringförmigen Permanentmagneten hergestellt werden. Beispielsweise ist der Ringmagnet 95, wie in der 30 dargestellt ist, an einem radial inneren Umfang des Zylinders 43 des Magnethalters 41 befestigt. Der Ringmagnet 95 ist mit einer Vielzahl unterschiedlichen Magnetpolen ausgestattet, deren Polaritäten abwechselnd in der Umfangsrichtung des Ringmagneten 95 angeordnet sind. Der Magnet 95 liegt sowohl auf der d-Achse als auch auf der q-Achse. Der Ringmagnet 95 hat eine in radialer Richtung auf der d-Achse gerichtete magnetische Ausrichtung jedes Magnetpols und eine in der Umfangsrichtung auf der q-Achse gerichtete magnetische Ausrichtung zwischen den Magnetpolen, wodurch bogenförmige magnetische Pfade entstehen.
Der Ringmagnet 95 kann so gestaltet sein, dass er eine leichte Achse der Magnetisierung hat, die parallel oder nahezu parallel zur d-Achse in der Nähe der d-Achse gerichtet ist, und auch eine leichte Achse der Magnetisierung hat, die senkrecht oder nahezu senkrecht zur q-Achse in der Nähe der q-Achse gerichtet ist, wodurch die bogenförmigen magnetischen Pfade erzeugt werden.
ABWANDLUNG 8
Diese Abwandlung unterscheidet sich im Betrieb der Steuerung 110 von der voranstehend beschriebenen Ausführungsform bzw. den voranstehend beschriebenen Abwandlungen. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zur ersten Ausführungsform beschrieben.
Die Operationen der in der 20 dargestellten Betriebssignalerzeuger 116 und 126 und der in der 21 dargestellten Betriebssignalerzeuger 130a und 130b werden im Folgenden zunächst anhand der 31 erörtert. Die von den Betriebssignalerzeugern 116, 126, 130a und 130b ausgeführten Operationen sind im Wesentlichen identisch miteinander. Der Einfachheit halber wird daher im Folgenden nur der Betrieb des Betriebssignalerzeugers 116 beschrieben.
Der Betriebssignalerzeuger 116 hat den Trägererzeuger 116a, den U-Phasen-Komparator 116bU, den V-Phasen-Komparator 116bV und den W-Phasen-Komparator 116bW. Der Trägererzeuger 116a erzeugt und gibt das Trägersignal SigC in Form eines Dreieckswellensignals aus.
Die U-, V- und W-Phasenkomparatoren 116bU, 116bV und 116bW empfangen das vom Trägererzeuger 116a ausgegebene Trägersignal SigC und die vom Dreiphasenumrichter 115 erzeugten U-, V- und W-Phasen-Anweisungsspannungen. Die U-, V- und W-Phasen-Anweisungsspannungen sind z. B. in Form einer Sinuswelle ausgebildet und werden um 120° elektrisch phasenverschoben zueinander ausgegeben.
Die U-, V- und W-Phasen-Komparatoren 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 Arme im ersten Wechselrichter 101 für die U-, V- und W-Phasen-Wicklungen unter PWM-Steuerung (Pulsweitenmodulation) zu erzeugen. Insbesondere arbeitet der Betriebssignalerzeuger 116, um Betriebssignale für die Schalter Sp und Sn der oberen und unteren Arme für die U-, V- und W-Phasen-Wicklungen unter der PWM-Steuerung zu erzeugen, basierend auf dem Vergleich der Pegel von Signalen, die durch Normalisierung der U-, V- und W-Phasen-Befehlsspannungen unter Verwendung der Stromversorgungsspannung mit einem Pegel des Trägersignals SigC abgeleitet werden. Der Antrieb 117 reagiert auf die vom Betriebssignalerzeuger 116 ausgegebenen Betriebssignale, um die Schalter Sp und Sn im ersten Wechselrichter 101 für die U-, V- und W-Phasenwicklungen ein- oder auszuschalten.
Die Steuerung 110 steuert die Trägerfrequenz fc des Trägersignals SigC, d. h. eine Schaltfrequenz für jeden der Schalter Sp und Sn. Die Trägerfrequenz fc wird so verändert, dass sie in einem niedrigen Drehmomentbereich oder einem Hochgeschwindigkeitsbereich der drehenden elektrischen Maschine 10 höher und in einem hohen Drehmomentbereich der drehenden elektrischen Maschine 10 niedriger ist. Diese Änderung wird erreicht, um eine Verschlechterung der Steuerbarkeit des elektrischen Stroms, der durch jede der U-, V- und W-Phasen-Wicklungen fließt, zu minimieren.
Kurz gesagt, die kernlose Struktur des Stators 50 dient dazu, die Induktanz im Stator 50 zu reduzieren. Die Reduzierung der Induktanz führt in der Regel zu einer Verringerung der elektrischen Zeitkonstante in der drehenden elektrischen Maschine 10. Dies führt dazu, dass die Welligkeit des durch die einzelnen Phasenwicklungen fließenden Stroms erhöht werden kann, was zu einer Verschlechterung der Regelbarkeit des durch die Phasenwicklung fließenden Stroms führt, was wiederum eine Regeldivergenz verursacht. Die nachteiligen Auswirkungen der voranstehend beschriebenen Verschlechterung auf die Regelungsfreundlichkeit werden in der Regel größer, wenn der durch die Wicklung fließende Strom (z. B. ein Effektivwert des Stroms) in einem Niedrigstrombereich liegt, als wenn der Strom in einem Hochstrombereich liegt. Um ein solches Problem zu entschärfen, ist der Regler 110 in dieser Ausführungsform dazu ausgelegt, die Trägerfrequenz fc zu verändern.
Wie die Trägerfrequenz fc verändert wird, wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die 32 beschrieben. Diese Operation des Betriebssignalerzeugers 116 wird von der Steuerung 110 zyklisch in einem bestimmten Intervall ausgeführt.
Zunächst wird in Schritt S10 bestimmt, ob der durch jede der Drehstromwicklungen 51a fließende elektrische Strom im Niedrigstrombereich liegt. Diese Bestimmung wird durchgeführt, um festzustellen, ob das jetzt von der drehenden elektrischen Maschine 10 erzeugte Drehmoment im Bereich des niedrigen Drehmoments liegt. Eine solche Bestimmung kann gemäß der ersten Methode oder der zweiten Methode erfolgen, wie im Folgenden erläutert.
ERSTES VERFAHREN
Der geschätzte Drehmomentwert der drehenden elektrischen Maschine 10 wird unter Verwendung des d-Achsen-Stroms und des q-Achsen-Stroms, der durch den d-q-Wandler 112 umgewandelt wird, berechnet. Wird festgestellt, dass der geschätzte Drehmomentwert kleiner als ein Drehmoment-Schwellwert ist, wird gefolgert, dass der Strom, der durch die Wicklung 51a fließt, im Niedrigstrombereich liegt. Wenn der geschätzte Drehmomentwert größer oder gleich dem Drehmomentschwellwert ist, wird alternativ gefolgert, dass der Strom im Hochstrombereich liegt. Der Drehmomentschwellwert wird so gewählt, dass er z. B. die Hälfte des Grades des Anlaufmoments (auch als blockiertes Rotormoment bezeichnet) in der drehenden elektrischen Maschine 10 beträgt.
ZWEITES VERFAHREN
Wenn ein von einem Winkelsensor gemessener Drehwinkel des Rotors 40 als größer oder gleich einem Drehzahlschwellwert bestimmt wird, wird festgestellt, dass der durch die Wicklung 51a fließende Strom im Niedrigstrombereich, d.h. im Hochgeschwindigkeitsbereich liegt. Der Drehzahlschwellwert kann so gewählt werden, dass er eine Drehzahl der drehenden elektrischen Maschine 10 ist, wenn ein von der drehenden elektrischen Maschine 10 erzeugtes maximales Drehmoment gleich dem Drehmomentschwellwert ist.
Wenn in Schritt S10 eine NEIN-Antwort erhalten wird, was bedeutet, dass der Strom im Hochstrombereich liegt, dann fährt die Routine mit Schritt S11 fort, wobei die Trägerfrequenz fc auf die erste Frequenz fL eingestellt wird.
Alternativ, wenn in Schritt S10 eine JA-Antwort erhalten wird, dann fährt die Routine mit Schritt S12 fort, wobei die Trägerfrequenz fc auf die zweite Frequenz fH eingestellt wird, die höher ist als die erste Frequenz fL.
Wie aus der voranstehend beschriebenen Diskussion ersichtlich ist, wird die Trägerfrequenz fc, wenn der durch jede der Dreiphasenwicklungen fließende Strom im Niedrigstrombereich liegt, höher gewählt als die, wenn der Strom im Hochstrombereich liegt. Die Schaltfrequenz für die Schalter Sp und Sn wird daher im niedrigen Strombereich erhöht, wodurch ein Anstieg der Stromwelligkeit minimiert wird, um die Stabilität in der Steuerung des Stroms zu gewährleisten.
Wenn der Strom, der durch jede der Dreiphasenwicklungen fließt, im Hochstrombereich liegt, wird die Trägerfrequenz fc niedriger gewählt als wenn der Strom im Niedrigstrombereich liegt. Der Strom, der durch die Wicklung im Hochstrombereich fließt, hat in der Regel eine größere Amplitude als der Strom im Niedrigstrombereich, so dass der Anstieg der Stromwelligkeit, der durch die Verringerung der Induktanz entsteht, einen geringen Einfluss auf die Regelbarkeit des Stroms hat. Es ist daher möglich, die Trägerfrequenz fc im Hochstrombereich niedriger einzustellen als im Niedrigstrombereich, wodurch ein Schaltverlust in den Wechselrichtern 101 und 102 reduziert wird.
Mit dieser Abwandlung können die folgenden Modi realisiert werden.
Wenn in Schritt S10 in der 32 eine JA-Antwort erhalten wird, wenn die Trägerfrequenz fc auf die erste Frequenz fL eingestellt ist, kann die Trägerfrequenz fc schrittweise 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 mit SVM (Space Vector Modulation) anstelle von PWM erzeugt werden. Die oben beschriebene Änderung der Schaltfrequenz kann ebenfalls vorgenommen werden.
ABWANDLUNG 9
In jeder der Ausführungsformen sind zwei Leiterpaare, aus denen die Leitergruppen 81 für jede Phase bestehen, wie in der 33(a) dargestellt ist, parallel zueinander angeordnet. Die 33(a) ist eine Ansicht, die eine elektrische Verbindung des ersten und zweiten Leiters 88a und 88b darstellt, die die beiden Leiterpaare darstellen. Die ersten und zweiten Leiter 88a und 88b können alternativ anstelle der Verbindung in der 33(a) in Reihe miteinander verbunden sein, wie in der 33(b) dargestellt ist.
Drei oder mehr Leiterpaare können in Form von mehreren Lagen ausgebildet sein. Die 34 stellt vier Leiterpaare dar: den ersten bis vierten 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 vom Statorkern 52 in radialer Richtung angeordnet.
Der dritte und vierte Leiter 88c und 88d sind, wie in der 33(c) dargestellt ist, parallel zueinander verbunden. Der erste Leiter 88a ist mit einer der Verbindungsstellen des dritten und vierten Leiters 88c und 88d verbunden. Der zweite Leiter 88b ist mit der anderen Verbindungsstelle des dritten und vierten Leiters 88c und 88d verbunden. Die Parallelschaltung von Leitern führt in der Regel zu einer Verringerung der Stromdichte dieser Leiter, wodurch die in der Erregung der Leiter erzeugte Wärmeenergie minimiert wird. Dementsprechend sind in der Struktur, in der eine zylindrische Statorwicklung in einem Gehäuse (d.h. dem Einheitssockel 61) mit dem darin ausgebildeten Kühlmittelpfad 74 installiert ist, die ersten und zweiten Leiter 88a und 88b, die nicht parallel zueinander verbunden sind, in der Nähe des Statorkerns 52 angeordnet, der in Berührung mit dem Einheitssockel 61 beruht, während die dritten und vierten Leiter 88c und 88d, die parallel zueinander verbunden sind, weiter entfernt vom Statorkern 52 angeordnet sind. Durch diese Anordnung wird die Kühlfähigkeit der Leiter 88a bis 88d, die in Form von mehreren Lagen ausgebildet sind, ausgeglichen.
Die Leitergruppe 81, die den ersten bis vierten Leiter 88a bis 88d hat, kann in radialer Richtung eine Dicke aufweisen, die kleiner ist als eine Umfangsbreite der Leitergruppen 81 für eine Phase in einem Bereich eines Pols.
Abwandlung 10
Die drehende elektrische Maschine 10 kann alternativ dazu so ausgebildet sein, dass sie eine innere Rotorstruktur (d.h. eine nach innen drehende Struktur) aufweist. In diesem Fall kann der Stator 50 beispielsweise an einer radialen Außenseite innerhalb des Gehäuses 30 angebracht sein, während der Rotor 40 an einer 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 angebracht sein. Die 35 ist eine Querschnittsansicht des Rotors 40 und des Stators 50. Die 36 ist eine vergrößerte Ansicht, die teilweise den Rotor 40 und den Stator 50 in der 35 darstellt.
Die innere Rotorstruktur in den 35 und 36 ist im Wesentlichen mit Ausnahme der Anordnung des Rotors 40 und des Stators 50 in radialer Richtung identisch mit der äußeren Rotorstruktur in den 8 und 9. Kurz gesagt, der Stator 50 ist mit der Statorspule 51 mit der abgeflachten Leiterstruktur und dem Statorblechpaket 52 ohne Zähne ausgestattet. Die Statorspule 51 ist radial innerhalb des Statorkerns 52 eingebaut. Der Statorkern 52 hat, wie die äußere Rotorstruktur, eine der folgenden Strukturen

(A) Der Stator 50 hat die Leiter-zu-Leiter-Elementer, die jeweils zwischen den Leiterabschnitten in der Umfangsrichtung vorgesehen sind. Als Leiter-Leiter-Elemente wird ein magnetisches Material verwendet, das die Beziehung Wt × Bs ≤ Wm × Br erfüllt, wobei Wt eine Breite der Leiter-Leiter-Elemente in der Umfangsrichtung innerhalb eines Magnetpols ist, Bs die Sättigungsmagnetflussdichte der Leiter-Leiter-Elemente ist, Wm eine Breite der Magneteinheit ist, die einem Magnetpol in der Umfangsrichtung entspricht, und Br die remanente Flussdichte in der Magneteinheit ist.
(B) Der Stator 50 weist die Leiter-Leiter-Glieder auf, von denen jedes zwischen den Leiterabschnitten in der Umfangsrichtung angeordnet ist. Die Leiter-Leiter-Elemente sind jeweils aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt.
(C) Der Stator 50 hat kein Leiter-zu-Leiter-Element, das zwischen den Leiterabschnitten in der Umfangsrichtung angeordnet ist.

Das gleiche gilt für die Magnete 91 und 92 der Magneteinheit 42. Insbesondere besteht die Magneteinheit 42 aus den Magneten 91 und 92, von denen jeder magnetisch so ausgerichtet ist, dass die einfache Magnetisierungsachse, die sich in der Nähe der d-Achse befindet, mehr parallel zur d-Achse verläuft als die in der Nähe der q-Achse, die an der Grenze der Magnetpole definiert ist. Die Details der Magnetisierungsrichtung in jedem der Magnete 91 und 92 sind die gleichen wie oben beschrieben. Die Magneteinheit 42 kann der Ringmagnet 95 sein (siehe die 30).
Die 37 ist eine Längsschnittansicht der drehenden elektrischen Maschine 10, die mit der inneren Rotorstruktur ausgeführt ist. Die 37 entspricht der 2. Unterschiede zu der Struktur in der 2 werden im Folgenden kurz beschrieben. In der 37 ist der ringförmige Stator 50 im Inneren des Gehäuses 30 aufgenommen. Der Rotor 40 ist drehbar im Inneren des Stators 50 mit einem dazwischen liegenden Luftspalt angeordnet. Die Lager 21 und 22 sind, wie in der 2, von der axialen Mitte des Rotors 40 in axialer Richtung des Rotors 40 versetzt, so dass der Rotor 40 in der Auslegerform gehalten wird. Der Wechselrichter 60 ist innerhalb des Magnethalters 41 des Rotors 40 montiert.
Die 38 stellt die innere Rotorstruktur der drehenden elektrischen Maschine 10 dar, die sich von der voranstehend beschriebenen unterscheidet. Das Gehäuse 30 hat die drehende Welle 11, die durch die Lager 21 und 22 drehbar aufgenommen ist. Der Rotor 40 ist an der drehenden Welle 11 befestigt. Wie in dem Aufbau in der 2 ist von jedem der Lager 21 und 22 in axialer Richtung des Rotors 40 gegenüber der axialen Mitte des Rotors 40 versetzt. Der Rotor 40 ist mit dem Magnethalter 41 und der Magneteinheit 42 ausgestattet.
Die drehende elektrische Maschine 10 in der 38 unterscheidet sich von derjenigen in der 37 dadurch, dass die Wechselrichtereinheit 60 nicht radial in dem Rotor 40 angeordnet ist. Der Magnethalter 41 ist radial innerhalb der Magneteinheit 42 mit der drehenden Welle 11 verbunden. Der Stator 50 ist mit der Statorspule 51 und dem Statorkern 52 bestückt und am Gehäuse 30 befestigt. Es ist zu beachten, dass sich die Definitionen von Parametern, wie Wt, Wn, Wm und Bs, die dem Stator 50 zugeordnet sind, oder von Parametern, wie θ11, θ12, X1, X2, Wm und Br, die der Magneteinheit 42 zugeordnet sind, auf diejenigen der voranstehend beschriebenen ersten Ausführungsform oder der Abwandlung 1 beziehen können.
Abwandlung 11
Die innere Rotorstruktur einer drehenden elektrischen Maschine, die sich von der oben beschriebenen unterscheidet, wird im Folgenden diskutiert. Die 39 ist eine Explosionsansicht der drehenden elektrischen Maschine 200. Die 40 ist eine seitliche Schnittansicht der drehenden elektrischen Maschine 200. In der folgenden Diskussion stimmt eine vertikale Richtung mit einer vertikalen Richtung der drehenden elektrischen Maschine 200 überein, die in jeder der 39 und 40 dargestellt ist.
Wie in den 39 und 40 dargestellt ist, hat die drehende elektrische Maschine 200 den Stator 203 und den Rotor 204. Der Stator 203 ist mit dem ringförmigen Statorkern 201 und der mehrphasigen Statorwicklung 202 ausgestattet. Der Rotor 204 ist im Inneren des Statorkerns 201 drehbar vorgesehen. Der Stator 203 arbeitet als Anker. Der Rotor 204 arbeitet als Feldmagnet. Der Statorkern 201 besteht aus einem Stapel von Silikonstahlplatten. Die Statorwicklung 202 ist in den Statorkern 201 eingebaut. Obwohl nicht dargestellt ist, ist der Rotor 204 mit einem Rotorkern und einer Vielzahl Permanentmagneten ausgestattet, die in Form einer Magneteinheit ausgebildet sind. In dem Rotorkern ist eine Vielzahl Löchern ausgebildet, die in der Umfangsrichtung des Rotorkerns in gleichen Abständen voneinander angeordnet sind. In den Löchern des Rotorkerns sind die Permanentmagnete angeordnet, die so magnetisiert sind, dass sich die Magnetisierungsrichtungen in benachbarten Magnetpolen abwechselnd ändern. Die Dauermagnete der Magneteinheit können, wie in der 23, in einer Halbach-Array-Struktur oder einer ähnlichen Struktur ausgeführt sein. Die Permanentmagnete der Magneteinheit können alternativ aus anisotropen Magneten bestehen, wie mit Bezug auf die 9 oder 30 beschrieben, bei denen die magnetische Orientierung (d.h. die Magnetisierungsrichtung) bogenförmig zwischen der d-Achse, die auf dem magnetischen Zentrum definiert ist, und der q-Achse, die auf der Grenze der Magnetpole definiert ist, verläuft.
Der Stator 203 kann mit einer der folgenden Strukturen ausgeführt sein. (A) Der Stator 203 hat die Leiter-zu-Leiter-Elemente, von denen jedes zwischen den Leiterabschnitten in der Umfangsrichtung angeordnet ist. Als Leiter-Leiter-Elemente wird ein magnetisches Material verwendet, das die Beziehung Wt × Bs ≤ Wm × Br erfüllt, wobei Wt eine Breite der Leiter-Leiter-Elemente in der Umfangsrichtung innerhalb eines Magnetpols ist, Bs die Sättigungsmagnetflussdichte der Leiter-Leiter-Elemente ist, Wm eine Breite der Magneteinheit ist, die einem Magnetpol in der Umfangsrichtung entspricht, und Br die remanente Flussdichte in der Magneteinheit ist.

(B) Der Stator 203 weist die Leiter-Leiter-Glieder auf, von denen jedes zwischen den Leiterabschnitten in der Umfangsrichtung angeordnet ist. Die Leiter-Leiter-Elemente sind jeweils aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt.
(C) Der Stator 203 weist kein Leiter-Leiter-Glied auf, das in der Umfangsrichtung zwischen den Leiterabschnitten angeordnet ist.

Der Rotor 204 weist die Magneteinheit auf, die aus einer Vielzahl Magneten besteht, von denen jeder magnetisch so ausgerichtet ist, dass die leichte Magnetisierungsachse, die sich in der Nähe der d-Achse befindet, paralleler zur d-Achse ist als die in der Nähe der q-Achse, die an der Grenze der Magnetpole definiert ist.
Das ringförmige Wechselrichtergehäuse 211 ist an einer Stirnseite einer Achse der drehenden elektrischen Maschine 200 vorgesehen. Das Wechselrichtergehäuse 211 hat eine untere Fläche, die in Berührung mit einer oberen Fläche des Statorkerns 201 steht. In dem Wechselrichtergehäuse 211 sind mehrere Leistungsmodule 212 vorgesehen, die eine Wechselrichterschaltung bilden, wobei die Glättungskondensatoren 213 dazu dienen, eine Spannungs- oder Stromschwankung (d.h. eine Welligkeit) zu reduzieren, die aus Schaltvorgängen von Halbleiterschaltern resultiert, wobei die Steuerplatine 214 mit einer Steuerung ausgestattet ist, woin der Stromsensor 215 dazu dient, einen Phasenstrom zu messen, und woin der Resolverstator 216 als Drehzahlsensor für den Rotor 204 dient. Die Leistungsmodule 212 sind mit IGBTs ausgestattet, die als Halbleiterschalter und Dioden dienen.
Das Wechselrichtergehäuse 211 weist den Leistungsanschluss 217 auf, der an einem Umfangsrand desselben zur Verbindung mit einem Gleichstromkreis für eine in einem Fahrzeug montierte Batterie angeordnet ist. Das Wechselrichtergehäuse 211 hat auch den Signalanschluss 218, der an seinem Umfangsrand angeordnet ist, um die Übertragung von Signalen zwischen der drehenden elektrischen Maschine 200 und einer im Fahrzeug installierten Steuerung zu erreichen. Das Wechselrichtergehäuse 211 ist mit der oberen Abdeckung 219 abgedeckt. Der von der im Fahrzeug installierten Batterie erzeugte Gleichstrom wird in den Leistungsanschluss 217 eingespeist, durch die Schalter der Leistungsmodule 212 in einen Wechselstrom umgewandelt und dann an die Phasenwicklungen der Statorwicklung 202 geliefert.
Die Lagereinheit 221 und das ringförmige hintere Gehäuse 222 sind auf der gegenüberliegenden Stirnseite der Achse des Statorkerns zu dem Wechselrichtergehäuse 211 vorgesehen. Die Lagereinheit 221 hält eine Drehachse des Rotors 204 drehbar fest. In dem hinteren Gehäuse 222 ist die Lagereinheit 221 angeordnet. Die Lagereinheit 221 ist z. B. mit zwei Lagern ausgestattet und von der Mitte der Länge des Rotors 204 zu einem der Enden der Länge des Rotors 204 versetzt. Die Lagereinheit 221 kann alternativ so ausgebildet sein, dass mehrere Lager an beiden Stirnseiten des Statorkerns 201 in axialer Richtung einander gegenüberliegend angeordnet sind, so dass die Lager die beiden Enden der Rotationswelle festhalten. Das hintere Gehäuse 222 wird mit Schrauben an einem Getriebegehäuse oder einem Getriebe des Fahrzeugs befestigt, wodurch die drehende elektrische Maschine 200 am Fahrzeug befestigt wird.
In dem Wechselrichtergehäuse 211 ist der Kühlströmungspfad 211a ausgebildet, der von einem Kühlmedium durchströmt wird. Der Kühlströmungspfad 211a wird durch Schließen einer ringförmigen Ausnehmung, die in einer unteren Fläche des Wechselrichtergehäuses 211 ausgebildet ist, durch eine obere Fläche des Statorkerns 201 definiert. Der Kühlstrompfad 211a umgibt ein Spulenende der Statorwicklung 202. In der Kühlstrecke 211a sind die Modulgehäuse 212a der Leistungsmodule 212 angeordnet. In ähnlicher Weise ist im hinteren Gehäuse 222 der Kühlstrompfad 222a ausgebildet, der ein Spulenende der Statorwicklung 202 umgibt. Der Kühlströmungspfad 222a wird durch Schließen einer ringförmigen Ausnehmung, die in einer oberen Fläche des hinteren Gehäuses 222 ausgebildet ist, durch eine untere Fläche des Statorkerns 201 definiert. Es ist zu beachten, dass die Definitionen von Parametern, wie Wt, Wn, Wm und Bs, die dem Stator 50 zugeordnet sind, oder von Parametern, wie θ11, θ12, X1, X2, Wm und Br, die der Magneteinheit 42 zugeordnet sind, sich auf diejenigen in der voranstehend beschriebenen ersten Ausführungsform oder der Abwandlung 1 beziehen können.
Abwandlung 12
Die voranstehend beschriebene Erörterung hat sich auf den Drehfeldtyp von drehenden elektrischen Maschinen bezogen, es kann jedoch auch ein Drehankertyp einer drehenden elektrischen Maschine verkörpert werden. Die 41 stellt den Drehankertyp einer drehenden elektrischen Maschine 230 dar.
Die drehende elektrische Maschine 230 in der 41 hat das Lager 232, das von den Gehäusen 231a und 231b aufgenommen wird. Das Lager 232 hält die drehende Welle 233 drehbar fest. Das Lager 232 besteht beispielsweise aus einem ölimprägnierten Lager, in dem ein poröses Metall mit Öl imprägniert ist. An der drehenden Welle 233 ist der Rotor 234 befestigt, der als Anker wirkt. Der Rotor 234 hat den Rotorkern 235 und die mehrphasige Rotorwicklung 236, die an einem Außenumfang des Rotorkerns 235 befestigt ist. Der Rotorkern 235 des Rotors 234 ist so gestaltet, dass er eine schlitzlose Struktur aufweist. Die mehrphasige Rotorwicklung 236 hat die abgeflachte Leiterstruktur, wie oben beschrieben. Mit anderen Worten, die mehrphasige Rotorwicklung 236 ist so geformt, dass sie für jede Phase einen Bereich aufweist, der in der Umfangsrichtung eine größere Abmessung hat als in radialer Richtung.
Der Stator 237 ist radial außerhalb des Rotors 234 angeordnet. Der Stator 237 arbeitet als Feldmagnet. Der Stator 237 hat den Statorkern 238 und die Magneteinheit 239. Der Statorkern 238 ist an dem Gehäuse 231a befestigt. Die Magneteinheit 239 ist an einem inneren Umfang des Statorkerns 238 befestigt. Die Magneteinheit 239 besteht aus einer Vielzahl Magneten, die so angeordnet sind, dass die Magnetpole in der Umfangsrichtung abwechselnd angeordnet sind. Wie die oben beschriebene Magneteinheit 42 ist die Magneteinheit 239 magnetisch so ausgerichtet, dass die leichte Magnetisierungsachse, die sich in der Nähe der d-Achse befindet, mehr parallel zur d-Achse verläuft als die in der Nähe der q-Achse, die auf einer Grenze zwischen den Magnetpolen definiert ist. Die Magneteinheit 239 ist mit magnetisch orientierten gesinterten Neodym-Magneten ausgestattet, deren intrinsische Koerzitivkraft 400 [kA/m] oder mehr beträgt und deren remanente Flussdichte 1,0 [T] oder mehr beträgt.
Die drehende elektrische Maschine 230 ist in dieser Ausführungsform als zweipoliger, dreispuliger, bürstenbehafteter, kernloser Motor ausgeführt. Die mehrphasige Rotorwicklung 236 ist aus drei Spulen aufgebaut. Die Magneteinheit 239 ist zweipolig ausgebildet. Ein Verhältnis zwischen der Anzahl der Pole und der Anzahl der Spulen in typischen Bürstenmotoren ist 2:3, 4:10 oder 4:21, je nach Verwendungszweck.
An der drehenden Welle 233 ist der Kommutator 241 befestigt. Radial außerhalb des Kommutators 241 ist eine Vielzahl Bürsten 242 angeordnet. Der Kommutator 241 ist über die in der drehenden Welle 233 eingebetteten Leiter 234 mit der mehrphasigen Rotorwicklung 236 elektrisch verbunden. Der Kommutator 241, die Bürsten 242 und die Leiter 243 dienen dazu, die mehrphasige Rotorwicklung 236 mit Gleichstrom zu versorgen. Der Kommutator 241 besteht aus mehreren Abschnitten, die je nach Anzahl der Phasen der mehrphasigen Rotorwicklung 236 in deren Umfangsrichtung angeordnet sind. Die Bürsten 242 können mit einer Gleichstromversorgung, wie z. B. einer Speicherbatterie, über elektrische Leitungen oder über eine Klemmleiste verbunden sein.
Auf der drehenden Welle 233 ist die harzhaltige Unterlegscheibe 244 zwischen dem Lager 232 und dem Kommutator 241 vorgesehen. Die harzhaltige Unterlegscheibe 244 dient als Dichtelement, um das Austreten von Öl aus dem Lager 232, das durch ein ölimprägniertes Lager realisiert ist, zu dem Kommutator 241 zu minimieren.
Abwandlung 13
Jeder der Leiter 82 der Statorspule 51 der drehenden elektrischen Maschine 10 kann so ausgebildet sein, dass er einen Stapel aus mehreren aufeinandergelegten Isolierschichten oder -lagen aufweist. Beispielsweise kann jeder der Leiter 82 durch Bedecken eines Bündels aus einer Vielzahl mit einer Isolierschicht beschichteten Leitern (d. h. Drähten) mit einer Isolierschicht hergestellt werden, so dass die Isolierschicht (d. h. eine innere Isolierschicht) jedes der Leiter 82 mit der Isolierschicht (d. h. einer äußeren Isolierschicht) des Bündels bedeckt ist. Die äußere Isolierschicht ist vorzugsweise so ausgelegt, dass sie ein größeres Isoliervermögen hat als die innere Isolierschicht. Insbesondere wird die Dicke der äußeren Isolierschicht größer gewählt als die der inneren Isolierschicht. Zum Beispiel hat die äußere Isolierschicht eine Dicke von 100 µm, während die innere Isolierschicht eine Dicke von 40 µm hat. Alternativ kann die äußere Isolierschicht eine geringere Dielektrizitätskonstante als die der inneren Isolierschicht haben. Jeder der Leiter 82 kann jede der oben genannten Strukturen aufweisen. Jeder Leiter ist vorzugsweise aus einer Ansammlung von leitenden Elementen oder Fasern hergestellt.
Wie aus der voranstehend beschriebenen Diskussion ersichtlich ist, wird die drehende elektrische Maschine 10 in einem Hochspannungssystem eines Fahrzeugs nützlich, indem die Isolationsfähigkeit der äußersten Schicht des Leiters 82 erhöht wird. Der voranstehend beschriebene Aufbau ermöglicht es, dass die drehende elektrische Maschine 10 bei niedrigen Druckverhältnissen, wie z. B. im Hochland, betrieben werden kann.
Abwandlung 14
Jeder der Leiter 82, die mit einem Stapel von mehreren Isolierschichten ausgestattet sind, kann so gestaltet sein, dass mindestens einer von einem linearen Ausdehnungskoeffizienten und dem Grad der Adhäsionsfestigkeit zwischen einer äußeren und einer inneren der Isolierschichten unterschiedlich ist. Die Leiterbahnen 82 in dieser Abwandlung sind in der 42 dargestellt.
In der 42 hat der Leiter 82 mehrere (in der Zeichnung vier) Drähte 181, die äußere beschichtete Schicht 182 (d.h. eine äußere Isolierschicht), mit der die Drähte 181 bedeckt sind und die z.B. aus Harz besteht, und die Zwischenschicht 183 (d.h. eine isolierende Zwischenschicht), die um jeden der Drähte 181 innerhalb der äußeren beschichteten Schicht 182 herum angeordnet ist. Jeder der Drähte 181 hat den leitenden Abschnitt 181a aus Kupfermaterial und die Leiter-Beschichtungsschicht (d. h. eine innere Isolierschicht) aus elektrischem Isoliermaterial. Die äußere Mantellage 182 dient der elektrischen Isolation zwischen den Phasen der Statorwicklung. Jeder der Drähte 181 besteht vorzugsweise aus einer Ansammlung von leitenden Elementen oder Fasern.
Die Zwischenschicht 183 hat einen linearen Ausdehnungskoeffizienten, der höher ist als der der beschichteten Schicht 181b, aber niedriger als der der äußeren beschichteten Schicht 182. Mit anderen Worten, der lineare Ausdehnungskoeffizient des Leiters 82 wird von einer Innenseite zu einer Außenseite davon erhöht. Typischerweise ist die äußere beschichtete Schicht 182 so ausgelegt, dass sie einen höheren linearen Ausdehnungskoeffizienten hat als die beschichtete Schicht 181b. Die Zwischenschicht 183 hat, wie oben beschrieben, einen linearen Ausdehnungskoeffizienten, der zwischen denen der beschichteten Schicht 181b und der äußeren beschichteten Schicht 182 liegt, und dient somit als Puffer, um eine Möglichkeit auszuschließen, dass die innere und die äußere Schicht gleichzeitig gebrochen werden können.
Jeder der Drähte 181 des Leiters 82 weist den leitenden Abschnitt 181a und die beschichtete Schicht 181b auf, die an dem leitenden Abschnitt 181a haftet. Die beschichtete Schicht 181b und die Zwischenschicht 183 sind ebenfalls aneinander geklebt. Die Zwischenschicht 183 und die äußere beschichtete Schicht 182 sind miteinander verklebt. Solche Verbindungen haben eine zur Außenseite des Leiters 82 hin abnehmende Haftfestigkeit. Mit anderen Worten, die Haftfestigkeit zwischen dem leitenden Abschnitt 181a und der beschichteten Schicht 181b ist geringer als die zwischen der beschichteten Schicht 181b und der Zwischenschicht 183 sowie zwischen der Zwischenschicht 183 und den äußeren beschichteten Schichten 182. Die Stärke der Adhäsion zwischen der beschichteten Schicht 181b und der Zwischenschicht 183 kann höher sein als die zwischen der Zwischenschicht 183 und den äußeren beschichteten Schichten 182 oder mit dieser identisch sein. Üblicherweise kann die Haftfestigkeit zwischen z. B. zwei beschichteten Schichten als Funktion einer Zugfestigkeit gemessen werden, die erforderlich ist, um die beschichteten Schichten voneinander abzulösen. Die Stärke der Adhäsion des Leiters 82 wird in der oben beschriebenen Weise gewählt, um die Möglichkeit zu minimieren, dass die innere und die äußere Schicht miteinander gebrochen werden, die sich aus einem Temperaturunterschied zwischen der Innenseite und der Außenseite des Leiters 82 beim Erwärmen oder Abkühlen ergibt.
Normalerweise führt die Wärmeerzeugung oder Temperaturänderung in der drehenden elektrischen Maschine zu Kupferverlusten, die aus der Wärme des leitenden Abschnitts 181a des Drahtes 181 und eines Eisenkerns entstehen. Diese beiden Verlustarten resultieren aus der Wärme, die vom leitenden Abschnitt 181a im Leiter 82 oder von außerhalb des Leiters 82 übertragen wird. Die Zwischenlage 183 hat keine Wärmequelle. Die Zwischenschicht 183 hat eine Haftfestigkeit, die als Puffer für die Umhüllungsschicht 181b und die äußere Umhüllungsschicht 182 dient, wodurch die Möglichkeit ausgeschlossen wird, dass die Umhüllungsschicht 181b und die äußere Umhüllungsschicht 182 gleichzeitig gebrochen werden können. Dies ermöglicht den Einsatz der drehenden elektrischen Maschine unter Bedingungen, wie z. B. in Fahrzeugen, bei denen eine Beständigkeit gegen hohen Druck erforderlich ist oder sich die Temperatur stark ändert.
Darüber hinaus kann der Draht 181 aus Lackdraht mit einer Schicht (d. h. der beschichteten Schicht 181b) hergestellt sein, die mit Harz, wie PA, PI oder PAI, beschichtet ist. Auch die äußere beschichtete Schicht 182 außerhalb des Drahtes 181 besteht vorzugsweise aus PA, PI und PAI und weist eine große Dicke auf. Dies minimiert das Risiko eines Bruchs der äußeren beschichteten Schicht 182, der durch einen Unterschied im linearen Ausdehnungskoeffizienten verursacht wird. Anstelle der Verwendung von PA, PI, PAI zur Herstellung der äußeren beschichteten Schicht 182 mit einer großen Dicke wird vorzugsweise ein Material wie PPS, PEEK, Fluorharz, Polycarbonat, Silikon, Epoxid, Polyethylennaphthalat oder LCP verwendet, das eine geringere Dielektrizitätskonstante als PI oder PAI hat, um die Leiterdichte der drehenden elektrischen Maschine zu erhöhen. Die Verwendung eines solchen Harzes verbessert die Isolierfähigkeit der äußeren beschichteten Schicht 182, auch wenn sie eine geringere oder gleiche Dicke wie die beschichtete Schicht 181b hat, und erhöht die Belegung des leitenden Abschnitts. Normalerweise hat das voranstehend beschriebene Harz einen höheren Grad an elektrischer Permittivität als eine Isolierschicht aus Lackdraht. Natürlich gibt es auch ein Beispiel, in dem der Zustand der Bildung oder der Zusatzstoff zu einer Verringerung der elektrischen Permittivität desselben führt. Normalerweise ist der lineare Ausdehnungskoeffizient von PPS und PEEK höher als der einer Lackschicht, aber niedriger als der anderer Harztypen und daher nur für die äußere der beiden Schichten geeignet.
Die Stärke der Haftung der beiden Arten von beschichteten Schichten, die außerhalb des Drahtes 181 angeordnet sind (d. h. die mittlere Isolierschicht und die äußere Isolierschicht), an der lackbeschichteten Schicht des Drahtes 181 ist vorzugsweise geringer als die zwischen dem Kupferdraht und der lackbeschichteten Schicht des Drahtes 181, wodurch die Möglichkeit minimiert wird, dass die lackbeschichtete Schicht und die oben genannten zwei Arten von beschichteten Schichten gleichzeitig gebrochen werden.
In einem Fall, in dem der Stator mit einem Wasserkühlungsmechanismus, einem Flüssigkeitskühlungsmechanismus oder einem Luftkühlungsmechanismus ausgestattet ist, wird die thermische Beanspruchung oder die Schlagbeanspruchung als erstes auf die äußeren beschichteten Schichten 182 ausgeübt. Die thermische Beanspruchung oder die Stoßbeanspruchung wird verringert, indem die Isolierschicht des Drahtes 181 und die beiden oben genannten Arten von beschichteten Schichten teilweise miteinander verbunden werden, selbst wenn die Isolierschicht aus einem anderen Harz als die beiden oben genannten Arten von beschichteten Schichten besteht. Mit anderen Worten, die voranstehend beschriebene Isolierstruktur kann durch Anordnen eines Drahtes (d. h. eines Lackdrahtes) und eines Luftspalts sowie durch Anordnen von Fluorharz, Polycarbonat, Silikon, Epoxid, Polyethylennaphthalat oder LCP erzeugt werden. In diesem Fall wird vorzugsweise ein Klebstoff aus Epoxid verwendet, der eine niedrige elektrische Permittivität und einen geringen linearen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, um die äußere beschichtete Schicht und die innere beschichtete Schicht miteinander zu verbinden. Dadurch wird ein Bruch der beschichteten Schichten durch Reibung aufgrund von Vibrationen des leitfähigen Abschnitts oder ein Bruch der äußeren beschichteten Schicht aufgrund des Unterschieds im linearen Ausdehnungskoeffizienten sowie der mechanischen Festigkeit vermieden.
Die äußerste Schicht, die dazu dient, die mechanische Festigkeit oder Befestigung des Leiters 82 mit dem voranstehend beschriebenen Aufbau zu gewährleisten, wird vorzugsweise aus einem Harzmaterial wie Epoxid, PPS, PEEK oder LCP hergestellt, das leicht zu formen ist und eine ähnliche Dielektrizitätskonstante oder einen ähnlichen linearen Ausdehnungskoeffizienten aufweist wie die emaillierte Schicht, typischerweise in einem Endprozess für eine Statorwickl u ng.
Typischerweise wird der Harzverguss mit Urethan oder Silikon hergestellt. Ein solches Harz hat jedoch einen linearen Ausdehnungskoeffizienten, der etwa doppelt so groß ist wie der anderer Harztypen, was dazu führt, dass in der Verwendung des Harzvergusses thermische Spannungen erzeugt werden, so dass er abgeschert wird. Das oben genannte Harz ist daher ungeeignet für den Einsatz bei hohen Anforderungen an die Isolierung und 60 V oder mehr. Der abschließende Isolationsprozess zur Herstellung der äußersten Schicht im Spritzgussverfahren mit Epoxid, PPS, PEEK oder LCP erfüllt die oben genannten Anforderungen.
Weitere Abwandlungen werden im Folgenden aufgeführt.
Der Abstand DM zwischen einer dem Anker zugewandten Fläche der Magneteinheit 42 und der axialen Mitte des Rotors in radialer Richtung kann so gewählt werden, dass er 50 mm oder mehr beträgt. Zum Beispiel kann der Abstand DM, wie in der 4 dargestellt ist, zwischen der radialen Innenfläche der Magneteinheit 42 (d.h. dem ersten und zweiten Magneten 91 und 92) und dem Achsenmittelpunkt des Rotors 40 so gewählt werden, dass er 50 mm oder mehr beträgt.
Die kleine, schlitzlose Struktur der drehenden elektrischen Maschine, deren Leistung einige zehn oder hundert Watt beträgt, ist bekannt und wird für Modelle verwendet. Den Offenlegern oder Erfindern dieser Anmeldung sind keine Beispiele bekannt, bei denen die schlitzlose Struktur bei großformatigen industriellen drehenden elektrischen Maschinen verwendet wird, deren Leistung mehr als 10 kW beträgt. Die Offenbarungen oder Erfinder dieser Anmeldung haben den Grund dafür untersucht.
Moderne große drehende elektrische Maschinen werden in vier Haupttypen eingeteilt: ein Bürstenmotor, ein Kurzschlussläufer-Induktionsmotor, ein Permanentmagnet-Synchronmotor und ein Reluktanzmotor.
Bürstenmotoren werden über Bürsten mit Erregerstrom versorgt. Groß dimensionierte Bürstenmotoren haben daher eine größere Anzahl von Bürsten, was zu einer komplexen Wartung derselben führt. Mit der bemerkenswerten Entwicklung der Halbleitertechnologie wurden stattdessen bürstenlose Motoren, wie z. B. Induktionsmotoren, eingesetzt. Im Bereich der Kleinmotoren ist auch eine große Anzahl von kernlosen Motoren auf den Markt gekommen, die sich durch geringe Trägheit oder Wirtschaftlichkeit auszeichnen.
Käfigläufermotoren arbeiten nach dem Prinzip, dass ein von einer primären Statorwicklung erzeugtes Magnetfeld von einem sekundären Statorkern aufgenommen wird, um einen induzierten Strom an bügelförmige Leiter abzugeben, wodurch ein magnetisches Reaktionsfeld zur Erzeugung eines Drehmoments entsteht. Im Hinblick auf eine geringe Baugröße und einen hohen Wirkungsgrad der Motoren ist es nicht ratsam, den Stator und den Rotor ohne Eisenkerne auszuführen.
Reluktanzmotoren sind Motoren, die so konstruiert sind, dass sie eine Änderung der Reluktanz in einem Eisenkern nutzen. Es ist daher nicht ratsam, den Eisenkern grundsätzlich wegzulassen.
In den letzten Jahren wurde bei Permanentmagnet-Synchronmotoren ein IPM-Rotor (Interior Permanent Magnet) verwendet. Insbesondere die meisten Großmotoren verwenden einen IPM-Rotor, es sei denn, es liegen besondere Umstände vor.
IPM-Motoren haben die Eigenschaft, sowohl ein Magnetmoment als auch ein Reluktanzmoment zu erzeugen. Das Verhältnis zwischen dem Magnetmoment und dem Reluktanzmoment wird mithilfe eines Wechselrichters zeitlich gesteuert. Aus diesen Gründen gelten die IMP-Motoren als kompakt und hervorragend regelbar.
Gemäß der Analyse der Offenbarung bzw. der Erfinder dieser Anwendung wird das Drehmoment auf der Oberfläche eines Rotors, das das Magnetmoment und das Reluktanzmoment erzeugt, in der 43 als Funktion des Abstands DM zwischen der Oberfläche der Magneteinheit, die dem Anker zugewandt ist, und dem Mittelpunkt der Achse des Rotors, d. h. dem Radius eines Statorkerns eines typischen Innenrotors, der auf der horizontalen Achse angegeben ist, dargestellt.
Das Potential des Magnetmoments hängt, wie in der folgenden Gleichung (eq1) zu sehen ist, von der Stärke des durch einen Permanentmagneten erzeugten Magnetfelds ab, während das Potential des Reluktanzmoments, wie in der folgenden Gleichung (eq2) zu sehen ist, vom Grad der Induktanz, insbesondere auf der q-Achse, abhängt. $Das Magnetmoment = k - Ψ - Iq$
$Das Reluktanzmoment = k - (Lq - Ld) - Iq - Id$
Der Vergleich zwischen der Stärke des vom Dauermagneten erzeugten Magnetfeldes und dem Grad der Induktanz einer Wicklung unter Verwendung des Abstandes DM darstellt, dass die Stärke des vom Dauermagneten erzeugten Magnetfeldes, d. h. die Größe des magnetischen Flusses Ψ, proportional zur Gesamtfläche einer dem Stator zugewandten Fläche des Dauermagneten ist.
Im Falle eines zylindrischen Stators ist eine solche Gesamtfläche eine zylindrische Fläche des Permanentmagneten. Technisch gesehen hat der Dauermagnet einen N-Pol und einen S-Pol, und der Betrag des magnetischen Flusses Ψ ist proportional zur Hälfte der zylindrischen Fläche. Der zylindrische Flächeninhalt ist proportional zu dem Radius der zylindrischen Fläche und der Länge der zylindrischen Fläche. Wenn die Länge der zylindrischen Fläche konstant ist, ist der zylindrische Flächeninhalt proportional zu dem Radius der zylindrischen Fläche.
Die Induktanz Lq der Wicklung hängt von der Form des Eisenkerns ab, ihre Empfindlichkeit ist jedoch gering und proportional zu dem Quadrat der Windungszahl der Statorwicklung, so dass sie stark von der Anzahl der Windungen abhängig ist.
Die Induktanz L wird durch die folgende Beziehung ausgedrückt $L = μ - N {()}^{\land} 2 \times S/ δ$
wobei µ die Permeabilität des Magnetkreises, N die Anzahl der Windungen, S die Querschnittsfläche des Magnetkreises und δ die effektive Länge des Magnetkreises ist.
Die Anzahl der Windungen der Wicklung hängt von der Größe des von der Wicklung eingenommenen Raums ab. Im Falle eines zylindrischen Motors hängt die Anzahl der Windungen also von der Größe des von der Wicklung des Stators eingenommenen Raums ab, mit anderen Worten von den Flächen der Schlitzen im Stator. Der Schlitz ist, wie in der 44 dargestellt ist, rechteckig, so dass die Fläche des Schlitzes proportional zu dem Produkt aus a und b ist, wobei a die Breite des Schlitzes in der Umfangsrichtung und b die Länge des Schlitzes in radialer Richtung ist.
Die Breite des Schlitzes in der Umfangsrichtung wird mit zunehmendem Durchmesser des Zylinders groß, so dass die Breite proportional zu dem Durchmesser des Zylinders ist. Die Länge des Schlitzes in radialer Richtung ist proportional zu dem Durchmesser des Zylinders. Die Fläche des Schlitzes ist also proportional zu dem Quadrat des Durchmessers des Zylinders. Aus der voranstehend beschriebenen Gleichung (Gl. 2) ist ersichtlich, dass das Reluktanzmoment proportional zu dem Quadrat des Stroms im Stator ist. Die Leistung der drehenden elektrischen Maschine hängt also davon ab, wie viel Strom in der drehenden elektrischen Maschine fließen kann, d. h. sie hängt von den Flächen der Schlitze im Stator ab. Die Reluktanz ist daher proportional zu dem Quadrat des Durchmessers des Zylinders für einen Zylinder mit konstanter Länge. Basierend auf dieser Tatsache wird eine Beziehung des magnetischen Drehmoments und des Reluktanzmoments mit dem Abstand DM durch Plots in der 43 dargestellt.
Das Magnetmoment ist, wie in der 43 dargestellt ist, linear als Funktion des Abstands DM erhöht, während das Reluktanzmoment in Form einer quadratischen Funktion als Funktion des Abstands DM erhöht ist. Die 43 stellt dar, dass bei kleinem Abstand DM das magnetische Drehmoment dominant ist, während das Reluktanzmoment mit zunehmendem Durchmesser des Statorkerns dominant wird.
Die Offenleger oder Erfinder dieser Anmeldung sind zu dem Schluss gekommen, dass ein Schnittpunkt der Linien, die das magnetische Drehmoment und das Reluktanzmoment in der 43 ausdrücken, in der Nähe von 50 mm liegt, was dem Radius des Statorkerns entspricht. Es scheint, dass es für einen Motor, dessen Leistung 10 kW beträgt und dessen Statorkern einen viel größeren Radius als 50 mm hat, schwierig ist, den Statorkern wegzulassen, da die Verwendung des Reluktanzmoments mittlerweile zu dem Mainstream gehört. Dies ist einer der Gründe, warum die schlitzlose Struktur bei großen Motoren nicht verwendet wird.
Die drehende elektrische Maschine, die einen Eisenkern im Stator verwendet, steht immer vor einem Problem, das mit der magnetischen Sättigung des Eisenkerns verbunden ist. Insbesondere drehende elektrische Maschinen mit radialem Spalt haben einen Längsschnitt der drehenden Welle, der für jeden Magnetpol die Form eines Ventilators hat, so dass die Breite eines magnetischen Kreises umso kleiner ist, je weiter im Inneren der drehenden elektrischen Maschine, was dazu führt, dass die inneren Abmessungen der Zähne, die die Schlitzen im Kern ausbilden, zu einem Faktor der Leistungsgrenze der drehenden elektrischen Maschine werden.
Selbst wenn ein Hochleistungs-Permanentmagnet verwendet wird, führt die Erzeugung von magnetischer Sättigung im Permanentmagneten zu einer Schwierigkeit in der Herstellung eines erforderlichen Leistungsgrades des Permanentmagneten. Es ist notwendig, den Permanentmagneten so zu konstruieren, dass er einen vergrößerten Innendurchmesser hat, um das Risiko des Auftretens der magnetischen Sättigung zu beseitigen, was zu einer Vergrößerung der drehenden elektrischen Maschine führt.
Zum Beispiel ist eine typische drehende elektrische Maschine mit einer verteilten Dreiphasenwicklung so konstruiert, dass drei bis sechs Zähne dazu dienen, einen Fluss des magnetischen Flusses für jeden Magnetpol zu erzeugen, stößt aber auf ein Risiko, dass sich der magnetische Fluss auf einen führenden der Zähne in der Umfangsrichtung konzentrieren kann, wodurch der magnetische Fluss nicht gleichmäßig in den drei bis sechs Zähnen fließt. Zum Beispiel konzentriert sich der Fluss des magnetischen Flusses auf einen oder zwei der Zähne, so dass sich der eine oder die zwei Zähne, in denen die magnetische Sättigung auftritt, mit der Rotation des Rotors in der Umfangsrichtung bewegen, was zu einem Faktor führen kann, der die Schlitzwelligkeit verursacht.
Aus den oben genannten Gründen ist es erforderlich, die Zähne in der schlitzlosen Struktur der drehenden elektrischen Maschine wegzulassen, deren Abstand DM 50 mm oder mehr beträgt, um das Risiko der Erzeugung der magnetischen Sättigung zu beseitigen. Das Weglassen der Zähne führt jedoch zu einer Erhöhung des magnetischen Widerstands in den magnetischen Kreisen des Rotors und des Stators, wodurch das von der drehenden elektrischen Maschine erzeugte Drehmoment verringert wird.
Der Grund für eine solche Erhöhung des magnetischen Widerstands ist, dass beispielsweise ein großer Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator vorhanden ist. Die schlitzlose Struktur der drehenden elektrischen Maschine, deren Abstand DM 50 mm oder mehr beträgt, bietet daher Raum für Verbesserungen zur Erhöhung des Ausgangsdrehmoments. Es gibt zahlreiche nützliche Vorteile, die voranstehend beschriebene drehmomenterhöhende Struktur in der schlitzlosen Struktur der drehenden elektrischen Maschine zu verwenden, deren Abstand DM 50 mm oder mehr beträgt.
Nicht nur die drehenden elektrischen Maschinen des Außenrotortyps, sondern auch die drehenden elektrischen Maschinen des Innenrotortyps sind vorzugsweise so konstruiert, dass der Abstand DM zwischen der dem Anker zugewandten Fläche der Magneteinheit und dem Mittelpunkt der Achse des Rotors in radialer Richtung 50 mm oder mehr beträgt.
Die Statorwicklung 51 der drehenden elektrischen Maschine 10 kann so ausgebildet sein, dass nur der eine gerade Abschnitt 83 des Leiters 82 in radialer Richtung angeordnet ist. Alternativ können auch mehrere gerade Abschnitte 83, beispielsweise drei, vier, fünf oder sechs gerade Abschnitte 83 in radialer Richtung übereinander gestapelt sein.
In der in der 2 dargestellten Struktur erstreckt sich die drehende Welle 11 beispielsweise über die Enden der Länge der drehenden elektrischen Maschine 10 hinaus. Die Struktur kann jedoch alternativ so gestaltet sein, dass die drehende Welle 11 nur an einem der Enden der drehenden elektrischen Maschine 10 nach außen ragt. In diesem Fall ist es zweckmäßig, dass ein Abschnitt der drehenden Welle 11, der von der Lagereinheit 20 in der Auslegerform gehalten wird, an einem der Enden der drehenden elektrischen Maschine angeordnet ist, und dass die drehende Welle 11 außerhalb eines solchen Endes der drehenden elektrischen Maschine vorsteht. Bei diesem Aufbau ragt die drehende Welle 11 nicht in das Innere der Wechselrichtereinheit 60 hinein, so dass ein großer Innenraum der Wechselrichtereinheit 60, d.h. der Zylinder 71, genutzt werden kann.
Der voranstehend beschriebene Aufbau der drehenden elektrischen Maschine 10 verwendet nichtleitendes Fett in den Lagern 21 und 22, kann aber alternativ auch mit leitfähigem Fett in den Lagern 21 und 22 ausgeführt sein. Beispielsweise kann ein leitfähiges Fett verwendet werden, das metallische Partikel oder Kohlenstoffpartikel enthält.
An beiden axialen Enden des Rotors 40 können jeweils Lager angebracht sein, um die drehende Welle 11 drehbar zu halten. Beispielsweise können in der Struktur der 1 die Lager auf gegenüberliegenden Seiten der Wechselrichtereinheit 60 in axialer Richtung angebracht sein.
Der Magnethalter 41 des Rotors 40 der drehenden elektrischen Maschine 10 weist den Zwischenabschnitt 45 auf, der mit der Innenschulter 49a und der ringförmigen Außenschulter 49b versehen ist. Der Magnethalter 41 kann jedoch alternativ auch so ausgebildet sein, dass er den flachen Zwischenabschnitt 45 ohne die Schultern 49a und 49b aufweist.
Der Leiterkörper 82a eines jeden Leiters 82 der Statorwicklung 51 der drehenden elektrischen Maschine 10 ist aus einer Ansammlung der Drähte 86 gebildet, kann jedoch alternativ unter Verwendung eines quadratischen Leiters mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet sein. Der Leiter 82 kann alternativ unter Verwendung eines kreisförmigen Leiters mit einem kreisförmigen Querschnitt oder einem ovalen Querschnitt ausgebildet sein.
In der drehenden elektrischen Maschine 10 ist die Wechselrichtereinheit 60 radial innerhalb des Stators 50 angeordnet, kann aber alternativ auch so ausgebildet sein, dass der Wechselrichter 60 nicht innerhalb des Stators 50 angeordnet ist. Dadurch kann der Stator 50 einen radialen inneren Hohlraum aufweisen, in dem andere Teile als die Wechselrichtereinheit 60 montiert werden können.
Die drehende elektrische Maschine 10 kann so ausgeführt sein, dass sie das Gehäuse 30 nicht aufnimmt. In diesem Fall kann der Rotor 40 oder der Stator 50 von einem Rad oder einem anderen Teil eines Fahrzeugs gehalten werden.
Ausführungsformen für Radnabenmotor für Fahrzeuge
Im Folgenden werden Ausführungsformen beschrieben, bei denen eine drehende elektrische Maschine in eine Radnabe eines Fahrzeugs, wie z.B. eines Kraftfahrzeugs, in Form eines Radnabenmotors, eingebaut ist.
Die 45 ist eine perspektivische Ansicht, die die Reifen-Rad-Baugruppe 400 darstellt, die so konstruiert ist, dass sie eine Radnabenmotor-Struktur und eine umgebende Struktur aufweist. Die 46 ist eine Längsschnittansicht, die die Reifenradbaugruppe 400 und die umgebende Struktur darstellt. Die 47 ist eine perspektivische Explosionsansicht der Reifenradbaugruppe 400. Bei diesen Ansichten handelt es sich um perspektivische Darstellungen der Reifen-Rad-Baugruppe 400, wie sie vom Inneren des Fahrzeugs aus gesehen wird. Das Fahrzeug kann die Radnabenmotorstruktur in verschiedenen Modi verwenden.
Zum Beispiel kann in einem Fall, in dem das Fahrzeug mit vier Rädern ausgestattet ist: zwei Vorderräder und zwei Hinterräder, eines oder beide der Vorderräder und das Hinterrad in dieser Ausführungsform mit der radintegrierten Motorstruktur ausgestattet sein. Alternativ kann die Radnabenmotorstruktur auch bei einem Fahrzeug verwendet werden, das mit einem vorderen oder einem hinteren Einzelrad ausgestattet ist. Der Radmotor, wie er hierin erwähnt ist, ist als Fahrzeugantriebseinheit ausgebildet.
Wie in den 45 bis 47 dargestellt ist, hat die Reifen-Rad-Baugruppe 400, den Reifen 401, der ein bekannter luftgefüllter Reifen ist, das Rad 402, das in den Reifen 401 eingepasst ist, und die drehende elektrische Maschine 500, die im Inneren des Rades 402 befestigt ist. Die drehende elektrische Maschine 500 ist mit einem stationären Abschnitt, der einen Stator hat, und einem drehenden Abschnitt, der einen Rotor hat, ausgestattet. Die drehende elektrische Maschine 500 ist an dem stationären Abschnitt fest mit der Fahrzeugkarosserie und am drehenden Abschnitt auch mit dem Rad 402 verbunden. Der Reifen 401 und das Rad 402 werden durch die Drehung des drehenden Abschnitts der drehenden elektrischen Maschine 500 gedreht. Der Aufbau der drehenden elektrischen Maschine 500, die den stationären Abschnitt und den drehenden Abschnitt hat, wird später im Detail beschrieben.
Die Reifenradbaugruppe 400 hat auch periphere Vorrichtungen: eine Aufhängung, eine Lenkvorrichtung und eine Bremsvorrichtung, die darauf montiert sind. Die Aufhängung hält die Reifenradbaugruppe 400 an einer Fahrzeugkarosserie (nicht dargestellt) befestigt. Die Lenkvorrichtung dient zu dem Drehen der Reifenradbaugruppe 400. Die Bremsvorrichtung dient zu dem Betätigen einer Bremse an der Reifenradbaugruppe 400.
Die Aufhängung wird durch eine Einzelradaufhängung, wie eine Längslenkeraufhängung, eine Federbeinaufhängung, eine Querlenkeraufhängung oder eine Mehrlenkeraufhängung, realisiert. In dieser Ausführungsform hat die Aufhängung den Unterlenker 411, den Querlenker 412 und die Feder 413. Der Unterlenker 411 erstreckt sich in Richtung der Karosseriemitte. Der Querlenker 412 und die Feder 413 erstrecken sich vertikal.
Der Querlenker 412 kann als Stoßdämpfer ausgebildet sein, dessen detaillierter Aufbau in den Zeichnungen weggelassen wird. Der Unterlenker 411 und der Querlenker 412 sind mit der Fahrzeugkarosserie und mit der scheibenförmigen Grundplatte 405 verbunden, die am stationären Abschnitt der drehenden elektrischen Maschine 500 befestigt ist. Der untere Arm 411 und der Aufhängungsarm 412 werden, wie in der 46 deutlich dargestellt ist, durch die drehende elektrische Maschine 500 (d.h. die Grundplatte 405) mit Hilfe der Stützwellen 414 und 415 koaxial zueinander gehalten.
Die Lenkvorrichtung kann durch eine Zahnstange, eine Kugelmutterlenkung, eine hydraulische Servolenkung oder eine elektronische Servolenkung realisiert sein. In dieser Ausführungsform besteht die Lenkvorrichtung aus der Zahnstangeneinheit 421 und der Spurstange 422. Die Zahnstangeneinheit 421 ist über die Spurstange 422 mit der Grundplatte 405 der drehenden elektrischen Maschine 500 verbunden. Durch die Drehung einer nicht dargestellten Lenkwelle wird die Zahnstangeneinheit 421 angetrieben, wodurch die Spurstange 422 in eine seitliche Richtung des Fahrzeugs bewegt wird. Dies bewirkt, dass die Reifenradbaugruppe 400 um den unteren Arm 411 und die Stützwellen 414 und 415 des Aufhängungsarms 412 gedreht wird, wodurch sich die Ausrichtung der Reifenradbaugruppe 400 ändert.
Die Bremsvorrichtung kann vorzugsweise aus einer Scheibenbremse oder einer Trommelbremse bestehen. In dieser Ausführungsform hat die Bremsvorrichtung den Scheibenrotor 431 und den Bremssattel 432. Der Scheibenrotor 431 ist an der drehenden Welle 501 der drehenden elektrischen Maschine 500 befestigt. Der Bremssattel 432 ist an der Grundplatte 405 der drehenden elektrischen Maschine 500 befestigt. Der Bremssattel 432 hat einen Bremsbelag, der hydraulisch betätigt und gegen den Scheibenrotor 431 gepresst wird, um eine Bremse in Form von mechanischer Reibung zu erzeugen, wodurch die Drehung der Reifen-Rad-Baugruppe 400 angehalten wird.
An der Reifenradbaugruppe 400 ist auch der Speicherkanal 440 angebracht, in dem das elektrische Kabel H1 und das Kühlrohr H2, die von der drehenden elektrischen Maschine 500 ausgehen, angeordnet sind. Der Speicherkanal 440 erstreckt sich von einem Ende des stationären Abschnitts der drehenden elektrischen Maschine 500 parallel zu einer Stirnfläche der drehenden elektrischen Maschine 500 ohne physische Beeinträchtigung des Aufhängungsarms 412 und ist fest mit dem Aufhängungsarm 412 verbunden, wodurch eine Position der Verbindung des Speicherkanals 440 mit dem Aufhängungsarm 412 relativ zur Grundplatte 405 festgelegt wird. Dadurch werden mechanische Belastungen minimiert, die durch Vibrationen des Fahrzeugs entstehen und auf das elektrische Kabel H1 und das Kühlrohr H2 wirken. Das elektrische Kabel H1 ist elektrisch mit einer Stromversorgung, nicht dargestellt ist, und einer ECU, nicht dargestellt ist, verbunden, die im Fahrzeug montiert sind. Das Kühlrohr H2 ist mit einem nicht dargestellten Kühler verbunden.
Der Aufbau der drehenden elektrischen Maschine 500 wird im Folgenden im Detail beschrieben. Diese Ausführungsform wird sich auf ein Beispiel beziehen, in dem die drehende elektrische Maschine 500 als Radnabenmotor ausgeführt ist. Die drehende elektrische Maschine 500 weist im Vergleich zu einem konventionellen elektrischen Motor eines mit einem Drehzahlminderer ausgestatteten Antriebsaggregats für den Einsatz in Fahrzeugen eine hervorragende Betriebseffizienz und Ausgangsleistung auf. Die drehende elektrische Maschine 500 kann alternativ als elektrischer Motor in einer anderen Anwendung als der Antriebseinheit für Fahrzeuge eingesetzt werden, wenn sie zu geringen Kosten hergestellt werden kann. In einem solchen Fall gewährleistet die drehende elektrische Maschine 500 einen hohen Wirkungsgrad. Der Betriebswirkungsgrad, wie er hier genannt wird, stellt eine Angabe dar, die in Kraftstoffspartests verwendet wird, bei denen Kraftfahrzeuge in bestimmten Fahrmodi betrieben werden.
Der Umriss der drehenden elektrischen Maschine 500 ist in den 48 bis 51 dargestellt. Die 48 ist eine Seitenansicht der drehenden elektrischen Maschine 500, gesehen in axialer Richtung der drehenden Welle 501 (d.h. vom Inneren des Fahrzeugs). Die 49 ist eine Längsschnittansicht der drehenden elektrischen Maschine 500, wie sie entlang der Linie 49-49 in der 48 aufgenommen wurde. Die 50 ist eine Querschnittansicht der drehenden elektrischen Maschine 500, die entlang der Linie 50-50 in der 49 aufgenommen wurde. Die 51 ist eine Explosionsschnittansicht der drehenden elektrischen Maschine 500.
In der folgenden Diskussion wird eine Richtung, in der sich die drehende Welle 501 außerhalb der Fahrzeugkarosserie erstreckt, als axiale Richtung bezeichnet, und eine Richtung senkrecht zur Länge der drehenden Welle 501 wird in der 51 als radiale Richtung bezeichnet. In der 48 werden entgegengesetzte Richtungen, die sich kreisförmig von einem Punkt auf einer Mittellinie aus erstrecken, die durch das Zentrum der drehenden Welle 501 hindurchgeht, mit anderen Worten, das Rotationszentrum des drehenden Abschnitts der drehenden elektrischen Maschine 500 und den Querschnitt 49 der drehenden elektrischen Maschine 500 definiert, als Umfangsrichtung bezeichnet.
Mit anderen Worten, die Umfangsrichtung ist entweder eine Richtung im Uhrzeigersinn oder eine Richtung gegen den Uhrzeigersinn von einem Punkt auf dem Querschnitt 49. In der 49 ist die rechte Seite eine Außenseite des Fahrzeugs, während die linke Seite eine Innenseite des Fahrzeugs ist. Mit anderen Worten, wenn die drehende elektrische Maschine 500 im Fahrzeug montiert ist, ist der Rotor 510, der später im Detail beschrieben wird, näher an der Außenseite der Fahrzeugkarosserie angeordnet als der Rotordeckel 670.
Die drehende elektrische Maschine 500 ist in dieser Ausführungsform als drehende elektrische Maschine mit Außenrotor und Oberflächenmagneten ausgeführt. Die drehende elektrische Maschine 500 hat den Rotor 510, den Stator 520, die Wechselrichtereinheit 530, das Lager 560 und den Rotordeckel 670. Diese Teile sind jeweils koaxial mit der drehenden Welle 501 angeordnet, die einstückig mit dem Rotor 510 bereitgestellt ist, und in einer vorgegebenen Reihenfolge in axialer Richtung zusammengebaut, um die drehende elektrische Maschine 500 zu vervollständigen.
In der drehenden elektrischen Maschine 500 sind der Rotor 510 und der Stator 520 hohlzylindrisch und stehen sich durch einen Luftspalt gegenüber. Die Drehung der drehenden Welle 501 bewirkt, dass der Rotor 510 radial außerhalb des Stators 520 zu drehen. Der Rotor 510 arbeitet als Feldgenerator. Der Stator 520 wirkt als Anker.
Der Rotor 510 hat den hohlzylindrischen Rotorträger 511 und die ringförmige Magneteinheit 512, die an dem Rotorträger 511 befestigt ist. Die drehende Welle 501 ist fest mit dem Rotorträger 511 verbunden.
Der Rotorträger 511 hat den zylindrischen Abschnitt 513. Die Magneteinheit 512 ist an einer inneren Umfangsfläche des zylindrischen Abschnitts 513 fest angebracht. Mit anderen Worten, die Magneteinheit 512 ist von radial außen von dem zylindrischen Abschnitt 513 des Rotorträgers 511 umgeben. Der zylindrische Abschnitt 513 hat ein erstes Ende und ein zweites Ende, die in axialer Richtung einander gegenüberliegen. Das erste Ende ist der Außenseite der Fahrzeugkarosserie zugewandt. Das zweite Ende ist der Grundplatte 405 zugewandt. In dem Rotorträger 511 setzt sich die Endplatte 514 bis zu dem ersten Ende des zylindrischen Abschnitts 513 fort. Das heißt, der zylindrische Abschnitt 513 und die Endplatte 514 sind einteilig ausgebildet oder miteinander verbunden. Der zylindrische Abschnitt 513 hat am zweiten Ende eine Öffnung. Der Rotorträger 511 kann aus einem kaltgewalzten Stahlblech mit hoher mechanischer Festigkeit hergestellt werden. Der Rotorträger 511 ist beispielsweise aus SPCC (steel plate cold commercial) oder SPHC (steel plate hot commercial) gefertigt, das eine größere Dicke als SPCC aufweist. Der Rotorträger 511 kann alternativ aus Schmiedestahl oder kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) hergestellt werden.
Die Länge der drehenden Welle 501 ist größer als eine Abmessung des Rotorträgers 511 in axialer Richtung. Mit anderen Worten, die drehende Welle 501 ragt vom offenen Ende des Rotorträgers 511 nach innen in das Fahrzeug, um ein Ende zu haben, an dem die Bremsvorrichtung montiert ist.
Die Endplatte 514 des Rotorträgers 511 weist das Mittelloch 514a auf, das durch eine Dicke davon hindurchgeht. Die drehende Welle 501 geht durch das Loch 514a der Endplatte 514 hindurch und wird vom Rotorträger 511 gehalten. Die drehende Welle 501 hat den Flansch 502, der sich von einer Verbindung des Rotorträgers 511 zur drehenden Welle 501 in einer Richtung quer oder senkrecht zur Länge der drehenden Welle 501 erstreckt.
Der Flansch 502 hat eine Oberfläche, die mit einer äußeren Oberfläche der Endplatte 514, die nach außen gerichtet ist, fügen, so dass die drehende Welle 501 an dem Rotorträger 511 befestigt ist. In der Reifen-Rad-Baugruppe 400 ist das Rad 402 mit der drehenden Welle 501 unter Verwendung von Befestigungselementen, wie z. B. Bolzen, verbunden, die sich von dem Flansch 502 nach außen in das Fahrzeug erstrecken.
Die Magneteinheit 512 ist aus einer Vielzahl Permanentmagneten aufgebaut, die nebeneinander angeordnet sind und deren magnetische Polaritäten abwechselnd in einer Umfangsrichtung des Rotors 510 vorgesehen sind. Die Magneteinheit 512 weist somit mehrere in der Umfangsrichtung angeordnete magnetische Pole auf. Die Permanentmagnete sind am Rotorträger 511 befestigt, z. B. mit Klebstoff. Die Magneteinheit 512 hat den gleichen Aufbau wie die mit Bezug auf die 8 und 9 besprochene Magneteinheit 42 und besteht aus gesinterten Neodym-Magneten, deren intrinsische Koerzitivkraft 400 [kA/m] oder mehr beträgt und deren remanente Flussdichte 1,0 [T] oder mehr beträgt.
Die Magneteinheit 512 ist, wie die Magneteinheit 42 in der 9, aus polaren anisotropen Magneten aufgebaut und hat die ersten Magnete 91 und die zweiten Magnete 92, die sich in ihrer magnetischen Polarität voneinander unterscheiden.
Wie bereits unter Bezugnahme auf die 8 und 9 beschrieben wurde, ist in jedem der Magnete 91 und 92 die Richtung der leichten Achse der Magnetisierung in einem Bereich nahe der d-Achse verschieden von der der leichten Achse der Magnetisierung in einem Bereich nahe der q-Achse.
Insbesondere kann in jedem der Magnete 91 und 92 die leichte Achse der Magnetisierung in dem Bereich nahe der d-Achse nahezu parallel zur d-Achse ausgerichtet sein, während die leichte Achse der Magnetisierung in dem Bereich nahe der q-Achse nahezu senkrecht zur q-Achse ausgerichtet sein kann, wodurch bogenförmige magnetische Pfade entstehen. In jedem der Magnete 91 und 92 kann die leichte Achse der Magnetisierung in dem Bereich nahe der d-Achse parallel zur d-Achse ausgerichtet sein, während die leichte Achse der Magnetisierung in dem Bereich nahe der q-Achse senkrecht zur q-Achse ausgerichtet sein kann. Kurz gesagt, die Magneteinheit 512 ist magnetisch so ausgerichtet, dass die leichte Achse der Magnetisierung in dem Bereich nahe der d-Achse (d.h., dem Zentrum des Magnetpols) mehr parallel zur d-Achse ausgerichtet ist als in dem Bereich nahe der q-Achse (d.h., der Grenze zwischen den Magnetpolen).
Dementsprechend wirkt die voranstehend beschriebene Struktur jedes der Magnete 91 und 92 so, dass ihr magnetischer Fluss auf der d-Achse verstärkt und eine Änderung des magnetischen Flusses in der Nähe der q-Achse verringert wird. Auf diese Weise können die Magnete 91 und 92 hergestellt werden, die an jedem Magnetpol eine gleichmäßige Änderung des Oberflächenmagnetflusses von der q-Achse zur d-Achse aufweisen. Die Magneteinheit 512 kann so gestaltet sein, dass sie den gleichen Aufbau wie die in den 22 und 23 oder in der 30 dargestellte Magneteinheit 42 hat.
Die Magneteinheit 512 kann mit einem Rotorkern (d.h. einem Rückenjoch) ausgestattet sein, der aus einer Vielzahl magnetischen Stahlplatten besteht, die in axialer Richtung gestapelt sind und in der Nähe des zylindrischen Abschnitts 513 des Rotorträgers 511, d.h. in der Nähe von dessen Außenumfang, angeordnet sind. Mit anderen Worten, der Rotorkern kann radial innerhalb des zylindrischen Abschnitts 513 des Rotorträgers 511 vorgesehen sein, und die Permanentmagnete (d.h. die Magnete 91 und 92) können radial innerhalb des Rotorkerns angeordnet sein.
Zurückkommend auf die 47 sind in dem zylindrischen Abschnitt 513 des Rotorträgers 511 die Ausnehmungen 513a ausgebildet, die in einem bestimmten Abstand voneinander in der Umfangsrichtung des zylindrischen Abschnitts 513 angeordnet sind und sich in axialer Richtung des zylindrischen Abschnitts 513 erstrecken. Die Ausnehmungen 513a werden z. B. mit Hilfe von z. B. einer Presse hergestellt. Der zylindrische Abschnitt 513 weist, wie in der 52 zu sehen ist, Ausbuchtungen oder Vorsprünge 513b auf, die jeweils an einem Innenumfang desselben fluchtend zu einer jeweiligen der Ausnehmungen 513 in radialer Richtung des zylindrischen Abschnitts 513 ausgebildet sind.
Die Magneteinheit 512 hat an ihrem Außenumfang die Ausnehmungen 512a ausgebildet, von denen jede auf einen entsprechenden der Vorsprünge 513b des zylindrischen Abschnitts 513 eingepasst ist. Mit anderen Worten: Die Vorsprünge 513b des zylindrischen Abschnitts 513 sind in den Ausnehmungen 512a vorgesehen, wodurch die Magneteinheit 512 an einer Bewegung in der Umfangsrichtung des Rotorträgers 511 gehindert wird. Die Vorsprünge 513b des Rotorträgers 511 dienen somit als Stopper, um das Drehen der Magneteinheit 512 anzuhalten. Die Vorsprünge 513b können alternativ auch auf eine andere bekannte Weise als die Pressverfahren ausgebildet sein.
Die 52 stellt Magnetpfade dar, die von den Magneten der Magneteinheit 512 erzeugt werden und durch Pfeile angedeutet sind. Jeder der Magnetpfade erstreckt sich bogenförmig und kreuzt die q-Achse, die sich an der Grenze zwischen den Magnetpolen befindet. Jeder der Magnetpfade ist im Bereich nahe der d-Achse parallel oder nahezu parallel zur d-Achse (d.h. zur Mitte eines entsprechenden Magnetpols) ausgerichtet. Die Magneteinheit 512 hat die Ausnehmungen 512b, die in einer inneren Umfangsfläche davon ausgebildet sind und auf der q-Achse liegen. Die magnetischen Pfade in der Magneteinheit 512 haben unterschiedliche Längen zwischen einem Bereich in der Nähe des Stators 520 (d.h. eine untere Seite in der Zeichnung) und einem Bereich weit vom Stator 520 (d.h. eine obere Seite in der Zeichnung). Insbesondere ist die Länge des magnetischen Pfades in der Nähe des Stators 520 kürzer als die des magnetischen Pfades fern des Stators 520.
Jede der Aussparungen 512b befindet sich auf der kürzesten Länge des Magnetpfades. Mit anderen Worten, um zu vermeiden, dass eine unzureichende Menge an magnetischem Fluss um den kürzeren magnetischen Pfad herum vorhanden ist, ist die Magneteinheit 512 so geformt, dass sie entfernte Abschnitte aufweist, in denen der magnetische Fluss ansonsten schwach wäre.
Im Allgemeinen wird die effektive magnetische Flussdichte Bd eines Magneten mit zunehmender Länge eines Magnetkreises, der durch den Magneten hindurchgeht, hoch. Der Permeanzkoeffizient Pc und die effektive magnetische Flussdichte Bd des Magneten haben eine Beziehung, in der, wenn einer von ihnen hoch wird, der andere auch hoch wird. Die in der 52 dargestellte Struktur ermöglicht eine Verringerung des Volumens der Magnete mit einem minimierten Risiko der Abnahme des Permeanzkoeffizienten Pc, der ein Hinweis auf den Grad der effektiven magnetischen Flussdichte der Magnete ist.
Im B-H-Koordinatensystem ist ein Schnittpunkt einer Permeanzgeraden und einer Entmagnetisierungskurve gemäß der Konfiguration eines Magneten ein Arbeitspunkt. Die magnetische Flussdichte im Arbeitspunkt stellt die effektive magnetische Flussdichte Bd dar. Die drehende elektrische Maschine 500 in dieser Ausführungsform ist so konstruiert, dass der Stator 520, in dem die Menge an Eisen verringert wird und ist sehr effektiv in mit dem magnetischen Kreis, der die q-Achse.
Die Ausnehmungen 512b der Magneteinheit 512 können als sich in axialer Richtung erstreckende Luftwege geNutzt werden, wodurch die Kühlbarkeit der drehenden elektrischen Maschine 500 verbessert wird.
Als nächstes wird der Aufbau des Stators 520 beschrieben.
Der Stator 520 hat die Statorwicklung, d.h. die Statorspule, 521 und den Statorkern 522. Die 53 ist eine Explosionsansicht der Statorwicklung 521 und des Statorkerns 522.
Die Statorwicklung 521 besteht aus einer Vielzahl Phasenwicklungen, die hohlzylindrisch ausgebildet sind. Der als Basiselement dienende Statorkern 522 ist radial innerhalb der Statorwicklung 521 angeordnet. In dieser Ausführungsform hat die Statorwicklung 521 drei Phasenwicklungen: eine U-Phasenwicklung, eine V-Phasenwicklung und eine W-Phasenwicklung. Jede der U-Phasen-Wicklung, der V-Phasen-Wicklung und der W-Phasen-Wicklung besteht aus zwei Schichten des Leiters 523: einer äußeren Schicht und einer inneren Schicht, die sich radial innerhalb der äußeren Schicht befindet. Der Stator 520 ist, wie der voranstehend beschriebene Stator 50, mit einer schlitzlosen Struktur und der abgeflachten Statorwicklung 521 ausgeführt. Der Stator 520 hat daher im Wesentlichen den gleichen Aufbau wie der in den 8 bis 16 dargestellte Stator 50.
Der Aufbau des Statorkerns 522 wird im Folgenden beschrieben.
Der Statorkern 522 besteht, wie der voranstehend beschriebene Statorkern 52, aus einer Vielzahl magnetischen Stahlblechen, die in axialer Richtung in Form eines Hohlzylinders mit einer bestimmten Dicke in radialer Richtung gestapelt sind. Die Statorwicklung 521 ist an einem radial äußeren Umfang des Statorkerns 522 angebracht, der dem Rotor 510 zugewandt ist. Der Statorkern 522 weist keine wesentlichen Unregelmäßigkeiten an seiner äußeren Umfangsfläche auf. In der Montage des Statorkerns 522 und der Statorwicklung 521 sind die Leiter 523 der Statorwicklung 521 in der Umfangsrichtung nebeneinander auf der äußeren Umfangsfläche des Statorkerns 522 angeordnet. Der Statorkern 522 fungiert als Rückenkern.
Der Stator 520 kann mit einer der folgenden Strukturen ausgeführt sein:

(A) Der Stator 520 weist Leiter-zu-Leiter-Elemente auf, die jeweils in der Umfangsrichtung zwischen den Leitern 523 angeordnet sind. Als Leiter-Leiter-Elemente wird ein magnetisches Material verwendet, das die Beziehung Wt x Bs ≤ Wm × Br erfüllt, wobei Wt eine Breite der Leiter-Leiter-Elemente in der Umfangsrichtung innerhalb eines Magnetpols ist, Bs die Sättigungsmagnetflussdichte der Leiter-Leiter-Elemente ist, Wm eine Breite der Magneteinheit 512 ist, die einem Magnetpol in der Umfangsrichtung entspricht, und Br die Remanenzflussdichte in der Magneteinheit 512 ist.
(B) Der Stator 520 weist die Leiter-zu-Leiter-Elemente auf, von denen jedes zwischen den Leitern 523 in der Umfangsrichtung angeordnet ist. Die Leiter-Leiter-Elemente sind jeweils aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt.
(C) Der Stator 520 weist kein Leiter-zu-Leiter-Element auf, das in der Umfangsrichtung zwischen den Leitern 523 angeordnet ist.

Die voranstehend beschriebene Struktur des Stators 520 führt zu einer Verringerung der Induktanz im Vergleich zu typischen drehenden elektrischen Maschinen, die mit Zähnen (d.h. Eisenkern) ausgestattet sind, die einen magnetischen Pfad zwischen Leitern einer Statorwicklung erzeugen.
Insbesondere ermöglicht die Struktur des Stators 520, dass die Induktanz ein Zehntel oder weniger als in der Struktur nach dem Stand der Technik beträgt. Normalerweise führt die Reduzierung der Induktanz zu einer Reduzierung der Impedanz. Die drehende elektrische Maschine 500 ist daher so ausgelegt, dass die Ausgangsleistung relativ zur Eingangsleistung erhöht wird, um den Grad des Ausgangsdrehmoments zu erhöhen. Die drehende elektrische Maschine 500 ist auch in der Lage, einen höheren Grad an Leistung zu erzeugen als drehende elektrische Maschinen, die einen magnetisch eingebetteten Rotor verwenden und ein Ausgangsdrehmoment unter Verwendung einer Impedanzspannung (d. h. ein Reluktanzdrehmoment) erzeugen.
In dieser Ausführungsform ist die Statorwicklung 521 zusammen mit dem Statorkern 522 in Form einer einzigen Einheit unter Verwendung eines harzartigen Formmaterials (d.h. Isoliermaterial) ausgebildet. Das Formteilmaterial nimmt einen Zwischenraum zwischen jeweils zwei benachbarten, in der Umfangsrichtung angeordneten Leitern 523 ein. Dieser Aufbau des Stators 520 entspricht dem im voranstehend beschriebenen Punkt (B). Die in der Umfangsrichtung benachbart zueinander angeordneten Leiter 523 können in der Umfangsrichtung einander zugewandte Oberflächen aufweisen, die in direkter Berührung miteinander oder durch einen kleinen Spalt dazwischen einander gegenüberliegend angeordnet sind. Diese Struktur ist äquivalent zu dem voranstehend beschriebenen Punkt (C). Wenn die Struktur im voranstehend beschriebenen Punkt (A) verwendet wird, ist die äußere Umfangsfläche des Statorkerns 522 vorzugsweise so geformt, dass sie Vorsprünge gemäß der Orientierung der Leiter 523 in axialer Richtung aufweist, d.h. einen Schrägwinkel in einem Fall, in dem die Statorwicklung 521 eine schräge Struktur aufweist.
Der Aufbau der Statorwicklung 521 wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die 54(a) und 54(b) beschrieben.
Die 54(a) ist eine Teilabwicklungsansicht, die eine Anordnung der Leiter 523 darstellt, die in Form einer äußeren von zwei sich in radialer Richtung der Statorwicklung 521 überlappenden Lagen ausgebildet sind. Die 54(b) ist eine teilweise entwickelte Ansicht, die eine Anordnung der Leiter 523 darstellt, die in Form einer inneren der beiden Lagen ausgebildet ist.
Die Statorwicklung 521 ist als ringförmig verteilte Wicklung ausgebildet. Die Statorwicklung 521 ist aus den Leitern 523 aufgebaut, die in Form von zwei Schichten ausgebildet sind: einer äußeren Schicht und einer inneren Schicht, die sich in radialer Richtung der Statorwicklung 521 überlappen. Die Leiter 523 der äußeren Lage sind, wie in den 54(a) und 54(b) zu sehen ist, in einer anderen Orientierung als die Leiter 523 der inneren Lage schräg angeordnet. Die Leiter 523 sind elektrisch gegeneinander isoliert. Jeder der Leiter 523 ist, wie in der 13 dargestellt ist, vorzugsweise aus einer Ansammlung von Drähten 86 hergestellt. So sind in der Umfangsrichtung der Statorwicklung 521 jeweils zwei der stromdurchflossenen Leiter 523 in gleicher Richtung für die gleiche Phase nebeneinander angeordnet. Dementsprechend bilden in der Statorwicklung 521 jeweils zwei der in der Umfangsrichtung angeordneten Leiter 523 in der äußeren und inneren Lage, also insgesamt vier der Leiter 523, einen Leiterabschnitt der Statorwicklung 521 für jede Phase. Die Leiterabschnitte sind in jedem Magnetpol einer bereitgestellt.
Der Leiterabschnitt ist vorzugsweise so geformt, dass er für jede Phase in jedem Pol eine Dicke (d.h. eine Abmessung in radialer Richtung) aufweist, die kleiner ist als seine Breite (d.h. eine Abmessung in der Umfangsrichtung). Mit anderen Worten, die Statorwicklung 521 ist vorzugsweise mit einer abgeflachten Leiterstruktur ausgeführt. Beispielsweise definieren insgesamt acht der Leiter 523: vier in der Umfangsrichtung nebeneinander angeordnete in jeder der äußeren und inneren Lagen vorzugsweise jeden Leiterabschnitt für jede Phase in der Statorwicklung 521. Alternativ kann jeder der Leiter 523 so geformt sein, dass er einen Querschnitt aufweist, wie in der 50 dargestellt ist, dessen Dicke (d. h. eine Abmessung in radialer Richtung) größer sein kann als eine Breite (d. h. eine Abmessung in der Umfangsrichtung).
Die Statorwicklung 521 kann alternativ mit dem gleichen Aufbau wie die in der 12 dargestellte Statorwicklung 51 ausgeführt sein. Dieser Aufbau erfordert jedoch, dass der Rotorträger 511 einen Innenraum aufweist, in dem Spulenenden der Statorwicklung 521 angeordnet sind.
Die Statorwicklung 521 hat, wie in der 54(a) zu sehen ist, die Spulenseite 525, die den Statorkern 522 in dessen radialer Richtung überlappt. Die Spulenseite 525 setzt sich aus Abschnitten der Leiter 523 zusammen, die in einem bestimmten Winkel zur Achse der Statorwicklung 521 schräg verlaufen bzw. geneigt sind und in der Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sind. Die Statorwicklung 521 hat auch die Spulenenden 526, die sich außerhalb der Spulenseite 525 in deren axialer Richtung befinden. Jedes der Spulenenden 526 wird aus Abschnitten der Leiter 523 gebildet, die in axialer Richtung nach innen gedreht sind, um Verbindungen der Leiter 523 der Spulenseite 525 zu bilden.
Die 54(a) stellt die Spulenseite 525 und die Spulenenden 526 in der äußeren Schicht der Leiter 523 der Statorwicklung 521 dar. Die Leiter 523 der inneren Schicht und die Leiter 523 der äußeren Schicht sind durch die Spulenenden 526 elektrisch miteinander verbunden. Mit anderen Worten, jeder der Leiter 523 der äußeren Schicht ist in axialer Richtung verdreht und führt über das Spulenende 526 zu einem entsprechenden der Leiter 523 der inneren Schicht. Kurz gesagt, eine Richtung, in der Strom in der Statorwicklung 521 fließt, ist zwischen der äußeren und der inneren Schicht der Leiter 523, die verbunden sind, um sich in der Umfangsrichtung zu erstrecken, umgekehrt.
Die Statorwicklung 521 hat Endbereiche, die ihre in axialer Richtung einander gegenüberliegenden Enden definieren, und einen Zwischenbereich zwischen den Endbereichen. Jeder der Leiter 523 hat einen unterschiedlichen Schräglaufwinkel zwischen den Endbereichen und dem Zwischenbereich. Insbesondere ist der Schrägungswinkel ein Winkel, den jeder der Leiter 523 mit einer Linie bildet, die sich parallel zur Achse der Statorwicklung 521 erstreckt.
Die Leiter 523 haben, wie in der 55 dargestellt ist, den Schrägungswinkel θs1 im Zwischenbereich und den Schrägungswinkel θs2 in den Endbereichen, der sich vom Schrägungswinkel θs1 unterscheidet. Der Schräglaufwinkel θs1 ist kleiner als der Schräglaufwinkel θs2. Die Endbereiche der Statorwicklung 521 sind so definiert, dass sie teilweise die Spulenseite 525 einnehmen. Der Schräglaufwinkel θs1 und der Schräglaufwinkel θs2 sind Winkel, unter denen die Leiter 523 in der axialen Richtung der Statorwicklung 521 geneigt sind. Der Schräglaufwinkel θs1 im mittleren Bereich wird vorzugsweise so gewählt, dass er ein Winkel ist, der geeignet ist, harmonische Bauteile des magnetischen Flusses zu entfernen, die aus der Erregung der Statorwicklung 521 resultieren.
Der Schräglaufwinkel jedes der Leiter 523 der Statorwicklung 521 ist, wie oben beschrieben, so gewählt, dass er zwischen dem Zwischenbereich und den Endbereichen unterschiedlich ist. Der Schrägungswinkel θs1 im Zwischenbereich ist kleiner eingestellt als der Schrägungswinkel θs2 in den Endbereichen, wodurch die Größe der Spulenenden 526 verringert wird, aber ein Wicklungsfaktor der Statorwicklung 521 erhöht werden kann. Mit anderen Worten ist es für die Statorwicklung 521 möglich, die Länge der Spulenenden 526, d.h. der Abschnitte der Leiter 523, die sich außerhalb des Statorkerns 522 in axialer Richtung erstrecken, zu verringern, ohne einen gewünschten Wicklungsfaktor zu opfern, wodurch die drehende elektrische Maschine 500 verkleinert und der Grad des Drehmoments erhöht werden kann.
Ein geeigneter Bereich des Schräglaufwinkels θs1 im mittleren Bereich wird weiter unten diskutiert. In dem Fall, in dem die X Leiter 523, wobei X die Anzahl der Leiter 523 ist, in einem Magnetpol der Statorwicklung 521 angeordnet sind, wird die Erregung der Statorwicklung 521 als Erzeugung einer X-ten Harmonischen betrachtet. Wenn die Anzahl der Phasen als S und die Anzahl der Leiter 523 für jede Phase als m definiert ist, dann ist X = 2 × S × m. Die Offenleger oder Erfinder dieser Anwendung haben sich auf die Tatsache konzentriert, dass eine X-te Harmonische äquivalent zu einer Kombination aus einer (X-1)-ten Harmonischen und einer (X+1)-ten Harmonischen ist, und die X-te Harmonische kann reduziert werden, indem mindestens entweder die (X-1)-te Harmonische oder die (X+1)-te Harmonische reduziert wird, und haben herausgefunden, dass die X-te Harmonische reduziert wird, indem der Schrägungswinkel θs1 so gewählt wird, dass er in einen Bereich von 360°/(X+1) bis 360°/(X-1) in Bezug auf den elektrischen Winkel fällt.
Wenn z. B. S = 3 und m = 2 ist, wird der Schräglaufwinkel θs1 so bestimmt, dass er in einen Bereich von 360°/13 bis 360°/11 fällt, um die zwölfte Harmonische (d. h. X = 12) zu verringern. Insbesondere wird der Schrägungswinkel θs1 aus einem Bereich von 27,7° bis 32,7° ausgewählt.
Der Schrägungswinkel θs1 jedes der Leiter 523 in dem Zwischenbereich, der auf die voranstehend beschriebene Weise bestimmt wird, erleichtert oder verstärkt die Verkettung der magnetischen Flüsse, wie sie von den N-Polen und S-Polen der abwechselnd angeordneten Magneten erzeugt werden, in den Zwischenbereichen der Leiter 523, wodurch der Wicklungsfaktor der Statorwicklung 521 erhöht wird.
Der Schräglaufwinkel θs2 in den Endbereichen wird so bestimmt, dass er größer ist als der Schräglaufwinkel θs1 im Zwischenbereich der Leiter 523. Der Schrägungswinkel θs2 wird so gewählt, dass er eine Beziehung von θs1 < θs2 < 90° erfüllt.
In der Statorwicklung 521 ist das Ende jedes der Leiter 523 der inneren Schicht mit dem Ende eines jeweiligen der Leiter 523 der äußeren Schicht durch Schweiß- oder Klebetechniken verbunden. Alternativ kann jeder der Leiter 523 der inneren Schicht und ein entsprechender der Leiter 523 der äußeren Schicht aus einem einzelnen Leiter mit einem gekrümmten oder gebogenen Abschnitt, der eine Endverbindung davon definiert, hergestellt werden. In der Statorwicklung 521 ist eines der Enden jeder Phasenwicklung, d. h. eines der axial gegenüberliegenden Spulenenden 526 jeder Phasenwicklung, elektrisch mit einem Leistungswandler (d. h. einem Wechselrichter) verbunden, z. B. über einen Bus.
Der Aufbau der Statorwicklung 521, in dem die Leiter 523 auf unterschiedliche Weise zwischen dem näher an der Stromschiene liegenden Spulenende 526 und dem weiter von der Stromschiene entfernten Spulenende 526 zusammengefügt sind, wird im Folgenden beschrieben.
Die Leiter 523 der Statorwicklung 521 mit dem ersten Aufbau sind an den näher an den Stromschienen liegenden Spulenenden 526 miteinander verschweißt, während sie an den weiter von den Stromschienen entfernten Spulenenden 526 auf andere Weise verbunden sind als durch Schweißen. Beispielsweise kann ein einzelner Leiter so geformt sein, dass er einen gekrümmten oder gebogenen Abschnitt aufweist, der das weiter von der Stromschiene entfernte Spulenende 523 definiert, um jeweils zwei der Leiter 523 zu bilden. Das Ende jeder Phasenwicklung ist, wie oben beschrieben, an dem näher an der Stromschiene liegenden Spulenende 526 mit der Stromschiene verschweißt. Die sammelschienennäheren Spulenenden 526 können also in einem Arbeitsgang miteinander verschweißt werden, um die Leiter 523 zu verbinden. Dies verbessert den Wirkungsgrad in der Herstellung der Statorwicklung 521.
Die Leiter 523 der Statorwicklung 521 mit der zweiten Struktur sind an den näher an den Stromschienen liegenden Spulenenden 526 anders als durch Schweißen verbunden und an den weiter von den Stromschienen entfernten Spulenenden 526 zusammengeschweißt. In einem Fall, in dem die Leiter 523 an den Spulenenden 526 näher an den Stromschienen zusammengeschweißt werden, ist es notwendig, den Abstand zwischen den Stromschienen und den Spulenenden 526 zu vergrößern, um eine mechanische Beeinträchtigung zwischen den Schweißnähten und den Stromschienen zu vermeiden.
In der zweiten Struktur entfällt diese Notwendigkeit jedoch und es kann ein Abstand zwischen den Stromschienen und den Spulenenden 526 verringert werden, wodurch die Anforderungen an eine axiale Abmessung der Statorwicklung 521 oder an die Stromschienen entfallen.
Die Leiter 523 der Statorbeflügelung 521 mit der dritten Struktur sind an allen Spulenenden 526 durch Schweißtechniken miteinander verbunden. Diese Struktur ermöglicht es, dass jeder der Leiter 523 aus einer kürzeren Länge des Leiters als die voranstehend beschriebenen Strukturen hergestellt werden kann, und eliminiert auch die Notwendigkeit für das Biegen oder Krümmen von Leitern, um die Effizienz in der Fertigstellung der Statorwicklung 521 zu verbessern.
Die Statorwicklung 521 mit der vierten Struktur wird ohne Schweißen der Spulenenden 526 aller Leiter 523 fertiggestellt. Dies minimiert oder eliminiert geschweißte Abschnitte der Statorwicklung 521, wodurch das Risiko minimiert wird, dass die elektrische Isolierung der Leiter 532 an den Schweißstellen beschädigt werden kann.
Die Statorwicklung 521 kann hergestellt werden, indem eine gewebte Anordnung von Leiterstreifen vorbereitet wird, die horizontal angeordnet sind, und diese dann zu einem Zylinder gebogen werden. In diesem Fall können die Spulenenden 526 der Leiterstreifen miteinander verschweißt werden, bevor die Leiterstreifen gebogen werden. Das Biegen der Leiterstreifen zu einem Zylinder kann dadurch erreicht werden, dass die Anordnung der Leiterstreifen um einen Kreiszylinder gewickelt wird, der im Durchmesser mit dem Statorkern 522 identisch ist, oder alternativ dadurch, dass die Anordnung der Leiterstreifen direkt um den Statorkern 522 gewickelt wird.
Die Statorwicklung 521 kann alternativ mit einer der folgenden Strukturen ausgeführt sein.
Die in den 54(a) und 54(b) dargestellte Statorwicklung 521 kann alternativ den Zwischenbereich und die Endbereiche aufweisen, die im Schrägungswinkel zueinander identisch sind.
Die in den 54(a) und 54(b) dargestellte Statorwicklung 521 kann alternativ die Leiter 523 aufweisen, die in der Umfangsrichtung gleichphasig nebeneinander angeordnet sind und deren Enden durch senkrecht zur Axialrichtung der Statorwicklung 521 verlaufende Verbindungsleiter miteinander verbunden sind.
Die Statorwicklung 521 kann in Form von (2 × n) ringförmigen Lagen ausgebildet sein. Zum Beispiel kann die Statorwicklung 521 so geformt sein, dass sie 4 oder 6 sich überlappende ringförmige Lagen aufweist.
Der Aufbau der Wechselrichtereinheit 530, die als Leistungswandlereinheit arbeitet, wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die 56 und 57 beschrieben, die Explosionsschnittansichten sind. Die 57 stellt zwei Unterbaugruppen von Teilen der in der 56 dargestellten Wechselrichtereinheit 530 dar.
Die Wechselrichtereinheit 530 hat das Wechselrichtergehäuse 531, eine Vielzahl elektrischen Modulen 532, die in dem Wechselrichtergehäuse 531 angeordnet sind, und das Stromschienenmodul 533, das die elektrischen Module 532 elektrisch miteinander verbindet.
Das Wechselrichtergehäuse 531 hat die hohlzylindrische Außenwand 541, die hohlzylindrische Innenwand 542 und den Buckel 543. Die Innenwand 542 ist im Außendurchmesser kleiner als die Außenwand 541 und radial innerhalb der Außenwand 541 angeordnet. Das gewölbte Element 543 ist an einem der axial gegenüberliegenden Enden der Innenwand 542 befestigt. Diese Elemente 541, 542 und 543 sind jeweils vorzugsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material, wie z. B. kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK), gefertigt. In dem Wechselrichtergehäuse 531 überlappen sich die Außenwand 541 und die Innenwand 542 in radialer Richtung. Das gebuckelte Element 543 ist, wie in der 57 dargestellt ist, am axialen Ende der Innenwand 542 angebracht.
Der Statorkern 522 ist an einem Außenumfang der Außenwand 541 des Wechselrichtergehäuses 531 befestigt, wodurch der Stator 520 und die Wechselrichtereinheit 530 als eine Einheit zusammengebaut werden.
Die Außenwand 541 hat, wie in der 56 dargestellt ist, eine Vielzahl Schlitzen oder Vertiefungen 541a, 541b und 541c, die in einer inneren Umfangsfläche davon ausgebildet sind. Die Innenwand 542 weist eine Vielzahl Schlitzen oder Vertiefungen 542a, 542b und 542c auf, die in ihrer äußeren Umfangsfläche ausgebildet sind. Wenn die Außenwand 541 und die Innenwand 542 zusammengebaut sind, werden drei innere Kammern, die ringförmigen Kammern 544a, 544b und 544c, wie in der 57 zu sehen ist, durch die Ausnehmungen 541a, 541b und 541c und die Ausnehmungen 542a, 542b und 542c definiert.
Die Ringkammer 544b, die sich zwischen den Ringkammern 544a und 544c befindet, dient als Kühlmittelweg 545, durch den Kühlwasser oder Kühlmittel fließt. In den Ringkammern 544a und 544c, die sich axial außerhalb der Ringkammer 544b (d. h. des Kühlmittelpfads 545) befinden, sind die Dichtelemente 546 angeordnet. Die Dichtelemente 546 dichten die Ringkammer 544b (d. h. den Kühlmittelpfad 545) hermetisch ab. Der Kühlmittelpfad 545 wird später noch im Detail besprochen.
Das Vorsprungselement 543 hat die ringförmige, scheibenförmige Endplatte 547 und den Vorsprung 548, der von der Endplatte 547 in das Gehäuse 531 ragt. Der Vorsprung 548 hat eine hohlzylindrische Form. Insbesondere hat die Innenwand 542 ein erstes Ende und ein zweites Ende, das dem ersten Ende in axialer Richtung gegenüberliegt und näher an einem voranstehenden Ende der drehenden Welle 501 (d.h. im Inneren des Fahrzeugs) liegt. Das Vorsprungselement 543 ist, wie in der 51 zu sehen, am zweiten Ende der Innenwand 542 befestigt. In der in der 45 bis 47 dargestellten Radbaugruppe 400 ist die Grundplatte 405 am Wechselrichtergehäuse 531 (insbesondere an der Endplatte 547 des Buckels 543) befestigt.
Das Wechselrichtergehäuse 531 ist doppelwandig aufgebaut und besteht aus äußeren und inneren Umfangswänden, die sich in radialer Richtung des Wechselrichtergehäuses 531 überlappen. Die äußere Umfangswand des Wechselrichtergehäuses 531 wird durch eine Kombination aus der Außenwand 541 und der Innenwand 542 gebildet. Die innere Umfangswand des Wechselrichtergehäuses 531 wird durch den Vorsprung 548 begrenzt. Im Folgenden wird die äußere Umfangswand, die durch die Außenwand 541 und die Innenwand 542 definiert ist, auch als äußere Umfangswand WA1 bezeichnet. Die innere Umfangswand, die durch den Vorsprung 548 definiert ist, wird auch als innere Umfangswand WA2 bezeichnet.
Das Wechselrichtergehäuse 531 weist einen ringförmigen Innenraum auf, der zwischen der äußeren Umfangswand WA1 und der inneren Umfangswand WA2 begrenzt ist und in dem die elektrischen Module 532 in der Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sind. Die elektrischen Module 532 sind an einem Innenumfang der Innenwand 542 mittels Klebstoff oder Schraubzwingen (z. B. Schrauben) fest angebracht. Das Wechselrichtergehäuse 531 wird auch als Gehäuseteil bezeichnet. Die elektrischen Module 532 werden auch als elektrische Teile oder elektrische Geräte bezeichnet.
Das Lager 560 ist innerhalb der inneren Umfangswand WA2 (d.h. der Nabe 548) vorgesehen. Das Lager 560 hält die drehende Welle 501 drehbar. Das Lager 560 ist als Nabenlager ausgebildet, das in der Mitte des Rades 402 angeordnet ist, um die Reifen-Rad-Baugruppe 400 drehbar zu halten. Das Lager 560 ist so angeordnet, dass es den Rotor 510, den Stator 520 und die Wechselrichtereinheit 530 in deren radialer Richtung überlappt.
In der drehenden elektrischen Maschine 500 dieser Ausführungsform ermöglicht die voranstehend beschriebene magnetische Ausrichtung des Rotors 510, dass die Magneteinheit 512 eine verringerte Dicke aufweist. Der Stator 520 hat, wie oben beschrieben, eine schlitzlose Struktur und verwendet abgeflachte Leiter. Dies ermöglicht es dem Magnetkreis, eine in radialer Richtung verringerte Dicke zu haben, wodurch das Raumvolumen radial innerhalb des Magnetkreises vergrößert wird. Durch diese Anordnung können der Magnetkreis, die Wechselrichtereinheit 530 und das Lager 560 in radialer Richtung gestapelt werden. Die Nabe 548 dient auch als Lagerhalterung, in der das Lager 560 angeordnet ist.
Das Lager 560 wird beispielsweise durch ein Radialkugellager realisiert, wie in der 51 zu sehen ist, das den zylindrischen Innenring 561, den zylindrischen Außenring 561, der einen größeren Durchmesser als der Innenring 561 hat und radial außerhalb des Innenrings 561 angeordnet ist, und die zwischen dem Innenring 561 und dem Außenring 562 angeordneten Kugeln 563 hat. Der Außenring 562 ist in das Vorsprungsteil 543 eingepasst, wodurch das Lager 560 am Wechselrichtergehäuse 531 befestigt wird. Der Innenring 561 ist in die drehende Welle 501 eingepasst. Der innere Laufring 561, der äußere Laufring 562 und die Kugeln 563 sind aus metallischem Material, wie z. B. Kohlenstoffstahl, gefertigt.
Der Innenring 561 des Lagers 560 hat den Zylinder 561a, in dem die drehende Welle 501 angeordnet ist, und den Flansch 561b, der sich von einem Ende des Zylinders 561 a in eine Richtung senkrecht zur Achse des Lagers 560 erstreckt. Der Flansch 561b befindet sich in Berührung mit einer Innenfläche der Endplatte 514 des Rotorträgers 511. Nachdem das Lager 560 auf der drehenden Welle 501 montiert ist, wird der Rotorträger 511 zwischen dem Flansch 502 der drehenden Welle 501 und dem Flansch 561b des inneren Laufrings 561 festgehalten oder gehalten. Der Winkel (d.h. 90° in dieser Ausführungsform), den der Flansch 503 der drehenden Welle 501 mit der Achse der drehenden Welle 501 einschließt, ist identisch mit dem Winkel, den der Flansch 561b des Innenringes 561 mit der Achse der drehenden Welle 501 einschließt. Der Rotorträger 511 wird zwischen den Flanschen 502 und 561b fest gehalten.
Der Rotorträger 511 wird durch den Innenring 561 des Lagers 560 von innen abgestützt, wodurch die Stabilität beim Halten des Rotorträgers 511 relativ zur drehenden Welle 501 in einem erforderlichen Winkel gewährleistet wird, wodurch ein gewünschter Grad der Parallelität der Magneteinheit 512 zur drehenden Welle 501 erreicht wird. Dadurch wird die Widerstandsfähigkeit des Rotorträgers 511 gegenüber mechanischen Schwingungen erhöht, obwohl der Rotorträger 511 in radialer Richtung vergrößert ausgeführt ist.
Im Folgenden wird auf die elektrischen Module 532 eingegangen, die im Wechselrichtergehäuse 531 aufgenommen sind.
Die elektrischen Module 532 bestehen aus einer Vielzahl Modulen, die jeweils elektrische Bauelemente, wie z. B. Halbleiterschalter und Glättungskondensatoren, haben, die einen Leistungswandler bilden. Insbesondere haben die elektrischen Module 532 die Schaltmodule 532A, die mit Halbleiterschaltern (d.h. Leistungsgeräten) ausgestattet sind, und die Kondensatormodule 532B, die mit Glättungskondensatoren ausgestattet sind.
Eine Vielzahl Zwischenräumen 549 sind, wie in den 49 und 50 dargestellt ist, an der inneren Umfangsfläche der Innenwand 542 befestigt. Die Zwischenräume 549 haben jeweils eine ebene Fläche, an der eines der elektrischen Module 532 befestigt ist. Die innere Umfangsfläche der Innenwand 542 ist gekrümmt, während jedes der elektrischen Module 532 eine ebene Fläche zur Befestigung an der Innenwand 542 aufweist. Jeder der Zwischenräume 549 ist daher so geformt, dass die ebene Fläche von der Innenwand 542 abgewandt ist. Die elektrischen Module 532 werden an den ebenen Flächen der Abstandshalter 549 befestigt.
Die Abstandshalter 549 müssen nicht unbedingt zwischen der Innenwand 542 und den elektrischen Modulen 532 angeordnet sein. Zum Beispiel kann die Innenwand 542 so geformt sein, dass sie flache Abschnitte aufweist. Alternativ kann jedes der elektrischen Module 532 so geformt sein, dass es eine gekrümmte Oberfläche aufweist, die direkt an der Innenwand 542 befestigt ist. Die elektrischen Module 532 können alternativ auch ohne Berührung mit der Innenumfangsfläche der Innenwand 542 am Wechselrichtergehäuse 531 befestigt werden. Beispielsweise können die elektrischen Module 532 an der Endplatte 547 des Vorsprungs 543 befestigt werden. Die Schaltmodule 532A können an der inneren Umfangsfläche der Innenwand 542 befestigt werden, ohne mit dieser in Berührung zu kommen. Ebenso können die Kondensatormodule 532B an der inneren Umfangsfläche der Innenwand 542 befestigt werden, ohne diese zu berühren.
In einem Fall, in dem die Abstandshalter 549 auf der inneren Umfangsfläche der Innenwand 542 vorgesehen sind, wird eine Kombination aus der äußeren Umfangswand WA1 und den Abstandshaltern 549 als ein zylindrischer Abschnitt bezeichnet. Alternativ dazu wird in einem Fall, in dem die Abstandshalter 549 nicht verwendet werden, die äußere Umfangswand WA1 selbst als zylindrischer Abschnitt bezeichnet.
In der Außenumfangswand WA1 des Wechselrichtergehäuses 531 ist, wie bereits beschrieben, der Kühlmittelpfad 545 ausgebildet, in dem Kühlwasser zur Kühlung der elektrischen Module 532 fließt. Anstelle des Kühlwassers kann auch Kühlöl verwendet werden. Der Kühlmittelpfad 545 ist ringförmig ausgebildet und passt sich der Form der äußeren Umfangswand WA1 an. Das Kühlwasser geht im Kühlmittelpfad 545 von einer stromaufwärts bis zu einer stromabwärts liegenden Seite an den elektrischen Modulen 532 vorbei. In dieser Ausführungsform verläuft die Kühlmittelpfad 545 ringförmig und umgibt oder überlappt die elektrischen Module 532 in radialer Richtung.
In der Innenwand 542 ist der Einlasspfad 571 ausgebildet, über den das Kühlwasser in den Kühlmittelpfad 545 eingeleitet wird, und der Auslasspfad 572, über den das Kühlwasser aus dem Kühlmittelpfad 545 abgeleitet wird. An der Innenwand 542 sind, wie bereits beschrieben, die elektrischen Module 532 an der inneren Umfangsfläche angeordnet. Nur eines der Intervalle zwischen jeweils zwei in der Umfangsrichtung benachbarten elektrischen Modulen 532 ist größer ausgebildet als die anderen. In einem solchen großen Intervall ragt ein Abschnitt der Innenwand 542 radial nach innen, um den wulstigen Abschnitt 573 auszubilden. In dem wulstigen Abschnitt 573 sind der Einlasspfad 571 und der Auslasspfad 572 ausgebildet, die in der Umfangsrichtung der Innenwand 542 nebeneinander angeordnet sind.
Die 58 stellt die Anordnung der elektrischen Module 532 in dem Wechselrichtergehäuse 531 dar. Die 58 stellt den gleichen Längsschnitt der drehenden elektrischen Maschine 500 wie in der 50 dar.
Die elektrischen Module 32 sind, wie in der 58 zu sehen ist, im ersten Intervall INT1 bzw. im zweiten Intervall INT2 in der Umfangsrichtung der drehenden elektrischen Maschine 500 voneinander beabstandet angeordnet. Nur ausgewählte zwei der elektrischen Module 532 sind, wie in der 58 deutlich zu sehen, im zweiten Intervall INT2 voneinander entfernt angeordnet.
Das zweite Intervall INT2 ist größer gewählt als das erste Intervall INT1. Jedes der Intervalle INT1 und INT2 ist z. B. ein Abstand zwischen den Mittelpunkten zweier benachbarter elektrischer Module 532, die in der Umfangsrichtung angeordnet sind. Der wulstige Abschnitt 573 befindet sich im Intervall INT2 zwischen den elektrischen Modulen 532. Mit anderen Worten, die Abstände zwischen den elektrischen Modulen 532 haben ein längeres Intervall (d.h. das zweite Intervall INT2), in dem der wulstige Abschnitt 573 liegt.
Jedes der Intervalle INT1 und INT2 kann durch einen bogenförmigen Abstand zwischen den beiden benachbarten elektrischen Modulen 532 entlang eines Kreises um den auf der drehenden Welle 501 definierten Mittelpunkt gegeben sein. Jedes der Intervalle INT1 und INT2 kann alternativ, wie in der 58 dargestellt ist, durch ein Winkelintervall θi1 oder θi2 um den auf der drehenden Welle 501 definierten Mittelpunkt ausgedrückt werden, wobei θi1 < θi2.
In der in der 58 dargestellten Struktur sind die elektrischen Module 532 ohne Berührung miteinander in der Umfangsrichtung der drehenden elektrischen Maschine 500 angeordnet, sie können jedoch mit Ausnahme des zweiten Intervalls INT2 in der Umfangsrichtung in Berührung miteinander angeordnet sein.
Zurückkommend auf die 48 ist in der Endplatte 547 des Vorsprungs 543 der Einlass-/Auslassanschluss 574 ausgebildet, in dem die Enden des Einlasspfads 571 und des Auslasspfads 572 ausgebildet sind.
Der Einlasspfad 571 und der Auslasspfad 572 sind mit dem Zirkulationspfad 575 verbunden, durch den das Kühlwasser zirkuliert wird. Der Zirkulationspfad 575 ist durch eine Kühlmittelleitung definiert. In der Zirkulationsstrecke 575 sind die Pumpe 576 und die Wärmeabfuhrvorrichtung 577 installiert. Die Pumpe 576 wird betätigt, um das Kühlwasser im Kühlmittelpfad 545 und im Zirkulationspfad 575 umzuwälzen. Die Pumpe 576 wird durch eine elektrisch betriebene Pumpe realisiert. Die Wärmeabführeinrichtung 577 besteht aus einem Radiator, der die Wärmeenergie des Kühlwassers an die Luft abgibt.
Der Stator 520 ist, wie in der 50 dargestellt ist, außerhalb der äußeren Umfangswand WA1 angeordnet. Die elektrischen Module 532 sind innerhalb der Außenumfangswand WA1 angeordnet. Dementsprechend wird die vom Stator 520 erzeugte Wärmeenergie von außen an die Außenumfangswand WA1 abgegeben, während die von den elektrischen Modulen 532 erzeugte Wärmeenergie von innen an die Außenumfangswand WA1 abgegeben wird. Das durch den Kühlmittelpfad 545 fließende Kühlwasser nimmt daher gleichzeitig die vom Stator 520 und den elektrischen Modulen 532 erzeugte Wärmeenergie auf und erleichtert so die Wärmeabfuhr aus der drehenden elektrischen Maschine 500.
Der elektrische Aufbau des Leistungswandlers wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die 59 beschrieben.
Die Statorwicklung 521 ist, wie in der 59 dargestellt ist, aus einer U-Phasen-Wicklung, einer V-Phasen-Wicklung und einer W-Phasen-Wicklung aufgebaut. Die Statorwicklung 521 ist mit dem Wechselrichter 600 verbunden. Der Wechselrichter 600 besteht aus einer Brückenschaltung, die so viele obere und untere Arme hat wie die Phasen der Statorwicklung 521. Der Wechselrichter 600 ist mit einem in Reihe geschalteten Teil ausgestattet, der aus dem Oberen Armschalter 601 und dem Unteren Armschalter 602 für jede Phase besteht. Jeder der Schalter 601 und 602 wird durch eine entsprechende der Antriebschaltungen 603 ein- oder ausgeschaltet, um eine entsprechende der Phasenwicklungen zu erregen oder zu entregen. Jeder der Schalter 601 und 602 besteht z. B. aus einem Halbleiterschalter, wie einem MOSFET oder IGBT. Der Kondensator 604 ist ebenfalls mit jedem der in Reihe geschalteten Teile verbunden, die aus den Schaltern 601 und 602 bestehen, um die elektrische Ladung auszugeben, die erforderlich ist, um Schaltvorgänge der Schalter 601 und 602 zu erreichen.
Die Steuereinrichtung 607 dient als Controller und besteht aus einem Mikrocomputer, der mit einer CPU und Speichern ausgestattet ist. Die Steuervorrichtung 607 analysiert Informationen über in der drehenden elektrischen Maschine 500 erfasste Parameter oder eine Anforderung für einen Motormodus oder einen Generatormodus, in dem die drehende elektrische Maschine 500 arbeitet, um die Schaltvorgänge der Schalter 601 und 602 zu steuern, um die Statorwicklung 521 zu erregen oder zu entregen. Die Steuervorrichtung 607 führt beispielsweise einen PWM-Betrieb mit einer bestimmten Schaltfrequenz (d. h. Trägerfrequenz) oder einen Betrieb mit einer Rechteckwelle durch, um die Schalter 601 und 602 ein- oder auszuschalten. Die Steuervorrichtung 607 kann als eine eingebaute Steuerung, die innerhalb der drehenden elektrischen Maschine 500 installiert ist, oder als eine externe Steuerung, die sich außerhalb der drehenden elektrischen Maschine 500 befindet, ausgeführt sein.
Die drehende elektrische Maschine 500 hat in dieser Ausführungsform eine verringerte elektrische Zeitkonstante, da der Stator 520 mit einer verringerten Induktanz ausgeführt ist. Es ist daher bevorzugt, die Schaltfrequenz (d.h. die Trägerfrequenz) zu erhöhen und die Schaltgeschwindigkeit in der drehenden elektrischen Maschine 500 zu erhöhen. Im Hinblick auf solche Anforderungen ist der Kondensator 604, der als Ladungsversorgungskondensator dient, parallel zu dem in Reihe geschalteten Teil verbunden, der aus den Schaltern 601 und 602 für jede Phase der Statorwicklung 521 besteht, wodurch die Verdrahtungsinduktanz verringert wird, die sich mit elektrischen Überspannungen befasst, auch wenn die Schaltgeschwindigkeit erhöht wird.
Der Wechselrichter 600 ist an einem Anschluss mit hohem Potential mit einem positiven Anschluss der Gleichstromversorgung 605 und an einem Anschluss mit niedrigem Potential mit einem negativen Anschluss (d.h. Masse) der Gleichstromversorgung 605 verbunden. Der Glättungskondensator 606 ist mit den Hoch- und Niederspannungsanschlüssen des Wechselrichters 600 parallel zur Gleichstromversorgung 605 verbunden.
Jedes der Schaltmodule 532A hat die Schalter 601 und 602 (d.h., Halbleiter-Schaltvorrichtungen, die Wärme erzeugen), die Antriebschaltungen 603 (d.h., elektrische Vorrichtungen, die die Antriebschaltungen 603 bilden) und den Ladungsversorgungskondensator 604. Jedes der Kondensatormodule 532B hat den wärmeerzeugenden Glättungskondensator 606. Der Aufbau der Schaltmodule 532A ist in der 60 dargestellt.
Jedes der Schaltmodule 532A, wie in der 60 dargestellt ist, hat das Modulgehäuse 611, die Schalter 601 und 602 für eine der Phasen der Statorwicklung 521, die Antriebschaltungen 603 und den Ladungsversorgungskondensator 604. Jede der Antriebschaltungen 603 besteht aus einem eigenen IC oder einer Leiterplatte und ist im Schaltermodul 532A eingebaut.
Das Modulgehäuse 611 besteht aus isolierendem Material, wie z. B. Harz. Das Modulgehäuse 611 ist an der äußeren Umfangswand WA1 befestigt, wobei eine Seitenfläche davon die innere Umfangsfläche der Innenwand 542 der Wechselrichtereinheit 530 berührt. In das Modulgehäuse 611 ist z. B. Harz eingegossen. Im Modulgehäuse 611 sind die Schalter 601 und 602, die Antriebschaltungen 603 und der Kondensator 604 über Drähte 612 elektrisch miteinander verbunden. Die Schaltermodule 532A sind, wie voranstehend beschrieben, durch die Abstandshalter 549 an der äußeren Umfangswand WA1 befestigt, jedoch sind in der 60 die Abstandshalter 549 der Kürze der Darstellung halber weggelassen.
In einem Zustand, in dem die Schaltmodule 532A fest an der äußeren Umfangswand WA1 befestigt sind, wird ein Abschnitt jedes der Schaltmodule 532A, der sich näher an der äußeren Umfangswand WA1 befindet, d.h. der Kühlmittelpfad 545, stärker gekühlt. Im Hinblick auf eine solche leichte Kühlung wird die Reihenfolge bestimmt, in der die Schalter 601 und 602, die Antriebschaltungen 603 und der Kondensator 604 angeordnet sind. Insbesondere haben die Schalter 601 und 602 die größte Wärmeentwicklung. Der Kondensator 604 hat einen mittleren Anteil an der Wärmeentwicklung. Die Antriebschaltungen 603 haben die geringste Wärmeentwicklung. Dementsprechend sind die Schalter 601 und 602 am nächsten an der äußeren Umfangswand WA1 angeordnet. Die Antriebschaltungen 603 befinden sich weiter entfernt von der äußeren Umfangswand WA1. Der Kondensator 604 ist zwischen den Schaltern 601 und 602 und der Antriebschaltung 603 eingefügt.
Mit anderen Worten, die Schalter 601 und 602, der Kondensator 604 und die Antriebschaltungen 603 sind in dieser Reihenfolge nahe an der Außenumfangswand WA1 angeordnet. Eine Fläche jedes der Schaltmodule 532A, die an der Innenwand 542 befestigt ist, ist vorzugsweise kleiner als eine Fläche der inneren Umfangsfläche der Innenwand 542, die mit den Schaltmodulen 532A berührbar ist.
Obwohl nicht im Detail dargestellt ist, haben die Kondensatormodule 532B den Kondensator 606 in einem Modulgehäuse ähnlich in Konfiguration und Größe wie die Schaltmodule 532A angeordnet. Jedes der Kondensatormodule 532B ist, wie die Schaltmodule 532A, an der äußeren Umfangswand WA1 befestigt, wobei die Seitenfläche des Modulgehäuses 611 in Berührung mit der inneren Umfangsfläche der Innenwand 542 des Wechselrichtergehäuses 531 steht.
Die Schaltmodule 532A und die Kondensatormodule 532B müssen nicht unbedingt koaxial zueinander innerhalb der Außenumfangswand WA1 des Wechselrichtergehäuses 531 angeordnet sein. Beispielsweise können die Schaltmodule 532A alternativ auch radial innerhalb oder außerhalb der Kondensatormodule 532B vorgesehen sein.
Wenn die drehende elektrische Maschine 500 in Betrieb ist, geben die Schaltmodule 532A und die Kondensatormodule 532B die von ihnen erzeugte Wärme an den Kühlmittelpfad 545 durch die Innenwand 542 der äußeren Umfangswand WA1 ab, wodurch die Schaltmodule 532A und die Kondensatormodule 532B gekühlt werden.
Jedes der elektrischen Module 532 kann so ausgebildet sein, dass in ihm ein Strömungspfad ausgebildet ist, in den Kühlmittel zur Kühlung des elektrischen Moduls 532 zugeführt wird. Die Kühlstruktur der Schaltmodule 532A wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die 61(a) und 61(b) beschrieben. Die 61(a) ist eine Längsschnittansicht jedes der Schaltmodule 532A entlang einer Linie, die durch die äußere Umfangswand WA1 hindurchgeht. Die 61(b) ist eine Schnittansicht entlang der Linie 61B-61B in der 61(a).
Wie in der 60 hat das Schaltmodul 532A, wie in der 61(a) und 61(b) dargestellt ist, das Modulgehäuse 611, die Schalter 601 und 602 für eine entsprechende der Phasen der Statorwicklung 521, die Antriebschaltungen 603, den Kondensator 604 und eine Kühlvorrichtung, die aus einem Paar von Rohren 621 und 622 und den Kühlern 623 besteht. Das Rohr 621 der Kühleinrichtung ist als Einlassrohr ausgebildet, durch das Kühlwasser aus dem Kühlmittelpfad 545 in der äußeren Umfangswand WA1 zu den Kühlern 623 gefördert wird. Die Leitung 622 der Kühleinrichtung ist als Auslassleitung ausgebildet, durch die das Kühlwasser aus den Kühlern 623 in den Kühlmittelpfad 545 abgeführt wird.
Der Kühler 623 ist für einen zu kühlenden Gegenstand bereitgestellt. Die Kühlvorrichtung kann daher mit einem einzelnen Kühler 623 oder mit mehreren Kühlern 623 ausgeführt sein. In dem in den 61(a) und 61(b) dargestellten Aufbau sind die beiden Kühler 623 in einem bestimmten Abstand voneinander in einer Richtung senkrecht zur Länge des Kühlmittelweges 545, also in radialer Richtung der Wechselrichtereinheit 530, angeordnet. Die Rohre 621 und 622 sind mit den Kühlern 623 verbunden. Jeder der Kühler 623 hat einen inneren Hohlraum. Jeder der Kühler 623 kann mit inneren Rippen ausgestattet sein, um die Kühlleistung zu erhöhen.
In der Struktur mit den beiden Kühlern 623, die auch als erster Kühler 623 und zweiter Kühler 623 bezeichnet werden, woin der erste Kühler 623 näher an der äußeren Umfangswand WA1 angeordnet ist als der zweite Kühler 623, sind ein erster Raum zwischen dem ersten Kühler 623 und der äußeren Umfangswand WA1, ein zweiter Raum zwischen dem ersten und dem zweiten Kühler 623 und ein dritter Raum, der sich innerhalb des zweiten Kühlers 623 entfernt von der äußeren Umfangswand WA1 befindet, Stellen, an denen elektrische Geräte vorgesehen sind. Der zweite Raum, der erste Raum und der dritte Raum haben in dieser Reihenfolge ein höheres Maß an Kühlbarkeit.
Mit anderen Worten: Der zweite Raum ist ein Ort, der den höchsten Grad an Kühlfähigkeit aufweist. Der erste Raum nahe der äußeren Umfangswand WA1 (d.h. der Kühlmittelpfad 545) hat eine höhere Kühlfähigkeit als der dritte Raum, der weiter von der äußeren Umfangswand WA1 entfernt ist.
Angesichts dieses Verhältnisses der Kühlfähigkeit sind die Schalter 601 und 602 im zweiten Raum zwischen dem ersten und zweiten Kühler 623 angeordnet. Der Kondensator 604 ist im ersten Raum zwischen dem ersten Kühler 623 und der äußeren Umfangswand WA1 angeordnet. Die Antriebschaltungen 603 sind in dem dritten Raum angeordnet, der weiter von der äußeren Umfangswand WA1 entfernt ist. Obwohl nicht dargestellt ist, können die Antriebschaltungen 603 alternativ auch im ersten Raum angeordnet sein, während der Kondensator 604 im dritten Raum angeordnet sein kann.
In jedem Fall sind im Modulgehäuse 611 die Schalter 601 und 602 über die Drähte 612 mit den Antriebschaltungen 603 elektrisch verbunden, während die Schalter 601 und 602 über die Drähte 612 mit dem Kondensator 604 verbunden sind. Die Schalter 601 und 602 sind zwischen den Antriebschaltungen 603 und dem Kondensator 604 angeordnet, so dass die Drähte 612, die sich von den Schaltern 601 und 602 zu der Antriebschaltung 603 erstrecken, in einer Richtung ausgerichtet sind, die einer Richtung entgegengesetzt ist, in der sich die Drähte 612 von den Schaltern 601 und 602 zu dem Kondensator 604 erstrecken.
Die Rohre 621 und 622 sind, wie in der 61(b) zu sehen ist, in der Umfangsrichtung, d.h. von einer stromaufwärts liegenden Seite zu einer stromabwärts liegenden Seite des Kühlwasserpfads 545, nebeneinander angeordnet. Das Kühlwasser tritt also aus dem auf der stromaufwärts liegenden Seite befindlichen Rohr 621 in die Kühler 623 ein und wird dann aus dem auf der stromabwärts liegenden Seite befindlichen Rohr 622 abgeführt. Der Stopper 624 ist vorzugsweise zwischen dem Einlassrohr 621 und dem Auslassrohr 621 im Kühlmittelpfad 545 vorgesehen, um den Durchfluss des Kühlwassers anzuhalten, um den Eintritt des Kühlwassers in die Kühlvorrichtung zu erleichtern. Der Stopper 624 kann als Verschluss oder Block ausgebildet sein, um den Kühlmittelpfad 545 zu schließen, oder als Öffnung, um eine Querschnittsfläche des Kühlmittelpfads 545 zu verringern.
Die 62(a) bis 62(c) stellen eine modifizierte Form der Kühlstruktur der Schaltmodule 532A dar. Die 62(a) ist ein Längsschnitt durch das Schaltmodul 532A entlang einer Linie, die durch die äußere Umfangswand WA1 verläuft. Die 62(b) ist eine Schnittansicht entlang der Linie 62B-62B in der 62(a).
Die Struktur in den 62(a) und 62(b) weist das Einlassrohr 621 und das Auslassrohr 622 auf, die sich in ihrer Anordnung von den in den 62(a) und 62(b) dargestellten unterscheiden. Insbesondere sind das Einlass- und das Auslassrohr 621 und 622 in axialer Richtung nebeneinander angeordnet. Der Kühlmittelweg 545, wie in der 62(c) deutlich dargestellt ist, hat einen Einlassabschnitt, der zu dem Einlassrohr 621 führt, und einen Auslassabschnitt, der zu dem Auslassrohr 622 führt. Der Einlassabschnitt und der Auslassabschnitt sind in axialer Richtung räumlich voneinander getrennt und über die Rohre 621 und 622 und die Kühler 623 hydraulisch verbunden.
Jedes der Schaltmodule 532A kann alternativ mit einer der folgenden Strukturen ausgeführt sein.
Der Aufbau in der 63(a) ist, anders als in der 61(a), mit dem Einzelkühler 263 ausgestattet. Im Modulgehäuse 611 hat ein Raum (der als erster Raum bezeichnet wird) zwischen dem Kühler 623 und der äußeren Umfangswand WA1 in radialer Richtung des Modulgehäuses 611 einen höheren Grad an Kühlbarkeit. Ein Raum (im Folgenden als zweiter Raum bezeichnet), der sich innerhalb des Kühlers 623 weiter entfernt von der Außenumfangswand WA1 befindet, hat eine geringere Kühlleistung.
In Anbetracht dieses Verhältnisses der Kühlleistung sind in der Struktur in der 63(a) die Schalter 601 und 602 im ersten Raum nahe der äußeren Umfangswand WA1 außerhalb des Kühlers 623 angeordnet. Der Kondensator 604 ist im zweiten Raum angeordnet, der sich innerhalb des Kühlers 623 befindet. Die Antriebschaltungen 603 sind weiter entfernt vom Kühler 623 angeordnet.
Jedes der Schaltmodule 532A ist, wie voranstehend beschrieben, so ausgelegt, dass die Schalter 601 und 602, die Antriebschaltungen 603 und der Kondensator 604 innerhalb des Modulgehäuses 611 für eine der Phasen der Statorwicklung 521 angeordnet sind, kann aber so modifiziert werden, dass die Schalter 601 und 602 und die Antriebschaltungen 603 oder der Kondensator 604 im Modulgehäuse 611 für eine der Phasen der Statorwicklung 521 angeordnet sind.
In den 63(b) sind in dem Modulgehäuse 611 das Einlassrohr 621, das Auslassrohr 622 und die beiden Kühler 623 montiert. Einer der Kühler 623, der sich näher an der äußeren Umfangswand WA1 befindet, wird als erster Kühler bezeichnet. Einer der Kühler 623, der weiter von der äußeren Umfangswand WA1 entfernt ist, wird als zweiter Kühler bezeichnet.
Die Schalter 601 und 602 sind zwischen dem ersten und zweiten Kühler 623 angeordnet. Der Kondensator 604 bzw. die Antriebschaltungen 603 sind nahe der äußeren Umfangswand WA1 außerhalb des ersten Kühlers 623 angeordnet. Die Schalter 601 und 602 und die Antriebschaltung 603 sind zu einem einzigen Halbleitermodul zusammengesetzt, das zusammen mit dem Kondensator 604 im Modulgehäuse 611 vorgesehen ist.
In dem in der 63(b) dargestellten Aufbau des Schaltmoduls 532A befindet sich der Kondensator 604 außerhalb oder innerhalb eines der ersten und zweiten Kühler 623 auf der den Schaltern 601 und 602 gegenüberliegenden Seite des einen der ersten und zweiten Kühler 623. Im dargestellten Beispiel befindet sich der Kondensator 604 zwischen dem ersten Kühler 623 und der äußeren Umfangswand WA1. Das Schaltmodul 532A kann alternativ so ausgeführt sein, dass auf beiden Seiten des ersten Kühlers 623 in radialer Richtung der Statorwicklung 521 zwei Kondensatoren 604 angeordnet sind.
Die Struktur in dieser Ausführungsform liefert Kühlwasser durch den Kühlmittelpfad 545 nur in die Schaltmodule 532A mit Ausnahme des Kondensatormoduls 532B, kann aber alternativ so gestaltet sein, dass das Kühlwasser durch den Kühlmittelpfad 545 sowohl den Modulen 532A als auch 532B zugeführt wird.
Es ist auch möglich, das Kühlwasser direkt mit den elektrischen Modulen 532 in Berührung zu bringen, um diese zu kühlen. Beispielsweise können die elektrischen Module 532, wie in der 64 dargestellt ist, in die Außenumfangswand WA1 eingebettet sein, um eine direkte Berührung der Außenfläche der elektrischen Module 532 mit dem Kühlwasser zu erreichen. In diesem Fall kann jedes der elektrischen Module 532 teilweise dem im Kühlmittelpfad 545 fließenden Kühlwasser ausgesetzt sein.
Alternativ kann der Kühlmittelpfad 545 so geformt sein, dass er in radialer Richtung größer ist als in der 58, um die elektrischen Module 532 vollständig innerhalb des Kühlmittelpfads 545 anzuordnen. In dem Fall, in dem die elektrischen Module 532 in den Kühlmittelpfad 545 eingebettet sind, kann das Modulgehäuse 611 jedes der elektrischen Module 532 mit Rippen ausgestattet sein, die im Kühlmittelpfad 545 angeordnet sind, d.h. dem Kühlwasser ausgesetzt sind, um die Fähigkeit zur Kühlung der elektrischen Module 532 zu verbessern.
Die elektrischen Module 532 haben, wie oben beschrieben, die Schaltmodule 532A und die Kondensatormodule 532B, die sich in ihrer Wärmeentwicklung von den Schaltmodulen 532A unterscheiden. Im Hinblick auf einen solchen Unterschied ist es möglich, die Anordnung der elektrischen Module 532 im Wechselrichtergehäuse 531 in folgender Weise zu modifizieren.
Beispielsweise sind die Schaltmodule 532A, wie in der 65 dargestellt ist, in der Umfangsrichtung des Stators 520 voneinander entfernt angeordnet und insgesamt näher an der stromaufwärts liegenden Seite der Kühlwasserstrecke 545 (d.h. der Einlassstrecke 571) als an der stromabwärts liegenden Seite (d.h. der Auslassstrecke 572) der Kühlwasserstrecke 545 angeordnet. Das in den Einlasspfad 571 eintretende Kühlwasser wird zunächst zur Kühlung der Schaltmodule 532A und anschließend zur Kühlung der Kondensatormodule 532B verwendet. In der in der 65 dargestellten Struktur sind die Einlass- und Auslassrohre 621 und 622 wie in den 62(a) und 62(b) in axialer Richtung nebeneinander angeordnet, können jedoch wie in den 61(a) und 61(b) in der Umfangsrichtung nebeneinander ausgerichtet sein.
Der elektrische Aufbau der elektrischen Module 532 und des Stromschienenmoduls 533 wird im Folgenden beschrieben. Die 66 ist ein Querschnitt entlang der Linie 66-66 in der 49. Die 67 ist ein Querschnitt entlang der Linie 67-67 in der 49. Die 68 ist eine perspektivische Ansicht, die das Stromschienenmodul 533 darstellt. Die elektrischen Verbindungen der elektrischen Module 532 und des Stromschienenmoduls 533 werden unter Bezugnahme auf die die 66 bis 68 diskutiert.
Das Wechselrichtergehäuse 531 weist die drei Schaltmodule 532A auf (die im Folgenden auch als erste Modulgruppe bezeichnet werden), die, wie in der 66 dargestellt ist, in der Umfangsrichtung neben dem ausbauchenden Abschnitt 573 an der Innenwand 542, in dem der Einlasspfad 571 und der Auslasspfad 572 in Verbindung mit dem Kühlmittelpfad 545 ausgebildet sind, nebeneinander angeordnet sind. Die sechs Kondensatormodule 532B sind ebenfalls in der Umfangsrichtung nebeneinander neben der ersten Modulgruppe angeordnet. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Wechselrichtergehäuse 531 zehn Bereiche (d. h. die Anzahl der Module 532A und 532B plus eins) aufweist, die auf der inneren Umfangsfläche der äußeren Umfangswand WA1 definiert sind. Die zehn Bereiche sind in der Umfangsrichtung des Wechselrichtergehäuses 531 nebeneinander angeordnet. Die elektrischen Module 532 sind jeweils in einem neunten der Bereiche vorgesehen, während der ausbauchende Abschnitt 573 den verbleibenden der Bereiche einnimmt. Die drei Schaltmodule 532A werden auch als ein U-Phasen-Modul, ein V-Phasen-Modul und ein W-Phasen-Modul bezeichnet.
Jedes der elektrischen Module 532 (d.h. die Schaltmodule 532A und die Kondensatormodule 532B) ist, wie in den 66, 56 und 57 dargestellt ist, mit einer Vielzahl Modulklemmen 615 ausgestattet, die sich vom Modulgehäuse 611 aus erstrecken. Die Modulklemmen 615 dienen als Ein-/Ausgangsklemmen, über die elektrische Signale in die elektrischen Module 532 eingespeist bzw. aus diesen ausgegeben werden. Die Modulklemmen 615 haben jeweils eine Länge, die sich in axialer Richtung des Wechselrichtergehäuses 531 erstreckt.
Insbesondere erstrecken sich die Modulklemmen 615, wie in der 51 zu sehen ist, vom Modulgehäuse 611 in Richtung der Unterseite des Rotorträgers 511 (d. h. der Außenseite des Fahrzeugs).
Die Modulklemmen 615 der elektrischen Module 532 sind mit dem Stromschienenmodul 533 verbunden. Die Schaltmodule 532A und die Kondensatormodule 532B unterscheiden sich in der Anzahl der Modulanschlüsse 615 voneinander. Insbesondere ist jedes der Schaltmodule 532A mit den vier Modulklemmen 615 ausgestattet, während jedes der Kondensatormodule 532B mit den zwei Modulklemmen 615 ausgestattet ist.
Wie in der 68 deutlich dargestellt ist, hat das Stromschienenmodul 533, den ringförmigen Ring 631, die drei äußeren Klemmen 632 und die Wickelanschlussklemmen 633. Die externen Klemmen 632 ragen aus dem Ring 631 heraus und sind mit externen Geräten verbunden, z. B. mit einer Stromversorgung und einer ECU (Electronic Control Unit). Die Wicklungsanschlussklemmen 633 sind mit den Enden der Phasenwicklungen der Statorwicklung 521 verbunden. Das Stromschienenmodul 533 wird auch als Klemmenmodul bezeichnet.
Der ringförmige Ring 631 befindet sich radial innerhalb der äußeren Umfangswand WA1 des Wechselrichtergehäuses 531 und benachbart zu einem der axial gegenüberliegenden Enden jedes der elektrischen Module 532. Der ringförmige Ring 631 hat einen ringförmigen Körper aus einem isolierenden Material, wie z. B. Harz, und eine Vielzahl Stromschienen, die in den ringförmigen Körper eingebettet sind. Die Stromschienen sind mit den Modulklemmen 615 der elektrischen Module 532, den externen Klemmen 632 und den Phasenwicklungen der Statorwicklung 521 verbunden, die später ebenfalls im Detail beschrieben werden.
Die externen Klemmen 632 haben die Hochpotential-Leistungsklemme 632A, die mit einem Leistungsteil verbunden ist, die Niederpotential-Leistungsklemme 632B, die mit dem Leistungsteil verbunden ist, und die Einzelsignalklemme 632C, die mit dem externen Steuereinrichtung verbunden ist. Die externen Klemmen 632 (d.h. 632A bis 632C) sind in der Umfangsrichtung des Ringrings 631 nebeneinander angeordnet und erstrecken sich in axialer Richtung des Ringrings 631 radial innerhalb des Ringrings 631.
Das Stromschienenmodul 533 ist, wie in der 51 dargestellt ist, zusammen mit den elektrischen Modulen 532 im Wechselrichtergehäuse 531 montiert. Jede der äußeren Klemmen 632 hat ein Ende, das aus der Endplatte 547 herausragt. Insbesondere ist in der Endplatte 547 des Vorsprungs 543, wie in den 56 und 57 dargestellt ist, das Loch 547a ausgebildet. Die zylindrische Tülle 635 ist in die Bohrung 547a eingepasst. Die äußeren Anschlüsse 632 gehen durch die Tülle 635 hindurch. Die Tülle 635 fungiert auch als hermetisch abdichtender Steckverbinder.
Die Wicklungsanschlussklemmen 633 sind mit den Enden der Phasenwicklungen der Statorwicklung 521 verbunden und erstrecken sich radial vom Ring 631 nach außen. Insbesondere haben die Wicklungsanschlussklemmen 633 die Wicklungsanschlussklemme 633U, die mit dem Ende der U-Phasenwicklung der Statorwicklung 521 verbunden ist, die Wicklungsanschlussklemme 633V, die mit dem Ende der V-Phasenwicklung der Statorwicklung 521 verbunden ist, und die Wicklungsanschlussklemme 633W, die mit dem Ende der W-Phasenwicklung der Statorwicklung 521 verbunden ist.
Mit jeder der Wicklungsanschlussklemmen 633 ist, wie in der 70 dargestellt ist, der Stromsensor 634 verbunden, der einen elektrischen Strom misst, der durch eine entsprechende der U-Phasen-Wicklung, der V-Phasen-Wicklung und der W-Phasen-Wicklung fließt.
Der Stromsensor 634 kann außerhalb des elektrischen Moduls 532 um die Wicklungsanschlussklemme 633 angeordnet oder innerhalb des elektrischen Moduls 532 installiert sein.
Verbindungen zwischen den elektrischen Modulen 532 und dem Stromschienenmodul 533 werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die 69 und 70 detailliert beschrieben.
Die 69 ist eine Entwicklungsansicht der elektrischen Module 532, die schematisch die elektrischen Verbindungen der elektrischen Module 532 mit dem Stromschienenmodul 533 darstellt. Die 70 ist eine Ansicht, die schematisch elektrische Verbindungen der ringförmig angeordneten elektrischen Module 532 mit dem Stromschienenmodul 533 darstellt. In der 69 sind die Stromversorgungsleitungen durch durchgezogene Linien dargestellt ist, während die Signalübertragungsleitungen durch Kettenlinien dargestellt sind. Die 70 stellt nur die Stromversorgungsleitungen dar.
Das Stromschienenmodul 533 hat die erste Stromschiene 641, die zweite Stromschiene 642 und die dritte Stromschiene 643 als Stromversorgungsschienen. Die erste Stromschiene 641 ist mit der hochspannungsführenden Einspeiseklemme 632A verbunden. Die zweite Stromschiene 642 ist mit der Niederspannungs-Einspeiseklemme 632B verbunden. Die drei dritten Stromschienen 643 sind mit den U-Phasen-Wicklungsanschlussklemmen 633U, den V-Phasen-Wicklungsanschlussklemmen 633V und den W-Phasen-Wicklungsanschlussklemmen 633W verbunden.
Die Wicklungsanschlussklemmen 633 und die dritten Stromschienen 643 erzeugen normalerweise Wärme durch den Betrieb der drehenden elektrischen Maschine 10. Zwischen den Wicklungsanschlussklemmen 633 und den dritten Stromschienen 643 kann daher ein nicht dargestellter Klemmenblock in Berührung mit dem Wechselrichtergehäuse 531, das mit dem Kühlmittelpfad 545 ausgestattet ist, vorgesehen sein. Alternativ können die Wicklungsanschlussklemmen 633 und/oder die dritten Stromschienen 643 gekröpft sein, um eine Berührung mit dem Wechselrichtergehäuse 531, das mit der Kühlmittelpfad 545 ausgestattet ist, auszubilden.
Der voranstehend beschriebene Aufbau dient dazu, die von den Wicklungsanschlussklemmen 633 bzw. den dritten Stromschienen 643 erzeugte Wärme an das im Kühlmittelpfad 545 fließende Kühlwasser abzugeben.
Die 70 stellt die erste Stromschiene 641 und die zweite Stromschiene 642 als vollständig kreisförmige Stromschienen dar, die jedoch alternativ auch C-förmig sein können. Jede der Wicklungsanschlussklemmen 633U, 633V und 633W kann alternativ auch direkt mit einem entsprechenden der Schaltmodule 532A (d.h. den Modulklemmen 615) verbunden sein, ohne dass das Stromschienenmodul 533 verwendet wird.
Jedes der Schaltmodule 532A ist mit den vier Modulklemmen 615 ausgestattet, die eine positive Klemme, eine negative Klemme, eine Wicklungsklemme und eine Signalklemme haben. Die positive Klemme ist mit der ersten Stromschiene 641 verbunden. Die Minusklemme ist mit der zweiten Stromschiene 642 verbunden. Die Wicklungsklemme ist mit einer der dritten Stromschienen 643 verbunden.
Das Stromschienenmodul 533 ist zusätzlich mit den vierten Stromschienen 644 als Signalübertragungsschienen ausgestattet. Die Signalklemme jedes der Schaltmodule 532A ist mit einer der vierten Stromschienen 644 verbunden. Die vierten Stromschienen 644 sind mit der Signalklemme 632C verbunden.
In dieser Ausführungsform empfängt jedes der Schaltmodule 532A ein Steuersignal, das von einem externen Steuereinrichtung über die Signalklemme 632C übertragen wird. Insbesondere werden die Schalter 601 und 602 in jedem der Schaltmodule 532A in Reaktion auf das über die Signalklemme 632C eingegebene Steuersignal ein- oder ausgeschaltet. Jedes der Schaltmodule 532A ist daher mit der Signalklemme 632C verbunden, ohne durch eine in der drehenden elektrischen Maschine 500 installierte Steuereinrichtung hindurchzugehen. Die Steuersignale können alternativ, wie in der 71 dargestellt ist, von der Steuereinrichtung der drehenden elektrischen Maschine 500 erzeugt und dann in die Schaltmodule 532A eingegeben werden.
Die Struktur der 71 weist die Steuerplatine 651 auf, auf der die Steuereinrichtung 652 montiert ist. Das Steuereinrichtung 652 ist mit den Schaltmodulen 532A verbunden. Die Signalklemme 632C ist mit dem Steuereinrichtung 652 verbunden. Beispielsweise gibt ein externes Steuereinrichtung, das als Host-Steuereinrichtung dient, ein dem Motormodus oder dem Erzeugungsmodus zugeordnetes Befehlssignal an das Steuereinrichtung 652 aus. Die Steuervorrichtung 652 steuert dann den Ein-Aus-Betrieb der Schalter 601 und 602 jedes der Schaltmodule 532A.
In der Wechselrichtereinheit 530 kann die Steuerplatine 651 näher an der Außenseite des Fahrzeugs (d. h. an der Unterseite des Rotorträgers 511) angeordnet sein als das Stromschienenmodul 533. Die Steuerplatine 651 kann alternativ zwischen den elektrischen Modulen 532 und der Endplatte 547 des Buckelteils 543 vorgesehen sein. Die Steuerplatine 651 kann so angeordnet sein, dass sie zumindest einen Abschnitt jedes der elektrischen Module 532 in axialer Richtung überlappt.
Jedes der Kondensatormodule 532B ist mit zwei Modulanschlüssen 615 ausgestattet, die als ein positiver Anschluss und ein negativer Anschluss dienen. Die positive Klemme ist mit der ersten Stromschiene 641 verbunden. Der Minuspol ist mit der zweiten Stromschiene 642 verbunden.
Zurückgreifend auf die 49 und 50 ist in dem Wechselrichtergehäuse 531 der ausbauchende Abschnitt 573 angeordnet, der mit dem Einlasspfad 571 und dem Auslasspfad 572 für Kühlwasser ausgestattet ist. Der Einlasspfad 571 und der Auslasspfad 572 sind auf die elektrischen Module 532 ausgerichtet, die in der Umfangsrichtung des Wechselrichtergehäuses 531 nebeneinander angeordnet sind. Die äußeren Anschlüsse 632 sind in radialer Richtung des Wechselrichtergehäuses 531 neben dem ausbauchenden Abschnitt 573 angeordnet. Mit anderen Worten, der wulstige Abschnitt 573 und die externen Klemmen 632 befinden sich in der Umfangsrichtung des Wechselrichtergehäuses 531 an der gleichen winkligen Position. In dieser Ausführungsform sind die äußeren Anschlüsse 632 radial innerhalb des wulstigen Abschnitts 573 vorgesehen. Bei Betrachtung des Wechselrichtergehäuses 531 von der Innenseite des Fahrzeugs aus gesehen sind der Einlass-/Auslassanschluss 574 und die externen Anschlüsse 632, wie in der 48 deutlich dargestellt ist, in radialer Richtung der Endplatte 547 des Wulstelements 543 zueinander ausgerichtet.
Der Ausbuchtungsabschnitt 573 und die äußeren Anschlüsse 632 sind in der Umfangsrichtung benachbart zu den elektrischen Modulen 532 angeordnet, wodurch eine Verkleinerung der Wechselrichtereinheit 530 ermöglicht wird, wodurch auch die drehende elektrische Maschine 500 verkleinert werden kann.
Zurückkommend auf die Struktur der Reifenradbaugruppe 400 in den 45 und 47 ist das Kühlrohr H2 mit dem Einlass-/Auslassanschluss 574 verbunden. Das elektrische Kabel H1 ist mit den externen Anschlüssen 632 verbunden. Das elektrische Kabel H1 und das Kühlrohr H2 sind im Inneren des Speicherkanals 440 angeordnet.
Im Wechselrichtergehäuse 531 sind die drei Schaltmodule 532A in der Umfangsrichtung neben den äußeren Anschlüssen 632 nebeneinander angeordnet. Die sechs Kondensatormodule 532B sind in der Umfangsrichtung neben der Anordnung der Schaltmodule 532A angeordnet. Diese Anordnung kann in der folgenden Weise modifiziert werden.
Beispielsweise kann das Feld der drei Schaltmodule 532A an einer Stelle angeordnet werden, die am weitesten von den externen Anschlüssen 632 entfernt ist, d. h. diametral gegenüber den externen Anschlüssen 632 über der drehenden Welle 501. Alternativ können die Schaltmodule 532A in einem vergrößerten Abstand zueinander in der Umfangsrichtung angeordnet sein, so dass die Kondensatormodule 532B zwischen den Schaltmodulen 532A angeordnet werden können.
Die Anordnung der Schaltmodule 532A, die am weitesten von den externen Anschlüssen 632 entfernt sind, d. h. diametral gegenüber den externen Anschlüssen 632 über der drehenden Welle 501, minimiert das Risiko eines Ausfalls im Betrieb der Schaltmodule 532A, der durch die gegenseitige Induktanz zwischen den externen Anschlüssen 632 und den Schaltmodulen 532A verursacht wird.
Als Nächstes wird der Aufbau des Resolvers 660, der als Sensor für die Winkelposition arbeitet, beschrieben.
Wie in den 49 bis 51 dargestellt ist, ist der Resolver 660, der den elektrischen Winkel θ der drehenden elektrischen Maschine 500 misst, in dem Wechselrichtergehäuse 531 aufgenommen. Der Resolver 660 fungiert als elektromagnetischer Induktionssensor und hat den an der drehenden Welle 501 befestigten Resolverrotor 661 und den Resolverstator 662, der radial einem Außenumfang des Resolverrotors 661 zugewandt ist. Der Resolverrotor 661 besteht aus einer ringförmigen Scheibe, die auf der drehenden Welle 501 koaxial zur drehenden Welle 501 eingepasst ist. Der Resolverstator 662 hat den kreisförmigen Statorkern 663 und die um die Zähne des Statorkerns 663 gewickelte Statorspule 664. Die Statorspule 664 hat eine einphasige Erregerspule und zweiphasige Ausgangsspulen.
Die Erregerspule der Statorspule 664 wird durch ein sinusförmiges Erregersignal erregt, um einen magnetischen Fluss zu erzeugen, der mit den Ausgangsspulen zusammenwirkt. Dies bewirkt, dass eine Positionsbeziehung der Erregerspule mit den beiden Ausgangsspulen in Abhängigkeit von einer Winkelposition des Resolverrotors 661 (d.h. einem Drehwinkel der drehenden Welle 501) zyklisch verändert wird, so dass die Anzahl der mit den Ausgangsspulen verketteten magnetischen Flüsse zyklisch verändert wird. In dieser Ausführungsform sind die Erregerspule und die Ausgangsspulen so angeordnet, dass die Spannungen, wie sie an den Ausgangsspulen entstehen, um /2 phasenverschoben sind. Die von den Ausgangsspulen erzeugte Ausgangsspannung sind daher Wellen, die durch Modulation des Erregungssignals mit den Modulationswellen sin θ und cos θ abgeleitet werden.
Insbesondere, wenn das Anregungssignal durch sin Ωt ausgedrückt wird, werden die modulierten Wellen sin (θ × sin Ωt) und cos (θ × sin Ωt) sein.
Der Resolver 660 ist mit einem Resolver-Digitalwandler ausgestattet. Der Resolver-Digitalwandler arbeitet zur Durchführung der Wellendetektion unter Verwendung der modulierten Welle und des Anregungssignals, um den elektrischen Winkel θ zu berechnen. Der Resolver 660 ist z. B. mit dem Signalanschluss 632C verbunden. Ein Ausgang des Resolver-Digitalwandlers wird über die Signalklemme 632C in ein externes Gerät eingegeben. In einem Fall, in dem eine Steuereinrichtung in der drehenden elektrischen Maschine 500 installiert ist, wird der Ausgang des Resolver-Digitalwandlers, der das berechnete Ergebnis darstellt, in die Steuereinrichtung eingegeben.
Nachfolgend wird der Aufbau des Resolvers 660, der in das Wechselrichtergehäuse 531 aufgenommen ist, beschrieben.
Wie in den 49 und 51 dargestellt ist, ist der hohlzylindrische Vorsprung 548 auf dem Vorsprung 543 des Wechselrichtergehäuses 531 ausgebildet. An einem Innenumfang des Vorsprungs 548 ist ein Vorsprung 548a in Form einer Innenschulter ausgebildet. Der Vorsprung 548a ragt in eine Richtung senkrecht zur axialen Richtung des Wechselrichtergehäuses 531. Der Resolverstator 662 wird mit Schrauben in Berührung mit dem Vorsprung 548a befestigt. In der Nabe 548 ist das Lager 650 auf einer dem Resolver 660 gegenüberliegenden Seite des Vorsprungs 548a angeordnet.
Innerhalb der Nabe 548 ist auf einer dem Vorsprung 548a in axialer Richtung gegenüberliegenden Seite des Resolvers 660 der Gehäusedeckel 666 angeordnet. Der Gehäusedeckel 666 ist aus einer ringförmigen Scheibe gefertigt und verschließt einen Innenraum der Nabe 548, in dem der Resolver 660 aufgenommen ist. Der Gehäusedeckel 666 ist aus einem elektrisch leitfähigen Material, wie z. B. einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK), hergestellt. In der Mitte des Gehäusedeckels 666 ist das Mittelloch 666a ausgebildet, durch das die drehende Welle 501 hindurchgeht. In dem Mittelloch 666a ist, wie in der 49 deutlich dargestellt ist, das Dichtelement 667 vorgesehen, das einen Luftspalt zwischen dem Mittelloch 666a und dem Außenumfang der drehbaren Welle 501 hermetisch abdichtet. Das Dichtelement 667 dichtet den Innenraum der Nabe 548, in der der Resolver 660 angeordnet ist, hermetisch ab. Das Dichtelement 667 kann als eine verschiebbare Dichtung aus Kunststoff ausgeführt sein.
Der Innenraum, in dem der Resolver 660 angeordnet ist, ist von der ringförmigen Nabe 548 des Nabenteils 543 umgeben oder begrenzt und hat axial gegenüberliegende Enden, die durch das Lager 560 und den Gehäusedeckel 666 verschlossen sind. Der äußere Umfang des Resolvers 660 ist daher von dem leitfähigen Material umgeben, wodurch nachteilige Auswirkungen von elektromagnetischem Rauschen auf den Resolver 660 minimiert werden.
Das Wechselrichtergehäuse 531 ist, wie voranstehend in der 57 beschrieben, doppelwandig mit der äußeren Umfangswand WA1 und der inneren Umfangswand WA2 ausgeführt. Der Stator 520 ist radial außerhalb der äußeren Umfangswand WA1 angeordnet. Die elektrischen Module 532 sind zwischen der äußeren Umfangswand WA1 und der inneren Umfangswand WA2 angeordnet. Der Resolver 660 ist radial innerhalb der inneren Umfangswand WA2 angeordnet. Das Wechselrichtergehäuse 531 ist aus leitfähigem Material aufgenommen. Der Stator 520 und der Resolver 660 sind daher durch eine leitfähige Wand (d.h. eine leitfähige Doppelwand) voneinander isoliert, d.h. durch die äußere Umfangswand WA1 und die innere Umfangswand WA2, wodurch das Risiko einer magnetischen Interferenz zwischen dem Stator 520 (d.h. dem Magnetkreis) und dem Resolver 660 minimiert wird.
Der Rotordeckel 670, der in dem offenen Ende des Rotorträgers 511 angeordnet ist, wird weiter unten im Detail beschrieben.
Der Rotorträger 511, wie er in den 49 und 51 dargestellt ist, hat das in axialer Richtung offene Ende. Auf dem offenen Ende ist der Rotordeckel 670, der aus einer im Wesentlichen ringförmigen Scheibe besteht, vorgesehen, d.h. er deckt das offene Ende teilweise ab. Die Befestigung des Rotordeckels 670 am Rotorträger 511 erfolgt z. B. durch Schweißtechniken oder durch Schraubzwingen. Der Rotordeckel 670 ist vorzugsweise so geformt, dass er einen Abschnitt aufweist, der kleiner ist als der Innenumfang des Rotorträgers 511, um die Magneteinheit 512 an einer Bewegung in axialer Richtung zu hindern. Der Rotordeckel 670 hat einen Außendurchmesser, der mit dem des Rotorträgers 511 identisch ist, aber einen Innendurchmesser, der etwas größer ist als ein Außendurchmesser des Wechselrichtergehäuses 531. Der Außendurchmesser des Wechselrichtergehäuses 531 ist gleich dem Innendurchmesser des Stators 520.
Der Stator 520 ist, wie oben beschrieben, am Außenumfang des Wechselrichtergehäuses 531 befestigt. Insbesondere sind der Stator 520 und das Wechselrichtergehäuse 531 miteinander verbunden. Das Wechselrichtergehäuse 531 weist einen Abschnitt auf, der in axialer Richtung aus der Verbindung des Stators 520 und des Wechselrichtergehäuses 531 herausragt. Ein solcher Vorsprung des Wechselrichtergehäuses 531 ist, wie in der 49 deutlich dargestellt ist, von dem Rotordeckel 670 umgeben. Zwischen dem Innenumfang des Rotordeckels 670 und dem Außenumfang des Wechselrichtergehäuses 531 ist das Dichtelement 671 vorgesehen, um einen dazwischen liegenden Spalt hermetisch abzudichten. Das Dichtelement 671 schließt also einen Innenraum des Rotordeckels 670, in dem die Magneteinheit 512 und der Stator 520 angeordnet sind, hermetisch ab. Das Dichtelement 671 kann aus einer verschiebbaren Dichtung aus Harz bestehen.
Die voranstehend beschriebene Ausführungsform bietet die folgenden vorteilhaften Eigenschaften.
In der drehenden elektrischen Maschine 500 ist die äußere Umfangswand WA1 des Wechselrichtergehäuses 531 radial innerhalb des aus der Magneteinheit 512 und der Statorwicklung 521 gebildeten magnetischen Kreises angeordnet und in der äußeren Umfangswand WA1 ist der Kühlmittelweg 545 ausgebildet. Die drehende elektrische Maschine 500 weist außerdem die mehrfachen elektrischen Module 532 auf, die entlang des Innenumfangs der Außenumfangswand WA1 angeordnet sind. Dadurch können der Magnetkreis, der Kühlmittelpfad 545 und der Leistungswandler in radialer Richtung der drehenden elektrischen Maschine 500 in einer gestapelten Form angeordnet werden, wodurch eine axiale Abmessung der drehenden elektrischen Maschine 500 reduziert werden kann und auch eine effektive Anordnung der Teile in der drehenden elektrischen Maschine 500 erreicht wird. Die drehende elektrische Maschine 500 gewährleistet auch die Stabilität in der Kühlung der elektrischen Module 532, die den Leistungswandler bilden, wodurch die drehende elektrische Maschine 500 mit einem hohen Wirkungsgrad arbeiten kann und in ihrer Größe reduziert werden kann.
Die elektrischen Module 532 (d.h. die Schaltmodule 532A und die Kondensatormodule 532B), die mit wärmeerzeugenden Vorrichtungen, wie z.B. Halbleiterschaltern oder Kondensatoren, ausgestattet sind, stehen in direktem Kontakt mit der inneren Umfangsfläche der äußeren Umfangswand WA1, wodurch die von den elektrischen Modulen 532 erzeugte Wärme an die äußere Umfangswand WA1 übertragen wird, so dass die elektrischen Module 532 gut gekühlt werden.
In jedem der Schaltmodule 532A sind die Kühler 623 außerhalb der Schalter 601 und 602 vorgesehen. Mit anderen Worten, die Schalter 601 und 602 sind zwischen den Kühlern 623 angeordnet. Der Kondensator 604 ist auf einer den Schaltern 601 und 602 gegenüberliegenden Seite von mindestens einem der Kühler 623 angeordnet, wodurch die Kühlung des Kondensators 604 sowie der Schalter 601 und 602 verbessert wird.
In jedem der Schaltermodule 532A sind die Kühler 623, wie voranstehend beschrieben, auf beiden Seiten der Schalter 601 und 602 angeordnet. Die Antriebschaltung 603 ist auf einer den Schaltern 601 und 602 gegenüberliegenden Seite von mindestens einem der Kühler 623 angeordnet, während der Kondensator 604 auf der anderen gegenüberliegenden Seite des Kühlers 623 angeordnet ist, wodurch die Kühlung der Antriebschaltung 603 und des Kondensators 604 sowie der Schalter 601 und 602 verbessert wird.
So ist jedes der Schaltmodule 532A so ausgelegt, dass es über den Kühlmittelpfad 545 verfügt, der Kühlwasser in die Module liefert, um die Halbleiterschalter zu kühlen. Insbesondere wird jedes Modul 532A durch die äußere Umfangswand WA1 gekühlt, durch die das Kühlwasser hindurchgeht, und auch durch das im Modul 532A fließende Kühlwasser. Dadurch wird die Kühlung der Schaltermodule 532A verbessert.
Die drehende elektrische Maschine 500 ist mit einem Kühlsystem ausgestattet, in dem Kühlwasser aus dem externen Zirkulationspfad 575 in den Kühlmittelpfad 545 gefördert wird. Die Schaltmodule 532A sind auf einer stromaufwärts liegenden Seite des Kühlmittelpfads 545 in der Nähe des Einlasspfads 571 angeordnet, während die Kondensatormodule 532B stromabwärts von den Schaltmodulen 532A angeordnet sind. Im Allgemeinen hat das durch den Kühlmittelpfad 545 fließende Kühlwasser auf der stromaufwärts liegenden Seite eine niedrigere Temperatur als auf der stromabwärts liegenden Seite. Die Schaltmodule 532A werden daher besser gekühlt als die Kondensatormodule 532B.
Die elektrischen Module 532 sind, wie voranstehend beschrieben, in der Umfangsrichtung der drehenden elektrischen Maschine 500 in kürzeren Abständen (d.h. den ersten Abständen INT1) oder in einem längeren Abstand (d.h. den zweiten Abständen INT2) voneinander angeordnet. Mit anderen Worten, die Intervalle zwischen den elektrischen Modulen 532 haben ein einziges längeres Intervall (d. h. das zweite Intervall INT2). Der ausbauchende Abschnitt 573, der mit dem Einlasspfad 571 und dem Auslasspfad 572 versehen ist, liegt in dem längeren Intervall. Durch diese Anordnung können der Einlasspfad 571 und der Auslasspfad 572 der Kühlmittelpfad 545 radial innerhalb der Außenumfangswand WA1 angeordnet werden.
In der Regel ist es erforderlich, das Volumen bzw. die Durchflussmenge des Kühlwassers zu erhöhen, um die Kühlleistung zu verbessern. Eine solche Anforderung kann durch eine Vergrößerung der Fläche einer Öffnung sowohl des Einlasspfades 571 als auch des Auslasspfades 572 erfüllt werden. Dies wird in dieser Ausführungsform dadurch erreicht, dass der wulstige Abschnitt 573 in dem längeren Intervall (d.h. dem zweiten Intervall INT2) zwischen den elektrischen Modulen 532 angeordnet wird, wodurch der Einlasspfad 571 und der Auslasspfad 572 so geformt werden können, dass sie die erforderlichen Größen aufweisen.
Die äußeren Klemmen 632 des Stromschienenmoduls 533 sind in radialer Richtung des Rotors 510 benachbart zu dem ausbauchenden Abschnitt 573 radial innerhalb der äußeren Umfangswand WA1 angeordnet. Mit anderen Worten ist der äußere Anschluss 632 zusammen mit dem ausbauchenden Abschnitt 573 innerhalb des größeren Intervalls (d. h. des zweiten Intervalls INT2) zwischen den in der Umfangsrichtung des Rotors 510 nebeneinander angeordneten elektrischen Modulen 532 angeordnet. Dadurch wird eine geeignete Anordnung der äußeren Anschlüsse 632 ohne physische Beeinträchtigung der elektrischen Module 532 erreicht.
Die drehende elektrische Maschine 500 vom Außenrotortyp ist, wie oben beschrieben, so konstruiert, dass der Stator 520 am radial äußeren Umfang der äußeren Umfangswand WA1 befestigt ist und die Vielzahl der elektrischen Module 532 ebenfalls radial innerhalb der äußeren Umfangswand WA1 angeordnet ist. Diese Anordnung bewirkt, dass die vom Stator 520 erzeugte Wärme von radial außen auf die Außenumfangswand WA1 übertragen wird und dass die von den elektrischen Modulen 532 erzeugte Wärme ebenfalls von radial innen auf die Außenumfangswand WA1 übertragen wird. Der Stator 520 und die elektrischen Module 532 werden gleichzeitig durch Kühlwasser gekühlt, das durch den Kühlmittelpfad 545 fließt, wodurch die Ableitung der Wärmeenergie erleichtert wird, die von den in der drehenden elektrischen Maschine 500 installierten wärmeerzeugenden Teilen erzeugt wird.
Die radial innerhalb der äußeren Umfangswand WA1 angeordneten elektrischen Module 532 und die radial außerhalb der äußeren Umfangswand WA1 angeordnete Statorwicklung 521 sind über die Wicklungsanschlussklemmen 633 des Stromschienenmoduls 533 elektrisch miteinander verbunden. Die Wicklungsanschlussklemmen 633 sind in axialer Richtung der drehenden elektrischen Maschine 500 abseits des Kühlmittelweges 545 angeordnet. Dadurch ist ein elektrischer Anschluss der elektrischen Module 532 an die Statorwicklung 521 auch bei einem Aufbau möglich, in dem die Kühlmittelpfad 545 ringförmig in der Außenumfangswand WA1 ausgebildet ist, d.h. die Außenseite und die Innenseite der Außenumfangswand WA1 sind durch die Kühlmittelpfad 545 voneinander getrennt.
Die drehende elektrische Maschine 500 ist in dieser Ausführungsform so ausgebildet, dass sie eine verringerte Größe von Zähnen oder keine Zähne (d.h. Eisenkerne) zwischen den in der Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Leitern 523 des Stators 520 aufweist, um eine Begrenzung einer Drehmomentabgabe zu verringern, die aus einer zwischen den Leitern 532 auftretenden magnetischen Sättigung resultiert. Die drehende elektrische Maschine 500 weist außerdem die Leiter 523 in einer dünnen, flachen Form auf, um einen Grad der Drehmomentabgabe zu verbessern.
Diese Struktur ermöglicht es, einen Bereich radial innerhalb des Magnetkreises zu vergrößern, indem die Dicke des Stators 520 reduziert wird, ohne den Außendurchmesser der drehenden elektrischen Maschine 500 zu verändern. Der Bereich wird geNutzt, um die äußere Umfangswand WA1 mit dem darin angeordneten Kühlmittelpfad 545 auszustatten und ermöglicht es, die elektrischen Module 532 radial innerhalb der äußeren Umfangswand WA1 zu platzieren.
Die drehende elektrische Maschine 500 ist mit der Magneteinheit 512 ausgestattet, in der die von den Magneten erzeugten magnetischen Flüsse auf die d-Achse konzentriert werden, um einen Grad des Ausgangsdrehmoments zu erhöhen. Ein solcher Aufbau der Magneteinheit 512 ermöglicht es, eine radiale Dicke davon zu reduzieren und den Bereich radial innerhalb des Magnetkreises, wie voranstehend beschrieben, in seinem Volumen zu vergrößern. Der Bereich wird geNutzt, um die äußere Umfangswand WA1 mit dem darin angeordneten Kühlmittelpfad 545 zu haben und auch die mehrfachen elektrischen Module 532 radial innerhalb der äußeren Umfangswand WA1 zu platzieren.
In dem Bereich können zusätzlich zu dem Magnetkreis, der Außenumfangswand WA1 und den elektrischen Modulen 532 auch das Lager 560 und der Resolver 660 angeordnet sein.
Die Radbaugruppe 400 mit der drehenden elektrischen Maschine 500 als Radnabenmotor wird über die am Wechselrichtergehäuse 531 befestigte Grundplatte 405 und einen Befestigungsmechanismus, wie z. B. Aufhängungen, an der Fahrzeugkarosserie befestigt. Die drehende elektrische Maschine 500 ist so konstruiert, dass sie eine reduzierte Größe hat und somit weniger Platz in der Fahrzeugkarosserie einnimmt. Dadurch kann das benötigte Raumvolumen für den Einbau eines Aggregats, wie z.B. eines Akkus im Fahrzeug oder das Volumen eines Fahrzeuginsassenraums des Fahrzeugs vergrößert werden.
Im Folgenden werden modifizierte Ausführungsformen des Radnabenmotors beschrieben.
Erste Abwandlung des Radnabenmotors
In der drehenden elektrischen Maschine 500 sind die elektrischen Module 532 und das Stromschienenmodul 533 radial innerhalb der äußeren Umfangswand WA1 der Wechselrichtereinheit 530 angeordnet und der Stator 520 radial außerhalb der äußeren Umfangswand WA1. Die Anordnung der Stromschienenmodule 533 relativ zu den elektrischen Modulen 532 ist beliebig.
Die Phasenwicklungen der Statorwicklung 521 können über Wicklungsanschlussdrähte (z. B. die Wicklungsanschlussklemmen 633), deren Lage beliebig ist, radial über die äußere Umfangswand WA1 mit dem Stromschienenmodul 533 verbunden sein.
Das Stromschienenmodul 533 bzw. die Wicklungsanschlussdrähte können z. B. in den folgenden Anordnungen angeordnet sein.

(1) Das Stromschienenmodul 533 kann in axialer Richtung der drehenden elektrischen Maschine 500 näher an der Außenseite des Fahrzeugs, d. h. an der Unterseite des Rotorträgers 511, angeordnet sein als die elektrischen Module 532.
(2) Das Stromschienenmodul 533 kann näher an der Innenseite des Fahrzeugs, d.h. weiter entfernt vom Rotorträger 511 angeordnet sein, als die elektrischen Module 532 in axialer Richtung.

Die Wicklungsanschlussdrähte können an der folgenden Stelle angeordnet sein.
(β1) Die Wicklungsanschlussdrähte können nahe der Außenseite des Fahrzeugs angeordnet sein, d.h. an der Unterseite des Rotorträgers 511 in axialer Richtung der drehenden elektrischen Maschine 500.
(β2) Die Wicklungsanschlussdrähte können näher an der Innenseite des Fahrzeugs angeordnet sein, d.h. weiter vom Rotorträger 511 entfernt.
Vier Arten der Anordnung der elektrischen Module 532, des Stromschienenmoduls 533 und der Wicklungsanschlussdrähte werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die 72(a) bis 72(d) beschrieben.
Die 72(a) bis 72(d) sind Längsschnittansichten, die teilweise modifizierte Formen der drehenden elektrischen Maschine 500 veranschaulichen.
Die gleichen Bezugszeichen wie in den voranstehend beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich auf die gleichen Teile, deren Erläuterung im Detail hier entfallen sollen.
Die Wicklungsanschlussdrähte 637 sind elektrische Leiter, die die Phasenwicklungen der Statorwicklung 521 mit dem Stromschienenmodul 533 verbinden und mit den voranstehend beschriebenen Wicklungsanschlussklemmen 633 korrespondieren.
In dem in der 72(a) dargestellten Aufbau entspricht eine Lagebeziehung des Stromschienenmoduls 533 zu den elektrischen Modulen 532 dem voranstehend beschriebenen Layout (1). Die Wicklungsanschlussdrähte 637 sind in der oben beschriebenen Anordnung (β1) angeordnet. Insbesondere sind die Verbindungen der elektrischen Module 532 mit dem Stromschienenmodul 533 und die Verbindungen der Statorwicklung 521 mit dem Stromschienenmodul 533 auf der Außenseite des Fahrzeugs (d.h. in der Nähe der Unterseite des Rotorträgers 511). Diese Anordnung ist identisch mit derjenigen in der 49.
Die Struktur in der 72(a) ermöglicht es, dass der Kühlmittelpfad 545 in der äußeren Umfangswand WA1 ausgebildet ist, ohne dass die Wicklungsanschlussdrähte 637 physisch beeinträchtigt werden, und erleichtert auch die Anordnung der Wicklungsanschlussdrähte 637, die die Statorwicklung 521 und das Stromschienenmodul 533 miteinander verbinden.
In dem in der 72(b) dargestellten Aufbau entspricht eine Lagebeziehung des Stromschienenmoduls 533 zu den elektrischen Modulen 532 der voranstehend beschriebenen Anordnung (1). Die Wicklungsanschlussdrähte 637 sind in der oben beschriebenen Anordnung (β2) angeordnet. Insbesondere sind die Verbindungen der elektrischen Module 532 mit dem Stromschienenmodul 533 auf der Außenseite des Fahrzeugs (d.h. nahe der Unterseite des Rotorträgers 511) verbunden, während die Statorwicklung 521 und das Stromschienenmodul 533 nahe der Innenseite des Fahrzeugs (d.h. weiter vom Rotorträger 511 entfernt) verbunden sind.
Die Struktur in der 72(b) ermöglicht es, dass der Kühlmittelpfad 545 in der äußeren Umfangswand WA1 ausgebildet ist, ohne dass die Wicklungsanschlussdrähte 637 physisch beeinträchtigt werden.
In dem in der 72(c) dargestellten Aufbau entspricht eine Lagebeziehung des Stromschienenmoduls 533 zu den elektrischen Modulen 532 der voranstehend beschriebenen Anordnung (2). Die Wicklungsanschlussdrähte 637 sind in der oben beschriebenen Anordnung (β1) angeordnet. Insbesondere sind die Verbindungen der elektrischen Module 532 mit dem Stromschienenmodul 533 auf der Innenseite des Fahrzeugs (d.h. weiter von der Unterseite des Rotorträgers 511) verbunden, während die Statorwicklung 521 und das Stromschienenmodul 533 nahe der Außenseite des Fahrzeugs (d.h. näher am Rotorträger 511) verbunden sind.
In dem in der 72(d) dargestellten Aufbau entspricht eine Lagebeziehung des Stromschienenmoduls 533 zu den elektrischen Modulen 532 der voranstehend beschriebenen Anordnung (2). Die Wicklungsanschlussdrähte 637 sind in der oben beschriebenen Anordnung (β2) angeordnet. Insbesondere sind die Verbindungen der elektrischen Module 532 mit dem Stromschienenmodul 533 und die Verbindungen der Statorwicklung 521 mit dem Stromschienenmodul 533 auf der Innenseite des Fahrzeugs (d.h. weiter von der Unterseite des Rotorträgers 511) angeordnet.
Die Struktur in der 72(c) oder 72(d), in der das Stromschienenmodul 533 weiter vom Rotorträger 511 entfernt angeordnet ist als die elektrischen Module 532, erleichtert dadurch die Verlegung von elektrischen Leitungen, die beispielsweise zu einem elektrischen Gerät, wie einem Ventilatormotor, führen, wenn dieses in dem Rotorträger 511 installiert ist. Die Struktur ermöglicht es auch, das Stromschienenmodul 533 in der Nähe des Resolvers 660 zu platzieren, der näher an der Innenseite des Fahrzeugs montiert ist als die Lager 563, wodurch die Verlegung der elektrischen Leitungen, die zu dem Resolver 660 führen, erleichtert wird.
Zweite Abwandlung des Radnabenmotors
Im Folgenden werden modifizierte Formen einer Befestigungsstruktur des Resolver-Rotors 661 beschrieben. Insbesondere sind die drehende Welle 501, der Rotorträger 511 und der Innenring 561 des Lagers 560 gemeinsam zu einer drehenden Einheit ausgebildet. Die Struktur, in der der Resolverrotor 611 an der drehenden Einheit montiert ist, wird im Folgenden beschrieben.
Die 73(a) bis 73(c) sind Strukturansichten, die Abwandlungen der Befestigungsstruktur zur Anbringung des Resolverrotors 661 an der drehenden Einheit darstellen. In jeder der Abwandlungen ist der Resolver 660 innerhalb eines hermetisch abgedichteten Raums angeordnet, der vom Rotorträger 511 und dem Wechselrichtergehäuse 531 umgeben und vor Spritzwasser oder Schlamm geschützt ist. Die 73(a) stellt den gleichen Aufbau des Lagers 560 wie in der 49 dar.
Bei den Strukturen in der 73(b) und 73(c) ist das Lager 560 anders aufgebaut als in der 49 und von der Endplatte 514 des Rotorträgers 511 entfernt angeordnet. Die 73(a) bis 73(c) stellen jeweils zwei verfügbare Stellen, an denen der Resolverrotor 661 montiert ist dar. Obwohl nicht deutlich dargestellt ist, kann die Nabe 548 des Nockenelements 543 bis zu dem oder in die Nähe des Außenumfangs des Resolverrotors 661 verlängert werden, damit der Resolverstator 662 an der Nabe 548 befestigt werden kann.
In der in der 73(a) dargestellten Struktur ist der Resolverrotor 661 an dem Innenring 561 des Lagers 560 befestigt. Insbesondere ist der Resolverrotor 661 an einer in axialer Richtung weisenden Fläche des Flansches 561b des Innenringes 561 oder einer in axialer Richtung weisenden Stirnfläche des Zylinders 561a des Innenringes 561 befestigt.
In der in der 73(b) dargestellten Struktur ist der Resolverrotor 661 an dem Rotorträger 511 befestigt. Insbesondere ist der Resolverrotor 661 an einer inneren Umfangsfläche der Endplatte 514 des Rotorträgers 511 befestigt. Der Rotorträger 511 hat den Hohlzylinder 515, der sich von einem inneren Umfangsrand der Endplatte 514 entlang der drehenden Welle 501 erstreckt. Der Resolverrotor 661 kann alternativ an einem Außenumfang des Zylinders 515 des Rotorträgers 511 befestigt sein. In letzterem Fall ist der Resolverrotor 661 zwischen der Endplatte 514 des Rotorträgers 511 und dem Lager 560 vorgesehen.
In der in der 73(c) dargestellten Struktur ist der Resolverrotor 661 an der drehenden Welle 501 befestigt. Insbesondere ist der Resolverrotor 661 auf der drehenden Welle 501 zwischen der Endplatte 514 des Rotorträgers 511 und dem Lager 560 oder auf der dem Rotorträger 511 gegenüberliegenden Seite des Lagers 560 befestigt.
Dritte Abwandlung des Radnabenmotors
Modifizierte Strukturen des Wechselrichtergehäuses 531 und des Rotordeckels 670 werden im Folgenden unter Bezugnahme auf Die 74(a) und 74(b) beschrieben, bei denen es sich um Längsschnittansichten handelt, die den Aufbau der drehenden elektrischen Maschine 500 schematisch darstellen.
Die gleichen Bezugszeichen wie in den voranstehend beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich auf die gleichen Teile. Der Aufbau in der 74(a) entspricht im Wesentlichen der Darstellung in der 49. Der Aufbau in der 74(b) entspricht im Wesentlichen einer teilweise modifizierten Form des Aufbaus in der 74(a).
In der in der 74(a) dargestellten Struktur ist der Rotordeckel 670 an einem offenen Ende des Rotorträgers 511 befestigt. Der Rotordeckel 670 umschließt die äußere Umfangswand WA1 des Wechselrichtergehäuses 531. Mit anderen Worten, der Rotordeckel 670 hat eine innere umlaufende Stirnfläche, die der äußeren Umfangsfläche der äußeren Umfangswand WA1 zugewandt ist. Zwischen der inneren Umfangsstirnfläche des Rotordeckels 670 und der äußeren Umfangsfläche der äußeren Umfangswand WA1 ist das Dichtelement 671 vorgesehen. Der Gehäusedeckel 666 ist im Inneren der Nabe 548 des Wechselrichtergehäuses 531 vorgesehen. Das Dichtelement 667 ist zwischen dem Gehäusedeckel 666 und der drehenden Welle 501 vorgesehen. Die äußeren Anschlüsse 632 des Stromschienenmoduls 533 erstrecken sich durch die Wand des Wechselrichtergehäuses 531 nach unten, wie in der 74(a) zu sehen.
In dem Wechselrichtergehäuse 531 sind der Einlasspfad 571 und der Auslasspfad 572 ausgebildet, die mit dem Kühlmittelpfad 545 kommunizieren. An dem Wechselrichtergehäuse 531 ist auch der Anschluss 574 ausgebildet, in dem offene Enden des Einlasspfades 571 und des Auslasspfades 572 liegen.
In dem in der 74(b) dargestellten Aufbau ist an dem Wechselrichtergehäuse 531 (d. h. an dem Vorsprung 543) der ringförmige Vorsprung 681 in Form eines Flansches ausgebildet. Der ringförmige Vorsprung 681 erstreckt sich im Wesentlichen parallel zur drehenden Welle 501 nach innen in das Wechselrichtergehäuse 531 (d.h. in das Fahrzeug). Der Rotordeckel 670 umschließt den Vorsprung 681 des Wechselrichtergehäuses 531. Mit anderen Worten: Der Rotordeckel 670 hat eine innere Stirnfläche, die dem Außenumfang des Vorsprungs 681 zugewandt ist. Zwischen der inneren Stirnfläche des Rotordeckels 670 und dem äußeren Umfang des Vorsprungs 681 ist das Dichtelement 671 angeordnet. Die äußeren Anschlüsse 632 des Stromschienenmoduls 533 erstrecken sich durch die Wand der Nabe 548 des Wechselrichtergehäuses 531 in den Innenraum der Nabe 548 und gehen auch durch die Wand des Gehäusedeckels 666 hindurch in Richtung des Fahrzeuginneren (nach unten, wie in der 74(b) gesehen).
In dem Wechselrichtergehäuse 531 sind der Einlasspfad 571 und der Auslasspfad 572 ausgebildet, die mit dem Kühlmittelpfad 545 kommunizieren. Der Einlasspfad 571 und der Auslasspfad 572 erstrecken sich bis zu dem inneren Umfang des Vorsprungs 548 und sind dann mit den Verbindungsrohren 682 verbunden, die sich nach innen durch die Wand des Gehäusedeckels 666 erstrecken (d. h. nach unten, wie in der 74(b) gesehen). Abschnitte der Rohre 682, die sich innerhalb des Gehäusedeckels 666 (d.h. in Richtung des Fahrzeuginneren) erstrecken, dienen als Einlass-/Auslassanschluss 574.
Die Struktur in der 74(a) oder 74(b) dichtet den Innenraum des Rotorträgers 511 und des Rotordeckels 670 hermetisch ab und erreicht eine reibungslose Drehung des Rotorträgers 511 und des Rotordeckels 670 relativ zu dem Wechselrichtergehäuse 531.
Insbesondere ist die Struktur in der 74(b) so ausgelegt, dass der Rotordeckel 670 einen kleineren Innendurchmesser aufweist als in der 74(a). Das Wechselrichtergehäuse 531 und der Rotordeckel 670 sind daher so verlegt, dass sie sich in axialer Richtung der drehenden Welle 501 innerhalb der elektrischen Module 532 im Fahrzeug überlappen, wodurch ein Risiko einer Beeinträchtigung durch elektromagnetische Störungen in den elektrischen Modulen 532 minimiert wird. Der verringerte Innendurchmesser des Rotordeckels 670 führt zu einer Verringerung des Durchmessers eines gleitenden Abschnitts des Dichtelements 671, wodurch mechanische Drehverluste des gleitenden Abschnitts verringert werden.
Vierte Abwandlung des Radnabenmotors
Eine Abwandlung des Aufbaus der Statorwicklung 521 wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die 75 beschrieben.
Die Statorwicklung 521 besteht, wie in der 75 deutlich dargestellt ist, aus Leitern, die so geformt sind, dass sie einen rechteckigen Querschnitt aufweisen und wellenförmig gewickelt sind, wobei sich eine lange Seite davon in der Umfangsrichtung der Statorwicklung 521 erstreckt. Jeder der Dreiphasenleiter 532 der Statorwicklung 521 hat Spulenenden und Spulenseiten. Die Spulenseiten sind in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet und durch die Spulenenden miteinander verbunden. Die in der Umfangsrichtung der Statorwicklung 521 nebeneinander angeordneten Spulenseiten der Leiter 523 haben in der Umfangsrichtung weisende Seitenflächen, die in Berührung miteinander oder in geringem Abstand zueinander stehen.
Die Spulenenden jeder der Phasenwicklungen der Statorwicklung 521 sind in radialer Richtung gebogen. Insbesondere ist die Statorwicklung 521 (d.h. die Leiter 523) in der radialen Richtung an Stellen nach innen gebogen, die zwischen den U-, V- und W-Phasenwicklungen unterschiedlich sind und in der axialen Richtung voneinander entfernt sind, wodurch eine physikalische Interferenz miteinander vermieden wird. In der dargestellten Struktur sind die Spulenenden der Leiter 523 der U-, V- und W-Phasenwicklungen, wie voranstehend beschrieben, rechtwinklig nach innen in die radiale Richtung der Statorwicklung 521 an Stellen gebogen, die axial voneinander um einen Abstand versetzt sind, der der Dicke der Leiter 523 entspricht. Die in der Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Spulenseiten der Leiter 523 haben in axialer Richtung verlaufende Längen, die vorzugsweise miteinander identisch sind.
Die Herstellung des Stators 520, in dem der Statorkern 522 in die Statorwicklung 521 eingebaut ist, kann dadurch erfolgen, dass die hohlzylindrische Statorwicklung 521, die mit einem Schlitz versehen ist, so vorbereitet wird, dass die Stirnflächen in der Umfangsrichtung zugewandt sind, mit anderen Worten, dass die Statorwicklung 521 im Wesentlichen C-förmig ausgebildet wird, dass der Statorkern 522 in einen Innenumfang der Statorwicklung 521 eingepasst wird und dass dann die zugewandten Stirnflächen zusammengefügt werden, um die Statorwicklung 521 vollständig hohlzylindrisch auszubilden.
Alternativ kann der Stator 520 durch Herstellen des Statorkerns 522 aus drei diskreten, in der Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Kernabschnitten und anschließendes Anordnen der Kernabschnitte innerhalb des Innenumfangs der hohlzylindrischen Statorwicklung 521 hergestellt werden.
Weitere Abwandlungen
Die drehende elektrische Maschine 500 ist, wie in der 50 dargestellt ist, so ausgelegt, dass der Einlasspfad 571 und der Auslasspfad 572 des Kühlmittelpfads 545 an einer Stelle gesammelt sind. Diese Anordnung kann auf folgende Weise modifiziert werden. Beispielsweise können der Einlasspfad 571 und der Auslasspfad 572 an in der Umfangsrichtung der drehenden elektrischen Maschine 500 voneinander getrennten Stellen angeordnet sein. Insbesondere können der Einlasspfad 571 und der Auslasspfad 572 in einem Winkelabstand von 180° zueinander in der Umfangsrichtung angeordnet sein, also diametral zueinander. Mindestens einer der Einlasspfade 571 und der Auslasspfad 572 kann aus einer Vielzahl diskreten Pfaden bestehen.
Die Reifen-Rad-Baugruppe 400 ist in dieser Ausführungsform so ausgebildet, dass die drehende Welle 501 in eine von axial entgegengesetzten Richtungen der drehenden elektrischen Maschine 500 vorsteht, jedoch kann die drehende Welle 501 alternativ auch Endabschnitte aufweisen, die in axial entgegengesetzten Richtungen vorstehen. Dies ist für Fahrzeuge geeignet, die mit einem einzigen Vorderrad oder einem einzigen Hinterrad ausgestattet sind.
Die drehende elektrische Maschine 500 kann alternativ so ausgebildet sein, dass sie eine innere Rotorstruktur für den Einsatz in der Reifen-Rad-Baugruppe 400 aufweist.
Abwandlung 15
In jeder der voranstehend beschriebenen Ausführungsformen haben die Dichtelemente 57 die Statorspule 51 überdeckt und liegen in einem Bereich, der alle Leitergruppen 81 radial außerhalb des Statorkerns 52 einschließt, also in einem Bereich, in dem die Dicke der Dichtelemente 57 größer ist als die der Leitergruppen 81 in radialer Richtung. Diese Anordnung der Dichtelemente 57 kann durch eine Abwandlung 15 modifiziert werden. Im Folgenden wird diese Abwandlung 15 beschrieben.
Beispielsweise ist, wie in der 76 dargestellt ist, die äußere Umfangsfläche des Statorkerns 52, der als Basiselement dient, als glatte ebene Fläche ausgebildet. Die 26 hat eine obere Richtung, die eine Richtung näher zu dem Rotor 40 und weiter vom Statorkern 52 entfernt ist, und eine untere Richtung, die eine Richtung näher zu dem Statorkern 52 und weiter vom Rotor 40 entfernt ist.
Ein Isolierblatt 1000, das als ein folienartiges Schichtelement dient, ist auf der gesamten äußeren Umfangsfläche des Statorkerns 52 angebracht, um die gesamte äußere Umfangsfläche davon abzudecken. Die Isolierfolie 1000 ist so angeordnet, dass sie sich über die gesamte Außenumfangsfläche des Statorkerns 52 in dessen axialer Richtung erstreckt.
Die Isolierplatte 1000 ist aus thermoplastischem Harz als nichtmagnetischem Material hergestellt. Vorzugsweise wird schäumbares Harz als Material der Isolierplatte 1000 verwendet.
Jede der Leitergruppen 81 hat eine statorkernseitige Umfangsfläche (d.h. eine basisteilseitige Umfangsfläche) 1082a und eine rotorseitige Umfangsfläche (d.h. eine felderzeugerseitige Umfangsfläche) 1082b in radialer Richtung des Statorkerns 52. Das Isolierblech 1000 hat eine rotorseitige Umfangsfläche (d. h. eine felderzeugerseitige Umfangsfläche) 1001.
Jede der als leitende Elemente dienenden Leitergruppen 81 ist zumindest teilweise radial in die Isolierplatte 1000 eingebettet, um dadurch die statorkernseitige Umfangsfläche 1082a radial näher am Statorkern 52 anzuordnen, als es die rotorseitige Umfangsfläche 1001 ist.
Die Anordnung des zumindest radialen Teils jeder der in die Isolierplatte 1000 eingebetteten Leitergruppen 81 bewirkt, dass die rotorseitige Umfangsfläche 1082b jeder der Leitergruppen 81

(i) radial näher an den Rotor 40 heranragt als die rotorseitige Umfangsfläche 1001 des Isolierblatts 1000
(ii) freiliegend sein

Das heißt, ein Teil jeder Leitergruppe 81 ist in das Isolierblatt 1000 eingebettet, um radial nach innen in das Isolierblatt 1000 zu ragen.
Insbesondere ist in dem Stator 50 das Isolierblech 1000 radial zwischen dem Statorkern 52 und den Leitergruppen 81 eingelegt. Dadurch wird verhindert, dass die Leitergruppen 81 in direkter Berührung mit dem Statorkern 52 stehen. Die Isolierfolie 1000 hat Abschnitte, die jeweils zwischen einem entsprechenden benachbarten Paar von Leitergruppen 81 in der Umfangsrichtung des Statorkerns 52 angeordnet sind. Das heißt, die Isolierplatte 1000 weist Vorsprünge 1002 auf, die jeweils so ausgebildet sind, dass sie zwischen einem entsprechenden benachbarten Paar von Leitergruppen 81 in der Umfangsrichtung des Statorkerns 52 radial vorstehen.
Im Folgenden wird schematisch ein Verfahren zur Herstellung des Stators 50 unter Bezugnahme auf die 77(a) und 77(b) beschrieben.
Das Verfahren führt einen Schritt der Vorbereitung einer Isolierfolie 1000 und einer flachen Platte 2000, die aus magnetischem Material besteht, durch und führt, wie in der 77(a) dargestellt ist, einen Schritt des Bedeckens einer Außenfläche der flachen Platte 2000 mit der Isolierfolie 1000 durch; dieser Schritt entspricht einem ersten Schritt.
Als nächstes bereitet das Verfahren Leitergruppen 81 vor und befestigt die Leitergruppen 81 auf einer äußeren Oberfläche (d.h. einer oberen Oberfläche in der 77(a)) der Isolierplatte 1000, während die Leitergruppen 81 darauf mit regelmäßigen Abständen dazwischen angeordnet werden.
Danach führt das Verfahren einen Schritt des Einbettens zumindest eines Teils jeder der Leitergruppen 81 in das Isolierblatt 1000 durch, um dadurch die Leitergruppen 81 über das Isolierblatt 1000 an der flachen Platte 2000 zu befestigen; dieser Schritt entspricht einem zweiten Schritt. Der zweite Schritt kann z.B. die auf der Außenfläche des Isolierblechs 1000 angebrachten Leitergruppen 81 unter hoher Temperatur in Richtung der ebenen Platte 2000 pressen (siehe Pfeilrichtung in der 77(b)), um dadurch die Leitergruppen 81 in geeigneter Weise in das Isolierblech 1000 einzubetten.
Anstatt die auf der Außenfläche der Isolierplatte 1000 montierten Leitergruppen 81 in Richtung der flachen Platte 2000 zu drücken, kann das Verfahren die Leitergruppen 81 einfach auf der Außenfläche der Isolierplatte 1000 unter einer Hochtemperaturbedingung montieren. Da die Isolierplatte 1000 aus schäumbarem thermoplastischem Harz hergestellt ist, wird ein Teil jeder Leitergruppe 81, die auf der Außenfläche der Isolierplatte 1000 unter einer Hochtemperaturbedingung montiert ist, unter dem Eigengewicht der entsprechenden Leitergruppe 81 in die Isolierplatte 1000 eingebettet.
Da die Isolierplatte 1000 aus einem schäumbaren thermoplastischen Harz besteht, kann, wenn ein Teil jeder Leitergruppe 81 in die Isolierplatte 1000 eingebettet ist, ein Teil der Isolierplatte 1000 zwischen jedem benachbarten Paar von Leitergruppen 81 hervorstehen. Das heißt, der zweite Schritt, d.h. der Einbettungsschritt, ermöglicht, dass Vorsprünge 1002 jeweils zwischen einem entsprechenden benachbarten Paar von Leitergruppen 81 ausgebildet sein können; jeder der Vorsprünge 1002 ragt zwischen das entsprechende benachbarte Paar von Leitergruppen 81. Die Hochtemperaturbedingung stellt eine Temperaturbedingung dar, die ausreicht, um die Isolierplatte 1000 aus thermoplastischem Harz zu verformen, wenn Druck auf die Isolierplatte 1000 ausgeübt wird, der z.B. durch das Gewicht jeder Leitergruppe 81 verursacht wird, wie z.B. eine Temperaturbedingung, die höher als oder gleich dem Schmelzpunkt des Materials der Isolierplatte 1000 ist.
Als nächstes führt das Verfahren einen Schritt des Rollens der flachen Platte 2000 mit den darauf befestigten Leitergruppen 81 über die Isolierfolie 1000 durch, um dadurch einen hohlzylindrischen Statorkern 52 auszubilden; der Schritt entspricht einem dritten Schritt. Dies führt schließlich dazu, dass der Stator 50 mit dem in der 76 dargestellten hohlzylindrischen Statorkern 52 hergestellt wird.
Die Abwandlung 15, die die oben dargestellte Konfiguration verwendet, bietet die folgenden vorteilhaften Vorteile.
Jede der Leitergruppen 81 ist zumindest teilweise in radialer Richtung in das Isolierblech 1000 eingebettet, um dadurch die statorkernseitige Umfangsfläche 1082a radial näher am Statorkern 52 anzuordnen, als es die rotorseitige Umfangsfläche 1001 ist.
Dies führt dazu, dass Abschnitte, insbesondere die Vorsprünge 1002, der Isolierplatte 1000 jeweils so ausgebildet sind, dass sie zwischen einem entsprechenden benachbarten Paar von Leitergruppen 81 in der Umfangsrichtung des Statorkerns 52 radial vorstehen. Dadurch wird eine Drehung der Leitergruppen 81 relativ zu dem Statorkern 52 verhindert.
Zusätzlich befestigt das Isolierblech 1000 die statorkernseitige Umfangsfläche 1082a und die umfangsseitigen Flächen 1082c jeder Leitergruppe 81. Dies schränkt die radiale und umfangsseitige Bewegung jeder Leitergruppe 81 ein und ermöglicht eine ordnungsgemäße Befestigung der Leitergruppen 81 am Statorkern 52.
Die Isolierplatte 1000 ermöglicht es, die Leitergruppen 81 und den Statorkern 52 elektrisch voneinander zu isolieren, was zu einer Reduzierung der Eisenverluste, wie z. B. Wirbelstromverluste, führt.
Die rotorseitige Umfangsfläche 1082b jeder der Leitergruppen 81 soll

(i) radial näher an den Rotor 40 heranreichen als die rotorseitige Umfangsfläche 1001 der Isolierplatte 1000
(ii) freiliegen

Dies führt dazu, dass ein Spalt zwischen dem Rotor 40 und dem Stator 50 reduziert wird.
Die äußere Umfangsfläche des Statorkerns 52, an der die Leitergruppen 81 über die Isolierplatte 1000 befestigt sind, ist als ebene Fläche ohne Unregelmäßigkeiten ausgebildet. Dies führt zu einer einfacheren Herstellung der Isolierplatte 1000. Die flach geformte Außenumfangsfläche des Statorkerns 52 ermöglicht es, dass die Isolierplatte 1000 die Außenumfangsfläche des Statorkerns 52 ohne Zwischenraum abdeckt. Die flache Außenumfangsfläche des Statorkerns 52 führt zusätzlich zu einer einfacheren Befestigung der Isolierfolie 1000 an der flachen Außenumfangsfläche des Statorkerns 52.
Die Verwendung von schäumbarem thermoplastischem Harz als Material der Isolierplatte 1000 ermöglicht es, dass jede Leitergruppe 81, die im zweiten Schritt der Herstellung des Stators 50 unter einer Hochtemperaturbedingung auf der Außenfläche der Isolierplatte 1000 angebracht wird, zumindest teilweise in die Isolierplatte 1000 eingebettet wird.
Im zweiten Schritt des Verfahrens zur Herstellung des Stators 50 werden die auf der Außenfläche des Isolierblechs 1000 montierten Leitergruppen 81 in Richtung der ebenen Platte 2000 gepresst. Durch Einstellen der Presskraft der Leitergruppen 81 kann die Menge eines Teils jeder Leitergruppe 81, die in die Isolierfolie 1000 eingebettet ist, angepasst werden. Da die Leitergruppen 81 auf der flachen Platte 2000 angeordnet sind, kann der zweite Schritt die Leitergruppen 81 gleichmäßig andrücken. Dies führt zu einer einfacheren Einstellung eines konstanten radialen Abstands (d.h. einer konstanten radialen Abmessung, d.h. einer konstanten radialen Dicke) für jede Leitergruppe 81 von der äußeren Umfangsfläche 52 des Statorkerns 52 zur rotorseitigen Umfangsfläche 82a der entsprechenden Leitergruppe 81.
Durch Walzen der ebenen Platte 2000 mit den daran über die Isolierfolie 1000 befestigten Leitergruppen 81 ist ein hohlzylindrischer Statorkern 52 ausgebildet. Dies führt zu einer einfacheren Herstellung des Statorkerns 52 im Vergleich zur Herstellung des Statorkerns 52 durch Anbringen der Leitergruppen 81 an der äußeren Umfangsfläche eines hohlzylindrischen Sockels für den Statorkern 52. Dies führt zusätzlich zu einer einfacheren Einstellung einer konstanten radialen Abmessung, d.h. einer konstanten radialen Dicke, jedes leitenden Elements.
Weitere Änderungen der Abwandlung 15
Das in der Abwandlung 15 beschriebene Verfahren führt den Schritt des Walzens der flachen Platte 2000, an der die Leitergruppen 81 befestigt wurden, durch, kann aber einen Schritt des Walzens der flachen Platte 2000, an der keine Leitergruppen 81 befestigt wurden, durchführen, um dadurch eine hohlzylindrische Basis zu bilden, und danach einen Schritt des festen Befestigens der Leitergruppen 81 an der äußeren Umfangsfläche der hohlzylindrischen Basis durchführen, wodurch der hohlzylindrische Statorkern 52 hergestellt wird.
Die Leitergruppen 81 sind gemäß der Abwandlung 15 so angeordnet, dass sie im Vergleich zur Isolierplatte 1000 näher an den Rotor 40 heranragen. Diese Anordnung kann so modifiziert werden, dass ein Mindestabstand des Isolierblechs 1000 von der rotorseitigen Umfangsfläche 1001 zu dem Rotor 40 und ein Mindestabstand jeder Leitergruppe 81 von der rotorseitigen Umfangsfläche 1082b zu dem Rotor 40 im Wesentlichen identisch zueinander sind.
Der Stator 50 gemäß der Abwandlung 15 kann bei einer drehenden elektrischen Maschine vom Typ Innenläufer eingesetzt werden. In diesem Fall sind die Leitergruppen 81 über die Isolierfolie 1000 an der inneren Umfangsfläche des Statorkerns 52 befestigt.
Die Abwandlung 15 verwendet den Statorkern 52 mit einer hohlzylindrischen Form, kann aber auch den Statorkern 52 mit einer zylindrischen Form verwenden.
Die Außenumfangsfläche des Statorkerns 52 gemäß der Abwandlung 15 kann Vorsprünge und Vertiefungen darauf aufweisen. Das heißt, dass Vorsprünge, die sich jeweils zwischen einem entsprechenden benachbarten Paar von Leitergruppen 81 befinden, als Zwischenleiterelemente angebracht werden können. Jeder der Vorsprünge, d.h. die Zwischenleiterelemente, ist aus einem magnetischen Material oder einem nichtmagnetischen Material hergestellt. Das magnetische Material erfüllt vorzugsweise die folgende Beziehung: $Wt \times Bs Wm \times Br$
wobei

(1) Wt eine Gesamtumfangsbreite von einem oder mehreren der Vorsprünge (Zwischenleiterelemente) darstellt, die in einem Bereich eines der Magnetpole der Magneteinheit liegen
(2) Bs steht für eine Sättigungsmagnetflußdichte der Vorsprünge (Zwischenleiterteile)
(3) Wm stellt eine Umfangsbreite eines Abschnitts der Magneteinheit dar, die einem der Magnetpole der Magneteinheit entspricht
(4) Br stellt die remanente Flussdichte der Magneteinheit dar

Die in den Ausführungsformen beschriebenen Steuerungen und Verfahren und ihre Abwandlungen können durch einen dedizierten Computer implementiert werden, der einen Speicher und einen Prozessor enthält, der programmiert ist, um eine oder mehrere Funktionen auszuführen, die durch ein oder mehrere Computerprogramme verkörpert werden.
Die in den Ausführungsformen beschriebenen Steuerungen und Verfahren und ihre Abwandlungen können auch durch einen dedizierten Computer mit einem Prozessor implementiert werden, der eine oder mehrere dedizierte Hardware-Logikschaltungen hat.
Die in den Ausführungsformen beschriebenen Steuerungen und Verfahren und ihre Abwandlungen können außerdem durch ein Prozessorsystem mit einem Speicher, einem Prozessor, der so programmiert ist, dass er eine oder mehrere Funktionen ausführt, die durch ein oder mehrere Computerprogramme verkörpert werden, und einer oder mehreren Hardware-Logikschaltungen implementiert werden.
Das eine oder die mehreren Programme können in einem nichttransitorischen Speichermedium als Anweisungen gespeichert sein, die von einem Computer oder einem Prozessor auszuführen sind.
Die Offenbarung der Spezifikation ist nicht auf die offengelegten Ausführungsformen beschränkt. Die Offenbarung der Spezifikation kann nicht nur die offenbarten Ausführungsformen haben, sondern auch Abwandlungen des Fachmanns, die auf den offenbarten Ausführungsformen beruhen. Beispielsweise ist die Offenbarung der Spezifikation nicht auf Kombinationen der in den offengelegten Ausführungsformen offengelegten Bauteile und/oder Elemente beschränkt und kann daher durch verschiedene Kombinationen innerhalb der offengelegten Ausführungsformen realisiert werden.
Die Offenbarung der Spezifikation kann zusätzliche Elemente zu den offenbarten Ausführungsformen haben. Die Offenbarung der Spezifikation kann die offenbarten Ausführungsformen haben, aus denen ein oder mehrere Bauteile und/oder Elemente entfernt worden sind. Die Offenbarung der Spezifikation kann den Ersatz eines oder mehrerer Elemente oder Bauteile in einer der offengelegten Ausführungsformen durch ein oder mehrere Elemente oder Bauteile in einer anderen der offengelegten Ausführungsformen haben. Die Offenbarung der Spezifikation kann Kombinationen von einem oder mehreren Elementen oder Bauteilen in einer der offengelegten Ausführungsformen mit einem oder mehreren Elementen oder Bauteilen in einer anderen der offengelegten Ausführungsformen haben.
Die offengelegten technischen Bereiche der Offenbarung der Spezifikation sind nicht auf die Beschreibungen der offengelegten Ausführungsformen beschränkt. Einige der offenbarten technischen Umfänge der Offenbarung der Spezifikation werden durch die Beschreibungen der Ansprüche dargestellt ist, und verschiedene Änderungen der offenbarten technischen Umfänge innerhalb der äquivalenten Bedeutungen und/oder äquivalenten Umfänge der Beschreibungen der Ansprüche sollten daher akzeptiert werden.
Während illustrative Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung hierin beschrieben wurden, ist die vorliegende Offenbarung nicht auf die hierin beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern hat alle Ausführungsformen mit Abwandlungen, Auslassungen, Kombinationen (z.B. von Gesichtspunkten über verschiedene Ausführungsformen hinweg), Anpassungen und/oder Abwandlungen, wie sie von Fachleuten, die auf der vorliegenden Offenbarung beruhen, geschätzt werden würden. Die Beschränkungen in den Ansprüchen sind weit auszulegen, insbesondere basierend auf der in den Ansprüchen verwendeten Sprache, und nicht beschränkt auf Beispiele, die in der vorliegenden Spezifikation oder während der Bearbeitung der Anmeldung beschrieben werden, wobei diese Beispiele als nicht-exklusiv zu verstehen sind.
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 2018228195 [0001]
JP H0670522 [0005]

Claims

Drehende elektrische Maschine mit einem Feldgenerator (40), der eine Magneteinheit (42) hat, wobei die Magneteinheit eine Vielzahl Magnetpole hat, deren Polaritäten in einer Umfangsrichtung der drehenden elektrischen Maschine abwechselnd angeordnet sind; und einem Anker (50), der eine mehrphasige Ankerwicklung (51) und ein Basiselement (52) hat, an das die mehrphasige Ankerwicklung gesichert ist, wobei das Basiselement aus einem magnetischem Material besteht und Folgendes aufweist eine hohlzylindrische oder eine zylindrische Form; eine innere Umfangsfläche; und eine äußere Umfangsfläche, wobei eines aus dem Feldgenerator und dem Anker als ein Rotor der drehenden elektrischen Maschine dient, wobei die mehrphasige Ankerwicklung mit mehreren leitenden Elementen (81, 82) versehen ist, die dem Feldgenerator zugewandt und in der Umfangsrichtung in bestimmten Abständen voneinander angeordnet sind, wobei jedes der leitenden Elemente eine an der Seite des Basiselements liegende Umfangsfläche (1082a) aufweist, wobei der Anker außerdem ein folienartiges Filmschichtelement (1000) aufweist, das so angeordnet ist, dass es entweder die innere Umfangsfläche oder die äußere Umfangsfläche des Basiselements bedeckt, wobei das Filmschichtelement aus thermoplastischem Harz als nichtmagnetisches Material hergestellt ist und eine feldelementseitige Umfangsfläche (1001) aufweist, wobei jedes der leitenden Elemente zumindest einen Teil in das Plattenelement in einer radialen Richtung der drehenden elektrischen Maschine eingebettet aufweist, um dadurch die an der Seite des Basiselements liegende Umfangsfläche so anzuordnen, dass sie radial näher als die Feldgenerator-Seitenumfangsfläche des Schichtelements an dem Basiselement liegt.
Drehende elektrische Maschine gemäß Anspruch 1, wobei jedes der leitenden Elemente eine feldelementseitige Umfangsfläche (1082b) aufweist, die freiliegt und so vorsteht, dass sie radial näher als die feldelementseitige Umfangsfläche des Schichtelements an dem Feldelement liegt.
Drehende elektrische Maschine gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die eine aus der inneren Umfangsfläche und der äußeren Umfangsfläche des Basiselements, an der die leitenden Elemente über das Filmschichtelement befestigt sind, als ebene Fläche ohne Unregelmäßigkeiten ausgebildet ist.
Drehende elektrische Maschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: die Magneteinheit d-Achsen-Seitenbereiche aufweist, die benachbart zu jeweiligen d-Achsen angeordnet sind, wobei jede der d-Achsen ein Zentrum des entsprechenden einen der Magnetpole ist; die Magneteinheit q-Achsen-Seitenbereiche aufweist, die benachbart zu jeweiligen q-Achsen angeordnet sind, wobei jede der q-Achsen eine Grenze zwischen einem entsprechenden benachbarten Paar der Magnetpole ist; und die Magneteinheit magnetisch so orientiert ist, dass sie Folgendes aufweist: einen ersten Satz leichte Magnetisierungsachsen, die in jedem der d-Achsen-Seitenbereiche ausgebildet sind; und einen zweiten Satz leichte Magnetisierungsachsen, die in jedem der q-Achsen-Seitenbereiche ausgebildet sind; und die leichten Magnetisierungsachsen, die in jedem der d-Achsen-Seitenbereiche ausgebildet sind, paralleler zu der entsprechenden der d-Achsen liegen als die leichten Magnetisierungsachsen, die in jedem der q-Achsen-Seitenbereiche ausgebildet sind.
Drehende elektrische Maschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Magneteinheit eine Vielzahl Magnete umfasst; und jeder der Magnete eine intrinsische Koerzitivkraft von nicht weniger als 400 [kA/m] und eine remanente Flussdichte von nicht weniger als 1,0 [T] aufweist.
Drehende elektrische Maschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei: jedes der leitenden Elemente (81, 82), die dem Feldgenerator zugewandt und in den vorgegebenen Abständen in der Umfangsrichtung voneinander angeordnet sind, eine radiale Dicke aufweist, die kleiner als eine Umfangsbreite eines Abschnitts der mehrphasigen Ankerwicklung ist, wobei der Abschnitt der mehrphasigen Ankerwicklung in einem Bereich eines entsprechenden der Magnetpole liegt und als eine der Mehrphasen der mehrphasigen Ankerwicklung dient.
Drehende elektrische Maschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei: jedes der leitenden Elemente (81, 82), die dem Feldgenerator zugewandt und in den gegebenen Abständen voneinander in der Umfangsrichtung angeordnet sind, eine Vielzahl Leiter aufweist; jeder der Leiter aus einer Ansammlung von Drähten gebildet ist; die Drähte dazwischen einen ersten Widerstand aufweisen; und jeder der Drähte in sich selbst einen zweiten Widerstand aufweist, wobei der erste Widerstand höher als der zweite Widerstand ist.
Verfahren zur Herstellung einer drehenden elektrischen Maschine, die umfasst: einen Feldgenerator (40), der eine Magneteinheit (42) hat, wobei die Magneteinheit eine Vielzahl Magnetpole hat, deren Polaritäten in einer Umfangsrichtung der drehenden elektrischen Maschine abwechselnd angeordnet sind; und einen Anker (50), der eine mehrphasige Ankerwicklung (51) und ein Basiselement (52) hat, an dem die mehrphasige Ankerwicklung befestigt ist, wobei das Basiselement aus magnetischem Material besteht und Folgendes aufweist: eine hohlzylindrische oder eine zylindrische Form eine innere Umfangsfläche; und eine äußere Umfangsfläche, wobei eines aus dem Feldgenerator und dem Anker als ein Rotor der drehenden elektrischen Maschine dient, wobei die mehrphasige Ankerwicklung mit mehreren leitenden Elementen (81, 82) versehen ist, die dem Feldgenerator zugewandt und in der Umfangsrichtung in vorgegebenen Abständen voneinander angeordnet sind, wobei das Verfahren umfasst: einen ersten Schritt, entweder die innere Umfangsfläche oder die äußere Umfangsfläche des Abdeckelements mit einem folienartigen Filmschichtelement aus thermoplastischem Harz als nichtmagnetischem Material abzudecken; und einen zweiten Schritt mindestens einen radialen Teil jedes der leitenden Elemente in das Filmschichtelement einzubetten, um dadurch das entsprechende der leitenden Elemente über das Filmschichtelement an dem Basiselement zu sichern.
Verfahren zur Herstellung einer drehenden elektrischen Maschine, die umfasst: einen Feldgenerator (40), der eine Magneteinheit (42) hat, wobei die Magneteinheit eine Vielzahl Magnetpole hat, deren Polaritäten in einer Umfangsrichtung der drehenden elektrischen Maschine abwechselnd angeordnet sind; und einen Anker (50), der eine mehrphasige Ankerwicklung (51) und ein Basiselement (52) hat, an dem die mehrphasige Ankerwicklung befestigt ist, wobei eines aus dem Feldgenerator und dem Anker als Rotor der drehenden elektrischen Maschine dient, wobei die mehrphasige Ankerwicklung eine Vielzahl leitende Elemente (81, 82) aufweist, die dem Feldgenerator zugewandt und in der Umfangsrichtung in bestimmten Abständen voneinander angeordnet sind, wobei das Verfahren umfasst: einen ersten Schritt, eine Oberfläche einer flachen Platte aus magnetischem Material mit einem filmartigen Filmschichtelement aus thermoplastischem Harz als nicht-magnetischem Material abzudecken, einen zweiten Schritt, mindestens ein Teil jedes der leitenden Elemente in das Filmschichtelement einzubetten, um dadurch das entsprechende der leitenden Elemente über das Filmschichtelement an der flachen Platte zu befestigen; und einen dritten Schritt, die flache Platte mit den daran über das Filmschichtelement befestigten leitenden Elementen zu rollen, um dadurch das Basiselement mit einer hohlzylindrischen Form auszubilden.
Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei: der zweite Schritt einen Schritt hat, jedes der leitenden Elemente in Richtung des Basiselements unter einer Hochtemperaturbedingung zu pressen, um dadurch jedes der leitenden Elemente zumindest teilweise in das Schichtelement einzubetten.