DE112020006839T5

DE112020006839T5 - Rotierende elektrische Maschinen

Info

Publication number: DE112020006839T5
Application number: DE112020006839.0T
Authority: DE
Inventors: Yuki Takahashi
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2020-03-05
Filing date: 2020-03-05
Publication date: 2022-12-15
Also published as: WO2021176668A1; US20210328488A1; US11984778B2; CN113692690A

Abstract

Eine Spannungsgrenzellipse ist in einem d-q-Koordinatensystem einer rotierenden elektrischen Maschine durch d-Achsen- und q-Achsen-Ströme definiert, die durch eine Ankerspule (521, 700U) fließen, wenn der Betrag eines Spannungsvektors, der an die Ankerspule angelegt wird, gleich einem Spannungsgrenzwert ist. Das Produkt der Anzahl der elektrischen Leiterabschnitte (523, 701U) pro Pol in jeder Phase und der Anzahl der Pole der rotierenden elektrischen Maschine ist derart eingestellt, dass, wenn die Drehgeschwindigkeit der rotierenden elektrischen Maschine gleich einer maximalen Drehgeschwindigkeit ist, die Mitte der Spanungsgrenzellipse sich außerhalb eines Stromgrenzkreises und in einer negativen d-Achsen-Region in dem d-q-Koordinatensystem befindet, und ein positiv-d-Achsen-seitiger Scheitelpunkt der Spannungsgrenzellipse sich innerhalb des Stromgrenzkreises befindet.

Description

Technisches Gebiet
Die Offenbarung in dieser Beschreibung betrifft rotierende elektrische Maschinen.
Stand der Technik
Herkömmlich sind, beispielweise aus Patentdokument 1 rotierende elektrische Maschinen bekannt, die ein Feldsystem und einen Anker aufweisen. Das Feldsystem weist einen Magnetabschnitt mit einer Vielzahl von Magnetpolen auf, deren Polaritäten in einer Umlaufsrichtung abwechseln. Der Anker weist eine mehrphasige Ankerspule auf. Die Ankerspule weist elektrische Leiterabschnitte auf, die an Positionen angeordnet sind, die dem Feldsystem zugewandt sind und in Ausrichtung miteinander in der Umlaufsrichtung sind.
Literaturgemäß dem Stand der Technik
Patentliteratur
Patentdokument 1: JP 2014 - 093 859 A
Zusammenfassung der Erfindung
Eine rotierende elektrische Maschine kann eine (nachstehend als nutenlose Struktur bezeichnete) Struktur derart aufweisen, dass:

in dem Anker Zwischenleiterelemente zwischen den elektrischen Leiterabschnitten in der Umlaufsrichtung vorgesehen sind oder keine Zwischenleiterelemente zwischen den elektrischen Leiterabschnitten in der Umlaufsrichtung vorgesehen sind, und
die Zwischenleiterelemente aus einem magnetischen Material gebildet sind, die die nachfolgende Beziehung erfüllen, oder aus einem nichtmagnetischen Material gebildet sind, $Wt \times Bs \leq Wm \times Br,$
wobei Wt die Umlaufsbreite (Breite in Umlaufsrichtung) der Zwischenleiterelemente in jedem Magnetpol ist, Bs die Sättigungsflussdichte der Zwischenleiterelemente ist, Wm die Umlaufsbreite des Magnetabschnitts in jedem Magnetpol ist und Br die Remanenzflussdichte des Magnetabschnitts ist. Jedoch kann in einer derartigen rotierenden elektrischen Maschine ein Problem dahingehend auftreten, dass, wenn die Drehgeschwindigkeit der rotierenden elektrischen Maschine gleich einer maximalen Drehgeschwindigkeit ist, es unmöglich wird, in geeigneter Weise einen elektrischen Strom zu steuern, der der Ankerspule zugeführt wird. Nachstehend ist dieses Problem ausführlich beschrieben.

Wenn die induzierte Spannung in der Ankerspule einen gewissen Wert aufweist, ist eine Spannungsgrenzellipse (die nachstehend auch als Ellipse mit konstanter induzierter Spannung bezeichnet ist) in dem d-q-Koordinatensystem durch die d-Achsen- und q-Achsen-Ströme definiert, die durch die Ankerspule fließen. Weiterhin, ist, um zu vermeiden, dass die Zuverlässigkeit der rotierenden elektrischen Maschine abgesenkt wird, ein Stromgrenzwert als ein Grenzwert des elektrischen Stroms spezifiziert, der der Ankerspule zugeführt wird. Der Stromgrenzwert ist beispielsweise auf einen Wert eingestellt, der gleich wie oder kleiner als der Nennstrom ist, der der Ankerspule zugeführt wird. Weiterhin ist ein Stromgrenzkreis in dem d-q-Koordinatensystem durch die d-Achsen- und q-Achsen-Ströme eines Stromvektors definiert, dessen Betrag gleich dem Stromgrenzwert ist. In dem d-q-Koordinatensystem ist die Region, in dem die Stromvektoren auswählbar sind, eine Region, in der der Stromgrenzkreis und die Spannungsgrenzellipse sich überlappen. Daher gibt es, wenn der Stromgrenzkreis und die Spannungsgrenzellipse sich nicht überlappen, keine Region, in der Stromvektoren auswählbar sind; folglich wird es unmöglich, in geeigneter Weise eine Stromsteuerung der Ankerspule durchzuführen.
In der nutenlosen Struktur ist die Induktivität (genauer die d-Achsen-Induktivität) der rotierenden elektrischen Maschine niedrig. Weiterhin befindet sich, je niedriger die d-Achsen-Induktivität ist, die Mitte der Spannungsgrenzellipse umso stärker weg von dem Ursprung des d-q-Koordinatensystems in der negativen d-Achsen-Richtung. Weiterhin befindet sich, je höher die Drehgeschwindigkeit der rotierenden elektrischen Maschine ist, die Mitte der Spannungsgrenzellipse umso stärker weg von dem Ursprung des d-q-Koordinatensystems in der negativen d-Achsen-Richtung. Daher kann es sein, dass, wenn die rotierende elektrische Maschine mit der nutenlosen Struktur in einer Hochgeschwindigkeitsdrehregion angetrieben wird, keine überlappende Region des Stromgrenzkreises und der Spannungsgrenzellipse vorhanden ist. In diesem Fall würde es unmöglich, in geeigneter Weise eine Stromsteuerung der Ankerspule durchzuführen.
Die vorliegende Offenbarung wurde im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen Umstände erzielt. Es ist daher eine Hauptaufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine rotierende elektrische Maschine mit einer nutenlosen Struktur bereitzustellen, die in der Lage ist, eine Stromsteuerung einer Ankerspule in geeigneter Weise durchzuführen, selbst wenn sie in einer Hochgeschwindigkeitsdrehregion angetrieben wird.
Eine Vielzahl von Ausführungsbeispielen, die in dieser Beschreibung offenbart sind, wenden technische Lösungen an, die sich voneinander unterscheiden, um jeweilige Aufgaben zu erzielen. Aufgaben, Merkmale und vorteilhafte Wirkungen, die in dieser Beschreibung offenbart sind, werden anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen deutlich.
Gemäß einer ersten Lösung ist eine rotierende elektrische Maschine bereitgestellt, die aufweist:

ein Feldsystem, das einen Magnetabschnitt aufweist, der eine Vielzahl von Magnetpolen aufweist, deren Polaritäten in einer Umlaufsrichtung abwechseln, und
einen Anker mit einer mehrphasigen Ankerspule,

entweder das Feldsystem oder der Anker als ein Rotor konfiguriert ist,
die Ankerspule elektrische Leiterabschnitte aufweist, die an Positionen angeordnet sind, die dem Feldsystem zugewandt sind und in Ausrichtung miteinander in der Umlaufsrichtung angeordnet sind,
in dem Anker Zwischenleiterelemente zwischen den elektrischen Leiterabschnitten in der Umlaufsrichtung vorgesehen sind oder keine Zwischenleiterelemente zwischen den elektrischen Leiterabschnitten in der Umlaufsrichtung vorgesehen sind,
die Zwischenleiterelemente aus einem magnetischen Material gebildet sind, die die nachfolgende Beziehung erfüllen, oder aus einem nichtmagnetischen Material gebildet sind, $Wt \times Bs \leq Wm \times Br,$
wobei Wt eine Breite in Umlaufsrichtung der Zwischenleiterelemente in jedem Magnetpol ist, Bs eine Sättigungsflussdichte der Zwischenleiterelemente ist, Wm eine Breite in Umlaufsrichtung des Magnetabschnitts in jedem Magnetpol ist und Br eine Remanenzflussdichte des Magnetabschnitts ist,
eine Spannungsgrenzellipse in einem d-q-Koordinatensystem der rotierenden elektrischen Maschine durch d-Achsen- und q-Achsen-Ströme definiert ist, die durch die Ankerspule fließen, wenn der Betrag eines Spannungsvektors, der an die Ankerspule angelegt wird, gleich einem Spannungsgrenzwert ist, und
das Produkt der Anzahl der elektrischen Leiterabschnitte pro Pol in jeder Phase und der Anzahl der Pole der rotierenden elektrischen Maschine derart eingestellt ist, dass, wenn die Drehgeschwindigkeit der rotierenden elektrischen Maschine gleich einer maximalen Drehgeschwindigkeit ist, die Mitte der Spannungsgrenzellipse die sich außerhalb eines Stromgrenzkreises und in einer negativen d-Achsen-Region in dem d-q-Koordinatensystem befindet, und ein positiv-d-Achsen-seitiger Scheitelpunkt der Spannungsgrenzellipse sich innerhalb oder auf dem Stromgrenzkreis befindet.

Das Produkt der Anzahl der elektrischen Leiterabschnitte pro Pol in jeder Phase und der Anzahl der Pole der rotierenden elektrischen Maschine repräsentiert die Gesamtzahl der elektrischen Leiterabschnitte pro Phase. Nachstehend ist diese Gesamtzahl als die Gesamtleiteranzahl bezeichnet. Mit Erhöhung der Gesamtleiteranzahl erhöht sich die d-Achsen-Induktivität und nähert sich somit die Mitte der Spannungsgrenzellipse dem Ursprung des d-q-Koordinatensystems an.
In Hinblick auf das vorstehend Beschriebene ist in der ersten Lösung die Gesamtleiteranzahl derart eingestellt, dass, wenn die Drehgeschwindigkeit der rotierenden elektrischen Maschine gleich der maximalen Drehgeschwindigkeit ist, die Mitte der Spannungsgrenzellipse sich außerhalb des Stromgrenzkreises und in der negativen d-Achsen-Region in dem d-q-Koordinatensystem befindet, und der Scheitelpunkt (positiv-d-Achsen-seitige Scheitelpunkt) der Spannungsgrenzellipse auf der Seite der positiven d-Achse sich innerhalb oder auf dem Stromgrenzkreis befindet. Gemäß der ersten Lösung ist es in der rotierenden elektrischen Maschine mit der nutenlosen Struktur, selbst wenn die Drehgeschwindigkeit der rotierenden elektrischen Maschine gleich der maximalen Drehgeschwindigkeit ist, immer noch möglich, zu bewirken, dass die Spannungsgrenzellipse und der Stromgrenzkreis sich in dem d-q-Koordinatensystem überlappen. Folglich ist es, selbst wenn die rotierende elektrische Maschine mit der nutenlosen Struktur in einer Hochgeschwindigkeitsdrehregion angetrieben wird, immer noch möglich, eine Stromsteuerung der Ankerspule in geeigneter Weise durchzuführen.
Weiterhin ist es gemäß der ersten Lösung ebenfalls möglich, eine hohe Ausgangsleistung der rotierenden elektrischen Maschine zu erzielen. Nachstehend ist der Grund erläutert, warum eine hohe Ausgangsleistung der rotierenden elektrischen Maschine erzielt werden kann.
Durch Erhöhung der Gesamtleiteranzahl wird, obwohl es möglich wird, in geeigneter Weise die Stromsteuerung durchzuführen, die q-Achsen-Induktivität ebenfalls erhöht. Weiterhin wird mit Erhöhung der q-Achsen-Induktivität die Phasenverzögerung des Stromvektors in Bezug auf den Spannungsvektor groß, was den Leistungsfaktor der rotierenden elektrischen Maschine absenkt. Als Ergebnis wird es unmöglich, eine hohe Ausgangsleistung der rotierenden elektrischen Maschine zu erzielen.
In dieser Hinsicht ist gemäß der ersten Lösung die q-Achsen-Induktivität minimiert, indem die nutenlose Struktur angewendet wird. Folglich wird es möglich, die q-Achsen-Ankerreaktion (ω × Lq × Iq) und somit die q-Achsen-Spannungskomponente des Spannungsvektors zu reduzieren. Als Ergebnis wird es möglich, die Phasendifferenz zwischen dem Stromvektor und dem Spannungsvektor zu reduzieren, wodurch der Leistungsfaktor verbessert wird. Somit wird es möglich, eine hohe Ausgangsleistung der rotierenden elektrischen Maschine zu erzielen.
Zusätzlich wurde herkömmlich allgemein anerkannt, dass die Ausgangsleistungen von rotierenden elektrischen Maschinen selbst mit einer Erhöhung der Gesamtleiteranzahl nicht erhöht werden können. Insbesondere verringert sich mit Erhöhung der Gesamtleiteranzahl, obwohl das maximale Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine sich erhöht, der Leistungsfaktor aufgrund der Erhöhung der q-Achsen-Induktivität; jedoch wird die maximale Drehgeschwindigkeit abgesenkt. Daher wurde allgemein anerkannt, dass die Ausgangsleitungen von rotierenden elektrischen Maschinen selbst mit einer Erhöhung der Gesamtleiteranzahl nicht erhöht werden können. Weiterhin können die Drehmoment-, Strom- und Drehgeschwindigkeitscharakteristiken einer rotierenden elektrischen Maschine ausgedrückt werden durch (Vb = Ke × ω - Z × I), wobei Vb die an die Ankerspule angelegte Spannung (genauer die Eingangsspannung eines Wechselrichters) ist, Ke die gegenelektromotorische Kraftkonstante ist, ω die elektrische Winkelgeschwindigkeit ist, Z die Impedanz der Ankerspule ist und I der elektrische Strom ist, der durch die Ankerspule fließt. Mit Erhöhung der Gesamtleiteranzahl erhöht sich die gegenelektromotorische Kraftkonstante Ke, wodurch die maximale Drehgeschwindigkeit abgesenkt wird. Genauer ist die maximale Drehgeschwindigkeit abhängig von der elektrischen Winkelgeschwindigkeit ω, wenn I = 0 ist. Wenn die Eingangsspannung Vb des Wechselrichters konstant gehalten wird, verringert sich die elektrische Winkelgeschwindigkeit ω mit Erhöhung der gegenelektromotorischen Kraftkonstante Ke. Daher erhöht sich mit Erhöhung der Gesamtleiterzahl die gegenelektromotorischen Kraftkonstante Ke, wodurch die maximale Drehgeschwindigkeit abgesenkt wird.
Im Gegensatz dazu ist gemäß der ersten Lösung die Gesamtleiteranzahl im Vergleich zu den herkömmlichen rotierenden elektrischen Maschinen erhöht, so dass, wenn die Drehgeschwindigkeit gleich der maximalen Drehgeschwindigkeit ist, die Mitte der Spannungsgrenzellipse sich außerhalb des Stromgrenzkreises und in der negativen d-Achsen-Region in dem d-q-Koordinatensystem befindet und der Scheitelpunkt der Spannungsgrenzellipse auf der positiven d-Achsen-Seite sich innerhalb oder auf dem Stromgrenzkreis befindet. Währenddessen ist die q-Achsen-Induktivität mit der nutenlosen Struktur minimiert. Folglich wird es möglich, die Drehgeschwindigkeit zu erhöhen, während die Phasenverzögerung des Stromvektors in Bezug auf den Spannungsvektor reduziert wird. Als Ergebnis wird es möglich, eine hohe Ausgangsleistung der rotierenden elektrischen Maschine zu erzielen.
Gemäß einer zweiten Lösung ist, in der vorstehend beschriebenen ersten Lösung der Magnetabschnitt derart konfiguriert, dass leichte Achsen der Magnetisierung derart orientiert sind, dass an Stellen, die sich näher an einer d-Achse befinden, die Richtungen der leichten Achsen der Magnetisierung stärker parallel zu der d-Achse sind als an Stellen, die näher an der q-Achse sind, wobei die d-Achse Mitten der Magnetpole des Magnetabschnitts repräsentieren, und die q-Achse Grenzen zwischen den Magnetpolen repräsentiert.
Das Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine kann erhöht werden, indem die Größe des Magnetflusses des Magnetabschnitts erhöht wird. Jedoch wird mit Erhöhung der Größe des Magnetflusses des Magnetabschnitts die Spannungsgrenzellipse weiter weg von dem Ursprung des d-q-Koordinatensystems in der negativen d-Achsen-Richtung; somit wird es wahrscheinlicher, dass die Spannungsgrenzellipse derart angeordnet ist, dass sie den Stromgrenzkreis nicht überlappt. Daher wurde herkömmlich die Maßnahme der Erhöhung der Größe des Magnetflusses des Magnetabschnitts nicht vorgenommen, um das Drehmoment in der Hochgeschwindigkeitsdrehregion zu erhöhen.
In dieser Hinsicht ist gemäß der zweiten Lösung zusätzlich zur Erhöhung der Größe des Magnetflusses des Magnetabschnitts die Gesamtleiteranzahl derart eingestellt, dass, wenn die Drehgeschwindigkeit der rotierenden elektrischen Maschine gleich der maximalen Drehgeschwindigkeit ist, die Mitte der Spannungsgrenzellipse sich außerhalb des Stromgrenzkreises und in der negativen d-Achsen-Region in dem d-q-Koordinatensystem befindet und der positiv-d-Achsen-seitige Scheitelpunkt der Spannungsgrenzellipse sich innerhalb oder auf dem Stromgrenzkreis befindet. Folglich wird es möglich, das Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine zu erhöhen, während erlaubt wird, dass eine Stromsteuerung in geeigneter Weise durchgeführt wird, wenn die Drehgeschwindigkeit der rotierenden elektrischen Maschine gleich der maximalen Drehgeschwindigkeit ist. Als Ergebnis wird es möglich, eine hohe Ausgangsleistung der rotierenden elektrischen Maschine zu erzielen.
Gemäß einer dritten Lösung weist, in der vorstehend beschriebenen zweiten Lösung, das Feldsystem weiterhin eine Magnethalteeinrichtung auf, die konfiguriert ist, den Magnetabschnitt von einer Nichtankerseite zu halten, und aus einem magnetischen Material gebildet ist. Die Orientierung ist derart gemacht, dass die d-Achsen-Seitenabschnitte der Magnethalteeinrichtung durch den Magnetfluss des Magnetabschnitts nicht magnetisch gesättigt werden, und die q-Achsen-Abschnitte der Magnethalteeinrichtung durch den Magnetfluss des Magnetabschnitts magnetisch gesättigt werden.
Gemäß der dritten Lösung wird es möglich, zuverlässig eine Erhöhung der q-Achsen-Induktivität aufgrund der Erhöhung der Gesamtleiteranzahl zu unterdrücken. Folglich wird es möglich, effektiver den Leistungsfaktor der rotierenden elektrischen Maschine zu verbessern.
Gemäß einer vierten Lösung weist, in irgendeiner der vorstehend beschriebenen ersten bis dritten Lösungen der Magnetabschnitt eine intrinsische Koerzitivkraft, die gleich wie oder größer als 400kA/m ist, und eine Remanenzflussdichte auf, die gleich oder größer als 1,0T ist.
Gemäß der vierten Lösung wird es, ähnlich zu der zweiten Lösung, möglich, eine hohe Ausgangsleistung der rotierenden elektrischen Maschine zu erzielen.
Figurenliste
Die vorstehend beschriebenen Aufgaben, andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile gemäß der vorliegenden Offenbarung werden anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen deutlicher.
In den Zeichnungen zeigen:

1 eine perspektivische Längs-Querschnittsansicht einer rotierenden elektrischen Maschine,
2 eine Längs-Querschnittsansicht der rotierenden elektrischen Maschine,
3 Querschnittsansicht, die entlang der Linie III-III in 2 genommen ist,
4 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils von 3,
5 eine auseinandergezogene Ansicht der rotierenden elektrischen Maschine,
6 eine auseinandergezogene Ansicht einer Wechselrichtereinheit,
7 ein Drehmomentdiagramm, das die Beziehung zwischen Amperewindungen einer Statorspule und einer Drehmomentdichte veranschaulicht,
8 eine Querrichtungs-Querschnittsansicht eines Rotors und eines Stators,
9 eine vergrößerte Ansicht eines Teils von 8
10 eine Querrichtungs-Querschnittsansicht des Stators,
11 eine Längs-Querschnittsansicht des Stators,
12 eine perspektivische Ansicht der Statorspule,
13 eine perspektivische Ansicht, die die Konfiguration eines elektrischen Leiters veranschaulicht,
14 eine schematische Darstellung, die die Konfiguration eines Drahts veranschaulicht,
15(a) und 15(b) Darstellungen, die das Layout von elektrischen Leitern in einer n-ten Schicht veranschaulichen,
16 eine Seitenansicht, die elektrische Leiter in einer n-ten Schicht und der (n+1)-ten Schicht veranschaulicht,
17 eine Darstellung, die die Beziehung zwischen einem elektrischen Winkel und einer Magnetflussdichte in Magneten gemäß einem Ausführungsbeispiel veranschaulicht,
18 eine Darstellung, die die Beziehung zwischen dem elektrischen Winkel und der Magnetflussdichte in Magneten von Vergleichsbeispielen veranschaulicht,
19 ein elektrisches Schaltbild eines Steuerungssystems der rotierenden elektrischen Maschine,
20 ein Funktionsblockschaltbild, das einen durch eine Steuerungseinrichtung durchgeführten Stromregelungsprozess veranschaulicht,
21 ein Funktionsblockschaltbild, das einen durch die Steuerungseinrichtung durchgeführten Drehmomentregelungsprozess veranschaulicht,
22 eine Querrichtungs-Querschnittsansicht eines Rotors und eines Stators gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
23 eine vergrößerte Ansicht eines Teils von 22,
24(a) und 24(b) Darstellungen, die Fluss von Magnetfluss in Magneteinheiten veranschaulichen,
25 eine Querschnittsansicht eines Stators gemäß einer ersten Modifikation,
26 eine Querschnittsansicht eines anderen Stators gemäß der ersten Modifikation,
27 eine Querschnittsansicht eines Stators gemäß einer zweiten Modifikation,
28 eine Querschnittsansicht eines Stators gemäß einer dritten Modifikation,
29 eine Querschnittsansicht eines Stators gemäß einer vierten Modifikation,
30 eine Querrichtungs-Querschnittsansicht eines Rotors und eines Stators gemäß einer siebten Modifikation,
31 ein Funktionsblockschaltbild, das einen Teil eines Prozesses veranschaulicht, der durch eine Betriebssignalerzeugungseinrichtung gemäß einer achten Modifikation durchgeführt wird,
32 ein Flussdiagramm, das einen Prozess des Variierens einer Trägerfrequenz veranschaulicht,
33(a) bis 33(c) Darstellungen, die die Arten zum Verbinden elektrischer Leiter, die eine elektrische Leitergruppe bilden, gemäß einer neunten Modifikation veranschaulichen,
34 eine Darstellung, die eine Konfiguration des radialen Stapelns von vier Paaren von elektrischen Leitern gemäß der neunten Modifikation veranschaulicht,
35 eine Querrichtungs-Querschnittsansicht von sowohl einem Rotor als auch einem Stator einer rotierenden elektrischen Maschine der Bauart mit innerem Rotor gemäß einer zehnten Modifikation veranschaulicht,
36 eine vergrößerte Ansicht eines Teils von 35,
37 eine Längs-Querschnittsansicht der rotierenden elektrischen Maschine der Bauart mit innerem Rotor gemäß der zehnten Modifikation,
38 eine Längs-Querschnittsansicht, die die Gesamtkonfiguration einer weiteren rotierenden elektrischen Maschine der Bauart mit innerem Rotor gemäß der zehnten Modifikation veranschaulicht,
39 eine Darstellung, die die Konfiguration einer rotierenden elektrischen Maschine der Bauart mit innerem Rotor gemäß einer elften Modifikation veranschaulicht,
40 eine Darstellung, die die Konfiguration der rotierenden elektrischen Maschine der Bauart mit innerem Rotor gemäß der elften Modifikation veranschaulicht,
41 eine Darstellung, die die Konfiguration einer rotierenden elektrischen Maschine der Bauart mit rotierendem Anker gemäß einer zwölften Modifikation veranschaulicht,
42 eine Querschnittsansicht, die die Konfiguration von elektrischen Leitern gemäß einer vierzehnten Modifikation veranschaulicht,
43 eine Darstellung, die die Beziehungen zwischen Reluktanzdrehmoment, Magnetdrehmoment und einer radialen Distanz DM veranschaulicht.
44 eine Darstellung, die Zähne veranschaulicht,
45 eine perspektivische Ansicht eines Fahrzeugrades, die eine Radinnenmotorstruktur aufweist, und deren umgebende Strukturen,
46 eine Längs-Querschnittsansicht des Fahrzeugrads und dessen umgebende Strukturen,
47 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht des Fahrzeugrads,
48 eine Seitenansicht, von der vorspringenden Seite einer Drehwelle, einer rotierenden elektrischen Maschine, die als ein Radinnenmotor vorgesehen ist,
49 eine Querschnittsansicht, die entlang der Linie 49-49 in 48 genommen ist,
50 eine Querschnittsansicht, die entlang der Linie 50-50 in 49 genommen ist,
51 eine auseinandergezogene Querschnittsansicht der rotierenden elektrischen Maschine,
52 eine Querschnittsansicht eines Teils eines Rotors der rotierenden elektrischen Maschine,
53 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Stators der rotierenden elektrischen Maschine,
54(a) und 54(b) jeweils eine Abwicklungsansicht einer Statorspule des Stators auf einer Ebene,
55 eine Darstellung, die Schrägungswinkel von elektrischen Leitern veranschaulicht, die die Statorspule bilden,
56 eine auseinandergezogene Querschnittsansicht einer Wechselrichtereinheit der rotierenden elektrischen Maschine,
57 eine weitere auseinandergezogene Querschnittsansicht der Wechselrichtereinheit,
58 eine Querschnittsansicht, die die Anordnung elektrischer Module in einem Wechselrichtergehäuse der Wechselrichtereinheit veranschaulicht,
59 ein Schaltbild, das die elektrische Konfiguration eines Wechselrichters, der in der Wechselrichtereinheit gebildet ist, veranschaulicht,
60 eine Querschnittsansicht, die ein Konfigurationsbeispiel für Schaltmodule der Wechselrichtereinheit veranschaulicht,
61(a) und 61(b) Querschnittsansichten, die eine erste beispielhafte Wasserkühlstruktur der Schaltmodule der Wechselrichtereinheit veranschaulichen,
62(a) bis 62(c) Querschnittsansichten, die eine zweite beispielhafte Wasserkühlstruktur der Schaltmodule der Wechselrichtereinheit veranschaulichen,
63(a) und 63(b) Querschnittsansichten, die eine dritte beispielhafte Wasserkühlstruktur der Schaltmodule der Wechselrichtereinheit veranschaulichen,
64 eine Querschnittsansicht, die eine beispielhafte Wasserkühlstruktur der elektrischen Module der Wechselrichtereinheit veranschaulicht,
65 eine Darstellung, die eine beispielhafte Anordnung der elektrischen Module in Bezug auf einen Kühlwasserkanal in der Wechselrichtereinheit veranschaulicht,
66 eine Querschnittsansicht, die entlang der Linie 66-66 in 49 genommen ist,
67 eine Querschnittsansicht, die entlang der Linie 67-67 in 49 genommen ist,
68 eine perspektivische Ansicht eines Sammelschienenmoduls der Wechselrichtereinheit,
69 eine Abwicklungsansicht der elektrischen Module auf einer Ebene, die die elektrische Verbindung zwischen den elektrischen Modulen und dem Sammelschienenmodul veranschaulicht,
70 eine Darstellung, die die elektrische Verbindung zwischen den elektrischen Modulen, die in einer ringförmigen Form angeordnet sind, und dem Sammelschienenmodul veranschaulicht,
71 eine Darstellung, die eine Modifikation der elektrischen Verbindung zwischen den elektrischen Modulen und dem Sammelschienenmodul veranschaulicht,
72(a) bis 72(d) Querschnittsansichten, die eine erste Modifikation des Radinnenmotors veranschaulichen,
73(a) bis 73(c) Querschnittsansichten, die eine zweite Modifikation des Radinnenmotors veranschaulichen,
74(a) und 74(b) Querschnittsansichten, die eine dritte Modifikation des Radinnenmotors veranschaulichen,
75 eine perspektivische Ansicht einer Statorspule gemäß einer vierten Modifikation des Radinnenmotors,
76 eine Darstellung, die sowohl eine Spannungsgrenzellipse bei einer maximalen Drehgeschwindigkeit als auch einen Stromgrenzkreis gemäß einer fünften Modifikation veranschaulicht,
77 eine Darstellung, die ein beispielhaftes Orientierungsverfahren der Permanentmagnete veranschaulicht,
78 eine Darstellung, die ein Beispiel für magnetisch gesättigte Abschnitte einer Magnethalteeinrichtung in der Nähe der q-Achse veranschaulicht,
79 eine Darstellung, die sowohl einen Spannungsvektor als auch einen Stromvektor veranschaulicht,
80 eine Darstellung, die die Beziehung zwischen der Drehgeschwindigkeit und dem Drehmoment einer rotierenden elektrischen Maschine veranschaulicht,
81 eine Darstellung, die die Beziehung zwischen der Gesamtleiteranzahl und der maximalen Drehgeschwindigkeit veranschaulicht,
82 eine Darstellung, die eine beispielhafte Konfiguration einer Statorspule veranschaulicht,
83 eine Darstellung, die eine weitere beispielhafte Konfiguration einer Statorspule veranschaulicht,
84 eine Darstellung, die die Gesamtleiteranzahl, den Leistungsfaktor und andere Parameter in jeweils den ersten bis vierten Konfigurationen und ersten bis vierten Vergleichsbeispielen veranschaulicht,
85(a) bis 85(c) Darstellungen, die die Beziehung zwischen der Spannungsgrenzellipse und dem Stromgrenzkreis jeweils in den ersten bis dritten Konfigurationen veranschaulicht, und
86(a) und 86(b) Darstellungen, die die Beziehung zwischen der Spannungsgrenzellipse und dem Stromgrenzkreis jeweils in den ersten und zweiten Vergleichsbeispielen veranschaulicht.

Ausführungsbeispiele zur Ausführung der Erfindung
Nachstehend sind Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In den Ausführungsbeispielen sind Teile, die funktional und/oder strukturell einander entsprechen, und/oder Teile, die miteinander verknüpft sind, durch die gleichen Bezugszeichen oder durch Bezugszeichen gekennzeichnet, die sich an der Hunderterstelle voneinander unterscheiden. Die entsprechenden Teile und/oder die verknüpften Teile können sich auf die Erläuterung von anderen Ausführungsbeispielen beziehen.
Rotierende elektrische Maschinen gemäß den Ausführungsbeispielen sind konfiguriert, um beispielsweise als Fahrzeugleistungsquellen verwendet zu werden. Jedoch können die rotierenden elektrischen Maschinen ebenfalls breite Anwendungen in anderen Anwendungen wie Industrie-, Automobil-, Haushalts-, Büroautomation- und Unterhaltungsanwendungen finden. Zusätzlich sind in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen identische oder äquivalente Teile durch dieselben Bezugszeichen in den Zeichnungen bezeichnet, und wird deren Erläuterung nicht wiederholt werden.
Erstes Ausführungsbeispiel
Die rotierende elektrische Maschine 10 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein mehrphasiger Synchron-Wechselstrommotor mit einer Struktur mit äußerem Rotor (d.h. einer äußeren rotierenden Struktur). Das Erscheinungsbild der rotierenden elektrischen Maschine 10 ist in 1 bis 5 veranschaulicht. 1 zeigt eine perspektivische Längs-Querschnittsansicht der rotierenden elektrischen Maschine 10. 2 zeigt eine Längs-Querschnittsansicht entlang einer Drehwelle 11 der rotierenden elektrischen Maschine 10. 3 zeigt eine Querrichtungs-Querschnittsansicht (d.h. eine Querschnittsansicht, die entlang der Linie III-III in 2 genommen ist) der rotierenden elektrischen Maschine 10, die senkrecht zu der rotierenden Welle 11 ist. 4 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils von 3. 5 zeigt eine auseinandergezogene Ansicht der rotierenden elektrischen Maschine 10. Zusätzlich sei bemerkt, dass in 3 zur vereinfachten Darstellung Schraffurlinien, die Querschnitte von Komponenten der rotierenden elektrischen Maschine 10 veranschaulichen, mit der Ausnahme für die Drehwelle 11 weggelassen sind. In der nachfolgenden Beschreibung ist die Richtung, in der sich die Drehwelle 11 erstreckt, als die axiale Richtung bezeichnet, wobei die Richtungen, die sich radial von der Mitte der Drehwelle 11 weg erstrecken, als radiale Richtungen bezeichnet sind, und die Richtung, die sich entlang eines Kreises erstreckt, dessen Mittelpunkt auf der Drehwelle 11 liegt, als Umlaufsrichtung bezeichnet ist.
Die rotierenden elektrischen Maschine 10 weist eine Lagereinheit 20, ein Gehäuse 30, einen Rotor 40, einen Stator 50 und eine Wechselrichtereinheit 60 auf. Diese Elemente sind jeweils koaxial mit der Drehwelle 11 angeordnet und in einer gegebenen Abfolge in der axialen Richtung zusammengebaut, um die rotierende elektrische Maschine 10 zu bilden. Die rotierende elektrische Maschine 10 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist derart konfiguriert, dass der Rotor 40 als ein „Feldsystem“ fungiert und der Stator 50 als ein „Anker“ fungiert. Das heißt, dass die rotierende elektrische Maschine 10 als eine rotierende elektrische Maschine der Bauart mit rotierendem Feld verkörpert ist.
Die Lagereinheit 20 weist zwei Lager 21 und 22 auf, die voneinander in der axialen Richtung beabstandet angeordnet sind und ein Halteelement 23 auf, das beide der Lager 21 und 22 hält. Die Lager 21 und 22 sind beispielsweise durch radiale Kugellager verwirklicht, die jeweils einen äußeren Ring 25, einen inneren Ring 26 und eine Vielzahl von Kugeln 27 aufweisen, die zwischen dem äußeren Ring 25 und dem inneren Ring 26 angeordnet sind. Das Halteelement 23 ist zylindrisch geformt und weist beide der Lager 21 und 22 auf, die an der radialen inneren Seite davon angebracht sind. Weiterhin sind an der radialen inneren Seite der Lager 21 und 22 die Drehwelle 11 und der Rotor 40 drehbar gestützt. Das heißt, dass die Lager 21 und 22 ein Paar von Lagern bilden, die die Drehwelle 11 drehbar stützen.
In jedem der Lager 21 und 22 werden die Kugeln 27 durch eine nicht gezeigte Festhalteeinrichtung festgehalten, wodurch der Abstand (pitch) zwischen jedem Paar der Kugeln 27 beibehalten wird. Weiterhin weist jedes der Lager 21 und 22 ein Abdichtelement auf den oberen und unteren Seiten der Festhalteeinrichtung in der axialen Richtung auf, und weist eine nicht elektrisch leitende Schmierung (beispielsweise eine nicht elektrisch leitende Urea-basierte Schmierung) auf, die innerhalb der Abdichtungselemente eingefüllt ist. Zusätzlich wird die Position des inneren Rings 26 mechanisch durch einen Abstandshalter gehalten, und wird eine Vorlast mit konstantem Druck von der inneren Seite durchgeführt, um ihn in der vertikalen Richtung konvex zu machen.
Das Gehäuse 30 weist eine Umlaufswand 31 auf, die eine zylindrische Form aufweist. Die Umlaufswand 31 weist ein erstes Ende und ein zweites Ende auf, die in der axialen Richtung entgegengesetzt zueinander sind. Weiterhin weist die Umlaufswand 31 eine Endoberfläche 32 an dem ersten Ende und eine Öffnung 33 an dem zweiten Ende auf. Die Öffnung 33 ist derart gebildet, dass sie über das gesamte zweite Ende der Umlaufswand 31 geöffnet ist. Die Endoberfläche 32 weist eine kreisförmige Öffnung 34 auf, die in der Mitte davon gebildet ist. Die Lagereinheit 20 ist in der Öffnung 34 eingesetzt und durch Befestigungseinrichtungen wie Schrauben oder Nieten befestigt. Innerhalb des Gehäuses 30, d.h. in einem Innenraum, der durch die Umlaufswand 31 und die Endoberfläche 32 abgegrenzt ist, sind der Rotor 40 und der Stator 50 aufgenommen, die beide eine hohlzylindrische Form aufweisen. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die rotierende elektrische Maschine 10 von einer Bauart mit äußerem Rotor, so dass der Stator 50 radial innerhalb des zylindrischen Rotors 40 in dem Gehäuse 30 angeordnet ist. Weiterhin wird der Rotor 40 in einer Auslegerweise durch die Drehwelle 11 auf der Seite der Endoberfläche 32 in der axialen Richtung gestützt.
Der Rotor 40 weist eine hohlzylindrische Magnethalteeinrichtung 41 und eine ringförmige Magneteinheit 42 auf, die radial innerhalb der Magnethalteeinrichtung 41 vorgesehen ist. Die Magnethalteeinrichtung 41 ist im Wesentlichen tassenförmig und fungiert als ein Magnethalteelement. Die Magnethalteeinrichtung 41 weist einen zylindrischen Abschnitt 43, einen Anbringungsabschnitt (oder eine Befestigung) 44 auf, der (die) ebenfalls eine zylindrische Form aufweist und einen kleineren Durchmesser als der zylindrische Abschnitt 43 aufweist, und einen Zwischenabschnitt 45 auf, der den zylindrischen Abschnitt und den Anbringungsabschnitt 44 verbindet. Auf einer inneren Umlaufsoberfläche des zylindrischen Abschnitts 43 ist die Magneteinheit 42 montiert.
Die Magnethalteeinrichtung 41 ist aus einem Material gebildet, das eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweist, wie einem kaltgewalztes Stahlblech (beispielsweise SPCC), einem Schmiedestahl oder einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK).
In einer Durchgangsöffnung 44a des Anbringungsabschnitts 44 ist die Drehwelle 11 eingesetzt. Der Anbringungsabschnitt 44 ist an einem Abschnitt der Drehwelle 11 fixiert, der sich innerhalb der Durchgangsöffnung 44a befindet. Das heißt, dass die Magnethalteeinrichtung 41 über den Anbringungsabschnitt 44 an die Drehwelle 11 fixiert ist. Zusätzlich kann der Anbringungsabschnitt 44 an die Drehwelle 11 durch eine Kerbverzahnung unter Verwendung von Vorsprüngen und Aussparungen, einer Federverbindung, Schweißen oder Krimpen fixiert werden. Folglich dreht sich der Rotor 40 zusammen mit der Drehwelle 11.
An einem radialen äußeren Umfang des Anbringungsabschnitts 44 sind beide der Lager 21 und 22 der Lagereinheit 20 angebracht. Wie es vorstehend beschrieben worden ist, ist die Lagereinheit 20 an der Endoberfläche 32 des Gehäuses 30 fixiert, daher werden die Drehwelle 11 und der Rotor 40 drehbar durch das Gehäuse 40 gestützt. Folglich ist der Rotor 40 in dem Gehäuse 30 drehbar.
Der Anbringungsabschnitt 44 ist lediglich an einem von zwei entgegengesetzten axialen Enden des Rotors 40 vorgesehen. Daher wird der Rotor 40 durch die Drehwelle 11 in einer Auslegerweise gestützt. Weiterhin wird der Anbringungsabschnitt 44 des Rotors 40 durch die Lager 21 und 22 der Lagereinheit 20 an zwei unterschiedlichen axialen Positionen gestützt. Das heißt, dass der Rotor 40 drehbar an einem von zwei entgegengesetzten axialen Enden der Magnethalteeinrichtung 41 durch die zwei Lager 21 und 22 gestützt wird, die sich voneinander in der axialen Richtung entfernt befinden. Daher ist es, obwohl der Rotor 40 durch die Drehwelle 11 in der Auslegerweise gestützt wird, immer noch möglich, eine stabile Drehung des Rotors 40 zu verwirklichen. Zusätzlich wird der Rotor 40 durch die Lager 21 und 22 an Positionen gestützt, die in der axialen Mittenposition des Rotors 40 zu einer Seite hin versetzt sind.
In der Lagereinheit 20 unterscheiden sich das Lager 22, das sich näher an der Mitte des Rotors 40 befindet (d.h. auf der unteren Seite in den Figuren) und das Lager 21, das sich weiter von der Mitte des Rotors 40 entfernt befindet (d.h. auf der oberen Seite in den Figuren), in den Spaltabmessungen zwischen den äußeren und inneren Ringen 25 und 26 und den Kugeln 27. Beispielsweise sind die Spaltabmessungen in dem Lager 22, das sich näher an der Mitte des Rotors 40 befindet, größer als die Spaltabmessungen in dem Lager 21, das sich weiter weg von der Mitte des Rotors 40 befindet. In diesem Fall ist es auf der näheren Seite zu der Mitte des Rotors 40, selbst wenn eine Biegung des Rotors 40 und/oder Vibrationen, die durch ein Ungleichgewicht aufgrund von Teiletoleranzen verursacht wird, auf der Lagereinheit 20 einwirken, immer noch möglich, die Biegung und/oder die Vibrationen zu absorbieren. Insbesondere werden in dem Lager 22, das sich näher an der Mitte des Rotors 40 befindet (d.h. auf der unteren Seite in den Figuren), die Spielabmessungen (oder Spaltabmessungen) durch Vorladen erhöht, wodurch Vibrationen absorbiert werden, die durch die Auslegerstruktur verursacht werden. Das Vorladen kann entweder ein Festpositionsvorladen oder ein Konstantdruckvorladen sein. In dem Falle des Durchführens eines Festpositionsvorladens werden beide äußere Ringe 25 der Lager 21 und 22 mit dem Halteelement 23 beispielsweise durch Presspassen oder Bonden verbunden. Demgegenüber werden beide der inneren Ringe 26 der Lager 21 und 22 mit der Drehwelle 11 beispielsweise durch Presspassen oder Bonden verbunden. In diesem Fall kann eine Vorlast durch Anordnen des äußeren Rings 25 des Lagers 21 an einer anderen axialen Position gegenüber dem inneren Ring 26 des Lagers 21 erzeugt werden. Gleichermaßen kann eine Vorlast durch Anordnen des äußeren Rings 25 des Lagers 22 an einer anderen axialen Position gegenüber dem inneren Ring 26 des Lagers 22 erzeugt werden.
In dem Fall des Durchführens eines Konstantdruckvorladens wird eine Vorladefeder wie eine Wellscheibe 24 in einer Region zwischen den Lagern 21 und 22 angeordnet, um eine Vorlast in der axialen Richtung von der Region zu dem äußeren Ring 25 des Lagers 22 hin zu erzeugen. In diesem Fall werden beide der inneren Ringe 26 der Lager 21 und 22 mit der Drehwelle 11 beispielsweise durch Presspassen oder Bonden verbunden. Der äußere Ring 25 des Lagers 21 oder des Lagers 22 ist mit einem vorbestimmten Freiraum zu dem Halteelement 23 angeordnet. Mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration wird dem äußeren Ring 25 des Lagers 22 durch die Vorlastfeder eine Federkraft in einer Richtung weg von dem Lager 21 beaufschlagt. Weiterhin wird diese Kraft über die Drehwelle 21 auf den inneren Ring 26 des Lagers 21 übertragen, wodurch der innere Ring 26 des Lagers 21 in der axialen Richtung zu dem Ring 22 hin gedrückt wird. Folglich werden in jedem der Lager 21 und 22 die axialen Positionen der äußeren und inneren Ringe 25 und 26 voneinander versetzt, wodurch eine Vorlast wie in dem Fall des Durchführens eines Festpositionsvorladens wie vorstehend beschrieben erzeugt wird.
Zusätzlich muss in dem Falle des Durchführens eines Konstantdruckvorladens die Federkraft nicht notwendigerweise dem äußeren Ring 25 des Lagers 22 beaufschlagt werden, wie es in 2 gezeigt ist. Beispielsweise kann stattdessen der äußere Ring 25 des Lagers 21 mit der Federkraft beaufschlagt werden. Weiterhin kann alternativ dazu eine Vorlast in beiden der Lager 21 und 22 erzeugt werden, indem: der innere Ring 26 von einem der Lager 21 und 22 mit einem vorbestimmten Freiraum zu der Drehwelle 11 angeordnet wird, und beide der äußeren Ringe 25 der Lager 21 und 22 mit dem Halteelement 23 beispielsweise durch Presspassen oder Bonden verbunden werden.
Weiterhin kann in einem Fall, in dem der innere Ring 26 des Lagers 21 mit einer Kraft in einer Richtung weg von dem Lager 22 beaufschlagt wird, der innere Ring 26 des Lagers 22 mit der Kraft sowohl in einer Richtung weg von dem Lager 21 beaufschlagt werden. Im Gegensatz dazu kann in dem Fall, dass dem inneren Ring 26 des Lagers 21 eine Kraft in der Richtung zu dem Lager 22 hin beaufschlagt wird, der innere Ring 26 des Lagers 22 ebenfalls mit der Kraft in einer Richtung zu dem Lager 21 hin beaufschlagt werden.
Zusätzlich kann in dem Fall der Anwendung der rotierenden elektrischen Maschine 10 bei einem Fahrzeug als eine Fahrzeugleistungsquelle eine Vibration mit einer Komponente in der Vorlasterzeugungsrichtung dem Vorlasterzeugungsmechanismus beaufschlagt werden, und/oder die Richtung der Schwerkraft, die auf das Vorlastanwendungsziel agiert, kann geändert werden. Daher ist es in dem Fall des Anwendens der rotierenden elektrischen Maschine bei einem Fahrzeug vorzuziehen, ein Festpositionsvorladen durchzuführen.
Der Zwischenabschnitt 45 weist sowohl einen ringförmigen inneren Schulterteil 49a als auch einen ringförmigen äußeren Schulterteil 49b auf. Der äußere Schulterteil 49b befindet sich außerhalb des inneren Schulterteils 49a in der radialen Richtung des Zwischenabschnitts 45. Weiterhin befinden sich der innere Schulterteil 49a und der äußere Schulterteil 49b in der axialen Richtung des Zwischenabschnitts 45 weg voneinander. Folglich überlappen sich der zylindrische Abschnitt 43 und der Anbringungsabschnitt 44 teilweise einander in der radialen Richtung des Zwischenabschnitts 45. Das heißt, dass der zylindrische Abschnitt 43 axial von einem proximalen Ende (d.h. einem inneren Ende auf der unteren Seite in den Figuren) des Anbringungsabschnitts 44 nach außen vorspringt. Mit dieser Konfiguration ist es möglich, den Rotor 40 in Bezug auf die Drehwelle 11 an einer näheren Position an den Schwerpunkt des Rotors 40 als in dem Fall zu stützen, in dem der Zwischenabschnitt 45 derart konfiguriert ist, dass er die Form einer flachen Platte ohne irgendeine Stufe aufweist. Folglich ist es möglich, einen stabilen Betrieb des Rotors 40 zu verwirklichen.
Weiterhin sind mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration des Zwischenabschnitts 45 sowohl eine ringförmige Lageraufnahmeaussparung 46 als auch eine ringförmige Spulenaufnahmeaussparung 47 in dem Rotor 40 gebildet. Die Lageraufnahmeaussparung 46 befindet sich radial auf der inneren Seite des Zwischenabschnitts 45, um den Anbringungsabschnitt 44 zu umgeben. Die Lageraufnahmeaussparung 46 nimmt einen Teil der Lagereinheit 20 darin auf. Die Spulenaufnahmeaussparung 47 befindet sich radial auf der äußeren Seite des Zwischenabschnitts 45, um die Lageraufnahmeaussparung 46 zu umgeben. Die Spulenaufnahmeaussparung 47 nimmt darin ein Spulenende 54 einer Statorspule 51 des Stators 50 auf, die später beschrieben ist. Weiterhin sind die Lageraufnahmeaussparung 46 und die Spulenaufnahmeaussparung 47 derart angeordnet, dass sie radial benachbart zueinander sind. Anders ausgedrückt sind die Lageraufnahmeaussparung 46 und die Spulenaufnahmeaussparung 47 derart angeordnet, dass ein Teil der Lagereinheit 20 und des Spulenendes 54 der Statorspule 51 sich radial einander überlappen. Folglich wird es möglich, die axiale Länge der rotierenden elektrischen Maschine 10 zu reduzieren.
Der Zwischenabschnitt 45 ist derart gebildet, dass er radial von der Seite der Drehwelle 11 nach außen vorspringt. Weiterhin ist in dem Zwischenabschnitt 45 ein Kontaktverhinderungsabschnitt gebildet, der sich in der axialen Richtung erstreckt, um einen Kontakt mit dem Spulenende 54 der Statorspule 51 des Stators 50 zu verhindern. Zusätzlich entspricht der Zwischenabschnitt 45 einem Vorsprungsabschnitt.
Das Spulenende 54 kann radial nach innen oder radial nach außen gebogen sein, wodurch die axiale Abmessung des Spulenendes 54 und somit die axiale Länge des Stators 50 reduziert wird. Die Richtung des Biegens des Spulenendes 54 kann unter Berücksichtigung des Zusammenbaus des Stators 50 an den Rotor 40 bestimmt werden. Insbesondere kann unter Berücksichtigung der Tatsache, dass der Stator 50 an den radialen inneren Umfang des Rotors 40 angebracht wird, das Spulenende 54 radial nach innen auf der Einsatzendseite des Rotors 40 gebogen werden. Weiterhin kann ein Spulenende auf der entgegengesetzten Seite zu dem Spulenende 54 in eine beliebige Richtung gebogen werden, jedoch ist es im Hinblick auf die Herstellung vorzuziehen, dass Spulenende zu der radial äußeren Seite hin zu biegen, wenn es einen möglichen Raum gibt.
Die Magneteinheit 42, die als ein Magnetabschnitt dient, ist aus einer Vielzahl von Permanentmagneten aufgebaut, die auf der radial inneren Seite des zylindrischen Abschnitts 43 derart angeordnet sind, dass deren Polaritäten abwechselnd in der Umlaufsrichtung sich ändern. Folglich weist die Magneteinheit 42 eine Vielzahl von Magnetpolen auf, die in der Umlaufsrichtung angeordnet sind. Außerdem sind die Einzelheiten der Magneteinheit 42 später beschrieben.
Der Stator 50 ist radial innerhalb des Rotors 40 vorgesehen. Der Stator 50 weist die Statorspule 51, die im Wesentlichen in eine zylindrische (oder ringförmige) Form gewickelt ist, und einen Statorkern 52 auf, der als ein Basiselement radial innerhalb der Statorspule 51 angeordnet ist. Die Statorspule 51 ist derart angeordnet, dass sie der ringförmigen Magneteinheit 42 über einen vorbestimmten Luftspalt zugewandt ist, der dazwischen gebildet ist. Die Statorspule 51 weist eine Vielzahl von Phasenwicklungen auf. Jede der Phasenwicklungen ist durch Verbinden einer Vielzahl elektrischer Leiter, die in der Umlaufsrichtung angeordnet sind, miteinander zu einer vorbestimmten Unterteilung (pitch) gebildet. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Statorspule 51 sowohl eine Drei-Phasen-Spule, die aus U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Wicklungen besteht, als auch eine Drei-Phasen-Spule auf, die aus X-Phasen-, Y-Phasen- und Z-Phasen-Wicklungen besteht. Das heißt, dass die Statorspule 51 sechs Phasenwicklungen aufweist.
Der Statorkern 52 ist durch Schichten von magnetischen Stahlblechen, die aus einem weichmagnetischen Material hergestellt sind, in eine ringförmige Form gebildet. Der Statorkern 52 wird an einem radial inneren Umfang der Statorspule 51 angebracht. Die magnetischen Stahlbleche sind beispielsweise aus Siliziumstahl gebildet, das erhalten wird, in dem Silizium zu einigen Prozent (beispielsweise 3%) zu Eisen hinzugefügt wird. Weiterhin entspricht die Statorspule 51 einer Ankerspule und entspricht der Statorkern 52 einem Ankerkern.
Die Statorspule 51 weist einen Spulenseitenteil 53, der sich radial außerhalb des Statorkerns 52 derart befindet, dass er radial den Statorkern 52 überlappt, und die Spulenenden 54 und 55 auf, die jeweils von entgegengesetzten axialen Enden des Statorkerns 52 vorspringen. Der Spulenseitenteil 53 ist radial sowohl dem Statorkern 52 als auch der Magneteinheit 42 des Rotors 40 zugewandt. In dem Zustand, in dem der Stator 50 innerhalb des Rotors 40 angeordnet worden ist, ist von den Spulenenden 54 und 55, die jeweils auf den entgegengesetzten axialen Seiten sind, das Spulenende 54 auf der Seite der Lagereinheit 20 (d.h. der oberen Seite in den Figuren) in der Spulenaufnahmeaussparung 47 aufgenommen, die in der Magnethalteeinrichtung 41 der Rotors 40 gebildet ist. Weiterhin werden Einzelheiten des Stators 50 später beschrieben.
Die Wechselrichtereinheit 60 weist eine Einheitsbasis 61, die an dem Gehäuse 30 durch Befestigungseinrichtungen wie Bolzen fixiert ist, und eine Vielzahl elektrischer Komponenten 62 auf, die an der Einheitsbasis 61 angebracht sind. Die Einheitsbasis 61 ist beispielsweise aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) gebildet. Die Einheitsbasis 61 weist eine Endplatte 63, die an der Kante der Öffnung 33 des Gehäuses 30 fixiert ist, und ein Gehäuse 64 auf, das einstückig mit der Endplatte 63 gebildet ist und sich in der axialen Richtung erstreckt. Die Endplatte 63 weist eine kreisförmige Öffnung 65 auf, die in einem mittleren Teil davon gebildet ist. Das Gehäuse 64 ist derart gebildet, dass es sich von der Umfangskante der Öffnung 65 aufwärts erstreckt.
An einer äußeren Umlaufsoberfläche des Gehäuses 64 ist der Stator 50 angebracht. Das heißt, dass der äußere Durchmesser es Gehäuses 64 derart eingestellt ist, dass er gleich wie oder etwas kleiner als der innere Durchmesser des Statorkerns 52 ist. Der Stator 50 und die Einheitsbasis 61 sind durch Anbringen des Statorkerns 52 an den äußeren Umfang des Gehäuses 64 in ein Stück integriert. Weiterhin ist, da die Einheitsbasis 61 an das Gehäuse 30 fixiert ist, wobei der Statorkern 52 an dem Gehäuse 64 angebracht ist, der Stator 50 ebenfalls mit dem Gehäuse 30 in ein Stück integriert.
Zusätzlich kann der Statorkern 52 an die Einheitsbasis 61 beispielsweise durch Bonden, Schrumpfpassen oder Presspassen angebracht werden. Folglich wird eine Umlaufs- oder Axialversetzung des Statorkerns 52 in Bezug auf die Einheitsbasis 61 unterdrückt.
Auf der radial inneren Seite des Gehäuses 64 ist ein Aufnahmeraum zur Aufnahme der elektrischen Komponenten 62 gebildet. In dem Aufnahmeraum sind die elektrischen Komponenten 62 um die Drehwelle 11 angeordnet. Das heißt, dass das Gehäuse 64 als ein Aufnahmeraumbildungsabschnitt dient. Die elektrischen Komponenten 62 weisen Halbleitermodule 66 zum Bilden einer Wechselrichterschaltung, ein Steuerungssubstrat 67 und ein Kondensatormodul 68 auf.
Zusätzlich entspricht die Einheitsbasis 61 einer Statorhalteeinrichtung (oder einer Ankerhalteeinrichtung), die radial innerhalb des Stators 50 vorgesehen ist und den Stator 50 hält. Das Gehäuse 30 und die Einheitsbasis 61 bilden zusammen ein Motorgehäuse der rotierenden elektrischen Maschine 10. In dem Motorgehäuse ist das Halteelement 23 an dem Gehäuse 30 auf einer axialen Seite des Rotors 40 fixiert, wobei das Gehäuse 30 und die Einheitsbasis 61 miteinander auf der anderen axialen Seite des Rotors 40 verbunden sind. Beispielsweise ist in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug wie einem Elektrofahrzeug die rotierende elektrische Maschine 10 an dem Fahrzeug durch Montieren des Motorgehäuses an die Fahrzeugseite installiert.
Nachstehend ist die Konfiguration der Wechselrichtereinheit 60 ausführlich unter Bezugnahme auf 6, die eine auseinandergezogene Ansicht der Wechselrichtereinheit 60 darstellt, zusätzlich zu 1 bis 5 beschrieben.
In der Einheitsbasis 61 weist das Gehäuse 64 einen zylindrischen Abschnitt 71 und eine Endoberfläche 72 auf, die an einem der zwei entgegengesetzten axialen Enden (d.h. dem Ende auf der Seite der Lagereinheit 20) des zylindrischen Abschnitts 71 gebildet ist. An dem axialen Ende des zylindrischen Abschnitts 71 auf der zu der Endoberfläche 72 entgegengesetzten Seite öffnet sich der zylindrische Abschnitt 71 vollständig über die Öffnung 65 der Endplatte 63. In einem zentralen Teil der Endoberfläche 72 ist eine kreisförmige Öffnung 73 gebildet, durch die die Drehwelle 11 eingesetzt werden kann. In der Öffnung 73 ist ein Abdichtungselement 171 zum Abdichten des Spalts zwischen der äußeren Umlaufsoberfläche der Drehwelle 11 und der Öffnung 73 vorgesehen. Das Abdichtungselement 171 kann beispielsweise durch eine gleitende Dichtung verwirklicht sein, die aus einem Harzmaterial gebildet ist.
Der zylindrische Abschnitt 71 des Gehäuses 64 dient als ein Unterteilungsabschnitt zur Unterteilung zwischen dem Rotor 40 und dem Stator 50, die auf der radial äußeren Seite davon angeordnet sind, und den elektrischen Komponenten 62, die auf der radial inneren Seite davon angeordnet sind. Das heißt, dass der Rotor 40, der Stator 50 und die elektrischen Komponenten 62 in radialer Ausrichtung zueinander mit dem zylindrischen Abschnitt 71 angeordnet sind, die zwischen dem Rotor 40 und dem Stator 50 und den elektrischen Komponenten 62 angeordnet ist.
Die elektrischen Komponenten 62 sind elektrische Teile, die die Wechselrichterschaltung bilden. Die elektrischen Komponenten 62 führen zusammen einen Motorbetrieb und einen Generatorbetrieb durch. Der Motorbetrieb ist eine Funktion des Zuführens von elektrischem Strom zu jeder Phasenwicklung der Statorspule 51 in einer vorbestimmten Abfolge, um dadurch den Rotor 40 zu drehen. Der Generatorbetrieb ist eine Funktion, bei dem ein Drei-Phasen-Wechselstrom, der in der Statorspule 51 mit der Drehung der Drehwelle 11 fließt, empfangen wird und dieser als die erzeugte elektrische Leistung nach außerhalb ausgegeben wird. Zusätzlich können die elektrischen Komponenten 62 zusammen lediglich entweder den Motorbetrieb oder den Generatorbetrieb durchführen. In dem Fall, dass die rotierende elektrische Maschine 10 beispielsweise als eine Fahrzeugleistungsquelle verwendet wird, kann der Generatorbetrieb eine regenerative Funktion sein, d.h. eine Funktion, bei der regenerative elektrische Leistung extern ausgegeben wird.
Insbesondere weisen, wie es in 4 gezeigt ist, die elektrischen Komponenten 62 das hohlzylindrische Kondensatormodul 68, das um die Drehwelle 11 angeordnet ist, und die Halbleitermodule 66 auf, die in Umlaufsausrichtung miteinander an einer äußeren Umlaufsoberfläche des Kondensatormoduls 68 angeordnet sind. Das Kondensatormodul 68 weist eine Vielzahl von Glättungskondensatoren 68a auf, die parallel zueinander geschaltet sind. Insbesondere ist jeder der Kondensatoren 68a durch einen geschichteten Filmkondensator verwirklicht, der durch Schichten einer Vielzahl von Filmkondensatoren gebildet ist. Jeder der Kondensatoren 68a weist einen trapezförmigen Querschnitt auf. Das Kondensatormodul 68 besteht aus zwölf Kondensatoren 68a, die in einer ringförmigen Form angeordnet sind.
Zusätzlich werden bei der Herstellung der Kondensatoren 68a eine Vielzahl von Filmen geschichtet, um einen langen Film zu bilden, der eine vorbestimmte Breite aufweist. Dann wird der lange Film in eine Vielzahl von trapezförmigen Kondensatorelementen derart geschnitten, dass: die Breitenrichtung des langen Films mit der Höhenrichtung der trapezförmigen Kondensatorelemente übereinstimmt, die oberen Basen und die unteren Basen der trapezförmigen Kondensatorelemente abwechselnd in der Längsrichtung des langen Films angeordnet sind, und alle Zweige der trapezförmigen Kondensatorelemente die gleiche Länge aufweisen. Danach werden an jedem der Kondensatorelemente Elektroden angebracht, um einen der Kondensatoren 68a zu bilden.
Jedes der Halbleitermodule 66 weist ein Halbleiterschaltelement wie ein MOSFET oder ein IGBT auf und ist im Wesentlichen plattenförmig. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die rotierende elektrische Maschine 10 zwei Drei-Phasen-Spulen auf, wobei für jede davon eine Wechselrichterschaltung vorgesehen ist. Dementsprechend sind insgesamt zwölf Halbleitermodule 66 in einer ringförmigen Form angeordnet, um eine Halbleitermodulgruppe 66A zu bilden, die in den elektrischen Komponenten 62 enthalten ist.
Die Halbleitermodule 66 sind sandwichartig zwischen dem zylindrischen Abschnitt 71 des Gehäuses 64 und dem Kondensatormodul 68 angeordnet. Eine äußere Umlaufsoberfläche der Halbleitermodulgruppe 66A stößt gegen eine innere Umlaufsoberfläche des zylindrischen Abschnitts 71 an, während eine innere Umlaufsoberfläche der Halbleitermodulgruppe 66A gegen eine äußere Umlaufsoberfläche des Kondensatormoduls anstößt. Mit dieser Anordnung wird Wärme, die in den Halbleitermodulen 66 erzeugt wird, auf die Endplatte 63 über das Gehäuse 64 übertragen, wodurch sie von der Endplatte 63 abgeleitet wird.
Die Halbleitermodulgruppe 66A kann einen Abstandshalter 69 aufweisen, der auf der äußeren Umlaufsoberfläche davon angeordnet ist, d.h. radial zwischen den Halbleitermodulen 66 und dem zylindrischen Abschnitt 71 angeordnet ist. In diesem Fall ist die Form eines Querrichtungs-Querschnitts des Kondensatormoduls 68 senkrecht zu der axialen Richtung ein regelmäßiges Zwölfeck, während die innere Umlaufsoberfläche des zylindrischen Abschnitts 71 eine kreisförmige Querschnittsform aufweist. Dementsprechend kann der Abstandshalter 69 eine innere Umlaufsoberfläche, die aus flachen Oberflächen besteht, und eine äußere Umlaufsoberfläche aufweisen, die aus einer gekrümmten Oberfläche besteht. Weiterhin kann der Abstandshalter 69 als ein Stück gebildet sein, so dass er sich kontinuierlich in einer ringförmigen Form auf der radialen äußeren Seite der Halbleitermodulgruppe 66A erstreckt. Der Abstandshalter 69 kann aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit wie beispielsweise einem Metall wie Aluminium oder einer Wärmeableitungs-Gelfolie gebildet sein. Zusätzlich kann die innere Umlaufsoberfläche des zylindrischen Abschnitts 71 derart modifiziert werden, dass sie dieselbe regelmäßige zwölfeckige Querschnittsform wie das Kondensatormodul 68 aufweist. In diesem Fall würde jede der inneren und äußeren Umlaufsoberflächen des Abstandshalters 69 aus flachen Oberflächen bestehen.
Weiterhin ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in dem zylindrischen Abschnitt 71 des Gehäuses 64 ein Kühlwasserkanal 74 gebildet, durch den Kühlwasser fließt. Folglich kann Wärme, die in den Halbleitermodulen 66 erzeugt wird, zu dem Kühlwasser, das durch den Kühlwasserkanal 74 fließt, abgeleitet werden. Das heißt, dass das Gehäuse 64 einen Wasserkühlmechanismus aufweist. Wie es in 3 und 4 gezeigt ist, ist der Kühlwasserkanal 74 ringförmig, um die elektrischen Komponenten 62 (d.h. die Halbleitermodule 66 und das Kondensatormodul 68) zu umgeben. Genauer sind die Halbleitermodule 66 entlang der inneren Umlaufsoberfläche des zylindrischen Abschnitts 71 angeordnet, wobei der Kühlwasserkanal 74 radial außerhalb der Halbleitermodule 66 gebildet ist, um diese radial zu überlappen.
Der zylindrische Abschnitt 71 weist den Stator 50 auf der radial äußeren Seite davon angeordnet und die elektrischen Komponenten 62 auf der radial inneren Seite davon angeordnet auf. Daher wird sowohl Wärme, die in dem Stator 50 erzeugt wird, als auch Wärme, die in den elektrischen Komponenten 62 erzeugt wird (beispielsweise Wärme, die in den Halbleitermodulen 66 erzeugt wird) auf den zylindrischen Abschnitt 71 übertragen. Folglich ist es möglich, sowohl den Stator 50 als auch die Halbleitermodule 66 gleichzeitig zu kühlen, weshalb es möglich ist, effektiv Wärme abzustrahlen, die durch wärmeerzeugende Elemente der rotierenden elektrischen Maschine 10 erzeugt wird.
Weiterhin ist zumindest ein Teil der Halbleitermodule 66, die einen Teil oder die Gesamtheit der Wechselrichterschaltungen zur Speisung der Statorspule 51 und Antrieb der rotierenden elektrischen Maschine dadurch bilden, innerhalb einer Region angeordnet, die durch den Statorkern 52 umgeben ist, der sich radial außerhalb des zylindrischen Abschnitts 71 des Gehäuses 64 befindet. Es ist vorzuziehen, dass die Gesamtheit von einem der Halbleitermodule 66 innerhalb der Region angeordnet ist, die durch den Statorkern 52 umgeben ist. Es ist weiter vorzuziehen, dass die Gesamtheit von jedem der Halbleitermodule 66 innerhalb der Region angeordnet ist, die durch den Statorkern 52 umgeben ist.
Weiterhin ist zumindest ein Teil der Halbleitermodule 66 innerhalb einer Region angeordnet, die durch den Kühlwasserkanal 74 umgeben ist. Es ist vorzuziehen, dass die Gesamtheit von jedem der Halbleitermodule 66 innerhalb einer Region angeordnet ist, die durch ein Joch 141 umgeben ist.
Die elektrischen Komponenten 62 weisen eine Isolierfolie 75 auf, die an einer axialen Endoberfläche des Kondensatormoduls 68 angeordnet ist, und ein Verdrahtungsmodul 76 auf, das auf der anderen axialen Endoberfläche des Kondensatormoduls 68 angeordnet ist. Genauer weist das Kondensatormodul 68 zwei entgegengesetzte axiale Endoberflächen, d.h. eine erste axiale Endoberfläche und eine zweite axiale Endoberfläche auf. Die erste axiale Endoberfläche des Kondensatormoduls 68, die sich näher an der Lagereinheit 20 befindet, ist der Endoberfläche 72 des Gehäuses 64 zugewandt und ist auf der Endoberfläche 72 aufgebracht, wobei die Isolierfolie 75 sandwichartig dazwischen angeordnet ist. Die zweite axiale Endoberfläche des Kondensatormoduls 68, die sich näher an der Öffnung 65 befindet, weist das Verdrahtungsmodul 76 daran montiert auf.
Das Verdrahtungsmodul 76 weist einen Hauptkörper 76a, der aus einem synthetischen Harzmaterial in eine Scheibenform gebildet ist, und eine Vielzahl von Sammelschienen 76b und 76c auf, die in dem Hauptkörper 76a eingebettet sind. Das Verdrahtungsmodul 76 ist elektrisch mit den Halbleitermodulen 66 und dem Kondensatormodul 68 über die Sammelschienen 76b und 76c verbunden. Genauer weist jedes der Halbleitermodule 66 einen Verbindungsstift 66a auf, der sich von einer axialen Endoberfläche davon erstreckt, wobei der Verbindungsstift 66a auf der radial äußeren Seite des Hauptkörpers 76a mit einer der Sammelschienen 76b verbunden ist. Demgegenüber erstecken sich die Sammelschienen 76c auf der radial äußeren Seite des Hauptkörpers 76a in der axialen Richtung weg von dem Kondensatormodul 68. Mit distalen Endabschnitten der Sammelschienen 76c sind jeweils Verdrahtungselemente 79 verbunden (siehe 2).
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, weist das Kondensatormodul 68 die Isolierfolie 75, die an der ersten axialen Endoberfläche davon angeordnet ist, und das Verdrahtungsmodule 76 auf, das auf der zweiten axialen Endoberfläche davon angeordnet ist. Mit dieser Anordnung sind Wärmeableitungspfade des Kondensatormoduls 68 von jeweils den ersten und zweiten axialen Endflächen des Kondensatormoduls 68 zu der Endoberfläche 72 und dem zylindrischen Abschnitt 71 geformt. Das heißt, es sind sowohl ein Wärmeableitungspfad von der ersten axialen Endoberfläche des Kondensatormoduls 68 zu der Endoberfläche 72 als auch ein Wärmeableitungspfad von der zweiten axialen Endoberfläche des Kondensatormoduls 68 zu dem zylindrischen Abschnitt 71 geformt. Folglich wird es möglich, Wärme, die in dem Kondensatormodul 68 erzeugt wird, über die anderen Endoberflächen als die äußere Umlaufsoberfläche, auf der die Halbleitermodule 66 angeordnet sind, abzustrahlen. Das heißt, es wird möglich, Wärme, die in dem Kondensatormodul 68 erzeugt wird, nicht nur in der radialen Richtung, sondern ebenfalls in der axialen Richtung abzustrahlen.
Weiterhin ist bei dem Kondensatormodul 68, der eine hohlzylindrische Form aufweist, die Drehwelle 11 auf der radial inneren Seite davon mit einem dazwischen gebildeten vorbestimmten Spalt angeordnet. Folglich kann Wärme, die in dem Kondensatormodul 68 erzeugt wird, ebenfalls über den darin geformten hohlen Raum abgeleitet werden. Zusätzlich wird mit Drehung der Drehwelle 11 eine Luftströmung in dem Spalt erzeugt, wodurch das Kühlleistungsvermögen verbessert wird.
An dem Verdrahtungsmodul 76 ist ein Steuerungssubstrat 67 montiert, das eine Scheibenform aufweist. Das Steuerungssubstrat 67 weist eine gedruckte Leiterplatte (PCB (Printed Circuit Board)) auf, die ein vorbestimmtes Verdrahtungsmuster darauf geformt aufweist. Auf der PCB ist eine Steuerungseinrichtung 77 montiert, die aus verschiedenen ICs und einem Mikrocomputer besteht. Die Steuerungseinrichtung 77 entspricht einer Steuerungseinheit. Das Steuerungssubstrat 67 ist an dem Verdrahtungsmodul 76 durch Befestigungseinrichtungen wie Schrauben fixiert. In einem zentralen Teil des Steuerungssubstrats 67 ist eine Einsetzöffnung 67a gebildet, durch die die Drehwelle 11 eingesetzt wird.
Das Verdrahtungsmodul 76 weist eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche auf, die in der axialen Richtung einander entgegengesetzt sind, d.h. zueinander in der dicken Richtung davon entgegengesetzt sind. Die erste Oberfläche ist dem Kondensatormodul 68 zugewandt. Das Verdrahtungsmodul 76 weist das Steuerungssubstrat 67 auf, das auf der zweiten Oberfläche davon angeordnet ist. Die Sammelschienen 76c des Verdrahtungsmoduls 76 sind derart konfiguriert, dass sie sich von einer Oberfläche des Steuerungssubstrats 67 zu der anderen Oberfläche des Steuerungssubstrats 67 erstrecken. Weiterhin können in dem Steuerungssubstrat 67 Ausschnitte geformt sein, um eine Behinderung mit den Sammelschienen76c zu verhindern. Beispielsweise können die Ausschnitte des Steuerungssubstrats 67 in einem äußeren Randabschnitt des scheibenförmigen Steuerungssubstrats 67 gebildet sein.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, sind die elektrischen Komponenten 62 in dem Raum aufgenommen, der durch das Gehäuse 64 umgeben ist. Das Gehäuse 30, der Rotor 40 und der Stator 50 sind in Schichten außerhalb des Gehäuses 64 angeordnet. Mit dieser Anordnung kann elektromagnetische Störung, die in den Wechselrichterschaltungen erzeugt wird, in geeigneter Weise abgeschirmt werden. Genauer wird in den Wechselrichterschaltungen eine Schaltsteuerung an jeden der Halbleitermodule 66 durch eine PWM-Steuerung mit einer vorbestimmten Trägerfrequenz durchgeführt. Folglich kann elektromagnetische Störung durch die Schaltsteuerung erzeugt werden. Jedoch würde die elektromagnetische Störung in geeigneter Weise durch das Gehäuse 30, den Rotor 40 und den Stator 50 auf der radial äußeren Seite der elektrischen Komponenten 62 abgeschirmt werden.
Weiterhin ist zumindest ein Teil der Halbleitermodule 66 innerhalb der Region angeordnet, die durch den Statorkern 52 umgeben ist, der sich radial außerhalb des zylindrischen Abschnitts 71 des Gehäuses 64 befindet. Mit dieser Anordnung würde, selbst wenn Magnetfluss durch die Halbleitermodule 66 erzeugt wird, die Statorspule 51 weniger durch den Magnetfluss beeinträchtigt, als in dem Fall, in dem die Halbleitermodule 66 und die Statorspule 51 ohne den dazwischen angeordneten Statorkern 52 angeordnet wären. Weiterhin würden, selbst wenn Magnetfluss durch die Statorspule 51 erzeugt wird, die Halbleitermodule 66 weniger durch den Magnetfluss als in dem vorbestimmten Fall beeinträchtigt. Zusätzlich würden die vorstehenden vorteilhaften Wirkungen deutlicher werden, wenn die Gesamtheit von jedem der Halbleitermodule 66 in der Region angeordnet ist, die durch den Statorkern 52 umgeben ist, der sich radial außerhalb des zylindrischen Abschnitts 71 des Gehäuses 64 befindet. Weiterhin wird es zumindest mit einem Teil der Halbleitermodule 66, die durch den Kühlwasserkanal 74 umgeben ist, schwierig, dass Wärme, die in der Statorspule 51 und/oder der Magneteinheit 42 erzeugt wird, auf die Halbleitermodule 66 übertragen wird.
In dem zylindrischen Abschnitt 71 sind Durchgangsöffnungen 78 in der Nähe der Endplatte 63 gebildet. Durch die Durchgangsöffnungen 78 sind die Verdrahtungselemente 79 (siehe 2) jeweils eingesetzt, um den Stator 50, der sich außerhalb des zylindrischen Abschnitts 71 befindet, mit den elektrischen Komponenten 62 zu verbinden, die sich innerhalb des zylindrischen Abschnitts 71 befinden. Wie es in 2 gezeigt ist, sind die Verdrahtungselemente 79 jeweils beispielsweise durch Crimpen oder Schweißen mit Endabschnitten der Statorspule 51 als auch mit den Sammelschienen 76c des Verdrahtungsmoduls 76 verbunden. Es ist vorzuziehen, dass die Verdrahtungselemente 79 beispielsweise durch Sammelschienen verwirklicht sind, die Verbindungsoberflächen aufweisen, die flach gequetscht sind. Es kann eine Durchgangsöffnung 78 oder mehrere Durchgangsöffnungen 78 in dem zylindrischen Abschnitt 71 gebildet sein. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind zwei Durchgangsöffnungen 78 jeweils an zwei unterschiedlichen Orten gebildet. Folglich wird es möglich, eine Verdrahtung der Spulenanschlüsse, die sich von den zwei Drei-Phasen-Spulen erstrecken, leicht durchzuführen. Daher ist die vorstehend beschriebene Bildung der Durchgangsöffnungen 78 geeignet, um eine mehrphasige elektrische Verbindung herzustellen.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, sind in dem Gehäuse 30, wie es in 4 gezeigt ist, der Rotor 40, der Stator 50, und die Wechselrichtereinheit 60 in dieser Reihenfolge von der radial äußeren Seite zu der radial inneren Seite angeordnet. Genauer sind der Rotor 40 und der Stator 50 radial außerhalb der Drehmitte des Rotors 40 um mehr als d×0,705 angeordnet, wobei d der Radius der inneren Umlaufsoberfläche des Gehäuses 30 ist. Mit dieser Anordnung wird die Fläche eines Querschnitts in Querrichtung einer ersten Region X1 größer als die Fläche eines Querschnitts in Querrichtung einer zweiten Region X2. Dabei bezeichnet die erste Region X1 die Region, die radial innerhalb der inneren Umlaufsoberfläche des Stators 50 (d.h. der inneren Umlaufsoberfläche des Statorkerns 52) ist, die sich radial innerhalb des Rotors 40 befindet, und bezeichnet die zweite Region X2 die Region, die sich radial von der inneren Umlaufsoberfläche des Stators 50 zu dem Gehäuse 30 hin erstreckt. Weiterhin ist in einem Bereich, in dem die Magneteinheit 42 des Rotors 40 und die Statorspule 51 sich radial einander überlappen, das Volumen der ersten Region X1 größer als das Volumen der zweiten Region X2.
Zusätzlich bilden der Rotor 40 und der Stator 50 zusammen eine Magnetschaltungskomponentenbaugruppe. Dann ist in dem Gehäuse 30 das Volumen der ersten Region X1 radial innerhalb der inneren Umlaufsoberfläche der Magnetschaltungskomponentenbaugruppe größer als das Volumen der zweiten Region X2, die sich radial von der inneren Umlaufsoberfläche der Magnetschaltungskomponentenbaugruppe zu dem Gehäuse 30 erstreckt.
Nachstehend sind die Konfigurationen des Rotors 40 und des Stator 50 ausführlicher beschrieben.
Es gibt bekannte Statoren von rotierenden elektrischen Maschinen, die allgemein konfiguriert sind, einen Statorkern und eine Statorspule aufzuweisen. Der Statorkern wird durch Schichten von Stahlblechen in eine ringförmige Form gebildet. Der Statorkern weist eine Vielzahl von Nuten auf, die in der Umlaufsrichtung angeordnet sind. Die Statorspule ist in den Nuten des Statorkerns gewickelt. Genauer sind bei dem Statorkern eine Vielzahl von zuvor bestimmten Intervallen derart geformt, dass sie sich radial von einem Joch aus erstrecken. Jede der Nuten ist zwischen zwei in Umlaufsrichtung zueinander benachbarten Zähnen gebildet. Die Statorspule besteht aus elektrischen Leitern, die in einer Vielzahl von radial ausgerichteten Schichten in den Nuten des Statorkerns aufgenommen sind.
Jedoch kann bei der vorstehend beschriebenen Struktur der bekannten Statoren während einer Speisung der Statorspulen mit Erhöhung der magnetomotorischen Kraft der Statorspule eine magnetische Sättigung in den Zähnen des Statorkerns auftreten, was bewirken kann, dass die Drehmomentdichte der rotierenden elektrischen Maschine begrenzt wird. Genauer kann sich in dem Statorkern ein rotierender Magnetfluss, der mit Speisung der Statorspule erzeugt wird, sich an den Zähnen konzentrieren, was bewirkt, dass die Zähne magnetisch gesättigt werden.
Weiterhin gibt es bekannte IPM-Rotoren (Innenpermanentmagnet-Rotoren) von rotierenden elektrischen Maschinen, die allgemein konfiguriert sind, Permanentmagnete, die auf der d-Achse des d-q-Koordinatensystems angeordnet sind, und einen Rotorkern aufzuweisen, der auf der q-Achse des d-q-Koordinatensystems angeordnet ist. In diesem Fall fließt bei Speisung der Statorspule in der Nähe der d-Achse ein Erregungsmagnetfluss von dem Stator in die q-Achse des Rotors entsprechend der Flemmingschen Regel. Folglich kann eine magnetische Sättigung in einem breiten Bereich in den q-Achsen-Kernabschnitten des Rotors auftreten.
7 zeigt ein Drehmomentdiagramm, das die Beziehung zwischen den Amperewindungen [AT] (ampere-turns), die die magnetomotorische Kraft der Statorspule repräsentiert, und der Drehmomentdichte [Nm/L] veranschaulicht. Eine gestrichelte Linie gibt Eigenschaften einer herkömmlichen rotierenden elektrischen Maschine mit IPM-Rotor an. Wie es in 7 gezeigt ist, tritt in der herkömmlichen rotierenden elektrischen Maschine mit Erhöhung der magnetomotorischen Kraft in dem Stator eine magnetische Sättigung an zwei Stellen, d.h. den Zähnen zwischen den Nuten und den q-Achsen-Kernabschnitten auf, was eine Begrenzung der Erhöhung des Drehmoments verursacht. Somit ist in der herkömmlichen rotierenden elektrischen Maschine der Entwurfswert der Amperewindungen durch A1 begrenzt.
In Hinblick auf das vorstehend Beschriebene werden gemäß den vorliegenden Ausführungsbeispielen zur Überwindung der Begrenzung aufgrund der magnetischen Sättigung die nachfolgenden Strukturen in der rotierenden elektrischen Maschine 10 angewendet. Insbesondere wird als eine erste Maßnahme zur Beseitigung einer magnetischen Sättigung, die in den Zähnen des Statorkerns in dem Stator auftritt, eine nutenlose Struktur in dem Stator 50 angewendet; weiterhin wird zur Beseitigung einer magnetischen Sättigung, die in den q-Achsen-Kernabschnitten eines IPM-Rotors auftritt, ein SPM-(Oberflächenpermanentmagnet-) Rotor angewendet. Jedoch kann bei der ersten Maßnahme, obwohl es möglich ist, die vorstehend beschriebenen zwei Stellen zu beseitigen, an denen eine magnetische Sättigung auftritt, ein Drehmoment in einer Region mit niedrigem elektrischen Strom sich verringern (siehe die Ein-Punkt-Strichlinie in 7). Daher wird als eine zweite Maßnahme, um den Magnetfluss des SPM-Rotors zu verbessern und dadurch eine Verringerung in dem Drehmoment zu unterdrücken, eine polar-anisotrope Struktur angewendet, bei der Magnet-Magnetpfade in der Magneteinheit 42 des Rotors 40 verlängert werden, um die Magnetkraft zu erhöhen.
Weiterhin wird als eine dritte Maßnahme zur Unterdrückung der Verringerung des Drehmoments eine flache Leiterstruktur angewendet, bei der die radiale Dicke der elektrischen Leiter in dem Spulenseitenteil 53 der Statorspule 51 des Stators 50 reduziert ist. Dabei kann mit dem Anwenden der vorstehend beschriebenen polar-anisotropen Struktur zur Erhöhung der Magnetkraft ein höherer Wirbelstrom in der Statorspule 51 erzeugt werden, die der Magneteinheit 42 zugewandt ist. Jedoch ist es mit der dritten Maßnahme möglich, mittels der in radialer Richtung dünnen flachen Leiterstruktur die Erzeugung von radialem Wirbelstrom in der Statorspule 51 zu unterdrücken. Folglich wird es mit den vorstehend beschriebenen ersten bis dritten Strukturen möglich, die Drehmomenteigenschaften mit dem Anwenden von Magneten mit hoher magnetischer Kraft zu verbessern, während die Erzeugung von hohem Wirbelstrom aufgrund der Magnete mit hoher magnetischer Kraft unterdrückt wird, wie es durch eine durchgezogene Linie in 7 angegeben ist.
Weiterhin wird als eine vierte Maßnahme die Magneteinheit angewendet, bei der eine Magnetflussdichtenverteilungsannäherung an eine Sinuswelle unter Verwendung der polar-anisotropen Struktur verwirklicht wird. Folglich wird es möglich, den Sinuswellenübereinstimmungsanteil mit der später beschriebenen Impulssteuerung zu verbessern, und dadurch das Drehmoment zu erhöhen, während ein Wirbelstromverlust (beispielsweise Kupferverlust aufgrund des Wirbelstroms) mit sanfteren Magnetflussänderungen als radiale Magnete zu unterdrücken.
Nachstehend ist der Sinuswellenübereinstimmungsanteil beschrieben. Der Sinuswellenübereinstimmungsanteil kann auf der Grundlage eines Vergleichs zwischen der tatsächlichen Wellenform der Oberflächenmagnetflussdichtenverteilung, die durch Nachfolgen der Oberflächen der Magnete unter Verwendung einer Magnetflusssonde gemessen wird, und einer Sinuswelle, die dieselbe Periode und dieselben Spitzenwerte wie die tatsächliche Wellenform aufweist, bestimmt werden. Insbesondere ist der Sinuswellenübereinstimmungsanteil als das Verhältnis der Amplitude der primären Wellenform, die die Grundwelle der rotierenden elektrischen Maschine ist, zu der Amplitude der tatsächlichen Wellenform, d.h. der Amplitude der Grundwelle, zu der Oberschwingungskomponenten hinzugefügt sind, definiert. Mit Erhöhung des Sinuswellenübereinstimmungsanteils nähert sich die Wellenform der Oberflächenmagnetflussdichtenverteilung der Form einer Sinuswelle an. Bei Zufuhr eines elektrischen Stroms der primären Sinuswelle aus einem Wechselrichter zu der rotierenden elektrischen Maschine, die die Magnete mit dem verbesserten Sinuswellenübereinstimmungsanteil aufweist, kann ein hohes Drehmoment aufgrund der Wellenform der Oberflächenmagnetflussdichtenverteilung der Magneten, die sich der Form der Sinuswelle annähern, erzeugt werden. Zusätzlich kann anstelle, dass gemessen wird, die Oberflächenmagnetflussdichtenverteilung beispielsweise durch eine Elektromagnetfeldanalyse unter Verwendung der Maxwell-Gleichungen geschätzt werden.
Weiterhin ist als eine fünfte Maßnahme die Statorspule 51 ausgelegt, eine Drahtleiterstruktur aufzuweisen, in der Drähte zusammen gebündelt sind. Folglich wird es mit den Drähten, die parallel zueinander geschaltet sind, möglich, ein Fließen eines hohen elektrischen Stroms durch die elektrischen Leiter zu erlauben. Da weiterhin die Querschnittfläche von jedem der Drähte klein ist, wird es möglich, effektiver als bei der dritten Maßnahme des Reduzierens der radialen Dicke der elektrischen Leiter die Erzeugung von Wirbelströmen in den elektrischen Leitern zu unterdrücken, die sich in der Umlaufsrichtung des Stators 50 aufgrund der flachen Leiterstruktur ausdehnen. Zusätzlich wird es durch Bilden von jedem der elektrischen Leiter durch verdrillen der Drähte in Bezug auf die magnetomotorische Kraft der elektrischen Leiter möglich, Wirbelströme gegeneinander aufzuheben, die durch Magnetfluss induziert werden, die entsprechend der Rechten-Hand-Regel in Bezug auf die elektrische Stromzufuhrrichtung erzeugt werden.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, wird es durch Vornehmen der vierten und fünften Maßnahmen möglich, Magnete mit hoher magnetischer Kraft anzuwenden, die durch die zweite Maßnahme bereitgestellt sind, während ein Wirbelstromverlust aufgrund der hohen Magnetkraft unterdrückt wird, und dadurch das Drehmoment erhöht wird.
Nachstehend ist die nutenlose Struktur des Stators 50, die flache Leiterstruktur der Statorspule 51 und die polar-anisotrope Struktur der Magneteinheit 42 ausführlich beschrieben. Zunächst sind die nutenlose Struktur und die flache Leiterstruktur der Statorspule 51 beschrieben. 8 zeigt eine Querrichtungs-Querschnittsansicht von sowohl dem Rotor 40 als auch dem Stator 50. 9 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Rotors 40 und des Stators 50, die in 8 gezeigt sind. 10 zeigt eine Querrichtungs-Querschnittsansicht des Stators 50, die entlang der Linie X-X in 11 genommen ist. 11 zeigt eine Längs-Querschnittsansicht des Stators 50. 12 zeigt eine perspektivische Ansicht der Statorspule 51. Zusätzlich sind in den 8 und 9 die Magnetisierungsrichtungen der Magnete in der Magneteinheit 42 durch Pfeile angegeben.
Wie es in 8 bis 11 gezeigt ist, ist der Statorkern 52 durch Schichten einer Vielzahl von magnetischen Stahlblechen in der axialen Richtung derart gebildet, dass er eine hohlzylindrische Form mit einer vorbestimmten radialen Dicke aufweist. Die Statorspule 51 ist an den radial äußeren Umfang, d.h. an dem Umfang des Statorkerns 52 auf der Seite des Rotors 40 angebracht. Das heißt, dass die äußere Umlaufsoberfläche des Statorkerns 52 auf der Seite des Rotors 40 einen elektrischen Leitermontageteil (oder elektrischen Leiterbereich) bildet. Die äußere Umlaufsoberfläche des Statorkerns 52 ist als eine glatte gekrümmte Oberfläche geformt. Eine Vielzahl elektrischer Leitergruppen 81 sind auf der äußeren Umlaufsoberfläche des Statorkerns 52 zu vorbestimmten Intervallen in der Umlaufsrichtung angeordnet. Der Statorkern 52 fungiert als ein Gegenjoch, um einen Teil einer Magnetschaltung zum Drehen des Rotors 40 zu bilden. Der Stator 50 weist eine derartige Konfiguration (d.h. nutenlose Struktur) auf, dass zwischen zwei in Umlaufsrichtung benachbarten elektrischen Leitergruppen 81 kein Zahn aus einem weichmagnetischen Material (d.h. kein Eisenkern) gebildet ist. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist jede von Spalten 56 zwischen den elektrischen Leitergruppen 81 durch das Harzmaterial eines Abdichtungselements 57 belegt. Das heißt, dass in dem Stator 50 Zwischenleiterelemente, die zwischen den elektrischen Leitergruppen 81 in der Umlaufsrichtung vorgesehen sind, aus dem Abdichtungselement 57 gebildet sind, das aus einem nichtmagnetischen Material gebildet ist. Vor dem Abdichten durch das Abdichtungselement 57 werden auf der radialen äußeren Seite des Statorkerns 52 die elektrischen Leitergruppen 81 zu vorbestimmten Intervallen in der Umlaufsrichtung mit den Spalten 56 angeordnet, die zwischen Leitergruppenregionen sind, die dazwischen gebildet sind. Auf diese Weise wird der Stator 50 aufgebaut, der eine nutenlose Struktur aufweist. Anders ausgedrückt besteht jede der elektrischen Leitergruppen 81 aus zwei elektrischen Leitern 82, wie es nachstehend beschrieben ist, wobei der Spalt 56, der zwischen zwei in Umlaufsrichtung benachbarten elektrischen Leitergruppen 81 gebildet ist, durch lediglich nichtmagnetische Materialien belegt ist. Diese nichtmagnetischen Materialien weisen zusätzlich zu dem Harzmaterial des Abdichtungselements 57 ein nichtmagnetisches Gas wie Luft und eine nichtmagnetische Flüssigkeit auf. Zusätzlich ist das Abdichtungselement 57 ebenfalls als das Zwischenleiterelement (oder Leiter-zu-Leiter-Element) nachstehend bezeichnet.
Die Konfiguration mit Zähnen, die zwischen elektrischen Leitergruppen 81 vorgesehen sind, die in der Umlaufsrichtung angeordnet sind, ist eine Konfiguration, bei der: jeder der Zähne eine vorbestimmte radiale Dicke und eine vorbestimmte Umlaufsbreite (Breite in Umlaufsrichtung) aufweist, und ein Teil des Magnetkreises, d.h. Magnet-Magnetpfade zwischen den elektrischen Leitergruppen 81 gebildet sind. Im Gegensatz ist die Konfiguration, die keine zwischen den elektrischen Leitergruppen 81 vorgesehene Zähne aufweist, eine Konfiguration, bei der der vorstehend beschriebene Magnetkreis zwischen den elektrischen Leitergruppen 81 nicht gebildet ist.
Wie es in 10 gezeigt ist, ist die Statorspule (oder Ankerspule) 51 derart gebildet, dass sie eine vorbestimmte Dicke T2 (die nachstehend ebenfalls als eine erste Abmessung bezeichnet ist) und eine vorbestimmte Breite W2 (die nachstehend ebenfalls als zweite Abmessung bezeichnet ist) aufweist. Die Dicke T2 ist durch die minimale Distanz zwischen einer radialen äußeren Seitenoberfläche und einer radial inneren Seitenoberfläche der Statorspule 51 repräsentiert. Die Breite W2 ist durch die Umlaufslänge (Länge in Umlaufsrichtung) von jedem Teil der Statorspule 51 repräsentiert, die als eine der Vielzahl von Phasen der Statorspule 51 fungiert (drei Phasen gemäß dem Ausführungsbeispiel: die drei Phasen U, V und W oder die drei Phasen X, Y und Z). Insbesondere fungiert gemäß 10 ein in Umlaufsrichtung benachbartes Paar der elektrischen Leitergruppen 81 als eine der drei Phasen, beispielsweise als die U-Phase, wobei die Distanz zwischen zwei Enden des Paars der elektrischen Leitergruppen 81 in der Umlaufsrichtung die Breite W2 repräsentiert. Weiterhin ist die Dicke T2 derart eingestellt, dass sie kleiner als die Breite W2 ist.
Zusätzlich ist es vorzuziehen, dass die Dicke T2 kleiner als die Summe der Breiten von zwei elektrischen Leitergruppen 81 ist, die innerhalb der Breite W2 vorhanden sind. Weiterhin kann in dem Fall, in dem die Querschnittsform der Statorspule 51 (genauer der elektrischen Leiter 82) ein idealer Kreis, eine ideale Ellipse oder ein Vieleck ist, in einem Querschnitt von jedem der elektrischen Leiter 82 entlang der Radialen Richtung des Stators 50 die maximale radiale Länge des Querschnitts durch W12 festgelegt sein, und kann die maximale Umlaufslänge (Länge in Umlaufsrichtung) des Querschnitts durch W11 festgelegt sein.
Wie es in 10 und 11 gezeigt ist, ist die Statorspule 51 durch das Abdichtungselement 57 abgedichtet, das aus einem synthetischen Harzmaterial gebildet ist, das ein Abdichtungsmaterial (oder ein Vergussmaterial) ist. Das heißt, dass die Statorspule 51 zusammen mit dem Statorkern 52 durch das Vergussmaterial vergossen wird. Zusätzlich ist ein Harz ein nichtmagnetisches Material oder ein Äquivalent eines nichtmagnetischen Materials, davon kann die Sättigungsflussdichte Bs eines Harzes als gleich null betrachtet werden, d.h. Bs = 0.
Wie es aus der Querrichtungs-Querschnittsansicht gemäß 10 hervorgeht, sind die Spalte 56 zwischen den elektrischen Leitergruppe 81 mit dem synthetischen Harzmaterial gefüllt, das das Abdichtungselement 57 bildet. Das Abdichtungselement 57 bildet ein elektrisches Isolierelement, das zwischen den elektrischen Leitergruppen 81 angeordnet ist. Anders ausgedrückt fungiert das Abdichtungselement 57 als ein elektrisch isolierendes Element in den Spalten 56. Das Abdichtungselement 57 ist auf der radial äußeren Seite des Statorkerns 52 in einer Region, die alle elektrischen Leitergruppen 81 umfasst, d.h. in einer Region, deren radiale Dicke größer als die radiale Dicke der elektrischen Leitergruppen 81 ist, vorgesehen.
Weiterhin ist, wie es aus der Längs-Querschnittsansicht gemäß 11 hervorgeht, das Abdichtungselement 57 in Regionen, die Windungsabschnitte 84 der Statorspule 51 umfassen, vorgesehen. An der radial inneren Seite der Statorspule 51 ist das Abdichtungselement 57 in Regionen vorgesehen, die zumindest einen Teil von axial entgegengesetzten Endoberflächen des Statorkerns 52 umfassen. In diesem Fall ist mit Ausnahme der Endabschnitte der Phasenwicklungen, d.h. mit Ausnahme der Verbindungsanschlüsse, die mit den Wechselrichterschaltungen verbunden sind, die Statorspule 51 im Wesentlichen vollständig mit Harz abgedichtet.
Mit dem Abdichtungselement 57, das in den Regionen vorgesehen ist, die die Endoberflächen des Statorkerns 52 umfassen, ist es möglich, durch das Abdichtungselement 57 die geschichteten Stahlbleche des Statorkerns 52 axial nach innen zu drücken. Folglich ist es mit dem Abdichtungselement 57 möglich, den geschichteten Zustand der Stahlbleche beizubehalten. Zusätzlich ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die innere Umlaufsoberfläche des Statorkerns 52 nicht mit Harz abgedichtet. Als eine Alternative kann der gesamte Statorkern 52 einschließlich der inneren Umlaufsoberfläche davon durch Harz abgedichtet sein.
In dem Fall, in dem die rotierende elektrische Maschine 10 als eine Fahrzeugleistungsquelle verwendet wird, ist es vorzuziehen, dass das Abdichtungselement 57 aus einem hochwärmebeständigen Fluorkohlenstoffharz, Epoxidharz, PPS-Harz, PEEK-Harz, LCP-Harz, Silikonharz, PAI-Harz oder PI-Harz gebildet ist. In Hinblick auf das Unterdrücken des Auftretens eines Brechens aufgrund einer Differenz des linearen Expansionskoeffizienten, ist es vorzuziehen, dass das Abdichtungselement 57 aus dem gleichen Material wie die Isolierbeschichtungen der elektrischen Leiter der Statorspule 51 gebildet ist. Das heißt, dass es vorzuziehen ist, dass Silikonharze, deren lineare Expansionskoeffizienten im Allgemeinen höher als das Doppelte von anderen Harzen sind, aus den Kandidaten für das Material des Abdichtungselements 57 ausgeschlossen werden. Weiterhin kann in elektrischen Produkten, die keine Verbrennungskraftmaschine aufweisen, wie ein Elektrofahrzeug, ein PPO-Harz, ein Phenolharz oder ein FRP-Harz, die eine Wärmewiderstandsfähigkeit von etwa 180°C aufweisen, als das Material verwendet werden, das das Abdichtungselement 57 bildet. Zusätzlich ist in Gebieten, in denen die Umgebungstemperatur der rotierenden elektrischen Maschine 10 niedriger als 100°C ist, das Material zum Bilden des Abdichtungselements 57 nicht auf die vorstehend beschriebenen Kandidaten begrenzt.
Das Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine 10 ist proportional zu der Amplitude von Magnetfluss. In dem Fall eines Stators mit Zähnen ist die maximale Größe des Magnetflusses in dem Stator in Abhängigkeit von der Sättigungsflussdichte an den Zähnen begrenzt. Im Gegensatz dazu wird in dem Fall eines Statorkerns ohne Zähne die maximale Größe von Magnetfluss in dem Stator nicht begrenzt. Daher ist die nutenlose Struktur vorteilhaft im Hinblick darauf, den der Statorspule 51 zugeführten elektrischen Strom zu erhöhen, und dadurch das Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine 10 zu erhöhen.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Induktivität des Stators 50 durch Anwenden der zahnlosen Struktur (oder nutenlose Struktur) in dem Stator 50 abgesenkt. Insbesondere ist die Induktivität eines Stators einer herkömmlichen rotierenden elektrischen Maschine, die elektrische Leiter aufweist, die in Nuten aufgenommen sind, die durch Zähne unterteilt sind, beispielsweise etwa 1 mH. Im Gegensatz dazu ist die Induktivität des Stators 50 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel derart abgesenkt, dass sie 5-60 µH ist. Folglich wird es gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel möglich, die mechanische Zeitkonstante Tm durch die Reduktion der Induktivität des Stators 50 abzusenken, während die rotierende elektrische Maschine 10 konfiguriert ist, um eine Außenrotorstruktur aufzuweisen. Das heißt, dass es möglich wird, sowohl eine Erhöhung des Drehmoments als auch eine Reduktion der mechanischen Konstanten Tm zu erzielen. Zusätzlich kann die mechanische Zeitkonstante Tm durch die nachfolgende Gleichung berechnet werden: $Tm = (J \times L) / (Kt \times Ke)$
Dabei ist J die Trägheit, ist L die Induktivität, ist Kt die Drehmomentkonstante und ist Ke die gegenelektromotorische Kraftkonstante. Aus der vorstehend beschriebenen Gleichung geht klar hervor, dass die mechanische Zeitkonstante Tm sich mit einer Verringerung der Induktivität L verringert.
Jede der elektrischen Leitergruppen 81 auf der radialen äußeren Seite des Statorkerns 52 weist eine Vielzahl von elektrischen Leitern 82 auf, die jeweils einen flachen rechteckigen Querschnitt aufweisen und die in Ausrichtung zueinander in einer radialen Richtung des Statorkerns 52 angeordnet sind. Weiterhin ist jeder der elektrischen Leiter 82 derart orientiert, dass in einem Querschnitt in Querrichtung davon die radiale Abmessung kleiner als die Umlaufsabmessung ist. Folglich wird jede der elektrischen Leitergruppen 81 in der radialen Richtung dünner. Demgegenüber sind die Regionen der elektrischen Leiter zu denjenigen Regionen, die herkömmlicherweise durch Zähne belegt werden würden, flach ausgedehnt, wodurch eine flache Leiterregionsstruktur verwirklicht wird. Folglich wird eine Erhöhung der Wärmemenge, die durch die elektrischen Leiter erzeugt wird, die andernfalls durch die Reduktion in der radialen Abmessung und somit der Reduktion in der Querschnittsfläche von jedem der elektrischen Leiter verursacht werden würde, unterdrückt, indem durch die Erhöhung in der Umlaufsabmessung (Abmessung in Umlaufsrichtung) eine Reduktion in der Querschnittsfläche von jedem der elektrischen Leiter unterdrückt wird. Zusätzlich ist es mit einer Konfiguration, bei der eine Vielzahl von elektrischen Leitern in einer Umlaufsausrichtung miteinander angeordnet werden, und diese parallel zueinander geschaltet werden, obwohl die Querschnittsfläche von jedem der elektrischen Leiter durch eine Größe reduziert ist, die der Dicke der Isolierbeschichtungen der elektrischen Leiter entspricht, immer noch möglich, dieselben Wirkungen wie vorstehend beschrieben zu erzielen. Es sei bemerkt, dass nachstehend jede der elektrischen Leitergruppen 81 und jeder der elektrischen Leiter 82 ebenfalls als „leitendes Element“ (Leitungselement) 81 bezeichnet ist.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird es mit der nutenlosen Struktur des Stators 50 möglich, die Leiterregionen, die durch die Statorspule 51 belegt sind, derart einzustellen, dass sie größer als Nichtleiterregionen sind, die nicht durch die Statorspule 51 in jeder Windung in der Umlaufsrichtung belegt sind. Zusätzlich ist in einer herkömmlichen rotierenden elektrischen Maschine für ein Fahrzeug das Verhältnis der Leiterregionen zu den Nichtleiterregionen in jeder Windung in der Umlaufsrichtung allgemein 1 oder kleiner. Im Gegensatz dazu sind gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die elektrischen Leitergruppen 81 derart konfiguriert, dass sie Leiterregionen aufweisen, die gleich zu den Nichtleiterregionen sind oder größer als die Nichtleiterregionen sind. Insbesondere ist, wie es in 10 gezeigt ist, die Umlaufsbreite WA von jeder der Leiterregionen, die durch die elektrischen Leiter 82 (oder die gerade Abschnitte 83, die später beschrieben sind) belegt sind, derart eingestellt, dass sie größer als die Umlaufsbreite WB von jeder der Zwischenleiterregionen zwischen den benachbarten elektrischen Leitern 82 ist.
In der Statorspule 51 ist die radiale Dicke der elektrischen Leitergruppen 81 derart eingestellt, dass sie kleiner als die Umlaufsbreite der elektrischen Leitergruppen 81 pro Phase in jedem Magnetpol ist. Genauer besteht jede der elektrischen Leitergruppen 81 aus zwei radial gestapelten elektrischen Leitern 82. In jeder Region, die einem Magnetpol entspricht, sind zwei in Umlaufsrichtung zueinander benachbarte elektrische Leitergruppen 81 pro Phase vorgesehen. Dann ist die nachfolgende Beziehung erfüllt: Tc × 2 < Wc × 2, wobei Tc die radiale Dicke von jedem der elektrischen Leiter 82 ist und Wc die Umlaufsbreite von jedem der elektrischen Leiter 82 ist. Zusätzlich besteht in einer alternativen Konfiguration jede der elektrischen Leitergruppen 81 aus zwei radial gestapelten elektrischen Leitern 82, wobei in jeder Region, die einem Magnetpol entspricht, lediglich eine elektrische Leitergruppe 81 pro Phase vorgesehen ist. In diesem Fall ist die nachfolgende Beziehung erfüllt: Tc × 2 < Wc. Das heißt, dass in der Statorspule 51 für die elektrischen Leiterabschnitte (d.h. den elektrischen Leitergruppen 81), die zu vorbestimmten Intervallen in der Umlaufsrichtung angeordnet sind, die radiale Dicke von jedem der elektrischen Leiterabschnitte derart eingestellt ist, dass sie kleiner als die Umlaufsbreite von einem oder mehreren elektrischen Leiterabschnitten ist, die pro Phase in jeder Region vorgesehen ist, die einem Magnetpol entspricht.
Anders ausgedrückt ist die radiale Dicke Tc von jedem der elektrischen Leiter 82 vorzugsweise derart eingestellt, dass sie kleiner als die Umlaufsbreite Wc von jedem der elektrischen Leiter 82 ist. Weiterhin ist die radiale Dicke (d.h. 2Tc) von jeder der elektrischen Leitergruppen 81, die aus zwei radial gestapelten elektrischen Leitern 82 besteht, vorzugsweise derart eingestellt, dass sie kleiner als die Umlaufsbreite Wc von jeder der elektrischen Leitergruppen 81 ist.
Das Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine 10 ist angenähert umgekehrt proportional zu der radialen Dicke der elektrischen Leitergruppen 81.
Daher kann das Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine 10 erhöht werden, indem die radiale Dicke der elektrischen Leitergruppen 81 auf der radial äußeren Seite des Statorkerns 52 reduziert wird. Dies liegt daran, dass mit Reduktion der radialen Dicke der elektrischen Leitergruppen 81 die Distanz von der Magneteinheit 42 des Rotors 40 zu dem Statorkern 52 (d.h. die Distanz über einen Abschnitt, der kein Eisen enthält) verkürzt wird, wodurch die magnetische Reluktanz abgesenkt wird. Folglich ist es möglich, den Magnetfluss, der durch die Permanentmagneten erzeugt wird und der den Statorkern 52 quert, zu erhöhen, wodurch das Drehmoment erhöht wird.
Weiterhin wird es mit der Reduktion der radialen Dicke der elektrischen Leitergruppen 81 leichter, dass Streumagnetfluss aus den elektrischen Leitergruppen 81 durch den Statorkern 52 wiedergewonnen wird. Folglich wird es möglich, ein Streuen von Magnetfluss nach außerhalb zu unterdrücken, ohne dass dieser effektiv zur Verbesserung des Drehmoments verwendet wird. Das heißt, dass es möglich wird, ein Absenken des Magnetflusses aufgrund eines Streuen des Magnetflusses zu unterdrücken, und den Magnetfluss, der durch die Permanentmagnete erzeugt wird und der den Statorkern 52 quert, zu erhöhen, wodurch das Drehmoment erhöht wird.
Jeder der elektrischen Leiter 82 ist durch einen abgedeckten elektrischen Leiter, der einen Leiterkörper 82a und eine Isolierbeschichtung 82b aufweist, verwirklicht, der die Oberfläche des Leiterkörpers 82a abdeckt. Daher wird eine elektrische Isolierung zwischen jedem radial gestapelten Paar der elektrischen Leiter 82 und zwischen den elektrischen Leitern 82 und dem Statorkern 52 gewährleistet. Wie es später beschrieben ist, besteht der Leiterkörper 82a aus einem Bündel von Drähten 86. In dem Fall, dass jeder der Drähte 86 ein beschichteter Draht ist, kann die Isolierbeschichtung 82b aus selbstschmelzenden Beschichtungen der Drähte 86 bestehen. Andernfalls kann die Isolierbeschichtung 82b aus einem Isolierelement bestehen, das separat von den Beschichtungen der Drähte 86 vorgesehen ist. Zusätzlich ist durch die Isolierbeschichtungen 82b der elektrischen Leiter 82 die elektrische Isolierung der Phasenwicklungen, die aus den elektrischen Leitern 82 gebildet sind, gewährleistet, mit der Ausnahme von freiliegenden Abschnitten der Phasenwicklungen, um elektrische Verbindungen herzustellen. Diese freiliegenden Abschnitte der Phasenwicklungen weisen beispielsweise Eingangs-/Ausgangsanschlussabschnitte und Neutralanschlussabschnitte auf, wenn die Phasenwicklungen im Stern geschaltet sind. In jeder der elektrischen Leitergruppen 81 sind radial benachbarte elektrische Leiter 82 aneinander durch die selbstschmelzenden isolierenden Beschichtungen der elektrischen Leiter und/oder einem isolierenden Harz, das separat von den Isolierbeschichtungen aufgetragen ist, fixiert. Folglich wird es möglich, den Auftritt eines elektrischen Durchbruchs der elektrischen Leiter 82, die gegeneinander reiben, zu verhindern, und Vibrationen und Störungen zu unterdrücken.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Leiterkörper 82a von jedem der elektrischen Leiter 82 aus einem Bündel von Drähten 86 aufgebaut. Insbesondere ist, wie es in 13 gezeigt ist, der Leiterkörper 82a durch Verdrillen der Drähte 86 in eine Form einer Schnur gebildet. Weiterhin besteht, wie es in 14 gezeigt ist, jeder der Drähte 86 aus einem Bündel von elektrisch leitenden Fasern 87. Die Fasern 87 sind beispielsweise durch CNT- (Kohlenstoff-Nanoröhren-) Fasern verwirklicht. Die CNT-Fasern sind Mikrofasern, die erhalten werden, indem zumindest ein Teil von Kohlenstoff mit Bor ersetzt ist. Die Fasern 87 können alternativ durch andere Kohlenstoffmikrofasern wie aus der Gasphase gewachsene Kohlenstofffasern (VGCF) verwirklicht werden. Jedoch ist es vorzuziehen, dass die Fasern 87 durch CNT-Fasern verwirklicht werden. Zusätzlich ist die Oberfläche von jedem der Drähte 86 mit einer elektrisch isolierenden Polymerbeschichtung wie einer Lackbeschichtung abgedeckt. Weiterhin ist es vorzuziehen, dass die Oberfläche von jedem der Drähte 86 mit einer Lackbeschichtung wie eine Polyimid-Beschichtung oder eine Amid-Imid-Beschichtung abgedeckt ist.
Die elektrischen Leiter 82 bilden zusammen Wicklungen von n Phasen in der Statorspule 51. In jedem der elektrischen Leiter 82 (genauer in jedem der Leiterkörper 82a) sind alle Drähte 86 benachbart zueinander und in Kontakt miteinander. Weiterhin ist in jedem der elektrischen Leiter 82 zumindest eine Stelle pro Phase, an der die Drähte 86 miteinander verdrillt sind. Die elektrischen Widerstandswerte zwischen den verdrillten Drähten 86 sind höher als der elektrische Widerstandswert von jedem der Drähte 86. Insbesondere ist für jedes benachbarte Paar der Drähte 86 eine erste elektrische Widerstandsfähigkeit in der Richtung, in der die Drähte 86 aneinander anstoßen, höher als eine zweite elektrische Widerstandsfähigkeit in der Längsrichtung von jedem der Drähte 86. Zusätzlich kann jeder der elektrischen Leiter 82 aus einem Drahtbündel bestehen, in dem die Drähte 86 mit einem Isolierelement abgedeckt sind, das eine extrem hohe erste elektrische Widerstandsfähigkeit aufweist. Weiterhin besteht der Leiterkörper 82a von jedem der elektrischen Leiter 82 aus den Drähten 86, die miteinander verdrillt sind.
Da der Leiterkörper 82a aus den Drähten 86 besteht, die miteinander verdrillt sind, wird es möglich, die Erzeugung von Wirbelstrom in jedem der Drähte 86 zu unterdrücken, wodurch ein Wirbelstrom in dem Leiterkörper 82a reduziert wird. Weiterhin ist jeder der Drähte 86 verdrillt, um Abschnitte aufzuweisen, an denen die Magnetfeldanlegerichtungen entgegengesetzt zu einander sind, weshalb die gegenelektromotorischen Kräfte, die in diesen Abschnitten erzeugt werden, einander aufheben. Folglich wird es möglich, eine weitere Reduktion des Wirbelstroms zu erzielen. Insbesondere wird es, da jeder der Drähte 86 aus den elektrisch leitenden Fasern 87 besteht, möglich, jedes Element des Drahts 86 extrem dünn auszuführen, und die Anzahl der Verdrillungen in dem Draht 86 deutlich zu erhöhen, wodurch der Wirbelstrom effektiver reduziert wird.
Zusätzlich ist das Verfahren des Isolierens zwischen den Drähten 86 nicht auf das Anwenden der vorstehend beschriebenen elektrisch isolierenden Polymerbeschichtung begrenzt. Als eine Alternative kann es möglich sein, einen Fluss von elektrischem Strom zwischen den Drähten 86 zu erschweren, indem der Kontaktwiderstandswert dazwischen erhöht wird. Das heißt, dass, wenn der Widerstandswert zwischen den verdrillten Drähten 86 höher als der Widerstandswert von jedem der Drähte 86 ist, es möglich ist, die vorstehend beschriebene Wirkung mittels der elektrischen Potentialdifferenz, die durch die Widerstandswertdifferenz verursacht wird, zu erzielen. Beispielsweise kann der Kontaktwiderstandswert zwischen den Drähten 86 vorzugsweise erhöht werden, indem: die Herstellungsvorrichtung zur Herstellung der Drähte 86 und die Herstellungsausrüstung zur Herstellung des Stators 50 (oder des Ankers) der rotierenden elektrischen Maschine 10 derart angeordnet werden, dass sie separat voneinander sind, und bewirkt wird, dass die Drähte 86 während der Transportzeit und zu Betriebsintervallen oxidieren.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, weisen die elektrischen Leiter 82 jeweils einen flachen rechteckigen Querschnitt auf und sind in radialer Ausrichtung zueinander angeordnet. Die Form von jedem der elektrischen Leiter 82 wird beibehalten, indem: die Oberfläche von jedem der Drähte 86, die den elektrischen Leiter 82 bilden, mit einer selbstschmelzenden Isolierschicht abgedeckt wird, und bewirkt wird, dass die selbstschmelzenden Isolierschichten der Drähte 86 verschmelzen. Als eine Alternative kann die Form von jedem der elektrischen Leiter 82 beibehalten werden, indem: die Drähte 86 mit oder ohne selbstschmelzende Isolierschichten, die jeweils die Oberflächen davon abdecken, verdrillt werden, und die verdrillten Drähte 86 in eine gewünschte Form unter Verwendung eines synthetischen Harz miteinander fixiert werden. Die Dicke der Isolierbeschichtung 82b von jedem der elektrischen Leiter82 kann beispielsweise auf 80-100µm eingestellt werden, und somit größer als die Dicke der Isolierbeschichtungen von allgemein verwendeten elektrischen Leitern eingestellt werden, die 5-40µm sind. In diesem Fall ist es möglich, eine elektrische Isolierung zwischen den elektrischen Leitern 82 und dem Statorkern 52 zu gewährleisten, ohne dass Isolierpapier dazwischen angeordnet wird.
Es ist vorzuziehen, dass die Isolierbeschichtungen 82b der elektrischen Leiter 82 derart konfiguriert sind, dass sie ein höheres Isolierleistungsvermögen als die Isolierschichten der Drähte 86 aufweisen, und in der Lage sind, eine Zwischenphasenisolierung zu erzielen. Beispielsweise ist es in dem Fall von Polymerisolierschichten der Drähte 86 mit einer Dicke von beispielsweise etwa 5µm vorzuziehen, dass die Isolierbeschichtungen 82b der elektrischen Leiter 82 eine Dicke von 80-100µm aufweisen, wodurch eine geeignete Zwischenphasenisolierung gewährleistet wird.
Weiterhin kann jeder der elektrischen Drähte 82 aus einem Bündel von Drähten 86 bestehen, die miteinander gebündelt sind, ohne dass sie verdrillt sind. Das heißt, jeder der elektrischen Leiter 82 kann eine Konfiguration, in der die Drähte 86 über die gesamte Länge des elektrischen Leiters 82 verdrillt sind, eine Konfiguration, bei der die Drähte 86 für lediglich einen Teil der gesamten Länge des elektrischen Leiters 82 verdrillt sind, oder eine Konfiguration aufweisen, bei der die Drähte 86 über die gesamte Länge des elektrischen Leiters 82 zusammen gebündelt sind, ohne dass sie verdrillt sind. Zusammengefasst besteht jeder der elektrischen Leiter 82, die die elektrischen Leiterabschnitte bilden, aus einem Drahtbündel, wobei eine Vielzahl von Drähten 86 zusammen gebündelt sind, und die elektrischen Widerstandswerte zwischen den gebündelten Drähten 86 höher als der elektrische Widerstandswert von jedem der Drähte 86 ist.
Die elektrischen Leiter 82 sind derart gebogen, dass sie in einem vorbestimmten Muster in der Umlaufsrichtung der Statorspule 51 angeordnet sind. Auf diese Weise wird jede Phasenwicklung der Statorspule 51 gebildet. Wie es in 12 gezeigt ist, bilden gerade Abschnitte 83 der elektrischen Leiter 82, von denen jeder sich in der axialen Richtung gerade erstreckt, zusammen den Spulenseitenteil 53 der Statorspule 51, wobei Windungsabschnitte (gebogene Abschnitte) 84 der elektrische Leiter 82, die jeweils von dem Spulenseitenteil 53 zu einer Seite in der axialen Richtung vorspringen, zusammen das Spulenende 54 der Statorspule 51 bilden, wobei Windungsabschnitte 84 der elektrischen Leiter 82, die von dem Spulenseitenteil 53 zu der anderen Seite in der axialen Richtung vorspringen, zusammen das Spulenende 55 der Statorspule 51 bilden. Jeder der elektrischen Leiter 82 ist als ein wellengewickelter kontinuierlicher elektrischer Leiter konfiguriert, bei dem die geraden Abschnitte 83 abwechselnd mit den Windungsabschnitten geformt sind. Die geraden Abschnitte 83 der elektrischen Leiter 82 sind derart angeordnet, dass sie radial der Magneteinheit 42 zugewandt sind. Jedes Paar der geraden Abschnitte 83, die zu derselben Phase gehören und zu einem vorbestimmten Intervall in der Umlaufsrichtung beabstandet sind, sind miteinander durch einen der Windungsabschnitte 84 auf einer axial äußeren Seite der Magneteinheit 42 verbunden. Zusätzlich entsprechen die geraden Abschnitte 83 den „den Magneten zugewandten Abschnitten“.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Statorspule 51 in einer verteilten Wicklungsweise in einer ringförmigen Form gewickelt. In dem Spulenseitenteil 53 der Statorspule 51 sind für jede Phase die geraden Abschnitte 83 von jedem der elektrischen Leiter 82, die zu derselben Phase gehören, in der Umlaufsrichtung zu Intervallen angeordnet, die einem Polpaar der Magneteinheit 42 entsprechen. In den Spulenenden 54 und 55 der Statorspule 51 sind für jede Phase die geraden Abschnitte 83 von jedem der elektrischen Leiter 82, die zu der Phase gehören, miteinander durch die im Wesentlichen V-förmigen Windungsabschnitte 84 des elektrischen Leiters 82 verbunden. Für jedes Paar der geraden Abschnitte 83, die einem Polpaar entsprechen, sind die Richtungen der elektrischen Ströme, die jeweils in den geraden Abschnitten 83 des Paars fließen, entgegengesetzt zueinander. Weiterhin unterscheiden sich diejenigen Paare der geraden Abschnitte 83, die durch die jeweiligen Windungsabschnitte 84 in dem Spulenende 54 verbunden sind, sich von denjenigen Paaren der geraden Abschnitte 83, die durch die jeweiligen Windungsabschnitte 84 in dem Spulenende 55 verbunden sind. Die Verbindung der geraden Abschnitte 83 durch die Windungsabschnitte 84 in den Spulenenden 54 und 55 wird in der Umlaufsrichtung wiederholt, wodurch die Statorspule 51 in eine im Wesentlichen hohlzylindrische Form gebildet wird.
Genauer ist jede Phasenwicklung der Statorspule 51 aus zwei Paaren der elektrischen Leiter 82 gebildet. Die erste Drei-Phasen-Spule (U-, V- und W-Phasen) und die zweite Drei-Phasen-Spule (X-, Y- und Z-Phasen), die zusammen die Statorspule 51 bilden, sind in zwei radialen Schichten vorgesehen. Es sei S die Anzahl der Phasen der Statorspule 51 (sechs gemäß diesem Ausführungsbeispiel), und es sei m die Anzahl der elektrischen Leiter 82 pro Phase. Dann ist die Anzahl der elektrischen Leiter 82 pro Polpaar gleich 2 × S × m = 2Sm. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist S gleich 6, ist m gleich 4 und weist die rotierende elektrische Maschine 8 Polpaare (oder 16 Pole) auf. Dementsprechend ist die Gesamtanzahl der elektrischen Leiter 82, die in der Umlaufsrichtung des Statorkerns 52 angeordnet sind, gleich 6 × 4 × 8 = 192.
Wie es in 12 gezeigt ist, sind in dem Spulenseitenteil 53 der Statorspule 51 die geraden Abschnitte 83 der elektrischen Leiter 82 in zwei radial benachbarten Schichten gestapelt. In den Spulenenden 54 und 55 der Statorspule 51 erstrecken sich für jedes radial gestapelte Paar der geraden Abschnitte 83 der elektrischen Leiter 82 diejenigen zwei Windungsabschnitte 84 der elektrischen Leiter 82, die jeweils mit dem Paar der geraden Abschnitte 83 verbunden sind, jeweils zu entgegengesetzten Seiten in der Umlaufsrichtung. Das heißt, dass für jedes radial benachbarte Paar der elektrische Leiter 82 die Orientierungen der Windungsabschnitte 84 von einem aus dem Paar der elektrischen Leiter 82 entgegengesetzt zu denjenigen der Windungsabschnitte 84 von dem anderen aus dem Paar der elektrischen Leiter 82 mit Ausnahme der Endabschnitte der Statorspule 51 sind.
Nachstehend ist die Wicklungsstruktur der elektrischen Leiter 82, die die Statorspule 51 bilden, ausführlicher beschrieben. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die wellenförmigen elektrischen Leiter 82 in einer Vielzahl (beispielsweise zwei) von radial benachbarten Schichten angeordnet. 15(a) und 15(b) veranschaulichen zusammen das Layout der elektrischen Leiter 82 in der n-ten Schicht. Insbesondere zeigt 15(a) die Formen der elektrischen Leiter 82, die von einer radial äußeren Seite der Statorspule 51 betrachtet werden. 15(b) zeigt die Formen der elektrischen Leiter 82, wie von einer axialen Endseite der Statorspule 51 aus betrachtet. In 15(a) und 15(b) sind die Positionen, an denen die elektrischen Leitergruppen 81 angeordnet sind, jeweils durch die D1, D2, D3,... und D9 bezeichnet. Weiterhin sind zur erleichterten Darstellung lediglich drei elektrische Leiter 82, d.h. ein erster elektrischer Leiter 82_A, ein zweiter elektrischer Leiter 82_B und ein dritter elektrischer Leiter 82_C veranschaulicht.
In jedem der elektrischen Leiter 82_A bis 82_C sind alle geraden Abschnitte 83 auf der n-ten Schicht angeordnet, d.h. an derselben radialen Position angeordnet. Jedes Paar der geraden Abschnitte 83, die in Umlaufsrichtung weg voneinander um sechs Positionen sind (was 3 × m Paaren entspricht), ist durch eine der Windungsabschnitte 84 Verbunden. Genauer sind in jedem der elektrischen Leiter 82_A bis 82_C alle sieben geraden Abschnitte 83 auf demselben Kreis angeordnet, dessen Mittelpunkt auf der Achse des Rotors 40 liegt, so dass sie zueinander in der Umlaufsrichtung der Statorspule 51 benachbart sind. Weiterhin ist jedes Paar von Enden der geraden Abschnitte 83 durch einen der Windungsabschnitte 84 verbunden. Beispielsweise sind in dem ersten elektrischen Leiter 82_A zwei gerade Abschnitte 83, die jeweils an den Positionen D1 und D7 angeordnet sind, durch einen Windungsabschnitt 84 verbunden, der eine invertierte V-Form aufweist. Der zweite elektrische Leiter 82_B ist in Umlaufsrichtung von dem ersten elektrischen Leiter 82_A um eine Position auf derselben n-ten Schicht versetzt. Der dritte elektrische Leiter 82_C ist in Umlaufsrichtung von dem zweiten elektrischen Leiter 82_B durch eine Position auf derselben n-ten Schicht versetzt. In diesem Fall können, da alle der elektrischen Leiter 82_A bis 82_C auf derselben Schicht angeordnet sind, die Windungsabschnitte 84 dieser elektrischen Leiter sich einander behindern. Daher weist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel jeder der Windungsabschnitte 84 der elektrischen Leiter 82_A bis 82_C einen Teil davon radial versetzt auf, um einen Behinderungsverhinderungsteil zu bilden.
Insbesondere ist jeder der Windungsabschnitte 84 der elektrischen Leiter 82_A bis 82_C derart konfiguriert, dass er einen schiefen Teil 84a, einen Scheitelteil 84b, einen schiefen Teil 84c und einen Rücklaufteil 84d aufweist. Der schiefe Teil 84a erstreckt sich in Umlaufsrichtung auf demselben Kreis (ersten Kreis). Der Scheitelteil 84b erstreckt sich von dem schiefen Teil 84a radial nach innen (d.h. gemäß 15(b) aufwärts) von dem ersten Kreis, um einen anderen Kreis (zweiten Kreis) zu erreichen. Der schiefe Teil 84c erstreckt sich in Umlaufsrichtung auf dem zweiten Kreis. Der Rücklaufteil 84d kehrt von dem zweiten Kreis auf den ersten Kreis zurück. Der Scheitelteil 84b, der schiefe Teil 84c und der Rücklaufteil 84d entsprechen zusammen dem Behinderungsverhinderungsteil. Zusätzlich kann jeder der Windungsabschnitte 84 alternativ derart konfiguriert sein, dass der schiefe Teil 84c gegenüber dem schiefen Teil 84a radial nach außen versetzt ist.
Das heißt, dass in jedem der Windungsabschnitte 84 der elektrischen Leiter 82_A bis 82_C der schiefe Teil 84a und der schiefe Teil 84c jeweils auf entgegengesetzten Seiten des Scheitelteils 84b angeordnet sind, der in Umlaufsrichtung in dem Windungsabschnitt 84 zentriert ist. Weiterhin unterscheiden sich der schiefe Teil 84a und der schiefe Teil 84c voneinander in der radialen Position (d.h. der Position in der Richtung senkrecht zu der Papieroberfläche von 15(a); Position in der vertikalen Richtung in 15(b)). Beispielsweise erstreckt sich der Windungsabschnitt 84 des ersten elektrischen Leiters 82_A zunächst in der Umlaufsrichtung von der Position D1 in der n-ten Schicht, die eine Startposition ist, wird dann radial (beispielsweise radial nach innen) an dem Scheitelteil 84b gebogen, der in Umlaufsrichtung in dem Windungsabschnitt 84 zentriert ist, und wird dann weiterhin in Umlaufsrichtung gebogen, um sich weiter in der Umlaufsrichtung zu erstrecken, und wird danach radial (beispielsweise radial nach außen) an dem Rücklaufteil 84d gebogen, um die Position D7 auf der n-ten Schicht zu erreichen, die die Endposition ist.
Mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration sind die schiefen Teile 84a der elektrischen Leiter 82_A bis 82_C von der oberen Seite in der vertikalen Richtung in der Reihenfolge des ersten elektrischen Leiters 82_A, des zweite elektrischen Leiters 82_B und des dritten elektrischen Leiters 82_C angeordnet. Die Anordnungsreihenfolge der elektrischen Leiter 82_A bis 82_C ist an den Scheitelteilen 84b derart invertiert, dass die schiefen Teile 84c der elektrischen Leiter 82_A bis 82_C von der oberen Seite in der vertikalen Richtung in der Reihenfolge des dritten elektrischen Leiters 82_C, des zweiten elektrischen Leiters 82_B und des ersten elektrischen Leiters 82_A angeordnet sind. Folglich wird es möglich, die elektrischen Leiter 82_A bis 82_C anzuordnen, ohne eine gegenseitige Behinderung zu verursachen.
Weiterhin besteht jede der elektrischen Leitergruppen 81 aus einer Vielzahl von radial gestapelten elektrischen Leitern 82. Für jede der elektrischen Leitergruppen 81 können die Windungsabschnitte 84 der elektrischen Leiter 82 der Gruppe stärker radial weg voneinander angeordnet werden, als es die geraden Abschnitte 83 der elektrischen Leiter 82 sind. Weiterhin ist es in dem Fall, dass die elektrischen Leiter 82 derselben Gruppe zu derselben radialen Seite an den Grenzen zwischen den geraden Abschnitten 83 und den Windungsabschnitten 84 gebogen sind, notwendig, eine Verschlechterung einer elektrischen Isolierung aufgrund einer Behinderung (Interferenz) zwischen den radial benachbarten elektrischen Leitern 82 zu verhindern.
Beispielsweise sind an den Positionen D7 bis D9 gemäß 15(a) und 15(b) die radial gestapelten elektrischen Leiter 82 an den Rücklaufteilen 84d der jeweiligen Windungsabschnitte 84 davon radial gebogen. In diesem Fall kann, wie es in 16 gezeigt ist, der Krümmungsradius der Biegung des elektrischen Leiters 82 auf der n-ten Schicht derart eingestellt werden, dass er sich von dem Krümmungsradius der Biegung des elektrischen Leiters 82 auf der (n+1)-ten Schicht unterscheidet. Genauer kann der Krümmungsradius R1 des radial inneren elektrischen Leiters 82 (d.h. auf der n-ten Schicht) derart eingestellt werden, dass er kleiner als der Krümmungsradius R2 des radial äußeren elektrischen Leiters 82 (d.h. auf der (n+1)-ten Schicht) ist.
Weiterhin kann die Größe einer radialen Verschiebung des elektrischen Leiters 82 auf der n-ten Schicht derart eingestellt werden, dass sie sich von der Größe der radialen Verschiebung des elektrischen Leiters 82 auf der (n+1)-ten Schicht unterscheidet. Genauer kann die Größe der radialen Verschiebung S1 des radial inneren elektrischen Leiters 82 (d.h. auf der n-ten Schicht) derart eingestellt werden, dass sie größer als die Größe der radialen Verschiebung S2 des radial äußeren elektrischen Leiters 82 (d.h. auf der (n+1)-ten Schicht) ist.
Mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration ist es, selbst wenn die radial gestapelten elektrischen Leiter 82 in derselben Richtung gebogen sind, immer noch möglich, zuverlässig eine Behinderung zwischen den elektrischen Leitern 82 zu verhindern. Folglich ist es möglich, hohe Isoliereigenschaften zu gewährleisten.
Nachstehend ist die Struktur der Magneteinheit 42 des Rotors 40 ausführlich beschrieben. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht die Magneteinheit 42 aus Permanentmagneten, deren Remanenzflussdichte Br gleich wie oder größer als 1,0T ist und deren intrinsische Koerzitivkraft Hcj gleich wie oder größer als 400kA/m ist. Genauer sind gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Permanentmagnete durch gesinterte Magnete verwirklicht, die durch Formen und Verfestigen eines granularen magnetischen Materials durch Sintern erhalten werden. Die intrinsische Koerzitivkraft Hcj der Permanentmagnete auf der J-H-Kurve ist gleich wie oder größer als 400kA/m, und die Remanenzflussdichte Br der Permanentmagnete ist gleich wie oder größer als 1,0T. Wenn 5000-10000 AT durch Zwischenphasenerregung angelegt wird, ist, wenn die magnetische Länge von einem Polpaar, d.h. die magnetische Länge von einem N-Pol und einem S-Pol, anders ausgedrückt die Länge eines Magnetflusspfads, der sich zwischen einem Paar von N- und S-Polen durch das innere der angewendeten Permanentmagnete erstreckt, gleich 25mm ist, Hcj gleich 10000 A, und somit werden die Permanentmagnete nicht entmagnetisiert.
Anders ausgedrückt ist die Magneteinheit 42 derart konfiguriert, dass: die Sättigungsflussdichte Js gleich wie oder größer als 1,2T ist, wobei die Körnungsgröße gleich wie oder kleiner als 10 µm ist, und Js×a gleich wie oder größer als 1,0T ist, wobei a das Orientierungsverhältnis ist.
Nachstehend erfolgt eine zusätzliche Beschreibung der Magneteinheit 42. Die Magneteinheit 42 (d.h. die Magnete) ist dadurch gekennzeichnet, dass 2,15T ≥ Js ≥ 1,2T gilt. Anders ausgedrückt können als die Magnete der Magneteinheit 42 NdFe11TiN-Magnete, Nd2Fe14B-Magnete, Sm2Fe17N3-Magnete oder L10-Type-FeNi-Magnete angewendet werden. Zusätzlich können SmCo5-Magnete, die allgemein als Samarium-Kobalt-Magnete bezeichnet sind, Dy2Fe14B-Magnetes und CoPt-Magnete nicht als die Magnete der Magneteinheit angewendet werden. Demgegenüber können Magnete, die aus Zusammensetzung desselben Typs wie Dy2Fe14B und Nd2Fe14B gebildet sind, um eine hohe Koerzitivkraft von Dysprosium aufzuweisen, das ein schweres Seltene-Erden-Element ist, während lediglich nur etwas die hohen Js-Charakteristiken von Neodym verloren werden, 2,15T ≥ Js ≥ 1,2T erfüllen. In diesem Fall können diese Magnete als die Magnete der Magneteinheit 42 angewendet werden. Zusätzlich können diese Magnete beispielsweise als [Nd1-xDyx]2Fe14B-Magnete bezeichnet werden. Weiterhin können die Magnete der Magneteinheit 42 aus zwei oder mehr Arten von Materialien mit unterschiedlichen Zusammensetzungen wie FeNi plus Sm2Fe17N3 gebildet werden. Beispielsweise können Magnete, die durch Hinzufügen einer kleinen Menge von Dy2Fe14B, dessen Js kleiner als 1T ist, zu Nd2Fe14B, dessen Js gleich 1,6T ist, gebildet werden, um die Koerzitivkraft zu verbessern, als die Magnete der Magneteinheit 42 angewendet werden.
Weiterhin ist es in dem Fall, dass die rotierende elektrische Maschine bei einer Temperatur außerhalb des Temperaturbereichs von menschlichen Aktivitäten wie bei einer Temperatur von gleich wie oder größer als 60°C betrieben wird, die die Temperatur einer Wüste überschreitet, oder dass sie als ein Elektromotor in einem Fahrzeug verwendet wird, wo die Temperatur 80°C im Sommer erreicht, ist es vorzuziehen, dass die Magnete der Magneteinheit 42 eine Komponente enthalten, die einen niedrige Temperaturkoeffizienten aufweist, wie FeNi oder Sm2Fe17N3. Dies liegt daran, dass, wenn die rotierenden elektrische Maschine in einem Temperaturbereich von etwa -40°C (innerhalb des Temperaturbereichs von menschlichen Aktivitäten in Nordeuropa) bis 60°C oder höher (was die Temperatur einer Wüste überschreitet), oder bis zu der Wärmebeständigkeitstemperatur von Spulenlackbeschichtungen (beispielsweise 180-240°C), betrieben wird, die Motoreigenschaften der rotierenden elektrischen Maschine in dem Motorbetrieb stark von dem Temperaturkoeffizienten der Magnete der Magneteinheit 42 abhängen, wobei es folglich schwierig wird, eine optimale Steuerung mit derselben Motoransteuerungseinrichtung zu gewährleisten. Die Temperaturkoeffizienten von L10-Typ-FeNi und Sm2Fe17N3 sind niedriger als die Hälfte des Temperaturkoeffizienten von Nd2Fe14B. Daher ist es durch Bilden der Magnete der Magneteinheit 42 mit L10-Typ-FeNi oder Sm2Fe17N3 möglich, die Last auf die Motoransteuerungseinrichtung zu reduzieren.
Die Magneteinheit 42 ist ebenfalls dadurch gekennzeichnet, dass die Körnungsgröße in einem Feinpulverzustand vor der Orientierung gleich wie oder kleiner als 10µm und größer oder gleich der Einzel-Domain-Körnungsgröße ist. Im Allgemeinen kann die Koerzitivkraft von Magneten erhöht werden, indem die Größe der Körnungen des Pulvers auf die Größenordnung auf einigen hundert Nanometern reduziert wird. Daher wurden in den letzten Jahren Pulver verwendet, deren Körnungen in der Größe soweit wie möglich reduziert worden sind. Jedoch würde, wenn die Körnungsgröße zu klein wäre, das BH-Produkt dieser Magneten beispielsweise aufgrund von Oxidation abgesenkt werden. Daher ist es vorzuziehen, dass die Körnungsgröße gleich wie oder größer als die Einzel-Domain-Körnungsgröße ist. Das heißt, dass zu Erhöhung der Koerzitivkraft die Körnungen des Pulvers in der Größe vorzugsweise zu dem Ausmaß reduziert werden können, dass die Körnungsgröße nicht kleiner als Einzel-Domain-Körnungsgröße ist. Zusätzlich bezeichnet der Ausdruck „Körnungsgröße“, der hier verwendet wird, die Körnungsgröße in einem Feinpulverzustand in einem Orientierungsschritt des Magnetherstellungsprozesses.
Weiterhin ist jeder von ersten Magneten 91 und zweiten Magneten 92 der Magneteinheit 42 durch einen gesinterten Magneten verwirklicht, der durch Sintern, d.h. Erwärmen und Verfestigen von magnetischem Pulver gebildet wird. Das Sintern wird derart durchgeführt, dass die Bedingungen erfüllt werden, dass: die Sättigungsmagnetisierung Js der Magneteinheit 42 gleich wie oder größer als 1,2T ist, die Körnungsgröße der ersten und zweiten Magnete 91 und 92 gleich wie oder kleiner als 10µm ist, und Js×a gleich wie oder größer als 1,0T (Tesla) ist, wobei a das Orientierungsverhältnis ist. Weiterhin ist jeder der ersten und zweiten Magnete 91 und 92 derart gesintert, dass ebenfalls die nachfolgenden Bedingungen erfüllt sind. In dem Orientierungsschritt des Magnetherstellungsprozesses wird die Orientierung an den ersten und zweiten Magneten 91 und 92 durchgeführt. Folglich weisen die ersten und zweiten Magnete 91 und 92 das Orientierungsverhältnis im Gegensatz zu der Magnetkraftrichtung auf, die durch den Magnetisierungsschritt für isotrope Magnete definiert ist. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Orientierungsverhältnis der ersten und zweiten Magnete 91 und 92 derart eingestellt, dass es so hoch ist, dass Jr ≥ Js×a ≥ 1,0T erfüllt wird, wobei die Sättigungsmagnetisierung Js der Magneteinheit 42 gleich wie oder größer als 1,2T ist. Beispielsweise gilt in dem Fall, dass jeder der ersten und zweiten Magnete 91 und 92 sechs leichte Achsen der Magnetisierung aufweist, falls fünf der sechs Achsen in derselben Richtung A10 orientiert sind, und die restliche Achse in einer Richtung B10 orientiert ist, die um 90 Grad zu der Richtung A10 geneigt ist, α = 5/6. Andernfalls gilt, wenn die restliche leichte Achse in eine Richtung B10 orientiert ist, die um 45 Grad gegenüber der Richtung A10 geneigt ist, die Komponente der restlichen leichten Achse in der Richtung A10 gleich cos45° = 0,707 und somit α = (5 + 0,707) / 6. Wie es vorstehend beschrieben worden ist, sind gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die ersten und zweiten Magnete 91 und 92 durch Sintern gebildet. Jedoch können, vorausgesetzt, dass die vorstehend beschriebenen Bedingungen erfüllt werden, die ersten und zweiten Magnete 91 und 92 alternativ durch andere Verfahren gebildet werden, wie ein Verfahren zum Bilden von MQ3-Magneten.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden Permanentmagnete angewendet, deren leichten Achsen der Magnetisierung durch Orientierung gesteuert werden. Folglich wird es möglich, die Magnetkreislänge innerhalb der Magnete im Vergleich zu der Magnetkreislänge innerhalb herkömmlicher linear orientierter Magneten von 1,0T oder höher zu erhöhen. Das heißt, dass es möglich wird, dieselbe Magnetkreislänge pro Polpaar mit einem kleineren Volumen der Magnete im Vergleich zu herkömmlichen linear orientierten Magneten zu erzielen. Weiterhin ist es, selbst wenn die Permanentmagnete einer schweren Hochtemperaturbedingung ausgesetzt werden, immer noch möglich, den revisibelen Entmagnetisierungsbereich beizubehalten. Weiterhin hat der Erfinder der vorliegenden Anmeldung eine Konfiguration gefunden, mit der es möglich ist, Eigenschaften zu verwirklichen, die denjenigen von polar-anisotropen Magneten unter Verwendung von herkömmlichen Magneten sich annähern.
Zusätzlich bezeichnet eine leichte Achse der Magnetisierung eine Kristallorientierung in einem Magneten, entlang der es für den Magneten leicht ist, magnetisiert zu werden. Die Orientierung der leichten Achsen der Magnetisierung in einem Magneten ist durch die Richtung repräsentiert, in die das Orientierungsverhältnis gleich wie oder größer als 50% ist, wobei das Orientierungsverhältnis den Grad der Ausrichtung der leichten Achsen der Magnetisierungen angibt. Andernfalls ist die Orientierung der leichten Achsen der Magnetisierung in einem Magneten die Richtung, die die Durchschnittsorientierung des Magneten repräsentiert.
Wie es in 8 und 9 gezeigt ist, ist die Magneteinheit 42 ringförmig, und an der inneren Seite der Magnethaltereinrichtung 41 (genauer auf der radial inneren Seite des zylindrischen Abschnitts 43) angeordnet. Die Magneteinheit 42 ist aus den ersten und zweiten Magneten 91 und 92 aufgebaut, von denen jeder ein polar-anisotroper Magnet ist. Die Polarität der ersten Magnete 91 unterscheidet sich von der Polarität der zweiten Magnete 92. Die ersten Magnete 91 sind abwechselnd mit den zweiten Magneten 92 in der Umlaufsrichtung angeordnet. Die ersten Magnete 91 bilden N-Pole in der Nähe der Statorspule 51, wohingegen die zweiten Magnete 92 S-Pole in der Nähe der Statorspule 51 bilden. Die ersten und zweiten Magnete 91 und 92 sind Permanentmagnete, die aus Seltene-Erden-Magnete wie Neodymmagnete aufgebaut sind.
Wie es in 9 gezeigt ist, erstreckt sich in jedem der ersten und zweiten Magnete 91 und 92 die Magnetisierungsrichtung in einer Bogenform zwischen der d-Achse (d.h. einer Direkt-Achse) und der q-Achse (d.h. der Quer-Achse) in einem allgemein bekannten d-q-Koordinatensystem. Die d-Achse repräsentiert die Mitte des Magnetpols, wohingegen die q-Achse die Grenze zwischen einem Paar von N- und S-Polen repräsentiert (anders ausgedrückt ist die Magnetflussdichte auf der q-Achse 0T). Weiterhin wird in jedem der ersten und zweiten Magnete 91 und 92 auf der d-Achse die Magnetisierungsrichtung übereinstimmend mit einer radialen Richtung der ringförmigen Magneteinheit 42, wobei auf der q-Achse die Magnetisierungsrichtung übereinstimmend mit der Umlaufsrichtung der ringförmigen Magneteinheit 42 wird. Genauer ist, wie es in 9 gezeigt ist, jeder ersten und zweiten Magnete 91 und 92 derart konfiguriert, einen ersten Teil 250 und zwei zweite Teile 260 aufzuweisen, die jeweils auf entgegengesetzten Seiten des ersten Teils 250 in der Umlaufsrichtung der Magneteinheit 42 angeordnet sind. Das heißt, dass der erste Teil 250 näher an der d-Achse angeordnet ist, als es die zweiten Teile 260 sind, wobei die zweiten Teile 260 näher an der q-Achse angeordnet sind, als es der erste Teil 250 ist. Die Magneteinheit 42 ist derart konfiguriert, dass die Richtung der leichten Achse der Magnetisierung 300 des ersten Teils 250 stärker parallel als die Richtung der leichten Achse der Magnetisierung 310 von jedem der zweiten Teile 260 zu der d-Achse ist. Anders ausgedrückt ist die Magneteinheit 42 derart konfiguriert, dass der Winkel θ11 zwischen der d-Achse und der leichten Achse der Magnetisierung 300 des ersten Teils 250 kleiner als der Winkel θ12 zwischen der q-Achse und der leichten Achse der Magnetisierung 310 von jedem der zweiten Teile 260 ist.
Genauer ist der Winkel θ11 der Winkel zwischen der d-Achse und der leichten Achse der Magnetisierung 300, wenn die Richtung von dem Stator 50 (oder dem Anker) zu der Magneteinheit 42 entlang der d-Achse hin als positiv definiert ist. Der Winkel θ12 ist der Winkel zwischen der q-Achse und der leichten Achse der Magnetisierung 310, wobei die Richtung von dem Stator 50 zu der Magneteinheit 42 hin entlang der q-Achse als positiv definiert ist. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind sowohl der Winkel θ11 als auch der Winkel θ12 kleiner als 90°. Dabei ist jede der leichten Achsen der Magnetisierung 300 und 310 wie nachfolgend definiert. In jedem der Teile der Magneten 91 und 92 ist in dem Fall, dass eine leichte Achse der Magnetisierung in der Richtung A11 orientiert ist und eine andere leichte Achse der Magnetisierung in die Richtung B11 orientiert ist, der absolute Wert des Cosinus eines Winkels θ zwischen der Richtung A11 und der Richtung B11 (d.h. |cos θ|) als die leichte Achse der Magnetisierung 300 oder 310 definiert.
Das heißt, dass sich in jedem der ersten und zweiten Magnete 91 und 92 die Richtung der leichten Achse der Magnetisierung auf der d-Achsen-Seite (oder in dem d-Achsen-seitigen Teil) sich von der Richtung der leichten Achse der Magnetisierung auf der q-Achsen-Seite (oder in den q-Achsen-seitigen Teilen) unterscheidet. Auf der d-Achsen-Seite ist die Richtung der leichten Achse der Magnetisierung nahe an einer Richtung parallel zu der d-Achse. Im Gegensatz dazu ist auf der q-Achsen-Seite die Richtung der leichten Achse der Magnetisierung nahe an einer Richtung senkrecht zu einer q-Achse. Folglich sind bogenförmige Magnetpfade in den Magneten entlang der Richtung der leichten Achse der Magnetisierung gebildet. Zusätzlich kann in jedem der ersten und zweiten Magnete 91 und 92 auf der d-Achsen-Seite die leichte Achse der Magnetisierung derart orientiert werden, dass sie parallel zu der d-Achse ist, wobei auf der q-Achsen-Seiten die leichte Seite der Magnetisierung derart orientiert werden kann, dass sie senkrecht zu der q-Achse ist.
Weiterhin bilden in jedem der Magnete 91 und 92 eine statorseitige Umfangsoberfläche auf der Seite des Stators 50 (d.h. der unteren Seite in 9) und Endoberflächen auf der q-Achsen-Seite in der Umlaufsrichtung Magnetflusswirkungsoberflächen, durch die Magnetfluss aus dem oder in den Magneten fließt. Die Magnetpfade sind in den Magneten gebildet, um die Magnetflusswirkungsoberflächen (d.h. die statorseitige Umfangsoberfläche und die q-Achsen-seitigen Endoberflächen) des Magneten zu verbinden.
In der Magneteinheit 42 fließt Magnetfluss entlang den bogenförmigen Magnetpfaden zwischen den benachbarten N- und S-Polen, d.h. zwischen den benachbarten Magneten 91 und 92. Daher sind die Magnet-Magnetpfade im Vergleich zu dem Fall des Anwendens von beispielsweise radial anisotropen Magneten verlängert. Folglich wird, wie es in 17 gezeigt ist, die Magnetflussdichtenverteilung an eine Sinuswelle angenähert. Als Ergebnis wird es, wie es in 18 gezeigt ist, im Gegensatz zu der Magnetflussdichtenverteilung in einem Vergleichsbeispiel, bei dem radial anisotrope Magnete angewendet werden, möglich, Magnetfluss auf der Magnetpolmittenseite zu konzentrieren, wodurch das Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine 10 erhöht wird. Weiterhin ist es ersichtlich, dass die Magnetflussdichtenverteilung in der Magneteinheit 42 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sich ebenfalls von der Magnetflussdichtenverteilung in einem Vergleichsbeispiel unterscheidet, bei dem Magnete in einem herkömmlichen Halbach-Array angeordnet sind. Zusätzlich repräsentiert in 17 und 18 jeweils die horizontale Achse den elektrischen Winkel und repräsentiert die vertikale Achse die Magnetflussdichte, wobei 90° auf der horizontalen Achse die d-Achse (d.h. die Magnetpolmitte) repräsentiert und 0° und 180° auf der horizontalen Achse die q-Achse repräsentieren.
Dementsprechend wird mit der Konfiguration der Magnete 91 und 92 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Magnet-Magnetflussdichte auf der d-Achse intensiviert und wird die Magnetflussänderung in der Nähe der q-Achse unterdrückt. Folglich wird es möglich, in geeigneter Weise die Magnete 91 und 92 zu realisieren, wobei der Oberflächenmagnetfluss sich allmählich von der q-Achse zu der d-Achse in jedem Magnetpol ändert.
Der Sinuswellenübereinstimmungsanteil der Magnetflussdichtenverteilung kann beispielsweise 40% oder höher sein. In diesem Fall ist es möglich, zuverlässig die Größe des Magnetflusses in dem Mittelabschnitt der Wellenform im Vergleich zu dem Fall des Anwendens von radial orientierten Magneten und des Falls von Anwenden von parallel orientierten Magneten zu erhöhen. In dem Fall, dass radial orientierte Magneten angewendet werden, beträgt der Sinuswellenübereinstimmungsanteil etwa 30%. Weiterhin ist es durch Einstellen des Sinuswellenübereinstimmungsanteils derart, dass er gleich wie oder höher als 60% ist, möglich, zuverlässig die Größe des Magnetflusses in dem Mittelabschnitt der Wellenform im Vergleich zu dem Fall zu erhöhen, in dem Magnete, die in einer Magnetflusskonzentrationsanordnung (-Array) wie einer Halbach-Anordnung (Halbach-Array) angeordnet sind.
Wie es in 18 gezeigt ist, ändert sich in dem Vergleichsbeispiel, bei dem radial anisotrope Magnete angewendet werden, die Magnetflussdichte scharf in der Nähe der q-Achse. Die scharfe Änderung in der Magnetflussdichte verursacht eine Erhöhung der Größe des in der Statorspule 51 erzeugten Wirbelstroms. Weiterhin ändert sich der Magnetfluss auf der Seite der Statorspule 51 ebenfalls scharf. Im Gegensatz dazu ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Wellenform der Magnetflussdichtenverteilung an eine Sinuswelle angenähert. Folglich ist die Änderung in der Magnetflussdichte in der Nähe der q-Achse sanfter als in dem Vergleichsbeispiel, bei dem radial anisotrope Magneten angewendet werden. Als Ergebnis wird es möglich, die Erzeugung von Wirbelstrom zu unterdrücken.
In der Magneteinheit 42 wird in jedem der Magnete 91 und 92 in der Nähe der d-Achse (d.h. der Magnetpolmitte) Magnetfluss in einer Richtung erzeugt, die senkrecht zu der Magnetflusswirkungsoberfläche 280 auf der Seite des Stators 50 ist. Der erzeugte Magnetfluss fließt entlang den bogenförmigen Magnetpfaden, die sich weg von der d-Achse erstrecken, während sie sich weg von der Magnetflusswirkungsoberfläche 280 auf der Seite des Stators 50 erstrecken. Weiterhin ist, je näher die Richtung des Magnetflusses an einer Richtung senkrecht zu der Magnetflusswirkungsoberfläche 280 auf der Seite des Stators 50 ist, der Magnetfluss umso stärker. In dieser Hinsicht ist in der rotierenden elektrischen Maschine 10 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die radiale Dicke der elektrischen Leitergruppe 81 reduziert, wie es vorstehend beschrieben worden ist. Folglich gelangt die radiale Mittelposition der elektrischen Leitergruppen 81 näher an die Magnetflusswirkungsoberflächen der Magneteinheit 42, wodurch dem Stator 50 erlaubt wird, den stärkeren Magnet-Magnetfluss von dem Rotor 40 zu empfangen.
Weiterhin weist der Stator 50 den hohlzylindrischen Statorkern 52 auf, der auf der radial inneren Seite der Statorspule 51, d.h. auf der zu dem Rotor 40 entgegengesetzten Seite der Statorspule 51 angeordnet ist. Daher wird der Magnetfluss, der aus den Magnetflusswirkungsoberflächen der Magneten 91 und 92 herausfließt, durch den Statorkern 52 angezogen, um durch den Statorkern 52 umzulaufen, der einen Teil des Magnetkreises bildet. Folglich wird es möglich, die Richtung und Pfade des Magneten-Magnetflusses zu optimieren.
Nachstehend ist ein Verfahren zur Herstellung der rotierenden elektrischen Maschine 10, genauer ein Prozess des Zusammenbaus der Lagereinheit 20, des Gehäuses 30, des Rotors 40, des Stators 50 und der Wechselrichtereinheit 60 unter Bezugnahme auf 5 beschrieben. Zusätzlich weist der Wechselrichter 60 die Einheitsbasis 61 und die elektrischen Komponenten 62 auf, wie sie in 6 gezeigt sind. Daher weist der Zusammenbauprozess einen Schritt des Zusammenbaus der Einheitsbasis 61 und der elektrischen Komponenten 62 auf. In der nachfolgenden Beschreibung ist die Baugruppe des Stators 50 und der Wechselrichtereinheit 60 als die erste Einheit bezeichnet, wohingegen die Baugruppe der Lagereinheit 20, des Gehäuses 30 und des Rotors 40 als die zweite Einheit bezeichnet wird.
Das Herstellungsverfahren gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist auf:

einen ersten Schritt des Montierens der elektrischen Komponenten 62 an den radial inneren Umfang der Einheitsbasis 61,
einen zweiten Schritt des Montierens der Einheitsbasis 61 an den radialen inneren Umfang des Stators 50, wodurch die erste Einheit gebildet wird,
einen dritten Schritt des Einsetzens des Anbringungsabschnitts 44 des Rotors 40 in die Lagereinheit 20, die an dem Gehäuse 30 angebracht worden ist, wodurch die zweite Einheit gebildet wird,
einen vierten Schritt des Montierens der ersten Einheit an den radial inneren Umfang der zweiten Einheit, und
einen fünften Schritt des Befestigens des Gehäuses 30 und der Einheitsbasis 61 an einander, wobei diese Schritte in der folgenden Abfolge durchgeführt wird: erster Schritt -> zweiter Schritt -> dritter Schritt -> vierter Schritt -> fünfter Schritt.

Mit dem vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren werden die Lagereinheit 20, das Gehäuse 30, der Rotor 40, der Stator 50 und die Wechselrichtereinheit 60 zunächst in eine Vielzahl von Unterbaugruppen zusammengebaut, und dann werden die Unterbaugruppen zusammengebaut, um die rotierende elektrische Maschine 10 zu bilden. Folglich wird es möglich, eine leichte Handhabung und eine vollständige Inspektion jeder Einheit zu verwirklichen, wodurch es möglich wird, eine geeignete Zusammenbaulinie aufzubauen. Als Ergebnis wird es möglich, leicht eine Produktion vieler Produkte zu bewältigen.
In dem ersten Schritt kann ein Wärmeleitungselement mit hoher Wärmeleitfähigkeit beispielsweise durch Beschichten oder Bonden an den radial inneren Umfang der Einheitsbasis 61 oder den radial äußeren Umfang der elektrischen Komponenten 62 angebracht werden. Dann können die elektrischen Komponenten 62 an die Einheitsbasis 61 derart montiert werden, dass das Wärmeleitelement zwischen dem radial inneren Umfang der Einheitsbasis 61 und dem radial äußeren Umfang der elektrischen Komponenten 62 angeordnet wird. Folglich ist es mit dem Wärmeleitelement möglich, Wärme, die in den Halbleitermodulen 66 erzeugt wird, auf die Einheitsbasis 61 effektiver zu übertragen.
In dem dritten Schritt kann das Einsetzen des Rotors 40 durchgeführt werden, während einer Koaxilität zwischen dem Gehäuse 30 und dem Rotor 40 beibehalten wird. Insbesondere kann ein Montagegestell zum Positionieren der äußeren umlaufenden Oberfläche des Rotors 40 (d.h. der äußeren Umlaufsoberfläche der Magnethalteeinrichtung 41) oder der inneren Umlaufsoberfläche des Rotors 40 (oder der inneren Umlaufsoberfläche der Magneteinheit 42) in Bezug auf beispielsweise die innere Umlaufsoberfläche des Gehäuses 30 verwendet werden. Dann kann der Zusammenbau des Gehäuses 30 und des Rotors 40 durchgeführt werden, während entweder das Gehäuse 30 oder der Rotor 40 entlang des Montagegestells gleiten gelassen werden. Folglich ist es möglich, die schwergewichtigen Komponenten zusammen zu bauen, ohne auf die Lagereinheit 20 eine unausgeglichene Last auszuüben. Als Ergebnis ist es möglich, Zuverlässigkeit der Lagereinheit 20 zu gewährleisten.
In dem vierten Schritt kann der Zusammenbau der ersten und zweiten Einheiten durchgeführt werden, während eine Koaxialität dazwischen beibehalten wird. Insbesondere kann ein Montagegestell verwendet werden, um die innere Umlaufsoberfläche der Einheitsbasis 61 in Bezug auf die innere Umlaufsoberfläche des Anbringungsabschnitts 44 des Rotors 40 zu positionieren. Dann kann der Zusammenbau der ersten und zweiten Einheiten durchgeführt werden, indem eine von diesen entlang des Montagegestells gleiten gelassen wird. Folglich ist es möglich, den Zusammenbau der ersten und zweiten Einheiten durchzuführen, ohne eine Behinderung zwischen dem Rotor 40 und dem Stator 50 zu verursachen, die mit einem kleinen Spalt, der dazwischen gebildet ist, angeordnet sind. Als Ergebnis ist es möglich, ein Auftreten von Defekten, wie eine Beschädigung an der Statorspule 51 oder an den Permanentmagneten während des Zusammenbaus der ersten und zweiten Einheiten zu verhindern.
Alternativ dazu können die vorstehend beschriebenen Schritte in der folgenden Abfolge durchgeführt werden zweiter Schritt -> dritter Schritt -> vierter Schritt -> fünfter Schritt -> erster Schritt. In diesem Fall werden in dem letzten Schritt die delikaten elektrischen Komponenten 62 an den anderen Komponenten der rotierenden elektrischen Maschine 10 angebaut. Folglich ist es möglich, eine Spannung zu minimieren, die in den elektrischen Komponenten 62 während des Zusammenbauprozesses induziert wird.
Nachstehend ist die Konfiguration eines Steuerungssystems zur Steuerung der rotierenden elektrischen Maschine 10 beschrieben. 19 zeigt ein elektrisches Schaltbild des Steuerungssystems der rotierenden elektrischen Maschine 10. 20 zeigt ein Funktionsblockschaltbild, das einen Stromregelungsprozess veranschaulicht, der durch eine Steuerungseinrichtung 110 des Steuerungssystems durchgeführt wird.
Wie es in 19 gezeigt ist, weist die Statorspule 51 ein Paar Drei-Phasen-Spulen 51a und 51b auf. Weiterhin weist die Drei-Phasen-Spule 51a die U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Wicklungen auf, und weist die Drei-Phasen-Spule 51b die X-Phasen-, Y-Phasen- und Z-Phasen-Wicklungen auf. In dem Steuerungssystem sind als elektrische Leistungswandler ein erster Wechselrichter 101 und ein zweiter Wechselrichter 102 jeweils für die Drei-Phasen-Spulen 51a und 51b vorgesehen. In jedem der Wechselrichter 101 und 102 ist eine Vollbrückenschaltung mit einer Vielzahl von Paaren oberer und unterer Zweige gebildet. Die Anzahl der Paare der oberen und unteren Zweige in jedem der Wechselrichter 101 und 102 ist gleich der Anzahl der Phasenwicklungen von jeder der Drei-Phasen-Spulen 51a und 51b. Jeder der oberen und unteren Zweige weist einen Schalter (oder ein Halbleiterschaltelement) auf, der darin vorgesehen ist. Elektrischer Strom, der jeder Phasenwicklung der Statorspule 51 zugeführt wird, wird durch Ein-/Ausschalten des Schalters von jedem der oberen und unteren Zweige reguliert.
Eine Gleichstromleistungsversorgung 103 und ein Glättungskondensator 104 sind parallel zu jedem der Wechselrichter 101 und 102 geschaltet. Die Gleichstromleistungsversorgung 103 ist beispielsweise durch eine zusammengesetzte Batterie verwirklicht, die durch Verbinden einer Vielzahl von Batteriezellen in Reihe miteinander erhalten wird. Zusätzlich entspricht jeder der Schalter der Wechselrichter 101 und 102 einem der Halbleitermodule 66, die in 1 gezeigt sind. Der Glättungskondensator 104 entspricht dem Kondensatormodul 68, der in 1 gezeigt ist.
Die Steuerungseinrichtung 110 weist einen Mikrocomputer auf, der mit einer CPU und verschiedenen Speichern konfiguriert ist. Auf der Grundlage verschiedener Arten von erfassten Informationen bezüglich der rotierenden elektrischen Maschine 10 und Leistungsfahrantriebs- und Leistungserzeugungsanforderungen führt die Steuerungseinrichtung 110 eine Speisungssteuerung durch Ein-/AusSchalten der Schalter der Wechselrichter 101 und 102 durch. Die Steuerungseinrichtung 110 entspricht der Steuerungseinrichtung 77, die in 6 gezeigt ist. Die erfassten Informationen bezüglich der rotierenden elektrischen Maschine 10 weisen beispielsweise einen Drehwinkel (oder elektrische Winkelinformationen) des Rotors 40, der (die) durch eine Winkelerfassungseinrichtung wie einen Resolver erfasst wird, eine Leistungsversorgungsspannung (oder eine Wechselrichtereingangsspannung), die durch einen Spannungssensor erfasst wird, und Phasenströme auf, die durch jeweilige Stromsensoren erfasst werden. Die Steuerungseinrichtung 110 erzeugt Betriebssignale zum Betreiben der Schalter der Wechselrichter 101 und 102 und gibt diese aus. Zusätzlich kann in dem Fall, dass die rotierende elektrische Maschine 10 als eine Fahrzeugleistungsquelle verwendet wird, die Leistungserzeugungsanforderung eine regenerative Antriebsanforderung sein.
Der erste Wechselrichter 101 weist für jede der U-, V- und W-Phasen eine in Reihe geschaltete Einheit auf, die aus einem Ober-Zweig-Schalter Sp und einem Unter-Zweig-Schalter Sn besteht. Ein hochpotentialseitiger Anschluss des Ober-Zweig-Schalters Sp ist mit einem positiven Anschluss der Gleichstromleistungsversorgung 103 verbunden. Ein niedrigpotentialseitiger Anschluss des Unter-Zweig-Schalters Sn ist mit einem negativen Anschluss der Gleichstromleistungsversorgung 103 (oder der Masse) verbunden. Mit einem Zwischenverbindungspunkt zwischen dem Ober-Zweig-Schalter Sp und dem Unter-Zweig-Schalters Sn ist ein erstes Ende einer entsprechenden der U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Wicklungen verbunden. Die U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Wicklungen sind im Stern geschaltet (oder Y-Verbunden) um einen Neutralpunkt dazwischen zu definieren, an dem zweite Enden dieser Phasenwicklungen miteinander verbunden sind.
Der zweite Wechselrichter 102 weist eine ähnliche Konfiguration wie der erste Wechselrichter 101 auf. Insbesondere weist der zweite Wechselrichter 102 für jede der X-, Y- und Z-Phasen eine in Reihe geschaltete Einheit auf, die aus einem Ober-Zweig-Schalter Sp und einem Unter-Zweig-Schalter Sn besteht. Ein hochpotentialseitiger Anschluss des Ober-Zweig-Schalters Sp ist mit dem positiven Anschluss der Gleichstromleistungsversorgung 103 verbunden. Ein niedrigpotentialseitiger Anschluss des Unter-Zweig-Schalters Sn ist mit dem negativen Anschluss der Gleichstromleistungsversorgung 103 (oder Masse) verbunden. Mit einem Zwischenverbindungspunkt zwischen dem Ober-Zweig-Schalter Sp und dem Unter-Zweig-Schalter Sn ist ein erstes Ende einer entsprechenden der X-Phasen-, Y-Phasen- und Z-Phasen-Wicklungen verbunden. Die X-Phasen-, Y-Phasen- und Z-Phasen-Wicklungen sind im Stern geschaltet (oder Y-Verbunden) um einen Neutralpunkt dazwischen zu definieren, an dem die zweiten Enden dieser Phasenwicklungen miteinander verbunden sind.
20 zeigt sowohl den Stromregelungsprozess zur Steuerung der U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Ströme als auch den Stromregelungsprozess zur Steuerung der X-Phasen-, Y-Phasen- und Z-Phasen-Ströme. Zunächst ist der Stromregelungsprozess für die U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Ströme beschrieben.
Gemäß 20 ist eine Strombefehlswerteinstellungseinrichtung 111 konfiguriert, unter Verwendung eines Drehmoment-dq-Kennfeldes sowohl einen d-Achsen-Strombefehlswert als auch einen q-Achsen-Strombefehlswert auf der Grundlage eines Motorbetriebs-Drehmomentbefehlswerts oder eines Generatorbetriebs-Drehmomentbefehlswerts für die rotierende elektrische Maschine 10 und eine elektrischen Winkelgeschwindigkeit ω einzustellen, die durch Differenzieren des elektrischen Winkels θ nach der Zeit erhalten wird. Zusätzlich ist die Strombefehlswerteinstellungseinrichtung 111 sowohl für die Steuerung der U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Ströme als auch für die Steuerung der X-Phasen-, Y-Phasen- und Z-Phasen-Ströme vorgesehen. In dem Fall, dass die rotierende elektrische Maschine 10 als eine Fahrzeugleistungsquelle verwendet wird, ist der Generatorbetriebs-Drehmomentbefehlswert ein regenerativer Drehmomentbefehlswert.
Ein dq-Wandler 112 ist konfiguriert, erfasste Stromwerte (Drei-Phasen-Ströme), die durch die für die jeweiligen Phasen vorgesehenen Stromsensoren erfasst werden, in einen d-Achsen-Strom und einen q-Achsen-Strom umzuwandeln, die Stromkomponenten in einem kartesischen zweidimensionalen rotierenden Koordinatensystem sind, dessen d-Achse eine Feldrichtung (oder eine Richtung einer Achse eines Magnetfeldes) angibt.
Eine d-Achsen-Stromregelungseinrichtung 113 ist konfiguriert, eine d-Achsen-Befehlsspannung als eine Stellgröße zur Regelung des d-Achsen-Stroms auf dem d-Achsen-Strombefehlswert zu berechnen. Eine q-Achsen-Stromregelungseinrichtung 114 ist konfiguriert, eine q-Achsen-Befehlsspannung als eine Stellgröße zur Regelung des q-Achsen-Stroms auf dem q-Achsen-Strombefehlswert zu berechnen. Diese Regelungseinrichtungen 113 und 114 sind konfiguriert, unter Verwendung eines PI-Regelungsverfahrens die Befehlsspannungen auf der Grundlage der Differenzen des d-Achsen-Stroms und des q-Achsen-Stroms von den jeweiligen Strombefehlswerten zu berechnen.
Ein Drei-Phasen-Wandler 115 ist konfiguriert, die d-Achsen- und q-Achsen-Befehlsspannungen in U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Befehlsspannungen umzuwandeln. Zusätzlich entsprechen die vorstehend beschriebenen Einheiten 111 bis 115 zusammen einer Regelungseinrichtung zur Durchführung einer Regelung von Grundwellenströmen durch ein dq-Umwandlungsverfahren. Die U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Befehlsspannungen sind die geregelten Werte.
Eine Betriebssignalerzeugungseinrichtung 116 ist konfiguriert, unter Verwendung eines allgemein bekannten Dreieckwellenträgervergleichsverfahrens die Betriebssignale für den ersten Wechselrichter 101 auf der Grundlage der U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Befehlsspannungen zu erzeugen. Insbesondere erzeugt die Betriebssignalerzeugungseinrichtung 116 die Betriebssignale (oder Tastgradsignale) zum Betrieb der Ober-Zweig- und Unter-Zweig-Schalter Sp und Sn der U-, V- und W-Phasen durch eine PWM-Steuerung auf der Grundlage eines Amplitudenvergleichs zwischen Signalen, die durch Normalisieren der U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Befehlsspannungen in Bezug auf die Leistungsversorgungsspannung erhalten werden, und ein Trägersignal wie ein Dreieckwellensignal.
Für die X-, Y- und W-Phasen ist eine ähnliche Konfiguration wie die vorstehend beschriebene Konfiguration, die für die U-, V- und W-Phasen vorgesehen ist, vorgesehen. Insbesondere ist ein dq-Wandler 122 konfiguriert, erfasste Stromwerte (Drei-Phasen-Ströme), die durch die für die jeweiligen Phasen vorgesehenen Stromsensoren erfasst werden, in einen d-Achsen-Strom und einen q-Achsen-Strom umzuwandeln, die Stromkomponenten in dem kartesischen zweidimensionalen rotierenden Koordinatensystem sind, dessen d-Achse die Feldrichtung angibt.
Eine d-Achsen-Stromregelungseinrichtung 123 ist konfiguriert, eine d-Achsen-Befehlsspannung zu berechnen. Eine q-Achsen-Stromregelungseinrichtung 124 ist konfiguriert, eine q-Achsen-Befehlsspannung zu berechnen. Ein Drei-Phasen-Wandler 125 ist konfiguriert, die d-Achsen- und q-Achsen-Befehlsspannungen in X-Phasen-, Y-Phasen- und Z-Phasen-Befehlsspannungen umzuwandeln. Eine Betriebssignalerzeugungseinrichtung 126 ist konfiguriert, die Betriebssignale für den zweiten Wechselrichter 102 auf der Grundlage der X-Phasen-, Y-Phasen- und Z-Phasen-Befehlsspannungen zu erzeugen. Insbesondere erzeugt die Betriebssignalerzeugungseinrichtung 126 die Betriebssignale (oder Tastgradsignale) zum Betrieb der Ober-Zweig- und Unter-Zweig-Schalter Sp und Sn der X-, Y- und Z-Phasen durch eine PWM-Steuerung auf der Grundlage eines Amplitudenvergleichs zwischen Signalen, die durch Normalisieren der X-Phasen-, Y-Phasen- und Z-Phasen-Befehlsspannungen in Bezug auf die Leistungsversorgungsspannung erhalten werden, und ein Trägersignal wie ein Dreieckwellensignal.
Eine Ansteuerungseinrichtung 117 ist konfiguriert, die Schalter Sp und Sn der Wechselrichter 101 und 102 auf der Grundlage der durch die Betriebssignalerzeugungseinrichtungen 116 und 126 erzeugten Schalterbetriebssignale ein- und auszuschalten.
Nachstehend ist ein Drehmomentregelungsprozess beschrieben. Dieser Prozess wird hauptsächlich durchgeführt, um Verluste zu reduzieren und dadurch die Ausgangsleistung der rotierenden elektrischen Maschine 10 in Betriebsbedingungen zu erhöhen, in denen die Ausgangsspannungen der Wechselrichter 101 102 hoch werden, wie in einer Hochdrehungsregion und einer Hochausgangsleistungsregion. Die Steuerungseinrichtung 110 führt selektiv einen Drehmomentregelungsprozess und einen Stromregelungsprozess entsprechend der Betriebsbedingung der rotierenden elektrischen Maschine 10 durch. 21 zeigt sowohl den Drehmomentregelungsprozess entsprechend den U-, V- und W-Phasen als auch den Drehmomentregelungsprozess entsprechend den X-, Y- und Z-Phasen. Zusätzlich sind in 21 Funktionsblöcke, die identisch zu denjenigen in 20 sind, durch dieselben Bezugszeichen wie in 20 gekennzeichnet, weshalb deren Beschreibungen nachstehen ausgelassen werden. Zunächst ist der Drehmomentregelungsprozess für die U-, V- und W-Phasen beschrieben.
Eine Spannungsamplitudenberechnungseinrichtung 127 ist konfiguriert, ein Spannungsamplitudenbefehl, der einen Befehlswert der Amplituden von Spannungsvektoren angibt, auf der Grundlage des Motorbetriebs-Drehmomentbefehlswerts oder des Generatorbetriebs-Drehmomentbefehlswerts für die rotierende elektrische Maschine 10 und der elektrischen Winkelgeschwindigkeit ω zu berechnen, die durch Differenzieren des elektrischen Winkels θ nach der Zeit erhalten wird.
Eine Drehmomentschätzeinrichtung 128a ist konfiguriert, einen Drehmomentschätzwert entsprechend den U-, V- und W-Phasen auf der Grundlage des d-Achsen-Stroms und des q-Achsen-Stroms zu berechnen, die durch den dq-Wandler 112 erhalten werden. Zusätzlich kann die Drehmomentschätzeinrichtung 128a den Spannungsamplitudenbefehl auf der Grundlage von Kennfeldinformationen berechnen, die die d-Achsen- und q-Achsen-Ströme mit dem Spannungsamplitudenbefehl verknüpfen.
Eine Drehmomentregelungseinrichtung 129a ist konfiguriert, einen Spannungsbefehl, der Befehlswerte der Phasen der Spannungsvektoren angibt, als eine Stellgröße zur Regelung des Drehmomentschätzwerts auf den Motorbetriebs-Drehmomentbefehlswert oder den Generatorbetriebs-Drehmomentbefehlswert zu berechnen. Genauer berechnet die Drehmomentregelungseinrichtung 129a unter Verwendung eines PI-Rückkopplungsverfahrens den Spannungsphasenbefehl auf der Grundlage der Differenz des Drehmomentschätzwerts von dem Motorbetriebs-Drehmomentbefehlswert oder dem Generatorbetriebs-Drehmomentbefehlswert.
Eine Betriebssignalerzeugungseinrichtung 130a ist konfiguriert, die Betriebssignale für den ersten Wechselrichter 101 auf der Grundlage des Spannungsamplitudenbefehls, des Spannungsphasenbefehls und des elektrischen Winkels θ zu erzeugen. Insbesondere berechnet die Betriebssignalerzeugungseinrichtung 130a zuerst U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Befehlsspannungen auf der Grundlage des Spannungsamplitudenbefehls, des Spannungsphasenbefehls und des elektrischen Winkels θ. Dann erzeugt die Betriebssignalerzeugungseinrichtung 130a die Betriebssignale zum Betrieb der Ober-Zweig- und Unter-Zweig-Schalter Sp und Sn der U-, V- und W-Phasen durch die PWM-Steuerung auf der Grundlage eines Amplitudenvergleichs zwischen Signalen, die durch Normalisieren der berechneten U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Befehlsspannungen in Bezug auf die Leistungsversorgungsspannung erhalten werden, und einem Trägersignal wie einem Dreieckwellensignal.
Zusätzlich kann als eine Alternative die Betriebssignalerzeugungseinrichtung 130a die Schalterbetriebssignale auf der Grundlage von Impulsmusterinformationen, des Spannungsamplitudenbefehls, des Spannungsphasenbefehls und des elektrischen Winkels θ erzeugen. Die Impulsmusterinformationen sind Kennfeldinformationen, die die Schalterbetriebssignale mit dem Spannungsamplitudenbefehl, dem Spannungsphasenbefehl und dem elektrischen Winkels θ verknüpfen.
Für die X-, Y- und W-Phasen ist eine ähnliche Konfiguration vorgesehen, die ähnlich zu der vorstehend beschriebenen, für die U-, V- und W-Phasen vorgesehene Konfiguration ist. Insbesondere ist eine Drehmomentschätzeinrichtung 128b konfiguriert, einen Drehmomentschätzwert entsprechend den X-, Y- und Z-Phasen auf der Grundlage des d-Achsen-Stroms und des q-Achsen-Stroms zu berechnen, die durch den dq-Wandler 122 erhalten werden.
Eine Drehmomentregelungseinrichtung 129b ist konfiguriert, einen Spannungsphasenbefehl als eine Stellgröße zur Regelung des Drehmomentschätzwerts auf den Motorbetriebs-Drehmomentbefehlswert oder den Generatorbetriebs-Drehmomentbefehlswert zu berechnen. Insbesondere berechnet die Drehmomentregelungseinrichtung 129b unter Verwendung eines PI-Rückkopplungsverfahrens den Spannungsphasenbefehl auf der Grundlage der Differenz des Drehmomentschätzwerts von dem Motorbetriebs-Drehmomentbefehlswert oder dem Generatorbetriebs-Drehmomentbefehlswert.
Eine Betriebssignalerzeugungseinrichtung 130b ist konfiguriert, die Betriebssignale für den zweiten Wechselrichter 102 auf der Grundlage des Spannungsamplitudenbefehls, des Spannungsphasenbefehls und des elektrischen Winkels θ zu erzeugen. Insbesondere berechnet die Betriebssignalerzeugungseinrichtung 130b zuerst X-Phasen-, Y-Phasen- und Z-Phasen-Befehlsspannungen auf der Grundlage des Spannungsamplitudenbefehls, des Spannungsphasenbefehls und des elektrischen Winkels θ. Dann erzeugt die Betriebssignalerzeugungseinrichtung 130b die Betriebssignale zum Betreiben der Ober-Zweig- und Unter-Zweig-Schalter Sp und Sn der X-, Y- und Z-Phasen durch eine PWM-Steuerung auf der Grundlage eines Amplitudenvergleichs zwischen Signalen, die durch Normalisieren der berechneten X-Phasen-, Y-Phasen- und Z-Phasen-Befehlsspannungen in Bezug auf die Leistungsversorgungsspannung erhalten werden, und einem Trägersignal wie einem Dreieckwellensignal. Die Ansteuerungseinrichtung 117 ist konfiguriert, die Schalter Sp und Sn der Wechselrichter 101 und 102 auf der Grundlage der durch die Betriebssignalerzeugungseinrichtungen 130a und 130b erzeugten Schalterbetriebssignale ein- und auszuschalten.
Zusätzlich, oder als eine Alternative, kann die Betriebssignalerzeugungseinrichtungen 130b die Schalterbetriebssignale auf der Grundlage von Impulsmusterinformationen, des Spannungsamplitudenbefehls, des Spannungsphasenbefehls und des elektrischen Winkels θ erzeugen. Die Impulsmusterinformationen sind Kennfeldinformationen, die die Schalterbetriebssignale mit dem Spannungsamplitudenbefehl, dem Spannungsphasenbefehl und dem elektrischen Winkels θ verknüpfen.
In der rotierenden elektrischen Maschine 10 kann galvanische Korrosion in den Lagern 21 und 22 aufgrund der Erzeugung von Achsenstrom (Wellenstrom, shaft current) auftreten. Beispielsweise kann, wenn die Speisung der Statorspule 51 durch den Schaltbetrieb umgeschaltet wird, eine Magnetflussverzerrung aufgrund einer leichten Schaltzeitpunktabweichung (oder unausgeglichenes Schalten) auftreten, was das Auftreten von galvanischer Korrosion in den Lagern 21 und 22, die die Drehwelle 11 stützen, verursacht. Genauer induziert die Magnetflussverzerrung, die in Abhängigkeit von der Induktivität des Stators 50 auftritt, eine axiale elektromotorische Kraft. Aufgrund der axialen elektromotorischen Kraft kann ein elektrischer Durchbruch in den Lagern 21 und 22 auftreten, was erlaubt, dass eine galvanische Korrosion darin fortschreitet.
Daher werden gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel drei Gegenmaßnahmen gegen die galvanische Korrosion ergriffen, die nachstehend beschrieben sind. Als die erste Gegenmaßnahme gegen galvanische Korrosion ist die Induktivität des Stators 50 durch Anwenden der kernlosen Struktur abgesenkt, und ist die Magneteinheit 42 konfiguriert, eine sanfte Änderung in den Magnet-Magnetfluss zu bewirken. Als eine zweite Maßnahme gegen galvanische Korrosion wird die Drehwelle 11 in einer Auslegerweise durch die Lager 21 und 22 gestützt. Als die dritte Gegenmaßnahme gegen galvanische Korrosion ist die ringförmige Statorspule 51 zusammen mit dem Statorkern 52 in einem Gussmaterial vergossen. Nachstehend ist jede der drei Gegenmaßnahmen gegen galvanische Korrosion ausführlicher beschrieben.
Zuerst wird als die erste Gegenmaßnahme gegen galvanische Korrosion die zahnlose Struktur für den Stator 50 angewendet, so dass keine Zähne zwischen den in Umlaufsrichtung zueinander benachbarten elektrischen Leitergruppen 81 angeordnet sind. Stattdessen ist das Abdichtungselement 57, das aus einem nichtmagnetischen Material gebildet ist, zwischen den elektrischen Leitergruppen 81 angeordnet (siehe 10). Folglich wird es möglich, die Induktivität des Stators 50 abzusenken. Weiterhin ist es mit der Reduktion der Induktivität des Stators 50, selbst wenn eine Schaltzeitpunktabweichung während der Speisung der Statorspule 51 auftritt, möglich, das Auftreten einer Magnetflussverzerrung aufgrund der Schaltzeitpunktabweichung zu unterdrücken. Als Ergebnis ist es möglich, das Auftreten einer galvanischen Korrosion in den Lagern 21 und 22 zu unterdrücken. Zusätzlich ist die d-Achsen-Induktivität vorzugsweise niedriger als die q-Achsen-Induktivität.
Weiterhin ist jeder der Magnete 91 und 92 derart konfiguriert, dass er die leichte Achse der Magnetisierung derart orientiert hat, dass die Richtung der leichten Achse der Magnetisierung auf der d-Achsen-Seite stärker parallel zu der d-Achse ist als auf der q-Achsen-Seite (siehe 9). Folglich wird der Magnet-Magnetfluss auf der d-Achse intensiviert und wird die Oberflächenmagnetflussänderung (d.h. Erhöhung oder Verringerung des Magnetflusses) von der q-Achse zu der d-Achse in jedem Magnetpol sanft. Als Ergebnis wird es möglich, das Auftreten einer scharfen Spannungsänderung aufgrund eines unausgeglichenen Schaltens zu unterdrücken, was zur Unterdrückung einer galvanischen Korrosion beiträgt.
Als eine zweite Maßnahme gegen galvanische Korrosion sind in der rotierenden elektrischen Maschine 10 beide der Lager 21 und 22 an einer axialen Seite der axialen Mittenposition des Rotors 40 angeordnet (siehe 2). Mit dieser Anordnung ist es möglich, den Einfluss von galvanischer Korrosion im Vergleich zu dem Fall zu reduzieren, bei dem die Lager jeweils auf entgegengesetzten axialen Seiten des Rotors angeordnet sind. Genauer kann in dem Fall, in dem der Rotor durch Lager gestützt wird, die auf jeweils entgegengesetzten axialen Seiten des Rotors angeordnet sind, mit Erzeugung von Hochfrequenzmagnetfluss ein geschlossener Kreis gebildet werden, der sich durch den Rotor, den Stator und die Lager (d.h. die Lager, die jeweils auf entgegengesetzten axialen Seiten des Rotors angeordnet sind) erstreckt, was ein Auftreten einer galvanischen Korrosion in den Lagern aufgrund von Achsenstrom verursacht. Im Gegensatz dazu wird gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mit dem Rotor 40, der in einer Auslegerweise durch die Lager 21 und 22 gestützt wird, kein geschlossener Kreis in der rotierenden elektrischen Maschine 10 gebildet; folglich wird das Auftreten einer galvanischen Korrosion aufgrund von Achsenstrom unterdrückt.
Weiterhin weist die rotierende elektrische Maschine 10 die nachfolgende Konfiguration auf, um beide Lager 21 und 22 auf einer axialen Seite der axialen Mittenposition des Rotors 40 anzuordnen. Das heißt, dass in dem Zwischenabschnitt 45 der Magnethalteeinrichtung 41, die radial vorspringt, ein Kontaktverhinderungsabschnitt gebildet ist, der sich in der axialen Richtung erstreckt, um Kontakt mit dem Stator 50 zu verhindern (siehe 2). Daher ist es, selbst wenn ein geschlossener Kreis von Achsenstrom durch die Magnethalteeinrichtung 41 gebildet wird, möglich, die Länge des geschlossenen Kreises zu erhöhen und somit den Schaltungswiderstandswert zu erhöhen. Folglich ist es möglich, zuverlässiger das Auftreten einer galvanischen Korrosion in den Lagern 21 und 22 zu unterdrücken.
Weiterhin ist auf einer axialen Seite des Rotors 40 das Halteelement 23 der Lagereinheit 20 an dem Gehäuse 30 befestigt, wobei auf der anderen axialen Seite des Rotors 40 das Gehäuse 30 und die Einheitsbasis 61 (d.h. die Statorhalteeinrichtung) miteinander verbunden sind (siehe 2). Mit dieser Konfiguration wird es möglich, in geeigneter Weise beide Lager 21 und 22 auf einer Seite des Rotors 40 in der axialen Richtung der Drehwelle 11 anzuordnen. Weiterhin ist mit dieser Konfiguration die Einheitsbasis 61 mit der Drehwelle 11 über das Gehäuse 30 verbunden. Folglich wird es möglich, die Einheitsbasis 61 an einer Position anzuordnen, die elektrisch von der Drehwelle 11 getrennt ist. Zusätzlich werden durch Anordnen eines Isolierelements wie eines Harzelements zwischen der Einheitsbasis 61 und dem Gehäuse 30 die Einheitsbasis 61 und die Drehwelle 11 weiter elektrisch voneinander getrennt. Folglich ist es möglich, das Auftreten einer galvanischen Korrosion in den Lagern 21 und 22 zuverlässiger zu unterdrücken.
In der rotierenden elektrischen Maschine 10 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die an die Lager 21 und 22 angelegte Achsenspannung (Wellenspannung, shaft-voltage) durch die einseitige Anordnung der Lager 21 und 22 abgesenkt. Weiterhin wird die elektrische Potentialdifferenz zwischen dem Rotor 40 und dem Stator 50 reduziert. Folglich wird es möglich, die elektrische Potentialdifferenz, die auf die Lager 21 und 22 einwirkt, ohne Verwendung einer elektrisch leitenden Schmierung in den Lagern 21 und 22 zu reduzieren. Im Allgemeinen enthält leitende Schmierung feine Partikel wie Kohlenstoff, und können somit das Auftreten von Geräuschen verursachen. In dieser Hinsicht wird gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine elektrisch nichtleitende Schmierung in den Lagern 21 und 22 verwendet. Folglich wird es möglich, die Erzeugung von Geräuschen in den Lagern 21 und 22 zu unterdrücken. In dem Fall, dass die rotierende elektrische Maschine 10 beispielsweise in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug wie einem Elektrofahrzeug verwendet wird, ist es notwendig, Gegenmaßnahmen gegen Geräusche vorzunehmen. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist es möglich, geeignete Gegenmaßnahmen gegen Geräusche vorzunehmen.
Als eine dritte Gegenmaßnahme gegen galvanische Korrosion ist die Statorspule 51 zusammen mit dem Statorkern 52 durch ein Gussmaterial vergossen, wodurch ein Versetzen der Statorspule 51 in dem Stator 50 unterdrückt wird (siehe 11). Insbesondere sind in der rotierenden elektrischen Maschine 10 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel keine Zwischenleiterelemente (d.h. keine Zähne) zwischen den in Umlaufsrichtung zueinander benachbarten elektrischen Leitergruppen 81 der Statorspule 51 angeordnet. Daher kann ein Versetzen der Statorspule 51 auftreten. In dieser Hinsicht wird es durch Vergießen der Statorspule 51 zusammen mit dem Statorkern 52 möglich, ein Versetzen der elektrischen Leiter, die die Statorspule 51 bilden, zu unterdrücken. Folglich wird es möglich, eine Magnetflussverzerrung aufgrund des Versetzens der Statorspule 51 zu unterdrücken, weshalb es ebenfalls möglich wird, das Auftreten einer galvanischen Korrosion in den Lagern 21 und 22 aufgrund der Magnetflussverzerrung zu unterdrücken.
Weiterhin ist die Einheitsbasis 61, die als ein Gehäuseelement zum Fixieren des Statorkerns 52 dient, aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) gebildet. Folglich wird es möglich, im Vergleich zu einem Fall, in dem die Einheitsbasis 61 aus Aluminium oder dergleichen gebildet ist, eine elektrische Entladung zu der Einheitsbasis 61 zu unterdrücken. Folglich wird es möglich, das Auftreten einer galvanischen Korrosion in den Lagern 21 und 22 zuverlässiger zu unterdrücken.
Zusätzlich kann als eine weitere Gegenmaßnahme gegen galvanische Korrosion der Lager 21 und 22 zumindest einer der äußeren und inneren Ringe 25 und 26 von jedem der Lager 21 und 22 aus einem keramischen Material gebildet sein oder kann eine isolierende Hülle außerhalb des äußeren Rings 25 vorgesehen werden.
Nachstehend sind andere Ausführungsbeispiele beschrieben, wobei sich auf deren Unterschiede gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel konzentriert wird.
Zweites Ausführungsbeispiel
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die polar-anisotrope Struktur der Magneteinheit 42 des Rotors 40 im Vergleich zu derjenigen, die gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist, modifiziert. Die polar-anisotrope Struktur gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist nachstehend ausführlich beschrieben.
Wie es in 22 und 23 gezeigt ist, ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Magneteinheit 42 mit einer regelmäßigen Magnetanordnung (Magnet-Array) konfiguriert, die als Halbach-Array bezeichnet ist. Insbesondere weist die Magneteinheit 42 erste Magnete 131, deren Magnetisierungsrichtung (oder die Richtung des Magnetisierungsvektors davon) mit einer radialen Richtung überstimmt, und zweite Magnete 132 auf, deren Magnetisierungsrichtung (oder die Richtung des Magnetisierungsvektors davon) mit der Umlaufsrichtung übereinstimmt. Die ersten Magnete 131 sind zu vorbestimmten Intervallen in der Umlaufsrichtung angeordnet. Jeder der zweiten Magnete 132 ist zwischen zwei in Umlaufsrichtung zueinander benachbarten ersten Magneten 131 angeordnet. Zusätzlich sind die ersten und zweiten Magnete 131 und 132 Permanentmagnete, die aus Seltene-Erden-Magnete wie Neodymmagneten bestehen.
Die ersten Magnete 131 sind weg voneinander in der Umlaufsrichtung derart angeordnet, dass auf einer Seite, die dem Stator 50 zugewandt ist (d.h. die radiale innere Seite) die Polaritäten der ersten Magnete 131 zwischen N und S in der Umlaufsrichtung abwechseln. Weiterhin sind die zweiten Magnete 132 benachbart zu den ersten Magneten 131 in der Umlaufsrichtung derart angeordnet, dass die Polaritäten der zweiten Magnete 132 in der Umlaufsrichtung abwechseln. Der zylindrische Abschnitt 43 ist vorgesehen, um die Magnete 131 und 132 zu umgeben. Der zylindrische Abschnitt 43, der als ein Gegenjoch fungiert, kann aus einem weichmagnetischen Material gebildet sein. Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Beziehung der leichten Achsen der Magnetisierung der Magneteinheit 42 zu der d-Achse und der q-Achse in dem d-q-Koordinatensystem dieselbe wie gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
Weiterhin sind magnetische Elemente 133, die jeweils aus einem weichmagnetischen Material gebildet sind, auf der radial äußeren Seite der jeweiligen ersten Magneten 131, d.h. auf der Seite der jeweiligen ersten Magnete 131 angeordnet, die dem zylindrischen Abschnitt 43 der Magnethalteeinrichtung 41 zugewandt ist. Genauer können die magnetischen Elemente 133 beispielsweise aus einem magnetischen Stahlblech, Weicheisen oder ein Grünkompaktkernmaterial gebildet sein. Die Umlaufslänge der magnetischen Elemente 133 ist derart eingestellt, dass sie gleich zu der Umlaufslänge der ersten Magnete 131 ist (genauer die Umlaufslänge der äußeren Umfangsabschnitte der ersten Magnete 131). In einem Zustand, in dem jedes Paar der ersten Magnete 131 und der magnetischen Elemente 133 in ein Stück integriert ist, ist die radiale Dicke des integrierten Stücks gleich der radialen Dicke der zweiten Magnete 132. Anders ausgedrückt ist die radiale Dicke der ersten Magnete 131 um die radiale Dicke der magnetischen Elemente 133 kleiner als die radiale Dicke der zweiten Magnete 132. Die ersten Magnete 131, die zweiten Magnete 132 und die magnetischen Elemente 133 sind miteinander beispielweise durch ein Klebemittel fixiert. In der Magneteinheit 42 ist die radial äußere Seite der ersten Magnete 131 die zu dem Stator 50 entgegengesetzte Seite. Die magnetischen Elemente 133 sind auf der zu dem Stator 50 entgegengesetzten Seite der ersten Magnete 131 (d.h. auf der Nicht-Statorseite der ersten Magnete 131) angeordnet.
An einem äußeren Umfangsabschnitt von jedem der magnetischen Elemente 133 ist ein Keil 134 als ein Vorsprung gebildet, der radial nach außen vorspringt, d.h. zu dem zylindrischen Abschnitt 43 der Magnethalteeinrichtung 41 vorspringt. Weiterhin sind in der umlaufenden Oberfläche des zylindrischen Abschnitts 43 Keilnuten 135 als Aussparungen gebildet, um jeweils die Keile 134 der magnetischen Elemente 133 aufzunehmen. Die Vorsprungsform der Keile 134 stimmt mit der Aussparungsform der Keilnuten 135 überein. Die Anzahl der Keile 134, die in den magnetischen Elementen 133 gebildet sind, ist gleich der Anzahl der Keilnuten 135, die in dem zylindrischen Abschnitt 43 gebildet sind. Mit einem Eingriff zwischen den Keilen 134 und den Keilnuten 135 wird ein Versetzen der ersten und zweiten Magnete 131 und 132 in Bezug auf die Magnethalteeinrichtung 41 in der Umlaufsrichtung (oder Drehrichtung) unterdrückt. Zusätzlich können die Keile 134 und die Keilnuten 135 (d.h. Vorsprünge und Aussparungen) beliebig in dem zylindrischen Abschnitt 43 der Magnethalteeinrichtung 41 und den magnetischen Elementen 133 gebildet sein. Beispielsweise kann als eine Alternative jedes der magnetischen Elemente 133 eine Keilnut 135 aufweisen, die an dem äußeren Umfangsabschnitt davon gebildet ist, auf der inneren umlaufenden Oberfläche des zylindrischen Abschnitts 43 können Keile 134 gebildet sein, die jeweils in den Keilnuten 135 der magnetischen Elemente 133 aufzunehmen sind.
In der Magneteinheit 42 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird es mit der abwechselnden Anordnung der ersten Magnete 131 und der zweiten Magnete 132 möglich, die Magnetflussdichte in den ersten Magnete 131 zu erhöhen. Folglich wird es möglich, das Auftreten einer einseitigen Konzentration des Magnetflusses in der Magneteinheit 42 zu verursachen, wodurch Magnetfluss auf der Seite intensiviert wird, die näher an dem Stator 50 ist.
Weiterhin wird es mit den magnetischen Elementen 133, die an der radial äußeren Seite, d.h. auf der Nicht-Statorseite der ersten Magnete 131 angeordnet sind, möglich, eine lokale magnetische Sättigung auf der radial äußeren Seite der ersten Magnete 131 zu unterdrücken, somit wird es möglich, eine Entmagnetisierung der ersten Magnete 131 aufgrund der magnetischen Sättigung zu unterdrücken. Als Ergebnis wird es möglich, die Magnetkraft der Magneteinheit 42 zu erhöhen. Das heißt, dass die Magneteinheit gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel derart betrachtet werden kann, dass sie dadurch gebildet wird, indem diejenigen Abschnitte der ersten Magnete 131, bei denen eine Entmagnetisierung leicht auftritt, mit den magnetischen Elementen 133 ersetzt sind.
24(a) und 24(b) veranschaulichen Flüsse von Magnetfluss jeweils in unterschiedlichen Magneteinheiten 42. Insbesondere veranschaulicht 24(a) den Fluss von Magnetfluss in einer Magneteinheit 42, die eine herkömmliche Konfiguration ohne die magnetischen Elemente 133 aufweist. 24(b) veranschaulicht den Fluss von Magnetfluss in der Magneteinheit 42 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, die konfiguriert ist, die magnetischen Elemente 133 aufzuweisen. Zusätzlich sind in 24(a) und 24(b) sowohl der zylindrische Abschnitt 43 der Magnethalteeinrichtung 41 als auch die Magneteinheit 42 derart abgewickelt, dass sie in einer geraden Form sind, wobei die untere Seite der Statorseite entspricht, wohingegen die obere Seite der Nicht-Statorseite entspricht.
Mit der in 24(a) gezeigten Konfiguration sind die Magnetflusswirkungsoberflächen der ersten Magnete 131 und die Seitenoberflächen der zweiten Magnete 132 in Kontakt mit der inneren umlaufenden Oberfläche der zylindrischen Abschnitts 43 angeordnet. Weiterhin sind die Magnetflusswirkungsoberflächen der zweiten Magnete 132 in Kontakt mit den entsprechenden Seitenoberflächen der ersten Magnete 131 angeordnet. Mit der vorstehend beschriebenen Anordnung wird in dem zylindrischen Abschnitt 43 ein Magnetfluss erzeugt, der aus einem Magnetfluss F1, der durch einen Magnetpfad auf der radial äußeren Seite der zweiten Magnete 132 fließt, um in die Magnetflusswirkungsoberflächen der ersten Magnete 131 einzutreten, und einem Magnetfluss, der im Wesentlichen parallel zu dem zylindrischen Abschnitts 43 fließt und den Magnetfluss F2 der zweiten Magnete 132 anzieht. Folglich kann in dem zylindrischen Abschnitt 43 eine lokale magnetische Sättigung in der Nähe der Kontaktoberflächen zwischen den ersten Magneten 131 und den zweiten Magneten 132 auftreten.
Im Gegensatz dazu sind bei der Konfiguration gemäß 24(b) auf der zu dem Stator 50 entgegengesetzten Seite der ersten Magnete 131 die magnetischen Elemente 133 zwischen den Magnetflusswirkungsoberflächen der ersten Magnete 131 und der inneren umlaufenden Oberfläche des zylindrischen Abschnitts 43 vorgesehen, was erlaubt, dass ein Magnetfluss durch die magnetischen Elemente 133 fließt. Folglich wird es möglich, das Auftreten einer magnetischen Sättigung in dem zylindrischen Abschnitt 43 zu unterdrücken wodurch die Widerstandsfähigkeit der Magneteinheit 42 gegenüber einer Entmagnetisierung verbessert wird.
Weiterhin ist es mit der in 24(b) gezeigten Konfiguration möglich, im Gegensatz zu 24(a) den Magnetfluss F2 zu eliminieren, der eine magnetische Sättigung erleichtert. Folglich wird es möglich, die Permeanz des gesamten magnetischen Kreises zu verbessern. Weiterhin wird es möglich, die magnetischen Schaltungseigenschaften selbst in schwerwiegender Hochtemperaturbedingung beizubehalten.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Magnet-Magnetpfade durch das innere der Magnete im Vergleich zu radialen Magneten in einem herkömmlichen SPM-Rotor verlängert. Folglich wird die magnetische Permeanz erhöht, wodurch es ermöglicht wird, die Magnetkraft und somit das Drehmoment zu erhöhen. Weiterhin wird der Magnetfluss auf die Mitte der d-Achse konzentriert, wodurch es ermöglicht wird, den Sinuswellenübereinstimmungsanteil zu erhöhen. Insbesondere ist es durch Einstellen der elektrischen Stromwellenform durch eine PWM-Steuerung derart, dass sie eine Sinuswelle oder eine trapezförmige Welle wird, oder unter Verwendung von 120°-Erregungs-Schalt-ICs möglich, effektiver das Drehmoment zu erhöhen.
Zusätzlich kann in dem Fall, dass der Statorkern 52 aus magnetischen Stahlblechen gebildet ist, die radiale Dicke des Statorkerns 52 derart eingestellt werden, dass sie gleich wie oder größer als 1/2 der radialen Dicke der Magneteinheit 42 ist. Beispielsweise kann die radiale Dicke des Statorkerns 52 derart eingestellt werden, dass sie gleich wie oder größer als 1/2 der radialen Dicke der ersten Magnete 131 ist, die an den Magnetpolmitten in der Magneteinheit 42 angeordnet sind. Weiterhin kann die radiale Dicke des Statorkerns 52 derart eingestellt werden, dass sie kleiner als die radiale Dicke der Magneteinheit 42 ist. In diesem Fall wird es, da der Magnet-Magnetfluss etwa 1T ist und die Sättigungsflussdichte des Statorkerns 52 gleich 2T ist, durch Einstellen der radialen Dicke des Statorkerns 52 derart, dass sie gleich wie oder größer als 1/2 der radialen Dicke der Magneteinheit 42 ist, möglich, eine Magnetflussstreuung zu der inneren Umfangsseite des Statorkerns 52 zu verhindern.
In Magneten mit einer Halbach-Struktur oder einer polar-anisotropen Struktur sind die Magnetpfade quasi bogenförmig, weshalb es möglich ist, einen Magnetfluss proportional zu der Dicke dieser Magneten zu erhöhen, die den Umlaufsmagnetfluss handhaben können. Mit einer derartigen Konfiguration wird in Betracht gezogen, dass der Magnetfluss, der zu dem Statorkern 52 fließt, den Umlaufsmagnetfluss nicht überschreitet. Das heißt, dass in dem Fall der Verwendung von eisenbasiertem Metall, dessen Sättigungsflussdichte 2T ist, in Bezug auf den Magnet-Magnetfluss, der 1T ist, wird es durch Einstellen der Dicke des Statorkerns 52 derart, dass sie gleich wie oder größer als die Hälfte der Dicke der Magneten ist möglich, in geeigneter Weise sowohl die Größe als auch das Gewicht der rotierenden elektrischen Maschine zu reduzieren, ohne dass eine Sättigung des Statorkerns 52 verursacht wird. Demgegenüber ist im Allgemeinen der Magnetfluss gleich wie oder kleiner als 0,9T, da ein Entmagnetisieren des Felds von dem Stator 50 auf den Magnet-Magnetfluss einwirkt. Daher ist es durch Einstellen der Dicke des Statorkerns derart, dass sie gleich wie oder größer als die Hälfte der Dicke der Magnete ist, möglich, in geeigneter Weise die Permeabilität hoch zu halten.
Nachstehend sind Modifikationen beschrieben, in denen die vorstehend beschriebenen Konfigurationen teilweise modifiziert sind.
Erste Modifikation
Gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die äußere umlaufende Oberfläche des Statorkerns 52 als eine gleichmäßig gekrümmte Oberfläche konfiguriert, wobei auf der äußeren umlaufenden Oberfläche des Statorkerns 52 die elektrischen Leitergruppen 81 zu vorbestimmten Intervallen angeordnet sind. Als eine Alternative kann, wie es in 25 gezeigt ist, der Statorkern 52 ein ringförmiges Joch 141 aufweisen, das auf der zu dem Rotor 40 radial entgegengesetzten Seite der Statorspule 51 angeordnet ist (d.h. auf der unteren Seite der Statorspule 51 in der Figur), und Vorsprünge 142 aufweisen, von denen jeder von dem Joch 141 derart vorspringt, dass er sich zwischen zwei in Umlaufsrichtung zueinander benachbarten geraden Abschnitten 83 befindet. Das heißt, dass die Vorsprünge 142 zu vorbestimmten Intervallen auf der radial äußeren Seite, d.h. auf der Rotorseite des Jochs 141 gebildet sind. Die elektrischen Leitergruppen 81, die die Statorspule 51 bilden, sind in Eingriff mit den Vorsprüngen 142 in der Umlaufsrichtung. Das heißt, dass die Vorsprünge 142 als Positionierelemente zum Positionieren der elektrischen Leitergruppen 81 in Umlaufsrichtung dienen. Zusätzlich entsprechen die Vorsprünge 142 ebenfalls „Zwischenleiterelementen“.
Wie es in 25 gezeigt ist, ist die radiale Dicke der Vorsprünge 142 von dem Joch 141, d.h. die Distanz W von den inneren Seitenoberflächen 320 der geraden Abschnitte 83, die an das Joch 141 anstoßen, bis zu den Spitzen der Vorsprünge 142 in der radialen Richtung des Jochs 141 derart eingestellt, dass sie kleiner als 1/2 der radialen Dicke von denjenigen der geraden Abschnitte 83 ist, die radial in Schichten gestapelt sind, die radial an das Joch 141 anstoßen (d.h. kleiner als H1 in der Figur). Anders ausgedrückt kann der radiale Bereich, der 3/4 von T1 entspricht, durch das nichtmagnetische Element (d.h. das Abdichtungselement 57) belegt sein, wobei T1 die Abmessung (oder Dicke) der elektrischen Leitergruppen 81 (d.h. der leitenden Elemente) in der radialen Richtung der Statorspule 51 (oder des Statorkerns 52) ist (das doppelte der Dicke von jedem der elektrischen Leiter 82, anders ausgedrückt die minimale Distanz von den Oberflächen 320 der elektrischen Leitergruppen 81, die an den Statorkern 52 anstoßen, bis zu den Oberflächen 330 der elektrischen Leitergruppen 81, die dem Rotor 40 zugewandt sind). Durch Begrenzen der Dicke der Vorsprünge 142 wie es vorstehend beschrieben worden ist, wird es möglich, zu verhindern, dass die Vorsprünge 142 als Zähne zwischen den in Umlaufsrichtung benachbarten elektrischen Leitergruppen 81 (genauer den geraden Abschnitte 83) fungieren, und somit zu verhindern, dass Magnetpfade durch die Zähne gebildet werden. Zusätzlich müssen die Vorsprünge 142 nicht notwendigerweise in allen Spalten vorgesehen werden, die zwischen den in Umlaufsrichtung benachbarten elektrischen Leitergruppen 81 gebildet sind. Beispielsweise kann als eine Alternative lediglich ein Vorsprung 142 vorgesehen sein, der in den Spalt angeordnet ist, der zwischen zwei in Umlaufsrichtung zueinander benachbarten elektrischen Leitergruppen 81 gebildet ist. Als eine weitere Alternative kann eine Vielzahl von Vorsprüngen 142 vorgesehen sein, die zu gleichen Intervallen in der Umlaufsrichtung derart angeordnet sind, wobei die Intervalle jeweils einer vorbestimmten Zahl von Spalten entsprechen, die zwischen den in Umlaufsrichtung zueinander benachbarten elektrischen Leitergruppen 81 gebildet sind. Die Form der Vorsprünge 142 kann eine beliebige Form wie eine rechteckige oder bogenförmige Form sein.
Weiterhin können auf der äußeren umlaufenden Oberfläche des Statorkerns 52 die geraden Abschnitte 83 abwechselnd in einer einzelnen Schicht vorgesehen sein. Dementsprechend kann in einem breiten Sinne die radiale Dicke der Vorsprünge 142 von dem Joch 142 derart eingestellt werden, dass sie kleiner als 1/2 der radialen Dicke von jedem der geraden Abschnitte 83 ist.
Zusätzlich können die Vorsprünge 142 derart geformt sein, dass sie von dem Joch 141 innerhalb des Bereichs eines imaginären Kreises vorspringen, dessen Mittelpunkt auf der Achse der Drehwelle 11 liegt und der sich durch die radiale Mittenposition von jedem der geraden Abschnitte 83 erstreckt, die radial an dem Joch 141 anstoßen. Anders ausgedrückt können die Vorsprünge 142 derart geformt sein, dass sie nicht radial nach außerhalb des imaginären Kreises (d.h. zu der Rotorseite des imaginären Kreises hin) vorspringen.
Mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration wird die radiale Dicke der Vorsprünge 142 derart begrenzt, dass die Vorsprünge 142 nicht als Zähne zwischen den in Umlaufsrichtung benachbarten geraden Abschnitten 83 dienen. Folglich wird es möglich, die in Umlaufsrichtung benachbarten geraden Abschnitte 83 näher aneinander als in einem Fall anzuordnen, in dem Zähne zwischen den in Umlaufsrichtung zueinander benachbarten geraden Abschnitte 83 vorgesehen sind. Als Ergebnis wird es möglich, die Querschnittsfläche von jedem Leiterkörper 82a zu erhöhen, wodurch die Wärmemenge reduziert wird, die mit Speisung der Statorspule 51 erzeugt wird. Weiterhin ist es, da keine Zähne in dem Stator 50 vorgesehen sind, möglich, das Auftreten einer magnetischen Sättigung in dem Statorkern 52 zu verhindern, wodurch es ermöglicht wird, den Speisungsstrom der Statorspulen 51 zu erhöhen. In diesem Fall ist es jedoch möglich, in geeigneter Weise das Problem zu bewältigen, dass die Menge von Wärme, die mit Speisung der Statorspule 51 erzeugt wird, sich mit dem Speisungsstrom erhöht. Zusätzlich ist in der Statorspule 51 von jedem der Windungsabschnitte 84 ein Teil davon radial versetzt, um einen Behinderungsverhinderungsteil zu bilden. Mit den Behinderungsverhinderungsteilen der Windungsabschnitte 84 wird es möglich, die Windungsabschnitte 84 radial weg voneinander anzuordnen. Folglich wird es möglich, eine Wärmeableitung an den Windungsabschnitten 84 zu verbessern. Wie es vorstehend beschrieben worden ist, wird es möglich, die Wärmeableitung in dem Stator 50 zu verbessern.
Zusätzlich wird in dem Fall, dass das Joch 141 des Statorkerns 52 weg von der Magneteinheit 42 (den Magneten 91 und 92) des Rotors 40 um eine vorbestimmte Distanz oder mehr angeordnet ist, die radiale Dicke der Vorsprünge 142 nicht H1 unterzogen, wie es in 25 gezeigt ist. Insbesondere kann, wenn das Joch 141 von der Magneteinheit 42 um 2mm oder mehr weg angeordnet ist, die radiale Dicke der Vorsprünge 142 größer als H1 eingestellt werden. Beispielsweise können, wenn die radiale Dicke von jedem der gerade Abschnitte 83 größer als 2mm ist und jede der elektrischen Leitergruppen 81 aus zwei radial gestapelten elektrischen Leitern 82 besteht, die Vorsprünge 142 innerhalb eines Bereichs von dem Joch 141 bis zu der radialen Mittenposition des geraden Abschnitts 83, der nicht an dem Joch 141 anstößt, d.h. der radialen Mittenposition des zweiten elektrischen Leiters 82 von dem Joch 141 aus gezählt, vorgesehen werden. In diesem Fall ist es durch Einstellen der radialen Dicke der Vorsprünge 142 derart, dass sie nicht größer als (H1 × 3/2) wird, möglich, die vorstehend beschriebenen vorteilhaften Wirkungen zu erzielen, indem die Leiterquerschnittsfläche der elektrischen Leitergruppen 81 erhöht wird.
Weiterhin kann der Statorkern 52 alternativ eine Konfiguration aufweisen, wie sie in 26 gezeigt ist. Es sei bemerkt, dass das Abdichtungsharz 57 in 26 weggelassen ist, jedoch kann das Abdichtungsharz 57 in der in 26 gezeigten Konfigurationen enthalten sein. Zusätzlich sind in 26 zur vereinfachten Darstellung sowohl die Magneteinheit 42 als auch der Statorkern 52 in einer geraden Linie abgewickelt gezeigt.
In der in 26 gezeigten Konfiguration weist der Stator 50 als die Zwischenleiterelemente Vorsprünge 142 auf, die jeweils zwischen zwei in Umlaufsrichtung benachbarten elektrischen Leitern 82 (d.h. den geraden Abschnitten 83) gebildet sind. Der Stator 50 weist ebenfalls einen sich in Umlaufsrichtung erstreckenden Abschnitt 350 auf, der magnetisch zusammen mit einem Magnetpol (N- oder S-Pol) der Magneteinheit 42 fungiert, wenn die Statorspule 51 gespeist wird. Der Abschnitt 350 weist eine Umlaufslänge Wn auf. Die Vorsprünge 142 sind aus einem magnetischen Material gebildet, die die nachfolgende Beziehung erfüllen: $Wt \times Bs \leq Wm \times Br$
Dabei ist Wt die Gesamtbreite (d.h. die Summe der Umlaufsbreiten) der Vorsprünge 142, die in dem Umlaufsbereich von Wn vorhanden sind, ist Bs die Sättigungsflussdichte der Vorsprünge 142, ist Wm die Umlaufsbreite von jedem Magnetpol der Magneteinheit 42 und ist Br die Remanenzflussdichte der Magneteinheit 42.
Zusätzlich ist der Umlaufsbereich Wn derart eingestellt, dass er eine Vielzahl von in Umlaufsrichtung benachbarten elektrischen Leitergruppen 81 aufweist, deren Speisungsperioden sich einander überlappen. Die Referenzen (oder Grenzen) bei der Einstellung des Bereichs Wn können vorzugsweise auf die Mitten der Spalte 56 eingestellt werden, die zwischen den elektrischen Leitergruppen 81 gebildet sind. Beispielsweise ist in der in 26 gezeigten Konfiguration der Umlaufsbereich Wn derart eingestellt, dass er vier elektrische Leitergruppen 81 aufweist, die sich am Nächsten zu der Magnetpolmitte eines N-Pols in der Umlaufsrichtung befinden. Die Enden (Start- und Endpunkte) des Bereichs Wn sind jeweils auf die Mitten von zwei von allen Spalten 56 eingestellt, die zwischen den elektrischen Leitergruppen 81 gebildet sind.
Weiterhin ist in der in 26 gezeigten Konfiguration an jedem Ende des Bereichs Wn die Hälfte eines Vorsprungs 142 in dem Bereich Wn enthalten. Daher kann in Betracht gezogen werden, dass in dem Bereich Wn eine Gesamtheit von vier Vorsprüngen 142 enthalten ist. Dementsprechend kann die Gesamtbreite Wt der Vorsprünge 142, die in dem Bereich Wn enthalten sind, wie folgt berechnet werden: Wt = 1/2A + A + A + A + 1/2A = 4A, wobei A die Breite von jedem Vorsprung 142 in der Umlaufsrichtung des Stators 50, (anders ausgedrückt das Intervall zwischen zwei benachbarten elektrischen Leitergruppen 81) ist.
Insbesondere sind gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Drei-Phasen-Spulen der Statorspule 51 in einer verteilten Wicklungsweise gewickelt. In der Statorspule 51 ist die Anzahl der Vorsprünge 142, d.h. die Anzahl der Spalte 56, die zwischen den elektrischen Leitergruppen 81 gebildet sind, pro Magnetpol der Magneteinheit 42 auf (Anzahl der Phasen × Q) eingestellt, wobei Q die Anzahl von denjenigen der elektrischen Leiter 82 jeder Phase ist, die in Kontakt mit dem Statorkern 52 sind. In dem Fall, dass die elektrischen Leiter 82 in der radialen Richtung des Rotors 40 gestapelt sind, um die elektrischen Leitergruppen 81 zu bilden, ist Q gleich der Anzahl derjenigen elektrischen Leiter 82 der elektrischen Leitergruppen 81 jeder Phase, die sich auf der inneren Umfangsseite der elektrischen Leitergruppen 81 befinden. In diesem Fall werden, wenn die Phasenwicklungen der Drei-Phasen-Spulen der Statorspule 51 in einer vorbestimmten Abfolge gespeist werden, in jedem Magnetpol die Vorsprünge 142, die zwei Phasen entsprechen, erregt. Dementsprechend ist in dem Bereich von jedem Magnetpol der Magneteinheit 42 die Gesamtumlaufsbreite Wt der Vorsprünge 142, die durch die Speisung der Statorspule 51 erregt werden, gleich (Anzahl der erregten Phasen × Q × A = 2 × 2 × A), wobei A die Umlaufsbreite von jedem der Vorsprünge 142 (oder die Umlaufsbreite von jedem der Spalte 56) ist.
Weiterhin sind, wenn die Gesamtbreite Wt wie vorstehend beschrieben spezifiziert wird, in dem Statorkern 52 die Vorsprünge 142 aus einem magnetischen Material gebildet, das die vorstehend beschriebene Beziehung (1) erfüllt. Zusätzlich ist die Gesamtbreite Wt ebenfalls gleich zu der Umlaufsbreite desjenigen Abschnitts in jedem Magnetpol, dessen relative Permeabilität größer als 1 geworden ist. Weiterhin kann, wenn ein Spielraum gegeben ist, die Gesamtbreite Wt derart bestimmt werden, dass sie die Umlaufsbreite der Vorsprünge 142 in jedem Magnetpol ist. Genauer kann, da die Anzahl der Vorsprünge 142 pro Magnetpol der Magneteinheit 42 gleich (Anzahl der Phasen × Q) ist, die Umlaufsbreite (d.h. die Gesamtumlaufsbreite Wt) der Vorsprünge 142 in jedem Magnetpol bestimmt werden als (Anzahl der Phasen × Q × A = 3 × 2 × A = 6A).
Zusätzlich ist die verteilte Wicklungsweise derart, dass es ein Polpaar der Statorspule 51 für jede Polpaarperiode der Magnetpole (d.h. N- und S-Pole) gibt. Ein Polpaar der Statorspule 51 besteht aus zwei geraden Abschnitten 83, in denen elektrische Ströme jeweils in entgegengesetzte Richtungen fließen, und die elektrisch miteinander über einen Windungsabschnitt 84 verbunden sind, und dem einen Windungsabschnitt 84. Wenn die vorstehend beschriebene Bedingung erfüllt ist, kann eine schrittverkürzte Wicklung (short pitch winding) als Äquivalent zu einer Durchmesserwicklung (full pitch winding) betrachtet werden, die in der verteilten Weise gewickelt ist.
Nachstehend sind Beispiele der Statorwicklung 51 veranschaulicht, die in einer konzentrierten Wicklungsweise gewickelt ist. Die konzentrierte Wicklungsweise ist derart, dass die Breite jedes Magnetpolpaars sich von der Breite von jedem Polpaar der Statorspule 51 unterscheidet. Die Beispiele weisen ein Beispiel, bei dem drei elektrische Leitergruppen 81 in Bezug auf jedes Magnetpolpaar vorgesehen sind, ein Beispiel, bei dem drei elektrische Leitergruppen 81 in Bezug auf zwei Magnetpolpaare vorgesehen sind, neun elektrische Leitergruppen 81 in Bezug auf vier Magnetpolpaare vorgesehen sind, und ein Beispiel auf, bei dem neun elektrische Leitergruppen 81 in Bezug auf fünf Magnetpolpaare vorgesehen sind.
In dem Fall, dass die Statorspule 51 in der konzentrierten Wicklungsweise gewickelt ist, werden, wenn die Phasenwicklungen der Drei-Phasen-Spulen der Statorspule 51 in einer vorbestimmten Abfolge gespeist werden, zwei der Phasenwicklungen gleichzeitig erregt. Folglich werden die Vorsprünge 142, die den zwei erregten Phasenwicklungen entsprechen, ebenfalls erregt. Dementsprechend ist in dem Bereich von jedem Magnetpol der Magneteinheit 42 die Umlaufsbreite Wt der Vorsprünge 142, die durch Speisung der Statorspule 51 erregt werden, gleich (A × 2). Weiterhin sind, wenn die Breite Wt wie vorstehend beschrieben spezifiziert ist, die Vorsprünge 142 aus einem magnetischen Material gebildet, das die vorstehend beschriebene Beziehung (1) erfüllt. Zusätzlich ist in dem Fall, in dem die Statorspule 51 in der konzentrierten Wicklungsweise gewickelt ist, der Parameter A durch die Summe der Umlaufsbreiten der Vorsprünge 142 in einer Region, die durch die elektrischen Leitergruppen 81 derselben Phasen umgeben ist, repräsentiert. Weiterhin ist der Parameter Wm durch (gesamter Umlauf der Oberfläche der Magneteinheit 42, die dem Luftspalt zugewandt ist) × (Anzahl der Phasen) ÷ (Verteilungsanzahl der elektrischen Leitergruppen 81) repräsentiert.
In dem Fall von Magneten, deren BH-Produkte gleich wie oder größer als 20MGOe (KJ/m3) wie Neodymmagnete, Samarium-Kobalt-Magnete oder Ferritmagnete sind, ist Bd gleich wie oder größer als 1,0T. In dem Fall von Eisen ist Br gleich wie oder größer als 2,0T. Daher können in dem Fall, dass die rotierende elektrische Maschine als ein Motor mit hoher Ausgangsleistung konfiguriert ist, in dem Statorkern 52 die Vorsprünge 142 aus einem magnetischen Material gebildet sein, das die Beziehung von Wt < 1/2 × Wm erfüllt.
Weiterhin können in dem Fall, in dem jeder der elektrischen Leiter 82 eine äußere Beschichtung 182 aufweist, wie es später beschrieben ist, die elektrischen Leiter 82 in der Umlaufsrichtung des Statorkerns 52 derart angeordnet sein, dass sie deren äußere Beschichtungen 82 in Kontakt miteinander aufweisen. In diesem Fall kann der Parameter Wt als 0 oder die Summe der Dicken der äußeren Beschichtungen 182 von zwei aneinander stoßenden elektrischen Leitern 82 betrachtet werden.
In den in 25 und 26 gezeigten Konfigurationen sind die Zwischenleiterelemente (d.h. die Vorsprünge 142) unverhältnismäßig klein in Bezug auf den Magnet-Magnetfluss auf der Seite des Rotors 40. Zusätzlich ist der Rotor 40 als ein flacher SPM-Rotor mit niedriger Induktivität konfiguriert, weshalb der Rotor 40 keine Schenkelpoligkeit in Hinblick auf die magnetische Reluktanz aufweist. Mit diesen Konfigurationen ist es möglich, die Induktivität des Stators 50 abzusenken. Weiterhin ist es mit Reduktion der Induktivität des Stators 50 möglich, das Auftreten einer Magnetflussverzerrung aufgrund einer Schaltzeitpunktabweichung in der Statorspule 51 zu unterdrücken. Als Ergebnis ist es möglich, das Auftreten einer galvanischen Korrosion in den Lagern 21 und 22 zu unterdrücken.
Zweite Modifikation
Der Stator 50, der die Zwischenleiterelemente, die die vorstehend beschriebene Gleichung (1) erfüllen, anwendet, kann alternativ eine Konfiguration aufweisen, wie sie in 27 gezeigt ist. In dieser Konfiguration sind zahnförmige Vorsprünge 143 als die Zwischenleiterelemente auf der äußeren Umlaufsoberfläche (d.h. der oberen Oberfläche in den Figuren) des Statorkerns 52 vorgesehen. Die zahnförmigen Vorsprünge 143 springen jeweils von dem Joch 141 vor und sind zu vorbestimmten Intervallen in der Umlaufsrichtung angeordnet. Die zahnförmigen Abschnitte 143 weisen eine radiale Dicke auf, die gleich zu der radialen Dicke der elektrischen Leitergruppen 81 ist. Seitenoberflächen der zahnförmigen Abschnitte 143 sind derart angeordnet, dass sie an die elektrischen Leiter 82 der elektrischen Leitergruppen 81 anstoßen. Alternativ dazu können Spalte zwischen den zahnförmigen Abschnitten 143 und den elektrischen Leitern 82 in der Umlaufsrichtung gebildet sein.
Die zahnförmigen Abschnitte 143 sind in der Umlaufsbreite begrenzt. Das heißt, es sind Polzähne (d.h. Statorzähne) vorgesehen, die unverhältnismäßig dünn in Bezug auf das Volumen der Magnete sind. Mit dieser Konfiguration können die zahnförmigen Abschnitte 143 zuverlässig durch einen Magnetfluss von 1,8T oder höher gesättigt werden, wodurch die Permeanz und somit die Induktivität abgesenkt wird.
Der Magnetfluss auf der Seite der Magneteinheit 42 kann als (Sm × Br) ausgedrückt werden, wobei Sm die Fläche der statorseitigen Magnetflusswirkungsoberfläche pro Magnetpol ist und Br die Remanenzflussdichte der Magneteinheit 42 ist. Demgegenüber kann unter der Annahme, dass die zahnförmigen Abschnitte 143, die zwei Phasen entsprechen, in jedem Magnetpol durch Speisung der Statorspule 51 erregt werden, der Magnetfluss auf der Seite des Stators 50 als (St × m × 2 × Bs) ausgedrückt werden, wobei St die Fläche der rotorseitigen Oberfläche jedes zahnförmigen Abschnitts 143 ist und m die Anzahl der elektrischen Leiter 82 pro Phase ist. In diesem Fall kann die Induktivität durch Begrenzen der Abmessungen der zahnförmigen Abschnitte 143 abgesenkt werden, so dass die nachfolgende Beziehung erfüllt wird: $St \times m \times 2 \times Bs < Sm \times Br$
Zusätzlich kann in dem Fall, dass die zahnförmigen Abschnitte 143 dieselbe axiale Abmessung wie die Magneteinheit 42 aufweisen, die vorstehend beschriebene Beziehung (2) mit der nachfolgenden Beziehung ersetzt werden: $Wst \times m \times 2 \times Bs < Sm \times Br$
Dabei ist Wm die Umlaufsbreite der Magneteinheit 42 pro Magnetpol und ist Wst die Umlaufsbreite jedes zahnförmigen Abschnitts 143.
Genauer kann unter der Annahme, dass Bs = 2T, Br = 1T und m = 2 gilt, die vorstehend beschriebene Beziehung (3) auf die Beziehung (Wst < Wm/8) reduziert werden. In diesem Fall kann die Induktivität abgesenkt werden, indem die Umlaufsbreite Wst jedes zahnförmigen Abschnitts 143 derart eingestellt wird, dass sie kleiner als 1/8 der Umlaufsbreite Wm der Magneteinheit 42 pro Magnetpol ist. Zusätzlich kann in dem Fall, dass m gleich 1 ist, die Umlaufsbreite Wst jedes zahnförmigen Abschnitts 143 derart eingestellt werden, dass sie kleiner als 1/4 der Umlaufsbreite Wm der Magneteinheit 42 pro Magnetpol ist.
Zusätzlich entspricht in der vorstehend beschriebenen Beziehung (3) (Wst × m × 2) der Gesamtumlaufsbreite der zahnförmigen Abschnitte 143, die durch die Speisung des Statorspule 51 erregt werden, in dem Bereich von jedem Magnetpol der Magneteinheit 42.
In der in 27 gezeigten Konfigurationen sind die Zwischenleiterelemente (d.h. die zahnförmigen Abschnitte 143) unverhältnismäßig klein in Bezug auf den Magnet-Magnetfluss auf der Seite des Rotors 40 wie in den Konfigurationen, die in 25 und 26 gezeigt sind. Folglich ist es möglich, die Induktivität des Stators 50 abzusenken. Weiterhin ist es mit Reduktion der Induktivität des Stators 50 möglich, das Auftreten einer Magnetflussverzerrung aufgrund einer Schaltzeitabweichung in der Statorspule 51 zu unterdrücken. Als Ergebnis ist es möglich, das Auftreten einer galvanischen Korrosion in den Lagern 21 und 22 zu unterdrücken.
Dritte Modifikation
Gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist das Abdichtungselement 57 auf der radial äußeren Seite des Statorkerns 52 in einer Region vorgesehen, die alle elektrischen Leitergruppen 81 abdeckt, d.h. in einer Region, deren radiale Dicke größer als die radiale Dicke von jeder elektrischen Leitergruppe 81 ist. Als eine Alternative kann, wie es in 28 gezeigt ist, das Abdichtungselement 57 derart vorgesehen sein, dass die elektrischen Leiter 82 teilweise von dem Abdichtungselement 57 freiliegen. Genauer sind diejenigen der elektrischen Leiter 82, die radial am äußersten in den elektrischen Leitergruppen 81 angeordnet sind, auf der radial äußeren Seite, d.h. auf der Seite des Rotors 40 von dem Abdichtungselement 57 teilweise freigelegt. In diesem Fall kann die radiale Dicke des Abdichtungselements 57 derart eingestellt sein, dass sie gleich wie oder kleiner als die radiale Dicke jeder elektrischen Leitergruppe 81 ist.
Vierte Modifikation
Wie es in 29 gezeigt ist, müssen in dem Statorkern 50 die elektrischen Leitergruppen 81 nicht durch irgendein Abdichtungselement 57 abgedichtet sein. Das heißt, dass der Statorkern 50 keine Abdichtungselemente 57 aufweisen muss, die darin angewendet werden, um die Statorspule 51 abzudecken. In diesem Fall sind die Spalte zwischen den in Umlaufsrichtung ausgerichteten elektrischen Leitergruppen 81 nicht durch irgendwelche Zwischenleiterelemente belegt, sondern bleiben frei. Anders ausgedrückt, sind keine Zwischenleiterelemente zwischen den in Umlaufsrichtung ausgerichteten elektrischen Leitergruppen 81 vorgesehen. Zusätzlich kann Luft, das als ein nichtmagnetisches Material oder ein Äquivalent eines nichtmagnetischen Materials betrachtet werden kann, das Bs = 0 erfüllt, in die Spalte gefüllt werden.
Fünfte Modifikation
In dem Fall, dass die Zwischenleiterelemente in dem Stator 50 mit einem nichtmagnetischen Material gebildet sind, kann das nichtmagnetische Material durch ein nichtharz Material, beispielsweise einem nichtmagnetischen Metallmaterial wie SUS 304 verwirklicht werden, das ein austenitischer rostfreier Stahl ist.
Sechste Modifikation
Der Stator 50 muss keinen Statorkern 52 aufweisen. In diesem Fall ist der Stator 50 mit der in 12 gezeigten Statorspule 51 konfiguriert. Zusätzlich kann in dem Fall, dass der Stator 50 keinen Statorkern 52 aufweist, die Statorspule 51 mit einem Abdichtungsmaterial abgedichtet sein. Alternativ dazu kann der Stator 50 anstelle des Statorkerns 52, der aus einem weichmagnetischen Material gebildet ist, eine Statorspulhalteeinrichtung aufweisen, die eine ringförmige Form aufweist und aus einem nichtmagnetischen Material wie einem synthetischen Harz gebildet ist.
Siebte Modifikation
Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Magneteinheit 42 des Rotors 40 mit einer Vielzahl von Magneten 91 und 92 konfiguriert, die in der Umlaufsrichtung angeordnet sind. Als eine Alternative kann die Magneteinheit 42 mit einem ringförmigen Magneten konfiguriert sein, der ein Permanentmagnet ist. Insbesondere ist, wie es in 30 gezeigt ist, der ringförmige Magnet 95 an dem radial inneren Umfang des zylindrischen Abschnitts 43 der Magnethalteeinrichtung 41 befestigt. In dem ringförmigen Magneten 95 sind eine mehrere Magnetpole gebildet, deren Polaritäten zwischen N und S in der Umlaufsrichtung abwechseln. Weiterhin sind sowohl die d-Achse als auch die q-Achse in den als ein Stück strukturierten ringförmigen Magneten 95 definiert. Weiterhin sind in dem ringförmigen Magneten 95 bogenförmige Magnet-Magnetpfade derart gebildet, dass sie in einer radialen Richtung auf der d-Achse in jedem der Magnetpole orientiert sind und in der Umlaufsrichtung auf der q-Achse zwischen jedem benachbarten Paar der Magnetpole orientiert sind.
Zusätzlich können in dem ringförmigen Magneten 95 bogenförmige Magnet-Magnetpfade derart gebildet sein, dass die leichte Achse der Magnetisierung derart orientiert ist, dass sie parallel oder fast parallel zu der d-Achse in den d-Achsen-seitigen Abschnitten ist, und senkrecht oder fast senkrecht zu der q-Achse in den q-Achsen-seitigen Abschnitten orientiert ist.
Achte Modifikation
In dieser Modifikation ist ein Teil des Steuerungsverfahrens der Steuerungseinrichtung 110 modifiziert. Dementsprechend sind hauptsächlich die Unterschiede dieser Modifikation gegenüber dem vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Zunächst sind Prozesse, die durch die in 20 gezeigten Betriebssignalerzeugungseinrichtungen 116 und 126 sowie den in 26 gezeigten Betriebssignalerzeugungseinrichtungen 130a und 130b durchgeführten Prozesse unter Bezugnahme auf 31 beschrieben. Zusätzlich sind die Prozesse, die durch die Betriebssignalerzeugungseinrichtungen 116, 126, 130a und 130b durchgeführt werden, im Wesentlichen dieselben, weshalb lediglich der durch die Betriebssignalerzeugungseinrichtung 116 durchgeführte Prozess nachstehend beschrieben ist.
Die Betriebssignalerzeugungseinrichtung 116 weist eine Trägersignalerzeugungseinrichtung 116a und U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Vergleiche 116bU, 116bV und 116bW auf. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erzeugt die Trägersignalerzeugungseinrichtung 116a ein Dreieckwellensignal als ein Trägersignal SigC und gibt dieses aus.
Das durch die Trägersignalerzeugungseinrichtung 116a erzeugte Signal SigC wird in jedem der U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Vergleiche 116bU, 116bV und 116bW eingegeben. Weiterhin werden die durch den Drei-Phasen-Wandler 115 berechneten U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Befehlsspannungen jeweils in die U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Vergleiche 116bU, 116bV und 116bW eingegeben. Die U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Befehlsspannungen sind jeweils in der Form von beispielsweise einer Sinuswelle und in der Phase voneinander um 120° im elektrischen Winkel versetzt.
Die U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Vergleiche 116bU, 116bV und 116bW erzeugen durch eine PWM-(Pulsbreitenmodulations-)Steuerung auf der Grundlage eines Amplitudenvergleichs zwischen den U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Befehlsspannungen und dem Trägersignal SigC die Betriebssignale zum Betreiben der Ober-Zweig- und Unter-Zweig-Schalter Sp und Sn der U-, V- und W-Phasen in dem ersten Wechselrichter 101. Genauer erzeugen die U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Vergleicher 116bU, 116bV und 116bW die Betriebssignale zum Betreiben der Schalter Sp und Sn der U-, V- und W-Phasen durch die PWM-Steuerung auf der Grundlage des Amplitudenvergleichs zwischen den Signalen, die durch Normalisieren der U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Befehlsspannungen in Bezug auf die Leistungsversorgungsspannung erhalten werden, und dem Trägersignal SigC. Dann schaltet die Ansteuerungseinrichtung 117 die Schalter Sp und Sn der U-, V- und W-Phasen in dem ersten Wechselrichter 101 auf der Grundlage der durch die U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Vergleiche 116bU, 116bV und 116bW der Betriebssignalerzeugungseinrichtung 116 erzeugten Betriebssignale ein und aus.
Die Steuerungseinrichtung 110 führt einen Prozess des Variierens der Trägerfrequenz fc des Trägersignals SigC, d.h. des Variierens der Schalterfrequenz der Schalter Sp und Sn durch. Insbesondere wird die Trägerfrequenz fc derart eingestellt, dass sie in einer Niedrigdrehmomentregion oder einer Hochdrehungsregion der rotierenden elektrischen Maschine 10 höher ist, und in einer Hochdrehmomentregion der rotierenden elektrischen Maschine 10 niedriger ist. Eine derartige Einstellung wird durchgeführt, um ein Absenken der Steuerbarkeit des in jeder Phasenwicklung fliesenden Stroms zu unterdrücken.
Die Induktivität des Stators 50 kann abgesenkt werden, indem eine nutenlose Struktur für den Stator 50 angewendet wird. Jedoch wird mit dem Absenken der Induktivität des Stators 50 die elektrische Zeitkonstante der rotierenden elektrischen Maschine 10 dementsprechend abgesenkt. Folglich kann eine Welligkeit von elektrischem Strom, der in jeder Phasenwicklung der Statorspule 51 fließt, erhöht werden, und kann somit die Steuerbarkeit des elektrischen Stroms abfallen, was ein Divergieren der Stromsteuerung verursacht. Weiterhin wird der Einfluss des Steuerbarkeitsabfalls deutlicher, wenn der elektrische Strom (beispielsweise der effektive Wert des elektrischen Stroms), der in jeder Phasenwicklung fließt, innerhalb einer Niedrigstromregion ist, als wenn der elektrische Strom innerhalb einer Hochstromregion ist. Um dieses Problem zu bewältigen, variiert die Steuerungseinrichtung 110 in dieser Modifikation die Trägerfrequenz fc.
Der Prozess des Variierens der Trägerfrequenz fc ist nachstehend unter Bezug auf 32 beschrieben. Dieser Prozess wird wiederholt als der Prozess der Betriebssignalerzeugungseinrichtung 116 durch die Steuerungseinrichtung 110 in einem vorbestimmten Steuerungszyklus durchgeführt.
Zunächst bestimmt in Schritt S10 die Steuerungseinrichtung 110, ob der in jeder Phasenwicklung 51a fließende elektrische Strom innerhalb der Niedrigstromregion ist. Diese Bestimmung wird durchgeführt, um zu bestimmen, ob das gegenwärtige Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine 10 innerhalb der Niedrigdrehmomentregion ist. Zusätzlich kann diese Bestimmung beispielsweise unter Verwendung einer der nachfolgenden ersten und zweiten Verfahren durchgeführt werden.
Erstes Verfahren
Gemäß dem ersten Verfahren wird ein Drehmomentschätzwert der rotierenden elektrischen Maschine 10 zuerst auf der Grundlage der durch den dq-Wandler 112 erhaltenen d-Achsen- und q-Achsen-Ströme berechnet. Dann wird eine Bestimmung durchgeführt, ob der berechnete Drehmomentschätzwert niedriger als ein Drehmomentschwellenwert ist. Wenn der berechnete Drehmomentschätzwert niedriger als der Drehmomentstellwert ist, wird bestimmt, dass der in jeder Phasenwicklung 51a fließende elektrische Strom innerhalb der Niedrigstromregion ist. Wenn im Gegensatz dazu der berechnete Drehmomentschätzwert gleich wie oder höher als der Drehmomentschwellenwert ist, wird bestimmt, dass der in jeder Phasenwicklung 51a fließende elektrische Strom innerhalb der Hochstromregion ist. Zusätzlich kann der Drehmomentschwellenwert beispielsweise auf 1/2 eines Startdrehmoments (oder Verriegelungsdrehmoments) der rotierenden elektrischen Maschine 10 eingestellt werden.
Zweites Verfahren
Entsprechend dem zweiten Verfahren wird eine Bestimmung durchgeführt, ob der durch die Drehwinkelerfassungseinrichtung erfasste Drehwinkel des Rotors 40 gleich wie oder größer als ein Geschwindigkeitsschwellenwert ist. Wenn der Drehwinkel des Rotors 40 gleich wie oder größer als der Geschwindigkeitsschwellenwert ist, wird bestimmt, dass die Drehgeschwindigkeit des Rotors 40 innerhalb der Hochdrehungsregion ist, d.h. dass der in jeder Phasenwicklung 51a fließende elektrische Strom innerhalb der Niedrigstromregion ist. Zusätzlich kann der Geschwindigkeitsschwellenwert beispielsweise auf dem Drehgeschwindigkeitswert eingestellt werden, bei dem das maximale Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine 10 gleich dem Drehmomentschwellenwert wird.
Unter erneuter Bezugnahme auf 32 geht, wenn die Bestimmung in Schritt S10 zu einer „NEIN“-Antwort führt, d.h. wenn der in jeder Phasenwicklung fließende elektrische Strom innerhalb der Hochstromregion ist, der Prozess zu Schritt S11 über. In Schritt S11 stellt die Steuerungseinrichtung 110 das Trägersignal fc auf eine erste Frequenz fL ein. Dann endet der Prozess.
Wenn im Gegensatz dazu die Bestimmung in Schritt S10 zu einer „JA“-Antwort führt, d.h. wenn der in jeder Phasenwicklung fließende elektrische Strom innerhalb der Niedrigstromregion ist, geht der Prozess zu Schritt S12 über. In Schritt S12 stellt die Steuerungseinrichtung 110 das Trägersignal fc auf eine zweite Frequenz fH ein, die höher als die erste Frequenz fL ist. Dann endet der Prozess.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, wird gemäß der vorliegenden Modifikation die Trägerfrequenz fc derart eingestellt, dass sie, wenn der in jeder Phasenwicklung fließende elektrische Strom innerhalb der Niedrigstromregion ist, höher ist als dann, wenn der elektrische Strom innerhalb der Hochstromregion ist. Dementsprechend wird die Schaltfrequenz der Schalter Sp und Sn derart eingestellt, dass sie, wenn der in jeder Phasenwicklung fließende elektrische Strom innerhalb der Niedrigstromregion ist, höher ist als dann, wenn der elektrische Strom innerhalb der Hochstromregion ist. Folglich ist es, wenn der in jeder Phasenwicklung fließende elektrische Strom innerhalb der Niedrigstromregion ist, möglich, eine Erhöhung der Welligkeit des elektrischen Stroms, der in jeder Phasenwicklung fließt, zu unterdrücken, wodurch ein Absenken der Steuerbarkeit des elektrischen Stroms unterdrückt wird.
Wenn demgegenüber der in jeder Phasenwicklung fließende elektrische Strom innerhalb der Hochstromregion ist, ist die Amplitude des elektrischen Stroms höher als dann, wenn der elektrische Strom innerhalb der Niedrigstromregion ist. Daher beeinträchtigt die Erhöhung der Welligkeit des elektrischen Stroms aufgrund des Absenkens der Induktivität die Steuerbarkeit des elektrischen Stroms weniger. Dementsprechend ist es möglich, die Trägerfrequenz fc derart einzustellen, dass sie, wenn der in jeder Phasenwicklung fließende elektrische Strom innerhalb der Hochstromregion ist, niedriger ist als wenn der elektrische Strom innerhalb der Niedrigstromregion ist, wodurch ein Schaltverlust in den Wechselrichtern 101 und 102 reduziert wird.
Weiterhin können die nachfolgenden weiteren Modifikationen zusätzlich zu der folgenden Modifikation durchgeführt werden.
In dem in 32 gezeigten Prozess kann in dem Fall, dass die Trägerfrequenz fc auf die erste Frequenz fL eingestellt worden ist, wenn die Bestimmung in Schritt S10 zu einer „JA“-Antwort führt, die Trägerfrequenz fc allmählich von der ersten Frequenz fL auf die zweite Frequenz fH erhöht werden.
Wenn im Gegensatz dazu die Trägerfrequenz fc auf die zweite Frequenz fH eingestellt worden ist, kann, wenn die Bestimmung in Schritt S10 zu einer „NEIN“-Antwort führt, die Trägerfrequenz fc allmählich von der zweiten Frequenz fH auf die erste Frequenz fL verringert werden.
Die Betriebssignale zum Betreiben der Schalter können anstelle durch die PWM-Steuerung durch eine SVM- (Raumvektormodulations-) Steuerung erzeugt werden. In diesem Fall ist es ebenfalls möglich, den vorstehend beschriebenen Prozess des Variierens der Schaltfrequenz anzuwenden.
Neunte Modifikation
Gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen sind zwei Paare von elektrischen Leitern pro Phase vorgesehen, die die elektrischen Leitergruppen 81 bilden. Weiterhin sind, wie es in 33(a) gezeigt ist, erste und zweite elektrische Leiter 88a und 88b, von denen jeder aus einem Paar von elektrischen Leitern besteht, parallel zueinander geschaltet. Als eine Alternative können, wie es in 33(b) gezeigt ist, die ersten und zweiten elektrischen Leiter 88a und 88b in Reihe miteinander geschaltet sein.
Weiterhin können drei oder mehr Paare von mehrschichtigen elektrischen Leitern radial gestapelt werden. Beispielsweise veranschaulicht 34 eine Konfiguration, bei der erste, zweite, dritte und vierte elektrische Leiter 88a, 88b, 88c und 88d, die jeweils aus einem Paar von elektrischen Leitern bestehen, radial gestapelt sind. Genauer sind die ersten, zweiten, dritten und vierten elektrischen Leiter 88a, 88b, 88c und 88d in dieser Reihenfolge von der Seite des Statorkerns 52 derart angeordnet, dass sie in radialer Ausrichtung zueinander sind.
Weiterhin können, wie es in 33(c) gezeigt ist, die dritten und vierten elektrischen Leiter 88c und 88d parallel zueinander geschaltet sein, um eine Parallelschaltungseinheit zu bilden, wobei weiterhin die ersten und zweiten elektrischen Leiter 88a und 88b jeweils mit entgegengesetzten Enden der Parallelschaltungseinheit verbunden werden können. Mit der Parallelschaltung ist es möglich, die elektrische Stromdichte der parallel geschalteten elektrischen Leiter abzusenken, wodurch Wärme reduziert wird, die in diesen elektrischen Leitern während der Speisung davon erzeugt wird. Weiterhin sind in der Konfiguration, in der die hohlzylindrische Statorspule an dem Gehäuse (d.h. der Einheitsbasis 61) angebracht wird, das den Kühlwasserkanal 74 darin gebildet aufweist, die ersten und zweiten elektrischen Leiter 88a und 88b, die nicht parallel geschaltet sind, näher als die parallel geschalteten dritten und vierten elektrischen Leiter 88c und 88d an dem Statorkern 52 angeordnet, der an die Einheitsbasis 61 anstößt. Folglich wird es möglich, das Kühlleistungsvermögen der elektrischen Leiter 88a bis 88d in der mehrschichtigen Leiterstruktur anzugleichen.
Zusätzlich kann die radiale Dicke der elektrischen Leitergruppen 81, die aus den elektrischen Leitern 88a bis 88d bestehen, derart eingestellt werden, dass sie kleiner als die Umlaufsbreite pro Phase in jedem Magnetpol ist.
Zehnte Modifikation
Die rotierende elektrische Maschine 10 kann alternativ konfiguriert sein, eine Innenrotorstruktur (d.h. eine innere rotierende Struktur) aufzuweisen. In diesem Fall ist in dem Gehäuse 30 der Rotor 40 radial innerhalb des Stators 50 angeordnet. Weiterhin kann in diesem Fall die Wechselrichtereinheit 60 an einer oder beiden axialen Enden des Rotors 40 und des Stators 50 vorgesehen sein. 35 zeigt eine Querrichtungs-Querschnittsansicht sowohl des Rotors 40 als auch des Stators 50. 36 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Teils von 35.
Die Konfiguration der in 35 und 36 gezeigten rotierenden elektrischen Maschine 10 der Innenrotorbauart ist identisch zu der Konfiguration der in 8 und 9 gezeigten rotierenden elektrischen Maschine 10 der Außenrotorbauart mit der Ausnahme der radialen Positionsbeziehung zwischen dem Rotor 40 und dem Stator 50. Insbesondere weist in der rotierenden elektrischen Maschine 10 der Innenrotorbauart der Stator 50 ebenfalls eine Statorspule 51 mit einer flachen Leiterstruktur und einen zahnlosen Statorkern 52 auf. Die Statorspule 51 ist an dem radialen inneren Umfang des Statorkerns 52 angebracht. Weiterhin kann der Stator 50 irgendeine der nachfolgenden Konfigurationen (A) bis (C) wie in dem Fall der Außenrotorstruktur aufweisen.

(A) In dem Stator 50 sind Zwischenleiterelemente zwischen den elektrischen Leiterabschnitten in der Umlaufsrichtung vorgesehen. Die Zwischenleiterelemente sind aus einem magnetischen Material gebildet, das die nachfolgende Beziehung erfüllt: Wt × Bs ≤ Wm × Br, wobei Wt die Umlaufsbreite der Zwischenleiterelemente in jedem Magnetpol ist, Bs die Sättigungsflussdichte der Zwischenleiterelemente ist, Wm die Umlaufsbreite der Magneteinheit in jedem Magnetpol ist, und Br die Remanenzflussdichte der Magneteinheit ist.
(B) In dem Stator 50 sind Zwischenleiterelemente zwischen den elektrischen Leiterabschnitten in der Umlaufsrichtung vorgesehen. Die Zwischenleiterelemente sind aus einem nichtmagnetischen Material gebildet.
(C) In dem Stator 50 sind keine Zwischenleiterelemente zwischen den elektrischen Leiterabschnitten in der Umlaufsrichtung vorgesehen.

Weiterhin ist die Konfiguration der Magnete 91 und 92 der Magneteinheit 42 der rotierenden elektrischen Maschine der Innenrotorbauart ähnlich zu derjenigen in der rotierenden elektrischen Maschine der Außenrotorbauart. Das heißt, dass die Magneteinheit 42 mit den Magneten 91 und 92 konfiguriert ist, die jeweils derart orientiert sind, dass die Richtung der leichten Achse der Magnetisierung auf der d-Achsen-Seite stärker parallel zu der d-Achse als auf der q-Achsen-Seite ist, wobei die d-Achse die Mitten der Magnetpole repräsentiert, während die q-Achse die Grenzen zwischen den Magnetpolen repräsentiert. Die Einzelheiten der Magnetisierungsrichtungen in den Magneten 91 und 92 sind dieselben wie die vorstehend beschriebenen. Zusätzlich kann die Magneteinheit 42 alternativ mit einem ringförmigen Magneten 95 konfiguriert sein (siehe 30).
37 zeigt eine Längs-Querschnittsansicht der rotierenden elektrischen Maschine 10 der Innenrotorbauart, die der vorstehend beschriebenen 2 entspricht. Nachstehend sind die Unterschiede der Konfiguration gemäß 37 von der Konfiguration gemäß 2 kurz beschrieben. In der in 37 gezeigten rotierenden elektrischen Maschine 10 der Innenrotorbauart ist der ringförmige Stator 50 an dem inneren Umfang des Gehäuses 30 fixiert. Der Rotor 40 ist drehbar innerhalb des Stators 50 mit einem dazwischen gebildeten vorbestimmten Luftspalt vorgesehen. Der Rotor 40 wird in einer Auslegerweise über die Lager 21 und 22 gestützt, die auf einer axialen Seite der axialen Mittenposition des Rotors 40 angeordnet sind, wie bei der Konfiguration gemäß 2. Die Wechselrichtereinheit 60 ist innerhalb der Magnethalteeinrichtung 41 des Rotors 40 vorgesehen.
38 zeigt eine alternative Konfiguration der rotierenden elektrischen Maschine 10 der Innenrotorbauart. In dieser Konfiguration wird in dem Gehäuse 30 die Drehwelle 11 drehbar direkt durch die Lager 21 und 22 gestützt. Der Rotor 40 ist an der Drehwelle 11 fixiert. Die Lager 21 und 22 sind auf einer axialen Seite der axialen Mittenposition des Rotors 40 angeordnet, wie bei der Konfiguration gemäß 2. Der Rotor 40 weist die Magnethalteeinrichtung 41 und die Magneteinheit 42 auf.
Die in 38 gezeigte rotierende elektrische Maschine 10 unterscheidet sich von der in 37 gezeigten rotierenden elektrischen Maschine 10 dahingehend, dass keine Wechselrichtereinheit 60 radial innerhalb des Rotors 40 vorgesehen ist. Die Magnethalteeinrichtung 41 befindet sich radial innerhalb der Magneteinheit 42 und ist mit der Drehwelle 11 verbunden. Der Stator 50 weist die Statorspule 51 und den Statorkern 52 auf. Der Stator 50 ist an dem Gehäuse 30 montiert.
Elfte Modifikation
Eine weitere alternative Konfiguration der rotierenden elektrischen Maschine der Innenrotorbauart ist nachstehend beschrieben. 39 zeigt eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung einer rotierenden elektrischen Maschine 200 der Innenrotorbauart. 40 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht der rotierenden elektrischen Maschine 200 der Innenrotorbauart. Nachstehend bezeichnet die vertikale Richtung die vertikale Richtung in den 39 und 40.
Wie es in 39 und 40 gezeigt ist, weist die rotierende elektrische Maschine 200 einen Stator 203, der einen ringförmigen Statorkern 201 und eine mehrphasige Statorspule 202 aufweist, und einen Rotor 204 auf, der drehbar radial innerhalb des Statorkerns 201 angeordnet ist. Der Stator 203 fungiert als ein Anker, während der Rotor 204 als ein Feldsystem fungiert. Der Statorkern 201 ist durch Schichten einer Vielzahl von Siliziumstahlblechen gebildet. Die Statorspule 202 ist an dem Statorkern 201 montiert. Der Rotor 204 weist, obwohl es in den Figuren nicht gezeigt ist, einen Rotorkern und eine Magneteinheit auf, die aus einer Vielzahl von Permanentmagneten aufgebaut ist. In dem Rotorkern sind eine Vielzahl von Magneteinsetzöffnungen zu gleichen Intervallen in der Umlaufsrichtung gebildet. In jede der Magneteinsetzöffnungen ist eine der Permanentmagnete eingesetzt. Die Permanentmagnete sind derart magnetisiert, dass die Magnetisierungsrichtungen von benachbarten Magnetpolen sich abwechselnd ändern. Zusätzlich kann die Anordnung der Permanentmagnete der Magneteinheit dieselbe oder ähnlich zu der in 23 gezeigten Halbach-Anordnung (Halbach-Array) sein. Alternativ dazu können die Permanentmagneten der Magneteinheit polar-anisotrope Eigenschaften aufweisen, wie es in 9 oder 30 gezeigt ist, wobei die polar-anisotropen Eigenschaften derart sind, dass die Orientierungsrichtung (d.h. die Magnetisierungsrichtung) sich in einer Bogenform zwischen der d-Achse an der Mitte von jedem der Magnetpole und der q-Achse an der Grenze zwischen zwei benachbarten Magnetpolen erstreckt.
Der Stator 203 kann irgendeine der nachfolgenden Konfigurationen (A) bis (C) aufweisen.

(A) In dem Stator 203 sind Zwischenleiterelemente zwischen den elektrischen Leiterabschnitten in der Umlaufsrichtung vorgesehen. Die Zwischenleiterelemente sind aus einem magnetischen Material gebildet, das die nachfolgende Beziehung erfüllt: Wt × Bs ≤ Wm × Br, wobei Wt die Umlaufsbreite der Zwischenleiterelemente in jedem Magnetpol ist, Bs die Sättigungsflussdichte der Zwischenleiterelemente ist, Wm die Umlaufsbreite der Magneteinheit in jedem Magnetpol ist und Br die Remanenzflussdichte der Magneteinheit ist.
(B) In dem Stator 203 sind Zwischenleiterelemente zwischen den elektrischen Leiterabschnitten in der Umlaufsrichtung vorgesehen. Die Zwischenleiterelemente sind aus einem nichtmagnetischen Material gebildet.
(C) In dem Stator 203 sind keine Zwischenleiterelemente zwischen den elektrischen Leiterabschnitten in der Umlaufsrichtung vorgesehen.

In dem Rotor 204 ist die Magneteinheit mit den Permanentmagneten konfiguriert, bei denen die leichte Achse der Magnetisierung derart orientiert ist, dass die Richtung der leichten Achse der Magnetisierung auf der d-Achse stärker parallel zu der d-Achse als auf q-Achse-Seite ist.
An einem axialen Ende der rotierenden elektrischen Maschine ist ein ringförmiger Wechselrichterkasten 211 angeordnet, so dass eine untere Endoberfläche des Wechselrichterkastens 211 gegen eine obere Endoberfläche des Statorkerns 201 anstößt. In dem Wechselrichterkasten 211 sind vorgesehen: eine Vielzahl von Leistungsmodulen 212, die eine Wechselrichterschaltung bilden, ein Glättungskondensator 213 zur Unterdrückung von Spannungs-/Stromwelligkeiten, die durch den Schaltbetrieb der Halbleiterschaltelemente verursacht wird, ein Steuerungssubstrat 214 mit einer Steuerungseinrichtung, Stromsensoren 215 zur Erfassung von Phasenströmen und ein Resolverstator 216, der ein Statorteil eines Resolvers zur Erfassung der Drehgeschwindigkeit des Rotors 204 ist. Die Leistungsmodule 212 weisen die jeweiligen Halbleiterschaltelemente auf, die beispielsweise durch IGBTs und Dioden verwirklicht sind.
Auf einem Umfangsabschnitt des Wechselrichterkastens 211 sind ein Leistungsverbinder 217, der mit einer Gleichstromschaltung einer in einem Fahrzeug montierten Batterie verbunden ist, und ein Signalverbinder 218 vorgesehen, der zum Austausch verschiedener Signale zwischen der rotierenden elektrischen Maschine 200 und einer fahrzeugseitigen Steuerungseinrichtung verwendet wird. Das Wechselrichtergehäuse 211 ist durch eine obere Abdeckung 219 abgedeckt. Gleichstromleistung aus der fahrzeugeigenen Batterie wird über den Leistungsverbinder 217 eingegeben, in Wechselstromleistung durch Schalten der Leistungsmodule 212 umgewandelt, und jeder Phasenwicklung der Statorspule 202 zugeführt.
Auf einer zu dem Wechselrichterkasten 211 entgegengesetzten axialen Seite des Statorkerns 201 sind vorgesehen: eine Lagereinheit 211 zum drehbaren Stützen einer Drehwelle des Rotors 204 und ein ringförmiger hinterer Kasten 222, in dem die Lagereinheit 221 aufgenommen ist. Die Lagereinheit 221, die ein Paar von Lagern aufweist, ist an einer axialen Seite einer axialen Mittenposition des Rotors 204 angeordnet. Es sei bemerkt, dass die Lagereinheit 221 alternativ Lager aufweisen kann, die jeweils an entgegengesetzten axialen Seiten des Statorkerns 201 angeordnet sind, um die Drehwelle drehbar zu stützen. Die rotierende elektrische Maschine 200 ist konfiguriert, an einem Montageteil wie einem Getriebekasten oder einem Transmissionskasten des Fahrzeugs montiert zu werden, indem der hintere Kasten 222 an dem Montageteil durch Bolzen befestigt wird.
In dem Wechselrichterkasten 211 ist ein Kühlmittelkanal 211a gebildet, durch den ein Kühlmittel fließt. Der Kühlmittelkanal 211a ist aus einer ringförmigen Aussparung aufgebaut, die in der unteren Endoberfläche des Wechselrichterkastens 211 gebildet ist und durch die obere Endoberfläche des Statorkerns 201 geschlossen ist. Weiterhin ist der Kühlmittelkanal 211a derart gebildet, dass er ein Spulenende der Statorspule 202 umgibt. In dem Kühlmittelkanal 211a sind Modulkästen 212a der Leistungsmodule 212 eingesetzt. In dem hinteren Kasten 222 ist ein Kühlmittelkanal 222a derart gebildet, dass er das andere Spulenende der Statorspule 202 umgibt. Der Kühlmittelkanal 222a ist aus einer ringförmigen Aussparung aufgebaut, die in der oberen Endoberfläche des hinteren Kastens 222 gebildet ist und durch die untere Endoberfläche des Statorkerns 201 geschlossen ist.
Zwölfte Modifikation
Gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen und Modifikationen sind rotierende elektrische Maschinen der Bauart mit rotierendem Feld veranschaulicht. Im Gegensatz dazu veranschaulicht diese Modifikation eine rotierende elektrische Maschine 230 der Bauart mit rotierendem Anker. 41 zeigt die Konfiguration der rotierenden elektrischen Maschine 230 der Bauart mit rotierendem Anker.
In der in 41 gezeigten rotierenden elektrischen Maschine 230 weist jedes der Gehäuse 213a und 213b ein daran fixiertes Lager 232 auf. Eine Drehwelle 233 wird drehbar durch die Lager 232 gestützt. Zusätzlich können die Lager 232 beispielsweise durch ölhaltige Lager verwirklicht werden, die durch Imprägnieren von Öl in ein poröses Metall gebildet werden. An der Drehwelle 233 ist ein Rotor 234 fixiert, der als ein Anker fungiert. Der Rotor 234 weist einen Rotorkern 235 und eine mehrphasige Phasenrotorspule 236 auf, die an einem äußeren Umfang des Rotorkerns 235 fixiert ist. In dem Rotor 234 weist der Rotorkern 235 eine nutenlose Struktur auf und weist die Rotorspule 236 eine flache Leiterstruktur auf. Das heißt, dass die Rotorspule 236 eine flache Struktur derart aufweist, dass jede Region pro Phase in einer Umlaufsrichtung länger als in einer radialen Richtung ist.
An der radial äußeren Seite des Rotors 234 ist ein Stator 237 vorgesehen, der als ein Feldsystem fungiert. Der Stator 237 weist einen Statorkern 238, der an dem Gehäuse 231a fixiert ist, und eine Magneteinheit 239 auf, die an einem inneren Umfang des Statorkerns 238 fixiert ist. Die Magneteinheit 239 ist konfiguriert, eine Vielzahl von Magnetpolen aufzuweisen, deren Polaritäten in der Umlaufsrichtung abwechseln. Ähnlich zu der vorstehend beschriebenen Magneteinheit 42 ist die Magneteinheit 239 ebenfalls konfiguriert, die leichte Achse der Magnetisierung derart orientiert zu haben, dass die Richtung der leichten Achse der Magnetisierung auf der d-Achsen-Seite stärker parallel zu der d-Achse als auf der q-Achsen-Seite ist. Die Magneteinheit 239 weist gesinterte Neodymmagnete auf, deren intrinsische Koerzitivkraft gleich wie oder größer als 400kA/m ist und deren Remanenzflussdichte gleich wie oder größer als 1,0T ist.
Die rotierende elektrische Maschine 230 gemäß der vorliegenden Modifikation ist als ein kernloser Motor mit zwei Polen, drei Spulen und Bürsten konfiguriert. Die Rotorspule 236 ist in drei Unter-Spulen unterteilt, und die Magneteinheit 239 weist zwei Magnetpole auf. Zusätzlich weisen Bürstenmotoren in Abhängigkeit von der Anwendung verschiedene Verhältnisse der Anzahl von Polen zu der Anzahl von Spulen auf, wie 2:3, 4:10 und 4:21.
An die Drehwelle 233 ist ebenfalls ein Kommutator 241 fixiert. Auf der radial äußeren Seite des Kommutators 241 sind eine Vielzahl von Bürsten 242 angeordnet. Der Kommutator 241 ist elektrische mit der Rotorspule 236 über elektrische Leiter 243 verbunden, die in der Drehwelle 233 eingebettet sind. Folglich fließt über den Kommutator 241, den Bürsten 242 und den elektrischen Leitern 243 ein Gleichstrom in und aus der Rotorspule 236. Der Kommutator 241 ist in Umlaufsrichtung entsprechend der Anzahl der Phasen der Rotorspule 236 in eine Vielzahl von Kommutatorsegmenten unterteilt. Zusätzlich können die Bürsten 242 elektrisch mit einer Gleichstromleistungsversorgung wie einer Speicherbatterie über eine elektrische Verdrahtung oder einen Anschlussblock verbunden werden.
An der Drehwelle 233 ist, als ein Abdichtungselement, eine Harz-Zwischenscheibe zwischen dem Kommutator 241 und dem Lager 232 vorgesehen. Mit der Harz-Zwischenscheibe 244 wird ein Herausfließen von Öl, das aus dem Lager 232 leckt, das durch ein ölhaltiges Lager verwirklicht ist, auf die Seite des Kommutators 241 unterdrückt.
Dreizehnte Modifikation
In den rotierenden elektrischen Maschinen 10 gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen und Modifikationen können die elektrischen Leiter 232, die die Statorspule 51 bilden, derart konfiguriert sein, dass sie eine Vielzahl von Isolierbeschichtungen aufweisen. Beispielsweise kann jede der elektrischen Leiter 82 gebildet werden, indem eine Vielzahl von Drähten, die jeweils eine Isolierbeschichtung aufweisen, in ein Drahtbündel gebündelt wird, und dann das Drahtbündel mit einer äußeren isolierenden Beschichtung abgedeckt wird. In diesem Fall bilden die isolierenden Beschichtungen, die jeweils die Drähte abdecken, innere isolierende Beschichtungen in Bezug auf die äußere isolierende Beschichtung, die das gesamte Drahtbündel abdeckt. Weiterhin ist es vorzuziehen, die äußere isolierende Beschichtung derart zu konfigurieren, dass sie eine höhere Isolierfähigkeit als die inneren Isolierbeschichtungen aufweist. Insbesondere kann die äußere isolierende Beschichtung eine größere Dicke als die inneren isolierenden Beschichtungen aufweisen. Beispielsweise kann die Dicke der äußeren isolierenden Beschichtung auf 100µm eingestellt werden, während die Dicke von jeder der inneren isolierenden Beschichtungen auf 40µm eingestellt ist. Weiterhin kann die äußere isolierende Beschichtung aus einem Material mit einer niedrigeren Dielektrizitätskonstante als die inneren isolierenden Beschichtungen gebildet werden. Das heißt, dass durch Verwendung zumindest eines der vorstehend beschriebenen Verfahren die Isolierfähigkeit der äußeren Isolierbeschichtung derart eingestellt werden kann, dass sie höher als die Isolierbeschichtung der inneren Isolierbeschichtungen ist. Zusätzlich kann jeder der Drähte durch ein Aggregat einer Vielzahl von elektrischen leitenden Körpern gebildet werden.
Durch Einstellen der Isolierfähigkeit der äußeren Isolierbeschichtung derart, dass sie höher in jedem der elektrischen Leiter 82 ist, wird bewirkt, dass die rotierende elektrische Maschine 10 zu Verwendung in einem Hochspannungs-Fahrzeugsystem verwendbar ist. Weiterhin ist es möglich, die rotierende elektrische Maschine 10 in einer Gegend mit niedrigem Umgebungsdruck und hoher Höhe zu betreiben.
Vierzehnte Modifikation
Elektrische Leiter 82, die eine Vielzahl von Isolierbeschichtungen aufweisen, können derart konfiguriert sein, dass eine äußere Isolierbeschichtung und eine innere Isolierbeschichtung sich voneinander in linearen Expansionskoeffizienten und/oder Adhäsionsfestigkeit unterscheiden. 42 zeigt die Konfiguration der elektrischen Leiter 82 gemäß der vorliegenden Modifikation.
Wie es in 42 gezeigt ist, weist in dieser Modifikation jeder der elektrischen Leiter 82 mehrere (beispielsweise vier) Drähte 181, eine aus Harz hergestellte äußere Beschichtung 182 (d.h. eine äußere Isolierbeschichtung), die die Gesamtheit der Vielzahl der Drähte 181 abdeckt, und eine Zwischenschicht 183, (d.h. eine Zwischen-Isolier-Beschichtung) auf, die um jeden der Drähte 181 innerhalb der äußeren Beschichtung 182 gefüllt ist. Jeder der Drähte 181 weist einen Drahtkörper 181a, der aus Kupfer gebildet ist, und eine Drahtbeschichtung 181b (d.h. eine innere Isolierbeschichtung) auf, die aus einem Isoliermaterial gebildet ist und den Drahtkörper 181a abdeckt. In der Statorspule ist die Zwischenphasenisolierung durch die äußeren Beschichtungen 182 der elektrischen Leiter 82 hergestellt. Zusätzlich kann jeder der Drähte 181 aus einem Aggregat einer Vielzahl von elektrisch leitenden Körpern gebildet sein.
In jedem der elektrischen Leiter 82 weist die Zwischenschicht 183 einen linearen Expansionskoeffizienten auf, der höher als ein linearer Expansionskoeffizient der Drahtbeschichtungen 181b der Drähte 181 ist und niedriger als ein linearer Expansionskoeffizient der äußeren Beschichtung 182 ist. Das heißt, dass in jedem der elektrischen Leiter 82 der lineare Expansionskoeffizient einer Vielzahl von Isolierbeschichtungen sich von der inneren Seite zu der äußeren Seite hin erhöhen. Im Allgemeinen ist der lineare Expansionskoeffizient der äußeren Beschichtungen182 höher als der lineare Expansionskoeffizient der Drahtbeschichtungen 181b. Durch Anordnen der Zwischenschicht 183 zwischen den Drahtbeschichtungen 181b und der äußeren Beschichtung 182 und Einstellen des linearen Expansionskoeffizienten der Zwischenschicht 183 wie vorstehend beschrieben, kann die Zwischenschicht 183 als ein Dämpfungselement fungieren, das die Drahtbeschichtungen 181b und die äußere Beschichtung 182 gleichzeitig beschädigt werden können.
In jedem der elektrischen Leiter 82 ist die Drahtbeschichtung 181b an den Drahtkörper 181a in jedem der Drähte 181 befestigt, und ist die Zwischenschicht 183 an sowohl an den Drahtbeschichtungen 181b der Drähte 181 als auch der äußeren Beschichtung 182 geklebt. Weiterhin verringern sich in jedem der elektrischen Leiter 82 die Adhäsionsfestigkeiten von der inneren Seite zu der äußeren Seite hin. Insbesondere ist die Adhäsionsfestigkeit zwischen dem Drahtkörper 181a und der Drahtbeschichtung 181b in jedem der Drähte 181 höher als sowohl die Adhäsionsfestigkeit zwischen den Drahtbeschichtungen 181b der Drähte 181 und der Zwischenschicht 183 sowie der Adhäsionsfestigkeit zwischen der Zwischenschicht 83 und der äußeren Beschichtung 182. Weiterhin ist die Adhäsionsfestigkeit zwischen den Drahtbeschichtungen 181b der Drähte 181 und der Zwischenschicht 183 gleich wie oder höher als die Adhäsionsfestigkeit zwischen der Zwischenschicht 183 und der äußeren Beschichtung 182. Zusätzlich kann die Adhäsionsfestigkeit zwischen zwei Isolierbeschichtungen auf der Grundlage der Zugkraft bestimmt werden, die erforderlich ist, sie voneinander loszureißen. Durch Einstellen der Adhäsionsfestigkeiten in jedem der elektrischen Leiter 82 wie vorstehend beschrieben worden ist, ist es, wenn eine Temperaturdifferenz zwischen den inneren und äußeren Seiten aufgrund von Erwärmen oder Kühlen auftritt, möglich, das Auftreten eines Reißens an sowohl den inneren als auch den äußeren Seiten gleichzeitig zu verhindern.
In der rotierenden elektrischen Maschine treten eine Wärmeerzeugung und eine Temperaturänderung hauptsächlich als Kupferverlust an den Drahtkörpern 181a der Drähte 181 in jedem der elektrischen Leiter 82 und als Eisenverlust im Kern auf. Das heißt, dass diese von zwei Arten von Verlusten an den Drahtkörpern 131 der Drähte 181 in jedem der elektrischen Leiter 82 oder außerhalb der elektrischen Leiter 82 auftreten, wobei es keine Wärmequelle in den Zwischenschichten 183 der elektrischen Leiter 82 gibt. In diesem Fall kann in jedem der elektrischen Leiter 82, mit den wie vorstehend beschrieb eingestellten Adhäsionsfestigkeiten, die Zwischenschicht 83 als ein Polsterelement fungieren kann, um zu verhindern, dass die Drahtbeschichtungen 181b der Drähte 181 und die äußere Beschichtung 182 gleichzeitig beschädigt werden. Daher kann die rotierende elektrische Maschine in geeigneter Weise in einer Umgebung verwende werden, in der es erforderlich ist, großen Druck und Temperaturänderungen zu wiederstehen, wie in einem Fahrzeug.
Jeder der Drähte 181 kann lackbeschichtet sein. In diesem Fall ist die Drahtbeschichtung 181b von jedem der Drähte 181 aus einem Harz wie PA-, PI-, oder PAI-Harz gebildet. Die äußere Beschichtung 182, die außerhalb der Drähte 181 vorgesehen ist, kann ebenfalls aus einem Harz wie PA-, PI- oder PAI-Harz gebildet sein. In diesem Fall ist es vorzuziehen, dass die äußere Beschichtung 182 eine größere Dicke als die Drahtbeschichtungen 181b der Drähte 181 aufweist, folglich ist es möglich, zu verhindern, dass die Isolierbeschichtungen aufgrund der Differenz der linearen Ausdehnungskoeffizienten beschädigt werden. Demgegenüber ist es im Hinblick auf die Verbesserung der Leiterdichte der rotierenden elektrischen Maschine vorzuziehen, die äußere Beschichtung 182 mit einem Harz zu bilden, das eine niedrigere dielektrische Konstante als PA-, PI- oder PAI-Harz aufweist, wie ein PPS-, PEEK-, Fluor-, Polycarbonat-, Silikon-, Epoxy-, Polyethylen-Naphthalat- oder LCP-Harz. In diesem Fall ist es mit der kleineren oder der gleichen Dicke der äußeren Beschichtung 182 im Vergleich zu dem Fall der Verwendung von PA-, PI- oder PAI-Harz möglich, die Isolierfähigkeit der äußeren Beschichtung 182 zu verbessern, wodurch die Raumfaktoren der elektrischen Leiterabschnitte verbessert werden. Im Allgemeinen weisen die vorstehend beschriebenen Harze eine höhere Isolierfähigkeit als durch Lack gebildete Isolierbeschichtungen auf. Selbstverständlich kann die Durchlässigkeit in Abhängigkeit von dem Formungszustand und von Verunreinigungen verschlechtert werden. Unter den vorstehend beschriebenen Harzen ist insbesondere ein PPS- oder PEEK-Harz, dessen linear Ausdehnungskoeffizient höher als diejenigen der aus Lack gebildeten Isolierbeschichtungen, jedoch niedriger als diejenigen anderer Harze ist, zum Bilden der äußeren Beschichtung der zweiten Schicht geeignet.
Weiterhin ist es vorzuziehen, dass die Adhäsionsfestigkeiten zwischen den zwei Arten von Isolierbeschichtungen (d.h. der Zwischenisolierbeschichtung und der äußeren Isolierbeschichtung), die außerhalb der Drähte 181 vorgesehen sind, und den durch Lack gebildeten Isolierbeschichtungen der Drähte 181 niedriger als die Adhäsionsfestigkeit zwischen dem Kupferdraht und der aus Lack gebildeten Isolierbeschichtung in jeder der Drähte 181 ist. Folglich ist es möglich, zu verhindern, dass die durch Lack gebildeten Isolierbeschichtungen der Drähte 181 und die zwei Arten der Isolierbeschichtungen, die außerhalb der Drähte 181 vorgesehen sind, gleichzeitig beschädigt werden.
In dem Fall eines Stators, der eine wassergekühlte, flüssigkeitsgekühlte oder luftgekühlte Struktur aufweist, wird im Wesentlichen in Betracht gezogen, dass eine thermische Spannung und/oder eine Aufprallspannung zuerst auf die äußere Beschichtung 182 einwirkt. Jedoch ist es, selbst wenn die Drahtbeschichtungen 181b der Drähte 181 aus unterschiedlichem Harz aus den zwei Typen von Isolierbeschichtungen gebildet sind, die außerhalb der Drähte 181 vorgesehen sind, möglich, zu bewirken, dass Abschnitte der Drähte 181 nicht an die zwei Arten von Isolierbeschichtungen geklebt werden, wodurch die vorstehend beschriebene thermische Spannung und/oder Aufprallspannung reduziert wird. Insbesondere kann die äußere Beschichtung 182 unter Verwendung von Fluor, Polykarbonat, Silizium, Epoxid, Polyethylen-Naphthalat oder LCP-Harz außerhalb der Drähte 181 mit einem Freiraum gebildet werden, der zwischen den Drähten 181 und der äußeren Beschichtung 182 vorgesehen ist. In diesem Fall ist es vorzuziehen, die äußere Beschichtung 182 und die Drahtbeschichtungen 181b der Drähte 181 miteinander unter Verwendung eines Klebemittels zu bonden, das eine niedrige Durchlässigkeit und einen niedrigen linearen Expansionskoeffizienten aufweist, wie ein Epoxidklebemittel. In diesem Fall ist es möglich, die mechanische Festigkeit zu verbessern, eine Beschädigung der inneren und äußeren Isolierbeschichtungen aufgrund von Reibung, die durch Vibrationen der elektrischen Leiterabschnitte verursacht wird, zu verhindern, und zu verhindern, dass die äußere Isolierbeschichtung aufgrund der Differenz im linear Expansionskoeffizienten zwischen den inneren und äußeren Isolierbeschichtungen beschädigt wird.
Zusätzlich ist es in dem Schritt des Fixierens des elektrischen Leiters 82, der im Allgemeinen als ein letzter Isolierschritt des Herstellungsprozesses des Stators durchgeführt wird, vorzuziehen, ein Harz mit einer exzellenten Formbarkeit und ähnlichen Eigenschaften (Durchlässigkeit, linear Expansionskoeffizient usw.) wie die durch Lack gebildeten Isolierbeschichtungen zu verwenden, wie ein Epoxid-, PPS-, PEEK- oder LCP-Harz. Im Allgemeinen wird ein Harzverguss unter Verwendung von Urethan- oder Silikonharz durchgeführt. Jedoch weisen diese Harze einen linearen Expansionskoeffizienten auf, der sich deutlich von denjenigen der anderen verwendeten Harze unterscheidet, deshalb kann eine thermische Spannung induziert werden, die diese Harze scheren kann. Daher sind diese Harze nicht für Anwendungen von 60V oder höher geeignet, bei denen strikte Isolierregulierungen international auferlegt sind. In dieser Hinsicht ist es durch Durchführung von Einspritzgießen mit einem Epoxid-, PPS-, PEEK- oder LCP-Harz als dem letzten Isolierschritt möglich, die vorstehend beschriebenen Erfordernisse zu erfüllen.
Andere Modifikationen sind nachstehend beschrieben.
Die radiale Distanz DM von der ankerseitigen Oberfläche der Magneteinheit 42 zu der Achse des Rotors kann derart eingestellt werden, dass sie gleich wie oder größer als 50mm ist. Insbesondere kann, wie es beispielsweise in 4 gezeigt ist, die radiale Distanz DM von der radial inneren Oberfläche der Magneteinheit 42 (genauer den radial inneren Oberflächen der ersten und zweiten Magnete 91 und 92) zu der Achse des Rotors 40 derart eingestellt werden, dass sie gleich wie oder größer als 50mm ist.
Als nutenlose rotierende elektrische Maschine sind kleine rotierende elektrische Maschinen bekannt, deren Ausgangsleistungen von einigen zehn Watt bis einigen hundert Watt reichen und die für Modellanwendungen verwendet werden. Jedoch hat der Erfinder der vorliegenden Anmeldung keine Beispiele gefunden, bei denen große rotierende elektrische Maschinen für industrielle Anwendungen, deren Ausgangsleistungen im Allgemeinen 10kW überschreiten, eine nutenlose Struktur anwenden. Daher hat der Erfinder die Gründe untersucht.
Aktuelle rotierende elektrische Maschinen können in die folgenden vier Arten unterteilt werden: Bürstenmotoren, Käfigläuferinduktionsmotoren, Permanentmagnet-Synchronmotoren und Reluktanzmotoren.
Den Bürstenmotoren wird Erregungsstrom über Bürsten zugeführt. Jedoch sind in dem Fall von großen Bürstenmotoren die Größen der Bürsten groß und ist die Wartung schwierig. Daher wurden mit deutlichen Entwicklungen in Halbleitertechnologien große Bürstenmotoren mit bürstenlosen Motoren wie Induktionsmotoren ersetzt. Demgegenüber wenden einige kleine Bürstenmotoren eine kernlose Struktur aufgrund von niedriger Trägheit und ökonomischen Vorteilen an.
Käfigläuferinduktionsmotoren erzeugen Drehmoment dadurch, dass es ein Magnetfeld, das durch eine primärseitige Statorspule erzeugt wird, durch einen sekundärseitigen Rotorkern empfangen wird und bewirkt wird, dass ein induzierter Strom auf einem käfigförmigen elektrischen Leiter konzentriert wird, um ein Gegenwirken des Magnetfelds zu erzeugen. Daher ist ein Konfigurieren sowohl des Rotors als auch des Stators derart, dass kein Kern enthalten ist, im Hinblick auf eine Minimierung der Größen und eine Verbesserung des Wirkungsgrads von Käfigläuferinduktionsmotoren nicht notwendigerweise vorteilhaft.
Reluktanzmotoren erzeugen Drehmoment unter Ausnutzen der Reluktanzänderung in einem Kern. Daher ist es im Hinblick auf die Grundprinzipien unterwünscht, den Kern zu eliminieren.
In Bezug auf Permanentmagnetsynchronmotoren sind IPM-(Innenpermanentmagnet-) Motoren, die in letzter Zeit hauptsächlich verwendeten Motoren. Daher sind, solange es keine speziellen Gründe gibt, große Permanentmagnetsynchronmotoren in den meisten Fällen IPM-Motoren.
IPM-Motoren können sowohl Magnetdrehmoment als auch Reluktanzdrehmoment erzeugen. Weiterhin werden IPM-Motoren mit einem Verhältnis zwischen den erzeugten Magnet- und Reluktanzdrehmomenten betrieben, das in geeigneter Weise durch eine Wechselrichtersteuerung justiert wird. Daher weisen die IPM-Motoren eine kleine Größe auf und sind überragend in der Steuerbarkeit.
Entsprechend einer Analyse durch den Erfinder der vorliegenden Anmeldung sind die Beziehungen zwischen Magnetendrehmoment, Reluktanzdrehmoment und der radialen Distanz DM von der ankerseitigen Oberfläche der Magneteinheit 42 zu der Achse des Rotors (d.h. der Radius des Statorkerns in dem Fall, dass die rotierende elektrische Maschine von einer Innenrotorbauart ist), wie in 43 gezeigt.
Das Magnetdrehmoment weist ein Potential auf, das durch die Stärke des Magnetfeldes bestimmt ist, das durch die Permanentmagnete erzeugt wird, wie es in der nachfolgenden Gleichung (eq1) gezeigt ist. Im Gegensatz dazu weist das Reluktanzdrehmoment dessen Potential auf, dass durch die Amplituden der Induktivität insbesondere der Amplitude der q-Achse-Induktivität bestimmt ist, wie es in der nachfolgenden Gleichung (eq2) gezeigt ist. $Magnetdrehmoment = k ψ Iq$
$Reluktanzdrehmoment = k (Lq - Ld) Iq Id$
Dabei wird ein Vergleich zwischen der Stärke des Magnetfeldes, das durch die Permanentmagnete erzeugt wird, und den Amplituden der Induktivitäten der Spule unter Verwendung der radialen Distanz DM gemacht. Die Stärke des Magnetfeldes, das durch die Permanentmagnete erzeugt wird, d.h. die Größe von Magnetfluss Ψ ist proportional zu der Gesamtfläche der Oberfläche der Permanentmagnete, die dem Stator zugewandt sind. In dem Fall, dass der Rotor eine zylindrische Form aufweist, ist die Gesamtfläche der Oberfläche durch die Fläche der Oberfläche des Zylinders repräsentiert. Genauer gesagt ist aufgrund des Vorhandenseins der N- und S-Pole die Größe des Magnetflusses Ψ proportional zu der Hälfte der Fläche der Oberfläche des Zylinders. Weiterhin ist die Fläche der Oberfläche des Zylinders proportional zu sowohl dem Radius des Zylinders als auch der Länge des Zylinders. Das heißt, dass bei konstanter Länge des Zylinders die Größe des Magnetflusses Ψ proportional zu dem Radius des Zylinders ist.
Demgegenüber hängt die Induktivität Lq der Spule von der Kernform ab, jedoch weniger empfindlich. Die Induktivität Lq ist proportional zu dem Quadrat der Anzahl der Windungen der Statorspule, das heißt, stark abhängig von der Anzahl der Windungen der Statorspule. Weiterhin kann die Induktivität L durch die nachfolgende Gleichung bestimmt werden: L = µ × N2 × S/δ, wobei µ die Permeabilität des Magnetkreises ist, N die Anzahl der Windungen ist, S die Querschnittsfläche des Magnetkreises ist, und δ die effektive Länge des Magnetkreises ist. Die Anzahl der Windungen der Spule hängt von dem Volumen des Spulenraums ab. Im dem Fall, dass die rotierende elektrische Maschine ein zylindrischer Motor ist, hängt die Anzahl der Windungen von dem Spulenraum ab, d.h. hängt von der Nutenfläche ab. Wie es in 44 gezeigt ist, ist in dem Fall, dass die Nuten eine im Wesentlichen rechteckige Form aufweisen, die Nutenfläche proportional zu dem Produkt der Umlaufsabmessung a und der radialen Abmessung b jeder Nut (d.h. a × b).
Die Umlaufsabmessung von jeder Nut erhöht sich proportional zu dem Durchmesser des Zylinders. Die radiale Abmessung von jeder Nut erhöht sich ebenfalls proportional zu dem Durchmesser des Zylinders. Daher ist die Nutenfläche proportional zu dem Quadrat des Durchmessers des Zylinders. Weiterhin ist, wie es aus der vorstehenden (eq2) ersichtlich ist, das Reluktanzdrehmoment proportional zu dem Quadrat des Statorstroms. Daher hängt das Leistungsvermögen der rotierenden elektrischen Maschine von der Amplitude des Statorstroms und somit von der Nutenfläche des Stators ab. Wie es vorstehend beschrieben worden ist, ist bei konstanter Länge des Zylinders das Reluktanzdrehmoment proportional zu dem Quadrat des Durchmessers des Zylinders. Die Beziehungen zwischen dem Magnetdrehmoment, dem Reluktanzdrehmoment und der radialen Distanz DM werden auf der Grundlage der vorstehend beschriebenen Beobachtungen bestimmt und sind in 43 veranschaulicht.
Wie aus 43 hervorgeht, erhöht sich das Magnetdrehmoment linear mit der radialen Distanz DM, wohingegen sich das Reluktanzdrehmoment quadratisch mit der radialen Distanz DM erhöht. Wenn die radiale Distanz DM relativ klein ist, ist das Magnetdrehmoment dominant. Jedoch wird mit Erhöhung der radialen Distanz DM das Reluktanzdrehmoment dominant. Der Erfinder der vorliegenden Anmeldung hat geschlossen, dass der Schnittpunkt zwischen dem Magnetdrehmoment und dem Reluktanzdrehmoment in 43 in der Nähe von DM gleich 50mm unter vorbestimmten Bedingungen ist. Das heißt, dass bei Elektromotoren der 10kW-Klasse, bei denen der Statorkernradius 50mm ausreichend überschreitet, die gegenwärtig vorherrschende Technik darin besteht, dass Reluktanzdrehmoment auszunutzen, daher ist es schwierig, den Kern zu eliminieren. Dies kann als eine der Gründe betrachtet werden, warum die nutenlose Struktur in großen rotierenden elektrischen Maschinen nicht angewendet wird.
In dem Fall von rotierenden elektrischen Maschinen mit einem Statorkern ist magnetische Sättigung des Statorkerns stets ein zu lösendes Problem. Insbesondere weist in rotierenden elektrischen Maschinen der Bauart mit radialem Spalt die rotierende Welle einen Längs-Querschnitt, der einen fächerförmigen Sektor pro Magnetpol aufweist. Die Magnetpfadbreite verringert sich in einer radial nach innen gerichteten Richtung und die Leistungsvermögensgrenze der rotierenden elektrischen Maschine wird durch die radial innerseitigen Abmessungen der Statorzähne, die die Nuten bilden, bestimmt. Selbst wenn Hochleistungs-Permanentmagnete angewendet werden, wird es bei Auftreten von magnetischer Sättigung an radial inneren Abschnitten der Statorzähne unmöglich, das hohe Leistungsvermögen der Permanentmagnete ausreichend zu nutzen. Um ein Auftreten einer magnetischen Sättigung an den radial inneren Abschnitten der Statorzähne zu verhindern, ist es notwendig, den Innendurchmesser des Statorkerns zu erhöhen. Jedoch wird mit Erhöhung des Innendurchmessers des Statorkerns die Größe der gesamten rotierenden elektrischen Maschine erhöht.
Beispielsweise sind in einer rotierenden elektrischen Maschine mit verteilter Wicklung, die eine Drei-Phasen-Spule aufweist, für jeden Magnetpol drei bis sechs Zähne vorgesehen, durch die Magnetfluss fließt. Jedoch tendiert der Magnetfluss dazu, sich auf diejenigen der Zähne zu konzentrieren, die sich auf der vorderen Seite in der Umlaufsrichtung befinden, das heißt, dass der Magnetfluss ungleichmäßig auf die drei bis sechs Zähne verteilt wird. In diesem Fall wird der Magnetfluss auf einige (auf beispielsweise einen oder zwei) der drei bis sechs Zähne konzentriert; mit der Drehung des Rotors bewegen sich die magnetisch gesättigten Zähne ebenfalls in die Umlaufsrichtung, was das Auftreten einer Nutenwelligkeit (Nuten-Ripple) verursacht.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, ist es in nutenlosen rotierenden elektrischen Maschinen, in denen die radiale Distanz DM gleich wie oder größer als 50mm ist, zur Vermeidung des Auftretens von magnetischer Sättigung wünschenswert, die Zähne zu beseitigen. Jedoch kann, wenn die Zähne beseitigt werden, sich eine magnetische Reluktanz des Magnetkreises in dem Rotor und dem Stator erhöhen, wodurch das Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine abgesenkt wird. Dies liegt daran, dass ohne Zähne der Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator sich erhöhen kann. Daher gibt es keinen Raum zur Erhöhung von Drehmoment in nutenlosen rotierenden elektrischen Maschinen, wenn die radiale Distanz DM gleich wie oder größer als 50mm ist. Folglich können signifikante Vorteile erzielt werden, indem die vorstehend beschriebenen drehmomenterhöhenden Konfigurationen bei nutenlosen rotierenden elektrischen Maschinen angewendet werden, bei denen die radiale Distanz DM gleich wie oder größer als 50mm ist.
Zusätzlich kann nicht nur in rotierenden elektrischen Maschinen der Außenrotorbauart, sondern ebenfalls in rotierenden elektrischen Maschinen der Innenrotorbauart die radiale Distanz DM von der ankerseitigen Oberfläche der Magneteinheit bis zu der Achse des Rotors vorzugsweise derart eingestellt werden, dass sie gleich wie oder größer als 50mm ist.
In der Statorspule 51 der rotierenden elektrischen Maschinen 10 können die geraden Abschnitte 83 der elektrischen Leiter 82 in einer einzelnen Schicht in der radialen Richtung angeordnet werden. Andernfalls kann in dem Fall, dass die geraden Abschnitte 83 der elektrischen Leiter 82 in einer Vielzahl von Schichten in der radialen Richtung angeordnet werden, die Anzahl der Schichten auf eine beliebige Anzahl wie 3, 4, 5, oder 6 eingestellt werden.
In der in 2 gezeigten Konfiguration springt die Drehwelle 11 zu beiden axialen Seiten der rotierenden elektrischen Maschine 10 vor. Als eine Alternative kann die Drehwelle 11 zu lediglich einer axialen Seite der rotierenden elektrischen Maschine 10 vorspringen. Beispielsweise kann die Drehwelle 11 einen Endabschnitt aufweisen, der in einer Auslegerweise durch die Lagereinheit 20 gestützt wird, wobei der Rest der Drehwelle 11 auf der zu der Wechselrichtereinheit 60 entgegengesetzten axialen Seite der Lagereinheit 20 axial nach außen von der rotierenden elektrischen Maschine 10 vorspringt. In diesem Fall springt die Drehwelle 11 nicht innerhalb der Wechselrichtereinheit 60 vor. Folglich wird der verfügbare Innenraum der Wechselrichtereinheit 60, genauer der verfügbare Innenraum des zylindrischen Abschnitts 71 erhöht.
In der rotierenden elektrischen Maschine 10, die wie vorstehend beschrieben konfiguriert ist, wird eine elektrisch nichtleitende Schmierung in den Lagern 21 und 22 verwendet. Als eine Alternative kann eine elektrisch leitende Schmierung in den Lagern 21 und 22 verwendet werden. Beispielsweise kann eine elektrisch leitende Schmierung, die Metallpartikel oder Kohlenstoffpartikel enthält, in den Lagern 21 und 22 verwendet werden.
Die Drehwelle 11 kann drehbar durch Lager gestützt werden, die an zwei Orten jeweils auf entgegengesetzten axialen Seiten des Rotors 40 vorgesehen sind. Insbesondere kann in der in 1 gezeigten Konfiguration die Drehwelle 11 alternativ drehbar durch Lager gestützt werden, die an zwei Orten jeweils auf entgegengesetzten axialen Seiten der Wechselrichtereinheit 60 vorgesehen sind.
In der rotierenden elektrischen Maschine 10, die wie vorstehend beschrieben konfiguriert ist, weist der Zwischenabschnitt 45 der Magnethalteeinrichtung 41 des Rotors 40 sowohl den ringförmigen inneren Schulterteil 49a als auch den ringförmigen äußeren Schulterteil 49b auf, die darin gebildet sind. Als eine Alternative kann der Zwischenabschnitt 45 derart konfiguriert sein, dass er eine flache Oberfläche ohne die darauf gebildeten Schulterteile 49a und 49b aufweist.
In der rotierenden elektrischen Maschine 10, die wie vorstehend beschrieben konfiguriert ist, weist jeder der elektrischen Leiter 82, die die Statorspule 51 bilden, den Leiterkörper 82a auf, der aus einem Bündel von Drähten 86 aufgebaut ist. Als eine Alternative kann jeder der elektrischen Leiter 82 mit einem einzelnen flachen Draht konfiguriert sein, der eine rechteckige Querschnittsform aufweist. Als eine weitere Alternative kann jeder der elektrischen Leiter 82 mit einem einzelnen runden Draht konfiguriert sein, der eine kreisförmige oder elliptische Querschnittsform aufweist.
In der rotierenden elektrischen Maschine 10, die wie vorstehend beschrieben konfiguriert ist, ist die Wechselrichtereinheit 60 radial innerhalb des Stators 50 vorgesehen. Als eine Alternative kann die Wechselrichtereinheit nicht radial innerhalb des Stators 50 vorgesehen sein. In diesem Fall kann der Innenraum des Stators 50, der durch die Wechselrichtereinheit 60 belegt war, als ein hohler Raum verbleiben oder durch eine andere Komponente als die Wechselrichtereinheit 60 belegt werden.
In der rotierenden elektrischen Maschine 10, die wie vorstehend beschrieben konfiguriert ist, kann das Gehäuse 30 von der Konfiguration der rotierenden elektrischen Maschine 10 weggelassen werden. In diesem Fall können sowohl der Rotor 40 als auch der Stator 50 beispielsweise durch ein Rad oder andere Fahrzeugkomponenten gehalten werden.
Ausführungsbeispiel als Fahrzeuginnenradmotor
Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel beschrieben, gemäß dem eine rotierende elektrische Maschine als ein Innenradmotor vorgesehen ist, der in einem Rad eines Fahrzeugs eingebaut ist. 45 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Rads 400, das eine Innenradmotorstruktur aufweist, und deren umgebenden Strukturen. 46 zeigt eine Längs-Querschnittsansicht des Rads 400 und dessen umgebende Strukturen. 47 zeigt eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung des Rads 400. Es sei bemerkt, dass jede von diesen Figuren das Rad 400 von innerhalb des Fahrzeugs aus betrachtet zeigt. Zusätzlich kann in dem Fahrzeug die Innenradmotorstruktur gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in verschiedenen Arten angewendet werden. Beispielsweise kann in dem Fall, dass das Fahrzeug zwei Vorderräder und zwei Hinterräder aufweist, die Innenradmotorstruktur gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel lediglich bei den zwei Vorderrädern, lediglich bei den zwei Hinterrädern oder bei allen vier Rädern angewendet werden. Weiterhin kann die Innenradmotorstruktur gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ebenfalls bei dem Fall angewendet werden, bei dem das Fahrzeug an zumindest einer der vorderen und hinteren Seiten lediglich ein einzelnes Rad aufweist. Zusätzlich wird gemäß diesen Beispielen der Innenradmotor als eine Fahrzeugantriebseinheit angewendet.
Wie es in 45 bis 47 gezeigt ist, weist das Rad 400 einen Reifen 401, das heißt beispielsweise einen allgemein bekannten pneumatischen Reifen, eine Felge 402, die an dem radial inneren Umfang des Rads 401 fixiert ist, und die rotierende elektrische Maschine 500 auf, die an dem radial inneren Umfang der Felge 402 fixiert ist. Die rotierende elektrische Maschine 500 weist einen festen Teil, der einen Stator aufweist, und einen rotierenden Teil auf, der einen Rotor aufweist. Der feste Teil ist an der Fahrzeugkörperseite fixiert, während der rotierende Teil an der Felge 402 fixiert ist. Mit Drehung des rotierenden Teils drehen sich ebenfalls der Reifen 401 und die Felge 402. Zusätzlich ist die Konfiguration der rotierenden elektrischen Maschine 500 mit dem festen Teil und dem rotierenden Teil später ausführlich beschrieben.
Weiterhin sind an dem Rad 400 als eine periphere Ausrüstung einer Aufhängungsvorrichtung zum Halten des Rads 400 in Bezug auf den nicht gezeigten Fahrzeugkörper, eine Lenkvorrichtung zum Variieren der Orientierung des Rads 400 und eine Bremsvorrichtung zur Durchführung eines Bremsens des Rads 400 montiert.
Die Aufhängungsvorrichtung ist eine unabhängige Aufhängungsvorrichtung. Die Aufhängungsvorrichtung kann von irgendeiner geeigneten Bauart wie einer Längslenkerbauart, einer Federbeinbauart, einer Querlenkerbauart oder einer mehrgliedrigen Bauart sein. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Aufhängungsvorrichtung einen unteren Arm 411, der sich zu der Fahrzeugkörpermitte erstreckt, und einen Aufhängungsarm 412 sowie eine Feder 413 auf, die beide derart orientiert sind, dass sie sich in der vertikalen Richtung erstrecken. Der Aufhängungsarm 412 kann beispielsweise als ein Stoßdämpfer konfiguriert sein. Es sei bemerkt, dass die Einzelheiten des Aufhängungsarms 412 in den Figuren nicht gezeigt sind. Der untere Arm 411 und der Aufhängungsarm 412 sind jeweils mit der Fahrzeugkörperseite als auch mit einer kreisförmigen Basisplatte 405 verbunden, die an dem festen Teil der rotierenden elektrischen Maschine 500 fixiert ist. Wie es in 46 gezeigt ist, sind auf der Seite der rotierenden elektrischen Maschine 500 (oder der Seite der Basisplatte 405) der untere Arm 411 und der Aufhängungsarm 412 durch Stützwellen 414 und 415 derart gestützt, dass sie koaxial miteinander sind.
Die Lenkvorrichtung kann beispielsweise einen Zahnstangenmechanismus, einen Kugelmuttermechanismus, ein hydraulisches Servolenksystem oder eine elektrisches Servolenksystem anwenden. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Lenkvorrichtung eine Zahnstangenvorrichtung 421 und eine Spurstange 422 auf. Die Zahnstangenvorrichtung 421 ist über die Spurstange 422 mit der Basisplatte 405 auf der Seite der rotierenden elektrischen Maschine 500 verbunden. Auf diese Weise arbeitet die Zahnstangenvorrichtung 421 mit der Drehung einer nichtgezeigten Lenkwelle dazu, zu bewirken, dass die Spurstange 422 sich in der seitlichen Richtung des Fahrzeugs bewegt. Folglich wird das Rad 400 um die Stützwelle 414 und 415 des unteren Arms 411 und des Aufhängungsarms 412 gedreht, wodurch die Orientierung des Rads 400 geändert wird.
Es ist vorzuziehen, dass die Bremsvorrichtung eine Scheibenbremse oder eine Trommelbremse anwendet. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Bremsvorrichtung einen Scheibenrotor 431, der an der Drehwelle 501 der rotierenden elektrischen Maschine 500 fixiert ist, und einen Bremssattel 432 auf, der an der Basisplatte 405 auf der Seite der rotierenden elektrischen Maschine 500 fixiert ist. In dem Bremssattel 432 werden Bremsbeläge hydraulisch betätigt, um auf den Scheibenrotor 431 gedrückt zu werden, wodurch eine Bremskraft durch Reibung erzeugt wird. Folglich wird mit der erzeugten Bremskraft die Drehung des Rads 400 gestoppt.
Weiterhin ist an dem Rad 400 eine Aufnahmeführung 440 montiert, die eine elektrische Verdrahtung H1 und ein Kühlwasserrohr H2 aufnimmt, die sich beide von der rotierenden elektrischen Maschine 500 erstrecken. Die Aufnahmeführung 440 erstreckt sich von deren Ende auf der Seite des festen Teils der rotierenden elektrischen Maschine 500 entlang einer Endfläche der rotierenden elektrischen Maschine, ohne den Aufhängungsarm 412 zu behindern (beeinträchtigen). Die Aufnahmeführung 440 ist an dem Aufhängungsarm 412 fixiert. Folglich ist die Positionsbeziehung zwischen einem Verbindungsabschnitt des Aufhängungsarms 412, mit dem die Aufnahmeführung 440 verbunden ist, und der Basisplatte 405 fixiert. Als Ergebnis ist es möglich, eine in der elektrischen Verdrahtung H1 und dem Kühlwasserrohr H2 beispielsweise durch Vibrationen des Fahrzeugs induzierte Spannung zu unterdrücken. Außerdem ist die elektrische Verdrahtung H1 mit einer fahrzeugeigenen Leistungsversorgung und einer fahrzeugeigenen ECU verbunden, die beide in den Figuren nicht gezeigt sind, während das Kühlwasserrohr H2 mit einem Radiator verbunden ist, der ebenfalls in den Figuren nicht gezeigt ist.
Nachstehend ist die Konfiguration der rotierenden elektrischen Maschine 500 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ausführlich beschrieben. Wie es vorstehend beschrieben worden ist, ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die rotierende elektrische Maschine 500 als ein Innenradmotor konfiguriert. Die rotierende elektrische Maschine 500 weist einen überragenden Betriebswirkungsgrad und eine überragende Ausgangsleistung gegenüber einem Motor einer herkömmlichen Fahrzeugantriebseinheit auf, die eine Geschwindigkeitsreduktionseinrichtung aufweist. Es sei bemerkt, dass die rotierende elektrische Maschine 500 alternativ in anderen Anwendungen verwendet werden kann, vorausgesetzt, dass ein angemessener Preis durch Kostenreduktion verwirklicht werden kann, und ein überragendes Leistungsvermögen beibehalten werden kann. Zusätzlich ist der Betriebswirkungsgrad ein Indikator, der in einem Test in einer Fahrtbetriebsart zur Untersuchung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Fahrzeugs verwendet wird.
Ein Überblick über die rotierende elektrische Maschine 500 ist in den 48 bis 51 gezeigt. 48 zeigt eine Seitenansicht der rotierenden elektrischen Maschine 500 von der Vorsprungsseite der rotierenden Welle 501 (oder vom Inneren des Fahrzeugs) aus. 49 zeigt eine Längs-Querschnittsansicht der rotierenden elektrischen Maschine 500 (d.h. eine Querschnittsansicht, die entlang der Linie 49-49 in 48 genommen ist). 50 zeigt eine Querrichtungs-Querschnittsansicht der rotierenden elektrischen Maschine 500 (d.h. eine Querschnittsansicht, die entlang der Linie 50-50 in 49 genommen ist). 51 zeigt eine auseinandergezogene Querschnittsansicht der rotierenden elektrischen Maschine 500. In der nachfolgenden Beschreibung ist die Richtung, in der die Drehwelle 501 sich nach außerhalb des Fahrzeugkörpers in 51 erstreckt, als die axiale Richtung bezeichnet. Die Richtungen, die sich radial von der Drehwelle 501 erstrecken, werden als radiale Richtungen bezeichnet. Beide Richtungen, die sich entlang eines Kreises von einem beliebigen Punkt, mit Ausnahme der Drehmitte des rotierenden Teils, auf einer Mittenlinie erstrecken, sind als die Umlaufsrichtung bezeichnet, wobei die Mittenlinie gezogen wird, um zu bewirken, dass der Querschnitt 49 durch die Mitte der Drehwelle 501 in 48, das heißt durch die Mitte der Drehung des rotierenden Teils verläuft. Das heißt, dass die Umlaufsrichtung sowohl die Richtung im Urzeigersinn als auch die Richtung gegen den Urzeigersinn bezeichnet, wobei der Startpunkt ein beliebiger Punkt in dem Querschnitt 49 ist. Weiterhin entspricht in dem Zustand, dass die rotierende elektrische Maschine 500 zusammen mit dem Rad 400 an dem Fahrzeug montiert ist, die rechte Seite in 49 der Außenseite des Fahrzeugs, wohingegen die linke Seite in 49 der Innenseite des Fahrzeugs entspricht. Zusätzlich ist in diesem Zustand ein Rotor 510 der später beschrieben ist, weiter nach außen von dem Fahrzeugkörper als eine Rotorabdeckung 670 angeordnet.
Die rotierende elektrische Maschine 500 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein Außenrotorbauart-SPM-(Oberflächenpermanentmagnet-)Motor. Die rotierende elektrische Maschine 500 weist hauptsächlich den vorstehend beschriebenen Rotor 510, einen Stator 520, eine Wechselrichtereinheit 530, ein Lager 560 und die vorstehend beschriebene Rotorabdeckung 670 auf. Diese Komponenten sind koaxial mit der Drehwelle 501 angeordnet, die einstückig mit dem Rotor 510 gebildet ist. Diese Komponenten sind in einer vorbestimmten Abfolge in der axialen Richtung zusammengebaut, um zusammen die rotierende elektrische Maschine 500 zu bilden.
In der rotierenden elektrischen Maschine 500 sind der Rotor 510 und der Stator 520 jeweils zylinderförmig und liegen einander mit einem dazwischen gebildeten vorbestimmten Luftspalt radial gegenüber. Der Rotor 510 dreht sich zusammen mit der Drehwelle 501 auf der radial äußeren Seite des Stators 520. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel fungiert der Rotor 510 als ein „Feldsystem“, wohingegen der Stator 520 als ein „Anker“ fungiert.
Der Rotor 510 weist einen im Wesentlichen zylindrischen Rotorträger 511 und eine ringförmige Magneteinheit 512 auf, die an dem Rotorträger 511 fixiert ist. Die Drehwelle 501 ist ebenfalls an dem Rotorträger 511 fixiert.
Der Rotorträger 511 weist einen zylindrischen Abschnitt 513 auf. Auf einer inneren umlaufenden Oberfläche des zylindrischen Abschnitts 513 ist die Magneteinheit 512 montiert. Somit ist die Magneteinheit 512 derart vorgesehen, dass sie durch den zylindrischen Abschnitt 513 des Rotorträgers 511 von der radial äußeren Seite aus umgeben ist. Der zylindrische Abschnitt 513 des Rotorträgers 511 weist ein erstes Ende und ein zweites Ende auf, die axial entgegengesetzt sind. Das erste Ende ist weiter nach außen von dem Fahrzeugkörper als das zweite Ende angeordnet, wobei das zweite Ende näher an der Basisplatte 405 angeordnet ist, als es das erste Ende ist. An dem ersten Ende des zylindrischen Abschnitts 513 ist eine Endplatte 514 des Rotorträgers 511 kontinuierlich mit dem zylindrischen Abschnitt 513 gebildet. Das heißt, dass der zylindrische Abschnitt 513 und die Endplatte 514 integral in ein Stück gebildet sind. An dem zweiten Ende des zylindrischen Abschnitts 513 ist eine Öffnung gebildet. Zusätzlich ist der Rotorträger 511 aus einem Material gebildet, das eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweist, wie ein kaltgewalztes Stahlblech (beispielsweise ein SPCC-Stahlblech oder ein SPHC-Stahlblech, das eine größere Dicke als das SPCC-Stahlblech aufweist), Schmiedestahl oder kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK).
Die axiale Länge der Drehwelle 501 ist größer als die axiale Länge des Rotorträgers 511. Daher springt die Drehwelle 501 von dem zweiten Ende (oder der Öffnung) des Rotorträgers 511 in die Richtung zu der Innenseite des Fahrzeugs hin vor. An einem vorspringenden Endabschnitt der Drehwelle 501 sind andere Komponenten wie die vorstehend beschriebene Bremsvorrichtung montiert.
In einem zentralen Teil der Endplatte 514 des Rotorträgers 511 ist eine Durchgangsöffnung 514a geformt. Die Drehwelle 501 wird an dem Rotorträger 511 in einem Zustand fixiert, indem sie in die Durchgangsöffnung 514a der Endplatte 514 eingesetzt wird. Die Drehwelle 501 weist einen Flansch 502 auf, der an einem axialen Ende derart gebildet ist, dass er sich nichtparallel (oder senkrecht) zu der axialen Richtung erstreckt. Die Drehwelle 501 ist an dem Rotorträger 511 mit dem Flansch 502 der Drehwelle 501 in Oberflächenkontakt mit einer äußeren Oberfläche der Endplatte 514 des Rotorträgers 511 fixiert. Zusätzlich ist in dem Rad 400 die Felge 402 an der Drehwelle 501 durch Befestigungseinrichtungen wie Bolzen fixiert, die sich von dem Flansch 502 der Drehwelle 501 in der Richtung zu der Außenseite des Fahrzeugs hin erstrecken.
Die Magneteinheit 512 ist aus einer Vielzahl von Permanentmagneten aufgebaut, die auf der inneren Umlaufsoberfläche des zylindrischen Abschnitts513 des Rotorträgers 511 derart angeordnet sind, dass deren Polaritäten sich abwechselnd in der Umlaufsrichtung des Rotors 510 ändern. Folglich weist die Magneteinheit 512 eine Vielzahl von Magnetpolen auf, die in der Umlaufsrichtung angeordnet sind. Die Permanentmagnete sind an dem Rotorträger 511 beispielsweise durch Bonden fixiert. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Magneteinheit 512 eine ähnliche Konfiguration wie die Magneteinheit 42 auf, die unter Bezugnahme auf 8 und 9 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist. Weiterhin sind die Permanentmagnete der Magneteinheit 512 durch gesinterte Neodymmagnete verwirklicht, deren intrinsische Koerzitivkraft gleich wie oder größer als 400kA/m ist und deren Remanenzflussdichte Br gleich wie oder größer als 1,0T ist.
Ähnlich wie die in 9 gezeigte Magneteinheit 42 ist die Magneteinheit 512 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ebenfalls aus ersten und zweiten Magneten 91 und 92 aufgebaut, die polar-anisotrope Magnete sind. Die Polarität der ersten Magnete 91 unterscheidet sich von der Polarität der zweiten Magnete 92. Wie es unter Bezugnahme auf 8 und 9 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist, unterscheidet sich in jedem der ersten und zweiten Magnete 91 und 92 die Orientierung der leichten Achse der Magnetisierung auf der d-Achsen-Seite (oder in dem d-Achsen-seitigen Teil) von der Orientierung der leichten Achse der Magnetisierung auf der q-Achsen-Seite (oder in den q-Achsen-seitigen Teilen). Auf der d-Achsen-Seite ist die Orientierung der leichten Achse der Magnetisierung nahe an einer Richtung parallel zu der d-Achse. Im Gegensatz dazu ist auf der q-Achsen-Seite ist die Orientierung der leichten Achse der Magnetisierung nahe an einer Richtung senkrecht zu der q-Achse. Folglich werden in Abhängigkeit von der Änderung in der Orientierung der leichten Achse der Magnetisierung bogenförmige Magnetpfade in den Magneten gebildet. Zusätzlich kann in jedem der ersten und zweiten Magnete 91 und 92 die leichte Achse der Magnetisierung derart orientiert sein, dass sie auf der d-Achsen-Seite parallel zu der d-Achse ist und auf der q-Achsen-Seite senkrecht zu der q-Achse ist. Das heißt, dass die Magneteinheit 512 konfiguriert ist, die leichte Achse der Magnetisierung derart orientiert zu haben, dass die Richtung der leichten Achse der Magnetisierung auf der d-Achsen-Seite stärker parallel zu der d-Achse als auf der q-Achsen-Seite ist, wobei die d-Achse die Mitten der Magnetpole repräsentiert, wohingegen die q-Achse die Grenzen zwischen den Magnetpolen repräsentiert.
Mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration der Magnete 91 und 92 wird der Magnet-Magnetfluss auf der d-Achse intensiviert und wird die Magnetflussänderung in der Nähe der q-Achse unterdrückt. Folglich wird es möglich, in geeigneter Weise die Magnete 91 und 92 zu verwirklichen, bei denen in jedem Magnetpol der Oberflächenmagnetfluss sich allmählich von der q-Achse zu der d-Achse ändert. Zusätzlich kann die Magneteinheit 512 alternativ die in 22 und 23 gezeigte Konfiguration der Magneteinheit 42 oder die in 30 gezeigte Konfiguration der Magneteinheit 42 anwenden.
Die Magneteinheit 512 kann auf der Seite, die dem zylindrischen Abschnitt 513 des Rotorträgers 511 zugewandt ist (d.h. auf der radial äußeren Seite) einen Rotorkern (oder Gegenjoch) aufweisen, der durch Schichten einer Vielzahl von Magnetstahlblechen in der axialen Richtung gebildet ist. Das heißt, es ist möglich, eine Konfiguration anzuwenden, bei der ein Rotorkern radial innerhalb des zylindrischen Abschnitts 513 des Rotorträgers 511 angeordnet ist und die Permanentmagnete (d.h. die Magnete 91 und 92) radial innerhalb des Rotorkerns angeordnet sind.
Wie es in 47 gezeigt ist, sind in einer äußeren Umlaufsoberfläche des zylindrischen Abschnitts 513 des Rotorträgers 511 eine Vielzahl von Aussparungen 513a gebildet, die sich jeweils in der axialen Richtung erstrecken und zu vorbestimmten Intervallen in der Umlaufsrichtung beabstandet sind. Die Aussparungen 513a können beispielsweise durch Pressbearbeitung gebildet werden. Weiterhin sind, wie es in 52 gezeigt ist, auf der inneren Umlaufsoberfläche des zylindrischen Abschnitts 513 des Rotorträgers 511 eine Vielzahl von Vorsprüngen 513b gebildet, die sich jeweils in radialer Ausrichtung mit einer der Aussparungen 513a befinden. Demgegenüber sind in einer äußeren Umlaufsoberfläche der Magneteinheit 512 eine Vielzahl von Aussparungen 512a gebildet, die mit den Vorsprüngen 513b des zylindrischen Abschnitts 513 des Rotorträgers 511 übereinstimmen. Jeder der Vorsprünge 513b ist in eine der Aussparungen 512a gepasst, wodurch ein Versatz der Magneteinheit 512 in Umlaufsrichtung unterdrückt wird. Das heißt, dass die Vorsprünge 513b des Rotorträgers 511 zusammen als eine Drehstoppeinrichtung der Magneteinheit 512 fungieren. Zusätzlich können die Vorsprünge 513b durch irgendein geeignetes Verfahren wie die vorstehend beschriebene Pressverarbeitung gebildet werden.
In 52 sind die Richtungen der Magnet-Magnetpfade in der Magneteinheit 512 mit Pfeilen angegeben. Die Magnet-Magnetpfade erstrecken sich in Bogenformen über die q-Achse an den Grenzen zwischen den Magnetpolen. Weiterhin sind die Magnet-Magnetpfade an der d-Achse, die die Mitten der Magnetpole repräsentiert, derart orientiert, dass sie parallel oder fast parallel zu der d-Achse sind. In einer inneren Umlaufsoberfläche der Magneteinheit 512 sind eine Vielzahl von Aussparungen 512b gebildet, die sich jeweils an einer von Umlaufspositionen befinden, die der d-Achse entsprechen. In diesem Fall unterscheiden sich in der Magneteinheit 512 die Längen der Magnet-Magnetpfade auf der Seite näher zu dem Stator 520 (d.h. der unteren Seite in der Figur) von denjenigen auf der weiter weg liegenden Seite von dem Stator 520 (d.h. der oberen Seite in der Figur). Genauer sind die Längen der Magnet-Magnetpfade auf der zu dem Stator 520 näheren Seite kürzer als diejenigen auf der von dem Stator 520 entfernten Seite. Die Aussparungen 512b sind an diesen Stellen in der Magneteinheit 512 gebildet, an denen die Magnet-Magnetpfade am kürzesten werden. Das heißt, dass unter Berücksichtigung der Tatsache, dass es schwierig ist, einen ausreichenden Magnet-Magnetfluss an diesen Stellen in der Magneteinheit 512 zu erzeugen, an denen die Magnet-Magnetpfade kurz sind, die Magnete an diesen Stellen, an denen der Magnet-Magnetfluss schwach ist, abgeschnitten sind.
Die effektive Magnetflussdichte Bd der Magnete erhöht sich mit der Länge des Magnetkreises durch das Innere der Magnete. Weiterhin erhöht sich die Permeanzkoeffizient Pc mit der effektiven Magnetflussdichte Bd der Magnete. Mit der in 52 gezeigten Konfiguration ist es möglich, eine Reduktion in der Größe des magnetischen Materials zu erzielen, das zum Bilden der Magnete verwendet wird, während eine Verringerung des Permeanzkoeffizienten Pc, der ein Indikator für die effektive Magnetflussdichte Bd der Magnete ist, zu unterdrücken. Zusätzlich repräsentiert in dem B-H-Koordinatensystem der Schnittpunkt zwischen der Permeanzgeraden, die von den Formen der Magnete abhängt, und der Entmagnetisierungskurve den Betriebspunkt, wobei die Magnetflussdichte an dem Betriebspunkt die effektive Magnetflussdichte Bd der Magnete repräsentiert. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die rotierende elektrische Maschine 500 konfiguriert, die Menge von Eisen zu reduzieren, die in dem Stator 520 verwendet wird. Mit einer derartigen Konfiguration ist das Verfahren zur Einstellung des Magnetkreises über die q-Achse hinweg sehr effektiv.
Weiterhin können die Aussparungen 512b der Magneteinheit 512 als Luftkanäle verwendet werden, die sich in der axialen Richtung erstrecken. Folglich ist es möglich, das Luftkühlleistungsvermögen zu verbessern.
Nachstehend ist die Konfiguration des Stators 520 beschrieben. Der Stator 520 weist eine Statorspule 521 und einen Statorkern 522 auf. 53 zeigt eine perspektivische Darstellung, die die Statorspule 521 und den Statorkern 522 in einem Zustand zeigt, in dem sie voneinander getrennt sind.
Die Statorspule 521 weist im Wesentlichen eine hohlzylindrische (oder ringförmige) Form auf. Die Statorspule 521 ist eine mehrphasige Spule, die aus einer Vielzahl von Phasenwicklungen zusammengesetzt ist. Der Statorkern 522 ist als ein Basiselement an dem radialen inneren Umfang der Statorspule 521 angebracht. Genauer ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Statorspule 521 eine Drei-Phasen-Spule, die aus U-, V- und W-PhasenWicklungen zusammengesetzt ist. Jede der Phasenwicklungen ist aus zwei radial gestapelten Schichten elektrischer Leiter 523 aufgebaut. Ähnlich wie der Stator 50 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel weist der Stator 520 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ebenfalls eine nutenlose Struktur und eine flache Leiterstruktur auf. Das heißt, dass der Stator 520 eine Konfiguration aufweist, die dieselbe oder ähnlich wie die Konfiguration des in 8 bis 16 gezeigten Stators 50 ist.
Die Konfiguration des Statorkerns 522 ist ähnlich zu der Konfiguration des Statorkerns 552, die gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist. Insbesondere ist der Statorkern 522 durch Schichten einer Vielzahl von Magnetstahlblechen in der axialen Richtung gebildet. Der Statorkern 522 weist eine hohlzylindrische Form mit einer vorbestimmten radialen Dicke auf. Die Statorspule 521 ist an den radial äußeren Umfang (d.h. dem Umfang auf der Seite des Rotors 510) des Statorkerns 522 angebracht. Die äußere Umlaufsoberfläche des Statorkerns 522 ist eine glatte zylindrische Oberfläche. Nach dem Zusammenbau des Stators 520 werden die elektrischen Leiter 523, die die Statorspule 521 bilden, auf der äußeren Umlaufsoberfläche des Statorkerns 522 in Ausrichtung miteinander in der Umlaufsrichtung angeordnet. Zusätzlich fungiert der Statorkern 522 als ein Gegenkern.
Weiterhin kann der Stator 520 irgendeine der nachfolgenden Konfigurationen (A) bis (C) aufweisen.

(A) In dem Stator 520 sind Zwischenleiterelemente zwischen den elektrischen Leitern 523 in der Umlaufsrichtung vorgesehen. Die Zwischenleiterelemente sind aus einem magnetischen Material gebildet, das die folgende Beziehung erfüllt: Wt × Bs ≤ Wm × Br, wobei Wt die Umlaufsbreite (Breite in Umlaufsrichtung) der Zwischenleiterelemente in jedem Magnetpol ist, Bs die Sättigungsflussdichte der Zwischenleiterelemente ist, Wm die Umlaufsbreite (Breite in Umlaufsrichtung) der Magneteinheit 512 in jedem Magnetpol ist, und Br die Remanenzflussdichte der Magneteinheit 512 ist.
(B) In dem Stator 520 sind Zwischenleiterelemente zwischen den elektrischen Leitern 523 in der Umlaufsrichtung vorgesehen. Die Zwischenleiterelemente sind aus einem nichtmagnetischen Material gebildet.
(C) In dem Stator 520 sind keine Zwischenleiterelemente zwischen den elektrischen Leitern 523 in der Umlaufsrichtung vorgesehen.

Mit jeder der vorstehend beschriebenen Konfigurationen kann die Induktivität des Stators 520 im Vergleich zu einem herkömmlichen Stator abgesenkt werden, bei dem Zähne eines Statorkerns zwischen den in Umlaufsrichtung benachbarten elektrischen Leiterabschnitten der Statorspule angeordnet sind, um Magnetpfade zu bilden. Genauer kann die Induktivität des Stators 520 derart abgesenkt werden, dass sie gleich wie oder kleiner als 1/10 der Induktivität des herkömmlichen Stators wird. Genauer kann mit dem Absenken der Induktivität die Impedanz des Stators 520 ebenfalls abgesenkt werden, wodurch das Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine 500 erhöht wird und somit die Ausgangsleistung der rotierenden elektrischen Maschine 500 in Bezug auf die Eingangsleistung erhöht wird. Folglich kann die rotierende elektrische Maschine 500 mehr Leistung als eine rotierende elektrische Maschine ausgeben, die einen IPM- (Innenpermanentmagnet-) Rotor aufweist und gibt Drehmoment durch Nutzen einer Spannung einer Impedanzkomponente (anders ausgedrückt durch Nutzen von Reluktanzdrehmoment) aus.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Statorspule 521 zusammen mit dem Statorkern 522 durch ein Gussmaterial (oder einem isolierenden Element) vergossen, das durch Harz oder dergleichen verwirklicht ist. Folglich wird das Gussmaterial zwischen den in Umlaufsrichtung benachbarten elektrischen Leitern 523 angeordnet. Das heißt, dass der Stator 520 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel unter den vorstehend beschriebenen Konfigurationen (A) bis (C) die Konfiguration (B) aufweist. Zusätzlich sind die elektrischen Leiter 523 derart angeordnet, dass die Umlaufsseitenoberflächen (Seitenoberflächen in Umlaufsrichtung) von in Umlaufsrichtung benachbarten elektrischen Leitern 523 aneinander anstoßen oder einander mit dazwischen gebildeten kleinen Spalten zugewandt sind. Daher kann der Stator 520 alternativ die vorstehend beschriebene Konfiguration (C) aufweisen. Demgegenüber können im Falle des Anwendens der vorstehend beschriebenen Konfiguration (A) Vorsprünge auf der äußeren Umlaufsoberfläche des Statorkerns 522 entsprechend der Orientierung der elektrischen Leiter 523 in Bezug auf die axiale Richtung, d.h. entsprechend den Schrägungswinkeln, wenn die Statorspule 521 eine Schrägungsstruktur aufweist, gebildet werden.
Nachstehend ist die Konfiguration der Statorspule 521unter Bezugnahme auf 54(a) und 54(b) beschrieben. Zusätzlich zeigen die 54(a) und 54(b) jeweils eine abgewickelte Ansicht der Statorspule 521 auf einer Ebene. 54(a) zeigt die elektrischen Leiter 523, die sich auf der radial äußeren Schicht befinden, wohingegen 54(b) die elektrischen Leiter 523 zeigt, die sich auf der radial inneren Schicht befinden.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Statorspule 521 in einer verteilten Weise in eine ringförmige Form gewickelt. Die elektrischen Leiter 523, die die Statorspule 521 bilden, sind in zwei radial gestapelten Schichten angeordnet. Weiterhin sind die elektrischen Leiter 523, die sich auf der radial äußeren Schicht befinden (siehe 54(a)) gegenüber den elektrischen Leitern 523, die sich auf der radial inneren Schicht befinden, (siehe 54(b)) in eine unterschiedliche Richtung geschrägt. Die elektrischen Leiter 523 sind voneinander isoliert. Jeder der elektrischen Leiter 523 kann aus einem Bündel von Drähten 86 aufgebaut sein (siehe 13). Die elektrischen Leiter 523 sind in Paaren in der Umlaufsrichtung angeordnet, wobei jedes Paar aus zwei in Umlaufsrichtung benachbarten elektrischen Leitern 523 besteht, die zu der gleichen Phase gehören und in der gleichen Richtung gespeist werden. Alle zwei Paare der elektrischen Leiter 523 (d.h. alle vier elektrischen Leiter 523), die jeweils an den radial inneren und radial äußeren Schichten und in radialer Ausrichtung zueinander angeordnet sind, bilden einen elektrischen Leiterabschnitt. Zusätzlich ist ein elektrischer Leiterabschnitt pro Phase in jedem Magnetpol vorgesehen.
Es ist vorzuziehen, dass die radiale Dicke von jedem der elektrischen Leiterabschnitte kleiner als die gesamte Umlaufsbreite (Breite in Umlaufsrichtung) der elektrischen Leiterabschnitte pro Phase in jedem Magnetpol eingestellt wird, wodurch eine flache Leiterstruktur der Statorspule 521 verwirklicht wird. Insbesondere kann in der Statorspule 521 jeder der elektrischen Leiterabschnitten aus einer Vielzahl von (beispielsweise insgesamt acht) elektrischen Leitern 523 derselben Phase zusammengesetzt sein, die in zwei Schichten in der radialen Richtung und an vier Orten in der Umlaufsrichtung angeordnet sind. Weiterhin kann auf einem Querschnitt in Querrichtung der Statorspule 521, wie es in 50 gezeigt ist, die Umlaufsbreite von jedem elektrischen Leiter 523 derart eingestellt werden, dass sie größer als die radiale Dicke von jedem elektrischen Leiter 523 ist. Zusätzlich kann die Statorspule 521 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel alternativ dieselbe Konfiguration wie die Statorspule 51 aufweisen, die in 12 gezeigt ist. Jedoch ist es in diesem Fall notwendig, in dem Rotorträger 511 einen Raum zur Aufnahme eines Spulenendes der Statorspule zu gewährleisten.
In der Statorspule 521 sind die elektrischen Leiter 523 in der Umlaufsrichtung derart angeordnet, dass in dem Spulenseitenteil 525 der Statorspule 521, der radial den Statorkern 522 überlappt, jeder der elektrischen Leiter 523 sich schief zu einem vorbestimmten Winkel in Bezug auf die axiale Richtung erstreckt.
Weiterhin wird die Statorspule 521 axial nach innen an den zwei Spulenenden 526 der Statorspule 521, die sich axial außerhalb des Statorkerns 522 befindet, umgekehrt (oder zurückgefaltet) um eine kontinuierliche Verbindung der elektrischen Leiter 523 zu verwirklichen. Zusätzlich sind die axialen Bereiche des Spulenseitenteils 525 und der Spulenenden 526 der Statorspule 521 in 54(a) gezeigt. Die elektrischen Leiter 523, die sich auf der radial inneren Schicht befinden, und die elektrischen Leiter 523, die sich auf der radial äußeren Schicht befinden, sind mit einer an den Spulenenden 526 der Statorspule 521 verbunden. Folglich werden die Orte der elektrischen Leiter 523 abwechselnd zwischen der radialen inneren Schicht und der radial äußeren Schicht jedes Mal geändert, wenn die Statorspule 521 an einem der Spulenenden 526 axial umgekehrt (oder zurückgefaltet) wird. Das heißt, dass die Statorspule 521 derart konfiguriert ist, dass für jedes in Umlaufsrichtung kontinuierliche (oder verbundene) Paar der elektrischen Leiter 523 die zwei elektrischen Leiter 523 des Paars jeweils auf der radial inneren Schicht und der radial äußeren Schicht angeordnet sind und die Richtungen der elektrischen Ströme, die jeweils in die zwei elektrischen Leiter 523 des Paars fließen, einander entgegengesetzt sind.
Weiterhin werden in der Statorspule 521 zwei Arten von Schrägungen an jedem elektrischen Leiter 523 durchgeführt, sodass der Schrägungswinkel von axialen Endteilen jedes elektrischen Leiters 523 sich von dem Schrägungswinkel an einem axialen zentralen Teil jedes elektrischen Leiters 523 unterscheidet. Insbesondere unterscheidet sich, wie es in 55 gezeigt ist, in jedem der elektrischen Leiter 523 der Schrägungswinkel θs1 des axialen zentralen Teils von dem Schrägungswinkel θs2 der zwei axialen Endteile, genauer ist kleiner als der Schrägungswinkel θs2. Jeder der axialen Endteile der elektrischen Leiter 523 ist innerhalb eines axialen Bereichs definiert, der eines der Spulenenden 526 der Statorspule 521 und einen Teil des Spulenseitenteils 525 der Statorspule 521 aufweist. Der Schrägungswinkel θs1 repräsentiert einen schiefen Winkel, mit dem sich der axiale zentrale Teil jedes elektrischen Leiters 523 schief in Bezug auf die axiale Richtung erstreckt, wobei der Schrägungswinkel θs2 einen schiefen Winkel repräsentiert, mit dem die zwei axialen Endteile jedes elektrischen Leiters 523 sich schief in Bezug auf die axiale Richtung erstrecken. Zusätzlich kann der Schrägungswinkel θs1 des axialen zentralen Teils jedes elektrischen Leiters 523 innerhalb eines derartigen geeigneten Bereichs eingestellt werden, dass Oberschwingungskomponenten von Magnetfluss, die durch die Speisung der Statorspule 521 erzeugt werden, reduziert werden.
Durch Einstellen des Schrägungswinkels θs1 derart, dass er kleiner als der Schrägungswinkels θs2 ist, ist es möglich, den Wicklungsfaktor der Statorspule 521 zu erhöhen, während die Größen der Spulenenden 526 reduziert werden. Anders ausgedrückt ist es möglich, einen gewünschten Wicklungsfaktor zu gewährleisten, während die axialen Längen der Spulenenden 526, d.h. die Längen, um die die Spulenenden 526 axial von dem Statorkern 522 vorspringen, reduziert werden. Als Ergebnis ist es möglich, das Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine 500 zu erhöhen, während die Größe derselben minimiert wird.
Nachstehend ist der geeignete Bereich des Schrägungswinkels θs1 beschrieben. In dem Fall, dass die Statorspule 521 X elektrische Leiter 523 aufweist, die in jedem Magnetpol angeordnet sind, kann die Oberschwingungskomponente der X-ten Ordnung durch Speisung der Statorspule 521 erzeugt werden. X = 2 × S × m, wobei S die Anzahl der Phasen ist und m die Anzahl der Polpaare ist. Der Erfinder der vorliegenden Anmeldung hat erkannt, dass, da die Oberschwingungskomponente der X-ten Ordnung der resultierenden der Oberschwingungskomponenten der (X-1)-ten Ordnung und (X+1)-ten Ordnung entspricht, die Oberschwingungskomponente der X-ten Ordnung reduziert werden kann, indem zumindest eine der Oberschwingungskomponenten der (X-1)-ten Ordnung und der (X+1)-ten Ordnung reduziert wird. Auf der Grundlage dieser Erkenntnis hat der Erfinder gefunden, dass die Oberschwingungskomponente der X-ten Ordnung reduziert werden kann, indem der Schrägungswinkels θs1 innerhalb des Bereichs von 360°/(X+1) bis 360°/(X-1) im elektrischen Winkel reduziert werden kann.
Wenn beispielsweise S = 3 und m = 2 gelten, gilt X = 12. In diesem Fall wird zum Reduzieren der Oberschwindungskomponente der zwölften Ordnung der Schrägungswinkels θs1 innerhalb des Bereichs von 360°/13 bis 360°/11 im elektrischen Winkel eingestellt. Das heißt, dass der Schrägungswinkel θs1 innerhalb des Bereichs von 27,7° bis 32,7° im elektrischen Winkel eingestellt wird.
Durch Einstellen des Schrägungswinkels θs1 wie vorstehend beschrieben ist es möglich, die Größe des Magnet-Magnetflusses, der zwischen N und S wechselt und die axialen zentralen Teile der elektrischen Leiter 523 quert, zu erhöhen, wodurch der Wicklungsfaktor der Statorspule 521 erhöht wird.
Der Schrägungswinkel θs2 der zwei axialen Endteile jedes elektrischen Leiters 523 ist derart eingestellt, dass er größer als der vorstehend beschriebene Schrägungswinkels θs1 ist und kleiner als 90° im elektrischen Winkel ist. Das heißt, es gilt θs1 < θs2 < 90°.
In der Statorspule 521 können die elektrischen Leiter 523, die sich auf der radial inneren Schicht befinden, und die elektrischen Leiter 523, die sich auf der radial äußeren Schicht befinden, miteinander durch Schweißen oder Bonden von Enden der elektrischen Leiter 523 oder durch Biegen des elektrischen Leitermaterials verbunden werden. An einem der zwei Spulenenden 526 (das heißt auf einer axialen Seite) der Statorspule 521 sind die Enden der Phasenwicklungen der Statorspule 521 elektrisch mit dem Leistungswandler (oder der Wechselrichtereinheit 530) über Sammelschienen verbunden. Daher kann eine der nachfolgenden Konfigurationen angewendet werden, bei der die Verbindung zwischen den elektrischen Leitern 523 an dem sammelschienenseitigen Spulenende 526 sich von der Verbindung zwischen den elektrischen Leitern 523 an dem Spulenende 526, das nicht auf der Seite der Sammelschiene liegt, unterscheidet.
Als erste Konfiguration sind an den sammelschienenseitigen Spulenenden 526 die elektrischen Leiter 523 miteinander durch Schweißen verbunden, wobei an dem Spulenende 526, das nicht auf der Sammelschienenseite liegt, die elektrischen Leiter 523 miteinander durch ein anderes Verfahren als Schweißen verbunden sind, beispielsweise durch Biegen des elektrischen Leitermaterials. An dem sammelschienenseitigen Spulenende 526 sind die Enden der Phasenwicklungen der Statorspule 521 mit den Sammelschienen durch Schweißen verbunden. Daher ist es dadurch, dass die elektrischen Leiter 523 an dem sammelschienenseitigen Spulenende 526 ebenfalls durch Schweißen verbunden werden, möglich, die Verbindung der Enden der Phasenwicklungen mit den Sammelschienen und die Verbindung der elektrischen Leiter 523 an dem sammelschienenseitigen Spulenende 526 beide in einem einzelnen Schritt durchzuführen, wodurch die Produktivität verbessert wird.
Als zweite Konfiguration werden an dem sammelschienenseitigen Spulenende 526 die elektrischen Leiter 523 durch ein anderes Verfahren als Schweißen verbunden, wobei an dem Spulenende 526, das nicht auf der Sammelschienenseite liegt, die elektrischen Leiter 523 miteinander durch Schweißen verbunden werden. Wenn die elektrischen Leiter 523 an dem sammelschienenseitigen Spulenende 526 durch Schweißen miteinander verbunden werden, ist es notwendig, ausreichende Freiräume zwischen den Sammelschienen und dem sammelschienenseitigen Spulenende 526 zu gewährleisten, um eine Behinderung zwischen den Sammelschienen und den Schweißstellen zu verhindern, die zwischen den elektrischen Leitern 523 gebildet werden. Im Gegensatz dazu ist es mit der zweiten Konfiguration möglich, die Freiräume zwischen den Sammelschienen und dem sammelschienenseitigen Spulenende 526 zu reduzieren. Folglich ist es möglich, Einschränkungen auf die axiale Länge der Statorspule 521 und der Sammelschienen zu lockern.
Als dritte Konfiguration sind die elektrischen Leiter 523 miteinander an beiden Spulenenden 526 durch Schweißen verbunden. In diesem Fall ist es möglich, die Länge des elektrischen Leitermaterials zu reduzieren, wobei es ebenfalls möglich ist, die Produktivität zu verbessern, da kein Biegeschritt notwendig ist.
Als vierte Konfiguration sind die elektrischen Leiter 523 an beiden Spulenenden 526 durch ein anderes Verfahren als Schweißen miteinander verbunden. In diesem Fall ist es möglich, die Anzahl der Schweißpunkte, die in der Statorspule 521 gebildet werden, zu minimieren, wodurch das Auftreten eines Ablösens der Isolierung während des Schweißschritts unterdrückt wird.
In dem Herstellungsprozess der ringförmigen Statorspule 521 ist es möglich, zuerst ebene bandförmige Wicklungen zu bilden, und dann die ebenen bandförmigen Wicklungen in eine ringförmige Form zu rollen. In diesem Fall können die elektrischen Leiter der Wicklungen nach Bilden der ebenen bandförmigen Wicklungen an einer von beiden oder beiden Spulenenden 526 wie notwendig geschweißt werden. Weiterhin kann beim Rollen der ebenen bandförmigen Wicklungen in eine ringförmige Form ein zylindrisches Montagegestell verwendet werden, das denselben Außendurchmesser wie der Statorkern 522 aufweist. In diesem Fall werden die ebenen bandförmigen Wicklungen um das zylindrische Montagegestell in eine ringförmige Form gerollt. Alternativ dazu können die ebenen bandförmigen Wicklungen direkt auf dem Statorkern 522 gerollt werden.
Weiterhin kann die Konfiguration der Statorspule 521 wie nachfolgend beschrieben modifiziert werden.
Beispielsweise kann in der in 54(a) und 54(b) gezeigten Statorspule 521 der Schrägungswinkel der zwei axialen Endteile von jedem elektrischen Leiter 523 derart eingestellt werden, dass er gleich dem Schrägungswinkel des axialen zentralen Teils jedes elektrischen Leiters 523 ist.
Weiterhin kann in der in 54(a) und 54(b) gezeigten Statorspule 521 jedes Paar von Enden von in Umlaufsrichtung benachbarten elektrischen Leitern 523 derselben Phase mit einem Überbrückungsdraht verbunden werden, der sich senkrecht zu der axialen Richtung erstreckt.
In der Statorspule 521 kann die Anzahl der radial gestapelten Schichten der elektrischen Leiter 523 auf 2 × n eingestellt werden, wobei n eine natürlich Zahl ist. Das heißt, dass die Anzahl der radial gestapelten Schichten der elektrischen Leiter 523 auf andere positive gerade Zahlen als 2 eingestellt werden kann, wie beispielsweise 4 oder 6.
Nachstehend ist die Wechselrichtereinheit 530, die eine elektrische Leistungsumwandlungseinheit ist, unter Bezugnahme auf 56 und 57 beschrieben. 56 zeigt eine auseinandergezogene Querschnittsansicht der Wechselrichtereinheit 530. 57 zeigt eine weitere auseinandergezogene Querschnittsansicht der Wechselrichtereinheit 530, wobei Komponenten der Wechselrichtereinheit 530 in zwei Unterbaugruppen zusammengebaut werden.
Die Wechselrichtereinheit 530 weist ein Wechselrichtergehäuse 531, eine Vielzahl von elektrischen Modulen 532, die an dem Wechselrichtergehäuse 531 angebracht sind, und ein Sammelschienenmodul 533 zum elektrischen Verbinden der elektrischen Module 532 auf.
Das Wechselrichtergehäuse 531 weist ein hohlzylindrisches Außenwandelement 541, ein hohlzylindrisches Innenwandelement 542, das einen Außendurchmesser aufweist, der kleiner als der Innendurchmesser des Außenwandelements 541 ist, und radial innerhalb des Außenwandelements 541 angeordnet ist, und ein Buckelbildungselement 543 auf, das an einem axialen Ende des Innenwandelements 542 fixiert ist. Alle diese Elemente 541 bis 543 sind aus einem elektrisch leitenden Material wie kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) gebildet. Das Wechselrichtergehäuse 531 wird gebildet, indem das Außenwandelement 541 und das Innenwandelement 542 derart zusammengebaut werden, dass sie sich einander radial überlappen, und das Buckelbildungselement 543 an einem axialen Ende (d.h. dem unteren Ende in 56 und 57) des Innenwandelements 542 angebracht wird. Das Wechselrichtergehäuse 531 in dem zusammengebauten Zustand ist in 57 zeigt.
An dem radial äußeren Umfang des Außenwandelements 541 des Wechselrichtergehäuses 531 ist der Statorkern 522 fixiert (siehe 49 und 50). Folglich sind der Stator 520 und die Wechselrichtereinheit 530 in ein Stück integriert.
Wie es in 56 gezeigt ist, weist das Außenwandelement 541 eine Vielzahl von Aussparungen 541a, 541b und 541c auf, die an einer inneren Umlaufsoberfläche davon gebildet sind. Das Innenwandelement 542 weist eine Vielzahl von Aussparungen 542a, 542b und 542c auf, die in einer äußeren Umlaufsoberfläche davon gebildet sind. Wenn das Außenwandelement 541 und das Innenwandelement 542 zusammengebaut sind, sind drei hohle Abschnitte 544a, 544b und 544c zwischen den zwei Elementen 541 und 542 gebildet (siehe 47). Von den drei hohlen Abschnitte 544a bis 544c bildet der mittlere hohle Abschnitt 544b einen Kühlwasserkanal 545, durch den Kühlwasser als ein Kühlmittel fließt. Die restlichen zwei hohlen Abschnitte 544a und 544c sind jeweils auf entgegengesetzten axialen Seiten des hohlen Abschnitts 544b (oder des Kühlwasserkanals 545) angeordnet. In jedem der hohlen Abschnitte 544a und 544c ist ein Abdichtungselement 546 aufgenommen (siehe 57). Folglich ist der hohle Abschnitt 544b (oder der Kühlwasserkanal 545) hermetisch durch die Abdichtungselemente 546 abgedichtet, die in den hohlen Abschnitten 544a und 544c aufgenommen sind. Der Kühlwasserkanal 545 ist später ausführlicher beschrieben.
Das Buckelbildungselement 543 weist eine ringförmige Endplatte 547 und ein Buckelabschnitt 548 auf, das axial von einem radial inneren Umfang der ringförmigen Endplatte 547 zu dem inneren des Wechselrichtergehäuses 531 vorspringt. Der Buckelabschnitt 548 weist eine hohlzylindrische Form auf. Unter erneuter Bezugnahme auf 51 weist das Innenwandelement 542 ein erstes Ende und ein zweites Ende auf, die axial entgegengesetzt sind, wobei das zweite Ende sich näher als das erste Ende an dem Fahrzeugkörper befindet. Das Buckelbildungselement 543 ist an dem zweiten Ende (d.h. dem linken Ende in 51) des Innenwandelements 542 fixiert. Zusätzlich ist in dem in 45 bis 47 gezeigten Rad 400 die Basisplatte 405 an dem Wechselrichtergehäuse 531 (genauer der Endplatte 547 des Buckelbildungselements 543 des Wechselrichtergehäuses 531) fixiert.
Das Wechselrichtergehäuse 531 ist konfiguriert, eine doppelte Umlaufswand aufzuweisen, die um die zentrale Achse des Wechselrichtergehäuses 531 gebildet ist. Von der doppelten Umlaufswand ist die radial äußere Umlaufswand aus sowohl dem äußeren Wandelement 541 als auch dem Innenwandelement 542 aufgebaut, während die radial innere Umlaufswand aus dem Buckelabschnitt 548 des Buckelbildungselements 543 aufgebaut ist. Zusätzlich sind in der nachfolgenden Beschreibung die äußere Umlaufswand, die aus sowohl dem äußeren Wandelement 541 als auch dem Innenwandelement 542 aufgebaut ist, als die „Außenumlaufswand WA1“ bezeichnet, und ist die innere Umlaufswand, die aus dem Buckelabschnitt 548 des Buckelbildungselements 543 aufgebaut ist, als „Innenumlaufswand WA2“ bezeichnet.
In dem Wechselrichtergehäuse 531 ist ein ringförmiger Raum zwischen der Außenumlaufswand WA1 und der Innenumlaufswand WA2 gebildet. In dem ringförmigen Raum sind die elektrischen Module 532 entlang der Umlaufsrichtung angeordnet. Weiterhin sind die elektrischen Module 532 an der inneren Umlaufsoberfläche des Innenwandelements 542 beispielsweise durch Bonden oder Schraubenbefestigung fixiert. Zusätzlich entspricht gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel das Wechselrichtergehäuse 531 einem „Gehäuseelement“, und entsprechen die elektrischen Module 532 „elektrischen Komponenten“.
Auf der radial inneren Seite der Innenumlaufswand WA2 (oder des Buckelabschnitts 548), ist das Lager 560 aufgenommen, durch das die Drehwelle 501 drehbar gestützt wird. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Lager 560 als ein Nabenlager konfiguriert, das in einem zentralen Teil des Rads 400 vorgesehen ist, um das Rad 400 drehbar zu stützen. Das Lager 560 ist axial derart angeordnet, dass es radial den Rotor 510, den Stator 520 und die Wechselrichtereinheit 530 überlappt. In der rotierenden elektrischen Maschine 500 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist mit Reduktion der Dicke der Magneteinheit 512 des Rotors 510 und Anwenden von sowohl der nutenlosen Struktur als auch der flachen Leiterstruktur in dem Stator 520 die radiale Dicke des Magnetkreisteils reduziert, wodurch es ermöglicht wird, den hohlen Raum auf der radial inneren Seite des Magnetkreisteils zu erweitern. Folglich wird es möglich, den Magnetkreisteil, die Wechselrichtereinheit 530 und das Lager 560 in radialer Ausrichtung zu einander anzuordnen. Zusätzlich bildet der Buckelabschnitt 548 einen Lagerhalteabschnitt, der das Lager 560 auf der radial inneren Seite davon hält.
Das Lager 560 kann beispielsweise durch ein Radialkugellager verwirklicht werden. Das Lager 560 weist einen inneren Ring 561, einen äußeren Ring 562, der einen Innendurchmesser aufweist, der größer als der Außendurchmesser des inneren Rings 561 ist, und radial außerhalb des inneren Rings 561 angeordnet ist, und eine Vielzahl von Kugeln 563 auf, die zwischen dem inneren Ring 561 und dem äußeren Ring 562 angeordnet sind. Das Lager 560 ist an dem Wechselrichtergehäuse 531 durch Anbringen des äußeren Rings 562 an dem Buckelbildungselement 543 fixiert. Der innere Ring 561 des Lagers 560 ist an die Drehwelle 501 fixiert. Zusätzlich sind der innere Ring 561, der äußere Ring 562 und die Kugeln 563 aus einem Metallmaterial wie Kohlenstoffstahl gebildet.
Der innere Ring 561 des Lagers 560 weist einen zylindrischen Abschnitt 561a zur Aufnahme der Drehwelle 501 und einen Flansch 561b auf, der an einem axialen Ende des zylindrischen Abschnitts 561a derart gebildet ist, dass er sich nicht parallel (oder senkrecht) zu der axialen Richtung erstreckt. Der Flansch 561b ist derart konfiguriert, dass er gegen die Endplatte 514 des Rotorträgers 511 von der axial inneren Seite anstößt. In einem Zustand, indem das Lager 560 an die Drehwelle 501 angebracht worden ist, wird der Rotorträger 511 mit dessen axial zwischen dem Flansch 502 der Drehwelle 501 und dem Flansch 561b des inneren Rings 561 des Lagers 560 sandwichartig angeordneten Endplatte 514 gehalten. Die Winkel, die durch den Flansch 502 der Drehwelle 501 und dem Flansch 561b des inneren Rings 561 des Lagers 560 mit der axialen Richtung gebildet werden, sind gleich (genauer sind gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beide rechte Winkel).
Mit dem inneren Ring 561 des Lagers 560, der die Endplatte 514 des Rotorträgers 511 von der axial inneren Seite stützt, ist es möglich, den Winkel, der durch die Endplatte 514 des Rotorträgers 511 mit der axialen Richtung gebildet wird, auf einen geeigneten Winkel zu halten, wodurch eine hohe Parallelität zwischen der Magneteinheit 512 und der Drehwelle 501 beibehalten wird. Folglich ist es, obwohl der Rotorträger 511 konfiguriert ist, sich radial zu erstrecken, immer noch möglich, eine hohe Widerstandsfähigkeit davon gegenüber von Vibrationen zu gewährleisten.
Nachstehend sind die elektrischen Module 532, die in dem Wechselrichtergehäuse 531 aufgenommen sind, beschrieben.
Die elektrischen Module 532 werden durch Unterteilen von elektrischen Komponenten, wie Halbleiterschaltkomponente und Glättungskondensatoren, in eine Vielzahl von Gruppen und Modularisieren von jeder der Gruppen erhalten. Die elektrischen Module 532 weisen Schaltermodule (oder Leistungsmodule) 532A, die die jeweiligen Halbleiterschaltelemente aufweisen, und Kondensatormodule 532B auf, die jeweils einen Glättungskondensator aufweisen.
Wie es in 49 und 50 gezeigt ist, sind an der inneren Umlaufsoberfläche des Innenwandelements 542 des Wechselrichtergehäuses 531 eine Vielzahl von Abstandshaltern 549 fixiert, die jeweils eine flache Oberfläche aufweisen. Auf der flachen Oberfläche von jedem der Abstandshalter 549 ist eines der elektrischen Module 532 montiert. Genauer ist die innere Umlaufsoberfläche des Innenwandelements 542 des Wechselrichtergehäuses eine glatte zylindrische Oberfläche, wohingegen die Montageoberflächen der elektrischen Module 532 jeweils eine flache Oberfläche sind. Daher werden die Abstandshalter 549, die jeweils eine flache Oberfläche aufweisen, zuerst auf der inneren Umlaufsoberfläche des Innenwandelements 542 des Wechselrichtergehäuses 531 angeordnet und daran fixiert, und dann werden die Montageoberflächen der elektrischen Module 532 jeweils auf den flachen Oberflächen der Abstandhalter 549 angeordnet und daran fixiert.
Es ist nicht wesentlich, die Abstandshalter 549 zwischen dem Innenwandelement 542 des Wechselrichtergehäuses 531 und den elektrischen Modulen 532 anzuordnen. Beispielsweise kann als eine Alternative die innere Umlaufsoberfläche des Innenwandelements 542 des Wechselrichtergehäuses 531 aus einer Vielzahl von flachen Oberflächen bestehen, an denen die elektrischen Module 532 jeweils direkt montiert werden. Als eine weitere Alternative können die Montageoberflächen der elektrischen Module 532 jeweils als eine gekrümmte Oberfläche gebildet sein, wodurch ermöglicht wird, dass die elektrischen Module 532 direkt an die innere Umlaufsoberfläche des Innenwandelements 542 des Wechselrichtergehäuses 531 montiert werden. Als eine weitere Alternative können die elektrischen Module 532 an dem Wechselrichtergehäuse 531 fixiert werden, ohne dass sie an die innere Umlaufsoberfläche des Innenwandelements 542 des Wechselrichtergehäuses 531 anstoßen. Beispielsweise können die elektrischen Module 532 alternativ an die Endplatte 542 des Buckelbildungselements 543 des Wechselrichtergehäuses 531 fixiert werden. Als eine weitere Alternative können von den elektrischen Modulen 532 lediglich die Kondensatormodule 532B an das Wechselrichtergehäuse 531 fixiert werden, ohne dass sie an die innere Umlaufsoberfläche des Innenwandelements 542 des Wechselrichtergehäuses 531 anstoßen, wohingegen die Schaltermodule 532A derart fixiert sind, dass sie an die innere Umlaufsoberfläche des Innenwandelements 542 anstoßen.
Zusätzlich entsprechen in dem Fall, dass die Abstandshalter 549 zwischen dem Innenwandelement 542 Wechselrichtergehäuses 531 und den elektrischen Modulen 532 angeordnet sind, die Außenumlaufswand WA1 und die Abstandshalter 549 zusammen einem „röhrenförmigen Abschnitt“. Im Gegensatz dazu entspricht in dem Fall, dass keine Abstandshalter 549 angewendet werden, die Außenumlaufswand WA1 alleine dem „röhrenförmigen Abschnitt“.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, ist in der Außenumlaufswand WA1 des Wechselrichtergehäuses 531 der Kühlwasserkanal 545 gebildet, durch den Kühlwasser als ein Kühlmittel fließt. Folglich können die elektrischen Module 532 durch Kühlwasser gekühlt werden, das durch den Kühlwasserkanal 545 fließt. Zusätzlich kann als das Kühlmittel Kühlöl anstelle des Wassers verwendet werden. Der Kühlwasserkanal 545 ist über den gesamten Umlauf der Außenumlaufswand WA1 in eine ringförmige Form geformt. Kühlwasser fließt in den Kühlwasserkanal 545 von der stromaufwärtigen Seite zu der stromabwärtigen Seite, wobei die elektrischen Module 532 gekühlt werden. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Kühlwasserkanal 545 ringförmig und derart angeordnet, dass er radial die elektrischen Module 532 überlappt und die elektrischen Module 532 von der radial äußeren Seite davon umgibt.
In dem Innenwandelement 542 des Wechselrichtergehäuses 531 ist ebenfalls sowohl ein Zuflusskanal 571, über den das Kühlwasser in den Kühlwasserkanal 545 hereinfließt, sowie ein Ausflusskanal 572 gebildet, über den das Kühlwasser aus dem Kühlwasserkanal 545 herausfließt. Insbesondere sind, wie es vorstehend beschrieben worden ist, gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die elektrischen Module 532 an der inneren Umlaufsoberfläche des Innenwandelements 542 fixiert. Die elektrischen Module 532 sind in der Umlaufsrichtung mit dazwischen gebildeten Spalten angeordnet. Weiterhin ist einer der Spalte, die zwischen den in Umlaufsrichtung benachbarten elektrischen Module 532 gebildet sind, deutlich breiter als die restlichen Spalte. In diesem breiteren Spalt ist ein Vorsprungsabschnitt 573 des Innenwandelements 542 angeordnet, der radial nach innen vorspringt. Sowohl der Zuflusskanal 571 als auch der Ausflusskanal 572 sind in dem Vorsprungsabschnitt 573 des Innenwandelements 542 in Umlaufsausrichtung miteinander gebildet.
Nachstehend ist die Anordnung der elektrischen Module 532 in dem Wechselrichtergehäuse 531 unter Bezugnahme auf 58 beschrieben. Zusätzlich zeigt 58 eine Längs-Querschnittsansicht, die ähnlich zu 50 ist.
Wie es in 58 gezeigt ist, sind die elektrischen Module 532 zu vorbestimmten Intervallen in der Umlaufsrichtung angeordnet. Die vorbestimmten Intervalle zwischen den elektrischen Modulen 532 weisen erste Intervalle INT1 und ein zweites Intervall INT2 auf, das breiter als die ersten Intervalle INT1 ist. Jedes der vorbestimmten Intervalle ist beispielsweise durch eine Umlaufsdistanz (Distanz in Umlaufsrichtung) zwischen Mittenpositionen von zwei in Umlaufsrichtung zueinander benachbarten elektrischen Modulen 532 repräsentiert. Weiterhin ist jedes der ersten Intervalle INT1 zwischen zwei in Umlaufsrichtung zueinander benachbarten elektrischen Modulen 532 vorgesehen, zwischen denen kein Vorsprungsabschnitt 573 angeordnet ist. Im Gegensatz dazu ist das zweite Intervall INT2 zwischen zwei in Umlaufsrichtung benachbarten elektrischen Modulen 532 vorgesehen, zwischen denen der Vorsprungsabschnitt 573 des Innenwandelements 542 angeordnet ist. Zusätzlich ist der Vorsprungsabschnitt 573 beispielsweise in der Mitte des zweiten Intervalls INT2 angeordnet.
Die Intervalle INT1 und INT2 können auf dem gleichen Kreis definiert sein, dessen Mitte auf der zentralen Achse der Drehwelle 501 liegt. In diesem Fall ist jedes der Intervalle durch die Umlaufsdistanz (Distanz in Umlaufsrichtung) (oder die Bogenlänge) auf dem Kreis zwischen den Mittenpositionen von zwei in Umlaufsrichtung zueinander benachbarten elektrischen Modulen 532 repräsentiert. Alternativ dazu kann jedes der Intervalle durch den Winkelbereich θi1 oder θi2 zwischen den Mittenpositionen von zwei in Umlaufsrichtung benachbarten elektrischen Modulen 532 repräsentiert sein. In diesem Fall repräsentiert θi1 die ersten Intervalle INT1, wohingegen θi2 das zweite Intervall INT2 repräsentiert (θi1 < θi2).
Zusätzlich können die ersten Intervalle INT1 alternativ beseitigt (oder auf null eingestellt) werden. In diesem Fall sind die elektrischen Komponenten 532 in der Umlaufsrichtung in Kontakt miteinander angeordnet.
Unter erneuter Bezugnahme auf 48 ist in der Endplatte 547 des Buckelbildungselements 543 des Wechselrichtergehäuses 531 ein Kühlwasseranschluss 574 vorgesehen, in dem Enden des Zuflusskanals 571 und des Ausflusskanals 572 gebildet sind. Sowohl der Zuflusskanal 571 als auch der Ausflusskanal 572 sind konfiguriert, in einem Kühlwasserumlaufspfad 575 enthalten zu sein, durch den das Kühlwasser umläuft. Der Kühlwasserumlaufspfad 575 weist ebenfalls Kühlwasserrohre, eine Kühlwasserpumpe 576 und eine Wärmeableitungsvorrichtung 577 auf. In Betrieb läuft mit dem Antrieb der Kühlwasserpumpe 576 das Kühlwasser durch den Kühlwasserumlaufspfad 575 um. Zusätzlich ist die Kühlwasserpumpe 576 durch eine elektrische Pumpe verwirklicht. Die Wärmeableitungsvorrichtung 577 ist beispielsweise durch einen Radiator verwirklicht, der konfiguriert ist, Wärme des Kühlwassers in die Atmosphäre abzuleiten.
Wie es in 50 gezeigt ist, ist der Stator 520 auf der radial äußeren Seite der Außenumlaufswand WA1 des Wechselrichtergehäuses 531 angeordnet, wohingegen die elektrischen Module 532 auf der radial inneren Seite der Außenumlaufswand WA1 angeordnet sind. Folglich wird Wärme, die in dem Stator 520 erzeugt wird, auf die Außenumlaufswand WA1 von der radial äußeren Seite übertragen, während Wärme, die in den elektrischen Modulen 532 erzeugt wird, auf die Außenumlaufswand WA1 von der radial inneren Seite übertragen wird. Als Ergebnis können der Stator 520 und die elektrischen Module 532 gleichzeitig durch das durch den Kühlwasserkanal 545 fließende Kühlwasser gekühlt werden. Das heißt, es ist möglich, effektiv Wärme, die in diesen Komponenten der rotierenden elektrischen Maschine 500 erzeugt wird, effektiv abzuleiten.
Nachstehend ist die elektrische Konfiguration eines elektrischen Leistungswandlers unter Bezugnahme auf 59 beschrieben.
Wie es in 59 gezeigt ist, besteht gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Statorspule 521 aus den U-, V- und W-PhasenWicklungen. Ein Wechselrichter 600 ist elektrisch mit der Statorspule 521 verbunden. In dem Wechselrichter 600 ist eine Vollbrückenschaltung mit einer Vielzahl von Paaren oberer und unterer Zweige gebildet. Die Anzahl der Paare der oberen und unteren Zweige ist gleich zu der Anzahl der Phasenwicklungen der Statorspule 521. Die Vollbrückenschaltung weist für jede der U-, V- und W-Phasen eine Reihenschaltungseinheit, die aus einem Ober-Zweig-Schalter 601 und einem Unter-Zweig-Schalter 602 aufgebaut ist. Jeder der Schalter 601 und 602 wird durch eine entsprechende Ansteuerungsschaltung 603 ein- und ausgeschaltet, um Wechselstrom einer entsprechenden der U-, V- und W-Phasen-Wicklungen zuzuführen. Jeder der Schalter 601 und 602 ist mit einem Halbleiterschaltelement wie einem MOSFET oder einem IGBT konfiguriert. Weiterhin weist jede Reihenschaltungseinheit, die eine der U-, V- und W-Phasen entspricht und aus einem Ober-Zweig-Schalter 601 und einem Unter-Zweig-Schalter 602 aufgebaut ist, einen Ladungszufuhrkondensator 604, der parallel damit geschaltet ist, um elektrische Ladung, die für die Ein-/Aus-Betätigung der Schalter 601 und 602 erforderlich ist, zuzuführen.
Der Betrieb des Wechselrichters 600 wird durch eine Steuerungseinrichtung 607 gesteuert. Die Steuerungseinrichtung 607 weist einen Mikrocomputer auf, der mit einer CPU und verschiedenen Speichern konfiguriert ist. Auf der Grundlage von verschiedenen Arten erfasster Informationen bezüglich der rotierenden elektrischen Maschine 500 und den Motorbetriebs- und Generatorbetriebsanforderungen führt die Steuerungseinrichtung 607 eine Speisungssteuerung durch Ein-/und Ausschalten der Schalter 601 und 602 des Wechselrichters 600 durch. Genauer steuert die Steuerungseinrichtung 607 die Ein-/Ausbetätigung von jedem der Schalter 601 und 602 beispielsweise durch eine PWM-Steuerung bei einer vorbestimmten Schaltfrequenz (oder Trägerfrequenz) oder eine Rechteckwellensteuerung. Die Steuerungseinrichtung 607 kann entweder eine eingebaute Steuerungseinrichtung sein, die in der rotierenden elektrischen Maschine 500 enthalten ist, oder kann eine externe Steuerungseinrichtung sein, die außerhalb von der rotierenden elektrischen Maschine 500 vorgesehen ist.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die elektrische Zeitkonstante der rotierenden elektrischen Maschine 500 mit Reduktion der Induktivität des Stators 520 abgesenkt. Wenn die elektrische Zeitkonstante abgesenkt ist, ist es vorzuziehen, die Schaltfrequenz (oder Trägerfrequenz) und die Schaltgeschwindigkeit zu erhöhen. In dieser Hinsicht ist es mit dem parallel zu der Reihenschaltungseinheit jeder Phase geschaltetem Ladezufuhrkondensator 604 die Verdrahtungsinduktivität abgesenkt. Folglich ist es, selbst mit erhöhter Schaltgeschwindigkeit immer noch möglich, in geeigneter Weise einen Stoß zu bewältigen.
Ein hochpotentialseitiger Anschluss des Wechselrichters 600 ist mit einem positiven Anschluss einer Gleichstromleistungsversorgung 605 verbunden, und dessen niedrigpotentialseitiger Anschluss ist mit einem negativen Anschluss der Gleichstromleistungsversorgung 605 (oder Masse) verbunden. Weiterhin sind zwischen den hochpotentialseitigen und niedrigpotentialseitigen Anschlüssen des Wechselrichters 600 weiterhin Glättungskondensatoren 606 parallel zu der Gleichstromleistungsversorgung 605 geschaltet.
Jedes der Schaltermodule 532A weist diejenigen Komponenten auf, die einer Phase entsprechen, die die Ober-Zweig- und Unter-Zweig-Schalter 601 und 602 (die Halbleiterschaltelemente), die Ansteuerungsschaltung 603 (genauer elektrische Elemente, die die Ansteuerungsschaltung 603 bilden) und den Ladungszufuhrkondensator 604 aufweisen. Demgegenüber weist jeder der Kondensatormodule 532B einen der Glättungskondensatoren 606 auf. 60 zeigt ein spezifisches Konfigurationsbeispiel der Schaltermodule 532A.
Wie es in 60 gezeigt ist, weist jedes der Schaltermodule 532A einen Modulkasten 611 als einen aufnehmenden Kasten auf. In dem Modulkasten 611 sind diejenigen Komponenten aufgenommen, die einer Phase entsprechen, die die Ober-Zweig- und Unter-Zweig-Schalter 601 und 602, die Ansteuerungsschaltung 603 und den Ladungszufuhrkondensator 604 aufweisen. Zusätzlich ist die Ansteuerungsschaltung 603 als ein spezielles IC oder eine Schaltungsplatine konfiguriert.
Der Modulkasten 611 ist durch ein elektrisch isolierendes Material wie Harz gebildet. Der Modulkasten 611 ist an der Außenumlaufswand WA1 des Wechselrichtergehäuses 531 mit einer an die innere Umlaufsoberfläche des Innenwandelements 542 des Wechselrichtergehäuses 531 anstoßenden Seitenoberfläche des Modulgehäuses 611 fixiert. Ein Gussmaterial (beispielsweise Harz) ist in das Modulgehäuse 611 eingefüllt. Weiterhin ist in dem Modulkasten 611 eine elektrische Verbindung zwischen den Schaltern 601 und 602 und der Ansteuerungsschaltung 603 sowie zwischen den Schaltern 601 und 602 sowie dem Ladungszufuhrkondensator 604 durch Verdrahtungen 612 hergestellt. Zusätzlich ist jedes der Schaltermodule 532A an die Außenumlaufswand WA1 des Wechselrichtergehäuses 531 über die entsprechenden Abstandshalter 549 montiert. Jedoch ist zur vereinfachten Darstellung der entsprechende Abstandhalter 549 in 60 nicht gezeigt.
In dem Zustand, in dem jedes der Schaltermodule 532A an die Außenumlaufswand WA1 des Wechselrichtergehäuses 531 fixiert ist, erhöht sich das Kühlleistungsvermögen in den Schaltermodulen 532A mit einer Verringerung der Distanz von der Außenumlaufswand WA1, d.h. mit einer Verringerung der Distanz von dem Kühlwasserkanal 545. Daher sind in jedem der Schaltermodule 532A die Ober-Zweig- und Unter-Zweig-Schalter 601 und 602, die Ansteuerungsschaltung 603 und der Ladungszufuhrkondensator 604 unter Berücksichtigung des vorstehend beschriebenen Kühlleistungsvermögens darin angeordnet. Genauer verringern sich die Größen von Wärme, die durch diese Komponenten erzeugt wird, in der Reihenfolge der Schalter 601 und 602, des Ladungszufuhrkondensators 604 und der Ansteuerungsschaltung 603. Daher sind, wie es in 60 gezeigt ist, diese Komponenten sequentiell von der Seite der Außenumlaufswand WA1 in der Reihenfolge der Schalter 601 und 602, des Ladungszufuhrkondensators 604 und der Ansteuerungsschaltung 603 angeordnet. Zusätzlich kann die Kontaktoberfläche von jedem der Schaltermodule 532A kleiner als die kontaktbare Oberfläche sein, die in der Innenumlaufsoberfläche des Innenwandelements 542 des Wechselrichtergehäuses 531 vorgesehen ist.
Zusätzlich weist, obwohl es in den Figuren nicht gezeigt ist, jedes der Kondensatormodule 532B ebenfalls einen Modulkasten auf, der dieselbe Form und Größe wie die Modulkästen 611 der Schaltermodule 532A aufweist. In dem Modulkasten von jedem der Kondensatormodule 532B ist einer der entsprechenden Glättungskondensatoren 606 aufgenommen. Ähnlich wie die Schaltermodule 532A sind ebenfalls die Kondensatormodule 532B an die Außenumlaufswand WA1 des Wechselrichtergehäuses 531 mit einer gegen die Umlaufsoberfläche des Innenwandelements 542 des Wechselrichtergehäuses 531 anstoßenden Seitenoberfläche des Modulkastens fixiert.
Auf der radial inneren Seite der Außenumlaufswand WA1 des Wechselrichtergehäuses 531 sind die Schaltermodule 532A und die Kondensatormodule 532B nicht notwendigerweise auf dem gleichen Kreis (oder an derselben radialen Position) angeordnet. Beispielsweise können die Schaltermodule 532A radial innerhalb oder radial außerhalb der Kondensatormodule 532B angeordnet werden.
Während des Betriebs der rotierenden elektrischen Maschine 500 wird ein Wärmeaustausch zwischen den Schaltermodulen 532A und den Kondensatormodulen 532B und dem Kühlwasser, das durch den Kühlwasserkanal 545 fließt, über das Innenwandelement 542 des Wechselrichtergehäuses 531 durchgeführt. Folglich werden die Schaltermodule 532A und die Kondensatormodule 532B gekühlt.
Jedes der elektrischen Module 532 kann alternativ derart konfiguriert sein, dass das Kühlwasser von dem Kühlwasserkanal 545 in die elektrischen Module 532 fließt, wodurch die Komponenten der elektrischen Module 532 gekühlt werden. 61(a) und 61(b) zeigen zusammen eine erste beispielhafte Wasserkühlstruktur der Schaltermodule 532A. 61(a) zeigt eine Längs-Querschnittsansicht von einem der Schaltermodule 532A, die entlang einer Richtung genommen ist, die die Außenumlaufswand WA1 des Wechselrichtergehäuses 531 quert. 61(b) zeigt eine Querschnittsansicht, die entlang der Linie 61B-61B in 61(a) genommen ist.
Wie es in 61(a) und 61(b) gezeigt ist, weist die erste beispielhafte Wasserkühlstruktur ein Paar Kühlwasserrohre 621 und 622 und zumindest einen Radiator 623 auf. Das Kühlwasserrohr 621 ist ein Zuflussrohr, über das Kühlwasser von dem in der Außenumlaufswand WA1 des Wechselrichtergehäuses 531 gebildeten Kühlwasserkanal 545 in den zumindest einen Radiator 623 fließt. Im Gegensatz dazu ist das Kühlwasserrohr 622 ein Ausflussrohr, über den das Kühlwasser aus den zumindest einen Radiator 623 fließt, wobei es zu dem Kühlwasserkanal 545 zurückkehrt, der in der Außenumlaufswand WA1 gebildet ist. Der zumindest eine Radiator 623 ist entsprechend den Kühlzielen vorgesehen. In dem Beispiel, das in 61(a) und 61(b) gezeigt ist, sind zwei Radiatoren 623 vorgesehen, die radial voneinander beabstandet sind und miteinander ausgerichtet sind. Das Kühlwasser wird den Radiatoren über die Zufluss- und Ausflusskühlwasserrohre 621 und 622 zugeführt. Jeder der Radiatoren ist beispielsweise konfiguriert, innen hohl zu sein. Es sei bemerkt, dass jeder der Radiatoren 623 innere Kühlrippen aufweisen kann, die darin geformt sind.
In dem Fall, dass die Anzahl der Radiatoren 623 gleich zwei ist, gibt es die nachfolgenden drei Stellen in dem Schaltermodul 532A zum Anordnen der elektrischen Komponenten (d.h. der Kühlziele): (1) eine Stelle auf der Seite der Außenumlaufswand WA1 der Radiatoren 623, (2) eine Stelle zwischen den Radiatoren 623, und (3) eine Stelle auf der zu der Außenumlaufswand WA1 entgegengesetzten Seite der Radiatoren 623. Das Kühlleistungsvermögen an diesen Stellen verringert sich in der Reihenfolge von (2), (1) und (3). Das heißt, dass das Kühlleistungsvermögen an der Stelle (2) zwischen den Radiatoren 623 am höchsten ist und an der Stelle (3), die am weitesten weg von der Außenumlaufswand WA1 (oder dem Kühlwasserkanal 545) ist und lediglich an einem der Radiatoren 623 anstößt, am niedrigsten ist. Daher sind von den elektrischen Komponenten des Schaltermoduls 532A die Schalter 601 und 602 an der Stelle (2) angeordnet, ist der Ladungszufuhrkondensator 604 an der Stelle (1) angeordnet, und ist die Ansteuerungsschaltung 603 an der Stelle (3) angeordnet. Zusätzlich kann als eine Alternative, obwohl in den Figuren nicht gezeigt, die Ansteuerungsschaltung 603 an der Stelle (1) angeordnet werden und kann der Ladungszufuhrkondensator 604 an der Stelle (3) angeordnet werden.
In den vorstehend beschriebenen Fällen ist eine elektrische Verbindung zwischen den Schaltern 601 und 602 und der Antriebsschaltung 603 sowie zwischen den Schaltern 601 und 602 und dem Ladungszufuhrkondensator 604 durch die Verdrahtungen 612 hergestellt. Weiterhin ist mit den Schaltern 601 und 602 die zwischen der Ansteuerungsschaltung 603 und dem Ladungszufuhrkondensator 604 angeordnet sind, die Erstreckungsrichtung der Verdrahtung 612, die sich von den Schaltern 601 und 602 zu der Antriebsschaltung 603 erstrecken, entgegengesetzt zu der Erstreckungsrichtung der Verdrahtung 612, die sich von den Schaltern 601 und 602 zu dem Ladungszufuhrkondensator 604 erstreckt.
Wie es in 61(b) gezeigt ist, sind das Paar der Zufluss- und Ausflusskühlwasserrohre 621 und 622 in der Umlaufsrichtung (oder der Flussrichtung des Kühlwassers in dem Kühlwasserkanal 545) angeordnet, so dass sie jeweils auf der stromaufwärtigen und stromabwärtigen Seite in Bezug auf den Fluss des Kühlwassers in dem Kühlwasserkanal 545 angeordnet sind. Das Kühlwasser fließt in die Radiatoren 623 über das Zuflusskühlwasserrohr 621, das sich auf der stromaufwärtigen Seite befindet, und fließt dann aus den Radiatoren 623 über das Ausflusskühlwasserrohr 622, das sich auf der stromabwärtigen Seite befindet. Zusätzlich kann zur Erleichterung des Flusses des Kühlwassers in die Radiatoren 623 eine Flussreguliereinrichtung 624 in dem Kühlwasserkanal 545 zwischen den Zufluss- und Ausflusskühlwasserrohren 621 und 622 in der Umlaufsrichtung angeordnet werden, um den Fluss von Kühlwasser durch den Kühlwasserkanal 545 zu regulieren. Die Flussreguliereinrichtung 624 kann konfiguriert sein, den Kühlwasserkanal 545 zu blockieren, oder die Querschnittsfläche des Kühlwasserkanals 545 zu reduzieren.
62(a) bis 62(c) zeigen zusammen eine zweite beispielhafte Wasserkühlstruktur der Schaltermodule 532A. 62(a) zeigt eine Längs-Querschnittsansicht von einem der Schaltermodule 532A, die entlang einer Richtung genommen ist, die die Außenumlaufswand WA1 des Wechselrichtergehäuses 531 quert. 61(b) zeigt eine Querschnittsansicht, die entlang der Linie 62B-62B in 62(a) genommen ist.
Wie es in 62(a) und 62(b) gezeigt ist, sind in der zweiten beispielhaften Wasserkühlstruktur die Zufluss- und Ausflusskühlwasserrohre 621 und 622 in der axialen Richtung angeordnet, genauer sind voneinander in der axialen Richtung beabstandet und ausgerichtet. Weiterhin ist, wie es in 62(c) gezeigt ist, der Kühlwasserkanal 545 in zwei Teile unterteilt, die voneinander in axialer Richtung getrennt sind und jeweils mit den Zufluss- und Ausflusskühlwasserrohren 621 und 622 kommunizieren. Die zwei Teile des Kühlwasserkanals 545 sind fluidmäßig miteinander über das Zuflusskühlwasserrohr 621, die Radiatoren 623 und das Ausflusskühlwasserrohr 622 verbunden.
Weiterhin können die Schaltermodule 532A alternativ durch die nachfolgende Wasserkühlstruktur gekühlt werden.
63(a) zeigt eine dritte beispielhafte Wasserkühlstruktur der Schaltermodule 532A. In dieser Kühlwasserstruktur ist die Anzahl der Radiatoren 623 von zwei in dem in 61(a) und 61(b) gezeigten Beispiel auf eins reduziert. Folglich gibt es mit dem einzelnen Radiator 623 die nachfolgenden drei Stellen in dem Schaltermodule 532A, an denen die elektrischen Komponenten (d.h. die Kühlziele) angeordnet werden können: (1) eine Stelle an der Seite der Außenumlaufswand WA1 des Radiators 623, (2) eine Stelle auf der zu der Außenumlaufswand WA1 entgegengesetzten Seite des Radiators 623 und unmittelbar benachbart zu dem Radiator 623, und (3) eine Stelle auf der zu der Außenumlaufswand WA1 entgegengesetzten Seite und weg von dem Radiator 623. Das Kühlleistungsvermögen an diesen Stellen verringert sich in der Reihenfolge von (1), (2) und (3). Daher sind von den elektrischen Komponenten des Schaltermoduls 532A die Schalter 601 und 602 an der Stelle (1) angeordnet, ist der Ladungszufuhrkondensator 604 an der Stelle (2) angeordnet, und ist die Ansteuerungsschaltung 603 an der Stelle (3) angeordnet.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel jedes der Schaltermodule 532A derart konfiguriert, dass die Ober-Zweig- und Unter-Zweig-Schalter 601 und 602, die Ansteuerungsschaltung 603 und der Ladungszufuhrkondensator 604 alle in dem Modulkasten 611 aufgenommen sind. Als eine Alternative kann jedes der Schaltermodule 532A derart konfiguriert sein, dass die Ober-Zweig- und Unter-Zweig-Schalter 601 und 602 und entweder die Ansteuerungsschaltung 603 oder der Ladungszufuhrkondensator 604 in dem Modulkasten 611 aufgenommen sind.
63(b) zeigt eine vierte beispielhafte Wasserkühlstruktur der Schaltermodule 532A. In dieser Wasserkühlstruktur sind zwei Radiatoren 623 wie in dem in 61(a) und 61(b) gezeigten Beispiel vorgesehen. Daher sind die Schalter 601 und 602 an der Stelle zwischen den Radiatoren 623 angeordnet, an der das Kühlleistungsvermögen am höchsten ist. Eine der Ansteuerungsschaltungen 603 und des Ladungszufuhrkondensators 604 (d.h. die Ansteuerungsschaltung 603 oder der Ladungszufuhrkondensator 604) ist an der Stelle auf der Seite der Außenumlaufswand WA1 des Radiators 623 angeordnet. Als eine weitere Alternative können die Schalter 601 und 602 und die Ansteuerungsschaltung 603 in ein Halbleitermodul integriert sein, und das Halbleitermodul kann an der Stelle zwischen den Radiatoren 623 angeordnet werden, während der Ladungszufuhrkondensator 604 an der Stelle auf der Seite der Außenumlaufswand WA1 des Radiators 623 angeordnet ist.
Zusätzlich kann in der in 63(b) gezeigten vierten beispielhaften Wasserkühlstruktur der Ladungszufuhrkondensator 604 an einer oder beiden der Stellen auf der Seite der Außenumlaufswand WA1 des Radiators 623 und der Stelle auf der zu der Außenumlaufswand WA1 entgegengesetzten Seite des Radiators 623 vorgesehen werden.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weisen von den elektrischen Modulen 532 lediglich die Schaltermodule 532A eine darin gebildete Wasserkühlstruktur auf. Jedoch können auch die Kondensatormodule 532B eine darin gebildete Wasserkühlstruktur ähnlich wie die Schaltermodule 532A aufweisen.
Weiterhin kann jedes der elektrischen Module 532 derart angeordnet werden, dass deren äußere Oberfläche direkt dem Kühlwasser ausgesetzt wird, wodurch es durch das Kühlwasser gekühlt wird. Beispielsweise kann, wie es in 64 gezeigt ist, jedes der elektrischen Module 532 in die Außenumlaufswand WA1 eingebettet werden, so dass dessen äußere Oberfläche direkt dem Kühlwasser ausgesetzt ist, das durch den Kühlwasserkanal 545 fließt. Weiterhin ist in dem in 64 gezeigten Beispiel lediglich ein Teil von jedem der elektrischen Module 532 in dem Kühlwasser eingetaucht. Als eine Alternative kann die radiale Abmessung des Kühlwasserkanals 545 erhöht werden, so dass die Gesamtheit von jedem der elektrischen Module 532 in dem Kühlwasser eingetaucht wird. Weiterhin können Kühlrippen in dem eingetauchten Modulkasten 611 (oder dem eingetauchten Teil des Modulkastens 611) von jedem der elektrischen Module 532 vorgesehen werden, wodurch das Kühlleistungsvermögen weiter Verbessert wird.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weisen die elektrischen Module 532 die Schaltermodule 532A und die Kondensatormodule 532B auf, wie es vorstehend beschrieben worden ist. Jedoch unterscheidet sich die Menge von Wärme, die durch die Schaltermodule 532A erzeugt wird, von der Menge von Wärme, die durch die Kondensatormodule 532B erzeugt wird. Daher ist es vorzuziehen, die elektrischen Module 532 in das Wechselrichtergehäuse 531 unter Berücksichtigung der vorstehend beschriebenen Tatsache anzuordnen.
Beispielsweise können, wie es in 65 gezeigt ist, alle Schaltermodule 532A benachbart zueinander in der Umlaufsrichtung angeordnet werden und auf der stromaufwärtigen Seite des Kühlwasserkanals 545, d.h. auf der zu dem Zuflusskanal 571 näher liegenden Seite angeordnet werden. In diesem Fall kühlt das Kühlwasser, das in dem Kühlwasserkanal 545 aus dem Zuflusskanal 571 fließt, zunächst die Schaltermodule 532A und kühlt dann die Kondensatormodule 532B, die auf der stromabwärtigen Seite angeordnet sind. Zusätzlich sind in dem in 65 gezeigten Beispiel in jedem der Schaltermodule 532 die Zufluss- und Ausflusskühlwasserrohre 621 und 622 voneinander beabstandet und miteinander in der axialen Richtung ausgerichtet, wie in dem in 62(a) und 62(b) gezeigten Beispiel. Als eine Alternative können die Zufluss- und Ausflusskühlwasserrohre 621 und 622 voneinander beabstandet sein und miteinander in der Umlaufsrichtung ausgerichtet sein, wie in dem Beispiel gemäß 61(a) und 61(b).
Nachstehend ist die elektrische Verbindung zwischen den elektrischen Modulen 532 und dem Sammelschienenmodul 533 unter Bezugnahme auf 66 bis 68 beschrieben. Zusätzlich zeigt 66 eine Querschnittsansicht, die entlang der Linie 66-66 in 49 genommen ist. 67 zeigt eine Querschnittsansicht, die entlang der Linie 67-67 in 49 genommen ist. 68 zeigt eine perspektivische Darstellung des Sammelschienenmoduls 533.
Wie es in 66 gezeigt ist, sind in dem Wechselrichtergehäuse 531 an einer Stelle, die in Umlaufsrichtung benachbart zu dem Vorsprungsabschnitt 573 des Innenwandelements 542 des Wechselrichtergehäuses 531 (d.h. dem Vorsprungsabschnitt 573, an dem sowohl der Zuflusskanal 571 als auch der Ausflusskanal 572 gebildet sind) drei Schaltermodule 532A benachbart zueinander in der Umlaufsrichtung angeordnet. Den Schaltermodulen 532A nachfolgend sind sechs Kondensatormodule 532B benachbart zueinander in der Umlaufsrichtung angeordnet. Genauer ist der Raum radial innerhalb der Außenumlaufsoberwand WA1 des Wechselrichtergehäuses 531 gleichmäßig in zehn (d.h. der Anzahl der elektrischen Module + 1) Regionen in der Umlaufsrichtung unterteilt. Von den zehn Regionen weisen neun Regionen jeweils eines der elektrischen Module 533 darin angeordnet auf, wobei die restliche Region des Vorsprungsabschnitts 573 des Innenwandelements 542 darin aufgenommen aufweist. Zusätzlich entsprechen die drei Schaltermodule 532 jeweils den U-, V- und W-Phasen.
Unter erneuter Bezugnahme auf 56 und 57 zusammen mit 66 weist jedes der elektrischen Module 532 (d.h. die Schaltermodule 532A und die Kondensatormodule 532B) eine Vielzahl von Modulanschlüssen 615 auf, die sich axial von dem Modulkasten 611 davon erstrecken. Die Modulanschlüsse 615 sind Moduleingangs-/-ausgangsanschlüsse, über die ein elektrische Eingang/Ausgang der elektrischen Module 532 gemacht wird. Die Modulanschlüsse 615 sind gebildet, um sich von dem Modulkasten 611 zu dem Inneren des Rotorträgers 511 (oder dem äußeren des Fahrzeugs) in der axialen Richtung zu erstrecken (siehe 51).
Jeder der Modulanschlüsse 615 der elektrischen Module 532 ist mit dem Sammelschienenmodul 533 verbunden. Die Anzahl der Modulanschlüsse 615, die in jedem der Schaltermodule 532A vorgesehen sind, unterscheiden sich von der Anzahl der Modulanschlüsse 615, die in jedem der Kondensatormodule 532B vorgesehen sind. Genauer ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Anzahl der Modulanschlüsse 615, die in jedem der Schaltermodule 532A vorgesehen sind, gleich vier, wohingegen die Anzahl der Modulanschlüsse 615, die in jedem der Kondensatormodule 532B vorgesehen sind, gleich zwei ist.
Wie es in 68 gezeigt ist, weist das Sammelschienenmodul 533 einen ringförmigen Hauptkörper 631, drei externe Verbindungsanschlüsse 632, die sich jeweils axial von dem ringförmigen Hauptkörper 631 erstrecken, sodass sie mit der Gleichstromleistungsversorgung 605 oder eine externen ECU (elektronische Steuerungseinheit) verbunden werden, und drei Wicklungsverbindungsanschlüsse 633 auf, die jeweils mit den Phasenwicklungen der Statorspule 521 zu verbinden sind. Zusätzlich entspricht das Sammelschienenmodul 533 einem „Anschlussmodul“.
Der ringförmige Hauptkörper 631 ist radial innerhalb der Außenumlaufswand WA1 des Wechselrichtergehäuses 531 und an einer axialen Seite der elektrischen Module 532 angeordnet. Der ringförmige Hauptkörper 631 weist ein ringförmiges Isolierelement, das aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet ist (beispielsweise Harz), und eine Vielzahl von Sammelschienen auf, die in dem Isolierelement eingebettet sind. Die Sammelschienen sind mit den Modulanschlüssen 615 der elektrischen Module 532, den externen Verbindungsanschlüssen 632 und den Phasenwicklungen der Statorspule 521 verbunden. Die Konfiguration der Sammelschienen ist später ausführlich beschrieben.
Die externen Verbindungsanschlüsse 632 weisen ein hochpotentialseitigen Leistungsanschluss 632A, der mit dem positiven Anschluss der Gleichstromleistungsversorgung 605 verbunden ist, einen niedrigpotentialseitigen Leistungsanschluss 632B, der mit dem negativen Anschluss der Gleichstromleistungsversorgung 605 verbunden ist, und einen Signalanschluss 632C auf, der mit der externen ECU verbunden ist. Die externen Verbindungsanschlüsse 632 (d.h. 632A bis 632C) sind in Ausrichtung miteinander in der Umlaufsrichtung ausgerichtet und erstrecken sich in der axialen Richtung auf der radial inneren Seite der ringförmigen Hauptkörpers 631. Wie es in 31 gezeigt ist, weist nach dem Zusammenbau der Wechselrichtereinheit 530 jeder der externen Verbindungsanschlüsse 632 ein Ende auf, das sich von der Endplatte 547 des Buckelbildungselements 543 des Wechselrichtergehäuses 531 vorspringt. Genauer sind, wie es in 56 und 57 gezeigt ist, in der Endplatte 547 des Buckelbildungselements 543 Einsetzöffnungen 547a gebildet. Jede der Einsetzöffnungen 547a weist eine hohlzylindrische Durchführung 635 auf, die darin eingesetzt ist. Die externen Verbindungsanschlüsse 632 erstrecken sich jeweils durch die Einsetzöffnungen 547a mit den jeweiligen darin eingesetzten Durchführungen 635. Zusätzlich fungieren die Durchführungen 635 als hermetische Verbinder.
Die Wicklungsverbindungsanschlüsse 633 sind derart geformt, dass die sich von dem ringförmigen Hauptkörper 631 radial nach außen erstrecken, um jeweils mit Enden der Phasenwicklungen der Statorspule 521 verbunden zu werden. Die Wicklungsverbindungsanschlüsse 633 weisen einen U-Phasen-Wicklungsverbindungsanschluss 633U, der mit einem Ende der U-Phasen-Wicklung der Statorspule 521 verbunden ist, einen V-Phasen-Wicklungsverbindungsanschluss 633V, der mit einem Ende der V-Phasen-Wicklung der Statorspule 521 verbunden ist, und einen W-Phasen-Wicklungsverbindungsanschluss 633W auf, der mit einem Ende der W-Phasen-Wicklung der Statorspule 521 verbunden ist. Weiterhin können Stromsensoren 634 (siehe 70) vorgesehen werden, um elektrische Ströme (d.h. einen U-Phasen-Strom, einen V-Phasen-Strom und einen W-Phase-Strom) zu erfassen, die jeweils durch die Wicklungsverbindungsanschlüsse 633 und den Phasenwicklungen der Statorspule 521 fließen.
Weiterhin können die Stromsensoren 634 außerhalb der elektrischen Module 532 und nahe an den jeweiligen Wicklungsverbindungsanschlüssen 633 angeordnet werden, oder innerhalb der elektrischen Module 532 angeordnet werden.
Nachstehend ist die elektrische Verbindung zwischen den elektrischen Modulen 532 und dem Sammelschienenmodul 533 ausführlicher unter Bezugnahme auf 69 und 70 beschrieben. 69 ist eine abgewickelte Ansicht der elektrischen Module 532 auf einer Ebene, die eine elektrische Verbindung zwischen den elektrischen Modulen 532 und dem Sammelschienenmodul 533 veranschaulicht. 70 zeigt eine schematische Darstellung, die eine elektrische Verbindung zwischen den elektrischen Modulen 532, die in einer ringförmigen Form angeordnet sind, und dem Sammelschienenmodul 533 veranschaulicht. Weiterhin sind in 69 elektrische Leistungsübertragungspfade mit durchgezogenen Linien gezeigt, wohingegen Signalübertragungspfade mit strichpunktierten Linien gezeigt sind. Demgegenüber sind in 70 lediglich die elektrischen Leistungsübertragungspfade mit durchgezogenen Linien gezeigt, wobei die Signalübertragungspfade weggelassen sind.
Das Sammelschienenmodul 533 weist eine erste Sammelschiene 641, eine zweite Sammelschiene 642 und eine dritte Sammelschiene 643 als elektrische Leistungsübertragungssammelschienen auf. Die erste Sammelschiene 641 ist mit dem hochpotentialseitigen Leistungsanschluss 632A verbunden. Die zweite Sammelschiene 642 ist mit dem niedrigpotentialseitigen Leistungsanschluss 632B verbunden. Die dritten Sammelschienen 643 sind jeweils mit den U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Wicklungsverbindungsanschlüssen 633U, 633V und 633W verbunden.
Durch den Betrieb der rotierenden elektrischen Maschine 500 wird sehr leicht Wärme in den Wicklungsverbindungsanschlüssen 633 und den dritten Sammelschienen 643 erzeugt. Daher kann ein (nicht gezeigter) Anschlussblock zwischen den Wicklungsverbindungsanschlüssen 633 und den dritten Sammelschienen 643 vorgesehen werden und derart angeordnet werden, dass er an dem Wechselrichtergehäuse 531 anstößt, der den darin gebildeten Kühlwasserkanal 545 aufweist. Alternativ dazu können die Wicklungsverbindungsanschlüssen 633 und die dritten Sammelschienen 643 kurbelförmig sein und derart angeordnet sein, dass sie an das Wechselrichtergehäuse 531 anstoßen, das den darin gebildeten Kühlwasserkanal 545 ausweist.
Mit jeder der vorstehend beschriebenen Konfigurationen ist es möglich, Wärme, die in den Wicklungsverbindungsanschlüssen 633 und den dritten Sammelschienen 643 erzeugt wird, zu dem Kühlwasser, das durch den Kühlwasserkanal 545 fließt, abzuleiten.
Zusätzlich ist in dem in 70 gezeigten Beispiel jede der ersten Sammelschiene 641 und der zweiten Sammelschiene 642 ringförmig. Jedoch kann jede der ersten Sammelschiene 641 und der zweiten Sammelschiene 642 andere Formen aufweisen, wie im Wesentlichen eine C-Form mit zwei separaten Enden in Umlaufsrichtung. Weiterhin sind in dem in 70 gezeigten Beispiel die U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Wicklungsverbindungsanschlüsse 633U, 633V, 633W jeweils mit den U-Phasen-, V-Phase- und W-Phasen-Schaltermodulen 532A über die dritten Sammelschienen 643 verbunden. Als eine Alternative können die U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Wicklungsverbindungsanschlüsse 633U, 633V und 633W jeweils direkt mit den U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Schaltermodulen 532A (genauer den entsprechenden Modulanschlüssen 615) verbunden werden, wobei die dritten Sammelschienen 643 entfallen.
Demgegenüber weist jedes der Schaltermodule 532A vier Modulanschlüsse 615, d.h. einen positiven Anschluss, einen negativen Anschluss, einen Wicklungsverbindungsanschluss und einen Signalanschluss auf. Der positive Anschluss ist mit der ersten Sammelschiene 641 verbunden. Der negative Anschluss ist mit der zweiten Sammelschiene 642 verbunden. Der Wicklungsverbindungsanschluss ist mit einer entsprechenden der dritten Sammelschiene 643 verbunden.
Weiterhin weist das Sammelschienenmodul 533 drei vierte Sammelschienen 644 als Signalübertragungssammelschienen auf. Dies Signalanschlüsse der U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Schaltermodule 532A sind jeweils mit den drei vierten Sammelschienen 644 verbunden, und alle vierten Sammelschienen 644 sind mit dem Signalanschluss 632C verbunden.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden Steuerungssignale aus der externen ECU den Schaltermodulen 532A über den Signalanschluss 632C zugeführt. Folglich werden die Schalter 601 und 602 der Schaltermodule 532A entsprechend den über den Signalanschluss 632C zugeführten Steuerungssignalen ein- und ausgeschaltet. Das heißt, dass gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die externe ECU der in 59 gezeigten Steuerungseinrichtung 607 entspricht. Daher sind die Schaltermodule 532A mit dem Signalanschluss 632C ohne eingebaute Steuerungseinrichtung der rotierenden elektrischen Maschine 500, die dazwischen geschaltet ist, verbunden. Als eine Alternative ist es möglich, eine Steuerungseinrichtung, die in der rotierenden elektrischen Maschine 500 eingebaut ist, anzuwenden, und Steuerungssignale von der eingebauten Steuerungseinrichtung in die Schaltermodule 532A einzugeben. Diese alternative Konfiguration ist in 71 gezeigt.
In der in 71 gezeigten Konfiguration weist die rotierende elektrische Maschine 500 ein Steuerungssubstrat 651 auf, auf dem eine Steuerungseinrichtungen 652 montiert ist. Die Steuerungseinrichtung 652 ist mit jedem der Schaltermodule 532A als auch mit dem Signalanschluss 632C verbunden. Die Steuerungseinrichtung 652 empfängt ein Befehlssignal aus einer externen ECU, die ein höherrangiges Steuerungsgerät ist, über den Signalanschluss 632C, wobei das Befehlssignal ein Befehl bezüglich eines Motorbetriebs oder eines Generatorbetriebs angibt. Dann erzeugt die Steuerungseinrichtung 652 entsprechend dem Befehlssignal Steuerungssignale (oder Betriebssignale) und gibt diese zu den Schaltermodulen 532A aus, wodurch die Schalter 601 und 602 der Schaltermodule 532A ein- und ausgeschaltet werden.
In der Wechselrichtereinheit 530 kann das in 71 gezeigte Steuerungssubstrat 651 weiter außerhalb in Bezug auf das Fahrzeug (d.h. näher an der Unterseite des Rotorträgers 511) als das Sammelschienenmodul 533 angeordnet werden. Alternativ dazu kann das Steuerungssubstrat 651 zwischen den elektrischen Modulen 532 und der Endplatte 547 des Buckelbildungselements 543 des Wechselrichtergehäuses 531 angeordnet werden. Zusätzlich kann das Steuerungssubstrat 651 derart angeordnet werden, dass zumindest ein Teil des Steuerungssubstrats 651 die elektrischen Module 532 in der axialen Richtung überlappt.
Jedes der Kondensatormodule 532B weist, wie es in 69 gezeigt ist, zwei Modulanschlüsse 615 auf, d.h. einen positiven Anschluss und einen negativen Anschluss. Der positive Anschluss ist mit der ersten Sammelschiene 641 verbunden. Der negative Anschluss ist mit der zweiten Sammelschiene 642 verbunden.
Wie es in 49 und 50 gezeigt ist, ist in dem Wechselrichtergehäuse 531, wie es vorstehend beschrieben worden ist, der Vorsprungsabschnitt 573 des Innenwandelements 542 zwischen zwei in Umlaufsrichtung benachbarten elektrischen Modulen 532 angeordnet. Der Vorsprungsabschnitt 573 weist sowohl den Zuflusskanal 571 als auch den Ausflusskanal 572 darin gebildet auf. Die externen Verbindungsanschlüsse 632 sind radial benachbart zu dem Vorsprungsabschnitt 573 angeordnet. Anders ausgedrückt sind die externen Verbindungsanschlüsse 632 in Umlaufsrichtung bei der gleichen Winkelposition wie der Vorsprungsabschnitt 573 angeordnet. Genauer sind gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die externen Verbindungsanschlüsse 632 radial innerhalb des Vorsprungsabschnitts 573 angeordnet. Weiterhin sind, wenn von innerhalb des Fahrzeugs aus betrachtet, der Kühlwasseranschluss 574 und die externen Verbindungsanschlüsse 632 in radialer Ausrichtung miteinander an der Endplatte 547 des Buckelbildungselements 543 des Wechselrichtergehäuses 531 angeordnet (siehe 48).
Durch Anordnen des Vorsprungsabschnitts 573 und der externen Verbindungsanschlüsse 632 in der Umlaufsausrichtung mit den elektrischen Modulen 532 wie vorstehend beschrieben wird es möglich, die Größe der Wechselrichtereinheit 530 zu minimieren und somit die Größe der gesamten rotierenden elektrischen Maschine 500 zu minimieren.
Unter erneutem Bezug auf 45 und 47 ist das Kühlwasserrohr H2 mit dem Kühlwasseranschluss 574 verbunden, während die elektrische Verdrahtung H1 mit den externen Verbindungsanschlüssen 632 verbunden ist. In diesem verbundenen Zustand sind sowohl die elektrische Verdrahtung H1 als auch das Kühlwasserrohr H2 in der Aufnahmeführung 440 aufgenommen.
In dem Wechselrichtergehäuse 531 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind, wie es in 50 gezeigt ist, an einer Stelle, die in Umlaufsrichtung benachbart zu den externen Verbindungsanschlüssen 632 ist, die drei Schaltermodule 532A benachbart zueinander in der Umlaufsrichtung angeordnet. Weiterhin sind in den Schaltermodulen 532A nachfolgend die sechs Kondensatormodule 532B benachbart zueinander in der Umlaufsrichtung angeordnet. Als eine Alternative können die drei Schaltermodule 532A an einer Stelle, die am weitesten weg von den externen Verbindungsanschlüssen 632 ist, d.h. an einer Stelle auf der zu den externen Verbindungsanschlüssen 632 entgegengesetzten Seite der Drehwelle 501 angeordnet werden. Als eine weitere Alternative können die Schaltermodule 532A in einer verteilten Weise derart angeordnet werden, dass jedes der Schaltermodule 632A zwischen zwei der Kondensatormodule 532B in der Umlaufsrichtung angeordnet werden.
Durch Anordnen der Schaltermodule 532A an einer Stelle, die am weitesten weg von den externen Verbindungsanschlüssen 632 ist (d.h. an der Stelle auf der zu den externen Verbindungsanschlüssen 632 entgegengesetzten Seite der Drehwelle 501) ist es möglich, eine Fehlfunktion aufgrund einer Gegeninduktivität zwischen den externen Verbindungsanschlüssen 632 und den Schaltermodulen 532A zu unterdrücken.
Nachstehend ist die Konfiguration eines Resolvers 660 beschrieben, der als ein Drehwinkelsensor in der rotierenden elektrischen Maschine 500 vorgesehen ist.
Wie es in 49 bis 51 gezeigt ist, ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Resolver 660 in dem Wechselrichtergehäuse 531 zur Erfassung des elektrischen Winkels θ der rotierenden elektrischen Maschine 500 angeordnet. Der Resolver 660 ist beispielsweise von einer elektromagnetischen Induktionsbauart. Des Resolver 660 weist einen Resolverrotor 661, der an der Drehwelle 501 fixiert ist, und einen Resolverstator 662 auf, der radial außerhalb des Resolverrotors 661 derart angeordnet ist, dass er dem Resolverrotor 661 zugewandt ist. Der Resolverrotor 661 ist ringplattenförmig und weist die Drehwelle 501 darin eingesetzt auf, sodass er koaxial zu der Drehwelle 501 ist. Der Resolverstator 662 weist einen ringförmigen Statorkern 663 und eine Statorspule 664 auf, die an einer Vielzahl von Zähnen gewickelt ist, die in dem Statorkern 663 gebildet sind. Die Statorspule 664 besteht aus einer Erregungsspule, die einer Phase entspricht, und einem Paar von Ausgangsspulen, die jeweils den zwei Phasen entsprechen.
Die Erregungsspule der Statorspule 664 wird durch ein Erregungssignal in der Form einer Sinuswelle erregt, um einen Magnetfluss zu erzeugen, der die Ausgangsspulen quert. Die Beziehung einer relativen Anordnung zwischen der Erregungsspule und den Ausgangsspulen ändert sich zyklisch mit dem Drehwinkel des Resolverrotors 661 (d.h. dem Drehwinkel der Drehwelle 501). Dementsprechend ändert sich die Größe des Magnetflusses, der durch die Erregungsspule erzeugt wird und die Ausgangsspulen quert, sich ebenfalls zyklisch mit dem Drehwinkel des Resolverrotors 661. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Erregungsspule und die Ausgangsspule derart angeordnet, dass Spannungen, die jeweils in den Ausgangsspulen erzeugt werden, in der Phase voneinander um n/2 versetzt sind. Folglich sind die Ausgangsspannungen der Ausgangsspulen in der Form von modulierten Spannungen, die erhalten werden, indem das Erregungssignal jeweils mit Modulationswellen von sinθ und cosθ moduliert wird. Genauer können die modulierten Wellen jeweils durch (sinθ × sinΩt) und (cosθ × sinΩt) repräsentiert werden, wobei sinΩt das Erregungssignal repräsentiert.
Der Resolver 660 weist weiterhin einen Resolverdigitalwandler auf. Der Resolverdigitalwandler berechnet den elektrischen Winkel θ auf der Grundlage der modulierten Wellen und des Erregungssignals. Der Resolver 660 ist mit dem Signalanschluss 632C verbunden, und die Berechnungsergebnisse des Resolverdigitalwandlers werden zu der externen ECU über den Signalanschluss 632C ausgegeben. Außerdem werden in dem Fall, dass die rotierende elektrische Maschine 500 die eingebaute Steuerungseinrichtung 652 aufweist, wie es in 71 gezeigt ist, die Berechnungsergebnisse des Resolverdigitalwandlers in die eingebaute Steuerungseinrichtung 652 eingegeben.
Nachstehend ist die Einbaustruktur des Resolvers 660 in das Wechselrichtergehäuse 531 beschrieben.
Wie es in 49 und 51 gezeigt ist, weist der Buckelabschnitt 548 des Buckelbildungselements 543 des Wechselrichtergehäuses 531 eine hohlzylindrische Form auf. Auf der inneren Umlaufsoberfläche des Buckelabschnitts 548 ist ein Vorsprung 548a gebildet, der in einer Richtung senkrecht zu der axialen Richtung vorspringt. Der Resolverstator 662 ist derart angeordnet, dass er gegen den Vorsprung 548a in der axialen Richtung anstößt und an dem Vorsprung 548a durch Schrauben oder dergleichen fixiert ist. In dem Hohlraum des Buckelabschnitts 548 ist das Lager 560 an einer axialen Seite des Vorsprungs 548a angeordnet, wohingegen der Resolver 660 auf der anderen axialen Seite des Vorsprungs 548a angeordnet ist.
Weiterhin ist in dem hohlen Raum des Buckelabschnitts 548 auf der zu dem Vorsprung 548a entgegengesetzten axialen Seite des Resolvers 660 eine ringförmige plattenförmige Gehäuseabdeckung 666 montiert, um den Aufnahmeraum des Resolvers 660 (d.h. den Teil des Hohlraums des Buckelabschnitts 548, in dem der Resolver 666 aufgenommen ist) zu schließen. Die Gehäuseabdeckung 666 ist durch ein elektrisch leitendes Material wie kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) gebildet. In einem zentralen Teil der Gehäuseabdeckung 666 ist eine Durchgangsöffnung 666a gebildet, durch die sich die Drehwelle 501 erstreckt. In der Durchgangsöffnung 666a ist ein Abdichtungselement 667 zum Blockieren des Spalts zwischen der inneren Wandoberfläche der Durchgangsöffnung 666a und der äußeren umlaufenden Oberfläche der Drehwelle 501 vorgesehen. Folglich wird der Aufnahmeraum des Resolvers 660 hermetisch durch das Abdichtungselement 667 abgedichtet. Zusätzlich kann das Abdichtungselement 667 beispielsweise durch eine gleitende Abdichtung verwirklicht werden, die durch ein Harzmaterial gebildet ist.
Der Aufnahmeraum des Resolvers 660 ist durch die innere umlaufende Oberfläche des hohlzylindrischen Buckelabschnitts 548 umgeben und durch das Lager 560 und die Gehäuseabdeckung 666 jeweils an entgegengesetzten axialen Enden davon geschlossen. Das heißt, dass der Resolver 660 durch elektrisch leitende Elemente eingeschlossen ist. Folglich wird es möglich, den Einfluss von elektromagnetischer Störung auf den Resolver 660 zu unterdrücken.
Weiterhin weist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, wie es vorstehend beschrieben worden ist, das Wechselrichtergehäuse 531 die doppelte Umlaufswand auf, die aus der Außenumlaufswand WA1 und der Innenumlaufswand WA2 besteht (siehe 57). Der Stator 520 ist radial außerhalb der doppelten Umlaufswand (d.h. radial außerhalb der Außenumlaufswand WA1) angeordnet. Die elektrischen Module 532 sind zwischen der Außenumlaufswand WA1 und der Innenumlaufswand WA2 angeordnet. Der Resolver 660 ist radial innerhalb der doppelten Umlaufswand (d.h. radial innerhalb der Innenumlaufswand WA2) angeordnet. Das Wechselrichtergehäuse 531 ist aus einem elektrisch leitenden Material gebildet. Daher sind der Stator 520 und der Resolver 660 durch eine elektrisch leitende Unterteilungswand (genauer durch die elektrisch leitende doppelte Umlaufswand gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel) getrennt. Folglich wird es möglich, das Auftreten einer magnetischen Interferenz zwischen dem Stator 520 (oder dem Magnetkreis) und dem Resolver 660 effektiv zu unterdrücken.
Nachstehend ist die Rotorabdeckung 670 beschrieben, die an dem offenen Ende des Rotorträgers 511 vorgesehen ist.
Wie es in 49 und 51 gezeigt ist, ist der Rotorträger 511 an einem axialen Ende davon offen. Die Rotorabdeckung 670 ist im Wesentlichen ringförmig und plattenförmig, und ist an dem offenen Ende des Rotorträgers 511 montiert. Der Rotorkern 670 ist an dem Rotorträger 511 beispielsweise durch Schweißen, Bonden oder Schraubenbefestigung fixiert. Die Rotorabdeckung 670 weist einen Innendurchmesser auf, der kleiner als der Durchmesser der inneren umlaufenden Oberfläche des Rotorträgers 511 ist, um einen axialen Versatz der Magneteinheit 512 zu unterdrücken. Weiterhin ist der Außendurchmesser der Rotorabdeckung 670 derart eingestellt, dass er gleich zu dem Außendurchmesser des Rotorträgers 511 ist, und ist dessen Innendurchmesser etwas größer als der Außendurchmesser des Wechselrichtergehäuses 531 eingestellt. Zusätzlich ist der Außendurchmesser des Wechselrichtergehäuses 531 gleich zu dem Innendurchmesser des Stators 520.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, ist der Stator 520 an der radial äußeren Seite des Wechselrichtergehäuses 531 fixiert. An der Verbindung, an der der Stator 520 und das Wechselrichtergehäuse 531 miteinander verbunden sind, springt ein Teil des Wechselrichtergehäuses 531 axial von dem Stator 520 vor. Die Rotorabdeckung 670 ist derart montiert, dass sie den vorspringenden Teil des Wechselrichtergehäuses 531 umgibt. Weiterhin ist ein Abdichtungselement 671 zwischen der inneren Umlaufsoberfläche der Rotorabdeckung 670 und der äußeren Umlaufsoberfläche des vorspringenden Teils des Wechselrichtergehäuses 531 vorgesehen, um den Spalt dazwischen zu blockieren. Folglich ist der Aufnahmeraum der Magneteinheit 512 und des Stators 520 hermetisch durch das Abdichtungselement 671 abgedichtet. Zusätzlich kann das Abdichtungselement 671 beispielsweise durch eine gleitende Abdichtung verwirklicht sein, die aus einem Harzmaterial gebildet ist.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist es möglich, die nachfolgenden vorteilhaften Wirkungen zu erzielen.
In der rotierenden elektrischen Maschine 500 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist auf der radial inneren Seite des Magnetkreisteils, der aus der Magneteinheit 512 und der Statorspule 521 besteht, die Außenumlaufswand WA1 des Wechselrichtergehäuses 531 angeordnet. Weiterhin ist in der Außenumlaufswand WA1 der Kühlwasserkanal 545 gebildet. Weiterhin sind auf der radial inneren Seite der Außenumlaufswand WA1 die elektrischen Module 532 in der Umlaufsrichtung entlang der Außenumlaufswand WA1 angeordnet. Mit dieser Konfiguration wird es möglich, den Magnetkreisteil, den Kühlwasserkanal 545 und den Wechselrichter 600 (oder elektrischen Leistungswandler) in einer radial gestapelten Weise anzuordnen, wodurch eine effiziente Teileanordnung verwirklicht wird, während die axiale Länge der rotierenden elektrischen Maschine 500 minimiert wird. Weiterhin wird es ebenfalls möglich, die elektrischen Module 532, die den Wechselrichter 600 bilden, effektiv zu kühlen. Als Ergebnis wird es möglich, einen hohen Wirkungsgrad und eine kleine Größe der rotierenden elektrischen Maschine 500 zu verwirklichen.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die elektrischen Module 532 (d.h. die Schaltermodule 532A und die Kondensatormodule 532B), die wärmeerzeugende Komponenten wie Halbleiterschaltelemente und die Kondensatoren aufweisen, in Kontakt mit der inneren Umlaufsoberfläche der Außenumlaufswand WA1 des Wechselrichtergehäuses 531 angeordnet. Folglich kann Wärme, die in den elektrischen Modulen 532 erzeugt wird, auf die Außenumlaufswand WA1 übertagen werden und durch Wärmeaustausch in der Außenumlaufswand WA1 abgeleitet werden. Als Ergebnis wird es möglich, die elektrischen Module 532 effektiv zu kühlen.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind in jedem der Schaltermodule 532A die Schalter 601 und 602 zwischen den zwei Radiatoren 623 angeordnet. Weiterhin ist an einer Stelle auf der zu den Schaltern 601 und 602 entgegengesetzten Seite von einem der zwei Radiatoren 623 und/oder einer Stelle auf der zu den Schaltern 601 und 602 entgegengesetzten Seite von dem anderen der zwei Radiatoren 623 der Kondensator 604 angeordnet. Folglich wird es möglich, effektiv den Kondensator 604 zu kühlen, während die Schalter 601 und 602 effektiv gekühlt werden.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind in jedem der Schaltermodule 532A die Schalter 601 und 602 zwischen den zwei Radiatoren 623 angeordnet. Weiterhin ist die Ansteuerungsschaltung 603 auf der zu den Schaltern 601 und 602 entgegengesetzten Seite von einem der zwei Radiatoren 623 angeordnet, während der Kondensator 604 auf der zu den Schaltern 601 und 602 entgegengesetzten Seite des anderen der zwei Radiatoren 623 angeordnet ist. Folglich wird es möglich, sowohl die Ansteuerungsschaltung 603 als auch den Kondensator 604 effektiv zu kühlen, während die Schalter 601 und 602 effektiv gekühlt werden.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist jedes der Schaltermodule 532A derart konfiguriert, dass das Kühlwasser von dem Kühlwasserkanal 545 in das Schaltermodul 532A fließt, wobei es die Komponenten (beispielsweise die Schalter 601 und 602) des Schaltermoduls 532A kühlt. Folglich kann jedes der Schaltermodule 532A durch das Kühlwasser, das in dem Schaltermodul 532A fließt, als auch durch das Kühlwasser gekühlt werden, das in dem Kühlwasserkanal 545 fließt. Als Ergebnis wird es möglich, jedes der Schaltermodule 532A effektiver zu kühlen.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel fließt das Kühlwasser in den Kühlwasserkanal 545 über den Zuflusskanal 571 und fließt aus dem Kühlwasserkanal 545 über den Ausflusskanal 572. Weiterhin sind in dem Kühlwasserkanal 545 die Schaltermodule 532A auf der stromaufwärtigen Seite näher an dem Zuflusskanal 571 angeordnet, wohingegen die Kondensatormodule 532B auf der stromabwärtigen Seite näher zu dem Ausflusskanal 572 angeordnet sind. Mit der vorstehend beschriebenen Anordnung ist es möglich, die Schaltermodule 532A bevorzugt zu kühlen, da die Temperatur des Kühlwassers, das durch den Kühlwasserkanal 545 auf der stromaufwärtigen Seite kälter als auf der stromabwärtigen Seite ist.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eines der Intervalle zwischen den in Umlaufsrichtung benachbarten elektrischen Modulen 532 (d.h. das zweite Intervall INT2) derart eingestellt, dass es breiter als die restlichen Intervalle (d.h. die ersten Intervalle INT1) ist. In diesem breiteren Intervall ist der Vorsprungsabschnitt 573 des inneren Wandelements 542 angeordnet, der sowohl den Zuflusskanal 571 als auch den Ausflusskanal 572 darin gebildet aufweist. Folglich wird es möglich, in geeigneter Weise den Zuflusskanal 571 und den Ausflusskanal 572 auf der radial inneren Seite der Außenumlaufswand WA1 beide zu bilden. Insbesondere ist es zur Verbesserung des Kühlleistungsvermögens notwendig, eine hohe Flussrate des Kühlwassers zu gewährleisten. Dementsprechend ist es notwendig, die Öffnungsflächen des Zuflusskanals 571 und des Ausflusskanals 572 groß einzustellen. In dieser Hinsicht wird es mit der Anordnung des Vorsprungsabschnitts 573 in dem breiteren Intervall (d.h. dem zweiten Intervall INT2) möglich, in geeigneter Weise auf der radial inneren Seite der Außenumlaufswand WA1 den Zuflusskanal 571 und den Ausflusskanal 572 beide mit ausreichend großen Öffnungsflächen zu bilden.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die externen Verbindungsanschlüsse 632 des Sammelschienenmoduls 533 auf der radial inneren Seite der Außenumlaufswand WA1 in radialer Ausrichtung mit dem Vorsprungsabschnitt 573 des inneren Wandelements 542 angeordnet. Das heißt, dass die externen Verbindungsanschlüsse 632 zusammen mit dem Vorsprungsabschnitt 573 in dem breiteren Intervall (d.h. dem zweiten Intervall INT2) angeordnet sind. Folglich wird es möglich, in geeigneter Weise die externen Verbindungsanschlüsse 632 anzuordnen, ohne eine Behinderung zwischen den externen Verbindungsanschlüssen 632 und den elektrischen Modulen 532 zu verursachen.
In der rotierenden elektrischen Maschine 500 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Stator 520 auf der radial äußeren Seite der Außenumlaufswand WA1 fixiert, wohingegen die elektrischen Module 532 auf der radial inneren Seite der Außenumlaufswand WA1 angeordnet sind. Folglich wird Wärme, die in dem Stator 520 erzeugt wird, auf die Außenumlaufswand WA1 von der radial äußeren Seite aus übertragen, wohingegen Wärme, die in den elektrischen Modulen 532 erzeugt wird, auf die Außenumlaufswand WA1 von der radial inneren Seite aus übertragen wird. Als Ergebnis können der Stator 520 und die elektrischen Module 532 gleichzeitig durch das Kühlwasser gekühlt werden, das durch den Kühlwasserkanal 545 fließt. Das heißt, dass es möglich ist, Wärme, die in diesen Komponenten der rotierenden elektrischen Maschine 500 erzeugt wird, effektiv abzuleiten.
In der rotierenden elektrischen Maschine 500 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die elektrischen Module 532, die auf der radial inneren Seite der Außenumlaufswand WA1 des Wechselrichtergehäuses 531 angeordnet sind, und die Statorspule 521, die auf der radial äußeren Seite der Außenumlaufswand WA1 angeordnet sind, elektrisch über die Wicklungsverbindungsanschlüsse 633 des Sammelschienenmoduls 533 verbunden. Weiterhin sind die Wicklungsverbindungsanschlüsse 633 axial weg von dem Kühlwasserkanal 545 angeordnet. Folglich ist es, obwohl zwischen den elektrischen Modulen 532 und der Statorspule 521 der ringförmige Kühlwasserkanal 545 angeordnet ist, der in der Außenumlaufswand WA1 gebildet ist, es immer noch möglich, in geeigneter Weise die elektrischen Module 532 und die Statorspule 521 zu verbinden.
In der rotierenden elektrischen Maschine 500 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine Drehmomentbegrenzung aufgrund von magnetischer Sättigung, die in dem Statorkern 522 auftritt, unterdrückt, indem die Größe von Zähnen des Statorkerns 522, die zwischen in Umlaufsrichtung benachbarten elektrischen Leitern 523, die die Statorspule 521 bilden, reduziert wird, oder die Zähne beseitigt werden. Weiterhin wird eine Drehmomentreduktion unterdrückt, indem die elektrischen Leiter 532 derart konfiguriert sind, dass sie flach sind und eine dünne Form aufweisen. Weiterhin wird es für den gleichen Außendurchmesser der rotierenden elektrischen Maschine 500 möglich, die Region radial innerhalb des Magnetkreisteils auszudehnen, indem die radiale Dicke des Stators 520 reduziert wird. Folglich wird es möglich, in geeigneter Weise in der ausgedehnten Region die Außenumlaufswand WA1, in der der Kühlwasserkanal 545 gebildet ist, und die elektrischen Leitermodule 532 anzuordnen.
In der rotierenden elektrischen Maschine 500 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird Magnetfluss auf der d-Achsen-Seite in der Magneteinheit 512 konzentriert, und somit wird der Magnetfluss auf der d-Achse intensiviert, wodurch eine Drehmomentverbesserung erzielt wird. Weiterhin wird es mit der Reduktion in der radialen Dicke der Magneteinheit 512 möglich, die Region radial innerhalb des Magnetkreisteils weiter auszudehnen. Folglich wird es möglich, in der weiter ausgedehnten Region in noch besser geeigneter Weise die Außenumlaufswand WA1, in der der Kühlwasserkanal 545 gebildet ist, und die elektrischen Leitermodule 532 anzuordnen.
Zusätzlich wird es ebenfalls möglich, in geeigneter Weise in der ausgedehnten Region radial innerhalb des Magnetkreisteils das Lager 560 und den Resolver 660 anzuordnen.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die rotierende elektrische Maschine 500 als ein Innenradmotor in dem Fahrzeugrad 400 verwendet. Das Rad 400 ist an dem Fahrzeugkörper über die Basisplatte 405, die an dem Wechselrichtergehäuse 531 fixiert ist, und einen Montagemechanismus wie die Aufhängungsvorrichtung montiert. Mit der Reduktion der Größe der rotierenden elektrischen Maschine 500 wird es möglich, den Raum, der zum Montieren des Rads 400 an dem Fahrzeugkörper erforderlich ist, zu reduzieren. Folglich wird es möglich, die Anordnungsregion anderer Komponenten des Fahrzeugs wie der Batterie auszudehnen und/oder den Fahrgastzellenraum auszudehnen.
Nachstehend sind Modifikationen des Innenradmotors beschrieben.
Erste Modifikation des Innenradmotors
In der rotierenden elektrischen Maschine 500 gemäß dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel sind die elektrischen Module 532 und das Sammelschienenmodul 533 auf der radial inneren Seite der Außenumlaufswand WA1 des Wechselrichtergehäuses 531 angeordnet, wohingegen der Stator 520 auf der radial äußeren Seite der Außenumlaufswand WA1 angeordnet ist. Weiterhin erstrecken sich die Wicklungsverbindungsanschlüsse 633 des Sammelschienenmoduls 533 radial über die Außenumlaufswand WA1, um das Sammelschienenmodul 533 mit den Phasenwicklungen der Statorspule 521 zu verbinden. In der rotierenden elektrischen Maschine 500 kann die relative Position des Sammelschienenmoduls 533 zu den elektrischen Modulen 532 beliebig eingestellt werden. Weiterhin kann die Stelle (der Ort) von Führungswicklungsverbindungselementen (beispielsweise den Wicklungsverbindungsanschlüssen 633) ebenfalls beliebig eingestellt werden.
Beispielsweise kann in Bezug auf die relative Position des
Sammelschienenmoduls 533 in Bezug auf die elektrischen Module 532 eine der nachfolgenden Anordnungen angewendet werden:

(α1) Anordnen des Sammelschienenmoduls 533 in der axialen Richtung weiter außerhalb in Bezug auf das Fahrzeug (d.h. näher zu der Unterseite des Rotorträgers 511) als die elektrischen Module 532, oder
(α2) Anordnen des Sammelschienenmoduls 533 in der axialen Richtung stärker innerhalb in Bezug auf das Fahrzeug (weiter weg von der Unterseite des Rotorträgers 511) als die elektrischen Module 532.

Demgegenüber kann in Bezug auf den Ort (die Stelle) zum Führen der Wicklungsverbindungselemente eine der nachfolgenden Anordnungen angewendet werden:

(β1) Anordnen der Wicklungsverbindungselemente, die zu führen sind, an einer Stelle, die weiter außerhalb in Bezug auf das Fahrzeug (d.h. näher an der Unterseite des Rotorträgers 511) als die elektrischen Module 532 ist, oder
(β2) Anordnen der Wicklungsverbindungselemente, die zu führen sind, an einer Stelle, die weiter innerhalb in Bezug auf das Fahrzeug (d.h. weiter weg von der Unterseite des Rotorträgers 511) als die elektrischen Module 532 ist.

Nachstehend sind vier Anordnungsbeispiele der elektrischen Module 532, des Sammelschienenmoduls 533 und der Wicklungsverbindungselemente unter Bezugnahme auf 72(a) bis 72(d) beschrieben. In 72(a) bis 72(d) bezeichnet das Bezugszeichen 637 die Wicklungsverbindungselemente, die das Sammelschienenmodul 533 mit den Phasenwicklungen der Statorspule 521 verbinden. Die Wicklungsverbindungselemente 637 entsprechen den Wicklungsverbindungsanschlüssen 633, die gemäß dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel beschrieben worden sind. Zusätzlich entspricht in jeder der 72(a) bis 72(d) die vertikal obere Seite der Außenseite des Fahrzeugs, wohingegen die vertikal untere Seite der Innenseite des Fahrzeugs entspricht.
In dem in 72(a) gezeigten Beispiel wird in Bezug auf die relative Position des Sammelschienenmoduls 533 in Bezug auf die elektrischen Module 532 die vorstehend beschriebene Anordnung (α1) angewendet, in Bezug auf die Stelle der Führung der Wicklungsverbindungselemente 637 wird die vorstehend beschriebene Anordnung (β1) angewendet. Das heißt, dass in diesem Beispiel sowohl die Verbindung zwischen den elektrischen Modulen 532 und dem Sammelschienenmodul 533 als auch die Verbindung zwischen der Statorspule 521 und dem Sammelschienenmodul 533 an einer Stelle hergestellt ist, die weiter außerhalb in Bezug auf das Fahrzeug (d.h. näher an der Unterseite des Rotorträgers 511) als die elektrischen Module 532 ist. Zusätzlich entspricht dieses Beispiel der Konfiguration der rotierenden elektrischen Maschine 500, die in 49 gezeigt ist.
Entsprechend dem in 72(a) gezeigten Beispiel ist es möglich, den Kühlwasserkanal 545 in der Außenumlaufswand WA1 vorzusehen, ohne dass es notwendig ist, eine Behinderung bzw. Beeinträchtigung der Wicklungsverbindungselemente 637 zu berücksichtigen. Weiterhin ist es ebenfalls möglich, die Statorspule 521 und das Sammelschienenmodul 533 mit den Wicklungsverbindungselementen 637 leicht zu verbinden.
In dem in 72(b) gezeigten Beispiel wird in Bezug auf die relative Position des Sammelschienenmoduls 533 in Bezug auf die elektrischen Module 532 die vorstehend beschriebene Anordnung (α1) angewendet, und in Bezug auf die Stelle des Führens des Wicklungsverbindungselements 637 wird die vorstehend beschriebene Anordnung (β2) angewendet. Das heißt, dass in diesem Beispiel die Verbindung zwischen den elektrischen Modulen 532 und dem Sammelschienenmodul 533 an einer Stelle hergestellt wird, die weiter außerhalb in Bezug auf das Fahrzeug (d.h. näher an der Unterseite des Rotorträgers 511) als die elektrischen Module 532 ist, wohingegen die Verbindung zwischen der Statorspule 521 und dem Sammelschienenmodul 533 an einer Stelle hergestellt ist, die weiter innerhalb in Bezug auf das Fahrzeug (d.h. weiter weg von der Unterseite des Rotorträgers 511) als die elektrischen Module 532 ist.
Entsprechend dem in 72(b) gezeigten Beispiel ist es möglich, den Kühlwasserkanal 545 in der Außenumlaufswand WA1 vorzusehen, ohne dass es notwendig ist, eine Behinderung bzw. Beeinträchtigung der Wicklungsverbindungselemente 637 zu berücksichtigen.
In dem in 72(c) gezeigten Beispiel wird in Bezug auf die relative Position des Sammelschienenmoduls 533 in Bezug auf die elektrischen Module 532 die vorstehend beschriebene Anordnung (α2) angewendet, in Bezug auf die Stelle des Führens des Wicklungsverbindungselements 637 wird die vorstehend beschriebene Anordnung (β1) angewendet. Das heißt, dass in diesem Beispiel die Verbindung zwischen den elektrischen Modulen 532 und dem Sammelschienenmodul 533 an einer Stelle hergestellt wird, die weiter innerhalb in Bezug auf das Fahrzeug (d.h. weiter weg von der Unterseite des Rotorträgers 511) als die elektrischen Module 532 ist, wohingegen die Verbindung zwischen der Statorspule 521 und dem Sammelschienenmodul 533 an einer Stelle hergestellt wird, die weiter außerhalb in Bezug auf das Fahrzeug (d.h. näher an der Unterseite des Rotorträgers 511) als die elektrischen Module 532 ist.
In dem in 72(d) gezeigten Beispiel wird in Bezug auf die relative Position des Sammelschienenmoduls 533 in Bezug auf die elektrischen Module 532 die vorstehend beschriebene Anordnung (α2) angewendet, in Bezug auf die Stelle des Führens der Wicklungsverbindungselemente 637 wird die vorstehend beschriebene Anordnung (β2) angewendet. Das heißt, dass in diesem Beispiel sowohl die Verbindung zwischen den elektrischen Modulen 532 und dem Sammelschienenmodul 533 als auch die Verbindung zwischen der Statorspule 521 und dem Sammelschienenmodul 533 an einer Stelle hergestellt ist, die weiter innerhalb in Bezug auf das Fahrzeug (d.h. weiter weg von der Unterseite des Rotorträgers 511) als die elektrischen Module 532 ist.
Entsprechend den in 72(c) und 72(d) gezeigten Beispielen ist es, wenn elektrische Komponenten (beispielsweise ein Ventilatormotor) zu der rotierenden elektrischen Maschine 500 hinzugefügt wird, mit dem Sammelschienenmodul, das weiter innerhalb in Bezug auf das Fahrzeug (d.h. weiter von der Unterseite des Rotorträgers 511) als die elektrischen Module 532 angeordnet ist, leicht, die Verdrahtung der hinzugefügten elektrischen Komponenten durchzuführen. Weiterhin wird die Distanz zwischen dem Sammelschienenmodul 533 und dem Resolver 660 verkürzt, wodurch die Verdrahtung dazwischen erleichtert wird.
Zweite Modifikation des Innenradmotors
In der rotierenden elektrischen Maschine 500 gemäß dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel bilden die Drehwelle 501, der Rotorträger 511 und der innere Ring 561 des Lagers 560 zusammen einen rotierenden Körper, der sich während des Betriebs der rotierenden elektrischen Maschine 500 dreht. Weiterhin ist der Resolverrotor 561, der ringförmig und plattenförmig ist, an dem rotierenden Körper montiert, wie es in 49 und 50 gezeigt ist. In dieser Modifikation sind alternative Montagestrukturen des Resolverrotors 661 an dem rotierenden Körper unter Bezugnahme auf 73(a) bis 73(c) beschrieben.
In jeder der in 73(a) bis 73(c) gezeigten Montagestrukturen ist der Resolver 660 in einem Raum vorgesehen, der durch den Rotorträger 511 und das Wechselrichtergehäuse 531 umgeben ist, wodurch er gegen fremde Substanzen wie Wasser und Staub geschützt ist. Weiterhin weist in der in 73(a) gezeigten Montagestruktur das Lager 560 die gleiche Konfiguration auf, wie sie in 49 gezeigt ist. Im Gegensatz dazu weist in den in 73(b) und 73(c) gezeigten Montagestrukturen das Lager 560 eine Konfiguration auf, die sich von der in 49 gezeigten unterscheidet, und sich weg von der Endplatte 514 des Rotorträgers 511 befindet. Weiterhin sind in 73(a) bis 73(c) jeweils zwei alternative Stellen veranschaulicht, an denen der Resolverrotor 661 montiert werden kann. Zusätzlich ist, obwohl es in den Figuren nicht gezeigt ist, der Resolverstator 662 an dem Buckelabschnitt 548 des Buckelbildungselements 543 des Wechselrichtergehäuses 531 fixiert, wobei der Buckelabschnitt 548 derart gebildet werden kann, dass er sich in der Nähe des radial äußeren Umfangs des Resolverrotors 661 erstreckt.
In der in 73(a) gezeigten Montagestruktur ist der Resolverrotor 661 an dem inneren Ring 561 des Lagers 560 montiert. Genauer ist der Resolverrotor 661 an einer axialen Endfläche des Flanschs 561b des inneren Rings 561 oder einer axialen Endfläche des zylindrischen Abschnitts 561a des inneren Rings 561 montiert.
In der in 73(b) gezeigten Montagestruktur ist der Resolverrotor 661 an dem Rotorträger 511 montiert. Genauer ist der Resolverrotor 661 an entweder der inneren Oberfläche der Endplatte 514 des Rotorträgers 511 oder der äußeren umlaufenden Oberfläche eines zylindrischen Abschnitts 515 des Rotorträgers 511 montiert. Das heißt, dass in dieser Montagestruktur der Rotorträger 511 konfiguriert ist, weiterhin den zylindrischen Abschnitt 515 aufzuweisen, der sich von einer radial inneren Kante der Endplatte 514 entlang der Drehwelle 501 erstreckt. Zusätzlich ist in dem Fall, dass der Resolverrotor 661 an der äußeren umlaufenden Oberfläche des zylindrischen Abschnitts 515 montiert ist, der Resolverrotor 661 zwischen der Endplatte 514 des Rotortärgers 511 und dem Lager 560 angeordnet.
In der in 73(c) gezeigten Montagestruktur ist der Resolverrotor 661 an der Drehwelle 501 montiert. Genauer ist der Resolverrotor 661 entweder an einem Abschnitt der Drehwelle 501 zwischen der Endplatte 514 des Rotortärgers 511und dem Lager 560 oder einem Abschnitt der Drehwelle 501 auf der zu der Endplatte 514 des Rotorträgers 511 entgegengesetzten Seite des Lagers 560 montiert.
Dritte Modifikation des Innenradmotors
Die rotierenden elektrischen Maschine 500 gemäß dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel weist das Wechselrichtergehäuse 531 und die Rotorabdeckung 670 auf, die konfiguriert sind, wie es in 49 und 51 gezeigt ist. Gemäß dieser Modifikation sind alternative Konfigurationen des Wechselrichtergehäuses 531 und der Rotorabdeckung 670 unter Bezugnahme auf 74(a) und 74(b) beschrieben. Die in 74(a) gezeigte Konfiguration ist ähnlich zu derjenigen, die in 49 und 51 gezeigt ist. Demgegenüber unterscheidet sich die in 74(b) gezeigte Konfiguration von derjenigen, die in 49 und 51 gezeigt ist.
Insbesondere ist in der in 74(a) gezeigten Konfiguration die Rotorabdeckung 670, die im Wesentlichen ringförmig und plattenförmig ist und an dem offenen Ende des Rotorträgers 511 fixiert ist, derart angeordnet, dass sie die Außenumlaufswand WA1 des Wechselrichtergehäuses 531 umgibt. Das heißt, dass die Rotorabdeckung 670 derart konfiguriert ist, dass deren innere Umlaufsoberfläche radial der äußeren Umlaufsoberfläche der Außenumlaufswand WA1 zugewandt ist. Das Abdichtungselement 671 ist zwischen der inneren Umlaufsoberfläche der Rotorabdeckung 670 und der äußeren Umlaufsoberfläche der Außenumlaufswand WA1 vorgesehen, um den Spalt dazwischen zu blockieren. Weiterhin ist in dem Hohlraum des Buckelabschnitts 548 des Wechselrichtergehäuses 531 die Gehäuseabdeckung 666 montiert, um den Aufnahmeraum des Resolvers 660 zu schließen. Das Abdichtungselement 667 ist zwischen der Gehäuseabdeckung 666 und der Drehwelle 501 vorgesehen, um den Spalt dazwischen zu blockieren. Die externen Verbindungsanschlüsse 632 des Sammelschienenmoduls 533 dringen in das Wechselrichtergehäuse 531 ein, um sich zu der Innenseite des Fahrzeugs (in 74A nach unten) zu erstrecken.
Weiterhin sind in dem Wechselrichtergehäuse 531 der Zuflusskanal 571 und der Ausflusskanal 572, die beide mit dem Kühlwasserkanal 545 kommunizieren, und der Kühlwasseranschluss 574 gebildet, der Enden des Zuflusskanals 571 und des Ausflusskanals 572 aufweist.
Im Gegensatz dazu ist in der in 74(b) gezeigten Konfiguration in dem Wechselrichtergehäuse 531 (genauer dem Buckelbildungselement 543 davon) ein ringförmiger Vorsprung 681 gebildet, der sich zu der Vorsprungsseite der Drehwelle 501 (oder zu dem Inneren des Fahrzeugs hin) erstreckt. Die Rotorabdeckung 670 ist vorgesehen, um den ringförmigen Vorsprung 681 des Wechselrichtergehäuses 531 zu umgeben. Das heißt, dass die innere Umlaufsoberfläche der Rotorabdeckung 670 und die äußere Umlaufsoberfläche des ringförmigen Vorsprungs 681 radial einander zugewandt sind, wobei das Abdichtungselement 671 dazwischen vorgesehen ist. Weiterhin durchdringen die externen Verbindunganschlüsse 632 des Sammelschienenmoduls 533 zunächst den Buckelabschnitt 548 des Wechselrichtergehäuses 531, um sich radial nach innen (in 74(b) nach links) zu dem Hohlraum des Buckelabschnitts 548 zu erstrecken, und dann durch die Gehäuseabdeckung 666, um sich axial zu der Innenseite des Fahrzeugs (d.h. in 74(b) nach unten) zu erstrecken.
Weiterhin sind in dem Wechselrichtergehäuse 531 der Zuflusskanal 571 und der Ausflusskanal 572 gebildet, die beide mit dem Kühlwasserkanal 545 kommunizieren. Der Zuflusskanal 571 und der Ausflusskanal 572 erstrecken sich zunächst radial nach innen von dem Kühlwasserkanal 545 zu dem Hohlraum des Buckelabschnitts 548 und erstrecken sich dann über Überführungskanäle 682 axial zu der Innenseite des Fahrzeugs hin (d.h. in 74(b) nach unten), wobei sie die Gehäuseabdeckung 666 durchdringen. Zusätzlich bilden diejenigen Abschnitte des Zuflusskanals 571 und des Ausflusskanals 572, die von der Gehäuseabdeckung 666 nach außen vorspringen, den Kühlwasseranschluss 574.
Mit jeder der in 74(a) und 74(b) gezeigten Konfigurationen ist es möglich, zu erlauben, dass der Rotorträger 511 und die Rotorabdeckung 570 in geeigneter Weise in Bezug auf das Wechselrichtergehäuse 531 sich drehen, während der Innenraum, der durch den Rotorträger 511 und die Rotorabdeckung 670 definiert ist, hermetisch gehalten wird.
Insbesondere ist in der in 74(b) gezeigten Konfiguration der Innendurchmesser der Rotorabdeckung 670 im Vergleich zu der in 74(a) gezeigten Konfiguration reduziert. Folglich überlappen sich das Wechselrichtergehäuse 531 und die Rotorabdeckung 670 einander in der axialen Richtung an einer Stelle, die weiter innerhalb in Bezug auf das Fahrzeug (d.h. weiter von der Unterseite des Rotorträgers 511) als die elektrischen Module 532 ist, wodurch das Auftreten von Problemen in den elektrischen Modulen 532 aufgrund elektromagnetischer Störungen unterdrückt wird. Weiterhin wird mit Reduktion des Innendurchmessers der Rotorabdeckung 670 der gleitende Durchmesser des Abdichtungselements 671 dementsprechend reduziert, wodurch ein mechanischer Verlust (mechanische Verlustleistung) an den drehenden gleitenden Teilen unterdrückt wird.
Vierte Modifikation des Innenradmotors
Nachstehend ist eine alternative Konfiguration der Statorspule 521 unter Bezugnahme auf 75 beschrieben.
Wie es in 75 gezeigt ist, ist in dieser Modifikation die Statorspule 521 aus elektrischen Leitern 523 gebildet, von denen jeder einen rechteckigen Querschnitt aufweist und wellengewickelt ist, so dass die längeren Seiten des Querschnitts sich in der Umlaufsrichtung erstrecken. Weiterhin sind in jedem der elektrischen Leiter 523 gerade Abschnitte der elektrischen Leiter 523, die in dem Spulenseitenteil 525 der Statorspule 521 enthalten sind, voneinander in der Umlaufsrichtung zu vorbestimmten Intervallen beabstandet, wobei die geraden Abschnitte miteinander durch Windungsabschnitte des elektrischen Leiters 523 verbunden sind, die in den Spulenenden 526 der Statorspule 521 enthalten sind. Weiterhin sind in dem Spulenseitenteil 525 der Statorspule 521 die geraden Abschnitte der elektrischen Leiter 523 derart angeordnet, dass jedes sich einander zugewandte Paar der Umlaufsseitenoberflächen der geraden Abschnitte aneinander anstoßen oder um einen kleinen Freiraum getrennt sind.
Weiterhin ist in dieser Modifikation jeder der elektrischen Leiter 523 an den Spulenenden der Statorspule 521 radial gebogen. Genauer ist jeder der elektrischen Leiter 523 radial zu rechten Winkeln derart gebogen, dass die Windungsabschnitte radial von den geraden Abschnitten um die radiale Dicke der elektrischen Leiter 523 radial nach innen versetzt sind. Folglich wird es möglich, eine gegenseitige Behinderung bzw. Beeinträchtigung der elektrischen Leitern 523 zu verhindern, die die U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Wicklungen der Statorspule 521 bilden. Zusätzlich weisen alle geraden Abschnitte der elektrischen Leiter 523 dieselbe axiale Länge auf.
Bei Anbringen des Statorkerns 522 an die Statorspule 521 zum Bilden des Stators 520 wird die Statorspule 521 zunächst im Wesentlichen in eine C-Form geformt, um zwei Umlaufsenden getrennt voneinander zu haben. Nach Anbringen des Statorkerns 522 an den radial inneren Umfang der Statorspule 521 werden die getrennten Umlaufsenden miteinander verbunden, wodurch die Statorspule 521 in eine Ringform übertragen wird.
Als eine Alternative kann der Statorkern 522 in der Umlaufsrichtung in eine Vielzahl von (beispielsweise drei oder mehr) Statorkernsegmenten unterteilt werden. Bei Anbringen des Statorkerns 522 an die Statorspule 521 zum Bilden des Stators 520 können die Statorkernsegmente an den radial inneren Umfang der ringförmigen Statorspule 521 angebracht werden, wobei sie zusammen den Statorkern 522 bilden.
Fünfzehnte Modifikation
In dieser Modifikation ist eine Konfiguration zur Verbesserung der Stromsteuerbarkeit einer rotierenden elektrischen Maschine in einer Hochgeschwindigkeitsdrehregion beschrieben.
Das Produkt der Anzahl der elektrischen Leiterabschnitte pro Pol in jeder Phase und der Anzahl der Pole der rotierenden elektrischen Maschine ist nachstehend als die Gesamtleiteranzahl Nn bezeichnet. Die Gesamtleiteranzahl Nn der rotierenden elektrischen Maschine ist auf einen derartigen Wert eingestellt, dass, wenn die Drehgeschwindigkeit Nm der rotierenden elektrischen Maschine gleich der maximalen Drehgeschwindigkeit Nmax ist, die Mitte A einer Spannungsgrenzellipse CV sich auf der negativen d-Achse in dem d-q-Koordinatensystem und außerhalb eines Stromgrenzkreises CI befindet, und sich der positiv-d-Achsen-seitige Scheitelpunkt B (Scheitelpunkt auf der positiven Seite der d-Achse) der Spannungsgrenzellipse CV sich auf der negativen d-Achse und innerhalb des Stromgrenzkreises CI befindet, wie es in 76 gezeigt ist.
Dabei ist die Spannungsgrenzellipse CV eine Ellipse, die durch die d-Achsen- und q-Achsen-Ströme Id und Iq in dem d-q-Koordinatensystem definiert ist, wenn der Betrag eines Spannungsvektors Vnr der an die Statorspule angelegt wird, gleich einem Spannungsgrenzwert Vom ist. Die Spannungsgrenzellipse CV kann durch den nachfolgenden mathematischen Ausdruck (c1) ausgedrückt werden, wobei Ld die d-Achsen-Induktivität ist, Lq die q-Achsen-Induktivität ist, Ψ die Größe des Magnetflusses der Magneteinheit ist und ω die elektrische Winkelgeschwindigkeit ist. $ω \sqrt{{(L_{d} \cdot I_{d} + ψ)}^{2} + {(L_{q} \cdot I_{q})}^{2}} = V_{o m}$
Weiterhin können die Mitte A und der Scheitelpunkt B der Spannungsgrenzellipse CV wie nachfolgend ausgedrückt werden. $A (- \frac{ψ}{L_{d}},0), B (\frac{- ψ + \frac{V_{o m}}{ω}}{L_{d}},0)$
Der Stromgrenzkreis CI ist ein Kreis, der in dem d-q-Koordinatensystem durch die d-Achsen- und q-Achsen-Ströme Id und Iq eines Stromvektors Inr definiert ist, dessen Betrag gleich dem Stromgrenzwert (elektrischen Stromgrenzwert) Iam ist. Der Stromgrenzkreis CI kann durch den nachfolgenden mathematischen Ausdruck (c3) ausgedrückt werden. $| I_{n r} | = \sqrt{I_{d}^{2} + I_{q}^{2}} = I_{a m}$
Der elektrische Stromgrenzwert Iam ist beispielsweise auf einen Wert eingestellt, der gleich wie oder kleiner als der Nennstrom ist, dessen Fluss durch den Wechselrichter erlaubt ist. Genauer ist der elektrische Stromwert beispielsweise auf einen Wert eingestellt, der gleich wie oder kleiner als der Nennstrom der Ober-Zweig- und Unter-Zweig-Schalter ist, die den Wechselrichter bilden. Weiterhin ist der Stromgrenzwert Iam beispielsweise auf den maximalen Wert des Betrags (=√(Id*^2+Iq*^2)), den der Stromvektor, der durch Id* und Iq* bestimmt ist, annehmen kann, wobei Id* und Iq* die d-Achsen- und q-Achsen-Strombefehlswerte sind, die durch die Befehlswerteinstellungseinrichtung 111 eingestellt werden, die vorstehend unter Bezugnahme von 20 beschrieben worden ist.
Der Spannungsgrenzwert kann beispielsweise derart eingestellt werden, dass (Vom = Vam - Ra × Iam) gilt, wobei Vam die Eingangsspannung des Wechselrichters (genauer die Anschlussspannung der Gleichstromleistungsversorgung 605 gemäß 59) ist und Ra der Widerstandswert der Statorspule pro Phase ist.
Nachstehend ist der Grund zur Einstellung der Gesamtleiteranzahl Nn wie vorstehend beschrieben erläutert.
In dem d-q-Koordinatensystem ist die Region, in der Stromvektoren Inr auswählbar sind, eine Region RC, in der der Stromgrenzkreis CI und die Spannungsgrenzellipse CV einander überlappen (siehe 76). Die Steuerungseinrichtung schaltet die Ober-Zweig- und Unter-Zweig-Schalter des Wechselrichters ein/aus, um in der überlappenden Region RC einen Stromvektor Inr einzustellen, um das Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine in Übereinstimmung mit dem Drehmomentbefehlswert zu bringen. Wenn der Stromgrenzkreis CI und der Spannungsgrenzkreis CV sich nicht überlappen, gibt es keine Region, in der Stromvektoren Inr auswählbar sind, folglich wird es unmöglich, in geeigneter Weise eine Stromsteuerung der Statorspule durchzuführen.
In der nutenlosen Struktur ist die d-Achsen-Induktivität Ld der rotierenden elektrischen Maschine niedrig. Weiterhin befindet sich die Mitte A der Spannungsgrenzellipse CV umso stärker weg von dem Ursprung 0 des d-q-Koordinatensystems in der negativen d-Achsen-Richtung, je niedriger die d-Achsen-Induktivität Ld ist. Weiterhin befindet sich die Mitte A der Spannungsgrenzellipse CV umso weiter weg von dem Ursprung 0 des d-q-Koordinatensystems in der negativen d-Achsen-Richtung, je höher die elektrische Winkelgeschwindigkeit ω der rotierenden elektrischen Maschine ist. Daher kann es sein, dass, wenn die rotierende elektrische Maschine mit der nutenlosen Struktur in der Hochgeschwindigkeitsdrehregion angetrieben wird, die überlappende Region RC des Stromgrenzkreises CI und der Spannungsgrenzellipse CV nicht wieder existiert.
Die d-Achsen-Induktivität Ld erhöht sich mit Erhöhung der Gesamtleiteranzahl Nn proportional zu dem Quadrat der Anzahl der Windungen der Statorspule. Weiterhin nähert sich mit Erhöhung der d-Achsen-Induktivität Ld die Mitte A der Spannungsgrenzellipse CV dem Ursprung 0 des d-q-Koordinatensystems an, wodurch es ermöglicht wird, zu bewirken, dass die Spannungsgrenzellipse CV und der Stromgrenzkreis CI sich überlappen, wenn die Drehgeschwindigkeit Nm gleich der maximalen Drehgeschwindigkeit Nmax ist. Folglich wird es möglich, in geeigneter Weise eine Stromsteuerung der Statorspule durchzuführen. Das heißt, dass es durch Anwenden einer Spulenstruktur, bei der die d-Achsen-Induktivität Ld erhöht wird, möglich wird, in geeigneter Weise eine Stromsteuerung der Statorspule durchzuführen. Im Hinblick auf das vorstehend beschriebene wird gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Gesamtleiteranzahl Nn wie vorstehend beschrieben eingestellt. Weiterhin weist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in der Hochgeschwindigkeitsdrehregion, in der die Drehgeschwindigkeit gleich wie oder größer als eine vorbestimmte Geschwindigkeit ist, die überlappende Region RC die q-Achse nicht auf, wie es in 76 gezeigt ist. Daher steuert die Steuerungseinrichtung in der Hochgeschwindigkeitsdrehregion den Wechselrichter derart, dass zumindest ein negativer d-Achsen-Strom der Statorspule zugeführt wird. Das heißt, dass die Steuerungseinrichtung eine Feldschwächungssteuerung durchführt. Zusätzlich wurde herkömmlich allgemein anerkannt, dass eine Feldschwächungssteuerung in nutenlosen rotierenden elektrischen Maschinen mit niedrigen Induktivitäten nicht durchgeführt wird.
Weiterhin ist es durch Einstellen der Gesamtleiteranzahl Nn wie vorstehend beschrieben ebenfalls möglich, eine hohe Ausgangsleistung der rotierenden elektrischen Maschine zu erzielen. Nachstehend ist der Grund beschrieben, warum eine hohe Ausgangsleistung der rotierenden elektrischen Maschine erzielt werden kann.
Durch Erhöhung der Gesamtleiteranzahl Nn wird, obwohl es möglich wird, in geeigneter Weise eine Stromsteuerung durchzuführen, die q-Achsen-Induktivität Lq ebenfalls erhöht. Folglich wird in einer rotierenden elektrischen Maschine, die hauptsächlich ein Magnetdrehmoment erzeugt, die Phasenverzögerung des Stromvektors Inr in Bezug auf den Spannungsvektor Vnr groß, was den Leistungsfaktor der rotierenden elektrischen Maschine absenkt. Als Ergebnis wird es unmöglich, eine hohe Ausgangsleistung der rotierenden elektrischen Maschine zu erzielen. Zusätzlich ist eine rotierende elektrische Maschine, die hauptsächlich ein Magnetdrehmoment erzeugt, beispielsweise eine rotierende elektrische Maschine, die derart entworfen ist, dass Ld = Lq oder Ld ≈ Lq gilt.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird es möglich, eine hohe Ausgangsleistung der rotierenden elektrischen Maschine zu erzielen, indem die q-Achsen-Induktivität Lq minimiert wird. Insbesondere wird als eine erste Maßnahme zum Minimieren der q-Achsen-Induktivität Lq die nutenlose Struktur angewendet. Weiterhin werden als eine zweite Maßnahme die Permanentmagnete, die die Magneteinheit bilden, orientiert und wird die radiale Dicke der Permanentmagnete derart eingestellt, dass: keine magnetische Sättigung in den d-Achsen-seitigen Abschnitten des Rotorkerns aufgrund des Magnetflusses der Magneteinheit auftritt, während eine magnetische Sättigung in den q-Achsen-seitigen Abschnitten des Rotorkerns aufgrund des Magnetflusses der Magneteinheit auftritt.
77 veranschaulicht ein Beispiel für ein Magnetorientierungsverfahren. Ähnlich wie die Magneteinheit 42 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel weist die Magneteinheit 42 in diesem Beispiel erste Magnete 801 und zweite Magnete 802 auf. Die ersten und zweiten Magnete 801 und 802, die die Magneteinheit 42 bilden, sind durch dasselbe Orientierungsverfahren orientiert. Daher ist nachstehend lediglich die Orientierung der ersten Magneten 801 beschrieben. In 77 sind gezeigt: ein Mittelpunkt O, der ein Schnittpunkt zwischen einer dem Stator zugewandten Oberfläche der Magneteinheit 42 und der q-Achse ist, die die anstoßenden Umlaufsoberflächen von einem Paar der ersten und zweiten Magnete 801 und 802 passiert, und r, was die Distanz zwischen dem Mittelpunkt O und dem Schnittpunkt zwischen der dem Stator zugewandten Oberfläche der Magneteinheit 42 und der d-Achse repräsentiert. In dem ersten Magneten 801 ist die Orientierungsrichtung derart eingestellt, dass leichte Achsen der Magnetisierung in einer Bogenform entlang eines Orientierungskreises ausgerichtet sind, dessen Mitte auf dem Mittelpunkt O liegt und dessen Radius gleich r ist. Weiterhin ist die radiale Dicke t des ersten Magneten 801 derart eingestellt, dass sie kleiner als der Radius r ist. Folglich tritt in der Magnethalteeinrichtung 41, die als der Rotorkern fungiert, keine magnetische Sättigung in den d-Achsen-seitigen Abschnitten der Magnethalteeinrichtung 41 aufgrund des Magnetflusses der Magneteinheit 42 auf, während eine magnetische Sättigung in den q-Achsen-seitigen Abschnitten der Magnethalteeinrichtung 41 aufgrund des Magnetflusses der Magneteinheit 42 auftritt.
Diejenigen Abschnitte des Rotorkerns, die magnetisch zu sättigen sind, können beispielsweise wie in 78 gezeigt eingestellt werden. In 78 bezeichnet CP die Achse der Drehwelle 11, und repräsentiert θms, mit der q-Achse als eine Referenz, die elektrischen Winkel, die auf beiden Seiten der q-Achse zwischen der q-Achse und Geraden gebildet werden, die sich durch die Achse CP erstrecken. Die Winkel θms, die die q-Achsen-seitigen Abschnitte des Rotorkerns definieren, die magnetisch zu sättigen sind, sind derart eingestellt, dass: 0° < θms < 30° beispielsweise und vorzugsweise 15°< θms < 30° gilt.
Durch Absenken der q-Achsen-Induktivität Lq mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration wird es möglich, die q-Achsen-Ankerreaktion (ω × Lq × Iq) zu reduzieren und somit die q-Achsen-Spannung Vq (ω × Lq × Iq) des Spannungsvektors Vnr zu reduzieren, wie es in IG. 79 gezeigt ist. Folglich wird es möglich, die Phasendifferenz zwischen dem Stromvektor Inr und dem Spannungsvektor Vnr zu reduzieren, wodurch der Leistungsfaktor verbessert wird. Als Ergebnis wird es möglich, eine hohe Ausgangsleistung der rotierenden elektrischen Maschine zu erzielen.
Zusätzlich wurde herkömmlich allgemein anerkannt, dass die Ausgangsleistungen von rotierenden elektrischen Maschinen selbst mit einer Erhöhung in der Gesamtleiteranzahl Nn nicht erhöht werden können. Insbesondere verringert sich mit Erhöhung der Gesamtleiteranzahl Nn, obwohl das maximale Drehmoment Tmax der rotierenden elektrischen Maschine sich erhöht, der Leistungsfaktor aufgrund einer Erhöhung der q-Achsen-Induktivität Lq, wobei weiterhin die maximale Drehgeschwindigkeit Nmax abgesenkt wird. In 80 sind die Eigenschaften vor dem Absenken der maximalen Drehgeschwindigkeit Nmax mit einer durchgezogenen Linie gezeigt, wohingegen die Eigenschaften nach dem Absenken der maximalen Drehgeschwindigkeit Nmax mit einer gestrichelten Linie gezeigt sind. Daher wurde allgemein anerkannt, dass die Ausgangsleistungen von rotierenden elektrischen Maschinen selbst nicht mit Erhöhung der Gesamtleiteranzahl Nn erhöht werden können.
Die Drehmoment-, Strom- und Drehgeschwindigkeitseigenschaften (Charakteristiken) einer rotierenden elektrischen Maschine können durch (Vb = Ke × ω - Z × I) ausgedrückt werden, wobei Vb die Eingangsspannung des Wechselrichters ist, Ke die gegenelektromotorische Kraftkonstante ist, Z die Impedanz der Statorspule ist und I der durch die Statorspule fließende elektrische Strom ist. Mit Erhöhung der Gesamtleiteranzahl Nn erhöht sich die gegenelektromotorische Kraftkonstante Ke, wodurch die maximale Drehgeschwindigkeit Nmax abgesenkt wird. Genauer ist die maximale Drehgeschwindigkeit Nmax abhängig von der elektrischen Winkelgeschwindigkeit ω wenn I = 0 gilt. Wenn die Eingangsspannung Vb des Wechselrichters konstant gehalten wird, verringert sich die elektrische Winkelgeschwindigkeit ω mit Erhöhung der gegenelektromotorischen Kraftkonstanten Ke. Daher erhöht sich mit Erhöhung der Gesamtleiteranzahl Nn die gegenelektromotorische Kraftkonstante Ke, wodurch die maximale Drehgeschwindigkeit Nmax abgesenkt wird.
Im Gegensatz dazu ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Gesamtleiteranzahl Nn im Vergleich zu den herkömmlichen rotierenden elektrischen Maschinen erhöht, so dass, wenn die Drehgeschwindigkeit Nm gleich der maximalen Drehgeschwindigkeit Nmax ist, die Mitte A der Spannungsgrenzellipse CV sich in der negativen d-Achsen-Region und außerhalb des Stromgrenzkreises CI befindet, und der positiv-d-Achsen-seitige Scheitelpunkt B der Spannungsgrenzellipse CV sich innerhalb des Stromgrenzkreises CI befindet. Demgegenüber ist die q-Achsen-Induktivität minimiert, indem die nutenlose Struktur angewendet wird, und die q-Achsen-seitigen Abschnitte des Rotorkerns mit dem Magnetfluss der Magnete magnetisch gesättigt werden. Folglich wird es möglich, eine hohe Ausgangsleistung der rotierenden elektrischen Maschine zu erzielen.
Zusätzlich wird, wenn die Gesamtleiteranzahl Nn übermäßig erhöht wird, die maximale Drehgeschwindigkeit Nmax abgesenkt, wie es in 81 gezeigt ist. Dies liegt daran, dass die Phasenverzögerung des Stromvektors Inr in Bezug auf den Spannungsvektor Vnr aufgrund einer übermäßigen Erhöhung der Induktivität übermäßig groß wird.
Eine Erläuterung der Gesamtleiteranzahl Nn erfolgt nachstehend unter Bezugnahme auf beispielsweise 75. Die in 75 gezeigte Statorspule 521 ist eine Drei-Phasen-Acht-Pol-Spule. Weiterhin ist die Anzahl der elektrischen Leiter 523 (oder elektrischen Leiterabschnitte) pro Pol der Statorspule 521 gleich 2. Dementsprechend ist die Gesamtleiteranzahl Nn, die das Produkt der Anzahl der elektrischen Leiter 523 pro Pol in jeder Phase (d.h. 2) und der Anzahl der Pole (d.h. 8) ist, gleich 16.
Die in 75 gezeigte Statorspule 521 weist eine U-Phasen-Wicklung 521U, eine V-Phasen-Wicklung 521V und eine W-Phasen-Wicklung 521W auf. Wie es in 82 gezeigt ist, ist die U-Phasen-Wicklung 521U aus einer Reihenschaltungseinheit von U-Phasen-Leitern 523U aufgebaut, ist die V-Phasen-Wicklung 521V aus einer Reihenschaltungseinheit von V-Phasen-Leitern 523V aufgebaut, und ist die W-Phasen-Wicklung 521W aus einer Reihenschaltungseinheit von W-Phasen-Leitern 523W aufgebaut. Die d-Achsen-Induktivität Ld erhöht sich mit Erhöhung der Anzahl der elektrischen Leiter, die in Reihe geschaltet sind, um jede Phasenwicklung zu bilden.
Anstelle der in 82 gezeigten Konfiguration kann eine Konfiguration angewendet werden, bei der jede Phasenwicklung der Statorspule aus einer Vielzahl von Reihenschaltungseinheiten elektrischer Leiter aufgebaut ist und die Reihenschaltungseinheiten parallel zueinander geschaltet sind. 83 zeigt ein Beispiel, bei dem die U-Phasen-Wicklung 700U aus einer Vielzahl von Reihenschaltungseinheiten von U-Phasen-Leitern 701U aufgebaut ist, und die Reihenschaltungseinheiten parallel zueinander geschaltet sind. In diesem Fall ist die d-Achsen-Induktivität Ld abhängig von der resultierenden Impedanz der Reihenschaltungseinheiten, die parallel zueinander geschaltet sind.
Während in 82 und 83 Beispiele gezeigt worden sind, sei erneut bemerkt, dass die d-Achsen-Induktivität Ld sich mit Erhöhung der Anzahl der elektrischen Leiter erhöht, die in Reihe zwischen den ersten und zweiten Enden jeder Phasenwicklung geschaltet sind, die jeweils mit der Wechselrichterseite und der Neutralpunktseite verbunden sind, und die Spulenseiten der Statorspule bilden.
Vorteilhafte Wirkungen gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind nachstehend unter Bezugnahme auf 84 bis 86 beschrieben.
84 zeigt eine Darstellung, die Messergebnisse von rotierenden elektrischen Maschinen veranschaulicht, die in einem Test verwendet worden sind. Von dem in der Figur gezeigten Parametern bezeichnet Eingang die eingegebene elektrische Leistung [W], die von einem Wechselrichter in die Statorspule eingegeben worden ist, bezeichnet das Drehmoment das Ausgangsdrehmoment der rotierenden elektrischen Maschine bei der maximalen Drehgeschwindigkeit, bezeichnet Ψ die Größe von Magnetfluss der Permanentmagnete der Magneteinheit, und bezeichnet Ausgang die Ausgangsleistung [W] der rotierenden elektrischen Maschine bei der maximalen Drehgeschwindigkeit. Weiterhin bezeichnen die ersten bis vierten Konfigurationen Konfigurationen der rotierenden elektrischen Maschinen gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, und bezeichnen die ersten bis vierten Vergleichsbeispiele Vergleichskonfigurationen, die mit den ersten bis vierten Konfigurationen verglichen werden. Zusätzlich sind in 84 die Eingangs- und Ausgangsleistung von jeder rotierenden elektrischen Maschine mit der Ausgangsleistung des dritten Vergleichsbeispiels als 1 normalisiert, wobei die d-Achsen- und q-Achsen-Induktivitäten Ld und Lq jeder rotierenden elektrischen Maschine mit der d-Achsen-Induktivität Ld des dritten Vergleichsbeispiels als 1 normalisiert sind.
85(a) bis 85(c) zeigen die Spannungsgrenzellipse CV, den Stromgrenzkreis CI und eine Linie mit konstantem Drehmoment LTC von jeder der ersten bis dritten Konfigurationen, wenn die Drehgeschwindigkeit gleich der maximalen Drehgeschwindigkeit Nmax ist. In den ersten bis dritten Konfigurationen gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Gesamtleiteranzahl Nn derart eingestellt, dass die Mitte A der Spannungsgrenzellipse CV sich in der negativen d-Achsen-Region und außerhalb des Stromgrenzkreises CI befindet, und der positiv-d-Achsen-seitige Scheitelpunkt B der Spannungsgrenzellipse CV sich innerhalb des Stromgrenzkreises CI befindet.
86(a) und 86(b) zeigen die Spannungsgrenzellipse CV, den Stromgrenzkreis CI und die Linie konstanten Drehmoments LTC von jedem der ersten und zweiten Vergleichsbeispiele, wenn die Drehgeschwindigkeit gleich der maximalen Drehgeschwindigkeit gleich Nmax ist. In den Vergleichsbeispielen befindet sich die Mitte A der Spannungsgrenzellipse CV innerhalb des Stromgrenzkreises CI.
Mit Erhöhung der Gesamtleiteranzahl Nn nähert sich die Mitte A der Spannungsgrenzellipse CV dem Ursprung O des d-q-Koordinatensystems an und wird die kleinere Achse der Spannungsgrenzellipse CV verkürzt. Insbesondere wird die kleinere Achse umgekehrt proportional zu dem Quadrat der Gesamtleiteranzahl Nn verkürzt. Mit Verkürzung der kleineren Achse verringert sich der maximale Wert des q-Achsen-Stroms, der in der überlappenden Region RC ausgewählt werden kann, so dass das Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine abgesenkt werden kann. Um ein Absenken des Drehmoments zu verhindern, befindet sich gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Mitte A der Spannungsgrenzellipse CV in der negativen d-Achsen-Region und außerhalb des Stromgrenzkreises CI.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen vorliegenden Ausführungsbeispiel ist es möglich, in geeigneter Weise eine Stromsteuerung der rotierenden elektrischen Maschine durchzuführen, wenn die Drehgeschwindigkeit gleich der maximalen Drehgeschwindigkeit Nmax ist. Weiterhin ist es ebenfalls möglich, eine hohe Ausgangsleistung der rotierenden elektrischen Maschine zu erzielen.
Zusätzlich kann die fünfzehnte Modifikation weiter modifiziert werden, wie es nachstehend beschrieben ist.
Die Gesamtleiteranzahl Nn der rotierenden elektrischen Maschine kann alternativ auf einen derartigen Wert eingestellt werden, dass, wenn die Drehgeschwindigkeit Nm der rotierenden elektrischen Maschine gleich der maximalen Drehgeschwindigkeit Nmax ist, die Mitte A der Spannungsgrenzellipse CV sich außerhalb des Stromgrenzkreises CI und auf der negativen d-Achse in dem d-q-Koordinatensystem befindet, und der positiv-d-Achsen-seitige Scheitelpunkt B der Spannungsgrenzellipse CV sich auf dem Stromgrenzkreis CI befindet.
Die Konfiguration der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der fünfzehnten Modifikation kann bei rotierenden elektrischen Maschinen angewendet werden, die nicht SPMSMs sind, sondern hauptsächlich Magnetdrehmoment erzeugen. Beispielsweise kann ein IPMSM mit einem radial dünnen magnetischen Körper, der auf der Ankerseite der Permanentmagnete vorgesehen ist, eine rotierende elektrische Maschine sein, die hauptsächlich ein Magnetdrehmoment erzeugt.
Andere Modifikationen
Wie es in 50 gezeigt ist, sind in der rotierenden elektrischen Maschine 500 gemäß dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel der Zuflusskanal 571 und der Ausflusskanal 572 zusammen an einer einzelnen Stelle in der Umlaufsrichtung vorgesehen. Als eine Alternative können der Zuflusskanal 571 und der Ausflusskanal 572 jeweils an zwei unterschiedlichen Stellen in der Umlaufsrichtung vorgesehen sein. Beispielsweise können der Zuflusskanal 571 und der Ausflusskanal 572 voneinander um 180° in der Umlaufsrichtung versetzt sein. Zusätzlich sind in der rotierenden elektrischen Maschine 500 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel lediglich ein Zuflusskanal 571 und lediglich ein Ausflusskanal 572 vorgesehen. Alternativ dazu können in der rotierenden elektrischen Maschine 500 eine Vielzahl von Zuflusskanälen 571 und/oder eine Vielzahl von Ausflusskanälen 572 vorgesehen sein.
In der rotierenden elektrischen Maschine 500 gemäß dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel ist die Drehwelle 501 konfiguriert, nach außerhalb des Rads 400 lediglich auf einer axialen Seite des Rads 400 vorzuspringen. Als eine Alternative kann die Drehwelle 501 konfiguriert sein, auf beiden axialen Seiten des Rads 400 nach außerhalb des Rads 400 vorzuspringen. Diese alternative Konfiguration ist insbesondere zur Verwendung in dem Falle eines Fahrzeugs geeignet, das lediglich ein einzelnes Vorderrad oder ein einzelnes Hinterrad aufweist.
Die rotierenden elektrischen Maschine 500 gemäß dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, die bei dem Fahrzeugrad 400 angewendet wird, ist als eine rotierende elektrische Maschine der Außenrotorbauart konfiguriert. Jedoch kann die rotierende elektrische Maschine 500 alternativ als eine rotierende elektrische Maschine der Innenrotorbauart konfiguriert sein.
In der rotierenden elektrischen Maschine 500 gemäß dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel sind die Phasenwicklungen der Statorspule 521 miteinander im Stern geschaltet. Jedoch können die Phasenwicklungen der Statorspule 521 alternativ durch eine Dreiecksschaltung miteinander verbunden sein.
Die Offenbarung in dieser Beschreibung ist nicht auf die vorstehend veranschaulichten Ausführungsbeispiele begrenzt. Die Offenbarung umfasst nicht nur die Ausführungsbeispiele, die vorstehend veranschaulicht worden sind, sondern Modifikationen der Ausführungsbeispiele, die durch den Fachmann anhand der Ausführungsbeispiele hergeleitet werden können. Beispielsweise ist die Offenbarung nicht auf die Kombinationen von Komponenten und/oder Elementen begrenzt, wie sie in den Ausführungsbeispielen veranschaulicht sind. Stattdessen kann diese Offenbarung durch verschiedene Kombinationen umgesetzt werden. Die Offenbarung kann zusätzliche Teile aufweisen, die zu den Ausführungsbeispielen hinzugefügt werden können. Die Offenbarung umfasst Komponenten und/oder Elemente, die von den Ausführungsbeispielen weggelassen worden sind. Die Offenbarung umfasst ebenfalls irgendein Ersatz oder Kombinationen von Komponenten und/oder Elementen zwischen einem oder mehreren der Ausführungsbeispiele. Die offenbarten technischen Bereiche sind nicht auf die Beschreibung der Ausführungsbeispiele begrenzt. Stattdessen sollten die offenbarten technischen Bereiche derart verstanden werden, dass sie durch die Darlegung in den Patentansprüchen gezeigt sind und alle Modifikationen innerhalb von äquivalenten Bedeutungen und Bereichen der Darlegung in den Patentansprüchen umfasst sind.
Obwohl die Offenbarung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, sollte beachtet werden, dass die Offenbarung nicht auf die Ausführungsbeispiele und die Strukturen begrenzt ist. Stattdessen umfasst die Offenbarung verschiedene Modifikationen und Änderungen innerhalb von äquivalenten Bereichen. Zusätzlich sind verschiedene Kombinationen und Arten ebenfalls in der Kategorie und dem Umfang der technischen Idee der Offenbarung enthalten.
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 2014093859 [0003]

Claims

Rotierende elektrische Maschine mit: einem Feldsystem, das einen Magnetabschnitt (801, 802) aufweist, der eine Vielzahl von Magnetpolen aufweist, deren Polaritäten in einer Umlaufsrichtung abwechseln, und einem Anker mit einer mehrphasigen Ankerspule, wobei entweder das Feldsystem oder der Anker als ein Rotor konfiguriert ist, die Ankerspule (521, 700U) elektrische Leiterabschnitte (523, 701U) aufweist, die an Positionen angeordnet sind, die dem Feldsystem zugewandt sind und in Ausrichtung miteinander in der Umlaufsrichtung angeordnet sind, in dem Anker Zwischenleiterelemente (57, 142, 143) zwischen den elektrischen Leiterabschnitten in der Umlaufsrichtung vorgesehen sind oder keine Zwischenleiterelemente zwischen den elektrischen Leiterabschnitten in der Umlaufsrichtung vorgesehen sind, die Zwischenleiterelemente aus einem magnetischen Material gebildet sind, die die nachfolgende Beziehung erfüllen, oder aus einem nichtmagnetischen Material gebildet sind, $Wt \times Bs \leq Wm \times Br,$
wobei Wt eine Breite in Umlaufsrichtung der Zwischenleiterelemente in jedem Magnetpol ist, Bs eine Sättigungsflussdichte der Zwischenleiterelemente ist, Wm eine Breite in Umlaufsrichtung des Magnetabschnitts in jedem Magnetpol ist und Br eine Remanenzflussdichte des Magnetabschnitts ist, eine Spannungsgrenzellipse (CV) in einem d-q-Koordinatensystem der rotierenden elektrischen Maschine durch d-Achsen- und q-Achsen-Ströme definiert ist, die durch die Ankerspule fließen, wenn der Betrag eines Spannungsvektors, der an die Ankerspule angelegt wird, gleich einem Spannungsgrenzwert (Vom) ist, und das Produkt der Anzahl der elektrischen Leiterabschnitte pro Pol in jeder Phase und der Anzahl der Pole der rotierenden elektrischen Maschine derart eingestellt ist, dass, wenn die Drehgeschwindigkeit der rotierenden elektrischen Maschine gleich einer maximalen Drehgeschwindigkeit ist, die Mitte (A) der Spannungsgrenzellipse die sich außerhalb eines Stromgrenzkreises (CI) und in einer negativen d-Achsen-Region in dem d-q-Koordinatensystem befindet, und ein positiv-d-Achsen-seitiger Scheitelpunkt (B) der Spannungsgrenzellipse sich innerhalb oder auf dem Stromgrenzkreis befindet.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei der Magnetabschnitt derart konfiguriert ist, dass leichte Achsen der Magnetisierung derart orientiert sind, dass an Stellen, die sich näher an einer d-Achse befinden, die Richtungen der leichten Achsen der Magnetisierung stärker parallel zu der d-Achse sind als an Stellen, die näher an der q-Achse sind, wobei die d-Achse Mitten der Magnetpole des Magnetabschnitts repräsentieren, und die q-Achse Grenzen zwischen den Magnetpolen repräsentiert.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 2, wobei das Feldsystem weiterhin eine Magnethalteeinrichtung (41) aufweist, die konfiguriert ist, den Magnetabschnitt von einer Nichtankerseite zu halten, und aus einem magnetischen Material gebildet ist, und die Orientierung derart gemacht ist, dass die d-Achsen-Seitenabschnitte der Magnethalteeinrichtung durch den Magnetfluss des Magnetabschnitts nicht magnetisch gesättigt werden, und die q-Achsen-Abschnitte der Magnethalteeinrichtung durch den Magnetfluss des Magnetabschnitts magnetisch gesättigt werden.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Magnetabschnitt eine intrinsische Koerzitivkraft, die gleich wie oder größer als 400kA/m ist, und eine Remanenzflussdichte aufweist, die gleich oder größer als 1,0T ist.