DE60131038T2

DE60131038T2 - Motor-Generator

Info

Publication number: DE60131038T2
Application number: DE60131038T
Authority: DE
Inventors: Yuusuke Yokosuka city Minagawa
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-01-17
Filing date: 2001-01-15
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2021-01-16
Also published as: EP1117173B1; JP3719136B2; DE60131038D1; US20010008354A1; JP2001275320A; EP1117173A3; EP1117173A2; US6710492B2

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf einen Elektromotor/Generator-Verbund, der zwei Rotoren mit einem einzigen Stator antreibt.
Hintergrund der Erfindung
Tokkai Hei 11-275826 , durch das japanische Patentamt 1999 veröffentlicht, offenbart einen Elektromotor/Generator, der eine Vielzahl von Rotoren antreibt, indem ein zusammengesetzter Mehrphasenstrom auf einen Satz von Statorwicklungen aufgebracht wird. Die Erfindung von Tokkai Hei 11-275826 wurde als am 25. März 1999 beantragte Patentanmeldung Nr. 09/275,785 vor dem Prioritätsdatum dieser Erfindung beim US Patentamt eingereicht und wurde nach dem Prioritätsdatum dieser Erfindung als US Pat.6,049,152 erteilt.
In diesem Elektromotor/Generator wird der zusammengesetzte Mehrphasenwechselstrom, der Phasen mit einem festgelegten Phasenunterschied umfasst, von einem Wechselrichter in Wicklungen jeder Phase in dem Stator eingespeist. Dieser Stand der Technik offenbart einen Elektromotor/Generator mit einem Verhältnis von Magnetpolen für die zwei Rotoren von 1:, 2:1 oder 3:1.
EP 0945965 offenbart einen Elektromotor/Generator gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 11.
Zusammenfassung der Erfindung
Wenn das Verhältnis von Magnetpolen in den Magneten der beiden Rotoren 1:1 ist, ist es möglich, einen ersten Rotor direkt mit der Rotation eines zweiter Rotors zu rotieren, indem ein magnetischer Kopplungseffekts genutzt wird, ohne dass auf die Statorwicklung ein Strom aufgebracht wird.
Umgekehrt heißt das auch, dass der erste Rotor eine unbeabsichtigte Rotation erfahren kann, wenn der zweite Rotor rotiert wird.
Ein Hybridfahrzeug koppelt die Antriebskraft eines Verbrennungsmotors und eines Elektromotors, um eine Batterie zu laden und das Fahrzeug anzutreiben.
In dem Hybridfahrzeug, das den obigen Typ von Elektromotor/Generator verwendet, können, wenn einer der Rotoren durch den Verbrennungsmotor rotiert wird, um die Batterie in einem Zustand zu laden, wenn sich das Fahrzeug nicht bewegt, der andere Rotor und eine damit verbundene Antriebswelle des Fahrzeugs auch rotiert werden. Dieser Betrieb kann daher zu einer unbeabsichtigten Bewegung des Fahrzeugs führen. Wenn andererseits der mit der Antriebswelle verbundene Rotor für den Fahrzeugstart angetrieben wird, wird der andere mit dem Verbrennungsmotor verbundene Elektromotor unabhängig von dem Ladezustand der Batterie auch rotiert. Diese Funktion kann zu einem unnötigen Verbrennungsmotorbetrieb führen.
Ferner ist es schwierig die Rotation der zwei Rotoren unabhängig zu steuern, wenn die zwei Rotoren, deren Verhältnis von Magnetpolen der Magnete 1:1 ist, als Elektromotoren angetrieben werden, indem ein zusammengesetzter Mehrphasenstrom in die Statorwicklungen eingespeist wird.
Es ist daher eine Aufgabe dieser Erfindung, eine magnetische Kopplung zu erzeugen, während die unerwünschte Rotation des Rotors verhindert wird.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, die unabhängige Rotationssteuerung von zwei Rotoren zu ermöglichen, bei denen das Verhältnis der Magnetpole der Magnete 1:1 ist, indem ein zusammengesetzter Mehrphasenwechselstrom in einen einzigen Satz von Statorwicklungen eingespeist wird.
Um die obigen Aufgaben zu lösen, sieht diese Erfindung einen Elektromotor/Generator vor, der einen ersten Rotor, der durch einen Magneten mit einer Vielzahl von Magnetpolen ausgestattet ist, einen zweiten Rotor, der durch einen Magneten mit einer Vielzahl von Magnetpolen und mit einer Vielzahl von Rotorwicklungen ausgestattet ist, und einen Stator umfasst, der mit einer Vielzahl von Statorwicklungen ausgestattet ist, die auf den ersten Rotor und den zweiten Rotor eine Rotationskraft ausüben, wenn ein zusammengesetzter Mehrphasenwechselstrom in die Statorwicklungen eingespeist wird.
Diese Erfindung sieht auch einen Elektromotor/Generator vor, der einen ersten Rotor, der durch einen Magneten mit einer Vielzahl von Magnetpolen ausgestattet ist, einen zweiten Rotor, der durch einen Magneten mit derselben Anzahl von Magnetpolen wie der erste Rotor ausgestattet ist, einen Stator, der mit einer Vielzahl von Statorwicklungen ausgestattet ist, die auf den ersten Rotor und den zweiten Rotor eine Rotationskraft ausüben, wenn ein zusammengesetzter Mehrphasenwechselstrom in die Statorwicklungen eingespeist wird, und eine Vorrichtung umfasst, die die Rotation des zweiten Rotors auf eine spezifizierte Richtung beschränkt.
Die Einzelheiten wie auch andere Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden im Rest der Spezifikation aufgeführt und in den begleitenden Zeichnungen gezeigt.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
1 ist eine schematische Querschnittansicht eines Elektromotors/Generators gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung.
2A und 2B sind schematische Querschnittansichten des Elektromotors/Generators, die spezifische Rotationspositionen beschreiben.
3 ist eine schematische Darstellung einer Fahrzeugantriebsvorrichtung, die den Elektromotor/Generator verwendet.
4A und 4B sind Stromkreisdarstellungen einer Stromversorgungsschaltung für eine Vielzahl von Rotorwicklungen.
5A-5D sind schematische Querschnittansichten des Elektromotors/Generators, die Variationen der Anordnung der Rotorwicklungen und Magnete des äußeren Rotors zeigen.
6 ist eine schematische Querschnittansicht des Elektromotors/Generators, die eine Variation des Erregungszustands der Rotorwicklungen zeigt.
7A-7D sind schematische Querschnittansichten des Elektromotors/Generators, die weitere Variationen der Anordnung der Rotorwicklungen und der Magnete des äußeren Rotors zeigen.
8A-8F sind schematische Querschnittansichten des Elektromotors/Generators, die noch weitere Variationen der Anordnung der Rotorwicklungen und der Magnete des äußeren Rotors zeigen.
9A-9D sind schematische Querschnittansichten des Elektromotors/Generators, die noch weitere Variationen der Anordnung der Rotorwicklungen und der Magnete des äußeren Rotors zeigen.
10A-10D sind schematische Querschnittansichten des Elektromotors/Generators, die noch weitere Variationen der Anordnung der Rotorwicklungen und der Magnete des äußeren Rotors zeigen.
11A-11D sind schematische Querschnittansichten des Elektromotors/Generators, die noch weitere Variationen der Anordnung der Rotorwicklungen und der Magnete des äußeren Rotors zeigen.
12A-12E sind schematische Querschnittansichten des Elektromotors/Generators, die noch weitere Variationen der Anordnung der Rotorwicklungen und der Magnete des äußeren Rotors zeigen.
13 ist eine schematische Querschnittansicht eines Elektromotors/Generators gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung.
14A und 14B sind schematische Darstellungen von Fahrzeugantriebsvorrichtungen, die den Elektromotor/Generator gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung verwenden.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Bezug nehmend auf 1 der Zeichnungen, ist ein Elektromotor/Generator mit einem Stator 22 und zwei Rotoren 21 und 23 ausgestattet, die koaxial angeordnet sind. Der Stator 22 ist im Querschnitt zylindrisch und ist mit 12 Statorwicklungen 1-6 ausgestattet, die in gleich großen Winkelintervallen angeordnet sind. Ein innerer Rotor 23 ist innerhalb des Stators 22 angeordnet, und ein äußerer Rotor 21 ist außerhalb der Außenseite des Stators 22 angeordnet. Der innere Rotor 23 umfasst einen Magneten, der ein Paar von Magnetpolen aufweist, d. h., einen N-Pol und einen S-Pol. Der äußere Rotor 21 ist mit einem Magneten versehen, der ein Paar von Magnetpolen und vier Rotorwicklungen A, B, C, und D aufweist.
In der Figur sind eine Wicklungsnummer und ein Bezugszeichen angegeben, um den Stromfluss an diesen Wicklungen zu beschreiben. Unterstrichene Nummern und Bezugszeichen bezeichnen einen Stromfluss in einer Richtung, die der in Wicklungen entgegengesetzt ist, die mit nicht unterstrichenen Nummern oder Referenzzeichen bezeichnet sind. Somit wird eine einzelne Wicklung durch ein Nummernpaar ausgedrückt, das eine unterstrichene Nummer und eine nicht unterstrichene Nummer umfasst. Im Gegensatz dazu wird in 2A und 2B eine einzelne Wicklung mit einer einzigen Wicklungsnummer bezeichnet. Unterstrichene Wicklungsnummern bezeichnen einen Stromfluss in einer Richtung, die der in Wicklungen mit derselben Wicklungsnummer entgegengesetzt ist, die nicht unterstrichenen ist. Das heißt, ein Wechselstrom mit einer entgegengesetzten Phase wird in die das Paar umfassenden Wicklungen eingespeist.
Das Anordnen von zwei Rotoren auf der Innenseite und der Außenseite eines einzigen Stators und die Versorgung der Statorwicklungen mit einem zusammengesetzten Mehrphasenwechselstrom ist in der United States Patentanmeldung Nr. 09/275,785 ( USPat. 6,049,152 ) offenbart.
Der zusammengesetzte Mehrphasenwechselstrom wird von der in 3 und 4 gezeigten Steuerungsschaltung der US Patentanmeldung Nr. 09/275,785 in die 12 Statorwicklungen 1-6 eingespeist.
In diesem Elektromotor/Generator ist, wenn die Rotorwicklungen A, B, C, D nicht erregt werden, das Verhältnis von Magnetpolpaaren des äußeren Rotors 21 und des inneren Rotors 23 1:1. Eine Antriebskraft f₁, die auf die Hälfte des Umfangs des äußeren Rotors 21 aufgebracht wird, und eine Antriebskraft f₂ die auf die Hälfte des Umfangs des inneren Rotors 23 aufgebracht wird, wird durch die folgenden Gleichungen (1) und (2) ausgedrückt, die den Gleichungen (8) und (9) in der US Patentanmeldung Nr. 09/275,785 entsprechen. In der folgenden Beschreibung wird der Magnet des äußeren Rotors 21 der äußere Magnet genannt, und der Magnet des inneren Rotors 23 wird der innere Magnet genannt.
Wobei Bm₁, Bm₂ = Magnetflussamplituden,

μ: = magnetische Permeabilität,
Im₁: = äquivalenter Gleichstrom äußerer Magnete,
Im₂: = äquivalenter Gleichstrom innerer Magnete,
Ic: = Amplitude des an die Statorwicklungen gelieferten Wechselstroms,
ω₁: = Rotationswinkelgeschwindigkeit des äußeren Magneten,
ω₂: = Rotationswinkelgeschwindigkeit des inneren Magneten,
α: = Phasenunterschied von äußeren und inneren Magneten (wenn t = 0),
β: = Phasenunterschied der Statorwicklungen,
t: = abgelaufene Zeit vom Zeitpunkt an, wenn die Phase von äußeren Magneten und Statorwicklung zusammenfallen, und
n: = Wicklungskonstante.

Es werden nun die Antriebskraft f₁ und f₂ betrachtet, wenn die Statorwicklungen mit einem Strom Ic versorgt werden.
Die Antriebskräfte f₁, f₂, die durch den Strom Ic·sinβ erzeugt werden, der auf den äußeren Rotor 21 und den inneren Rotor 23 aufgebracht wird, werden abhängig von einem Phasenunterschied α des äußeren Magneten und des inneren Magneten verändert. Die folgende Beschreibung ist in den Fall unterteilt, wenn α gleich null ist und wenn α gleich π ist.
Bezug nehmend auf 2A sind, wenn α gleich null ist, gleichartige Pole in dem äußeren Rotor 21 und dem inneren Rotor 23 zueinander ausgerichtet angeordnet. Das heißt, N-Pole liegen N-Polen und S-Pole liegen S-Polen gegenüber. Bezug nehmend auf 2B, sind, wenn α gleich π ist, ungleiche Pole in dem äußeren Rotor 21 und dem inneren Rotor 23 zueinander ausgerichtet. Das heißt, N-Pole liegen S-Polen und S-Pole liegen N-Polen gegenüber.
Um die Gleichung zu vereinfachen, können Gleichungen (1) und (2) zu Gleichungen (3) und (4) umgeschrieben werden, vorausgesetzt, dass ω₁ gleich ω₂ ist.
Wenn α gleich null ist, können die Gleichungen (3) und (4) zu Gleichungen (5) und (6) umgeschrieben werden.
Somit ist, vorausgesetzt dass μ·Im₁ gleich μ·Im₂ ist, f₁ gleich f₂. Da f₁ gleich f₂ ist, wenn α gleich null ist, werden der äußere Rotor 21 und der innere Rotor 23 in derselben Richtung angetrieben, und rotieren somit in derselben Richtung. Dies wird positiver Rotationsmodus genannt.
Andererseits können, wenn α gleich π ist, die Gleichungen (3) und (4) zu Gleichungen (7) und (8) umgeschrieben werden.
Somit ist, vorausgesetzt dass μ·Im₁ gleich μ·Im₂ ist, f₁ gleich f₂. Das heißt, dass Kräfte auf den äußeren Rotor 21 und den inneren Rotor 23 in entgegengesetzten Richtungen ausgeübt werden, und sie in entgegengesetzte Richtungen rotieren. Dies wird umgekehrter Rotationsmodus genannt.
Wenn das Verhältnis von Paaren von Magnetpolen 1:1 ist, rotieren sowohl der äußere Rotor 21 wie auch der innere Rotor 23, wenn die Statorwicklung mit einem Strom Ic gespeist wird. Außerdem ist die Rotationsrichtung der Rotoren 21 und 23 aufgrund des Phasenunterschiedes α der beiden Rotoren 21 und 23 unterschiedlich. Das heißt, wenn das Verhältnis von Magnetpolpaaren 1:1 ist, ist es nicht möglich, die Rotation des äußeren Rotors 21 und des inneren Rotors 23 unabhängig voneinander zu steuern.
Als nächstes wird nun die Situation beschrieben, wenn die Statorwicklung nicht mit einem Strom beaufschlagt wird, d.h., wenn Ic gleich null ist. Wenn Ic gleich null ist, können die Gleichungen (1) und (2) zu Gleichungen (9) und (10) umgeschrieben werden. f1 = –μ·Im1·Im2·sin {(ω2 – ω1)·t – α} (9) f2 = μ·Im2·Im1·sin {(ω1 – ω2)·t – α} (10)
Gleichungen (9) und (10) können zu Gleichungen (11) und (12) umgeschrieben werden, wenn angenommen wird, dass ω₁ gleich ω₂ ist. f1 = –μ·Im1·Im2·sin(–α) (11) f2 = μ·Im2·Im1·sin(–α) (12)
Die Beziehung f₁ gleich -f₂ wird auf dieser Basis immer erfüllt. Es mag den Anschein haben, dass diese Beziehung dazu führt, dass der äußere Rotor 21 und der innere Rotor 23 in entgegengesetzte Richtungen rotieren. In der Realität ergibt sich jedoch, wenn ein Phasenunterschied α auf den äußeren Rotor 21 und den inneren Rotor 23 aufgebracht wird, eine Kraft, die zu der Position strebt, in der α gleich null ist. Das heißt, wenn auf einen Rotor von außen eine mechanische Kraft aufgebracht wird, wird eine korrigierende Antriebskraft f₁ aufgrund der Tatsache erzeugt, dass α von Null abweicht. In der gleichen Weise wird eine Antriebskraft f₂ auf den anderen Rotor in einer entgegengesetzten Richtung aufgebracht. Somit rotiert, wenn ein Rotor von außen mechanisch rotiert wird, der andere Rotor in dieselbe Richtung. Dies veranschaulicht das Prinzip der magnetischen Kupplung. Das heißt, dass, wenn zum Beispiel der äußere Rotor 21 durch den Verbrennungsmotor 1 angetrieben wird, ohne dass in den Statorwicklungen 1-6 ein Strom fließt, der innere Rotor 23 in dieselbe Richtung rotiert.
Damit ist es möglich, wenn das Verhältnis der Magnetpole 1:1 ist, der Phasenunterschied α der beiden Rotoren null ist und auf die Statorwicklungen kein Strom aufgebracht wird, wenn ein Rotor mechanisch von außen angetrieben wird, den anderen Rotor unter Verwendung der magnetischen Kopplung mit derselben Geschwindigkeit anzutreiben. Das heißt, es ist möglich die beiden Rotoren direkt miteinander zu koppeln.
Die Anwendung dieses Elektromotors/Generators auf ein Hybridfahrzeug wird nun beschrieben. Es wird die Situation beschrieben, in der die durch einen ersten Rotor beim Antreiben durch den Verbrennungsmotor erzeugte Elektrizität als ein Strom auf die Statorwicklungen aufgebracht wird und einen zweiten Rotor antreibt, der mit einer Antriebswelle des Fahrzeugs verbunden ist.
Zum Beispiel rotiert auch der erste Rotor, der mit dem Verbrennungsmotor verbunden ist, wenn der Verbrennungsmotor und das Fahrzeug angehalten werden, und ein Strom von der Batterie in die Statorwicklungen eingespeist wird, um das Fahrzeug durch die Rotationen des zweiten Rotors anzutreiben. Umgekehrt rotiert, wenn der Verbrennungsmotor gestartet wird, indem die Statorwicklungen von der Batterie mit einem Strom versorgt werden, um den ersten Rotor anzutreiben, um die Batterie zu laden während das Fahrzeug angehalten ist, der zweite Rotor zur gleichen Zeit, was bewirken kann, dass sich das Fahrzeug bewegt.
Das heißt, wenn das Magnetpolverhältnis der beiden Rotoren 1:1 ist, ist es möglich, den Elektromotor/Generator über die magnetische Kopplung zu nutzen. Andererseits wird es schwierig, die beiden Rotoren unabhängig voneinander anzutreiben, wenn ein Wechselstrom in die Statorwicklungen eingespeist wird.
Wiederum Bezug nehmend auf 1, löst dieser Elektromotor/Generator die obige Aufgabe, indem das Verhältnis von Magnetpolen des äußeren Rotors 21 und des inneren Rotors 23 verändert wird, indem die Magnetpolanzahl des äußeren Rotors 21 durch Erregen von vier auf dem äußeren Rotor 21 vorgesehenen Rotorwicklungen A, B, C, D erhöht wird. Der äußere Rotor 21 und der innere Rotor 23 können von einem Typ Oberflächenpermanentmagnet bzw. Surface Permanent Magnet (SPM) oder Innenpermanentmagnet bzw. Internal Permanent Magnet (IPM) sein. Die Statorwicklungen 1-6 des Stators 22 werden durch verdichtetes Wickeln gebildet.
Bezug nehmend auf 3 wird über Kollektorringe 31, 32 und Bürsten 33, 34 ein Erregerstrom in die Rotorwicklungen A, B, C, D eingespeist. Eine Rotationswelle 25 des äußeren Rotors 21 ist mit einer Ausgangswelle des Verbrennungsmotors verbunden (nicht gezeigt). Eine Rotationswelle 26 des inneren Rotors 23 ist mit einer Antriebswelle 27 des Fahrzeugs verbunden.
Bezug nehmend auf 4A sind die Rotorwicklungen A-D in der Abfolge A, C, B, D in Reihe verbunden. Jedoch sind die Rotorwicklungen A und C in derselben Richtung gewickelt, und die Rotorwicklungen B und D sind in der entgegengesetzten Richtung gewickelt. Der Erregerstrom der Rotorwicklungen A-D ist ein Gleichstrom (DC-Strom) und wird durch einen in 4A gezeigten Gleichstromkreis oder einen in 4B gezeigten Gleichstromkreis bereit gestellt. Der Gleichstromkreis in 4A umfasst vier Transistoren T1, T2, T3, T4. Die Transistoren T1 und T2 sind in Reihe verbunden, und ihre Verbindungspunkte sind über die Bürste 33 und den Kollektorring 31 in 3 mit einem Ende der Rotorwicklung A verbunden. Die Transistoren T3 und T4 sind in derselben Weise in Reihe verbunden, und ihre Verbindungspunkte sind über die Bürste 34 und den Kollektorring 32 in 3 mit einem Ende der Rotorwicklung D verbunden.
Die Kollektoren der Transistoren T1 und T3 sind jeweils mit der Batterie verbunden. Die Emitter des Transistors T2 und T4 sind jeweils mit einer Erde verbunden.
Als Ergebnis des Anlegens eines AUS-Signals an die Basen der Transistoren T2 und T3 und der Lieferung eines EIN-Signals an die Basen der Transistoren T1 und T4 fließt ein Gleichstrom von der Batterie von dem Transistor T1 über die Rotorwicklungen A, C, B, D durch den Transistor T4 zu der Erde. Als Ergebnis werden die Rotorwicklungen A, C, B, D erregt. Die Richtung der Verbindungen der Rotorwicklungen A-D ist so voreingestellt, dass die erregten Rotorwicklungen A und C einen N-Pol und die erregten Rotorwicklungen B und D einen S-Pol bilden. Somit bildet der halbkreisförmige Umfang des äußeren Rotors 21 den N-Pol, und der übrige halbkreisförmige Umfang bildet den S-Pol. Das heißt, dass die Anzahl von Magnetpolpaaren des äußeren Rotors 21 eins beträgt, und das Magnetpolverhältnis des äußeren Rotors 21 und des inneren Rotors 23 1:1 ist.
Als Ergebnis des Anlegens eines AUS-Signals an die Basen der Transistoren T1 und T4 und eines EIN-Signals an die Basen der Transistoren T2 und T3 fließt andererseits ein Gleichstrom von der Batterie von dem Transistor T3 über die Rotorwicklungen D, B, C, A durch den Transistor T2 zu der Erde. Als Ergebnis bilden die erregten Rotorwicklungen A und C einen S-Pol, und die erregten Rotorwicklungen B und D bilden einen N-Pol. Somit wechseln sich die N-Pole und die S-Pole des äußeren Rotors 21 in 60-Grad-Intervallen ab. Das heißt, dass das Verhältnis von Magnetpaarpolen des äußeren Rotors 21 drei wird, und das Verhältnis von Magnetpolen des äußeren Rotors 21 und des inneren Rotors 23 3:1 wird.
Auf diese Weise ist es möglich, das Verhältnis von Magnetpolen zwischen Verhältnissen von 3:1 und 1:1 zu verändern, indem die Richtung des Gleichstroms geändert wird, der durch den in 4A gezeigten Stromkreis in die Rotorwicklungen A-D eingespeist wird.
Wenn der Elektromotor/Generator als Elektromotor oder als Generator genutzt wird, indem die Statorwicklungen 1-6 mit einem Strom versorgt werden, wird ein Gleichstrom von den Rotorwicklungen D an die Rotorwicklungen A geliefert, und somit weisen der äußere Rotor 21 und der innere Rotor 23 ein Magnetpolverhältnis von 3:1 auf. In diesem Fall ist es möglich, den äußeren Rotor 21 und den inneren Rotor 23 in einer im wesentlichen voneinander unabhängigen Weise anzutreiben, indem ein zusammengesetzter Mehrphasenwechselstrom in die Statorwicklungen 1-6 eingespeist wird, wie es in der US Patentanmeldung Nr. 09/275,785 ( USPat.6,049,152 ) offenbart ist. In diesem Fall führt der umgekehrte Rotationsmodus nicht zur Rotation der Rotoren 21 und 23. Die Rotoren 21 und 23 rotieren zusammen mit dem rotierenden Magnetfeld, das durch die Statorwicklungen 1-6 in den Rotoren 21 und 23 erzeugt wird.
Andererseits wird, wenn der Elektromotor/Generator als eine magnetische Kupplung verwendet wird, ein Gleichstrom von der Rotorwicklung A in die Rotorwicklung D eingespeist, und das Verhältnis von Magnetpolen des äußeren Rotors 21 und des inneren Rotors 23 wird auf 1:1 eingestellt. In diesem Fall rotiert ein Rotor als Antwort auf die Rotation des anderen Rotors.
Es sei angemerkt, dass, wenn auf die Rotorwicklungen A-D kein Erregerstrom aufgebracht wird, die Anzahl von Magnetpolpaaren des äußeren Rotors 21 eins ist. Somit wird die Option geschaffen, dass in die Rotorwicklungen A-D kein Erregerstrom eingespeist wird, wenn der Elektromotor/Generator für eine magnetische Kopplung verwendet wird. Die Stärke der magnetischen Kopplung nimmt jedoch zu, wenn ein Gleichstrom von der Rotorwicklung D zu der Rotorwicklung A fließt. Außerdem ist es möglich, die Stärke der magnetischen Kopplung über die Spannung des durch die Rotorwicklungen A-D fließenden Gleichstroms beliebig einzustellen.
Es ist möglich, einen wie in 4B gezeigten, einfachen Gleichstromkreis zu verwenden, indem die Struktur des in 4A gezeigten Gleichstromkreises abgewandelt wird.
Ein solcher Stromkreis verbindet den Kollektorring 31 über eine Bürste 33 mit einer Erde. Der Kollektorring 32 ist über die Bürste 34 mit dem Emitter des Transistors T5 verbunden.
Die Batterie ist mit dem Kollektor des Transistors T5 verbunden. Die Verbindung der Rotorwicklungen A-D ist dieselbe wie die des in 4A gezeigten Gleichstromkreises.
Wenn ein EIN-Signal an die Basis des Transistors T5 angelegt wird, fließt ein Gleichstrom von den Rotorwicklungen D zu der Rotorwicklung A. Die erregten Rotorwicklungen A und B bilden jeweils einen S-Pol, und die erregten Rotorwicklungen B und D bilden jeweils einen N-Pol. Als Ergebnis weisen der äußere Rotor 21 und der innere Rotor 23 ein Magnetpolverhältnis von 3:1 auf.
Andererseits wird, wenn ein AUS-Signal an die Basis des Transistors T5 angelegt wird, kein Strom auf die Rotorwicklungen A-D aufgebracht, und die Anzahl von Magnetpolpaaren des äußeren Rotors bleibt bei 1.
Somit kann, wenn es nicht notwendig ist, die Stärke der magnetischen Kopplung zu verändern, der in 4B gezeigte Gleichstromkreis, der eine einfache Struktur aufweist, an Stelle des in 4A gezeigten Gleichstromkreises verwendet werden.
Die Anzahl von in dem äußeren Rotor 21 vorgesehenen Wicklungen in der Rotorwicklung ist nicht auf vier begrenzt. Wenn angenommen wird, dass die in dem äußeren Rotor 21 vorgesehene Rotorwicklungszahl 2n ist, wobei n eine natürliche Zahl ist, ist das Verhältnis von Magnetpolen des äußeren Rotors 21 und des inneren Rotors 23 (n+1):1. Somit ist es möglich, das Verhältnis von Magnetpolen beliebig einzustellen, indem die Anzahl von in dem äußeren Rotor 21 vorgesehenen Rotorwicklungen verändert wird. Ferner ist es möglich, das Verhältnis der Magnetpole auf diese Weise selbst dann zu verändern, wenn die Rotorwicklungen, die die Anzahl von Magnetpolpaaren verändern, in dem inneren Rotor 23 anstatt dem äußeren Rotors 21 geschaffen werden.
Auf diese Weise ist es möglich, die Vorteile der magnetischen Kopplung zu nutzen und die unbeabsichtigte Rotation des äußeren Rotors 21 und des äußeren Rotors 23 zu verhindern, wenn ein Strom in die Statorwicklungen 1-6 eingespeist wird, indem das Verhältnis der Magnetpole der äußeren und inneren Rotoren 21 und 23 entsprechend den Betriebsbedingungen des Fahrzeugs verändert wird.
Zum Beispiel wird, wenn das Fahrzeug gestartet wird oder wenn der Verbrennungsmotor gestartet wird während das Fahrzeug angehalten ist, das Verhältnis der Magnetpole auf 3:1 eingestellt. Da es möglich ist, den äußeren Rotor 21 und den inneren Rotor 23 unabhängig voneinander zu steuern, rotiert auf diese Weise der Verbrennungsmotor nicht unerwarteter Weise, wenn das Fahrzeug gestartet wird, indem der innere Rotor 23 mit Batterieleistung rotiert wird. Alternativ führt die Verwendung des äußeren Rotors 21 als Startermotor zum Starten des Verbrennungsmotors nicht dazu, dass der innere Rotor 23 rotiert und das Fahrzeug sich bewegt.
Wenn das Fahrzeug fährt, ist das Verhältnis der Magnetpole auf 3:1 eingestellt, wird der äußere Rotor 21 durch den Verbrennungsmotoroutput rotiert und wird als Generator angetrieben. Der innere Rotor 23 wird durch die von dem Generator erzeugte Leistung angetrieben. In diesem Fall ist es möglich, den Betrieb des Elektromotors/Generators auf einen Betrieb mit geringer Drehzahl/hohem Drehmoment und hoher Drehzahl/geringem Drehmoment anzupassen, indem die Rotationsdrehzahl oder das Drehmoment des inneren Rotors 23 über die Steuerung des zusammengesetzten Mehrphasenwechselstroms gesteuert wird.
Es ist auch möglich, den Elektromotor/Generator so zu steuern, dass die Ausgabeleistung = Rotationsdrehzahl × Drehmoment immer konstant ist.
Wenn das Fahrzeug fährt, ist es möglich, das Verhältnis von Magnetpolen auf 1:1 einzustellen, um so den Elektromotor/Generator als eine magnetische Kupplung zu verwenden. In dieser Situation ist es möglich, zum Beispiel, wenn der äußere Rotor 21 durch den Verbrennungsmotor angetrieben wird, den inneren Rotor 23 mit derselben Drehzahl wie den äußeren Rotor 21 anzutreiben, ohne dass in die Statorwicklungen 1-6 Strom eingespeist wird.
Ferner kann, wenn an den Rotorwicklungen A-D des äußeren Rotors 21 entsprechend der Größe des durch die magnetische Kupplung übertragenen Drehmoments eine Stromsteuerung durchgeführt wird, der synchrone Betrieb des inneren Rotors 21 und des äußeren Rotors 23 selbst während Veränderungen des übertragenen Drehmoments fortgeführt werden. Wenn das Verhältnis der Magnetpole von 3:1 auf 1:1 umgestellt wird, wird die auf die Rotorwicklungen A-D des äußeren Rotors 21 aufgebrachte Spannung invertiert. Die Spannung nach dem Invertieren kann entsprechend dem übertragenen Drehmoment bestimmt werden.
Wenn die Rotoren 21, 23 in einen Zustand rotiert werden, in dem sie stationär sind, wird in die Statorwicklungen 1-6 ein Strom so eingespeist, dass das Verhältnis von Magnetpolen auf 3:1 eingestellt ist, das der Stromversorgung zu den Statorwicklungen 1-6 vorangeht.
Durch diese Funktion wird die umgekehrte Rotation des Rotors 21 oder des Rotors 23 verhindert. Wenn es gewünscht wird, nur einen Rotor anzutreiben, wird eine unbeabsichtigte Bewegung des anderen Rotors durch die Steuerung des in die Statorwicklungen 1-6 eingespeisten, zusammengesetzten Mehrphasenwechselstroms verhindert.
Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel ist der Fall, in dem das Verhältnis der magnetischen Pole des äußeren Rotors 21 und des inneren Rotors 23 entsprechend dem Erregen oder Nicht-Erregen der Rotorwicklungen A-D zwischen 3:1 und 1:1 umgeschaltet wird. Diese Erfindung ermöglicht mehrere Variationen bei der Anordnung und Anzahl von Rotormagneten, der Anzahl von Rotorwicklungen und der Konstruktion des Gleichstromkreises zum Erregen der Rotorwicklungen.
Diese Variationen werden mit Bezug auf 5A-13E beschrieben.
5A-5D zeigen in derselben Weise wie bei dem Elektromotor/Generator in 1 einen Elektromotor/Generator mit einem Verhältnis von Magnetpolen in dem äußeren Rotor 21 und dem inneren Rotor 23 von 1:1. Die Anzahl und die Anordnung der Rotorwicklungen und die Anordnung des Magneten in dem äußeren Rotor 21 unterscheiden sich jedoch von dem in 1 gezeigten Elektromotor/Generator. Wie in 5A gezeigt, unterteilt dieser Elektromotor/Generator den gesamten Umfang des äußeren Rotors 21 in vier Abschnitte von 90-Grad-Intervallen. Der N-Pol und der S-Pol des Magneten sind auf zwei angrenzenden Abschnitten angeordnet. Die Rotorwicklungen sind auf den übrigen angrenzenden Abschnitten angeordnet. In der Figur werden die Abschnitte, in denen die Magnete angeordnet sind, abhängig von dem Magnetpol durch die Symbole N oder S bezeichnet. Die Abschnitte, in denen Rotorwicklungen angeordnet sind, sind durch das Symbol C gekennzeichnet. Die Magnetpole der erregten Rotorwicklungen sind durch (N) oder (S) gekennzeichnet. Das Symbol (-) kennzeichnet Rotorwicklungen, die nicht erregt sind.
Wie in 5B gezeigt, werden zwei Magnetpole in dem äußeren Rotor 21 durch Erregen der Rotorwicklungen gebildet. Dadurch wird das Verhältnis von Magnetpolen des äußeren Rotors 21 und des inneren Rotors 23 zu 2:1. Andererseits ist, wenn die Rotorwicklungen nicht erregt werden, wie in 5C gezeigt, nur die Hälfte des kreisförmigen Umfangs, die den Magneten des äußeren Rotors 21 umfasst, magnetisiert, und die übrige Hälfte des äußeren Umfangs, die die Rotorwicklungen umfasst, ist nicht magnetisiert. In diesem Fall ist das Verhältnis der Magnetpole des äußeren Rotors 21 und des inneren Rotors 23 1:1.
In 5D ist der gesamte Umfang des äußeren Rotors 21 magnetisiert, wobei die Hälfte des Umfangs den N-Pol umfasst, und die andere Hälfte den S-Pol umfasst. Dies wird erreicht, indem ein Erregerstrom zu der in 5B entgegengesetzten Richtung in die Rotorwicklungen des äußeren Rotors 21 eingespeist wird. Dadurch ist das Verhältnis der Magnetpole des äußeren Rotors 21 und des inneren Rotors 23 auch 1:1.
Da sich die Stärke der magnetischen Kopplung erhöht, wenn die Länge des magnetisierten Abschnitts zunimmt, kann die Situation in 5C oder die Situation in 5D entsprechend der geforderten Stärke der magnetischen Kopplung ausgewählt werden. Wenn die Rotoren 21, 23 als Elektromotor oder Generator angetrieben werden, wird eine unbeabsichtigte Rotation der Rotoren 21 und 23 verhindert, indem das Verhältnis der Magnetpole auf 2:1 eingestellt wird.
6 zeigt die in dem in 1 gezeigten Elektromotor/Generator gebildeten Magnetpole, wenn nur die Rotorwicklungen B und D erregt werden und die Rotorwicklungen A und D nicht erregt werden.
Ein solcher Zustand wird realisiert, indem die Anordnung des Gleichstromkreises zum Erregen der Rotorwicklungen A-D verändert wird. Obwohl das Verhältnis der Magnetpole des äußeren Rotors 21 und des inneren Rotors 23 in der Figur 1:1 ist, kann es durch Umkehren der Richtung des in die Rotorwicklungen eingespeisten Gleichstroms auf 2:1 verändert werden. Somit ist es möglich, das Verhältnis der Magnetpole des äußeren Rotors 21 und des inneren Rotors 23 durch diese Anordnung der Gleichstromversorgung zu verändern.
7A-7D zeigen einen Elektromotor/Generator, in dem das Verhältnis der Magnetpole des äußeren Rotors 21 und des inneren Rotors 23 1:1 ist. Zwei Rotorwicklungen sind in dem äußeren Rotor 21 vorgesehen. Wenn die Rotorwicklungen, wie in 7B gezeigt, erregt werden, ist das Verhältnis der Magnetpole des äußeren Rotors 21 und des inneren Rotors 23 3:1. Wenn andererseits ein Erregerstrom in einer entgegengesetzten Richtung in die Rotorwicklungen eingespeist wird, wird die Hälfte des kreisförmigen Umfangs des äußeren Rotors 21 zum N-Pol, und die andere Hälfte wird zum S-Pol, wie in 7D gezeigt. In diesem Fall ist das Verhältnis der Magnetpole des äußeren Rotors 21 und des inneren Rotors 23 1:. Wenn die Rotorwicklungen nicht erregt werden, umgeben die zwei N-Pole des äußeren Rotors 21 sandwichartig eine der nicht erregten Rotorwicklungen, und die zwei S-Pole umgeben sandwichartig eine andere nicht erregte Rotorwicklung. Der äußere Rotor 21 weist in diesem Fall auch zwei Magnetpole auf, und das Verhältnis der Magnetpole des äußeren Rotors 21 und des inneren Rotors 23 beträgt 1:1.
In einem in den 8A-8F gezeigten Elektromotor/Generator ist der gesamte Umfang des äußeren Rotors 21 in acht gleiche Abschnitte unterteilt. Die N-Pole und die S-Pole des Magneten sind in zweien dieser Abschnitte angeordnet. Die Rotorwicklungen sind in den übrigen sechs Abschnitten angeordnet. In diesem Elektromotor/Generator ist es möglich, das Verhältnis der Magnetpole des äußeren Rotors 21 und des inneren Rotors 23, wie in 8B gezeigt, durch Erregen der Rotorwicklungen auf 4:1 einzustellen. Andererseits ist, wenn die Rotorwicklungen nicht erregt werden, das Verhältnis der Magnetpole des äußeren Rotors 21 und des inneren Rotors 23 1:1, wie in 8C gezeigt. Außerdem ist es möglich, wie in 8D-8F gezeigt, das Verhältnis der Magnetpole des äußeren Rotors 21 und des inneren Rotors 23 unter verschiedenen Erregungszuständen der Rotorwicklungen auf ein Verhältnis von 1:1 einzustellen. Da die Stärke der magnetischen Kopplung sich entsprechend dem Erregungszustand der Rotorwicklungen verändert, sollen die Statorwicklungen entsprechend der geforderten Stärke der magnetischen Kopplung ausgewählt erregt werden.
In derselben Weise wie der in den 8A-8F gezeigte Elektromotor/Generator, zeigen die 9A-9D einen Elektromotor/Generator, in dem der gesamte Umfang des äußeren Rotors 21 in acht Abschnitte unterteilt ist. Zwei N-Pole und die S-Pole des Magneten sind in vier Abschnitten angeordnet, wobei die Rotorwicklungen in den übrigen vier Abschnitten angeordnet sind.
Wie in 9B beschrieben, werden vier Paare von Magnetpolen in dem äußeren Rotor 21 durch Erregen der Rotorwicklungen gebildet. Somit wird das Verhältnis von Magnetpolen des äußeren Rotors 21 und des inneren Rotors 23 zu 4:1. Wenn alle Rotorwicklungen nicht erregt werden, wird andererseits, da zwei benachbarte N-Pole des Magneten eine der nicht erregten Rotorwicklungen sandwichartig umgeben und die beiden benachbarten S-Pole des Magneten eine der nicht erregten Rotorwicklungen sandwichartig umgeben, die effektive Anzahl von Magnetpolen in dem äußeren Rotor 21 zu zwei, und das Verhältnis der Magnetpole in dem äußeren Rotor 21 und dem inneren Rotor 23 wird 1:1, wie in 9C gezeigt. Alternativ bildet, wie in 9D gezeigt, der halbe Umfang des äußeren Rotors 21 einen N-Pol, und die andere Hälfte bildet einen S-Pol. Dies wird erreicht, indem ein Erregerstrom in die Rotorwicklungen in einer zu 9B entgegengesetzten Richtung eingespeist wird. Auch in diesem Fall ist das Verhältnis von Magnetpolen des äußeren Rotors 21 und des inneren Rotors 23 1:1.
10A-10D zeigen einen Elektromotor/Generator, bei dem der gesamte Umfang des äußeren Rotors 21 in 10 gleiche Abschnitte unterteilt ist. Zwei N-Pole und die S-Pole des Magneten sind in vier jener Abschnitte angeordnet. Die Rotorwicklungen sind in den übrigen sechs Abschnitten angeordnet. Eine der Rotorwicklungen ist zwischen zwei Abschnitten angeordnet, wobei jeder dem N-Pol des Magneten entspricht. Eine der Rotorwicklungen ist zwischen zwei Abschnitten angeordnet, wobei jeder dem S-Pol des Magneten entspricht. Außerdem ist der N-Pol des Magneten auf einer dem S-Pol des Magneten gegenüberliegende Position angeordnet.
bei diesem Elektromotor/Generator bilden die zehn Abschnitte des äußeren Rotors 21 aufgrund der Erregung der Rotorwicklungen abwechselnde N-Pole und S-Pole, wie in 10B gezeigt. Als Ergebnis werden fünf Paare der magnetischen Pole gebildet, und das Verhältnis der Magnetpole des äußeren Rotors 21 und des inneren Rotors 23 ist 5:1. Andererseits kann ein Gleichstrom so eingespeist werden, dass eine durch die zwei N-Pole des Magneten sandwichartig umgebene Rotorwicklung zum N-Pol wird, und eine durch die zwei S-Pole des Magneten sandwichartig umgebene Rotorwicklung zum S-Pol wird, während die anderen Rotorwicklungen ohne Erregung bleiben. Somit wird, wie in 10C gezeigt, das Verhältnis der Magnetpole des äußeren Rotors 21 und des inneren Rotors 23 1:1. Wenn ein Erregerstrom in die Rotorwicklungen in einer zu der von 10B entgegengesetzten Richtung eingespeist wird, bildet der halbe Umfang des äußeren Rotors 21 einen N-Pol, und die übrige Hälfte bildet einen S-Pol, wie in 10D gezeigt. Somit ist das Verhältnis der Magnetpole des äußeren Rotors 21 und des inneren Rotors 23 1:1.
In einem in 11A-11D gezeigten Elektromotor/Generator ist der gesamte Umfang des äußeren Rotors 21 in 10 gleiche Abschnitte unterteilt, und drei N-Pole und drei S-Pole des Magneten sind in sechs dieser Abschnitte angeordnet. In den übrigen vier Abschnitten sind Rotorwicklungen angeordnet. Jeder Abschnitt, in dem eine Rotorwicklung vorgesehen ist, ist von zwei N-Polen oder zwei S-Polen des Magneten sandwichartig umgeben. Außerdem sind die N-Pole des Magneten an einer Position angeordnet, die den S-Polen des Magneten gegenüber liegen.
In diesem Elektromotor/Generator umfassen die 10 Abschnitte des äußeren Rotors 21 aufgrund der Erregung der Rotorwicklungen abwechselnde N-Pole und S-Pole, wie in 11B gezeigt. Als Ergebnis sind fünf Paare der Magnetpole gebildet, und das Verhältnis der Magnetpole des äußeren Rotors 21 und des inneren Rotors 23 ist 5:1.
Andererseits umgeben, wenn kein Erregerstrom in die Rotorwicklungen eingespeist wird, die drei N-Pole des Magneten in der Hälfte des kreisförmigen Umfangs des äußeren Rotors 21 sandwichartig nicht erregte Rotorwicklungen, wie in 11C gezeigt. In der übrigen Hälfte des kreisförmigen Umfangs des äußeren Rotors 21 umgeben die drei S-Pole des Magneten sandwichartig nicht erregte Rotorwicklungen. In dieser Situation beträgt das Verhältnis der Magnetpole des äußeren Rotors 21 und des inneren Rotors 23 1:1. Wenn ein Erregerstrom in die Rotorwicklungen in einer zu der von 11B entgegengesetzten Richtung eingespeist wird, besteht die Hälfte des Umfangs des äußeren Rotors 21 vollständig aus N- Polen, und die übrige Hälfte besteht vollständig aus S-Polen, wie in 11D gezeigt. Somit ist das Verhältnis von Magnetpolen des äußeren Rotors 21 und des inneren Rotors 23 1:1.
In dem in 12A-12E gezeigten Elektromotor/Generator ist der innere Rotor 23 in vier Abschnitte von 90 Grad unterteilt. Magnete sind so angeordnet, dass jeder Teil abwechselnde N-Pole und S-Pole bildet. Der gesamte Umfang des äußeren Rotors 21 ist in 12 gleiche Abschnitte unterteilt. Zwei N-Pole und zwei S-Pole des Magneten sind in vier Abschnitten angeordnet, wobei Rotorwicklungen in den übrigen acht Abschnitten angeordnet sind. Die zwei N-Pole des Magneten liegen sich mit 180 Grad gegenüber, und in derselben Weise liegen sich auch die zwei S-Pole des Magneten mit 180 Grad gegenüber. Die N-Pole und S-Pole sind bei den zwei Teilen angeordnet, in denen die Rotorwicklungen angeordnet sind.
In diesem Elektromotor/Generator umfassen die 12 Teile des äußeren Rotors 21 durch die Erregung der Rotorwicklungen abwechselnde N-Pole und S-Pole, wie in 12B gezeigt. Als Ergebnis werden sechs Paare von Magnetpolen auf dem äußeren Rotor 21 gebildet, und da der innere Rotor 23 zwei Paare von Magnetpolen aufweist, beträgt das Verhältnis der Magnetpole des äußeren Rotors 21 und des inneren Rotors 23 3:1. Wenn andererseits in keine der Rotorwicklungen ein Erregerstrom eingespeist wird, sind N-Pole und S-Pole des Magneten abwechselnd in 90-Grad-Intervallen auf dem äußeren Rotor 21 angeordnet, wie in 12C gezeigt. Somit werden zwei Paare von Magnetpolen gebildet, und das Verhältnis der Magnetpole des äußeren Rotors 21 und des inneren Rotors 23 beträgt 1:1.
12D zeigt die Verteilung der Magnetpole, wenn nur eine der zwei Rotorwicklungen, die an den N-Pol des Magneten angrenzen, erregt wird, um zu einem N-Pol zu werden, und in den anderen Rotor kein Erregerstrom eingespeist wird. Auf dieselbe Weise wird nur eine der zwei Rotorwicklungen, die an die S-Pole des Magneten angrenzen, erregt, um zu einem S-Pol zu werden, und in den anderen Rotor wird kein Erregerstrom eingespeist. In derselben Weise wie 12C, weist der äußere Rotor 21 zwei Paare von Magnetpolen auf, und das Verhältnis des äußeren Rotors 21 und des inneren Rotors 23 beträgt 1:1.
12E zeigt die Verteilung von Magnetpolen, wenn ein Erregerstrom in die Rotorwicklungen in einer zu der in 12B gezeigten entgegengesetzten Richtung eingespeist wird. In diesem Fall besteht die Hälfte des Umfangs des äußeren Rotors 21 vollständig aus N-Polen, und die übrige Hälfte besteht vollständig aus S-Polen. Somit beträgt das Verhältnis des äußeren Rotors 21 und des inneren Rotors 23 1:1.
Wie anhand des in den 12A-12D gezeigten Elektromotor/Generator deutlich wird, ist die Magnetpolanzahl des inneren Rotors 23 nicht auf eins beschränkt.
Vorausgesetzt, dass die Anzahl von Magneten in dem ersten Rotor 2L ist, die Anzahl von Magneten in dem zweiten Rotor 2M ist, und die Anzahl von Rotorwicklungen 2N beträgt, wobei L, M und N natürliche Zahlen sind, werden die Anzahlen 2L, 2N der Magneten in den ersten und zweiten Rotoren, und die Anzahl 2N der Wicklungen des zweiten Rotors so bestimmt, dass das Verhältnis der Magnetpolanzahl zwischen dem ersten Rotor und dem zweiten Rotor 1:1 beträgt. Andererseits beträgt die Magnetpolanzahl des zweiten Rotors M+N, wenn alle Rotorwicklungen so gespeist werden, dass sie einen zu dem des angrenzenden Magneten unterschiedlichen Magnetpol aufzuweisen.
Ein zweites Ausführungsbeispiel dieser Erfindung wird mit Bezug auf 13 und 14A und 14B beschriebenen.
Ein in 13 gezeigter Elektromotor/Generator ist mit einem inneren Rotor 23 und einem Stator 22 ausgestattet, die mit denen in 1 gezeigten identisch sind. Ein äußerer Rotor 21 ist mit einem Magneten ausgestattet, in dem eine Hälfte eines kreisförmigen Umfanges der N-Pol ist, und die übrige Hälfte ein S-Pol ist. Der äußere Rotor 21 ist nicht mit Rotorwicklungen ausgestattet.
Bezug nehmend auf 14A, ist zwischen dem Verbrennungsmotor und einer Rotationswelle 25 des äußeren Rotors 21 ein Freilauf 28 vorgesehen, um die Rotation des äußeren Rotors 21 in einer spezifischen Richtung zu verhindern. Ein Feststellmechanismus 29, wie eine Parkbremse oder ein Parkgang, ist vorgesehen, um die Rotation einer Antriebswelle 27 zu verhindern, die mit einer Rotationswelle 26 des inneren Rotors 23 verbunden ist.
Ein Steuerungsschaltkreis des Elektromotors/Generators ist ausgelegt, das Starten des Verbrennungsmotors durch den Betrieb des äußeren Rotors 21 nur zu ermöglichen, wenn der Feststellmechanismus 29 in der EIN-Position ist, das heißt, nur wenn die Rotation der Antriebswelle 27 unterbunden ist.
Das Verhältnis der Magnetpole des äußeren Rotors 21 und des inneren Rotors 23 beträgt in diesem Elektromotor/Generator 1:1, und somit ist es möglich, den Elektromotor/Generator als eine magnetische Kupplung zu verwenden.
Wenn ein festgelegter Wechselstrom in die Statorwicklungen 1-6 des Stators 22 eingespeist wird, rotieren der äußere Rotor 21 und der innere Rotor 23. Ob der äußere Rotor 21 und der innere Rotor 23 im positiven Rotationsmodus oder im umgekehrten Rotationsmodus rotieren, hängt von dem Phasenunterschied α des äußeren Rotors 21 und des inneren Rotors 23 wie oben beschriebenen ab. Wenn jedoch in diesem Elektromotor/Generator die Rotation des äußeren Rotors 21 und des inneren Rotors 23 angehalten wird, halten sie an einer relativen Position an, in der der N-Pol und S-Pol, und der S-Pol und der N-Pol aufgrund der Anziehung entgegengesetzter Pole einander gegenüberliegen, wie in 13 gezeigt. Somit rotiert, wenn wieder ein Wechselstrom in die Statorwicklungen 1-6 eingespeist wird, der Elektromotor/Generator in einem umgekehrten Rotationsmodus, solange die stationäre Position nicht gewaltsam verändert wird.
Durch die Kombination von umgekehrtem Rotationsmodus mit dem Freilauf 28 und dem Feststellmechanismus 29 ist es möglich, nur einen Rotor 21(23) zu rotieren, indem ein Wechselstrom in die Statorwicklungen 1-6 eingespeist wird.
Die Rotationsrichtung des Rotors 21(23) hängt von der Rotationsrichtung der durch die Statorwicklungen 1-6 gebildeten rotierenden Magnetfelder ab.
Wenn das Fahrzeug aus einer Lage gestartet wird, in der der Verbrennungsmotor angehalten ist und das Fahrzeug steht, ist der Feststellmechanismus auf die AUS-Position eingestellt, wird ein Wechselstrom in die Statorwicklungen 1-6 eingespeist und der innere Rotor 23 wird zum Beispiel in eine positive Richtung rotiert. Wenn die durch den Freilauf 28 verhinderte Rotationsrichtung so voreingestellt ist, dass die Rotation des äußeren Rotors 21 in einer negativen Richtung verhindert wird, rotiert nur der innere Rotor 23. Im Gegensatz dazu wird, wenn der Verbrennungsmotor gestartet wird wenn das Fahrzeug steht, ein Wechselstrom in die Statorwicklungen 1-6 eingespeist, und der äußere Rotor 21 wird in die Rotationsrichtung rotiert, die durch den Freilauf 28 ermöglicht wird, das heißt, in die positive Richtung. Dadurch, dass die Rotation des inneren Rotors 23 durch den Feststellmechanismus 29 verhindert wird, rotiert nur der äußere Rotor 21.
Auf diese Weise ist es, da das Verhältnis der Magnetpole des äußeren Rotors 21 und des inneren Rotors 23 bei 1:1 gehalten wird, immer noch möglich, dass nur der äußere Rotor 21 oder der innere Rotor 23 rotieren kann, während der andere Rotor daran gehindert wird, zu rotieren.
Als eine Variation dieses Ausführungsbeispiels ist es möglich, den Verbrennungsmotor und die Rotationswelle 26 des inneren Rotors 23 durch eine Verriegelungskupplung zu verbinden, wie in 14 gezeigt. Die Verriegelungskupplung 30 umfasst eine elektromagnetische Kupplung, die sich als Antwort auf ein Signal von außen einkuppelt oder entkuppelt. Wenn der Betrieb des Elektromotors/Generators angehalten wird, wird die Verriegelungskupplung 30 mit einem Phasenunterschied α eingekuppelt, wenn der äußere Rotor 21 und der innere Rotor 23 angehalten worden sind, der gleich π ist. Somit kann verhindert werden, dass die relative Rotation des äußeren Rotors 21 und des inneren Rotors 23 während der Zeitdauer auftritt, wenn der Elektromotor/Generator nicht in Betrieb ist.
Obwohl die Erfindung oben unter Bezug auf gewisse Ausführungsbeispiele dieser Erfindung beschrieben worden ist, ist die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Modifikationen und Änderungen der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele werden für den Fachmann in Anbetracht der obigen Lehren offensichtlich werden.
Zum Beispiel ist diese Erfindung als auf einen Elektromotor/Generator mit einer dreischichtigen Struktur eines inneren Rotors, Stators und äußeren Rotors angewandt beschrieben worden; es ist möglich, diese Erfindung auf einen Elektromotor/Generator anzuwenden, der zwei Rotoren koaxial anordnet.
Mit anderen Worten, diese Erfindung kann auf jeden Typ von Synchronmotoren angewandt werden, der mit zwei Rotoren ausgestattet ist, die eine Statorwicklung gemeinsam haben, die die zwei Rotoren antreibt, indem ein zusammengesetzter Strom durch die Statorwicklungen geschickt wird.

Claims

Elektromotor/Generator, umfassend einen ersten Rotor (23), der durch einen Magneten mit einer Vielzahl von Magnetpolen versehen ist; einen zweiten Rotor (21), der durch einen Magneten mit einer Vielzahl von Magnetpolen versehen ist; und einen Stator (22), der mit einer Vielzahl von Statorwicklungen (1-6) versehen ist, die eine Rotationskraft auf den ersten Rotor (23) und den zweiten Rotor (21) ausüben, wenn ein zusammengesetzter Mehrphasenwechselstrom in die Statorwicklungen (1-6) eingespeist wird, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Rotor (21) mit einer Vielzahl von Rotorwicklungen (A-D) ausgestattet ist.
Elektromotor/Generator gemäß Anspruch 1, wobei die Anzahl von Magnetpolen in dem Magneten, der in dem ersten Rotor (23) vorgesehen ist, gleich der Anzahl von Polen in dem Magneten ist, der in dem zweiten Rotor (21) vorgesehen ist.
Elektromotor/Generator gemäß Anspruch 1, wobei der zusammengesetzte Mehrphasenwechselstrom einen Wechselstrom umfasst, der ein rotierendes Magnetfeld erzeugt, das auf den ersten Rotor (23) eine Rotationskraft ausübt, und einen Wechselstrom, der ein rotierendes Magnetfeld erzeugt, das auf den zweiten Rotor (21) eine Rotationskraft ausübt.
Elektromotor/Generator gemäß Anspruch 1, wobei der Elektromotor/Generator ferner einen Erregerstromkreis (T1-T4,T5) umfasst, der einen Teil der Rotorwicklungen (A-D) erregt, indem ein erster Erregerstrom in den Teil der Rotorwicklungen (A-D) eingespeist wird, um das Verhältnis der Magnetpole des ersten Rotors (23) und des zweiten Rotors (21) auf ein von 1:1 abweichendes Verhältnis zu verändern.
Elektromotor/Generator gemäß Anspruch 4, wobei der Elektromotor/Generator als eine magnetische Kupplung arbeitet, in der der erste Rotor (23) oder der zweite Rotor (21) den anderen des ersten Rotors (23) und des zweiten Rotors (21) im Gleichlauf rotiert, indem die Erregung des Teils der Rotorwicklungen (A-D) durch den Erregerstromkreis (T1-T4,T5) unterbunden wird und das Einspeisen des zusammengesetzten Mehrphasenwechselstroms in die Statorwicklungen (1-6) unterbunden wird.
Elektromotor/Generator gemäß Anspruch 4, wobei der zweite Rotor (21) mit einer Vielzahl von Paaren der Rotorwicklungen (A-D) versehen ist, und der Elektromotor/Generator als eine magnetische Kupplung arbeitet, in der der erste Rotor (23) oder der zweite Rotor (21) den anderen des ersten Rotors (23) und des zweiten Rotors (21) im Gleichlauf rotiert, indem ein spezifisches Paar von Rotorwicklungen (A-D) durch einen zweiten Erregerstrom erregt wird und das Einspeisen des zusammengesetzten Mehrphasenwechselstroms in die Statorwicklungen (1-6) unterbunden wird.
Elektromotor/Generator gemäß Anspruch 4, wobei der Elektromotor/Generator als eine magnetische Kupplung arbeitet, durch die der erste Rotor (23) oder der zweite Rotor (21) den anderen des ersten Rotors (23) und des zweiten Rotors (21) im Gleichlauf rotiert, indem ein dritter Erregerstrom in den Teil der Rotorwicklungen (A-D) eingespeist wird, der in einer dem ersten Erregerstrom entgegengesetzten Richtung fließt, und das Einspeisen des zusammengesetzten Mehrphasenwechselstroms in die Statorwicklungen (1-6) unterbunden wird.
Elektromotor/Generator gemäß Anspruch 4, wobei der zweite Rotor (21) mit einer Vielzahl von Paaren der Rotorwicklungen (A-D) versehen ist, und der Elektromotor/Generator als eine magnetische Kupplung arbeitet, die eine Kopplungskraft entsprechend einem Erregungszustand der Vielzahl von Paaren der Rotorwicklungen (A-D) verändert.
Elektromotor/Generator gemäß Anspruch 4, wobei die Vielzahl der Rotorwicklungen (A-D) in Serie verbunden ist und durch einen Gleichstrom erregt wird.
Elektromotor/Generator gemäß Anspruch 9, wobei der Elektromotor/Generator ferner zwei Kollektorringe (31, 32) umfasst, die einen Erregerstrom in das Paar von Rotorwicklungen (A-D) einspeisen.
Elektromotor/Generator, umfassend, einen ersten Rotor (23), der durch einen Magneten mit einer Vielzahl von Magnetpolen versehen ist; einen zweiten Rotor (21), der durch einen Magneten mit derselben Anzahl von Magnetpolen wie der erste Rotor (23) versehen ist; einen Stator (22), der mit einer Vielzahl von Statorwicklungen (1-6) versehen ist, die auf den ersten Rotor (23) und den zweiten Rotor (21) eine Rotationskraft ausüben, wenn ein zusammengesetzter Mehrphasenwechselstrom in die Statorwicklungen (1-6) eingespeist wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung (28) vorgesehen ist, die die Rotation des zweiten Rotors (21) auf eine spezifische Richtung einschränkt.
Elektromotor/Generator gemäß Anspruch 11, wobei der erste Rotor (23) mit einem Antriebsrad eines Fahrzeugs verbunden ist, der zweite Rotor (21) mit einem in dem Fahrzeug angebrachten Verbrennungsmotor verbunden ist, und die Rotationseinschränkungsvorrichtung (28) einen Freilauf (28) umfasst, der zwischen dem Verbrennungsmotor und dem zweiten Rotor (21) liegt.
Elektromotor/Generator gemäß Anspruch 12, wobei der Elektromotor/Generator ferner eine Vorrichtung (29) umfasst, die die Rotation des ersten Rotors (23) sperrt.
Elektromotor/Generator gemäß Anspruch 12, wobei der Elektromotor/Generator ferner eine Verriegelungskupplung (30) umfasst, die die relative Rotation des ersten Rotors (23) und des zweiten Rotors (21) einschränkt.