DE69912505T2

DE69912505T2 - Motor/generator

Info

Publication number: DE69912505T2
Application number: DE69912505T
Authority: DE
Inventors: Masaki Yokohama city Nakano
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1998-03-25
Filing date: 1999-03-24
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2019-03-25
Also published as: DE69912505D1; JPH11275827A; US6211597B1; EP0945965A3; EP0945965B1; EP0945965A2; JP3480301B2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft den Aufbau eines Motor/Generators.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Tokkai HEI 8-340663, veröffentlicht von dem Japanischen Patentamt 1996 und die zugehörige Europäische Patentanmeldung EP 0 725 474 A offenbaren einen Motor/Generator, welcher zwei Rotoren und einen Stator koaxial angeordnet in drei Schichten offenbart, wobei einer von den Rotoren als ein Motor und der andere als ein Generator betrieben wird.
In diesem Motor/Generator sind zwei Spulensätze in dem Stator eingebaut, um ein magnetisches Feld für die entsprechenden Rotoren bereitzustellen, und zwei Umrichtersätze, d. h., Stromregelungen, sind für die Regelung der entsprechenden Spulensätze vorgesehen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In dem Falle dieses Motor/Generators gibt es, da zwei Sätze von Spulen und Umrichtern erforderlich sind, ein Problem dahingehend, dass Stromverluste, wie z. B. der Kupferverlust und der Schaltverlust gross sind.
Es ist daher eine Aufgabe dieser Erfindung, die Stromverluste eines derartigen dreilagigen Motor/Generators, wie er in der herkömmlichen Technik beschrieben wird, zu verringern.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, den Aufbau zu vereinfachen und die Anzahl der Teile eines derartigen Motor/Generators zu verringern.
Zur Lösung dieser Aufgaben stellt die vorliegende Erfindung einen Motor/Generator bereit, welcher einen ersten Rotor, der mehrere magnetische Pole umfasst und für eine freie Rotation gelagert ist, einen zweiten Rotor, welcher mehrere magnetische Pole umfasst und für eine freie Rotation koaxial zu dem ersten Rotor gelagert ist, einen Stator, welcher koaxial zu dem ersten Rotor befestigt ist, und eine Spuleneinheit umfasst, welche mehrere Spulen umfasst, die in gleichen Winkelintervallen auf dem Stator angeordnet sind.
Die Spuleneinheit ist so angeordnet, dass sie mehrere rotierende magnetische Felder mit gleicher Anzahl wie die Anzahl magnetischer Pole des ersten Rotors gemäss einem ersten Wechselstrom erzeugt und mehrere rotierende magnetische Felder mit gleicher Anzahl wie die Anzahl magnetischer Pole des zweiten Rotors gemäss einem zweiten Wechselstrom erzeugt.
Die Spuleneinheit umfasst dem ersten Rotor gegenüberliegende erste Schenkelpole und dem zweiten Rotor gegenüberliegende zweite Schenkelpole, wobei das Verhältnis der ersten Schenkelpole und der zweiten Schenkelpole gleich dem Verhältnis der Anzahl der magnetischen Pole des ersten Rotors und der Anzahl der magnetischen Pole des zweiten Rotors festgelegt ist.
Der Motor/Generator umfasst ferner eine elektrische Schaltung, um einen den ersten Wechselstrom und den zweiten Wechselstrom umfassenden zusammengesetzten elektrischen Strom der Spuleneinheit zuzuführen.
Die Details, sowie weitere Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden in dem Rest der Beschreibung ausgeführt und sind in den beigefügten Zeichnungen dargestellt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Motor/Generators gemäss dieser Erfindung.
2 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Motor/Generators, welcher auf dem Innenumfang und dem Aussenumfang eine Stators angeordnete Spulen umfasst, die für den Zweck der Beschreibung eines zusammengesetzten Stromes gemäss dieser Erfindung angenommen werden.
3 ist eine schematische Darstellung einer Regelschaltung gemäss dieser Erfindung.
4 ist ein Schaltbild eines Umrichters gemäss dieser Erfindung.
5 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Motor/Generators gemäss einer zweiten Ausführungsform dieser Erfindung.
6 ist ähnlich 5, zeigt jedoch eine dritte Ausführungsform dieser Erfindung.
7 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Motor/Generators mit einem Magnetpol-Anzahlverhältnis von 1 : 1, welcher als Modell für die Durchführung einer theoretischen Analyse des magnetischen Flusses und des Rotationsdrehmomentes festgelegt ist.
8A–8C sind Darstellungen, welche eine Veränderung der magnetischen Flussdichte in dem Motor/Generator von 7 darstellen.
9 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Motor/Generators mit einem Magnetpol-Anzahlverhältnis von 2 : 1 und mit Spulen, die auf einem Innenumfang und einem Aussenumfang eines Stators angeordnet sind, welcher für den Zweck der Beschreibung eines zusammengesetzten Stromes gemäss dieser Erfindung angenommen wird.
10A–10D sind Darstellungen, welche eine Veränderung der magnetischen Flussdichte in dem Motor/Generator von 9 darstellen.
11 ist ähnlich 9, stellt jedoch einen Fall dar, bei dem die Spulen auf den Innen- und Aussenumfängen in einem Stück ausgebildet sind.
12A–12B sind Darstellungen, welche eine Verteilung eines Wechselstroms zum Betreiben des Motor/Generators von 11 darstellen.
13 ist eine Ansicht ähnlich 9, zeigt jedoch einen Fall, in welchem das Magnetpol-Anzahlverhältnis 3 : 1 ist.
14A–14D sind Darstellungen, welche eine Veränderung der magnetischen Flussdichte in dem Motor/Generator von 13 darstellen.
15A–15C sind Darstellungen, welche eine Interferenz der magnetischen Kraft in dem Motor/Generator von 13 darstellen.
16 ist ähnlich 13, stellt jedoch einen Fall dar, in welchem die Spulen auf den Innen- und Aussenumfängen in einem Stück ausgebildet sind.
17A, 17B sind Darstellungen, welche eine Verteilung eines Wechselstroms zum Betreiben des Motor/Generators von 16 darstellen.
18 ist eine schematische Darstellung eines Motor/Generators gemäss einer vierten Ausführungsform dieser Erfindung.
19 ist ähnlich 18, stellt jedoch eine fünfte Ausführungsform dieser Erfindung dar.
20 ist ähnlich 18, stellt jedoch eine sechste Ausführungsform dieser Erfindung dar.
21 ist ähnlich 18, stellt jedoch eine siebente Ausführungsform dieser Erfindung dar.
22 ist ähnlich 18, stellt jedoch eine achte Ausführungsform dieser Erfindung dar.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Gemäss 1 von den Zeichnungen besitzt ein Motor/Generator 1 einen dreilagigen Aufbau, welcher einen zylindrischen Stator 2 und Rotoren 3, 4 umfasst, welche mit einem vorbestimmten Spielraum ausserhalb und innerhalb des Stators 2 angeordnet sind.
Der Stator 2, der Aussenrotor 3, und der Innenrotor 4 sind koaxial angeordnet. Der Stator 2 ist an einem Gehäuse 41 des Motor/Generators 1 gemäss Darstellung in 3 befestigt. Der Aussenrotor 3 ist an einem Rahmen 5 befestigt, und der Rahmen 5 dreht sich in Bezug auf das Gehäuse 41 mittels einer Achse 18. Der Innenrotor 4 dreht sich in Bezug auf das Gehäuse 41 mittels einer Achse 19.
Der Innenrotor 4 weist Permanentmagnete mit N-Polen und S-Polen auf, welche auf jedem von zwei Halbkreisen gemäss Darstellung in 1 angeordnet sind.
Der Aussenrotor 3 umfast Permanentmagnete mit einer zweifachen Polanzahl von der des Rotors 4 mit zwei S-Polen und N-Polen abwechselnd in 90°-Intervallen angeordnet.
Aufgrund dieser Anordnung üben die Permanentmagnete des Aussenrotors 3 keine Rotationskraft auf die Permanentmagnete des Innenrotors 4 oder umgekehrt wegen des nachfolgenden Grundes aus.
In dem in 1 dargestellten Zustand werde angenommen, dass die S-Pole des Innenrotors 4 eine Rotationskraft in einer Richtung im Uhrzeigersinn auf die N-Pole und S-Pole in dem oberen Teil der Zeichnung des Aussenrotors 3 ausüben. Zu diesem Zeitpunkt tendieren die N-Pole und N-Pole des Permanentmagneten in dem unteren Teil des Aussenrotors 3 zu einer Rotation in einer Richtung gegen den Uhrzeigersinn aufgrund der magnetischen Kraft der N-Pole des Innenrotors. Daher wird eine auf die N-Pole und S-Pole wirkende Rotationskraft im oberen Teil der Zeichnung durch eine auf die N-Pole und S-Pole in dem unteren Teil der Zeichnung wirkende Rotationskraft ausgeglichen, so dass keine Rotationskraft zwischen dem Aussenrotor 3 und dem Innenrotor 4 wirkt. Mit anderen Worten, sowohl der Aussenrotor 3 als auch der Innenrotor 4 rotieren nur aufgrund der von dem Stator 2 empfangenen magnetischen Kraft.
Der Stator 2 umfasst zwölf um sechs Kerne 7 herum gewickelte Spulen 6. Die Kerne 7 sind in gleichen Intervallen in einer Umfangsrichtung quer zu Spalten 9 angeordnet. Um die Gesamtanzahl der Kerne 7 zu reduzieren, ist jeder von den Kernen 7 in zwei Teile 7A unterteilt und zwei von den Spulen 6 sind auf einen von den Kernen 7 gewickelt. Diese Schlitze 7A besitzen Öffnungen auf dem Aussenumfang des Stators 2.
Demzufolge sind zwei Schenkelpole 7B, 7C dem Aussenrotor 3 auf dem Aussenumfang jedes Kernes 7 gegenüberliegend ausgebildet, und ein Schenkelpol 7D ist dem Innenrotor 4 auf dem Innenumfang jedes Kernes 7 gegenüberliegend ausgebildet. Insgesamt sind zwölf Schenkelpole auf der Aussenumfangsseite und sechs Schenkelpole auf der Innenumfangsseite des gesamten Stators 2 ausgebildet. Mit anderen Worten, die Gesamtanzahl von Schenkelpolen auf der Aussenumfangsseite ist gleich der Gesamtanzahl der Spulen, während die Gesamtanzahl der Schenkelpole auf der Innenumfangsseite die Hälfte der Gesamtanzahl der Spulen ist.
Zur Vereinfachung sind die in 1 dargestellten Zahlen diesen zwölf Spulen 6 zugeordnet. Um sie von Teilenummern zu unterscheiden, ist das Symbol # vor einer Zahl hinzugefügt wie z. B. in der Spule #6, um eine Spulennummer anzuzeigen.
Ströme I₁–I₁₂ werden in diese zwölf Spulen #1–#12 geleitet.
Zuerst wird ein Drei-Phasen-Wechselstrom in drei Spulensätze geleitet, um ein rotierendes Magnetfeld in Bezug auf den Innenrotor 4 zu erzeugen. Insbesondere wird ein Strom durch die Spulen #1, #2, #7 und #8 geleitet, um so eine virtuelle Spule um eine virtuelle Achse zu erzeugen, welche senkrecht die Rotationsachse des Rotors 3 (4) schneidet. Zu diesem Zweck wird ein Strom Id durch die Spulen #1 und #2 in der Rückwärtsrichtung zu den Spulen #7 und #8 geleitet, welche auf der gegenüberliegenden Seite der Rotationsachse des Rotors 3 (4) als dem Mittelpunkt angeordnet sind. Dieses erfolgt, indem die Hälfte eines Stromes Id durch die Spule #7 aus der Spule #1 geleitet wird, und die andere Hälfte des Stromes Id zu der Spule #8 aus der Spule #2 geleitet wird. Da die Spule #1 und #2 nebeneinander liegen und die Spulen #7 und #8 ebenfalls nebeneinander liegen, tritt wegen dieser Stromzuführung dieselbe Situation auf, als ob der Strom Id durch die vorstehend erwähnte Spule fliessen würde, und demzufolge werden ein N- und ein S-Pol an den zwei Enden einer virtuellen Achse erzeugt.
In ähnlicher Weise bilden die Spulen #3, #4, #9, #10 einen Satz, und ein Strom Ie fliesst durch diese Spulen, als ob sie eine virtuelle Spule um eine weitere virtuelle Achse, die um 120° aus der vorstehend erwähnten virtuellen Achse gedreht ist, bilden würde.
Ferner bilden die restlichen Spulen #5, #6, #11, #12 eine virtuelle Spule um eine weitere virtuelle Achse, die um 120° gedreht ist, und ein Strom If fliesst durch diese Spulen.
Somit sind drei virtuelle Spulen mit Wicklungsachsen ausgebildet, welche sich um 120° unterscheiden, und ein N-Pol- und ein S-Pol-Bereich wird alle 180° wie in dem Falle des Innenrotors 3 ausgebildet. Ein Drei-Phasen-Wechselstrom wird diesen Spulensätzen zugeführt, und die sich ergebende virtuelle Spule verändert fortlaufend ihre Polarität gemäss der Phase des Stroms. Demzufolge werden zweipolige rotierende magnetische Felder ausgebildet, die den Innenrotor einschliessen.
In dieser Ausführungsform wird der Stromfluss in der Form dargestellt [#1, #2] = [#7, #8], [#3, #4] = [#9, #10], [#5, #6] = [#11, #12].
Eine Spule mit einer unterstrichenen Zahl bedeutet, dass ein Strom in der umgekehrten Richtung zu der einer Spule mit einer nicht unterstrichenen Zahl geleitet wird.
Anschliessend wird ein Drei-Phasen-Strom in die drei Spulensätze anhand der nachstehenden Kombination geleitet, um so ein Magnetfeld in Bezug auf den Aussenrotor 3 zu erzeugen. [1] = [4] = [7] = [10], [2] = [5] = [8] = [11], [3] = [6] = [9] = [12].
Mit anderen Worten, ein Strom Ia wird der Spule #4 aus der Spule #1 zugeführt, und ein Strom Ia fliesst zu der Spule #10 aus der Spule #7. Indem eine einen Zwischenpunkt zwischen der Spule #4 und #4 und einen Zwischenpunkt zwischen der Spule #7 und #10 in 1 verbindende Linie als eine virtuelle Achse betrachtet wird, wird eine die Spule #1 und #4 umfassende virtuelle Spule ausgebildet und eine die Spule #7 und #10 umfassende virtuelle Spule um die Achse herum wird aufgrund des Stromes Ia ausgebildet.
Da der Stromfluss dieser virtuellen Spulen in entgegengesetzten Richtungen stattfindet, wird ein N-Pol beispielsweise den zwei Enden der virtuellen Achse und ein S-Pol in der Nähe der Rotationsachse des Rotors 3 (4) in den zwei Sätzen der virtuellen Spulen ausgebildet. Indem dieses auf dem Umfang in Bezug auf den Aussenrotor 3 berücksichtigt wird, ist dieses äquivalent zu der abwechselnden Ausbildung von N-Polen und S-Polen in 90°-Intervallen.
In ähnlicher Weise wird für die Spulen #2, #5, #8 und #10 ein Strom Ib durchgeleitet. In ähnlicher Weise wird für die Spulen #3, #6, #11 und #12 ein Strom Ic durchgeleitet. Daher werden vierpolige rotierende magnetische Felder in Bezug auf den Aussenrotor 3 ausgebildet.
Um die vorstehenden Bedingungen zu erfüllen, sollten die nachstehenden Ströme I₁–I₁₂ durch die zwölf Spulen 6 geleitet werden.
Ein Strom in der umgekehrten Richtung wird durch eine dem Stromsymbol hinzugefügte Unterstreichung dargestellt.
Anschliessend wird unter Bezugnahme auf 4 die Ermittlung der Ströme beschrieben. 2 ist für den Zweck eines Vergleichs mit dem Motor/Generator in 1 bereitgestellt. In dem Motor/Generator in 2 sind spezifische Spulen d, f, e für die Rotation des Innenrotors 4 und spezifische Spulen a, c, b für die Rotation des Aussenrotors 3 vorgesehen.
Mit anderen Worten, die Innenspulen d, f, e bilden rotierende magnetische Felder in Bezug auf den Innenrotor 4 und die äusseren Spulen a, c, b bilden rotierende magnetische Felder in Bezug auf den Aussenrotor 3.
Um diese Gruppen von Spulen in die in 1 dargestellte eine Gruppe zu kombinieren, wird von den Innenspulen in 2 die Hälfte des in die Spule d geleiteten Stroms jeweils von den Spulen a und c aufgenommen, welche sich in der Nähe der Spule d befinden, die Hälfte des in die Spule f geleiteten Stroms wird von jeder von den Spulen a und c, welche sich in der Nähe der Spule f befinden, und die Hälfte des in die Spule e geleiteten Stroms von jeder von den Spulen c und b, welche sich in der Nähe der Spule e befinden, aufgenommen. Die Gleichungen für die vorstehend erwähnten Ströme I₁–I₁₂ sind mathematische Ausdrücke dieses Konzeptes. Die Ströme können jedoch mittels weiterer nachstehend beschriebener Verfahren festgelegt werden.
Wenn diese Stromfestlegung angewendet wird, können zwei rotierende magnetische Felder gleichzeitig gebildet werden, d. h., rotierende magnetische Felder in Bezug auf den Innenrotor 4 und rotierende magnetische Felder in Bezug auf den Aussenrotor 3 trotz der Verwendung nur eines Satzes von Spulen. Auch die rotierenden magnetischen Felder, welche der Stator 2 in Bezug auf den Aussenrotor 3 bildet, ergeben kein Rotationsdrehmoment auf die Permanentmagnete des Innenrotors 4, und die rotierenden magnetischen Felder, welche der Stator 2 in Bezug auf den Innenrotor 4 erzeugt, ergeben kein Rotationsdrehmoment auf die Permanentmagnete des Aussenrotors 3. Dieser Punkt wird durch eine später beschriebene theoretische Analyse verifiziert.
Die Frequenz der Ströme Id, If, Ie wird auf der Basis einer Sollrotationsdrehzahl des Innenrotors 4 und die der Ströme Ia, Ic, Ib wird auf der Basis einer Sollrotationsdrehzahl des Aussenrotors 3 festgelegt.
Die Regelung des Motor/Generators 1 wird durch eine in 3 dargestellte Regelungseinrichtung durchgeführt.
Die Regelungseinrichtung weist einen Umrichter 12 auf, um den Gleichstrom einer Batterieenergiequelle 11 in Wechselströme umzuwandeln, um den Stator 2 mit den Strömen I₁–I₁₂ zu versorgen. Dieser Umrichter 12 ist ein Zwölf-Phasen-Umrichter welcher vierundzwanzig Transistoren Tr₁–Tr₂₄ und dieselbe Anzahl von Dioden gemäss Darstellung in 4 aufweist. Dieser Umrichter 12 kann durch Modifizieren eines normalen Drei-Phasen-Umrichters so erzielt werden, dass er zwölf Phasen aufweist.
Ein an jedes Gatter des Umrichters 12, d. h., an die Basis der Transistoren geliefertes EIN/AUS-Signal ist ein Pulsbreitenmodulations-(PWM)-Signal.
Rotationswinkelsensoren 14 und 13 zum Detektieren der Phase des Rotors 3 und 4 sind eingebaut und Signale aus diesen Sensoren 13 und 14 werden in eine Regelschaltung 15 eingegeben.
Das PWM-Signal wird in der Regelschaltung 15 auf der Basis in die Regelschaltung 15 eingegebener positiver oder negativer Drehmomentsollwerte erzeugt, welche das auf den Aussenrotor 3 und den Innenrotor 4 auszuübende Solldrehmoment spezifizieren.
Auf diese Weise sind in diesem Motor/Generator zwei Rotoren 3 und 4 und nur ein Stator 2 koaxial in drei Schichten angeordnet, eine Serienschaltung von Spulen 6 ist in dem Stator 2 vorgesehen, und Ströme werden durch diese Spulen 6 so geleitet, dass sie rotierende magnetische Felder innen und Aussen erzeugen, welche von der Anzahl her gleich der Anzahl magnetischer Pole der Rotoren 3 und 4 sind.
Daher kann, wenn einer der Rotoren 3 und 4 als ein Motor und der andere als ein Generator betrieben wird, eine Stromdifferenz zwischen der Motorantriebskraft und der Generatorantriebskraft in die Spulen 6 geleitet werden. Es ist nicht erforderlich, spezifische Spulen für die Rotoren 3 und 4 getrennt wie in der vorstehend erwähnten früheren Technik bereitzustellen. Somit werden Stromverluste stark reduziert.
Ferner können, da die Rotation der zwei Rotoren 3 und 4 durch nur einen einzigen Umrichter 12 geregelt werden kann, die Kosten des Umrichters reduziert werden, und da das Schaltvermögen der Leistungstransistoren des Umrichters verringert wird, verbessert sich der Schaltwirkungsgrad.
Somit wird von den auf dem Aussenumfang und dem Innenumfang des Stators ausgebildeten Schenkelpolen die Gesamtanzahl der inneren Schenkelpole 7D so angeordnet, dass sie die Hälfte der Gesamtanzahl der Spulen 6 ist, so dass die Anzahl der Kerne 7 in Bezug auf die Anzahl der Spulen reduziert werden kann und die Anzahl der Komponenten des Stators 2 reduziert werden kann.
Anschliessend wird eine zweite Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf 5 beschrieben.
Gemäss dieser Ausführungsform umfasst der Aussenrotor 3 sechs magnetische Pole und achtzehn von den Spulen 6 werden für den Stator 2 verwendet. In der vorstehend erwähnten ersten Ausführungsform war das Magnetpol-Anzahlverhältnis des Aussenrotors 3 und des Innenrotors 4 2 : 1, aber in dieser Ausführungsform ist das Magnetpol-Anzahlverhältnis 3 : 1. Mit anderen Worten, S- und N-Pole wechseln sich alle 60° in dem Aussenrotor 3 ab.
In dem Stator 2 wird ein Kern 21 für drei Spulen verwendet. Der Stator 2 weist sechs von den Kernen 21 in einem gleichen Intervall mit einem vorbestimmten Abstand 22 auf dem Umfang angeordnet auf. In jedem Kern 21 sind zwei Schlitze 21A und 21B, welche sich zu dem Aussenumfang hin öffnen, vorgesehen, um so den Kern in drei Teile aufzuteilen.
Deshalb umfasst der Kern 21 drei Schenkelpole 21C 21D, 21F auf dem Aussenumfang und nur einen Schenkelpol 21F auf dem Innenumfang. Insgesamt sind achtzehn Schenkelpole auf dem Aussenumfang und sechs Schenkelpole auf dem Innenumfang vorhanden. Mit anderen Worten, die Gesamtanzahl der Schenkelpole auf dem Aussenumfang ist gleich der Anzahl der Spulen 6, und die Anzahl der Schenkelpole auf der Innenumfangsseite ist ein Drittel der Gesamtanzahl der Spulen 6. Auch in dieser Ausführungsform kann der Aufbau des Stators 2 durch die Verringerung der Anzahl der Schenkelpole vereinfacht werden.
Jedoch werden, wenn das Magnetpolzahlverhältnis 3 : 1, anders als in dem Fall, in dem das Magnetpolzahlverhältnis 2 : 1 ist, die Permanentmagnete des Innenrotors 4 durch die von dem Stator 2 bezüglich des Aussenrotors 3 erzeugten rotierenden Magnetfelder beeinflusst, und es tritt eine Fluktuation in dem Rotationsdrehmoments des Innenrotors 4 auf. Die Permanentmagnete des Aussenrotors 3 nehmen keine Rotationskraft von den rotierenden magnetischen Feldern auf, die von dem Stator 2 in Bezug auf den Innenrotor 4 erzeugt werden, so dass das Rotationsdrehmoment des Aussenrotors 3 frei von Fluktuation ist.
Aus der später beschriebenen theoretischen Analyse ergibt sich, dass diese Drehmomentfluktuation eine Funktion der Phasendifferenz (ω₁ – ω₂) des Aussenrotors 3 und des Innenrotors 4 ist. Daher kann die Drehmomentfluktuation aufgehoben werden, indem im voraus eine Amplitudenmodulation an den Wechselstrom angelegt wird, welcher die rotierenden magnetischen Felder in Bezug auf den Aussenrotor 3 erzeugt.
Demzufolge kann auch in dieser Ausführungsform der Aussenrotor 3 und Innenrotor 4 im wesentlichen unabhängig durch einen zusammengesetzten Strom wie in dem Falle betrieben werden, wenn das Magnetpolzahlverhältnis 2 : 1 ist.
Ferner wird in dieser Ausführungsform ein Achtzehn-Phasen-Wechselstrom durch achtzehn von den Spulen 6 geleitet. Jedoch ist es, da die Phase des Wechselstroms tatsächlich über einen Halbkreis umgekehrt wird, ausreichend wenn der Umrichter 12 eine Funktion hat, um einen Neun-Phasen-Wechselstrom zu erzeugen. Mit anderen Worten, derselbe Strom wird in der Rückwärtsrichtung durch die Spulen #1 und #10 geführt, und derselbe Strom wird in der Rückwärtsrichtung durch die Spule #2 und #11, die Spulen #3 und #12, die Spulen #4 und #13, die Spulen #5 und #14, die Spulen #6 und #15, die Spulen #7 und #16, die Spulen #8 und #17, und die Spulen #9 und #18 geführt.
Deshalb kann, da der Umrichter 12 aus achtzehn Transistoren und achtzehn Dioden aufgebaut werden kann, die Anzahl der Transistoren und Dioden im Vergleich zu der vorstehend erwähnten ersten Ausführungsform reduziert werden.
Anschliessend wird eine dritte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf 6 beschrieben.
Diese Ausführungsform bildet sechs von den Kernen 21 der vorstehend erwähnten zweiten Ausführungsform als einen einteiligen Kern 21 aus, indem ein grosser Widerstand 32 mit hohen magnetischer Reluktanz anstelle des Spaltes 22 der vorstehenden zweiten Ausführungsform bereitgestellt wird.
Der grosse Widerstand 32 umfasst Schlitze 32A und 32B welche jeweils in dem Aussenumfang und dem Innenumfang des Stators 2 vorgesehen sind. In dieser Ausführungsform sind achtzehn Schenkelpole auf dem Aussenumfang des Stators 2 ausgebildet und sechs Schenkelpole sind auf dem Innenumfang wie in der vorstehend erwähnten zweiten Ausführungsform ausgebildet.
Deshalb wird die Anzahl der Teile und die Anzahl der Montageschritte des Stators 2 stärker als in der vorstehend erwähnten Ausführungsform verringert.
Die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschreibt Fälle, in welchen das Magnetpol-Anzahlverhältnis 2 : 1 oder 3 : 1 war, wobei jedoch aus der theoretischen Analyse gezeigt werden kann, dass der Aussenrotor 3 und der Innenrotor 4 unter Verwendung nur eines Spulentyps 6 unabhängig von dem Magnetpol-Anzahlverhältnis betrieben werden kann.
Anschliessend wird die theoretische Analyse der auf die Rotoren wirkenden Antriebskräfte in Hinblick auf die Magnetpol-Anzahlverhältnisse durchgeführt.
(1) N(2p – 2p) – TYP
Zuerst stellt bei der Beschreibung der Bezeichnung N(2p – 2p)2p auf der linken Seite die Anzahl der Magnetpole der Permanentmagnete des Aussenrotors 3, und 2p auf der rechten Seite stellt die Anzahl der Magnetpole der Permanentmagnete des Innenrotors 4 dar. Demzufolge bedeutet das Magnetpolzahlverhältnis N(2p – 2p) einen Motor/Generator, in welchem das Magnetpolverhältnis des Aussenrotors 3 und des Innenrotors 4 1 : 1 ist.
N ist eine positive ganze Zahl. Wenn N 1 ist, ist die Magnetpolanzahl sowohl des Aussenrotors 3 als auch des Innenrotors gleich zwei, und wenn N = 2 ist, ist die Magnetpolanzahl sowohl des Aussenrotors als auch des Innenrotors gleich vier.
7 stellt den Fall eines Motor/Generators dar, in welchem N 1 ist.
(1-1) Basisformeln
In 7 werden, wenn die Permanentmagnete des Aussenrotors 3 (hierin nachstehend als äussere Magnete abgekürzt) m₁ und die Permanentmagnete des Innenrotors 4 (hierin als innere Magnete abgekürzt) m₂, durch äquivalente Spulen ersetzt werden, die magnetischen Flussdichten B₁, B₂ der Permanentmagnete durch die nachstehenden Gleichungen (1) und (2) dargestellt. B1 = Bm1·sin(ω1·t – θ) = μ·Im1·sin(ω1·t – θ) (1) B2 = Bm2·sin(ω2·t + α – θ) = μ·Im2·sin(ω2·t + α – θ (2)wobei: Bm₁, Bm₂ = Amplituden des magnetischen Flusses,
μ = magnetische Permeabilität ist,
Im₁ = äquivalente Gleichstrom der äusseren Magnete;
Im₂ = äquivalenter Gleichstrom inneren Magnete,
ω₁ = Rotationswinkelgeschwindigkeit der äusseren Magnete,
ω₂ = Rotationsgeschwindigkeit der inneren Magnete,
α = Phasendifferenz der Aussen – und inneren Magnete (wenn t = 0), und
t = verstrichene Zeit von dem Zeitpunkt an, wenn die Phase der äusseren Magneten und der Statorspule übereinstimmten.
Wenn der durch den Stator geleitete Strom ein Drei-Phasen-Wechselstrom ist, wird die magnetische Flussdichte Bc aufgrund der Statorspule durch die nachstehende Gleichung (3) ausgedrückt.
wobei: η = Spulenkonstante
In Gleichung (3) sind Ica(t), Icb(t), Icc(t) Ströme, welche in der Phase um 120° verschoben sind.
Die Veränderung der vorstehend erwähnten magnetischen Flussdichten B₁, B₂ und Bc ist in 8A–8C dargestellt. Die magnetische Flussdichte verändert sich als eine Sinuswelle, und eine gesamte magnetische Flussdichte B bei einem Winkel θ wird durch die nachstehende Gleichung (4) ausgedrückt.
Hier sei das auf den Aussenrotor 3 einwirkende Drehmoment τ₁. Wenn die Kraft, welche auf einen Halbkreis des Aussenrotors 3 einwirkt gleich f₁ ist, ist die Kraft, welche dann auf den anderen Halbkreis wirkt ebenfalls f₁. Demzufolge ist die auf den gesamten Umfang wirkende Kraft 2f₁, und das Drehmoment τ₁ kann durch die nachstehende Gleichung ausgedrückt werden τ1 = 2f1·r1,wobei r₁ der Abstand zu den äusseren Magneten von der Mittelpunktswelle des Aussenrotors ist.
Hier ist die Kraft f₁ eine Antriebskraft, welche auftritt, wenn der Gleichstrom Im₁ in einem magnetischen Feld mit der magnetischen Flussdichte B erzeugt wird. Aus der obigen Gleichung ist zu ersehen, dass eine direkte proportionale Beziehung zwischen dem Drehmoment τ₁ und der Antriebskraft f₁ vorliegt. Da ein äquivalenter Gleichstrom für jeden Halbkreis ausgebildet wird, ist τ₁ gegeben durch die nachstehende Gleichung f1 = Im1·B,wobei: θ = ω₁·τ₀.
Aus dieser Gleichung und Gleichung (4) kann f₁ durch die nachstehende Gleichung (5) ausgedrückt werden.
In gleicher Weise ist, wenn die auf dem Halbkreis des Innenrotors 4 wirkende Kraft f₂ ist, die auf den gesamten Rotor wirkende Kraft 2f₂, so dass das Drehmoment τ₂ das auf die inneren Magnete m₂ wirkt. durch die nachstehende Gleichung ausgedrückt werden kann. τ2 = 2f2·r2 wobei r₂ der Abstand von der Mittenachse des Innenrotors 4 zu den inneren Magneten m₂ ist.
Hier ist die Kraft f₂ die Antriebskraft aufgrund eines äquivalenten Gleichstroms Im₂ in einem Magnetfeld der magnetischen Flussdichte B. Da ein äquivalenter Gleichstrom für jeden Halbkreis ausgebildet wird, ist f₂ durch die nachstehende Gleichung gegeben. f2 = Im2·B,wobei: θ = ω₂·t + ω.
Aus dieser Gleichung und Gleichung (4) kann f₂ durch die nachstehende Gleichung (6) ausgedrückt werden
(1-2) Wenn externe rotierende magnetische Felder angelegt werden
Um Ströme in den Spulen a, b, c zu leiten, wovon jeder eine Phasendifferenz von β in Bezug auf die rotierenden äusseren Magnete m₁ besitzt, werden die Wechselströme Ica(t), Icb(t), Icc(t) in Gleichung (3) durch die nachstehenden Gleichungen (7A)–(7C) festgelegt. IIca(t) = Ic·cos(ω1·t – β) (7A)
wobei: Ic = Amplitude der Wechselströme, und
β = Phasendifferenz.
Die Antriebskraft f1, f2 wird durch Einsetzen der Gleichungen (7A)–(7C) in die Gleichungen (5)–(6) berechnet.
Hier kann die vorstehende Gleichung umgeschrieben werden unter Verwendung der Formel:
Die Gleichung (8) besitzt eine Form, in welcher der erste Term, welcher ein Drehmomentfluktuationsbetrag aufgrund der Auswirkung des magnetischen Feldes der inneren Magnete ist, dem zweiten Term, welcher ein konstantes Drehmoment ist, hinzuaddiert ist.
Ferner kann f₂ durch die nachstehende Gleichung umgeschrieben werden
Hier kann die vorstehende Gleichung umgeschrieben werden unter Verwendung der Formel
(1-3) Wenn innere rotierende Magnetfelder angelegt werden
Um Ströme durch die Spulen a, b, c zu leiten, welche jeweils eine Phasendifferenz von γ in Bezug auf die rotierenden inneren Magnete m₂ haben, werden die Wechselströme Ica(t), Icb(t), Icc(t) in der vorstehenden Gleichung (3) durch die nachstehenden Gleichungen (10A)–(10C) festgelegt. IIca(t) = Ic·cos(ω2·t – γ) (10A)
wobei: Ic = Amplitude der Wechselströme, und
γ = Phasendifferenz.
Die Antriebskraft f1, f2 wird durch Einsetzen der Gleichungen (10A)–(10C) in die Gleichungen (5)–(6) erzielt.
Hier kann die vorstehende Gleichung umgeschrieben werden unter Verwendung der Formel:
Die Gleichung (11) zeigt, dass eine Drehmomentfluktuation nur in den äusseren Magneten auftritt.
Auch f₂ kann mittels der nachstehenden Gleichung umgeschrieben werden
Hier kann die vorstehende Gleichung umgeschrieben werden unter Verwendung der Formel:
Die Gleichung (12) besitzt eine Form, in welcher der erste Term, welcher ein Drehmomentfluktuationsbetrag aufgrund des Effektes des magnetischen Feldes der inneren Magnete ist, addiert auf den zweiten Term, welcher ein konstantes Drehmoment ist, addiert.
(1-4) Wenn die äusseren rotierenden Magnetfelder und inneren rotierenden Magnetfelder zusammen angelegt werden
Die vorstehenden Ica(t), Icb(t), Icc(t) sind so festgelegt, dass sie einen Strom durch die Spulen 6 synchron zu den äusseren Magneten und inneren Magneten leiten. Ica(t) = Ic·cos(ω1·t – β) + Ic2·cos(ω2·t – γ) (13A)
Die Antriebskräfte f1, f2 werden durch die nachstehenden Gleichungen (14), (15) berechnet.
Die Gleichung (14) besitzt eine Form, in welcher eine Drehmomentfluktuation einem konstanten Drehmoment gemäss einer Rotationsphasendifferenz β bezüglich des äusseren Magnete m1 hinzuaddiert ist.
Hier kann die vorstehende Gleichung umgeschrieben werden unter Verwendung der Formel:
Die Gleichung (15) besitzt ebenfalls eine Form, in welcher eine Drehmomentfluktuation einer konstanten Drehmomentrotationsphasendifferenz (α + γ) in Bezug auf die inneren Magnete m₂ hinzuaddiert ist.
(1-5) Zusammenfassung
Die vorstehend erwähnten Gleichungen (8), (9), (11), (12), (14), (15) können wie folgt zusammengefasst werden.
Wenn die äusseren rotierenden Magnetfelder angelegt werden.
Wenn die inneren rotierenden Magnetfelder angelegt werden
Wenn die äusseren rotierenden Magnetfelder und die inneren rotierenden Magnetfelder zusammen angelegt werden
Die Bedeutung dieser Gleichungen ist wie folgt.
Der zweite Term auf der rechten Seite der Gleichung (8), der zweite Term auf der rechten Seite der Gleichung (12), der zweite Term auf der rechten Seite der Gleichung (14) und der dritte Term auf der rechten Seite der Gleichung (15) sind feste Terme, d. h., konstante Werte und das Rotationsdrehmoment tritt nur auf, wenn diese konstanten Terme vorhanden sind. Andere Terme als die konstanten Terme sind trigonometrische Funktionen, und der Mittelwert einer Antriebskraft fn, welcher keinen festen Term aufweist ist 0. Mit anderen Worten, es tritt kein Rotationsdrehmoment aufgrund von Termen ausser festen Termen auf.
Bei Vergleich der Gleichungen (8) und (9) weist nur f₁ aus Gleichung (8) ein konstantes Drehmoment auf. Mit anderen Worten, wenn ein Strom durch die Spulen 6 des Stators 2 synchron mit der Rotation der äusseren Magnete geleitet wird, wirkt ein Rotationsdrehmoment nur auf die äusseren Magnete.
Bei einem Vergleich der Gleichungen (11) und (12) weist nur f₂ aus Gleichung (12) ein konstantes Drehmoment auf. Mit anderen Worten, wenn ein Strom durch die Spulen 6 des Stators 2 synchron zu der Rotation der inneren Magnete geleitet wird, wirkt ein Rotationsdrehmoment nur auf die inneren Magnete.
Bei einem Vergleich der Gleichungen (14) und (15) umfassen sowohl f₁ aus der Gleichung (14) als auch f₂ aus der Gleichung (15) ein konstantes Drehmoment. Mit anderen Worten, wenn ein mit der Rotation der äusseren Magnete synchronisierter Strom und ein mit der Rotation der inneren Magnete synchronisierter Strom zusammen durch die Spulen 6 geleitet wird, wirken den jeweiligen Strömen entsprechende Rotationsdrehmomente auf die äusseren und inneren Magnete.
Aus den vorstehenden Fakten ist zu ersehen, dass, wenn das Magnetpol-Anzahlverhältnis 1 : 1 ist, die zwei Rotoren 3, 4 als ein Generator und ein Motor gleichzeitig unter Verwendung nur einer Serienschaltung von Spulen 6 betrieben werden können. Ferner kann vermutet werden, dass derselbe Betrieb für jedes beliebige Magnetpol-Anzahlverhältnis möglich ist.
(1-6) Unterdrückung der Drehmomentfluktuation
Aufgrund von anderen Termen ausser den festen Termen in den Gleichungen, welche feste Terme enthalten, d. h., aufgrund des ersten Terms auf der rechten Seite von Gleichung (8), und der ersten und dritten Terme auf der rechten Seite von Gleichung (14) tritt eine Drehmomentfluktuation in der Rotation der äusseren Magnete aufgrund der Phasendifferenz (ω₁ – ω₂) zwischen den inneren Magneten und äusseren Magneten auf.
Ausserdem tritt aufgrund des ersten Terms auf der rechten Seite von Gleichung (12), und der ersten und zweiten Terme auf der rechten Seite von Gleichung (15) eine Drehmomentfluktuation in der Rotation der inneren Magnete aufgrund der Phasendifferenz (ω₁ – ω₂) zwischen den inneren Magneten und äusseren Magneten auf.
Nun wird die Unterdrückung der Drehmomentfluktuation betrachtet, wenn sowohl die äusseren rotierenden Magnetfelder als auch die inneren rotierenden Magnetfelder angelegt werden.
Die Gleichung (14) kann wie folgt umgeschrieben werden.
Hier kann f₁ geschrieben werden als. f1 = A + Ic·C + Ic2·V (16)wobei A = μ·Im₁·Im₂·sin(ω₂·t + α – ω₁·t).
Hier wird, wenn eine Modulation von
hinzugefügt wird, f₁ = C₁ konstant) und die Drehmomentfluktuation wird aus der Rotation der äusseren Magnete eliminiert.
In ähnlicher Weise kann die Gleichung (15) wie folgt umgeschrieben werden.
Hier kann f₂ geschrieben werden als. f2 = –A + Ic·D + Ic2·E (17)
Hier wird, wenn eine Modulation von
hinzugefügt wird, f₂ = C₂ (konstant) und die Drehmomentfluktuation wird aus der Rotation der inneren Magnete eliminiert.
Daher sollten, um beiden Permanentmagneten eine konstante Rotation zu verleihen, die nachstehenden zwei simultanen Gleichungen zweiter Ordnung bezüglich Ic und Ic₂ gelöst werden. C1 = A + Ic·C + Ic2·V (18) C2 = –A + Ic·D + Ic2·E (19)
Auf diese Weise kann in dem zusammengesetzten Strom die Drehmomentfluktuation in der Rotation der Rotoren eliminiert werden, indem eine Amplitudenmodulation dem Wechselstrom hinzugefügt wird, welcher rotierende magnetische Felder erzeugt, die eine Drehmomentfluktuation bewirken.
(2) N(2(2p) – 2p) – Typ
(2-1), wenn das Magnetpol-Anzahlverhältnis 2 : 1 ist
Wenn der Motor/Generator von 9 als ein Beispiel genommen wird, ist, wenn die Magnetpolanzahl der äusseren Magnete gleich 4 ist, und die Magnetpolanzahl der inneren Magnete gleich 2 ist, das Magnetpolverhältnis gleich 2 : 1. In diesem Aufbau wird, wenn die Permanentmagnete magnetisch durch eine äquivalente Spule ersetzt werden, eine von den äusseren Magneten erzeugte magnetische Flussdichte B₁ durch die nachstehende Gleichung (21) ausgedrückt. B1 = Bm1·sin(2ω1·t – 2θ) = μ·Im1·sin(2ω1·t – 2θ) (21)
Die in den inneren Magneten erzeugte magnetische Flussdichte B₂ wird durch die Gleichung (22) ausgedrückt, welche zu der Gleichung (2) äquivalent ist. B2 = Bm2·sin(ω2·t + α – θ) = μ·Im2·sin(ω2·t + α – θ) (22)
Es kann berücksichtigt werden, dass die Spulen wie in 9 dargestellt angeordnet sind, um so das von den Spulen 6 des Stators 2 erzeugte Magnetfeld getrennt für die äusseren rotierenden magnetischen Felder, welche den Aussenrotor 3 drehen, und die inneren rotierenden magnetischen Felder, welche den Innenrotor 4 drehen, zu berechnen.
Die magnetischen Flussdichten Bc₁, Bc₂ der äusseren Spulen und der Innenspulen werden durch die nachstehenden Gleichungen (23), (24) ausgedrückt.
wobei Icc(t), Ice(t), Icf(t) ebenfalls Ströme sind, welche in der Phase um 120° unterschiedlich sind, wie in dem Falle von Ica(t), Icb(t), Icc(t).
Anschliessend wird die Veränderung der vorstehend erwähnten magnetischen Flussdichte B₁, B₂, Bc₁, Bc₂ unter Bezugnahme auf die 10A–10D beschrieben.
Die magnetische Flussdichte B bei einem Winkel θ ist die Summe der vorstehend erwähnten vier magnetischen Flussdichten.
Hier gilt, wenn das auf den Aussenrotor 3 wirkende Gesamtdrehmoment τ₁ ist, die nachstehende Gleichung τ1 = f1·r1 wobei r₁ = der Abstand der äusseren Magnete von der Mittenachse des Aussenrotors ist.
In dem Aufbau von 9 sind anders als in dem Falle von 7 die auf jeden von den äusseren Magneten m₁ ausgeübten Drehmomente nicht symmetrisch. Daher wird die Kraft f₁ als eine Gesamtkraft betrachtet, welche auf jeden von vier äquivalenten Gleichströmen einwirkt, die den äusseren Magneten m₁ entsprechen. Diese Beziehung wird durch die nachstehende Gleichung ausgedrückt. f1 = Im1·B10 + Im1·B20 – Im1·B30 – Im1·40wobei: B₁₀ die magnetische Flussdichte B bei θ = ω₁·t ist,
B₂₀ die magnetische Flussdichte B bei θ = ω₁·t + π ist,
B₃₀ die magnetische Flussdichte B bei θ = ω₁·t + π/2 ist,
B₄₀ die magnetische Flussdichte B bei θ = ω₁·t + 3π/2 ist,
Daher kann die vorstehende Gleichung wie folgt umgeschrieben werden.
Die Gleichung (26) zeigt, dass das auf die äusseren Magnete m₁ wirkende Drehmoment aufgrund der Erregungsströme der Spulen a, b, c gesteuert werden kann, und dass es nicht durch die Erregungsströme der Spulen d, e, f beeinflusst wird.
Anschliessend gilt, wenn das auf den Innenrotor 4 wirkende Drehmoment τ₂ ist, die nachstehende Gleichung τ2 = f2·r2 wobei r₂ der Abstand der inneren Magnete m₂ von der Mittenwelle eines Innenrotors ist.
Die auf die inneren Magnete m₂ des Innenrotors 4 wirkende Drehmomente sind nicht symmetrisch. Daher wird die Kraft f₂ als eine Gesamtkraft betrachtet, welche auf jeden von zwei äquivalenten Gleichströmen wirkt, die den inneren Magneten entsprechen. Diese Beziehung wird durch die nachstehende Gleichung ausgedrückt. f2 = Im2·B100 – Im2·B200 wobei: B₁₀₀ die magnetische Flussdichte B bei θ = ω₁·t + α ist, und
B₂₀₀ die magnetische Flussdichte B bei θ = ω₁·t + π + α ist,
Daher kann die vorstehende Gleichung wie folgt umgeschrieben werden.
Gemäss der Gleichung (27) kann das auf die inneren Magnete m₂ wirkende Drehmoment mittels der Erregungsströme der Spule d, e, f geregelt werden und das auf die inneren Magnete m₂ wirkende Drehmoment wird nicht durch die Erregungsströme der Spulen a, b, c beeinflusst.
(2-2) Wenn die äusseren rotierenden Magnetfelder angelegt werden
Ströme mit einer Phasendifferenz von β in Bezug auf die Rotationsposition der äusseren Magnete m₁ werden durch die Spulen a, b, c geleitet. Um die vorstehenden Ströme zu erzeugen, können die vorstehend erwähnten Wechselströme Ica(t), Icb(t), Icc(t) durch die nachstehenden Gleichungen definiert werden. IIca(t) = Ic·cos(2ω1·t – 2β) (28A)
Anschliessend werden die (28A)–(28c) in die Gleichungen (26)(27) zum Berechnen von f₁ eingesetzt.
Hier kann die vorstehende Gleichung umgeschrieben werden als die nachstehende Gleichung (29) unter Verwendung der Formel:
Die Gleichung (29) zeigt, dass das auf die äusseren Magnete m₁ wirkende Drehmoment gemäss der Phasendifferenz β variiert. Daher sollte die Rotationsposition der äusseren Magnete m₁ gemessen werden und in der Phase um β verschobene Erregungsströme an die Spulen a, b, c geliefert werden.
(2-3) Wenn die inneren rotierenden magnetischen Felder angelegt werden
Ströme mit einer Phasendifferenz von γ in Bezug auf Rotationsposition der inneren Magnete m₂ werden durch die Spulen d, e, f geleitet.
Um die vorstehenden Ströme zu erzeugen, können die vorstehend erwähnten Wechselströme Icd(t), Ice(t), Icf(t) durch die nachstehenden Gleichungen definiert werden. Icd(t) = Ic·cos(ω2·t – γ) (30A)
Anschliessend werden (30A)–(30C) in die Gleichungen 27 eingesetzt, um f₂ zu berechnen.
Hier kann die vorstehende Gleichung umgeschrieben werden unter Verwendung der Formel:
Die Gleichung (31) zeigt, dass das auf die inneren Magnete m₂ wirkende Drehmoment gemäss der Phasendifferenz (γ + α) variiert. Daher sollte die Rotationsposition der inneren Magnete m₂ gemessen werden, und in der Phase um (γ + α) zu verschobene Erregungsströme an die Spulen d, e, f angelegt werden.
(2-4) Zusammenfassung
Die Gleichung (29) zeigt, dass, wenn Ströme durch die Spulen 6 des Stators synchron zu den äusseren Magneten m₁ geleitet werden, ein Rotationsdrehmoment nur auf die äusseren Magnete m₁ wirkt.
Die Gleichung (31) zeigt, dass, wenn Ströme durch die Spulen 6 des Stators synchron zu den inneren Magneten m₂ geleitet werden, ein Rotationsdrehmoment nur auf die inneren Magnete m₂ wirkt.
Obwohl die Berechnungen nicht dargestellt sind, wirken, wenn ein mit der Rotation der äusseren Magnete synchronisierter Strom und ein mit der Rotation der inneren Magnete synchronisierter Strom zusammen durch die Spulen 6 geleitet werden, den jeweiligen Ströme entsprechende Drehmomente auf die äusseren und inneren Magnete wie in dem Falle, in welchem das Magnetpol-Anzahlverhältnis 2 : 1 ist, wie es in (1)–(4) beschrieben ist.
Diese Tatsache zeigt, dass auch in einem Falle, in welchem das Magnetpol-Anzahlverhältnis 2 : 1 ist, die zwei Rotoren 3, 4 als ein Generator/Motor unter Verwendung der Spulen 6 betrieben werden können.
In diesem Falle gibt es, da nur konstante Terme verbleiben, keine Fluktuation des Rotationsdrehmomentes des Innenrotors 4 aufgrund der Auswirkung des Aussenrotors oder des Rotationsmagnetfeldes, das zum Betrieb des Aussenrotors erzeugt wird, und umgekehrt gibt es keine Fluktuation des Rotationsdrehmomentes des Aussenrotors 3 aufgrund der Auswirkung des Innenrotors 4 oder des Rotationsmagnetfeldes, das zum Betrieb des Innenrotors 4 erzeugt wird.
Mit anderen Worten, wenn das Magnetpolverhältnis 2 : 1 ist, können beide Rotoren mit einer konstanten Rotation betrieben werden, ohne eine Amplitudenmodulation zur Elimination der Drehmomentfluktuation hinzuzufügen, wenn das Magnetpol-Anzahlverhältnis 1 : 1 oder wie später beschrieben 3 : 1 ist.
(2-5) Festlegung der durch die Statorspule fliessenden Ströme
In 9 wird eine Serienschaltung von Spulen a, c, b zum Erzeugen der äusseren rotierenden Magnetfelder und eine weitere Serienschaltung von Spulen d, f, e zum Erzeugen der inneren rotierenden Magnetfelder für den Zweck der theoretischen Berechnung angenommen.
In einem realen Motor/Generator gemäss dieser Erfindung sind diese Spulen gemäss Darstellung in 1 in einem Stück ausgebildet, insbesondere die Spulen a und d, b und f, c und e, a und d, b und f, und c und e in 9 sind jeweils als Spulen #1, #3, #5, #7, #9, #11 in einem Stück ausgebildet. Die durch die Spulen #1 bis #12 in 11 hindurch geleiteten zusammengesetzten Ströme I₁–I₁₂ werden daher wie folgt aufgrund ihrer Beziehung zu den durch die Spulen a, c, b und d, f, e in 9 festgelegt. I1 = Ia + Id I2 = Ic I3 = Ib + If I4 = Ia I5 = Ic + Ie I6 = Ib I7 = Ia + Id I8 = Ic I9 = Ib + If I10 = Ia I11 = Ic + Ie I12 = Ib
In diesem Falle ist die Belastung der Spulen, durch welche die Ströme I₁, I₃, I₅, I₇, I₉, I₁₁ geleitet werden, grösser als die durch die restlichen Spulen, durch welche die Ströme I₂, I₄, I₆, I₈, I₁₀ geleitet werden. Daher wird es in Betracht gezogen, die Belastung über die restlichen Spulen zu verteilen, um die inneren rotierenden magnetischen Felder auszubilden.
Beispielsweise sind bei einem Vergleich von 2 und 1 die Spulen in 2, welche 1, 1, 2, 2, in 1 entsprechen, die äusseren Spulen a, a, c, c, und die inneren Spulen d, d. In diesem Falle wird angenommen, dass die Position der Spulen d, d in eine Position verschoben wird, die äquidistant zu der Spule a, a und der Spule c, c ist. Diese verschobenen Spulen werden als Spule d', d' bezeichnet.
Die Hälfte des durch die Spule d' hindurchgeleiteten Stroms Id' wird jeder von den Spulen a und c zugeordnet und die Hälfte des durch die Spule d' hindurchgeleiteten Stroms Id' wird jeder von den Spulen a und c zugeordnet. In gleicher Weise werden Spulen e', e' und f', f' angenommen, und die durch diese hindurchtretenden Ströme werden in einer ähnlichen Weise zugeordnet.
Auf diese Weise sind die nachstehenden Wechselstromfestlegungen möglich:
Alternativ sind die nachstehenden Festlegungen möglich. I1 = Ia + Ii I2 = Ic + Iii I3 = Ib + Iiii I4 = Ia + Iiv I5 = Ic + Iv I6 = Ib + Ivi I7 = Ia + Ivii I8 = Ic + Iviii I9 = Ib + Iix I10 = Ia + Ix I11 = Ic + Ixi I12 = Ib + Ixii
Die Ströme Ii–Ixii welche die zweiten Terme der rechten Seite der vorstehenden Gleichungen zum Einstellen von I₁–I₁₂ sind, umfassen einen Zwölf-Phasen-Wechselstrom gemäss Darstellung in 12A, 12B. Die inneren rotierenden Magnetfelder können durch diesen Zwölf-Phasen-Wechselstrom erzeugt werden.
(2-6) Wenn die inneren rotierenden magnetischen Felder durch einen Zwölf-Phasen-Wechselstrom erzeugt werden
(2-6-1) Magnetische Flussdichte Bc₂.
Die magnetische Flussdichte Bc₂, wenn die inneren rotierenden magnetischen Felder durch einen Zwölf-Phasen-Wechselstrom angelegt werden, wird durch die nachstehende Gleichung (32) ausgedrückt.
Die gesamte magnetische Flussdichte B wird durch die nachstehende Gleichung ausgedrückt.
f₁ wird durch die nachstehende Gleichung berechnet. f1 = Im1·B10 + Im1·B20 – Im1·B30 – Im1·40wobei: B₁₀ die magnetische Flussdichte B bei θ = ω₁·t ist,
B₂₀ die magnetische Flussdichte B bei θ = ω₁·t + π ist,
B₃₀ die magnetische Flussdichte B bei θ = ω₁·t + π/2 ist,
B₄₀ die magnetische Flussdichte B bei θ = ω₁·t + 3π/2 ist,
Daher kann die vorstehende Gleichung wie folgt umgeschrieben werden
Diese ist dieselbe wie die Gleichung (26), in welcher die inneren rotierenden magnetischen Felder durch einen Drei-Phasen-Wechselstrom erzeugt werden.
Auch f₂ wird durch die nachstehende Gleichung berechnet. f2 = Im2·B100 – Im2·B200 wobei: B₁₀₀ die magnetische Flussdichte B bei θ = ω₂·t + α ist,
B₂₀₀ die magnetische Flussdichte B bei θ = ω₂·t + π + α ist,
Daherkann die vorstehende Gleichung umgeschrieben werden wie folgt.
Die durch diese Gleichung (35) gegebene f₂ unterscheidet sich von der durch die Gleichung (27) gegebenen f₂, wenn die inneren rotierenden magnetischen Felder durch einen Drei-Phasen-Wechselstrom erzeugt werden. Daher wird die nachstehende Berechnung von f₂ durchgeführt, wenn die inneren rotierenden magnetischen Felder durch einen Zwölf-Phasen-Wechselstrom erzeugt werden.
(2-6-2) Berechnung von f₂ unter Verwendung eines Zwölf-Phasen-Wechselstroms
Der vorstehend erwähnte Zwölf-Phasen-Wechselstrom Ici(t)–Icxii(t) wird durch die nachstehenden Gleichungen (36A)–(36L) festgelegt. Ici(t) = Ic2(t)·cos(ω2·t – γ) (36A)
f₂ wird durch Einsetzen der Gleichungen (36A)–(36L) in die Gleichung (35) berechnet.
Hier kann die vorstehende Gleichung umgeschrieben werden unter Verwendung der Formel
(2-6-3) Zusammenfassung
Bei einem Vergleich der Gleichung (37), die erhalten wird, wenn die inneren rotierenden magnetischen Felder durch einen Zwölf-Phasen-Wechselstrom erzeugt werden, mit der vorstehend erwähnten Gleichung (31), die erhalten wird, wenn die inneren rotierenden magnetischen Felder durch einen Drei-Phasen-Wechselstrom (31) erzeugt werden, ist der konstante Term der Gleichung (37), d. h., der letzte Term gleich das Vierfache von dem von Gleichung (31).
Mit anderen Worten, wenn der innere Magnet durch einen Zwölf-Phasen-Wechselstrom (Ii–Ixii) betrieben wird, ist das erzielte Drehmoment das Vierfache von dem, wenn der innere Magnet durch einen Drei-Phasen-Wechselstrom betrieben wird.
Mit anderen Worten, der Treiberstrom der inneren Magnete, der zum Ausüben desselben Antriebsdrehmomentes auf die inneren Magneten m₂ erforderlich ist, ist nur ein Viertel von dem, wenn ein Drei-Phasen-Wechselstrom angelegt wird.
(3) N(3(2p) – 2p) – 2p) – Typ
(3-1) Wenn das Magnetpol-Anzahlverhältnis 3 : 1 ist
Wenn ein Motor/Generator von 13 als Beispiel genommen wird, ist das Magnetpol-Anzahlverhältnis 3 : 1, wenn die Magnetpolanzahl der äusseren Magnete m₂ 6 und die Magnetpolanzahl der inneren Magnete m₁ 2 ist.
In diesem Aufbau werden die von den äusseren und inneren Permanentmagneten erzeugten magnetischen Flussdichten B₁ und B₂ durch die nachstehenden Gleichungen (41), (42) ausgedrückt. B1 = Bm1·sin(3ω1·t – 3θ) = μ·Im1·sin(3ω1·t – 3θ) (41) B2 = Bm2·sin(ω2·t + α – θ) = μ·Im2·sin(ω2·t + α – θ) (42)
Die durch die Spulen 6 des Stators 2 erzeugten rotierenden magnetischen Felder werden getrennt für den Aussenrotor 3 und den Innenrotor 4 berechnet. Die magnetischen Flussdichten Bc₁, Bc₂ der Spulen 6 in Bezug auf die äusseren Magnete m₁ und die inneren Magnete m₂ werden durch die nachstehenden Gleichungen (43), (44) ausgedrückt.
Die Veränderung der vorgenannten magnetischen Flussdichten B₁, B₂ und Bc, Bc₂ sind in den 14A bis 14D dargestellt.
Die gesamte magnetische Flussdichte B wird durch die nachstehende Gleichung ausgedrückt.
Hier sei das auf den Aussenrotor 3 wirkende Drehmoment gleich τ₁. Wenn die Kraft, welche auf einen Halbkreis des Aussenrotors 3 wirkt gleich f₁ ist, ist die Kraft, welche dann auf den anderen Halbkreis wirkt ebenfalls f₁. Daher ist die auf den gesamten Umfang wirkende Kraft 2f₁ und das Drehmoment τ₁ kann durch die nachstehende Gleichung ausgedrückt werden. τ1 = 2f1·r1,wobei r₁ der Abstand zu den äusseren Magneten von der Mittenachse des Aussenrotors aus ist.
Da drei äquivalente Gleichströme für einen Halbkreis erzeugt werden, ist f₁ durch die nachstehende Gleichung gegeben. f1 = Im1·B1000 + Im1·B2000 – Im1·B3000 wobei: B₁₀₀₀ die magnetische Flussdichte B bei θ = ω₁·t ist,
B₂₀₀₀ die magnetische Flussdichte B bei θ = ω1·t + 2π/3 ist, und
B₃₀₀₀ die magnetische Flussdichte B bei θ = ω₁·t + π/3 ist,
Daher kann die vorstehende Gleichung wie folgt umgeschrieben werden.
Die Gleichung (46) zeigt, dass wenn die magnetische Flussdichte der äusseren Magnete m, einer Sinuswelle angenähert wird, das auf die äusseren Magnete m₁ wirkende Drehmoment durch die Erregungsströme der Spulen a, b, c geregelt werden kann.
Sie zeigt auch, dass das auf die äusseren Magnete m₁ wirkende Drehmoment nicht durch die Erregungsströme der Spulen d, e, f beeinflusst wird.
Hier sei das auf den Innenrotor 4 wirkende Drehmoment gleich τ₂. Wenn die Kraft, welche auf einen Halbkreis des Innenrotors 4 wirkt gleich f₂ ist, ist die Kraft, welche dann auf den anderen Halbkreis wirkt ebenfalls f₂. Daher ist die auf den gesamten Umfang wirkende Kraft 2f₂ und das Drehmoment τ₂ kann durch die nachstehende Gleichung ausgedrückt werden. τ2 = 2f2·r2,wobei r₂ der Abstand von der Mittenachse des Innenrotors 4 zu den inneren Magneten m₂ ist.
Hier ist die Kraft f₂ eine Antriebskraft, welche ein äquivalenter Gleichstrom Im₂ in einem magnetischen Feld der magnetischen Flussdichte 8 erzeugt. Da ein äquivalenter Gleichstrom für jeden Halbkreis erzeugt wird, ist durch die nachstehende Gleichung gegeben. f2 = Im2·Bwobei: θ = ω₂·t + α ist.
Aus dieser Gleichung und Gleichung (45) kann f₂ durch die nachstehende Gleichung (47) ausgedrückt werden.
Der zweite Term der Gleichung (47) zeigt, dass das auf die inneren Magnete m₂ wirkende Drehmoment offensichtlich durch die Erregungsströme der Spulen a, b, c für die äusseren Magnete m₁ beeinflusst wird. Jedoch ist dieses ein scheinbarer Effekt, und es tritt tatsächlich kein Effekt wegen des nachstehenden Grundes auf.
Wenn die Positionen der äusseren Magnete m₁ jeweils gleich ϕ₁ = ω₁·t + π/6, ϕ₂ = ω₁·t + 5π/6, ϕ₃ = ω₁·t + 9π/6 sind, kann die magnetische Flussdichte B₁ der äusseren Magnete m₁ bei dem Rotationswinkel θ durch die nachstehende Gleichung ausgedrückt werden.
Diese zeigt, dass die bei einer 120°-Intervallen ausgebildeten Magnetpole die magnetische Kraft aufheben. Mit anderen Worten, die Magnetpolanzahl der äusseren Magnete m₁ hat keine Auswirkung auf die inneren Magnete m₂. In gleicher Weise ist die durch die Aussenspule erzeugte magnetische Flussdichte ebenfalls insgesamt 0. Daher ist die Antriebskraft f₂ wie folgt.
(3-2) Wenn sowohl die äusseren rotierenden magnetischen Felder als auch die inneren rotierenden magnetischen Felder angelegt werden
Die Wechselströme Ica(t), Icb(t), Icc(t) und die Wechselströme Icd(t), Ice(t), Icf(t) werden durch die nachstehenden Gleichungen ausgedrückt. Ica(t) = Ic1·cos(3ω1·t – 3β) (49A)
Icd(t) = Ic2(t)·cos(ω2·t – γ) (50A)
In den Gleichungen (50A)–(50C) wird zur Ermöglichung einer Amplitudenmodulation der Strom als Ic₂(t) angenommen, welcher eine Funktion der Zeit t ist.
f1, f2 werden durch Einsetzen der Gleichungen (49A)–(49C) in Gleichung (46) und Einsetzen der Gleichungen (49A)–(49C) und (50A)–(50C) in die Gleichung (47) berechnet. f1 = 3μ·Im1·n·Ic1·{cos(3ω1·t – 3β)·sin(3ω1·t)
Hier kann die vorstehende Gleichung umgeschrieben werden unter Verwendung der Formel:
Hier kann die vorstehende Gleichung umgeschrieben werden unter Verwendung der Formel:
Wie unter Bezugnahme auf Gleichung (48) beschrieben, ist f₂ ein konstanter Wert, wenn keine Auswirkung auf die äusseren Magneten m₁ und die äusseren Spulen a, c, b gemäss Darstellung durch die nachstehende Gleichung (53) vorliegt.
Umgekehrt ist, wenn eine Auswirkung von dem magnetischen Feld aufgrund der äusseren Magnete m₁ und der äusseren Spulen vorliegt, wenn Ic₂(t) durch die nachstehende Gleichung (54) festgelegt ist, f₂ = C (konstant in der Gleichung (52) und der Motor/Generator kann durch ein konstantes Drehmoment angetrieben werden.
Mit anderen Worten, dies bedeutet, dass gemäss Gleichung 52 ein bestimmter Effekt der äusseren Magnete m₁ in Bezug auf die Rotation der inneren Magnete m₂ erzeugt wird, wenn das Magnetpolzahlverhältnis 3 : 1 ist. Genauer gesagt tritt eine konstante Drehmomentfluktuation auf der Basis der Phasendifferenz (ω₁ – ω₂) in dem Rotationsdrehmoment der inneren Magnete m₂ auf. Diese Situation ist in den 15A–15C dargestellt.
Wenn ein Magnetfeld in einer Modelldarstellung als rechteckig angenommen wird, kann die magnetische Kraftinterferenz zwischen den äusseren Magneten und inneren Magneten deutlich ausgedrückt werden.
Bei einem Vergleich des Zustands A mit dem Zustand B, wenn der Zustand B stabil ist, wird ein Drehmoment in dem Zustand A erzeugt, welches sich tendenziell zum Zustand B verschiebt. Dieses Drehmoment ist ein intermittierendes Drehmoment und wird durch eine Phasendifferenz (ω₁ – ω₂) erzeugt. Ferner kann es, da keine vollkommene Sinuswelle aufgrund des Abstandseffektes zwischen den Spulen realisiert werden kann, unmöglich sein, vollständig die Auswirkung der äusseren Magnete zu eliminieren. Das extremste Beispiel eines solchen Falles ist durch die Gleichung (52) ausgedrückt. Jedoch kann eine Drehmomentfluktuation in den meisten Fällen durch Anwenden einer Amplitudenmodulation aus der Gleichung (54) eliminiert werden, und der innere Magnet kann mit einem konstanten Drehmoment selbst dann betrieben werden, wenn das Magnetpol-Anzahlverhältnis 3 : 1 ist.
(3-3) Zusammenfassung
Gemäss den Gleichungen (51), (52) wirkt, wenn Ströme durch die Spule des Stators 2 synchron zu den Rotationen der äusseren Magnete m₁ und der inneren Magnete m₂ geleitet werden, ein Rotationsdrehmoment auf beide Permanentmagnete.
Es dürfte sich natürlich verstehen, dass, wenn Ströme durch die Spulen des Stators synchron zu der Rotation der äusseren Magnete m₁ geleitet werden, ein Rotationsdrehmoment nur auf die äusseren Magnete m₁ wirkt, und wenn Ströme durch die Spulen des Stators synchron zu der Rotation der inneren Magnete m₂ geleitet werden, ein Rotationsdrehmoment nur auf die inneren Magnete M₂ wirkt.
Diese Tatsache zeigt auch, dass in einem Falle, in welchem das Magnetpol-Anzahlverhältnis 3 : 1 ist, die zwei Rotoren 3, 4 als ein Generator und ein Motor unter Verwendung einer Serienschaltung der Spulen 6 betrieben werden können.
(3-4) Stromfestlegungen
In 13 wird angenommen, dass eine Serienschaltung von Spulen a, c, b die äusseren rotierenden magnetischen Felder erzeugt, und eine weitere Serienschaltung von Spulen d, f, e die inneren rotierenden magnetischen Felder erzeugt.
In dem realen Motor/Generator gemäss dieser Erfindung sind diese Spulen gemäss Darstellung in 16 in einem Stück ausgebildet. Insbesondere die Spulen a und d, a und f, a und e, a und d, a und f, a und e in 13 sind jeweils zu Spulen #1, #4, #7, #1, #4 und #7 in einem Stück zusammengefasst.
In Hinblick auf den Aufbau von 16 können die durch die Spulen 6 des Stators 2 fliessenden Ströme wie folgt festgelegt werden. I1 = Ia + Id I2 = Ic I3 = Ib I4 = Ia + If I5 = Ic I6 = Ib I7 = Ia + Ie I8 = Ic I9 = Ib I10 = I–1= Ia + Id I11 = I–2 = Ic I12 = I–3= Ib I13 = I–4 = Ia + If I14 = I–5 = Ic I15 = I–6 = Ib I16 = Ia + Ie I17 = I–8 = Ic I18 = I–9 = Ib
Wenn das Magnetpol-Anzahlverhältnis 3 : 1 ist, ist ein Achtzehn-Phasen-Wechselstrom erforderlich, wobei jedoch die Phase über einer Hälfte des Umfangs umgekehrt wird, so dass ein Neun-Phasen-Wechselstrom (die Hälfte von achtzehn Phasen) verwendet werden kann.
In diesem Falle ist es, da die Belastung auf den Spulen #1, #4, #7, #1, #4 und #7 stark ist, erwünscht, auch die restlichen Spulen einzusetzen, um die inneren rotierenden magnetischen Felder zu erzeugen. Beispielsweise werden die nachstehenden Stromfestlegungen empfohlen. I1 = Ia +Ii I2 = Ic + Ivi I3 = Ib + Iii I4 = Ia + Ivii I5 = Ic + Iiii I6 = Ib + Iviii I7 = Ia + Iiv I8 = Ic + Iix I9 = Ib + Iv I10 = I–1= Ia + Ii I11 = I–2 = Ic + Ivi I12 = I–3= Ib + Iii I13 = I–4 = Ia + Ivii I14 = I–5 = Ic + Iiii I15 = I–6 = Ib + Iviii I16 = I–7 = Ia + Iiv I17 = I–8 = Ic + Iix I18 = I–9 = Ib + Iv
Die Phasen der Ströme Ii–Iix und Ii–Iix zum Erzeugen der inneren rotierenden magnetischen Felder sind in den 17A und 17B dargestellt.
(3-5) Wenn die inneren rotierenden magnetischen Felder mit einem Neun-Phasen-Wechselstrom zugeführt werden
(3-5-1) Magnetische Flussdichte Bc₂
Die magnetische Flussdichte Bc₂ wird, wenn die inneren rotierenden magnetischen Felder durch einen Neun-Phasen-Wechselstrom erzeugt werden, durch die nachstehende Gleichung (55) ausgedrückt.
Die gesamte magnetische Flussdichte B wird wie folgt ausgedrückt.
f₁ wird durch die nachstehende Gleichung berechnet. f1 = Im1·B1000 + Im1·B2000 – Im1·B3000 wobei: B₁₀₀₀ die magnetische Flussdichte B bei θ = ω₁·t ist,
B₂₀₀₀ die magnetische Flussdichte B bei θ = ω₁·t + 2π/3, ist, und
B₃₀₀₀ die magnetische Flussdichte B bei θ = ω₁·t + π/3, ist.
Daher kann die vorstehende Gleichung wie folgt umgeschrieben werden.
Diese ist dieselbe wie die Gleichung (46), welche erhalten wird, wenn die inneren rotierenden magnetischen Felder durch einen Drei-Phasen-Wechselstrom erzeugt werden.
Andererseits kann f₂ wie folgt berechnet werden. f2 = Im2·B,wobei: θ = ω₂·t + α.
Aus dieser Gleichung und Gleichung (56) kann f₂ durch die nachstehende Gleichung ausgedrückt werden.
(3-5-2) Wenn die äusseren rotierenden magnetischen Felder und die inneren rotierenden magnetischen Felder zusammen zugeführt werden
Die Drei-Phasen-Wechselströme Ica(t), Icb(t), Icc(t), die vorstehend erwähnt wurden, werden durch die nachstehenden Gleichungen (59A), (59B), (59C) ausgedrückt. Ica(t)) = Ic1·cos(3ω1·t – 3β) (59A)
Die vorstehend erwähnten Neun-Phasen-Wechselströme Ici(t)–Icix(t) werden wie folgt festgelegt. IIci(t) = Ic2(t)·cos(ω2·t – γ) (60A)
Anschliessend wird f₂ durch Einsetzen der Gleichungen (59A)–(59C) und der Gleichungen (60A)–(60I) in die Gleichungen 58 berechnet.
Hier kann die vorstehende Gleichung umgeschrieben werden unter Verwendung der Formel
(3-5-3) Zusammenfassung
Wie in dem Falle von Gleichung (48) beschrieben, heben sich, wie in dem Falle des Drei-Phasen-Wechselstroms die ersten und zweiten Tenne auf der rechten Seite der Gleichung (61) auf, wenn diese Terme in anderen Phasen berücksichtigt werden.
Wenn diese Gleichung (61) für den Fall, in welchem die inneren rotierenden magnetischen Felder durch einen Neun-Phasen-Wechselstrom erzeugt werden, mit der vorstehend erwähnten Gleichung (52) verglichen wird, in welcher die inneren rotierenden magnetischen Felder durch einen Drei-Phasen-Wechselstrom erzeugt werden, ist der feste Term der Gleichung (61), d. h., der letzte Term das Dreifache von dem der Gleichung (52).
Mit anderen Worten, wenn der Treiberstrom der inneren Magnete m₂ ein Neun-Phasen-Wechselstrom (Ii–Iix) ist, wird eine Antriebkraft, d. h., ein Antriebsdrehmoment zu dem Dreifachen von dem, wenn der Treiberstrom der inneren Magnete ein Drei-Phasen-Wechselstrom ist.
Mit anderen Worten, der zum Erzeugen desselben Antriebsdrehmomentes erforderliche Treiberstrom für die inneren Magnete m₂ ist nur ein Drittel.
Dieses schliesst die theoretische Analyse dieser Erfindung ab.
Zum Schluss werden vierte bis achte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die 18 bis 22 beschrieben. Hier ist ebenfalls der Innenrotor 4 innerhalb des Stators 2 angeordnet und der Aussenrotor ist ausserhalb des Stators 2 wie in den vorstehenden erwähnten ersten bis dritten Ausführungsformen angeordnet, und das Magnetpol-Anzahlverhältnis des Aussenrotors 3 und des Innenrotors 4 wird variiert.
In der in 18 dargestellten vierten Ausführungsform ist das Magnetpol-Anzahlverhältnis auf 2 : 1 eingestellt.
In der in 19 dargestellten fünften Ausführungsform ist das Magnetpol-Anzahlverhältnis auf 2 : 1 eingestellt.
In der in 20 dargestellten sechsten Ausführungsform ist das Magnetpol-Anzahlverhältnis auf 3 : 1 eingestellt.
In der in 21 dargestellten siebenten Ausführungsform ist das Magnetpol-Anzahlverhältnis auf 9 : 1 eingestellt.
In der in 22 dargestellten achten Ausführungsform ist das Magnetpol-Anzahlverhältnis auf 3 : 1 eingestellt.
Somit kann diese Erfindung angewendet werden, wenn die Magnetpolanzahl des Aussenrotors 3 kleiner oder grösser als die Magnetpolanzahl des Innenrotors 4 ist.
In den 18 bis 22 sind mehrere Schenkelpole nicht dargestellt, aber das Verhältnis der Aussenschenkelpolanzahl zu der Innenschenkelpolanzahl ist auf dasselbe eingestellt wie das Magnetpol-Anzahlverhältnis des Aussenrotors 3 und des Innenrotors 4. Insbesondere ist es auf 2 : 1 in der in 18 dargestellten vierten Ausführungsform und der in 19 dargestellten fünften Ausführungsform eingestellt. Es ist auf 3 : 1 in der in 20 dargestellten sechsten Ausführungsform und in der in 22 dargestellten achten Ausführungsform eingestellt. In der in 21 dargestellten siebenten Ausführungsform ist es auf 9 : 1 eingestellt.
In der Beschreibung der vorstehenden Ausführungsformen wurde der Fall beschrieben, in welchem die Rotoren als ein Motor betrieben wurden. Jedoch können sie auch als Generatoren verwendet werden, oder ein Rotor kann als ein Motor und der andere als ein Generator zum Erzeugen von Energie verwendet werden.
Obwohl die Erfindung vorstehend unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Modifikationen und Variationen der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen werden für den Fachmann auf diesem Gebiet im Licht der vorstehenden Lehren offensichtlich sein.
Beispielsweise sind in den vorstehenden Ausführungsformen die Rotoren 3 und 4 ausserhalb und innerhalb des Stators 2 angeordnet, jedoch können beide Rotoren ausserhalb des Stators 2 oder innerhalb des Stators 2 angeordnet sein.
Ebenfalls ist das von der Regelungsschaltung 15 an den Umrichter ausgegebene Signal nicht auf ein PWM-Signal beschränkt, und ein Pulsamplitudenmodulations-(PAM)-Signal oder andere Signale können ebenfalls verwendet werden.
Diese Erfindung ist nicht auf einen Motor/Generator des Radialspalttyps beschränkt, in welchem der Spalt zwischen dem Rotor und dem Stator in einer radialen Richtung festgelegt ist und kann auf einen Motor/Generator angewendet werden, in welchem der Spalt zwischen dem Rotor und Stator in einer axialen Richtung liegt.
Die Ausführungsformen dieser Erfindung, in welchen ein exklusives Eigentum oder Privileg beansprucht wird, sind wie folgt definiert:

Claims

Motor/Generator, umfassend: einen ersten Rotor (3), welcher mehrere magnetische Pole umfasst und frei zum Rotieren gelagert ist, einen zweiten Rotor (4), welcher mehrere magnetische Pole umfasst, und frei zum Rotieren axial zu dem ersten Rotor (3) gelagert ist, einen Stator (2), welcher koaxial zu dem ersten Rotor (3) fixiert ist, und eine Spuleneinheit (6), welche mehrere Spulen umfasst, die in gleichen Winkelintervallen auf dem Stator (2) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Spuleneinheit (6) mehrere rotierende magnetische Felder mit gleicher Anzahl wie die Anzahl magnetischer Pole des ersten Rotors (3) gemäss einem daran angelegten ersten Wechselstrom erzeugt, und mehrere rotierende magnetische Felder mit gleicher Anzahl wie die Anzahl magnetischer Pole des zweiten Rotors (4) gemäss einem zweiten daran angelegten Wechselstrom erzeugt, wobei die Spuleneinheit (6) erste Schenkelpole (7B, 7C, 21C, 21D, 21E) umfasst, die dem ersten Rotor (3) gegenüberliegen, und zweite Schenkelpole (7D, 21F), die dem zweiten Rotor (4) gegenüberliegen, wobei das Verhältnis der ersten Schenkelpole (7B, 7C, 21C, 21D, 21E) und der zweiten Schenkelpole (7D, 21F) gleich dem Verhältnis der Magnetpolanzahl des ersten Rotors (3) und einer Magnetpolanzahl des zweiten Rotors (4) festgelegt ist, und eine elektrische Schaltung (11, 12, 13, 14, 15) zum Zuführen eines zusammengesetzten elektrischen Stromes, welcher den ersten Wechselstrom und den zweiten Wechselstrom umfasst, zu der Spuleneinheit (6).
Motor/Generator nach Anspruch 1, wobei die Anzahl der ersten Schenkelpole (7B, 7C, 21C, 21D, 21E) grösser als die Anzahl der zweiten Schenkelpole (7D, 21F) ist, wobei die zweiten Schenkelpole (7D, 21F) durch Spalte (9, 22) unterteilt sind, welche den Stator 2 unterteilen, und wobei die ersten Schenkelpole (7B, 7C, 21C, 21D, 21E) durch die Spalte (9, 22) unterteilt sind und Schlitze (7A, 21A, 21B) in dem Stator (2) ausgebildet sind.
Motor/Generator nach Anspruch 1, wobei die Anzahl der ersten Schenkelpole (7B, 7C, 21C, 21D, 21E) grösser als die Anzahl der zweiten Schenkelpole (7D, 21F) ist, wobei die zweiten Schenkelpole (7D, 21F) durch Spalte (9, 22) durch einen im dem Stator 2 vorgesehenen grossen Widerstand (32) unterteilt sind, wobei die ersten Schenkelpole (7B, 7C, 21C, 21D, 21E) durch den Widerstand (32) unterteilt sind und Schlitze (7A, 21A, 21B) in dem Stator (2) ausgebildet sind.
Motor/Generator nach Anspruch 3, wobei der Stator (2) in einer zylindrischen Form ausgebildet ist, die einen Innenumfang und einen Aussenumfang umfasst, und der grosse Widerstand (32) zwei Schlitze (32a, 32b) umfasst, die auf dem Innenumfang und dem Aussenumfang ausgebildet sind.