DE69912666T2

DE69912666T2 - Motor/Generator

Info

Publication number: DE69912666T2
Application number: DE69912666T
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: US6201331B1; DE69912666D1; EP0945964B1; EP0945964A3; EP0945964A2

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. Kupferverluste oder Schaltverluste gross sind.
Es ist daher eine Aufgabe dieser Erfindung, die Stromverluste eines Motor/Generators, mit dem in der herkömmlichen Technik beschriebenen Aufbau 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, wobei die Spuleneinheit 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.
Der Motor/Generator umfasst ferner eine elektrische Schaltung, um einen den ersten Wechselstrom und den zweiten Wechselstrom umfassenden zusammengesetzten elektrischen Strom der Spuleneinheit zuzuführen, und eine Schaltung zum Kompensieren einer in jedem von den zwei Rotoren aufgrund der Ungleichmässigkeit des die relative Rotation des ersten Rotors und zweiten Rotors begleitenden magnetischen Feldes erzeugten Drehmomenifluktuation.
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 ähnlich 1, zeigt jedoch eine zweite Ausführungsform dieser Erfindung.
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, welcher als ein Modell für die Durchführung einer theoretischen Analyse verwendet wird.
6A–6C sind Darstellungen, welche eine Veränderung der magnetischen Flussdichte in dem Motor/Generator von 7 darstellen.
7 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Motor/Generators mit einem Magnetpol-Anzahlverhältnis von 2 : 1, wobei ein Stator Spulen auf seinem Innenumfang und seinem Aussenumfang einen Stators besitzt, die für den Zweck der Beschreibung des zusammengesetzten Stromflusses gedacht sind
8A–8D sind Darstellungen, welche eine Veränderung der magnetischen Flussdichte in dem Motor/Generator von 7 darstellen.
9 ist ähnlich 7, stellt jedoch einen Fall dar, bei dem die äusseren und inneren Spulen in einem Stück ausgebildet sind.
10A–10B sind Darstellungen, welche eine Verteilung eines Wechselstroms zum Betreiben des Motor/Generators von 9 darstellen.
11 ist eine Ansicht ähnlich 7, zeigt jedoch einen Fall, in welchem das Magnetpol-Anzahlverhältnis 3 : 1 ist.
12A–12D sind Darstellungen, welche eine Veränderung der magnetischen Flussdichte in dem Motor/Generator von 11 darstellen.
13A–13C sind Darstellungen, welche eine Interferenz der magnetischen Kraft in dem Motor/Generator von 11 darstellen.
14 ist ähnlich 11, stellt jedoch einen Fall dar, in welchem die äusseren und inneren Spulen in einem Stück ausgebildet sind.
15A und 15B sind Darstellungen, welche eine Verteilung eines Wechselstroms zum Betreiben des Motor/Generators von 14 darstellen.
16 ist eine schematische Darstellung eines Motor/Generators gemäss einer dritten Ausführungsform dieser Erfindung.
17 ist ähnlich 16, stellt jedoch eine vierte Ausführungsform dieser Erfindung dar.
18 ist ähnlich 16, stellt jedoch eine fünfte 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 21 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 21 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 dreifachen Polanzahl von der des Rotors 4 mit drei S-Polen und N-Polen abwechselnd in 60°-Intervallen angeordnet.
Wenn das Magnetpol-Anzahlverhältnis des Aussenrotors 3 und des Innenrotors 4 (hierin nachstehend einfach als Magnetpol-Anzahlverhältnis bezeichnet) 3 : 1 ist, haben die rotierenden magnetischen Felder bezüglich des Innenrotors 4 keine Auswirkung auf das Rotationsdrehmoment des Aussenrotors 3, wie es später beschrieben wird.
Die rotierenden magnetischen Felder bezüglich des Aussenrotors 3 haben eine Auswirkung auf das Rotationsdrehmoment des Innenrotors 4, und bewirken dessen Drehmomenffluktuation. Wie es jedoch aus der nachstehenden theoretischen Analyse ersichtlich wird, kann diese Drehmomentfluktuation als eine Funktion der Phasendifferenz (ω₁–ω₂) des Aussenrotors 3 und Innenrotors 4 ausgedrückt werden, und durch Hinzuaddieren einer Amplitudenmodulation kann zu den den Spulen des Stators 2 zugeführten Strö men kann die Drehmomentfluktuation von vorne herein beseitigt und der Innenrotor 4 mit einem festen Rotationsdrehmoment betrieben werden. Der Stator 2 umfasst drei von den Spulen 6 pro Magnetpol des Aussenrotors 3. d. h., insgesamt achtzehn Spulen. Diese Spulen sind in gleichen Intervallen auf demselben Umfang angeordnet.
Zur Vereinfachung sind die Zahlen #1–#9 diesen achtzehn Spulen 6 gemäss Darstellung in 6 zugeordnet.
Um sie von Teilenummern zu unterscheiden, ist das Symbol # vor einer Zahl hinzugefügt, wenn auf eine Spulennummer Bezug genommen wird.
Die nachstehenden Ströme I₁–I₁₈ werden in diese achtzehn Spulen #1–#18 geleitet.
Hierin stellen Stromnummern mit Unterstreichung Ströme in umgekehrter Richtung dar. In den Gleichungen für diese zusammengesetzten Ströme sind I₁₀–I₁₈ die umgekehrten von I₁–I₉. Somit ist in einer Kombination, in welcher das Magnetpol-Anzahlverhältnis 3 : 1 ist, die Phase über den halben Umfang hinweg umgekehrt. und es kann ein Neuen-Phasen-Wechselstrom (die Hälfte einer Achtzehn-Phase) verwendet werden Dieses ist der Grund, warum die Spulennummern #1–#9 verwendet werden. Beispielsweise werden Ströme derselben Phase, jedoch mit entgegengesetzter Richtung durch jede von den zwei Leitungen #1 geleitet. Eine ähnliche Verarbeitung wird für die anderen Spulen durchgeführt #2–#9.
Anschliessend wird die vorstehende Stromfestlegung unter Bezugnahme auf 11 beschrieben.
Für den Zweck eines Vergleichs mit 1 zeigt diese Darstellung einen Fall, in dem spezifische Spulen d, f, e auf dem Innenumfang des Stators 2 zum Erzeugen rotierender magnetischer Felder in Bezug auf den Innenrotor 4 vorgesehen sind, und spezifische Spulen a, c, b auf dem Aussenumfang des Stators 2 zum Erzeugen rotierender magnetischer Felder in Bezug auf den Aussenrotor 3 vorgesehen sind.
Um diese zwei Gruppen von Spulen in die in 1 dargestellte eine Gruppe zu kombinieren, wird der in die Spule d geleitete Strom von der Spule a aufgenommen, welche sich in der Nähe der Spule d befindet, der in die Spule f geleitete Strom wird von der Spule a aufgenommen, welche sich in der Nähe der Spule f befindet. Ferner wird der durch die Spule d geleitete Strom von der Spule a aufgenommnen, welche sich in der Nähe der Spule d befindet, der in die Spule f geleitete Strom wird von der Spule a aufgenommen, welche sich in der Nähe der Spule f befindet, und der in die Spule e geleitete Strom wird von der Spule a aufgenommen, welche sich in der Nähe der Spule e befindet Die Gleichungen für die vorstehend erwähnten Ströme I₁–I₁₈ 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 einer Serienschaltung von Spulen. Die vorstehende Stromfestlegung von Id, If, Ie wird synchron zu der Rotation des Innenrotors 4 durchgeführt und die Stromfestlegung von Ia, Idf, Ibe wird synchron zu der Rotation des Aussenrotors 3 durchgeführt. Eine Phasenvoreilung oder -verzögerung wird auf die Richtung des Drehmoments bezogen durchgeführt, aber dieses ist dasselbe wie bei einem gewöhnlichen Synchronmotor.
Anschliessend wird unter Bezugnahme auf 3 der Fall einer Regelung beschrieben. welche die vorstehende beschriebenen Ströme I₁–I₁₈ dem Stator 2 zuführt.
Die Regelungseinrichtung weist einen Umrichter 12 auf, um den Gleichstrom einer Batterieenergiequelle 11 in einen Wechselstrom umzuwandeln.
Da die Gesamtanzahl der Spulen achtzehn ist, ist ein Umrichter mit einer Phasenanzahlgleich der Gesamtanzahl der Spulen erforderlich, d. h., ein Umrichter, welcher einen Achtzehn-Phasen-Wechselstrom erzeugt, wobei aber, da sich der Achtzehn-Phasen-Strom alle 180° umgekehrt, ein Umrichter, welcher einen Neun-Phasen-Wechselstrom erzeugt, verwendet werden kann. Demzufolge ist eine kleinere Anzahl von Transistoren und Dioden erforderlich, um den Umrichter 12 aufzubauen.
Dieser Umrichter 12 entspricht einem nominalen Drei-Phasen-Brückenumrichter, der Gemäss Darstellung in 4 in einen Neun-Phasen-Umrichter umgewandelt ist, und er weist achtzehn Transistoren Tr1–Tr18 und dieselbe Anzahl Dioden auf 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, welche die Phase des Rotors 3 und 4 detektieren sind eingebaut. Die Signale aus diesen Sensoren 13 und 14 werden in eine Regelschaltung 15 eingegeben. Ein 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 1 zwei Rotoren 3 und 4 und nur ein Stator 2 koaxial in drei Schichten angeordnet, gemeinsame Spulen 6 sind in dem Stator 2 vorgesehen, und ein zusammengesetzter Strom wird durch diese Spulen 6 geleitet, um so rotierende magnetische Felder innen und aussen erzeugen, welche von der An zahl 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 Motorantriebsleistung und der von dem Generatorerzeugten Leistung in die Spulen 6 geleitet werden, und dadurch stark die Stromverluste im Vergleich zu dem Fall reduziert werde, wenn Spulen getrennt für die Rotoren 3 und 4 vorgesehen sind.
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 ist, verbessert sich der Schaltwirkungsgrad.
Andererseits kann bezüglich der in der Rotation des Innenrotors aufgrund der Ungleichmässigkeit der die relative Rotation der zwei Rotoren 3 und 4 begleitenden magnetischen Feldern erzeugten konstanten Drehmomentfluktuation, diese Drehmomentfluktuation von vorne herein durch Hinzufügen einer Amplitudenmodulation zu der Komponente des zusammengesetzten Strom eliminiert werden, welche die rotierenden magnetischen Felder bezüglich der Aussenmagnete erzeugt und die Drehmomentfluktuation dadurch unterdrückt werden.
Anschliessend wird eine zweite Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf 2 beschrieben.
In der vorgenannten ersten Ausführungsform waren sechs von den Kernen 7 vorhanden, aber in dieser Ausführungsform sind alle Spulen 6 um einen identischen Kern 7 gewickelt. Jedoch sind Schlitze 22 und 23 vorbestimmter Breite in einem festen Intervall in dem Kern 7 vorgesehen, um den magnetischen Widerstand stark zu vergrössern, um so eine Interferenz zwischen den durch Spulen 6 erzeugten magnetischen Flüssen zu vermeiden. Bei diesem Aufbau ist die Anzahl von Fertigungsschritten des Motor/Generators kleiner als in der ersten Ausführungsform.
In den ersten und zweiten Ausführungsformen ist das Magnetpolzahlverhältnis 3 : 1, jedoch bewirken gemäss einer theoretischen Analyse, ausser in dem Falle, in dem das Magnetpolzahlverhältnis 2 : 1 ist, einer der Rotoren 3, 4 oder die rotierenden magneti schen Felder, welche den Rotor antreiben, ein Fluktuation in der Rotation des Aussenrotors. Diese Fluktuation wird durch Hinzufügen einer Amplitudenmodulation zu dem Wechselstrom verhindert. Dieses Vorgehen basiert ebenfalls auf einer theoretischen Analyse.
Anschliessend wird die theoretische Analyse der auf die Rotoren einwirkenden Kräfte unter Bezugnahme auf die Magnetpolzahlverhältnisse 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 N1 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.
(1-1) Basisformeln
In 5 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: n = 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 6A–6C 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 f₂durch die nachstehende Gleichung gegeben. f2 = Im2·B,wobei: = θ = ω₁·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 Tenne, d. h., konstante Werte und ein 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.
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.
Hier wird, wenn eine Modulation von
hinzugefügt wird f = C (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 7 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 B 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·τ1 wobei r₁ = der Abstand der äusseren Magnete von der Mittenachse des Aussenrotors ist.
In dem Aufbau von 7 sind 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 r₂der 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 = Im1·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 + n + 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 7 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 dem 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 7 sind jeweils als Spulen #1, #3, #5, #7, #9, #11 in einem Stück ausgebildet. Die durch die Spulen #1 bis #12 in 9 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 7 und 9 die Spulen in 7, welche #1, #2, in 9 entsprechen, die äusseren Spulen a, c und die inneren Spulen d. In diesem Falle wird angenommen, dass die Position der Spulen d, in eine Position verschoben wird, die äquidistant zu der Spule a und der Spule c ist. Diese verschobene Spule wird als Spule 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 angelegt werden
(2-6-1) Magnetische Flussdichte Bc₂.
Die magnetische Flussdichte Bc₂, wenn die inneren rotierenden magnetischen Felder durch einen Zwölf-Phasen-Wechselstrom erzeugt 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/d2 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 + n + 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 m₁ 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 B 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, ϕ1 = 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°-Intervällen 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 – 3/β )(49A)
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.
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 13A–13C 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 11 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 11 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.
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.
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 Terme 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.
Anschliessend werden dritte bis fünfte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die 16 bis 18 beschrieben.
In all diesen Ausführungsformen sind die Rotore 3 und 4 innerhalb und ausserhalb des Stators 2 wie in den vorstehenden erwähnten ersten und zweiten Ausführungsformen angeordnet, wobei aber das Magnetpol-Anzahlverhältnis des Aussenrotors 3 und des Innenrotors 4 variiert wird.
In der in 17 dargestellten vierten Ausführungsform ist das Magnetpol-Anzahlverhältnis auf 4 : 3 eingestellt.
In der in 18 dargestellten fünften Ausführungsform ist das Magnetpol-Anzahlverhältnis auf 9 : 1 eingestellt.
Somit kann diese Erfindung auf den Fall angewendet werden, wenn die Magnetpolanzahl des Aussenrotors 3 kleiner oder grösser als die Magnetpolanzahl des Innenrotors 4 ist. In diesen beiden Fällen wird eine Fluktuation in dem Rotationsdrehmoment des Innenrotors 4 durch das magnetische Feld erzeugt, das den Aussenrotor 3 antreibt, oder eine Fluktuation in dem Rotationsdrehmoment des Aussenrotors 3 durch das magnetische Feld erzeugt, das den Innenrotor 4 antreibt. Ein kennzeichnendes Merkmal dieser Erfindung besteht darin, dass diese Drehmomentfluktuation durch die Amplitudenmodulation eliminiert wird, die dem den Statorspulen zugeführten Wechselstrom hinzugefügt wird. Es sind jedoch noch andere Verfahren möglich.
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 kann anstelle einer Hinzufügung einer Amplitudenmodulation zu dem Wechselstrom welcher rotierende magnetische Felder bezogen auf den Innenrotor erzeugt, eine Spule dem Innenrotor 4 hinzugefügt werden, und ein Gleichstrom über einen Schleifring dieser Spule zugeführt werden. Die Drehmomentfluktuation kann eliminiert werden, indem dieser Gleichstrom periodisch verändert wird.
Ferner sind in den vorstehenden Ausführungsformen die Rotoren 3 und 4 ausserhalb und innerhalb des Stators 2 angeordnet, aber beide Rotoren können 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.
In der Beschreibung der vorstehenden Ausführungsformen wurde der Fall beschrieben, in welchem die Rotoren als ein Motor betrieben werden, sie können jedoch natürlich auch als Generatoren verwendet werden, oder ein Rotor kann als ein Motor und der andere kann als ein Generator zum Erzeugen von Strom verwendet werden.
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, und dadurch, dass der Motor/Generator ferner aufweist eine elektrische Schaltung (11, 12) zum Zuführen eines zusammengesetzten elektrischen Stromes, welcher den ersten Wechselstrom und den zweiten Wechselstrom umfasst, zu der Spuleneinheit (6) eine Schaltung (15) zum Kompensieren einer in jedem von den zwei Rotoren (3, 4) aufgrund der Ungleichmässigkeit des die relative Rotation des ersten Rotors (3) und zweiten Rotors (4) begleitenden magnetischen Feldes erzeugten Drehmomentfluktuation.
Motor/Generator nach Anspruch 1, wobei die Kompensationsschaltung (15) so konfiguriert ist, dass sie die Drehmomentfluktuation durch Hinzufügen einer Amplitudenmodulation zu einem den zusammengesetzten Strom bildenden Wechselstrom, welcher die Drehmomentfluktuation erzeugt.
Motor/Generator nach Anspruch 1, wobei der Rotor (3, 4), welcher unter der Drehmomentfluktuation leidet, eine zusätzliche Spule umfasst, um ein magnetisches Feld gemäss der Zuführung eines Gleichstroms zu erzeugen, und die Kompensationsschaltung (15) ferner so konfiguriert ist, dass sie die Drehmomentfluktuation durch periodisches Variieren Spannung des Stroms kompensiert.
Motor/Generator nach Anspruch 1, wobei die Anzahl magnetischer Pole des ersten Rotors auf jede Anzahl ausser der doppelten Anzahl der magnetischen Pole des zweiten Rotors (4) eingestellt ist.