ВРАЩАЮЩАЯСЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 2019 года по МПК H02K3/00 

Область техники

Изобретение относится к вращающейся электрической машине и, в частности, к вращающейся электрической машине, включающей в себя ротор, предоставленный на радиально внутренней стороне кольцевого статора, и ротор, предоставленный на радиально внешней стороне кольцевого статора.

Уровень техники

Традиционно, предлагается вращающаяся электрическая машина с тороидальной обмоткой, включающая в себя ротор, предоставленный на радиально внутренней стороне статора, и ротор, предоставленный на радиально внешней стороне статора.

Фиг. 11 показывает конфигурацию электромотора, который представляет собой существующую вращающуюся электрическую машину, описанную в публикации заявки на патент Японии № 2007-185012 (JP 2007-185012 А). Электромотор включает в себя статор 100, внутренний ротор 20 и внешний ротор 30.

Статор 100 формируется из ярма 114 статора, внешних зубьев 112 и внутренних зубьев 113. Внешние зубья 112 и внутренние зубья 113 предоставляются на ярме 114 статора. Трехфазные тороидальные катушки 115 наматываются вокруг ярма 114 статора. Катушки 115 соединяются друг с другом в соединении "звездой" или соединении "треугольником". Фиг. 11 показывает только одну фазную катушку 115 из трехфазных катушек.

Внутренний ротор 20 удерживается с возможностью вращения в статоре 100. Внутренний ротор 20 формируется из внутреннего ярма и внутреннего постоянного магнита. Внешний ротор 30 удерживается с возможностью вращения за пределами статора 100. Внешний ротор 30 формируется из внешнего ярма и внешнего постоянного магнита. Внутренний ротор 20 и внешний ротор 30 вращаются под влиянием магнитных полей, которые формируются посредством тока, протекающего через каждую из катушек 115. Каждый из внутреннего ротора 20 и внешнего ротора 30 представляет собой ротор с поверхностными магнитами, в котором постоянный магнит размещается на поверхности ярма.

Внешние зубья 112 выступают радиально наружу из ярма 114 статора. Внутренние зубья 113 выступают радиально внутрь из ярма 114 статора. Внутренние зубья 113 предоставляются в идентичном числе с внешними зубьями 112. Внешняя щель 116 предоставляется между любыми смежными двумя из внешних зубьев 112, чтобы вставлять катушку 115. Внутренняя щель 117 предоставляется между любыми смежными двумя из внутренних зубьев 113, чтобы вставлять катушку 115. Форма и площадь каждой внешней щели 116 задаются таким образом, что они являются идентичными форме и площади каждой внутренней щели 117.

Публикация заявки на патент Японии № 2008-113480 (JP 2008-113480 А) описывает, что в электромоторе, включающем в себя ротор, предоставленный на радиально внутренней стороне статора, и ротор, предоставленный на радиально внешней стороне статора, внешние зубья предоставляются на внешней стороне практически кольцевого ярма зубьев статора, и внутренние зубья предоставляются на внутренней стороне практически кольцевого ярма статора. Катушки размещаются вокруг ярма в тороидальной обмотке. Прямая линия, которая соединяет центральную точку дальнего конца каждого из внешних зубьев с центральной точкой дальнего конца каждого из внутренних зубьев, и прямая линия, которая соединяет центр электромотора с центральной точкой дальнего конца каждого из внутренних зубьев, сдвигаются друг от друга на предварительно определенный угол. Таким образом, эти прямые линии размещаются в скошенной позиции.

Сущность изобретения

При использовании конфигурации, описанной в JP 2007-185012 А, когда площадь и форма каждой внешней щели 116 задаются таким образом, что они являются идентичными площади и форме каждой внутренней щели 117, катушка 115 наматывается в нормальной обмотке. Как результат, коэффициент заполнения улучшается, так что уменьшаются потери в обмотке.

Тем не менее, при использовании конфигурации, описанной в JP 2007-185012 А, длина каждого из внешних зубьев в периферийном направлении значительно больше длины каждого из внутренних зубьев в периферийном направлении. Таким образом, из числа трехфазных катушек, которые размещаются во внешних щелях, разнесение между любыми смежными двумя фазами увеличивается. По этой причине, момент от зубцовых гармонических помех в электромоторе легко увеличивается.

Кроме того, сумма длин дальних торцевых поверхностей внешних зубьев в периферийном направлении, которая является длиной внешней периферии статора, превышает сумму длин дальних торцевых поверхностей внутренних зубьев в периферийном направлении, которая является длиной внутренней периферии статора. Таким образом, поверхность формирования крутящего момента на радиально внешней стороне статора больше поверхности формирования крутящего момента на радиально внутренней стороне статора, так что крутящий момент и флуктуации крутящего момента легко увеличиваются. По этой причине, момент от зубцовых гармонических помех в электромоторе увеличивается еще проще. Также легко увеличивается пульсация крутящего момента.

С другой стороны, при использовании конфигурации, описанной в JP 2008-113480 А, на основе взаимосвязи между моментом от зубцовых гармонических помех внешнего ротора и углом внешнего ротора относительно статора и взаимосвязи между моментом от зубцовых гармонических помех внутреннего ротора и углом внутреннего ротора относительно статора, определяется предварительно определенный угол, при котором уменьшается сумма внешнего момента от зубцовых гармонических помех и внутреннего момента от зубцовых гармонических помех. Тем не менее, также в случае этой конфигурации, разнесение между любыми смежными двухфазными катушками является большим в трехфазных катушках, которые размещаются в соответствующих внешних щелях статора. Поскольку поверхность формирования крутящего момента на радиально внешней стороне статора больше поверхности формирования крутящего момента на радиально внутренней стороне статора, увеличивается крутящий момент. Таким образом, момент от зубцовых гармонических помех и пульсация крутящего момента легко увеличивается.

Изобретение предоставляет вращающуюся электрическую машину, которая включает в себя ротор, предоставленный на радиально внутренней стороне статора, и ротор, предоставленный на радиально внешней стороне статора, и которая уменьшает момент от зубцовых гармонических помех и пульсацию крутящего момента.

Аспект изобретения предоставляет вращающуюся электрическую машину. Вращающаяся электрическая машина включает в себя кольцевой статор, внутренний ротор, внешний ротор и тороидальную катушку. Кольцевой статор включает в себя множество внутренних зубьев и множество внешних зубьев. Множество внутренних зубьев выступают радиально внутрь. Множество внешних зубьев выступают радиально наружу. Внутренний ротор обращен к радиально внутренней стороне кольцевого статора. Внешний ротор обращен к радиально внешней стороне кольцевого статора. Тороидальная катушка размещается в каждой внутренней щели между любыми смежными двумя из внутренних зубьев и соответствующей одной внешней щели между смежными двумя из внешних зубьев. Общее число множества внешних щелей превышает общее число множества внутренних щелей. Число катушек, размещаемых во всех внешних щелях, превышает или равно числу катушек, размещаемых во всех внутренних щелях.

При использовании вращающейся электрической машины согласно аспекту изобретения, как момент от зубцовых гармонических помех, так и пульсация крутящего момента уменьшаются во вращающейся электрической машине, включающей в себя ротор, предоставленный на радиально внутренней стороне кольцевого статора, и ротор, предоставленный на радиально внешней стороне кольцевого статора.

Во вращающейся электрической машине, отношение общего числа множества внешних щелей к общему числу множества внутренних щелей может составлять два к одному. Число катушек, размещаемых во всех внешних щелях, может быть равно числу катушек, размещаемых во всех внутренних щелях.

Во вращающейся электрической машине, множество внешних щелей могут иметь такую конфигурацию, в которой первая внешняя щель и вторая внешняя щель попеременно размещаются в периферийном направлении. Отношение общего числа множества внешних щелей к общему числу множества внутренних щелей может составлять два к одному. Тороидальная катушка размещается в каждой из внутренних щелей и первых внешних щелей. Распределенная катушка может размещаться в каждой из вторых внешних щелей. Число катушек, размещаемых во всех внешних щелях, может превышать число катушек, размещаемых во всех внутренних щелях.

Во вращающейся электрической машине, каждая первая внешняя щель может размещаться в позиции в периферийном направлении, идентичной позиции в периферийном направлении соответствующей одной из внутренних щелей. Каждая вторая внешняя щель может размещаться в различной позиции в периферийном направлении относительно соответствующей одной из внутренних щелей.

Во вращающейся электрической машине, плоская проводная катушка, имеющая прямоугольное поперечное сечение, может размещаться в каждой первой внешней щели в качестве катушки. Круглая проводная катушка, имеющая круглое поперечное сечение, размещается в каждой второй внешней щели в качестве катушки.

Во вращающейся электрической машине, первые внешние щели и вторые внешние щели могут иметь такую конфигурацию, в которой две из первых внешних щелей и две из вторых внешних щелей попеременно размещаются в периферийном направлении на радиально внешней стороне кольцевого статора.

Во вращающейся электрической машине, распределенная катушка, размещаемая в каждой второй внешней щели, может наматываться вокруг множества внешних зубьев между второй внешней щелью и другой одной из вторых внешних щелей.

Краткое описание чертежей

Ниже описываются признаки, преимущества и техническая и промышленная значимость примерных вариантов осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых аналогичные номера обозначают аналогичные элементы, и на которых:

Фиг. 1 является видом части вращающейся электрической машины в периферийном направлении согласно варианту осуществления при просмотре из одной стороны в осевом направлении;

Фиг. 2 является графиком, который показывает взаимосвязь между моментом от зубцовых гармонических помех и электрическим углом, который является углом вращения каждого из внешнего и внутреннего роторов относительно статора во вращающейся электрической машине согласно варианту осуществления;

Фиг. 3 является видом части вращающейся электрической машины в периферийном направлении согласно первому сравнительному варианту осуществления при просмотре из одной стороны в осевом направлении;

Фиг. 4 является графиком, который показывает взаимосвязь между моментом от зубцовых гармонических помех и электрическим углом, который является углом вращения каждого из внешнего и внутреннего роторов относительно статора во вращающейся электрической машине согласно первому сравнительному варианту осуществления;

Фиг. 5 является видом, который является графиком, на котором результирующий момент от зубцовых гармонических помех во вращающейся электрической машине согласно варианту осуществления сравнивается с результирующим моментом от зубцовых гармонических помех во вращающейся электрической машине согласно первому сравнительному варианту осуществления;

Фиг. 6 является графиком, на котором результирующий момент от зубцовых гармонических помех во вращающейся электрической машине согласно первому сравнительному варианту осуществления сравнивается с результирующим моментом от зубцовых гармонических помех во вращающейся электрической машине согласно второму сравнительному варианту осуществления;

Фиг. 7 является видом части вращающейся электрической машины в периферийном направлении согласно альтернативному варианту осуществления по отношению к варианту осуществления при просмотре из одной стороны в осевом направлении.

Фиг. 8 является видом части вращающейся электрической машины в периферийном направлении согласно альтернативному варианту осуществления по отношению к варианту осуществления при просмотре из одной стороны в осевом направлении.

Фиг. 9 является видом для иллюстрации того, что концы катушки увеличиваются в конфигурации, показанной на фиг. 7, и является видом, который показывает более длинную часть вращающейся электрической машины в периферийном направлении, чем часть вращающейся электрической машины, показанная на фиг. 7;

Фиг. 10 является видом части вращающейся электрической машины в периферийном направлении согласно альтернативному варианту осуществления по отношению к варианту осуществления при просмотре из одной стороны в осевом направлении; и

Фиг. 11 является видом части существующей вращающейся электрической машины в периферийном направлении при просмотре из одной стороны в осевом направлении.

Подробное описание вариантов осуществления изобретения

В дальнейшем в этом документе описывается вариант осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи. В нижеприведенном описании, аналогичные ссылки с номерами обозначают эквивалентные компоненты на всех чертежах.

Фиг. 1 является видом части вращающейся электрической машины в периферийном направлении согласно варианту осуществления при просмотре из одной стороны в осевом направлении. Базовая конфигурация вращающейся электрической машины согласно варианту осуществления является практически идентичной существующему электромотору, показанному на фиг. 11. В частности, вращающаяся электрическая машина включает в себя кольцевой статор 10, внутренний ротор 20 и внешний ротор 30.

Вращающаяся электрическая машина представляет собой синхронный электромотор с постоянными магнитами, который приводится в действие посредством трехфазного переменного тока. Вращающаяся электрическая машина используется в качестве электромотора, который приводит в действие электротранспортное средство или гибридное транспортное средство, либо используется в качестве генератора, либо используется в качестве электромотора-генератора, имеющего обе функции.

Кольцевой статор 10 включает в себя ярмо 14 статора, множество внешних зубьев 12 и множество внутренних зубьев 13. Множество внешних зубьев 12 выступают в радиальном направлении из внешней периферии ярма 14 статора. Множество внутренних зубьев 13 выступают в радиальном направлении из внутренней периферии ярма 14 статора. Три катушки 15u, 15v, 15w U-фазы, V-фазы и W-фазы наматываются вокруг ярма 14 статора. Катушки 15u, 15v, 15w представляют собой тороидальные катушки и соединяются в соединении "звездой" или соединении "треугольником". В нижеприведенном описании, радиальное направление означает направление излучения, которое представляют собой радиальное направление кольцевого статора 10, и периферийное направление означает направление вдоль круглой формы вокруг центральной оси кольцевого статора 10. Осевое направление означает направление вдоль центральной оси кольцевого статора 10. В нижеприведенном описании, кольцевой статор 10 упоминается как статор 10. Катушки 15u, 15v, 15w могут упоминаться как катушки 15.

Внутренний ротор 20 поддерживается с возможностью вращения в статоре 10. Внутренний ротор 20 включает в себя внутреннее ярмо 21 и внутренний постоянный магнит 22. С другой стороны, внешний ротор 30 поддерживается с возможностью вращения за пределами статора 10. Внешний ротор 30 включает в себя внешнее ярмо 31 и внешний постоянный магнит 32. Внутренний ротор 20 и внешний ротор 30 вращаются под влиянием магнитных полей, которые формируются в статоре 10 посредством тока, протекающего через катушки 15. Внутренний постоянный магнит 22 размещается на поверхности (внешней периферии) внутреннего ярма 21, и внешний постоянный магнит 32 размещается на поверхности (внутренней периферии) внешнего ярма 31. На фиг. 1, внутренний постоянный магнит 22 и внешний постоянный магнит 32 показаны в форме рамки с круглой дугой; тем не менее, фактически, множество постоянных магнитов, имеющих различные полярности, попеременно размещаются в каждом из постоянных магнитов 22, 32 в периферийном направлении. Любые смежные постоянные магниты в периферийном направлении намагничены в противоположных направлениях в радиальном направлении. Таким образом, N-полюс и S-полюс попеременно размещаются во внешней периферии внутреннего постоянного магнита 22 в периферийном направлении. Аналогично, N-полюс и S-полюс попеременно размещаются во внутренней периферии внешнего постоянного магнита 32 в периферийном направлении.

Во множестве внешних зубьев 12, которые выступают радиально наружу из ярма 14 статора, внешняя щель 16 предоставляется между любыми смежными двумя из внешних зубьев 12. Во внутренних зубьях 13, которые выступают радиально внутрь из ярма 14 статора и которые составляют половину внешних зубьев 12 по числу, внутренняя щель 17 предоставляется между любыми смежными двумя из внутренних зубьев 13.

Тороидальная катушка 15 размещается в каждой внешней щели 16 и соответствующей одной из внутренних щелей 17 и наматывается вокруг ярма 14 статора. На фиг. 1, катушки 15 схематично показаны посредством штриховки. На фиг. 1, прямые линии, которые, соответственно, соединяют внешние щели 16 с соответствующими внутренними щелями 17, схематично представляют то, что множество катушек 15 во внешних щелях 16 и множество катушек 15 в соответствующих внутренних щелях 17 соединяются на концах катушки.

Помимо этого, отношение общего числа внешних щелей 16 к общему числу внутренних щелей 17 составляет два к одному, и общее число внешних щелей 16 в два раза больше общего числа внутренних щелей 17. Катушки 15, которые служат в качестве основных компонентов для формирования крутящего момента, размещаются во внешних щелях 16. В форме поперечного сечения статора 10, вдоль плоскости, перпендикулярной к осевому направлению, прямоугольник, который является формой, полученной посредством соединения всех внешних щелей 16 в периферийном направлении, и прямоугольник, который является формой, полученной посредством соединения всех внутренних щелей 17 в периферийном направлении, имеют идентичную форму и площадь.

Таким образом, общее число множества внешних щелей 16 превышает общее число множества внутренних щелей 17. Число катушек 15, размещаемых во всех внешних щелях 16, превышает или равно числу катушек 15, размещаемых во всех внутренних щелях 17. Более конкретно, из катушек 15 U-, V-, W-фазы, катушка 15, размещаемая в одной из внутренних щелей 17, соединяется с катушками 15, соответственно, предоставленными в соответствующих двух внешних щелях 16, так она является распределенной между двумя внешними щелями 16, сдвинутыми к обеим сторонам в периферийном направлении. Число катушек 15, размещаемых во всех внешних щелях 16, равно числу катушек 15, размещаемых во всех внутренних щелях 17. Число катушек 15 означает число катушек 15, размещаемых в соответствующей внешней щели 16 или внутренней щели 17 в поперечном сечении статора 10, вдоль плоскости, перпендикулярной к осевому направлению.

Плоская проводная катушка, имеющая прямоугольное поперечное сечение, предпочтительно используется в качестве катушки 15. При использовании этой требуемой конфигурации, дополнительно улучшается коэффициент заполнения катушки 15 в каждой из щелей 16, 17. Круглая проводная катушка, имеющая круглое поперечное сечение, также может использоваться в качестве катушки 15.

При использовании вышеописанной вращающейся электрической машины, общее число множества внешних щелей 16 превышает общее число множества внутренних щелей 17, и число катушек 15, размещаемых во всех внешних щелях 16, превышает или равно числу катушек 15, размещаемых во всех внутренних щелях 17. Таким образом, что касается катушек 15, размещаемых во внешних щелях 16, разнесение в периферийном направлении между любыми смежными двумя различными фазными катушками 15 уменьшается, так что гармонический магнитный поток уменьшается. Как результат, момент от зубцовых гармонических помех в стороне внешнего ротора 30 уменьшается. Таким образом, момент от зубцовых гармонических помех во вращающейся электрической машине уменьшается в целом. Помимо этого, пульсация крутящего момента во вращающейся электрической машине уменьшается вследствие аналогичной причины.

Кроме того, форма, полученная посредством соединения всех внутренних щелей 17 в периферийном направлении, и форма, полученная посредством соединения всех внешних щелей 16 в периферийном направлении, имеют идентичную форму и площадь. Таким образом, когда тороидальная катушка 15 размещается в каждой из внешних щелей 16 и соответствующей одной из внутренних щелей 17, коэффициент заполнения катушки 15 в каждой из щелей 16, 17 улучшается. Таким образом, потери в обмотке уменьшаются, так что повышается эффективность вращающейся электрической машины. Когда плоская проводная катушка используется в качестве катушки 15, коэффициент заполнения дополнительно улучшается.

Фиг. 2 является видом, который показывает взаимосвязь между моментом от зубцовых гармонических помех и электрическим углом, который является углом вращения каждого внешнего ротора 30 и внутреннего ротора 20 относительно статора 10 во вращающейся электрической машине согласно варианту осуществления. На фиг. 2, непрерывная линия a1 представляет взаимосвязь между моментом от зубцовых гармонических помех внешнего ротора 30 и электрическим углом внешнего ротора 30 относительно статора 10. Пунктирная линия b1 представляет взаимосвязь между моментом от зубцовых гармонических помех внутреннего ротора 20 и электрическим углом внутреннего ротора 20 относительно статора 10. Фиг. 2 является графиком на основе результата анализа магнитных полей.

Как показано на фиг. 2, момент от зубцовых гармонических помех внешнего ротора 30 на радиально внешней стороне превышает момент от зубцовых гармонических помех внутреннего ротора 20 на радиально внутренней стороне; тем не менее, разность уменьшается, и оба момента от зубцовых гармонических помех уменьшаются. Таким образом, момент от зубцовых гармонических помех во вращающейся электрической машине уменьшается. На фиг. 2, момент от зубцовых гармонических помех на радиально внешней стороне и момент от зубцовых гармонических помех на радиально внутренней стороне указываются в качестве соотношения относительных величин.

С другой стороны, фиг. 3 является видом части вращающейся электрической машины в периферийном направлении согласно первому сравнительному варианту осуществления при просмотре из одной стороны в осевом направлении. В первом сравнительном варианте осуществления, показанном на фиг. 3, отличающемся от варианта осуществления, показанного на фиг. 1 и фиг. 2, общее число множества внешних щелей 16a в статоре 10a равно общему числу множества внутренних щелей 17a в статоре 10a. Помимо этого, число катушек 15, размещаемых во всех внешних щелях 16a, равно числу катушек 15, размещаемых во всех внутренних щелях 17a. Кроме того, форма и площадь каждой внутренней щели 17a, соответственно, являются идентичными форме и площади каждой внешней щели 16a. Остальная конфигурация является аналогичной конфигурации варианта осуществления, показанного на фиг. 1.

В вышеуказанном первом сравнительном варианте осуществления, как показано на фиг. 3, в катушках 15, размещаемых во внешних щелях 16a, разнесение в периферийном направлении между любыми смежными двумя различными фазными катушками 15 увеличивается по сравнению с вариантом осуществления, показанным на фиг. 1, так что момент от зубцовых гармонических помех на радиально внешней стороне легко увеличивается. Таким образом, момент от зубцовых гармонических помех во вращающейся электрической машине легко увеличивается в целом. Помимо этого, пульсация крутящего момента во вращающейся электрической машине также легко увеличивается вследствие аналогичной причины.

Фиг. 4 является графиком, который показывает взаимосвязь между моментом от зубцовых гармонических помех и электрическим углом, который является углом вращения каждого внешнего ротора 30 и внутреннего ротора 20 относительно статора 10a во вращающейся электрической машине согласно первому сравнительному варианту осуществления. На фиг. 4, смысловые значения непрерывной линии a2 и пунктирной линии b2 являются идентичными смысловым значениям непрерывной линии a1 и пунктирной линии b1 на фиг. 2. Фиг. 4 является графиком на основе результата анализа магнитных полей.

Фиг. 5 является графиком, на котором результирующий момент от зубцовых гармонических помех во вращающейся электрической машине согласно варианту осуществления сравнивается с результирующим моментом от зубцовых гармонических помех во вращающейся электрической машине согласно первому сравнительному варианту осуществления. Результирующий момент от зубцовых гармонических помех соответствует сумме момента от зубцовых гармонических помех на радиально внутренней стороне и момента от зубцовых гармонических помех на радиально внешней стороне. На фиг. 5, непрерывная линия c1 представляет результирующий момент от зубцовых гармонических помех вращающейся электрической машины согласно варианту осуществления, и пунктирная линия c2 представляет результирующий момент от зубцовых гармонических помех вращающейся электрической машины согласно первому сравнительному варианту осуществления. Как показано на фиг. 5, результирующий момент от зубцовых гармонических помех согласно варианту осуществления уменьшается по сравнению с результирующим моментом от зубцовых гармонических помех согласно сравнительному варианту осуществления.

Фиг. 6 является графиком, на котором результирующий момент от зубцовых гармонических помех во вращающейся электрической машине согласно первому сравнительному варианту осуществления сравнивается с результирующим моментом от зубцовых гармонических помех во вращающейся электрической машине согласно второму сравнительному варианту осуществления. Вращающаяся электрическая машина согласно второму сравнительному варианту осуществления имеет конфигурацию, аналогичную конфигурации, описанной в JP 2008-113480 А. В частности, во вращающейся электрической машине согласно второму сравнительному варианту осуществления, в случае если вращающаяся электрическая машина согласно первому сравнительному варианту осуществления, показанному на фиг. 3, просматривается с одной стороны в осевом направлении, вторая прямая линия, заданная для вращающейся электрической машины и внутренних зубьев, является наклонной относительно первой прямой линии, заданной для внешних зубьев и внутренних зубьев. Первая прямая линия является прямой линией, которая соединяет центральную точку дальнего конца каждого из внешних зубьев 12 с центральной точкой дальнего конца соответствующих одного из внутренних зубьев 13. Вторая прямая линия является прямой линией, которая соединяет центральную точку вращающейся электрической машины с центральной точкой дальнего конца каждого из внутренних зубьев 13. Взаимосвязь компоновки между внешними зубьями 12 и внутренними зубьями 13 регулируется таким образом, что вторая прямая линия сдвигается от первой прямой линии с наклоном в предварительно определенный угол θ1, т.е. вторая прямая линия и первая прямая линия размещаются в скошенной позиции. Остальная конфигурация является аналогичной конфигурации первого сравнительного варианта осуществления, показанного на фиг. 3.

На фиг. 6, непрерывная линия c3 представляет результирующий момент от зубцовых гармонических помех вращающейся электрической машины согласно первому сравнительному варианту осуществления, и пунктирная линия c4 представляет результирующий момент от зубцовых гармонических помех вращающейся электрической машины согласно второму сравнительному варианту осуществления. Непрерывная линия c3 на фиг. 6 является идентичной пунктирной линии c2 на фиг. 5. Как показано на фиг. 6, результирующий момент от зубцовых гармонических помех (пунктирная линия c4) второго сравнительного варианта осуществления дополнительно увеличивается по сравнению с результирующим моментом от зубцовых гармонических помех (непрерывная линия c3) первого сравнительного варианта осуществления.

Фиг. 7 является видом части вращающейся электрической машины в периферийном направлении согласно альтернативному варианту осуществления по отношению к варианту осуществления при просмотре из одной стороны в осевом направлении. В конфигурации согласно альтернативному варианту осуществления, показанному на фиг. 7, отличающемуся от варианта осуществления, показанного на фиг. 1, множество внешних щелей 40, предоставленных на радиально внешней стороне статора 10b, формируются таким образом, что первая внешняя щель 41 и вторая внешняя щель 42 попеременно размещаются в периферийном направлении. Множество внутренних щелей 17b предоставляются на радиально внутренней стороне статора 10b.

Отношение общего числа множества внешних щелей 40 к общему числу множества внутренних щелей 17b составляет два к одному. Каждая первая внешняя щель 41, каждая вторая внешняя щель 42 и каждая внутренняя щель 17b имеют практически идентичную прямоугольную форму при просмотре из одной стороны в осевом направлении. Площадь формы каждой первой внешней щели 41, площадь формы каждой второй внешней щели 42 и площадь формы каждой внутренней щели 17b являются практически идентичными при просмотре из одной стороны в осевом направлении. Каждая первая внешняя щель 41, каждая вторая внешняя щель 42 и каждая внутренняя щель 17b имеют практически идентичную форму в поперечном сечении, вдоль плоскости, перпендикулярной осевому направлению по всей длине в осевом направлении. По этой причине, в форме поперечного сечения вращающейся электрической машины, вдоль плоскости, перпендикулярной в осевое направление, сумма площадей множества внешних щелей 40 превышает сумму площадей множества внутренних щелей 17b.

Три тороидальных катушки 15u, 15v, 15w U-, V-, W-фазы, соответственно, размещаются в первых внешних щелях 41 и соответствующих внутренних щелях 17b. С другой стороны, три распределенных катушки 50u, 50v, 50w U-, V-, W-фазы, соответственно, размещаются во вторых внешних щелях 42. В дальнейшем в этом документе, катушки 50u, 50v, 50w могут упоминаться как катушки 50. На фиг. 7, тороидальные катушки 15 и распределенные катушки 50, соответственно, указываются посредством различных наклонных линий. Таким образом, число катушек 15, 50, размещаемых во всех внешних щелях 41, 42, превышает число катушек 15, размещаемых во всех внутренних щелях 17b.

Распределенная катушка 50 каждой фазы, размещаемая в каждой второй внешней щели 42, идет из отверстий второй внешней щели 42 с обоих концов в осевом направлении к обеим сторонам в периферийном направлении и наматывается вокруг множества внешних зубьев 12 между второй внешней щелью 42 и другими двумя из вторых внешних щелей 42. На фиг. 7, в каждой распределенной катушке 50, участки, которые размещаются на концах катушки и которые идут в периферийном направлении, указываются посредством пунктирных линий. Каждая распределенная катушка 50 предпочтительно формируется из круглой проводной катушки. При этой конфигурации, распределенные катушки 50 легко наматываются в сложных направлениях посредством использования скручивающихся круглых проводов.

Каждая распределенная катушка 50 не размещается интенсивно в одной щели, а размещается распределенно во множестве щелей, и распределенные катушки 50 соединяются между собой через концы катушки в распределенной обмотке. Распределенная катушка 50 в каждой второй внешней щели 42 наматывается в предварительно определенной ориентации таким образом, что ток в идентичном направлении с током, протекающим через смежную тороидальную катушку 15 идентичной фазы на одной стороне (на правой стороне на фиг. 7) в периферийном направлении, протекает одновременно с тороидальной катушкой 15 идентичной фазы.

Например, направление тока, протекающего через каждую распределенную катушку 50 и каждую тороидальную катушку 15, подробно описывается со ссылкой на фиг. 7. Предполагается, что ток в тороидальной катушке 15 одной фазы в первой внешней щели 41 протекает от ближней стороны листа чертежа к дальней стороне листа чертежа, и ток в тороидальной катушке 15 идентичной фазы во внутренней щели 17b протекает от дальней стороны листа чертежа к ближней стороне листа чертежа. В это время, ток в распределенной катушке 50 с фазой, идентичной вышеописанной одной фазой, и расположенной рядом с другой стороной (левой стороной на фиг. 7) тороидальной катушки 15 в периферийном направлении, проводится в направлении от ближней стороны листа чертежа к дальней стороне листа чертежа.

Если первая внешняя щель 41 и вторая внешняя щель 42, которые расположены рядом друг с другом в периферийном направлении, и в которых размещаются катушки 15, 50, через которые протекает ток идентичной фазы, предполагаются в качестве одного набора, множество наборов размещаются в периферийном направлении на радиально внешней стороне статора 10b. В это время, центральная позиция между внешними щелями 41, 42 в периферийном направлении в каждом наборе и центральная позиция внутренней щели 17b в периферийном направлении, в котором размещается другой участок катушки 15, которая вставляется в первую внешнюю щель 41 этого набора, совпадают друг с другом в периферийном направлении.

При вышеуказанной конфигурации, сумма площадей множества внешних щелей 40 превышает сумму площадей множества внутренних щелей 17b. Таким образом, число катушек 15, 50, размещаемых во всех внешних щелях 40, превышает число катушек 15, размещаемых во всех внутренних щелях 17b. Тороидальная катушка 15 размещается в каждой из первых внешних щелей 41, и распределенная катушка 50 размещается в каждой из вторых внешних щелей 42. Таким образом, величина магнитного потока, который формируется во внешнем пути магнитной силовой линии, который формируется между статором 10b и внешним ротором 30, превышает величину магнитного потока, который формируется во внутреннем пути магнитной силовой линии, который формируется между статором 10b и внутренним ротором 20. Как результат, магнитное насыщение во внутренних зубьях 13, имеющих меньшую окружность, в целом главным образом исключается, так что разность магнитного насыщения между радиально внутренней стороной и радиально внешней стороной статора 10b уменьшается. Кроме того, плотность магнитного потока во внешних зубьях 12, имеющих более длинную окружность в целом, повышается. По этим причинам, крутящий момент вращающейся электрической машины увеличивается.

Как и в случае варианта осуществления, показанного на фиг. 1 и фиг. 2, разнесение в периферийном направлении между катушками 15, 50 различных фаз, соответственно, размещаемых во внешних щелях 40, уменьшается. Таким образом, разнесение в периферийном направлении между любыми смежными двумя наборами внешних щелей 41, 42 уменьшается. Таким образом, гармонический магнитный поток уменьшается, так что момент от зубцовых гармонических помех и пульсация крутящего момента в стороне внешнего ротора 30 уменьшаются, так что в итоге в целом уменьшаются момент от зубцовых гармонических помех и пульсация крутящего момента во вращающейся электрической машине. Остальная конфигурация и работа являются аналогичными конфигурации и работе варианта осуществления, показанного на фиг. 1 и фиг. 2.

Фиг. 8 является видом части вращающейся электрической машины в периферийном направлении согласно альтернативному варианту осуществления по отношению к варианту осуществления при просмотре из одной стороны в осевом направлении. В конфигурации согласно альтернативному варианту осуществления, показанному на фиг. 8, отличающейся от конфигурации, показанной на фиг. 7, каждая первая внешняя щель 41 статора 10c размещается в позиции в периферийном направлении, идентичной позиции в периферийном направлении соответствующей одной из внутренних щелей 17b. С другой стороны, каждая вторая внешняя щель 42 размещается в различной позиции в периферийном направлении относительно соответствующей одной из внутренних щелей 17b. Таким образом, центральная позиция (позиция, указываемая посредством L1) каждого набора внешних щелей 41, 42 сдвигается в периферийном направлении от центральной позиции (позиции, указываемой посредством L2) соответствующей одной из внутренних щелей 17b в периферийном направлении, в котором размещается другой участок катушки 15, вставленной в первую внешнюю щель 41 этого набора. Поскольку каждая первая внешняя щель 41 размещается в позиции в периферийном направлении, идентичной позиции в периферийном направлении соответствующей одной из внутренних щелей 17b, тороидальная катушка 15 просто должна наматываться практически в радиальном направлении статора 10c таким образом, что она размещается в первой внешней щели 41 и внутренней щели 17b. Таким образом, катушку 15 становится легко наматывать.

Предпочтительно, каждая тороидальная катушка 15 формируется из плоской проводной катушки. При использовании этой требуемой конфигурации, тороидальная катушка 15 просто совмещается, и коэффициент заполнения катушки 15 в каждой из первых внешних щелей 41 и соответствующей одной из внутренних щелей 17b улучшается. Когда каждая первая внешняя щель 41 и соответствующая одна из внутренних щелей 17b размещаются в идентичной позиции в периферийном направлении, как и в случае конфигурации, показанной на фиг. 8, весьма эффективно, если катушка 15 легко наматывается в случае, если плоская проводная катушка 15 размещается в каждой из первых внешних щелей 41 и соответствующей одной из внутренних щелей 17b. В это время, поскольку тороидальной катушке 15 разрешается наматываться таким образом, что она находится еще ближе к статору 10c, концы катушки уменьшаются. Помимо этого, центральная позиция (позиция, указываемая посредством L1) между внешними щелями 41, 42 каждого набора в периферийном направлении сдвигается в периферийном направлении от центральной позиции (позиции, указываемой посредством L2) соответствующей одной из внутренних щелей 17b в периферийном направлении, в котором размещается другой участок катушки 15, которая вставляется в первую внешнюю щель 41 этого набора. На фиг. 8, линия с попеременными длинным и коротким тире, которая идет в радиальном направлении и которая представляет L1, сдвигается от линии с попеременными длинным и коротким тире, которая идет в радиальном направлении и которая представляет L2 с наклоном в предварительно определенный угол θ1. Здесь, момент от зубцовых гармонических помех, который является крутящим моментом, который формируется из магнитного взаимодействия между внутренним ротором 20 и радиально внутренней стороной статора 10c, задается как момент от зубцовых гармонических помех на радиально внутренней стороне. Момент от зубцовых гармонических помех, который является крутящим моментом, который формируется из магнитного взаимодействия между внешним ротором 30 и радиально внешней стороной статора 10c, задается как момент от зубцовых гармонических помех на радиально внешней стороне. В этом случае, посредством соответствующего выбора предварительно определенного угла θ1, получается конфигурация, в которой момент от зубцовых гармонических помех на радиально внутренней стороне и момент от зубцовых гармонических помех на радиально внешней стороне уравновешивают друг друга. Например, чтобы выбирать предварительно определенный угол θ1 в то время, когда θ1 изменяется, взаимосвязь между частотой вращения каждого из внутреннего и внешнего роторов 20, 30 и моментами от зубцовых гармонических помех на радиально внутренней стороне и радиально внешней стороне получается посредством выполнения моделирования. Таким образом, получается θ1, который обеспечивает небольшой момент от зубцовых гармонических помех во вращающейся электрической машине в целом. По этой причине, момент от зубцовых гармонических помех вращающейся электрической машины уменьшается. По аналогичной причине, пульсация крутящего момента вращающейся электрической машины также уменьшается. Остальная конфигурация и работа являются аналогичными конфигурации и работе конфигурации, показанной на фиг. 7.

Фиг. 9 является видом для иллюстрации того, что концы катушки увеличиваются конфигурации, показанной на фиг. 7, и является видом, в котором длина части вращающейся электрической машины, показанной на фиг. 7 в периферийном направлении, увеличивается. В конфигурации, показанной на фиг. 7 и фиг. 9, как описано выше, распределенная катушка 50, размещаемая в каждой второй внешней щели 42, идет из отверстий с обоих концов второй внешней щели 42 в осевом направлении к обеим сторонам в периферийном направлении и наматывается вокруг множества внешних зубьев 12 между второй внешней щелью 42 и другими двумя вторыми внешними щелями 42.

В такой конфигурации, показанной на фиг. 7 и фиг. 9, как указано посредством участков, обведенных посредством эллипсов α1, α2,..., α6 с пунктирной линией на фиг. 9, три пунктирных линии, которые представляют распределенные катушки 50, перекрывают первую внешнюю щель 41, в которой размещается тороидальная катушка 15. Это означает то, что, в каждом участке, указываемом посредством эллипса с пунктирной линией, распределенные катушки 50 трех различных фаз размещаются за пределами концов катушки тороидальной катушки 15. Следовательно, при использовании конфигурации, показанной на фиг. 7 и фиг. 9, концы катушки имеют тенденцию увеличиваться. Эта ситуация также применяется к конфигурации, показанной на фиг. 8. Далее задается конфигурация согласно альтернативному варианту осуществления, который описывается со ссылкой на фиг. 10, чтобы уменьшать концы катушки при такой ситуации.

Фиг. 10 является видом части вращающейся электрической машины в периферийном направлении согласно альтернативному варианту осуществления по отношению к варианту осуществления при просмотре из одной стороны в осевом направлении. В конфигурации согласно альтернативному варианту осуществления, показанному на фиг. 10, отличающейся от случая конфигурации, показанной на фиг. 7 и фиг. 9, смежные две из первых внешних щелей 41 и смежные две из вторых внешних щелей 42 попеременно размещаются в периферийном направлении на радиально внешней стороне статора 10d. Таким образом, конфигурация, показанная на фиг. 10, отличается от конфигурации, показанной на фиг. 9, порядком, в котором множество первых внешних щелей 41 и множество вторых внешних щелей 42 размещаются в периферийном направлении статора 10d.

Помимо этого, распределенная катушка 50, размещаемая в каждой второй внешней щели 42, идет из отверстий с обоих концов второй внешней щели 42 в осевом направлении только к одной стороне или другой стороне в периферийном направлении и наматывается вокруг множества внешних зубьев 12 между второй внешней щелью 42 и другой одной из вторых внешних щелей 42. Таким образом, распределенная катушка 50, размещаемая в каждой второй внешней щели 42, наматывается вокруг множества внешних зубьев 12 между второй внешней щелью 42 и только другой одной из вторых внешних щелей 42.

При вышеуказанной конфигурации, автоматически возобновляемое магнитное поле, которое формируется в статоре 10d, является идентичным автоматически возобновляемому магнитному полю конфигурации, показанной на фиг. 9. С другой стороны, при использовании конфигурации, показанной на фиг. 10, поскольку две первых внешних щели 41 и две вторых внешних щели 42 попеременно размещаются в периферийном направлении, меньшее число распределенных катушек 50 перекрывается за пределами каждой первой внешней щели 41 в осевом направлении. Таким образом, в каждом конце катушки, меньшее число распределенных катушек 50 перекрывается за пределами тороидальной катушки 15, размещаемой в каждой первой внешней щели 41.

Распределенная катушка 50, размещаемая в каждой второй внешней щели 42, наматывается вокруг множества внешних зубьев 12 между второй внешней щелью 42 и только другой одной из вторых внешних щелей 42. Таким образом, в каждом конце катушки, еще меньшее число распределенных катушек 50 перекрывается за пределами тороидальной катушки 15, размещаемой в каждой первой внешней щели 41. По этой причине, при использовании конфигурации согласно этому варианту осуществления, концы катушки уменьшаются. На фиг. 10, только распределенная катушка 50 одной фазы перекрывает внутренний участок каждой из первых внешних щелей 41, обведенных посредством эллипсов β1, β2 с пунктирной линией. Это означает то, что только распределенная катушка 50 одной фазы перекрывается за пределами тороидальной катушки 15, размещаемой в каждой первой внешней щели 41. Это также применяется к катушке 15, размещаемой в каждой первой внешней щели 41. Следовательно, при использовании конфигурации, показанной на фиг. 10, число распределенных катушек 50, которые перекрывают каждую тороидальную катушку 15 в каждом конце катушки, уменьшается с трех фаз до одной фазы по сравнению с конфигурацией, показанной на фиг. 9, так что концы катушки уменьшаются. Остальная конфигурация и работа являются аналогичными конфигурации и работе конфигурации, показанной на фиг. 8 и фиг. 9.

Выше описываются варианты осуществления изобретения; тем не менее, изобретение не ограничено вышеописанными вариантами осуществления. Различные модификации являются применимыми.

Изобретение относится к вращающейся электрической машине. Устройство включает кольцевой статор, внутренний ротор, внешний ротор и тороидальную катушку. Кольцевой статор включает в себя внутренние зубья, выступающие радиально внутрь, и внешние зубья, выступающие радиально наружу. Внутренний ротор обращен к радиально внутренней стороне кольцевого статора. Внешний ротор обращен к радиально внешней стороне кольцевого статора. Тороидальные катушки размещаются в каждой внутренней щели между любыми смежными двумя из внутренних зубьев и соответствующей одной внешней щели между смежными двумя из внешних зубьев. Общее число множества внешних щелей превышает общее число множества внутренних щелей. Число катушек, размещаемых во всех внешних щелях, превышает или равно числу катушек, размещаемых во всех внутренних щелях. Техническим результатом является улучшение коэффициента заполнения и уменьшение потерь в обмотке. 4 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Вращающаяся электрическая машина, содержащая:

кольцевой статор, включающий в себя множество внутренних зубьев и множество внешних зубьев, причем множество внутренних зубьев выступают радиально внутрь, а множество внешних зубьев выступают радиально наружу;

внутренний ротор, обращенный к радиально внутренней стороне кольцевого статора;

внешний ротор, обращенный к радиально внешней стороне кольцевого статора; и

тороидальную катушку, размещенную в каждой внутренней щели между любыми смежными двумя из внутренних зубьев и соответствующей одной внешней щели между смежными двумя из внешних зубьев, при этом:

общее число множества внешних щелей превышает общее число множества внутренних щелей,

число катушек, размещенных во всех внешних щелях, превышает или равно числу катушек, размещенных во всех внутренних щелях,

множество внешних щелей имеют такую конфигурацию, в которой первая внешняя щель и вторая внешняя щель попеременно размещены в периферийном направлении,

отношение общего числа множества внешних щелей к общему числу множества внутренних щелей составляет два к одному,

тороидальная катушка размещена в каждой из внутренних щелей и первых внешних щелей,

в каждой из вторых внешних щелей размещена распределенная катушка, и

число катушек, размещенных во всех внешних щелях, превышает число катушек, размещенных во всех внутренних щелях.

2. Вращающаяся электрическая машина по п. 1, в которой:

каждая первая внешняя щель размещена в позиции в периферийном направлении, идентичной позиции в периферийном направлении соответствующей одной из внутренних щелей, и

каждая вторая внешняя щель размещена в различной позиции в периферийном направлении относительно соответствующей одной из внутренних щелей.

3. Вращающаяся электрическая машина по п. 2, в которой:

в каждой первой внешней щели в качестве катушки размещена плоская проводная катушка, имеющая прямоугольное поперечное сечение, и

в каждой второй внешней щели в качестве катушки размещена круглая проводная катушка, имеющая круглое поперечное сечение.

4. Вращающаяся электрическая машина по п. 1, в которой первые внешние щели и вторые внешние щели имеют такую конфигурацию, в которой две из первых внешних щелей и две из вторых внешних щелей попеременно размещаются в периферийном направлении на радиально внешней стороне кольцевого статора.

5. Вращающаяся электрическая машина по п. 4, в которой распределенная катушка, размещаемая в каждой второй внешней щели, наматывается вокруг множества внешних зубьев между второй внешней щелью и другой одной из вторых внешних щелей.