CN104919686B - 电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电机(10)，其具有：定子(16)，定子具有定子铁芯(17)，定子铁芯具有基本上呈圆筒形的带有中轴线(63)的开口(60)，并且开口(60)容纳转子(20)，其中，定子铁芯(17)具有轴向长度(L17a)，并且定子铁芯(17)保持定子绕组18；转子(20)，其具有旋转轴线(66)，其中，转子(20)具有轴向的端侧(69)，在该端侧处设置有具有通风叶片(72)的通风装置(30)，该通风装置抗扭地与转子(20)连接，其中，转子(20)具有可电磁激励的路径(75)，该路径具有极芯(78)，在该极芯处在两个沿旋转轴线的端部(80、82)处分别连接有极板(22、23)，其中，从一个极板(22)伸出具有北极性的爪形极(24)，并且从另一极板(23)伸出具有南极性的爪形极(25)，其中，在转子(20)的圆周处爪形极(24)和(25)按照北极性和南极性交替，并且转子(20)在两个相邻的极性相反的爪形极(24、25)之间有具有纵向方向(86)的间隙(21)，其中，在两个爪形极(24、25)之间的一个间隙(21)中插入有永磁装置(88)，其中，永磁装置(88)具有在间隙(21)的纵向(86)上的长度(L88)；沿径向布置在爪形极(24、25)内部的极芯(78)，其具有沿旋转轴线的长度(L78)，并且永磁装置(88)的长度(L88)和极芯(78)的沿旋转轴线的长度(L78)的比例大于1.3。

Description

电机
背景技术
从EP 910155A1中已知一种电机，其实施为所谓的爪形极发电机(Klauenpolgenerator)。该电机具有定子和转子，其中，相邻地布置在转子的圆周处的不同地极化的励磁极或爪形极(Klauenpole)在旋转运动时在定子的定子绕组中产生定子电压。这种电机的励磁极实施为所谓的爪形极。
发明内容
本发明的目的在于，实现显著地减小电机的铜质量。在保持效率和功率输出的情况下既减小励磁绕组的重量又减小定子绕组的重量。此外可显著提高功率密度。
附图说明
附图示出了：
图1示出了电机的纵截面，
图2示出了定子铁芯的侧视图，
图3示出了转子的展开的外圆周的示意性视图，
图4示出了在两个爪形极转子之间的间隙，在间隙中插入有永磁装置，
图4A示出了空载电压和满载电流与电机的可变的结构比例相关的变化曲线，
图5示出了绕组端部及其被通风装置覆盖的侧视图，
图6示出了定子的槽的侧视图，
图7示出了线图，在其中观察在1800 1/min下与磁回路的长度比和直径比相关的标准化的输出电流，
图8示出了另一线图，在其中观察在1800 1/min下与磁回路的其他长度比相关的标准化的输出电流，
图9以另一放大的正视图示出了定子铁芯，
图10示出了线图，在其中在1800/min下输出电流的比例与定子铁芯几何结构的比例有关，
图11示出了线图，在其中关于定子铁芯的轴向长度和电磁路径的沿旋转轴线的长度的比例绘制了电流和所使用的铜质量的比例。
具体实施方式
在图1中示出了电机10的截面，电机10在此实施为用于机动车的发电机或交流发电机、特别是三相发电机。电机可利用相应的控制装置起作用，但也可用作起动机发电机。电机10尤其具有两件式的壳体13，该壳体包括第一轴承盖13.1和第二轴承盖13.2。轴承盖13.1和轴承盖13.2本身容纳所谓的定子16，定子包括基本上圆环形的定子铁芯17，在定子铁芯的沿径向向内指向的沿轴向延伸的槽中插入有定子绕组18。环形的定子16以其沿径向向内指向的开槽的表面包围在此例如构造为爪形极转子的转子20，所述表面为在电磁方面起作用的表面19。
转子20尤其包括两个极板22和23，在极板的外圆周处分别设置有沿轴向延伸的爪形极指作为可电磁极化的爪形极24和25。两个极板22和23在转子20中如此布置，即，其沿轴向延伸的爪形极24和25在转子20的圆周处彼此交替。因此，转子20同样具有在电磁方面起作用的表面26。通过在圆周处交替的爪形极24或25得到在磁方面所需的间隙21，该间隙在此也称为爪形极间隙。转子20借助于轴27和位于各个转子侧部的各个滚动轴承28可旋转地支承在相应的轴承盖13.1或13.2中。
转子20总共具有两个轴向的端面，在该端面处分别固定有通风装置30。该通风装置30主要由板状的或盘状的区段组成，从中以已知的方式伸出通风叶片。通风装置30用于通过在轴承盖13.1和13.2中的开口40实现例如从电机10的轴向端侧穿过电机10的内腔到位于径向外部的周围环境的换气。为此，开口40基本上设置在轴承盖13.1和13.2的轴向端部处，通过该开口借助于通风装置30将冷却空气吸入电机10的内腔中。该冷却空气通过通风装置30的旋转沿径向向外加速，使得冷却空气可穿过冷却空气可透过的基本上呈环形的绕组端部(Wickelkopf)45。通过这种效应冷却绕组端部45。冷却空气在穿过绕组突出部或绕组端部45之后或在环绕绕组端部45流过之后通过在此在图1中未示出的开口沿着在径向上向外的路径流动。
在图1中所示的且位于发电机的右侧上的保护罩47保护各种构件不受环境影响。因此，保护罩47例如覆盖用于向励磁绕组51供给励磁电流的所谓的滑环组件49。围绕滑环组件49布置有冷却体53，该冷却体在此用作正极冷却体。正极冷却体之所以称为正极冷却体，是因为其可导电地与蓄电池(例如起动机馈电部)的正极连接。轴承盖13.2用作所谓的负极冷却体。在轴承盖13.2和冷却体53之间设置有连接板56，该连接板用于将设置在轴承盖13.2中的负极二极管58和在冷却体53中的在此在本图示中未示出的正极二极管彼此连接，并且由此构成本身已知的桥接电路。
由此，在图1中公开了具有定子16的电机10，定子具有定子铁芯17。定子铁芯17具有基本上呈圆筒形的带有中轴线63的开口60，亦参见图2。开口60容纳转子20。定子铁芯17具有轴向长度L17a并且定子铁芯17保持定子绕组18。此外，定子铁芯17具有内径D17i和外径D17a。转子20同样具有旋转轴线66，该旋转轴线在已装配的状态下与中轴线63重合。
转子20具有轴向的端侧69，在该端侧处设置有具有通风叶片72的通风装置30。通风装置抗扭地与转子20优选直接连接。转子20具有可电磁激励的路径75，该路径具有极芯78，在该极芯处在两个沿旋转轴线的端部80、82处分别连接有一个极板22、23：从一个极板22伸出具有北极性的爪形极24，并且从另一极板23伸出具有南极性的爪形极25，其中，在转子20的圆周处爪形极24和25按照北极性和南极性交替。沿径向布置在爪形极24、25内部的极芯78具有沿旋转轴线的长度L78。
在图3中可看到转子20的展开的外圆周的示意性示图。可看到爪形极24和25的梯形的面84和85，这些梯形的面通过本身作为转子20的限制面将电磁通量引导到在定子16的齿处的限制面或从该处吸收电磁通量。转子20包括已经提及的在两个相邻的极性相反的爪形极24、25之间的具有纵向86的间隙21。纵向86与在爪形极24和25之间的中线重合。如果间隙例如由爪形极24和25的彼此平行延伸的侧面限定，则中线在爪形极24和25的侧面之间的中间中延伸。
如图4所示，在两个爪形极24、25之间的间隙21中插入有永磁装置88。永磁装置88具有在间隙21的纵向86上的长度L88(不包括无磁活性的区段，如保持元件)。永磁装置88用于补偿在具有北极性的爪形极24和具有南极性的爪形极25之间的电磁的或磁的漏损通量。规定了永磁装置88的长度L88和极芯的沿旋转轴线的长度L78的比例大于1.3。也就是说，爪形极24和25的顶部123和124分别突出到极性相同的爪形极根部130和131的间隙89和91中。换言之：北极性的爪形极124的顶部123突出到两个南极性的爪形极125的两个爪形极根部131之间。在此，爪形极根部应限制到在轴向上连接到爪形极124、125的自由突出的部分处的体积区域上。图4A示出了相应的线图，该线图在考虑永磁体的情况下仿真得到。一方面关于L88/L78的比例示出了在全负荷且转子转速为1800/min的情况下所产生的电流IG的变化曲线，另一方面该线图示出了在空转且定子绕组18中的励磁电流IE为0安培时在18000/min下所感应的电压Ui的变化曲线。L88/L78的期望的最小比例1.3由所感应的电压Ui的变化曲线的拐点给出。L88/L78的期望的优选的大于1.6的比例由所感应的电压Ui的变化曲线的开始急剧下降给出。通过比例L88/L78>1.6的选择保证了通过永磁体感应的电压小于二极管的齐纳电压。该电压通常>＝20V。
在变型方案中规定，永磁装置88的长度L88和极芯78的沿旋转轴线的长度L78的比例大于1.6。
此外规定，定子绕组18具有绕组端部45，该绕组端部具有导线连接部93，该导线连接部在沿旋转轴线的长度L93上从定子铁芯17引出并且又引回到定子铁芯17。如果所观察的导线连接部93为伸出得最远的导线连接部93(图5)，则这同时为绕组端部的沿旋转轴线的长度L45。通风装置30沿径向布置在绕组端部45的内部(图1和图5)。在长度L45a上的被绕组端部45和通风装置30共同在旋转轴线的方向上覆盖的区域和在此导线连接部93的被通风装置30沿旋转轴线覆盖的长度L93的部分应大于0.5，优选大于0.7。由此，L45a与L45的比例或L45a与L93的比例应大于0.5，优选大于0.7。
定子绕组18插入到定子铁芯的沿径向向内敞开的槽96中(图6)。在此定义了槽96的在电磁方面起作用的面100。面100由齿103和槽底部106在朝轭109的方向上限定。在两个齿顶115之间的槽口112中的面110不予考虑，因为该空间在该结构形式中不是设置为用于布置绕组。在槽96的在电磁方面起作用的面100的内部且由槽衬里116包围地分别存在有定子绕组18的在电磁方面起作用的绕组组件117，该绕组组件包括例如相绕组的线圈侧118。绕组组件117包括至少一个具有在电气方面起作用的导线横截面面积A120的导线横截面120，其中，在槽96中的至少一个导线横截面面积A120与在电磁方面起作用的面100的比例小于0.5，且由此在槽96中所有的导线横截面120与在电磁方面起作用的面100的比例小于0.5。
图7示出了线图，在其中在x轴上显示了计算出的对D17i和D17a的不同变型方案给出的比例(D17i/D17a)。极芯78具有直径D78和沿旋转轴线的长度L78。图7的标记在右侧的y轴标明了对多个变型方案所采用的L78和D78的比例。在该设计方案的范围中，不同的比例已经表明是有利的：极芯78的沿旋转轴线的长度L78和极芯78的直径D78的比例应该在0.21和0.36之间，优选在0.225和0.348之间，并且特别优选地在0.25和0.33之间。定子铁芯17的内径D17i和定子铁芯17的外径D17a的比例应该大于0.788且小于0.854，优选大于0.795且小于0.848，并且特别优选地在0.802和0.841之间，亦参见图7，该图为在没有考虑永磁体的情况下仿真所得。
此外规定，电磁路径75在极板22、23的两个彼此背离的侧部69、90之间具有沿旋转轴线的长度L75，其中，定子铁芯17的轴向长度L17a和转子20的电磁路径75的沿旋转轴线的长度L75的比例在0.68和1.0之间，优选在0.70和0.95之间，参见图8。该图为在没有考虑永磁体的情况下仿真所得。在此，关于定子铁芯17的长度L17a和电磁路径75的沿旋转轴线的长度L75的比例绘制了在1800 1/min下输出电流IGL和最大输出电流IGL,max的比例。
在变型方案中规定，直径D17i和极芯78的沿旋转轴线的长度L78的比例大于5.0。
在图9中以另一放大的正视图示出了定子铁芯17。如上所述，定子铁芯17保持定子绕组18，定子绕组容纳在沿径向向内敞开的槽96中。每个槽96在两个周向上分别由齿103限定，其中，齿103在周向上具有最小齿宽B103并且在径向上具有齿高H103。齿高H103和最小齿宽B103的比例应该在0.45至1.02的范围中。齿高H103和最小齿宽B103的比例优选地应该在0.53至0.96的范围中，参见图10。该图为在没有考虑永磁体的情况下仿真所得。
此外，关于最后提到的槽截面的设计方案应该适用的是，定子铁芯17的轴向长度L17a和极芯78的沿旋转轴线的长度L78的比例大于1.8且小于2.68，优选大于1.9且小于2.42，参见图11。该图为在没有考虑永磁体的情况下仿真所得。
极芯78可以不同的方式定义：在图1中所示的变型方案为环形筒状的极芯78，其推到轴27上并且与极板22、23是分离的。另一已知的结构形式设置有实施为由两个相应的附件组成的极芯78，两个附件中的每个附件分别与极板22、23模制成一体。通过将两个附件相互面对地推到轴27上产生等价的极芯78。在此，极芯长度L78为附件的沿旋转轴线的长度之和。
此外特别优选的是，每个槽的导线横截面120的数量恰好为四个。
关于永磁装置88要说明的是，间隙21应尽可能完全地占据有或填充有一个或多个永磁体作为永磁装置88的一部分。一个或多个永磁体应在旋转轴线的方向上布置在爪形极24和25的顶部123和124之间的中间。此外规定，为了容纳一个或多个永磁体，例如在图1中可见的爪形极24和25的侧面127和128(优选从顶部123和124直到爪形极根部130和132)非切削地或者切削地特别是在间隙21的纵向86上连续地进行加工。为了容纳一个或多个永磁体设置有保持元件作为在永磁体与爪形极24和25之间的机械的中间件，该保持元件固定在爪形极24和/或25处并且本身分别用于保持永磁体。保持元件可在槽中单独地一件式布置在两个爪形极24和/或25之间或者为保持在不同的间隙21中的多个永磁体的总保持部。作为总保持部，其可在径向和/或轴向上成形为环形或曲折形。永磁体本身可少于爪形极24和25的数量(例如仅为一半并且在此例如仅在每隔一个的间隙21中)，但也可为爪形极24和25的数量的两倍。永磁体可由铁素体或稀土制造。

Claims (10)

1.一种电机(10)，其具有：定子(16)，该定子具有定子铁芯(17)，该定子铁芯具有基本上呈圆筒形的带有中轴线(63)的开口(60)，并且所述开口(60)容纳转子(20)，其中，所述定子铁芯(17)具有轴向长度(L17a)，并且所述定子铁芯(17)保持定子绕组(18)；转子(20)，该转子具有旋转轴线(66)，其中，所述转子(20)具有轴向的端侧(69)，在该端侧处设置有具有通风叶片(72)的通风装置(30)，该通风装置抗扭地与所述转子(20)连接，其中，所述转子(20)具有可电磁激励的路径(75)，该路径具有极芯(78)，在该极芯处在两个沿旋转轴线的端部(80、82)处分别连接有一个极板(22、23)，其中，从一个极板(22)伸出具有北极性的爪形极(24)，并且从另一极板(23)伸出具有南极性的爪形极(25)，其中，在所述转子(20)的圆周处所述具有北极性的爪形极(24)和所述具有南极性的爪形极(25)按照北极性和南极性交替，并且所述转子(20)在两个相邻的极性相反的爪形极(24、25)之间有具有纵向(86)的间隙(21)，其中，在两个所述爪形极(24、25)之间的一个间隙(21)中插入有永磁装置(88)，其中，所述永磁装置(88)具有在所述间隙(21)的纵向(86)上的长度(L88)；沿径向布置在所述爪形极(24、25)内部的极芯(78)，该极芯具有沿旋转轴线的长度(L78)，并且所述永磁装置(88)的长度(L88)和所述极芯(78)的沿旋转轴线的长度(L78)的比例大于1.3，其中所述定子铁芯(17)的内径(D17i)和所述定子铁芯(17)的外径(D17a)的比例大于0.788且小于0.854。
2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述永磁装置(88)的长度(L88)和所述极芯(78)的沿旋转轴线的长度(L78)的比例大于1.6。
3.根据上述权利要求中任一项所述的电机，其特征在于，所述定子铁芯(17)的内径(D17i)和所述定子铁芯(17)的外径(D17a)的比例大于0.795且小于0.848。
4.根据权利要求3所述的电机，其特征在于，所述定子铁芯(17)的内径(D17i)和所述定子铁芯(17)的外径(D17a)的比例大于0.802且小于0.841。
5.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于，所述可电磁激励的路径(75)在所述极板(22、23)的两个彼此背离的侧部(69、90)之间具有沿旋转轴线的长度(L75)，其中，所述定子铁芯(17)的轴向长度(L17a)和所述转子(20)的可电磁激励的路径(75)的沿旋转轴线的长度(L75)的比例在0.7和1.0之间。
6.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于，所述定子绕组(18)具有绕组端部(45)，该绕组端部具有导线连接部(93)，该导线连接部在沿旋转轴线的长度(L93)上从所述定子铁芯(17)引出并且又引回到该定子铁芯(17)，并且在此所述通风装置(30)布置在径向内部，并且所述导线连接部(93)的长度(L93)的与所述通风装置(30)沿旋转轴线重叠的部分大于所述导线连接部(93)的长度(L93)的0.5。
7.根据权利要求6所述的电机，其特征在于，所述导线连接部的长度(L93)的与所述通风装置(30)沿旋转轴线重叠的部分大于所述导线连接部(93)的长度(L93)的0.7。
8.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于，所述永磁装置(88)用于补偿在具有北极性的爪形极(24)和具有南极性的爪形极(25)之间的漏损通量。
9.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于，所述定子铁芯(17)的基本上呈圆筒形的开口(60)具有内径(D17i)，其中，所述内径(D17i)和所述极芯(78)的沿旋转轴线的长度(L78)的比例大于5.0。
10.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于，所述定子绕组(18)插入在所述定子铁芯(17)的沿径向向内敞开的槽(96)中，其中，所述槽(96)分别具有在电磁方面起作用的面(100)，在该面中分别存在有所述定子绕组(18)的在电磁方面起作用的绕组组件(117)，其中，所述绕组组件(117)包括至少一个具有电气有效的导线横截面面积(A120)的导线横截面(120)，并且其中，至少一个导线横截面面积(A120)和所述在电磁方面起作用的面(100)的比例小于0.5。
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