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Die
Erfindung betrifft Elektromaschinen, wie beispielsweise Motoren
und Generatoren, und im Besonderen Elektromaschinen mit Hybrid-Läufern, d.
h. mit sowohl elektrischer als auch permanentmagnetischer Erregung.
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Elektromaschinen
vom Lundell-Typ sind in der Technik allgemein bekannt. Beispielsweise
sind Elektrogeneratoren vom Lundell-Typ in der Automobilindustrie
lange dazu verwendet worden, elektrische Leistung für Kraftfahrzeuge
und Lkw zu liefern. Aufgrund der Kundennachfrage nach Energie verbrauchenden
Nutz- und Luxusgegenständen,
wie beispielsweise stark mit Leistung beaufschlagte Klangsysteme,
elektrisch betätigte
Fenster und dergleichen, sowie des Bedarfes für die komplizierten Steuerungssysteme,
die erforderlich sind, um staatlich geforderte Emissions- und Sicherheitsstandards zu
erfüllen,
haben elektrische Anforderungen an moderne Kraftfahrzeuge über die
Jahre wesentlich zugenommen. Obwohl die Ausgangsleistung eines herkömmlichen
Generators vom Lundell-Typ
erhöht
werden kann, um den erhöhten
elektrischen Bedarf zu decken, geht die zusätzliche elektrische Ausgangsleistung
auf Kosten zusätzlicher
Größe und zusätzlichen
Gewichtes. Da der Raum unter der Motorhaube bei modernen Kraftfahrzeugen
begrenzt ist, kann es in manchen Fällen sein, daß ein physikalisch
größerer Generator,
um den zugenommenen elektrischen Bedarf des Fahrzeugs zu decken,
keine annehmbare Konstruktionslösung
ist. Wenn das Fahrzeuggewicht zunimmt, nehmen ferner die Kraftstoffwirtschaftlichkeit
und das Leistungsvermögen
ab.
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Die
Ausgangsleistung eines elektrischen Generators kann ohne eine proportionale
Zunahme der Größe und des
Gewichtes erhöht
werden, indem ein permanentes Magnetfeld dazu verwendet wird, das herkömmliche
elektrisch erzeugte Läuferfeld
zu ergänzen.
Die
U.S.-Patente US
4 959 577 A und
US
5 483 116 A offenbaren Hybrid-Generatoren vom Lundell-Typ
mit mehreren diskreten Permanentmagnetsegmenten, die zwischen den
ineinandergreifenden Fingern der Läuferklauensegmente angeordnet
sind. Die durch die vorstehend genannten Schriften offenbarten Konstruktionen
bringen jedoch komplizierte Anordnungen für Magnete und Magnethalter
mit sich, wodurch der Generator schwierig zusammenzubauen ist.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, einen hybriderregten Läufer für eine Elektromaschine
zuschaffen, die eine hohe spezifische Ausgangsleistung liefert,
und der unter Verwendung bewährter
Konstruktionsprinzipien in einer relativ leichten, kompakten und
leicht zusammenzubauenden Einheit hergestellt werden kann.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
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Die
Erfindung kann für
eine hybriderregte Elektromaschine vom Lundell-Typ verwendet werden, die durch einen
Läufer
gekennzeichnet ist, dessen Magnetfeld unter Verwendung von einer
oder mehreren herkömmlichen
Feldspulen und einem oder mehreren Permanentmagneten hergestellt
wird.
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Ein
herkömmlicher
Generatorläufer
vom Lundell-Typ umfaßt
eine auf einen Spulenkörper
gewickelte Feldspule, die an einer Läuferwelle montiert ist, um
ein Magnetfeld zu erzeugen. Der Magnetfeldfluß wird durch zwei Läufersegmente
vom Klauen-Typ übertragen,
die jeweils die Nord- bzw. Südpole
der somit geschaffenen Magnete bilden. Der magnetisierte Läuferaufbau
läuft im
Inneren eines Ständers
um, der eine Anzahl Wicklungen aufweist, die durch die Flußlinien
des magnetisierten Läufers „geschnitten” werden,
um einen elektrischen Strom in den Ständerwicklungen zu induzieren.
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Die
Ausgangsleistung eines Generators vom Lundell-Typ ist neben anderen
Parametern eine Funktion der Läufermagnetisierung.
Die ”Läufermagnetisierung
ist eine Funktion der Magnetfeldstärke in dem Läufer, die
wiederum eine Funktion des Feldspulenerregungsstromes ist. Das heißt, indem
der Feldspulenerregungsstrom erhöht
wird und dadurch die induzierte Magnetfeldstärke in den Klauensegmenten
erhöht
wird, kann die Läufermagnetisierung erhöht werden.
Jedoch kann die Magnetisierung der Klauensegmente auf der Grundlage
der Größe und der
Materialzusammensetzung der Klauensegmente nur bis zu einem bestimmten
Niveau erhöht
werden, über
das hinaus die Klauensegmente magnetisch gesättigt sind. Sobald die Klauensegmente
gesättigt werden,
nimmt ihre Magnetisierung mit zunehmender Magnetfeldstärke nicht
weiter zu. Deshalb ist als praktischer Belang die maximale Läufermagnetisierung
in einem herkömmlichen
Generator vom Lundell-Typ eine Funktion der Läufergröße und insbesondere der Klauensegmentgröße.
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Die
vorliegende Erfindung ist auf einen Läufer für eine hybriderregte Elektromaschine
gerichtet, deren Läufermagnetisierung
unter Verwendung einer Kombination von einer oder mehreren elektrisch
erregbaren Feldspulen und einem oder mehreren Permanentmagneten
hergestellt wird, wobei der Rest der Maschine herkömmlich sein
kann. Der Permanentmagnet liefert ein Grundniveau einer Läufermagnetisierung.
Die Magnetisierung des Läufers
kann über
das Grundniveau einer durch den Permanentmagneten gelieferten Magnetisierung
abhängig
von den oben diskutieren Beschränkungen
erhöht
werden, indem die Feldspule elektrisch erregt wird. Da ein Permanentmagnet
mit einer gegebenen Größe ein höheres Niveau
einer Läufermagnetisierung
als ein Feldspulen/Klauensegment-Aufbau der gleichen Größe bewirken
kann, kann ein HybridLäufer
gemäß der vorliegenden
Erfindung ein höheres
Niveau einer Magnetisierung als ein herkömmlicher Läufer der gleichen Größe erreichen.
Alternativ kann ein Hybrid-Läufer
gemäß der vorliegenden
Erfindung, der ein vorbestimmtes Niveau einer Magnetisierung aufweist,
kleiner und leichter als ein herkömmlicher Generatorläufer vom
Lundell-Typ sein, der das gleiche Niveau einer Magnetisierung aufweist.
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Eine
erste Ausführungsform
eines Hybrid-Läufers
gemäß der vorliegenden
Erfindung umfaßt
einen ansonsten herkömmlichen
Generatorläufer
vom Lundell-Typ (d. h. eine Läuferwelle
mit einer Feldspule und zwei Klauensegmenten, wobei jedes Klauensegment
mehrere sich axial erstreckende Finger aufweist), wobei ein oder
mehrere radial magnetisierte Permanentmagnete um den Umfang eines
jeden Klauensegmentes herum angeordnet sind. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform
ist für
jedes Klauensegment ein Ringmagnet vorgesehen (d. h. jeder Hybrid-Läufer umfaßt zwei
Ringmagnete). Bei einer alternativen ersten Ausführungsform können mehrere
diskrete Magnete anstelle von einem oder beiden derartigen Ringmagneten
verwendet werden. In jedem Fall weisen der Magnet oder die Magnete, die
jedem Klauensegment zugeordnet sind, eine Anzahl von Magnetpolen
auf, die gleich dem Doppelten der Anzahl von Fingern ist, die dem
jeweiligen Klauensegment zugeordnet sind.
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Bei
einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung umfaßt
der Hybrid-Läufer ein
erstes und ein zweites Klauensegment, die auf einer Welle montiert sind,
wie bei einem herkömmlichen
Generatorläufer vom
Lundell-Typ. Der Läufer
umfaßt
ferner ein drittes Klauensegment, das zwischen dem ersten und dem zweiten
Klauensegment angeordnet ist. Das dritte Klauensegment weist Finger
auf, die sich axial in beide Richtungen auf sowohl das erste als
auch das zweite Klauensegment zu erstrecken, so daß die Finger
des dritten Klauensegmentes in die Finger des ersten und des zweiten
Klauensegmentes eingreifen. Eine erste Feldspule ist zwischen dem
ersten und dem dritten Klauensegment angeordnet, und eine zweite
Feldspule ist zwischen dem zweiten und dem dritten Klauensegment
angeordnet. Ein oder mehrere Permanentmagnete sind um den Umfang
des ersten und des zweiten Klauensegmentes herum auf die gleiche
Weise angeordnet, wie es oben für
die erste Ausführungsform
diskutiert wurde. Bei einer alternativen zweiten Ausführungsform
sind ein oder mehrere Permanentmagnete um den Umfang des dritten Klauensegmentes
jedoch nicht um das erste und das zweite Klauensegment herum angeordnet.
Bei einer weiteren alternativen zweiten Ausführungsform sind ein oder mehrere
Permanentmagnete um den Umfang des ersten, des zweiten und des dritten
Klauensegmentes herum angeordnet.
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Bei
einer dritten Ausführungsform
der Erfindung umfaßt
der Hybrid-Läufer ein
erstes und ein zweites Klauensegment, die an einer nichtmagnetischen
Welle montiert sind. Der Läufer
umfaßt
ferner ein drittes Klauensegment, das zwischen dem ersten und dem
zweiten Klauensegment angeordnet ist. Das dritte Klauensegment weist
Finger auf, die sich axial in beide Richtungen auf sowohl das erste
als auch das zweite Klauensegment zu erstrecken, so daß die Finger
des dritten Klauensegmentes in die Finger des ersten und des zweiten
Klauensegmentes eingreifen. Eine erste Feldspule ist zwischen dem ersten
und dem dritten Klauensegment angeordnet, und ein axial magnetisierter
Permanentmagnet, der einen Ringmagneten oder mehrere diskrete Magnete umfaßt, ist
zwischen dem zweiten und dem dritten Klauensegment angeordnet. Bei
einer alternativen dritten Ausführungsform
können
ein oder mehrere radial magnetisierte Permanentmagnete auch um den Umfang
des ersten, des zweiten und/oder des dritten Klauensegmentes herum
angeordnet sein.
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Die
Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen
beschrieben, in diesen ist:
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1 eine
Perspektivansicht eines herkömmlichen
Generatorläufers
vom Lundell-Typ nach dem Stand der Technik,
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2 eine
Perspektivansicht einer ersten Ausführungsform eines Hybrid-Generatorläufers gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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3 eine
Perspektivansicht einer zweiten Ausführungsform eines Hybrid-Generatorläufers gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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3A eine
Perspektivansicht einer Abänderung
der zweiten Ausführungsform
eines Hybrid-Generatorläufers
gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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4 eine
Perspektivansicht einer Abänderung
einer zweiten Ausführungsform
eines Hybrid-Generatorläufers
gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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5 eine
Perspektivansicht einer weiteren Abänderung einer zweiten Ausführungsform
eines Hybrid-Generatorläufers
gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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6 eine
Perspektivansicht einer weiteren Abänderungen einer zweiten Ausführung eines
Hybrid-Generatorläufers
gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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7 eine
Perspektivansicht einer dritten Ausführungsform eines Hybrid-Generatorläufers gemäß der vorliegenden
Erfindung, und
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7A eine
Perspektivansicht einer Abänderung
der dritten Ausführungsform
eines Hybrid-Generatorläufers
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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1 veranschaulicht
einen herkömmlichen Generatorläufer vom
Lundell-Typ 20. Der Läufer 20 umfaßt eine
Welle 22, eine Feldspule 24, ein erstes Klauensegment 26 und
ein zweites Klauensegment 28. Die Feldspule 24 ist
auf einer Welle 22 zwischen dem ersten und dem zweiten
Klauensegment 26 bzw. 28 montiert.
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2 veranschaulicht
eine erste bevorzugte Ausführungsform
eines Hybrid-Generatorläufers
gemäß der vorliegenden
Erfindung. Der Hybrid- Läufer 120 umfaßt eine
Welle 122, eine Feldspule 124, ein erstes Klauensegment 126 und
ein zweites Klauensegment 128. Die Feldspule 124 ist
auf einer Welle 122 zwischen dem ersten und dem zweiten
Klauensegment 126 und 128 angeordnet. Ein jedes
von dem ersten und dem zweiten Klauensegment 126 und 128 umfaßt mehrere
sich axial erstreckende Finger 126' und 128'. Die Finger 126' des ersten
Klauensegmentes 126 greifen in Finger 128' des zweiten
Klauensegmentes 128 ein, so daß die Feldspule 124 im
Wesentlichen verkapselt ist. Ein jedes von dem ersten und dem zweiten
Klauensegment 126 und 128 umfaßt auch einen sich axial erstreckenden
Vorsprung 127 bzw. 129, der als ein Träger und
magnetisches Grundeisen für
einen oder mehrere Permanentmagnete wirkt. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform ist
ein radial magnetisierter Ringmagnet, der eine Anzahl von Polen
aufweist, die gleich dem Doppelten der Anzahl von Klauenfingern 126' oder 128' an den Klauensegmenten 126 bzw. 128 ist,
an jedem Vorsprung 127 und 129 montiert. Bei anderen
Ausführungsformen
könnte
einer oder jeder von den Ringmagneten 130 durch mehrere
radial magnetisierte, diskrete Magnete ersetzt sein, wie beispielsweise mehrere
Stabmagnete (siehe 3A). In jedem Fall weist der
Ringmagnet 130 oder die mehreren Stabmagneten (siehe 3A),
die jedem Klauensegment 126, 128 zugeordnet sind,
eine Anzahl von Magnetpolen auf, die gleich dem Doppelten der Anzahl
von Fingern ist, die dem jeweiligen Klauensegment 126, 128 zugeordnet
sind.
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3 veranschaulicht
eine zweite Ausführungsform
eines Hybrid-Generatorläufers
gemäß der vorliegenden
Erfindung. Der Hybrid-Läufer 220 umfaßt eine
Welle 222, ein erstes Klauensegment 226 und ein
zweites Klauensegment 228. Der Hybrid-Läufer 220 umfaßt ferner
ein drittes Klauensegment 232, das zwischen dem ersten
und dem zweiten Klauensegment 226 und 228 angeordnet
ist. Das erste Klauensegment 226 weist mehrere sich axial erstreckende
Finger 226' auf,
und das zweite Klauensegment 228 weist auch mehrere sich
axial erstreckende Finger 228' auf. Das dritte Klauenpolsegment 232 weist
mehrere erste sich axial erstreckende Finger 232' und mehrere
zweite sich axial erstreckende Finger 232'' auf.
Eine erste Feldspule 224 ist zwischen einem ersten Klauenpolsegment 226 und
einem dritten Klauenpolsegment 232 angeordnet, so daß die erste
Feldspule 224 im Wesentlichen durch die Klauenfinger 226' und 232' verkapselt
ist. Eine zweite Feldspule 234 ist zwischen dem zweiten
und dem dritten Klauenpolsegment 228 und 232 angeordnet,
so daß die
zweite Feldspule 234 im Wesentlichen durch die Klauenfinger 228' und 232'' verkapselt ist.
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Ein
jedes von dem ersten und dem zweiten Klauensegment 226 und 228 umfaßt auch
einen sich axial erstreckenden Vorsprung 227 bzw. 229,
der als ein Träger
und magnetisches Grundeisen für
einen oder mehrere Permanentmagnete wirkt. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform
ist ein Ringmagnet 230 an jedem Vorsprung 227 und 229 montiert.
Bei anderen Ausführungsformen
kann einer oder jeder Ringmagnet 230 durch mehrere diskrete
Magnete ersetzt sein, wie beispielsweise mehrere Stabmagnete, die an
sich axial erstreckenden Vorsprüngen 227 und 229 montiert
sind. In jedem Fall weist der Ringmagnet 230 oder die mehreren
Stabmagnete 225, die in 3A gezeigt
und jedem Klauensegment 226, 228 zugeordnet sind,
eine Anzahl von Magnetpolen auf, die gleich dem Doppelten der Anzahl
von Fingern ist, die den jeweiligen Klauensegmenten 226, 228 zugeordnet
sind.
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4 veranschaulicht
eine Abänderung
der vorstehenden zweiten Ausführungsform,
bei der ein Läufer 220 ein
drittes Klauensegment 232 umfaßt, das mit einem Umfangskanal 233 um
seinen Umfang herum versehen ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist ein Ringmagnet 231 innerhalb des Kanals 233 montiert.
Bei einer alternativen Ausführungsform
kann der Ringmagnet 231 durch mehrere diskrete Magnete
ersetzt sein, wie beispielsweise mehrere Stabmagnete (nicht gezeigt),
die innerhalb des Kanals 233 um den Umfang des Klauensegmentes 232 herum
montiert sind. Bei einer anderen alternativen Ausführungsform
kann das dritte Klauensegment 232 axial in zwei Abschnitte 232A und 232B geteilt
sein, die jeweils einen sich axial erstreckenden Vorsprung 233A bzw. 233B aufweisen,
wobei der Ringmagnet 231 an den sich axial erstreckenden Vorsprüngen 233A und 233B montiert
ist (siehe 5).
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6 veranschaulicht
eine weitere Abänderung
der vorstehenden zweiten Ausführungsform,
bei der das dritte Klauensegment 232 mit einem sich in Umfangsrichtung
erstreckenden Kanal 233 um seinen Umfang herum versehen
ist, und bei der ein oder mehrere Permanentmagnete, wie beispielsweise Ringmagnet 231,
innerhalb des Kanals 233 montiert sind, aber bei der dem
ersten und dem zweiten Klauensegment 226 und 228 keinerlei
Permanentmagnete zugeordnet sind. Dementsprechend fehlen bei dieser
Ausführungsform
dem ersten und dem zweiten Klauensegment 226 und 228 vorzugsweise
die sich axial erstreckenden Vorsprünge 227 und 229,
die bei jenen Ausführungsformen
vorgesehen sind, bei denen dem ersten und dem zweiten Klauensegment 226 und 228 Permanentmagnete
zugeordnet sind, wie es beispielsweise in den 3 und 4 gezeigt ist.
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7 veranschaulicht
eine dritte Ausführungsform
eines Hybrid-Generatorläufers
gemäß der vorliegenden
Erfindung. Der Hybrid-Läufer 320 umfaßt eine
nichtmagnetische Welle 322, ein erstes Klauensegment 326 und
ein zweites Klauensegment 328. Der Hybrid-Läufer 320 umfaßt ferner
ein drittes Klauensegment 332, das zwischen dem ersten
und dem zweiten Klauensegment 326 und 328 angeordnet
ist. Das erste Klauensegment 326 weist mehrere sich axial
erstreckende Finger 326' auf,
und das zweite Klauensegment 328 weist auch mehrere sich axial
erstreckende Finger 328' auf.
Das dritte Klauenpolsegment 332 weist mehrere erste sich
axial erstreckende Finger 332' und mehrere zweite sich axial
erstreckende Finger 332'' auf. Eine erste
Feldspule 324 ist zwischen dem ersten Klauenpolsegment 326 und dem
dritten Klauenpolsegment 332 angeordnet, so daß die erste
Feldspule 324 im Wesentlichen durch die Klauenfinger 326' und 332' verkapselt
ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist ein axial magnetisierter Ringmagnet 336 zwischen dem
zweiten und dem dritten Klauensegment 328 und 332 angeordnet,
so daß der
Ringmagnet 336 im Wesentlichen durch Klauenfinger 328' und 332'' verkapselt ist. Es kann auch eine
Kombination aus einem Ringmagneten und einem axialen Abstandshalter
aus weichem magnetischem Material in dem gleichen Raum geben, der
durch den Ringmagneten alleine in 7 eingenommen
ist, wie es 7A gezeigt ist, die einen Abstandshalter 329 unter
dem Ringmagneten 336 aufweist. Bei anderen Ausführungsformen
können
mehrere axial magnetisierte diskrete Magnete, wie beispielsweise
mehrere Stabmagnete 225, wie es in 3A gezeigt
ist, den Ringmagneten 336 ersetzen. Bei Abänderungen
der dritten Ausführungsform
(nicht veranschaulicht), können
auch ein oder mehrere Permanentmagnete um das erste, das zweite
und/oder das dritte Klauensegment 326, 328 und 332 auf
die in den 3, 4 und 5 gezeigte Weise
angeordnet sein.
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Zusammengefaßt ist eine
hybriderregte Elektromaschine mit einem Permanentmagnet-Läuferfeld
zusätzlich
zu einem elektrisch erregten Läuferfeld
offenbart. Der Generatorläufer
weist zwei gegenüberliegende
Klauensegmente auf, die an entgegengesetzten Enden einer Läuferwelle
montiert sind. Ein drittes mittleres Klauensegment ist auf der Läuferwelle
zwischen dem ersten und dem zweiten Klauensegment montiert. Eine
erste gewickelte Feldspule ist auf der Läuferwelle zwischen dem ersten
und dem dritten Klauensegment montiert, und eine zweite gewickelte
Feldspule ist zwischen dem zweiten und dem dritten Klauensegment
montiert. Ein oder mehrere Permanentmagnete können um den Umfang des ersten,
des zweiten und/oder des dritten Klauensegmentes herum vorgesehen
sein.