DE102007025971A1

DE102007025971A1 - Elektrische Maschine mit hybriderregtem Rotor

Info

Publication number: DE102007025971A1
Application number: DE102007025971A
Authority: DE
Inventors: Kurt Reutlinger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2007-06-04
Filing date: 2007-06-04
Publication date: 2008-12-11
Anticipated expiration: 2027-06-05
Also published as: US20100207480A1; BRPI0812252A2; JP2011512776A; CN101772876A; WO2008148621A1; CN101772876B; DE102007025971B4; US8922086B2; EP2156535A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Synchronmaschine (10) mit einem ortsfesten Ständer (12), einer mehrphasigen Ständerwicklung (13) und mit einem Rotor (11), der über seinen Umfang in einer vorgegebenen Folge mehrere permanentmagnetische und elektrisch erregte Pole aufweist, wobei die Polzahl des Rotors in Abhängigkeit von Stärke und Richtung eines Erregerstromes in mindestens einer Erregerspule (18) des Rotors umsteuerbar ist. Zur Reduzierung der Anzahl von Erregerspulen beziehungsweise des gesamten Spulenquerschnittes ist vorgesehen, dass die mindestens eine Erregerspule (18) mit einer Schrittweite (SW) am Umfang des Rotors angeordnet ist, die der Polteilung (Pt) der kleineren Polzahl entspricht.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem ortsfesten Ständer und einem hybriderregten Rotor nach der Gattung des Patentanspruchs 1.
Derartige Synchronmaschinen eignen sich sowohl zum Betrieb an einem festen Netz, zum Beispiel einem ortsfesten Drehstromnetz, als auch zum Betrieb über einen elektronischen Umrichter. Des Weiteren sind derartige Maschinen im Generatorbetrieb zur Regelung der induzierten Spannung in einem mehrphasigen Ständerwicklungssystem geeignet, wie sie beispielsweise in Bordnetzen von Kraftfahrzeugen benötigt werden. Bei diesen elektrischen Maschinen sind die Pole am Umfang des Rotors zum Teil permanent magnetisch und zum anderen Teil elektrisch erregt.
So sind aus der WO 2004/017496 polumschaltbare Synchronmaschinen bekannt, bei denen eine Polumschaltung des Rotors über eine Änderung der Stromrichtung in den Erregerspulen des Polrades erfolgt, die zur Steuerung der Ausgangsspannung einer mehrphasigen Ständerwicklung dient. Durch eine kontinuierliche Regelung des Erregerstromes kann dabei die Ausgangsspannung der für die höhere Polzahl ausgelegten mehrphasigen Ständerwicklung in weiten Bereichen beeinflusst werden. Dort werden beispielsweise gemäß 1a und 1b bei einer zwischen zwölf- und sechspolig umsteuerbaren Anordnung drei radial magnetisierte Dauermagnete sowie drei Erregerspulen benötigt, wobei die Erregerspulen mit einer Schrittweite von einer Polteilung der höheren Polzahl auf jeweils einen radial zum Umfang ausgerichteten Schenkel angeordnet sind. Nachteilig dabei ist, dass für eine symmetrische Polanordnung für jeden Permanentmagneten eine Erregerspule für eine entsprechende Durchflutung benötigt wird. Das erfordert einen entsprechend großen Kupferquerschnitt und Platzbedarf am Rotor. Ferner ist nachteilig, dass dort die Permanentmagnete am Rotorumfang gleiche Polarität haben, weil dadurch ihre Aufmagnetisierung im eingebauten Zustand erschwert ist, indem der magnetische Rückfluss über benachbarte Pole erfolgen muss.
Weitere Ausführungsformen derartiger Synchronmaschinen sind aus der WO 99/67871 bekannt. Dort sind jedoch im Rotor die Permanentmagnete in Radialrichtung aufgestellt und sehnenartig magnetisiert. Auch hier sind zwischen den Permanentmagneten Erregerspulen auf jeweils einem radial zum Umfang verlaufenden Schenkel angeordnet, die eine Schrittweite von einer Polteilung der höheren Polzahl aufweisen. Ebenso ist hier bei einer symmetrischen Polanordnung die Anzahl der Erregerspulen gleich der Anzahl der Permanentmagnete, wobei alle Erregerspulen auf die volle Durchflutung ausgelegt sein müssen. Für eine Maschine mit zwölfpoligem Rotor werden sogar vier Erregerspulen mit entsprechend großem Kupferquerschnitt und Platzbedarf benötigt. Auch hier ist ferner nachteilig, dass eine vollständige Aufmagnetisierung der Permanentmagnete im eingebauten Zustand am Rotor praktisch nicht realisierbar ist, da mit einem Magnetisierkopf am Rotorumfang die innen liegenden Bereiche der Permanentmagnete nicht in vollem Umfang erreicht werden.
Offenbarung der Erfindung
Mit der vorliegenden Lösung wird angestrebt, bei gleicher Leistung der elektrischen Maschine den insgesamt erforderlichen Querschnitt für die Erregerspulen des Rotors zu verringern und damit die benötigte Kupfermenge sowie den Platz und den Leistungsbedarf für die elektrische Erregung zu reduzieren.
Bei elektrischen Maschinen mit einem hybriderregten Polrad ergibt sich mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 der Vorteil, dass mittels einer gegenüber dem Stand der Technik mehrfachen Schrittweite der Erregerspulen bei gleichem Spulenquerschnitt die Spulenzahl beziehungsweise bei gleicher Spulenzahl deren Querschnitt reduziert wird. Bei gleicher Leistung lässt sich dadurch der Rotor kostengünstiger mit reduzierter Kupfermenge und kompakter herstellen. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, dass nunmehr die Permanentmagnete des Rotors in einfachster Weise in eingebautem Zustand aufmagnetisierbar sind.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale.
Dabei ist zur Erzielung einer vergrößerten Schrittweite der Erregerspulen von wesentlicher Bedeutung, dass deren Wickelköpfe an den Stirnseiten des Rotors jeweils sehnenartig unterhalb mindestens eines am Rotorumfang angeordneten und radial magnetisierten Permanentmagneten vorbeigeführt sind. In Bezug auf die Verwendung der elektrischen Maschine als Drehstromgenerator für Kraftfahrzeuge ist dabei besonders vorteilhaft, wenn die Ausgangsspannung der Ständerwicklung durch eine Änderung von Stärke und Richtung des Erregerstromes in den Erregerspulen vorzugsweise last- und temperaturabhängig zwischen einem zulässigen Maximalwert und dem Wert 0 regelbar ist. So wird zum Beispiel die Abgabeleistung dem momentanen Verbrauch angepasst, um eine konstante Netzspannung zu erhalten. In vorteilhafter Weise weist außerdem im Normalbetrieb der Maschine der Rotor die höhere Polzahl auf, wobei die Stärke und Richtung des Erregerstromes in den Erregerspulen so gewählt ist, dass im Zusammenwirken mit den Permanentmagneten am Polradumfang etwa gleichstarke Pole abwechselnder Polarität auftreten. Eine Steigerung des Erregerstromes führt zu einer Steigerung der induzierten Spannung und somit zu höherer Leistungsabgabe und umgekehrt.
Eine besonders kostengünstige Ausführungsform der elektrischen Maschine ergibt sich dadurch, dass der Rotor nur eine, in einander diametral gegenüberliegenden Nuten eingesetzte Erregerspule aufweist, die vorzugsweise an den Wickelköpfen geteilt um eine Rotorwelle herumgeführt ist und mit mindestens zwei zwischen den Nuten am Rotorumfang angeordneten, einander diametral gegenüberliegende Permanentmagneten zusammenwirkt. In vorteilhafter Weise sind dabei zwei Permanentmagnete abwechselnder radialer Polarität zu den zwei Nuten der Erregerspule um 90° versetzt angeordnet. In Weiterbildung der Erfindung wird für eine höhere Polpaarzahl vorgeschlagen, dass vier Permanentmagnete am Rotorumfang angeordnet sind, wobei zwischen den Nuten jeweils zwei Permanentmagnete mit gleicher radialer Polarität einen etwa gleich großen Abstand zueinander und zu den Nuten haben. Eine noch größerer Polpaarzahl lässt sich in vorteilhafter Weise dadurch erreichen, dass nunmehr sechs Permanentmagnete am Rotorumfang angeordnet sind, wobei zwischen den Nuten jeweils drei Magnete mit abwechselnder Polarität einen etwa gleich großen Abstand zueinander beziehungsweise zu den Nuten haben.
Eine für Generatoren in Kraftfahrzeugen besonders vorteilhafter Ausführungsform ergibt sich dadurch, dass der Rotor mindestens zwei, vorzugsweise vier, in vier um je 90° zueinander versetze Nuten eingesetzte Erregerspulen aufweist, welche mit mindestens vier zwischen den Nuten am Rotorumfang angeordneten Permanentmagneten abwechselnder radialer Polarität zusammenwirken. In vorteilhafter Weise haben dabei die vier Permanentmagnete zu den benachbarten Nuten jeweils einen Umfangsabstand, welcher der Umfangsbreite der Magnete entspricht, so dass bei entsprechendem Erregerstrom in den Erregerspulen am Rotorumfang die Polzahl von vier Pole auf zwölf Pole umsteuerbar ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße elektrische Maschine mit hybriderregtem Rotor in schematischer Darstellung,
2 zeigt den Rotor im Querschnitt mit vier Permanentmagneten und zwei steuerbaren Erregerspulen und
3 zeigt in einem Diagramm den Verlauf der Ausgangsspannung der Maschine im Generatorbetrieb in Abhängigkeit vom Erregerstrom.
4a und 4b zeigt den Rotor aus 2 mit geteilten Erregerspulen und der elektrischen Umsteuerung zwischen zwölf und vier Polen.
5a und 5b zeigen als weitere Ausführungsform einen zwischen sechs und zwei Polen umsteuerbaren Rotor mit zwei Permanentmagneten und einer geteilten Erregerspule.
6a und 6b zeigen als weiteres Ausführungsbeispiel einen zwischen zehn und zwei Polen umsteuerbaren Rotor mit vier Permanentmagneten und nur einer Erregerspule und
7a und 7b zeigen als weiteres Ausführungsbeispiel einen zwischen vierzehn und zwei Polen umsteuerbaren Rotor mit sechs Permanentmagnet und nur einer Erregerspule.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist eine elektrische Maschine in vereinfachter Weise im Querschnitt dargestellt und mit 10 bezeichnet, die als Synchronmaschine mit einem hybriderregtem Rotor 11 versehen ist. Die Maschine hat einen ortsfesten Ständer 12, der eine dreiphasige Ständerwicklung 13 trägt. Im ersten Ausführungsbeispiel nach 1 bis 3 ist die elektrische Maschine 10 ein Drehstromgenerator für Kraftfahrzeuge mit einer zwölfpoligen Ständerwicklung 13, deren drei Wicklungsstränge in Nuten 14 eines Ständer-Blechpaketes 15 mit einer Spulenschrittweite von 3 Nuten eingesetzt und in 1 über einen Teil des Umfangs dargestellt sind. Der Ständer 12 wirkt über einen Arbeitsluftspalt 16 mit dem im Ständer 12 drehbar gelagerten Rotor 11 zusammen. Der Rotor 11 weist über seinen Umfang in einer vorgegebenen Folge mehrere Nord- und Südpole N und S auf, die durch Permanentmagnete 17 sowie durch Erregerspulen 18 ausgebildet werden. Dabei lässt sich die Polzahl des Rotors 11 in Abhängigkeit von der Stärke und Richtung eines Erregerstromes in den Erregerspulen 18 umsteuern.
In 2 ist die am Umfang des Rotors 11 auftretende Polfolge dargestellt, die sich bei einem in Pfeilrichtung durch die Erregerspulen 18 fließenden Erregerstrom Ie ergibt. Dort sind zwei Erregerspulen 18 in vier Nuten 19 des Rotors 11 eingesetzt, welche um je 90° zueinander versetzt und zum Umfang des Rotors 11 ausgerichtet sind. Zwischen den Nuten 19 sind am Rotorumfang vier Permanentmagnete 17 angeordnet, die mit abwechselnder radialer Polarität mit den Erregerspulen 18 zusammenwirken. Dadurch ergeben sich bei der in 2 dargestellten Stromrichtung des Erregerstromes Ie am Rotorumfang zwölf Pole abwechselnder Polarität. Durch die Umkehr der Stromrichtung in den Erregerspulen 18 lässt sich die Polzahl des Rotors 11 umsteuern, in dem durch die Umkehrung des elektrisch erregten Feldes Φe die zu beiden Seiten einer jeden Nut 19 am Rotorumfang ausgebildeten Pole jeweils ihre Polarität wechseln, was in 2 durch die in Klammern dargestellte Polarität verdeutlicht wird. Daraus ergibt sich nunmehr am Rotorumfang eine vierpolige Anordnung mit abwechselnder symmetrischer Polarität.
Erfindungsgemäß wird dabei die Reduzierung der Anzahl von Erregerspulen 18 dadurch erreicht, dass die Erregerspulen 18 mit einer Schrittweite SW am Umfang des Rotors 11 angeordnet sind, die gemäß 1 der Polteilung Pt der kleineren Polzahl des Rotors 11 – hier folglich der vierpoligen Ausführung – entspricht. Diese gegenüber dem Stand der Technik mehrfach so große Schrittweite wird dadurch erreicht, dass die Wickelköpfe 20 der Erregerspulen 18 an den Stirnseiten des Rotors 11 jeweils sehnenartig unterhalb eines der am Rotorumfang angeordneten und radial magnetisierten Permanentmagnete 17 vorbeigeführt sind. Im Normalbetrieb der elektrischen Maschine 10 ist die Stärke und Richtung des Erregerstromes Ie in den Erregerspulen 18 so gewählt, dass im Zusammenwirken mit den Permanentmagneten 17 der Rotor die höhere Polzahl aufweist und am Rotorumfang etwa gleichstarke Pole abwechselnder Polarität auftreten. Zu diesem Zweck ist ferner vorgesehen, dass die vier Permanentmagnete 17 zu den benachbarten Nuten 14 jeweils gemäß 2 einen Umfangsabstand a haben, welcher der Umfangsbreite b der Magnete entspricht.
Mit Hilfe der 3 wird nunmehr näher erläutert, dass die Ausgangsspannung Ua der Ständerwicklung 13 des Drehstromgenerators nach 1 durch eine Änderung von Stärke und Richtung des Erregerstromes Ie in den Erregerspulen 18 vorzugsweise last- und temperaturabhängig zwischen einem zulässigen Maximalwert und dem Wert 0 regelbar ist. Dabei ist über die Zeitachse t der vom Erregerstrom Ie abhängige Verlauf der Ausgangsspannung Ua der Maschine über eine halbe Umdrehung des Rotors 11 (180° mechanisch) dargestellt. Bei der zwölfpoligen Drehstrom-Ständerwicklung 13 ergeben sich folglich bei einer halben Umdrehung des Rotors 11 drei volle Perioden.
Bei maximal zulässigem Erregerstrom Ie >> 0 wird mittels des nunmehr zwölfpoligen Rotors 11 bei vorgegebener Belastung die maximale Ausgangsspannung Ua1 in der Ständerwicklung 13 erzeugt, mit der die jeweilige Akkumulatorbatterie im Bordnetz eines Kraftfahrzeugs in an sich bekannter Weise über eine Gleichrichter-Baueinheit zu versorgen ist. In ebenfalls bekannter, nicht dargestellter Weise, wird dabei die Ausgangsspannung Ua der elektrischen Maschine 10 in Abhängigkeit von der Gleichspannung im Kraftfahrzeug-Bordnetz mehr oder weniger stark herunter geregelt. Für die elektrische Maschine 10 nach 1 bedeutet dies, dass bei einem entsprechend reduzierten Erregerstrom Ie > 0 an der Ständerwicklung 13 die entsprechend reduzierte Ausgangsspannung Ua2 auftritt, indem durch die schwächere elektrische Erregung im Rotor 11 das magnetische Gesamtfeld des Rotors 11 geschwächt wird. Diese Schwächung des Gesamtfeldes setzt sich fort bis zu einem Erregerstrom Ie = 0, bei dem nun noch eine relativ kleine Ausgangsspannung Ua3 in der Ständerwicklung 13 induziert wird.
Wird nunmehr gar die Richtung des Erregerstromes Ie < 0 in den Erregerspulen 18 gewechselt, ergibt sich gemäß 2 eine Umsteuerung der Polzahl am Rotor 11 von zwölf Polen auf vier Pole. In diesem Fall werden in den einzelnen Spulen eines Wicklungsstranges der Ständerwicklung 13 entgegen gesetzt gerichtete Spannungen induziert, die sich mehr oder weniger teilweise aufheben. Die dabei auftretende Ausgangsspannung Ua4 bewegt sich nun in einem kleinen Bereich um den Spannungswert 0. Erhöht man schließlich den Erregerstrom Ie in umkehrter Richtung auf höhere Werte Ie >> 0, so erhält man eine in 3 gestrichelt dargestellte Ausgangsspannung Ua5 mit um 180° elektrisch versetzten Halbwellen der Ausgangsspannung Ua. Für die Blindleistungsregelung muss die induzierte Spannung zwischen einem Maximum und einem Minimum regelbar sein; sie darf nicht 0 oder negativ werden, sonst kippt die Maschine in einen instabilen Zustand.
Weitere Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäß ausgebildeten hybriderregten und polumschaltbaren Rotoren von Synchronmaschinen gemäß 1 zeigen die 4 bis 7 in schematischer Darstellung.
In den 4a und 4b ist ein Rotor 11a im Querschnitt dargestellt, bei dem die zwei Erregerspulen 18 aus 2 durch vier über dem Umfang gleichmäßig verteilte Erregerspulen 18a mit jeweils halber Windungszahl ersetzt sind. Dabei ist die Stromrichtung in den Erregerspulen 18a durch Pfeile angegeben. Demzufolge ergibt sich gemäß 4a im Zusammenwirken der Permanentmagnete 17 und der Erregerspulen 18a am Rotorumfang eine zwölfpolige Anordnung und durch den Richtungswechsel des Stromes in den Erregerwicklungen 18a gemäß 4b eine vierpolige Ausbildung am Rotorumfang. Für beide Polzahlen bleibt die Polfolge über den Rotorumfang symmetrisch, wodurch eine gleichmäßig magnetische und thermische Belastung des Rotors gewährleistet ist.
In den 5a und 5b ist ein Rotor 11b schematisch im Querschnitt dargestellt, der lediglich eine an den Wickelköpfen in zwei Hälften 18a geteilte Erregerspule 18 aufweist, welche in zwei einander diametral gegenüberliegende Nuten 19 des Rotors 11 eingesetzt ist. Dabei sind die beiden Teile 18a der Erregerspule 18 an den Wickelköpfen um eine Rotorwelle 21 herumgeführt. Außerdem sind dort zwei Permanentmagnete 17 mit abwechselnder, radialer Polarität um jeweils 90° zu den zwei Nuten 19 der Erregerspule 18 versetzt am Umfang des Rotors 12 angeordnet. Bei der durch Pfeile dargestellten Stromrichtung in den beiden Hälften 18a der Erregerspule 18 ergibt sich für 5a am Rotorumfang die Ausbildung von sechs nahezu gleichstarken Polen abwechselnder Polarität. Bei einer Stromrichtungsumkehr in der Erregerspule 18 ändert auch der dadurch elektrisch erregte Magnetfluss Φ_e seine Richtung, so dass sich nunmehr gemäß 5b am Rotorumfang nur noch zwei Pole ausbilden, die jeweils über den halben Umfang verteilt sind.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel nach den 6a und 6b ist wiederum nur eine in einander diametral gegenüberliegende Nuten 19 eingesetzte Erregerspule 18 am Rotor 11c dargestellt, welche beispielsweise an ihren beiden Wickelköpfen um jeweils eine Hälfte der nicht dargestellten Rotorwelle herumzuführen ist. Hier sind jedoch vier Permanentmagnete 17 am Rotorumfang angeordnet, wobei zwischen den beiden Nuten 19 jeweils zwei Dauermagnete 17 mit gleicher radialer Polarität vorgesehen sind. Dabei haben die Permanentmagnete 17 einen etwa gleichgroßen Abstand zueinander und zu den Nuten 19 des Rotors 11c. Bei der dargestellten Polarität der vier Permanentmagnet 17 und der durch einen Pfeil gekennzeichneten Stromrichtung in der Erregerspule 18 ergibt sich in 6a am Rotorumfang eine zehnpolige Ausbildung von Nord- und Südpolen in abwechselnder Polfolge. Gemäß 6b lässt sich diese Ausführung durch eine Umkehrung der Stromrichtung in der Erregerspule 18 in eine zweipolige Anordnung umsteuern, wobei die obere Hälfte des Rotorumfangs als Südpol und die untere als Nordpol ausgebildet wird.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß 7a und 7b ist wiederum eine Erregerspule 18 in zwei einander diametral gegenüberliegende Nuten eines Rotors 11d eingesetzt. Dort sind jedoch nunmehr sechs Permanentmagnete 17 am Rotorumfang derart angeordnet, dass zwischen den Nuten 19 jeweils drei Permanentmagnet 17 mit gleicher radialer Polarität einen etwa gleich großen Abstand zueinander beziehungsweise zu den Nuten haben. Auch hier wird durch eine Umsteuerung der durch Pfeile dargestellten Stromrichtung in der Erregerspule 18 am Rotorumfang die Polzahl umgesteuert. Dabei ergibt sich bei der vorgegebenen Stromrichtung gemäß 7a am Rotorumfang eine vierzehnpolige Ausbildung mit etwa gleich starken Polen abwechselnder Polarität. Bei einer Stromrichtungsumkehr in der Erregerspule 18 gemäß
7b werden nunmehr die elektrisch erregten Pole zu beiden Seiten der Nuten 19 umgepolt und es entsteht über den Rotorumfang eine zweipolige symmetrische Ausbildung mit einem Nordpol auf der oberen und einem Südpol auf der unteren Hälfte des Rotorumfangs.
Bei den Ausführungsbeispielen nach 4 bis 7 ist die Ausbildung des magnetischen Feldes über den Rotorumfang durch einen entsprechenden Feldlinienverlauf dargestellt, wobei der Magnetfluss der Permanentmagnete 17 mit Φ_m sowie der elektrisch erregte Magnetfluss mit Φ_e bezeichnet ist. Ferner ist bei den Ausführungsbeispielen zur Erzielung einer möglichst gleichmäßigen Polverteilung am Rotorumfang für die höhere Polzahl des Rotors 11 von Bedeutung, dass die Permanentmagnete 17 zu den benachbarten Nuten 19 beziehungsweise zueinander jeweils einen Umfangsabstand a haben, welcher der Umfangsbreite b der Permanentmagnete 17 entspricht.
Durch die Anordnung der radial magnetisierten Permanentmagnete 17 am Umfang des Rotors 11 ist es möglich, diese in einfacher Weise im zusammengebauten Zustand des Rotors aufzumagnetisieren. Da jeweils eine gleich große Zahl von Nord- und Südpolen vorhanden ist, hebt sich beim Magnetisiervorgang mittels einer von außen auf den Rotorumfang aufgesetzten Magnetisiervorrichtung der magnetische Fluss durch die Permanentmagnete auf. Da außerdem die Nordpole zu den Südpolen einen großen Abstand besitzen, lassen sie sich auf ihrer ganzen Breite bis hin zu ihren Kanten gut aufmagnetisieren, wobei die Feldlinien beim Aufmagnetisiervorgang an den Polkanten keine störenden Streuflüsse aufweisen. Durch die Anordnung der Erregerspulen 18 radial unterhalb der Permanentmagnete 17 ist es sogar möglich, die Aufmagnetisierung der Permanentmagnete 17 mittels Stromstöße in der Erregerspule 18 vorzunehmen.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, zumal bei größeren und leistungsstarken Maschinen mit hybriderregtem Rotor eine hohe Polzahl durch eine entsprechend höhere Anzahl von Erregerspulen 18 und Permanentmagneten 17 zu realisieren ist. Derartige Maschinen lassen sich an ortsfesten Wechselstrom- beziehungsweise Drehstromnetzen sowohl zur Regelung der Blindleistung über den Erregerstrom als auch zur Drehzahlumschaltung verwenden. So ist es beispielsweise möglich, bei einer elektrischen Maschine, deren Ständerwicklung zwischen zwei und sechs Polen umschaltbar ist, durch die Umsteuerung der Rotorpole die Maschinendrehzahl auf das Dreifache zu erhöhen beziehungsweise auf ein Drittel zu reduzieren. Bei derartigen elektrischen Maschinen, die mit einem Umrichter beziehungsweise Wechselrichter im Motorbetrieb arbeiten, lässt sich ferner durch die Steuerung des Erregerstromes am Rotor 11 eine Feldschwächung realisieren, die zu einer Erhöhung der Drehzahl führt, sofern über eine Rückkopplung die Schaltfrequenz des Umrichters erhöht wird.
Die Erregerspulen 18 sind bei allen Ausführungsformen der Erfindung mit einer Schrittweite SW am Umfang des Rotors 11 angeordnet, die der Polteilung Pt der jeweils kleineren Polzahl entspricht.
Die Permanentmagnete 17 sind dabei als Flachmagnete ausgebildet und am Rotorumfang angeordnet, indem sie beispielsweise gemäß 1 und 2 in entsprechende Ausnehmungen des Rotors 11 befestigt sind oder gemäß 4 bis 7 in entsprechende tangential am Rotorumfang angeordnete Schlitze axial eingeschoben sind.
Eine Wiederholung der Muster im Rotor können zur Ausbildung größerer Polzahlen realisiert werden. So ist beispielsweise im Bild 1 und 2 sowie 4a und 4b eine Verdoppelung der Anordnung aus Bild 5 dargestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 2004/017496 [0003]
- WO 99/67871 [0004]

Claims

Elektrische Maschine (10) mit einem ortsfesten Ständer (12), der eine vorzugsweise mehrphasige Ständerwicklung (13) trägt und mit einem Rotor, der über einen Arbeitsluftspalt (16) mit dem Ständer zusammenwirkt und der über seinen Umfang in einer vorgegebenen Folge mehrere durch Permanentmagnete (17) und durch mindestens eine Erregerspule (18) elektrisch erregte Pole aufweist, wobei die Polzahl des Rotors in Abhängigkeit von Stärke und Richtung eines Erregerstromes (Ie) in der mindestens einen Erregerspule umsteuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Erregerspule (18) mit einer Schrittweite (SW) am Umfang des Rotors (11) angeordnet ist, die der Polteilung (Pt) der kleineren Polzahl entspricht.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wickelköpfe (20) der mindestens einen Erregerspule (18) an den Stirnseiten des Rotors (11) jeweils sehnenartig unterhalb mindestens eines am Rotorumfang angeordneten und radial magnetisierten Permanentmagneten (17) vorbeigeführt sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, vorzugsweise Drehstromgenerator für Kraftfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannung (Ua) der Ständerwicklung (13) durch eine Änderung von Stärke und Richtung des Erregerstromes (Ie) in der mindestens einen Erregerspule (18) vorzugsweise last- und temperaturabhängig zwischen einem zulässigen Maximalwert und dem Wert 0 regelbar ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Normalbetrieb der Maschine (10) der Rotor (11) die höhere Polzahl aufweist, wobei die Stärke und Richtung des Erregerstromes (Ie) in der mindestens einen Erregerspule (18) so gewählt ist, dass im Zusammenwirken mit den Permanentmagneten (17) am Rotorumfang etwa gleich starke Pole abwechselnder Polarität auftreten.
Elektrische Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (11) nur eine, in einander diametral gegenüberliegende Nuten (19) eingesetzte Erregerspule (18) aufweist, die vorzugsweise an den Wickelköpfen (20) geteilt um eine Rotorwelle (21) herumgeführt ist und mit mindestens zwei zwischen den Nuten (19) am Rotorumfang angeordneten, einander diametral gegenüberliegenden Permanentmagneten (17) zusammenwirkt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Permanentmagnete (17) abwechselnder radialer Polarität zu den zwei Nuten (19) der Erregerspule (18) um jeweils 90° versetzt sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass vier Permanentmagnete (17) am Rotorumfang angeordnet sind, wobei zwischen den Nuten (19) jeweils zwei Magnete mit gleicher radialer Polarität einen etwa gleich großen Abstand (a) zueinander und zu den Nuten (19) haben.
Elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sechs Permanentmagnete (17) am Rotorumfang angeordnet sind, wobei zwischen den Nuten jeweils drei Magnete mit gleicher radialer Polarität einen etwa gleich großen Abstand (a) zueinander beziehungsweise zu den Nuten (19) haben.
Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (11) mindestens zwei, vorzugsweise vier, in um jeweils 90° zueinander versetzte Nuten (19) eingesetzte Erregerspulen (18) aufweist, welche mit vier zwischen den Nuten (19) am Rotorumfang angeordneten Permanentmagneten (17) abwechselnder radialer Polarität zusammenwirken.
Elektrische Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorzugsweise vier Permanentmagnete (17) zu den benachbarten Nuten (19) jeweils einen Umfangsabstand (a) haben, welcher der Umfangsbreite (b) der Magnete entspricht, so dass bei entsprechendem Erregerstrom in den Erregerspulen (18) am Rotorumfang die Magnetpole von einer höheren Polzahl, vorzugsweise von zwölf Polen auf eine niederen Polzahl, vorzugsweise vier Pole, umsteuerbar ist.