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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, vorzugsweise einen Generator mit einem hybriderregten Läufer nach der Gattung des Anspruchs 1.
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Klauenpolmaschinen finden ihre breite Anwendung für die Erzeugung von elektrischer Energie in Bordnetzen von Kraftfahrzeugen. Ihr Klauenpolläufer ist in den meisten Fällen mit einer elektromagnetischen Erregung versehen, wobei eine Erregerspule des Läufers über Schleifringe von einem drehzahl- und lastabhängig geregelten Erregerstrom versorgt wird. Darüber hinaus sind Generatoren mit einer gemischten, so genannten Hybriderregung bekannt, welche mindestens ein elektromagnetisch und ein permanent magnetisch erregtes Modul haben. Beide Module des Läufers wirken dabei in den meisten Fällen gemeinsam auf ein mehrphasiges Wicklungssystem im Ständer der Maschine ein, wobei sich die von beiden Modulen induzierten Spannungen addieren.
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Aus der Druckschrift
US 4 882 515 A ist gemäß
8 ein hybriderregter Klauenpolläufer bekannt, bei dem ein permanent magnetisch und ein elektromagnetisch erregtes Modul auf der Läuferwelle axial nebeneinander befestigt sind. Das permanent magnetische Modul ist dabei mit einem Dauermagnetring ausgerüstet, der in Axialrichtung unipolar magnetisiert ist. Hierbei ist von Nachteil, dass der Dauermagnetring mit einer unmagnetischen Hülse von der Läuferwelle magnetisch entkoppelt werden muss, da sonst die Welle den Dauermagneten magnetisch kurzschließt. Diese Hülse wird aus einem teueren Material hergestellt und je nach Dicke der Hülse geht ein mehr oder weniger großer Streufluss des Dauermagnetringes über die Läuferwelle und schwächt so den Hauptfluss durch das Ständer-Bleckpaket mit der Ständerwicklung.
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Aus der Druckschrift
DE 41 07 867 A1 ist außerdem gemäß
1 ein ähnlicher Klauenpolläufer bekannt, bei dem jedoch das permanent magnetische Modul aus zwei außen liegenden Klauenpolscheiben mit je einem axial magnetischen Dauermagnetring und einer dazwischen angeordneten gemeinsamen Polklaue besteht. Auch hier müssen die Dauermagnetringe in nachteiliger Weise gegen die Welle magnetisch entkoppelt werden. Darüber hinaus ist aus
6 ein hybriderregter Läufer bekannt, der axial neben dem elektrisch erregten Klauenpolmodul noch ein weiteres Modul mit Einzelmagneten aufweist, die am Außenumfang eines Magnetjochs in gleichen Abständen verteilt, jeweils zwischen zwei am Joch angeformten Polen angeordnet sind (Einzelpol-Ausführung). Die Einzelmagnete sind dabei unipolar in Radialrichtung magnetisiert. Dabei ist von Nachteil, dass diese Systeme nur eine geringe magnetische Auslastung haben, aufwändig in ihrer Herstellung sind und in den Jochpolen Wirbelstromverluste verursachen, die gemeinsam mit am zahnförmigen Läuferumfang verursachten Luftwirbeln zu erhöhter Geräuschbildung führen.
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Aus der
DE 698 803 758 T2 sind elektrische Maschinen mit permanentmagnetischem Erregerkreis bekannt. Aus der
US 5 552 651 A ist eine elektrische Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit der vorliegenden Lösung wird angestrebt, bei elektrischen Maschinen mit einer Hybriderregung im Läufer die Leistungsdichte der Maschine, vorzugsweise des permanent magnetischen Modules zu erhöhen, um damit die elektrische Erregung besser gestalten und gegebenenfalls mit zunehmenden Drehzahlen reduzieren zu können.
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Diese Maschinen haben den Vorteil einer erhöhten Leistungsdichte am Läufer, einer möglichen Reduzierung des Erregerstromes im elektromagnetischen Modul, eine höhere Standzeit durch weniger Verschleiß an den Schleifringen und Bürsten und geringe Wirbelstromverluste in den Klauen beziehungsweise in den Einzelpolen. Als weiteren Vorteil erhält man durch kürzere Klauenpolfinger bedeutend kleinere mechanische Spannungen in den Klauen und eine weniger aufwändige Fertigungstechnologie für die Klauen durch Kaltverformung, gegebenenfalls ohne Schleifprozesse an den Polfingern. Die Teile der Läufermodule sind außerdem konstruktiv robust und können leicht auf niedrige Betriebstemperatur gehalten werden.
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Das permanent magnetische Erregermodul in Einzelpol-Ausführung hat ferner den Vorteil, dass durch den ebenen Außenumfang seines ringförmigen Polkernes Luftwirbel vermieden und Laufgeräusche reduziert werden. Da die Läufermodule axial nebeneinander auf der Läuferwelle befestigt sind, lassen sie sich auf einfache Weise zueinander so ausrichten, dass sie sich nicht gegenseitig magnetisch schwächen. Zur Erzielung einer punktsymmetrischen Belastung der elektromagnetischen und permanent magnetischen Module ist es vorteilhaft, wenn die Module zwei unterschiedliche Luftspaltgrößen zum Ständer-Blechpaket haben, wobei das permanentmagnetische Modul den größeren Luftspalt aufweist.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.
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Um für das permanent magnetische Modul des Läufers magnetisch hochwirksame Materialen wie Ferrite, so genannte Selten-Erden-Magnete oder kunststoffgebundene Magnetwerkstoffe verwenden zu können, müssen diese gegen mechanische Spannungen möglichst geschützt werden. Dies wird in vorteilhafter Weise dadurch erreicht, dass die Dauermagnete jeweils in Taschen eines vorzugsweise geblechten ringförmigen Polkernes eingesetzt sind. In einfachster Weise ist dabei der Polkern über einen sternförmigen Träger auf der Läuferwelle befestigt, dessen Speichen als Lüfterflügel ausgebildet sind. Zur Erzielung einer größeren Erregerleistung wird ferner vorgeschlagen, dass permanent magnetische und elektromagnetische Module in abwechselnder Folge sandwichartig auf der Läuferwelle befestigt sind. Dazu ist es bei Verwendung von drei Modulen besonders vorteilhaft, wenn ein elektromagnetisches Modul zwischen zwei permanent magnetischen Modulen angeordnet ist, wobei die Module vorzugsweise so voneinander beabstandet sind, dass in den Abständen jeweils ein Lüfter, insbesondere ein Spirallüfter befestigt wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Figuren in mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine elektrische Maschine mit hybriderregtem Läufer im Längsschnitt mit elektromagnetischem und permanent magnetischem Erregermodul in Einzelpolausführung,
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2 zeigt den ringförmigen Polkern der Maschine mit eingesetzten Einzelmagneten in der Draufsicht,
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3 zeigt die obere Hälfte der Maschine aus 1 mit den Kühlluftströmen im Arbeitsluftspalt in vergrößerter Darstellung und
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4 zeigt ein Diagramm mit der Temperaturverteilung im Ständer der Maschine.
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5 zeigt als zweites Ausführungsbeispiel eine elektrische Maschine mit drei Läufermodulen im Längsschnitt und
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6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel mit vier Läufermodulen in Sandwichbauart im Längsschnitt.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt in vereinfachter Form eine elektrische Maschine 10 im Längsschnitt als erstes Ausführungsbeispiel, die als Drehstromgenerator vorzugsweise zur elektrischen Versorgung von Bordnetzen von Kraftfahrzeugen verwendet wird. Die Maschine 10 hat ein stationäres Ständer-Blechpaket 11 mit einer darin eingesetzten, mehrphasigen Ständerwicklung 12. Über einen am Innenumfang des Ständer-Blechpaketes 11 liegenden Arbeitsluftspalt 13 wirkt die Ständerwicklung 12 mit einem Läufer 14 zusammen, der eine Hybriderregung aufweist. Die Hybriderregung wird durch zwei auf seiner Läuferwelle 15 angeordneten Erregermodulen 16 gebildet, die mit gleicher Polzahl axial nebeneinander angeordnet sind. Das rechte Modul ist hier ein Klauenpolmodul 16a mit einer Erregerspule 17 zur elektromagnetischen Erregung. Dieses Klauenpolmodul 16a besteht in an sich bekannter Weise aus zwei axial beabstandeten Klauenpolscheiben 18 mit am Außenumfang ineinander greifenden Polfingern 19. Das linke Erregermodul ist ein permanent magnetisches Einzelpolmodul 16b. Dieses Modul weist einen ringförmigen Magnetpolkern 25 auf, an dem über den Umfang gleichmäßig verteilt Radialpole 25a abwechselnder Polarität ausgebildet sind. Der Magnetpolkern 25 ist dabei bevorzugt aus Blechscheiben geschichtet. Über einen sternförmigen Tragkörper 27 ist der Magnetpolkern 25 auf der Läuferwelle 15 befestigt. Dabei sind zur Belüftung des elektromagnetischen Klauenpolmoduls 16a die Speichen 28 des Tragkörpers 27 zumindest teilweise als Lüfterflügel 28a ausgebildet.
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Der Läufer 14 ist mit seiner Läuferwelle 15 in zwei Lagerflanschen 21 gelagert, die mit dem Ständer-Blechpaket 11 verspannt sind. Die Anzahl der Radialpole 25a des permanent magnetischen Einzelpolmoduls 16b entspricht der Anzahl der am Außenumfang der Polscheiben 18 gleichmäßig verteilt angeformten Polfinger 19 und bildet die Polzahl der elektrischen Maschine 10. Die Erregerspule 17 des elektromagnetischen Klauenpolmodules 16a wird über zwei am hinteren Ende der Läuferwelle 15 angeordnete Schleifringe 22 über nicht dargestellte Bürsten mit einem last- und drehzahlgeregelten Gleichstrom versorgt. An der Außenseite der außen liegenden Klauenpolscheibe 18 des rechten elektromagnetischen Klauenpolmodules 16a ist ein Kühllüfter 23 befestigt. Zur Erzielung einer punktsymmetrischen Belastung der elektromagnetischen und permanent magnetischen Module 16a und 16b ist vorgesehen, dass die Module zwei unterschiedliche Luftspaltgrößen zum Ständer-Bleckpaket haben, wobei hier das permanent magnetische Modul 16b den größeren Luftspalt 13a aufweist.
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2 zeigt den Magnetpolkern 25 in der Draufsicht. Er enthält radial magnetisierte Dauermagnete 26 abwechselnd Polarität. Zur Verwendung hochwirksamer, mechanisch empfindlicher Magnetwerkstoffe ist der Magnetpolkern 25 mit einer der Polzahl der Maschine entsprechenden Anzahl von Aussparungen 25b versehen, in welche die Dauermagnete 26 mit abwechselnder Polarität eingesetzt sind.
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3 zeigt in vergrößerter Darstellung die obere Hälfte der Maschine 10 aus 1 im Längsschnitt mit den gestrichelt dargestellten Luftströmen 35a und 35b, die bei laufender Maschine von den als Lüfterflügel 28a ausgebildeten Speichen 28 des permanent magnetischen Einzelpolmoduls 16b generiert werden. Die durch Öffnungen 21a im Lagerflansch 21 von den Lüfterflügeln 28a axial angesaugte Luft gelangt zur inneren Klauenpolscheibe 18 des elektromagnetischen Moduls 16a und wird von dort zwischen den beiden Erregermodulen 16 hindurch radial nach außen umgelenkt. Dort gelangt sie zum Arbeitsluftspalt 13 der Maschine 10 und teilt sich nun in zwei Luftströme auf, wobei der eine Luftstrom 35a nach rechts und der andere 35b nach links durch den Arbeitsluftspalt hindurch axial bzw. schraubend nach außen geführt wird. Auf diese Weise lässt sich die Ständerwicklung 12 im Ständer-Blechpaket 11 in ihrem mittleren, thermisch am stärksten belasteten Bereich besonders gut kühlen.
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4 zeigt in einem Diagramm die Temperaturverteilung T1 an der Ständerwicklung 12 über die axiale Länge x des Blechpaketes 11. Man erkennt, dass durch die Anströmung der Kühlluft in der Mitte des Ständer-Blechpaketes 11 die Temperatur gegenüber der ohne Kühlluft auftretenden, gestrichelt dargestellten Temperaturverteilung To deutlich gesenkt und ausgeglichen wird.
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In 5 ist als zweites Ausführungsbeispiel eine elektrische Maschine 10a im Längsschnitt dargestellt, bei der ein elektromagnetisch erregtes Klauenpolmodul 16a des Läufers 14 zwischen zwei permanent magnetisch erregten Einzelpolmodulen 16b angeordnet ist. Die Module 16a und 16b sind voneinander soweit beabstandet, dass in den Abständen 32 jeweils ein Lüfter 23 befestigt ist, der insbesondere als Spirallüfter ausgebildet ist und jeweils mit den als Axiallüfter wirkenden Speichen 28 eines Tragkörpers 27 eines Einzelpolmoduls 16b zusammenwirken. Über eine auf der Läuferwelle 15 befestigten Nabe 27a des Tragkörpers 27 können Anschlussleitungen der Erregerspule 17 zu den Schleifringen 22 geführt werden.
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6 zeigt in einem weiteren Ausführungsbeispiel eine sandwichartige Anordnung mehrerer permanent magnetischer Einzelpolmodule 16b und elektromagnetischer Klauenpolmodule 16a, die in abwechselnder Folge auf der Läuferwelle 15 einer elektrischen Maschine 10b befestigt sind.
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Bei allen Ausführungsbeispielen sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszahlen versehen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, da eine Vielzahl von Alternativen möglich ist. So ist es zum Beispiel zur Vermeidung von Schleifringen für die Stromversorgung der Erregerspule möglich, dass das elektromagnetische Klauenpolmodul als Leitstückläufer ausgebildet wird, wobei die Erregerspule an einer stationären Polplatte zu befestigen ist, die am Außenumfang über einen Ringluftspalt mit einem Klauenfinger-Ring zusammen wirkt. Bei mehreren axial nebeneinander liegenden Klauenpolmodulen können gegenüber herkömmlichen Klauenpolläufern die Klauen relativ kurz gehalten werden. Das hat den Vorteil, dass bei höheren Drehzahlen in den Klauen kleinere mechanische Spannungen auftreten, so dass hierfür auch ferromagnetische Pulververbundwerkstoffe eingesetzt werden können, mit denen sich Wirbelstromverluste in den Klauen erheblich reduzieren lassen. Auch im Ständer der Maschine kann anstelle eines Blechpaketes ggf. ein ferromagnetischer Verbundwerkstoff verwendet werden.
