DE102010001207A1

DE102010001207A1 - Electric machine e.g. homopolar machine, for use as starter or starter generator for e.g. petrol engine of motor car, has multipolar rotor made of soft magnetic material and connected with drive shaft of engine over gear box

Info

Publication number: DE102010001207A1
Application number: DE201010001207
Authority: DE
Inventors: Eckart 70180 Nipp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2010-01-26
Filing date: 2010-01-26
Publication date: 2011-07-28

Abstract

The machine (13) has a stator (14) provided with a direct current (DC) excitation winding (16) for separate electrical excitation. A multipolar rotor (17) is made of a soft magnetic material i.e. steel, and is connected with a drive shaft (11) of an internal combustion engine (10) over a gear box (12) with transmission ratio of 13:1. The rotor has two radially outwardly directed north poles symmetrically distributed over its periphery. The excitation winding is supplied with DC in generator and/or motor operation of the machine by a semiconductor circuit (18) of a regulation- and control unit.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, die als Starter oder Starter-Generator mit der Antriebswelle einer Brennkraftmaschine fest gekoppelt wird und deren Stator gemäß der Gattung des Patentanspruchs 1 eine Drehstromwicklung hat.The invention relates to an electrical machine which is fixedly coupled as a starter or starter-generator with the drive shaft of an internal combustion engine and whose stator according to the preamble of claim 1 has a three-phase winding.

Bei Kraftfahrzeugen mit Brennkraftmaschinen werden üblicherweise zwei elektrische Maschinen eingesetzt. Eine Maschine dient zum Starten der Brennkraftmaschine und eine weitere als Generator für die Versorgung des elektrischen Bordnetzes im Fahrzeug. Während letzterer normalerweise über einen Riementrieb permanent mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbunden ist, wird der Startmotor nur für den Startvorgang mechanisch über eine Einrückkupplung mit der Antriebswelle der Maschine verbunden. Um zum Andrehen der Maschine ein ausreichend starkes Drehmoment zu erzeugen, greift das Starterritzel mit einer großen Untersetzung in einen Zahnkranz an der Antriebswelle der Maschine an. Danach wird das Starterritzel wieder ausgekuppelt, um bei laufender Brennkraftmaschine extrem hohe Drehzahlen, hohen Verschleiß und hohe Verluste im Startermotor zu vermeiden.In motor vehicles with internal combustion engines usually two electrical machines are used. One machine is used to start the internal combustion engine and another as a generator for the supply of the electrical system in the vehicle. While the latter is normally permanently connected to the crankshaft of the internal combustion engine via a belt drive, the starting engine is mechanically connected to the drive shaft of the engine only for the starting process via an engagement clutch. In order to generate a sufficiently strong torque to crank the machine, the starter pinion engages with a large reduction in a ring gear on the drive shaft of the machine. Thereafter, the starter pinion is disengaged again to avoid extremely high speeds, high wear and high losses in the starter motor when the internal combustion engine is running.

Der Einrückmechanismus ist dabei kosten- und materialaufwändig sowie störanfällig und stellt für das Kraftfahrzeug zusätzliches Gewicht dar. Außerdem steht es den Bemühungen entgegen, den Kraftstoffverbrauch und CO₂-Ausstoß von Brennkraftmaschinen zu reduzieren. Zu diesem Zweck werden auch in zunehmendem Umfang sogenannte Start-Stopp-Vorrichtungen in Fahrzeugen verwendet, mit denen die Brennkraftmaschine angehalten wird, sobald ihre Vortriebskraft nicht mehr benötigt wird. Dies führt jedoch zu einer massiv erhöhten Anzahl von Startzyklen über die Lebensdauer der Brennkraftmaschine, was wiederum dazu führt, dass dies mit einer Einspurkupplung, einem Leistungsschalter und einem Kommutatorläufer des Startermotors mit standartgemäßer Auslegung nicht mehr realisiert werden kann.The engagement mechanism is costly and material-consuming and prone to failure and represents additional weight for the motor vehicle. It is also contrary to the efforts to reduce the fuel consumption and CO ₂ emissions of internal combustion engines. For this purpose, so-called start-stop devices are increasingly being used in vehicles with which the internal combustion engine is stopped as soon as its driving force is no longer needed. However, this leads to a massively increased number of start cycles over the life of the internal combustion engine, which in turn means that this can no longer be realized with a single-track clutch, a circuit breaker and a commutator rotor of the starter motor with standard design.

Ein bekannter alternativer Ansatz ist, den permanent über einen Riementrieb mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbundenen Generator auch zum Starten der Brennkraftmaschine zu nutzen. Derartige Starter-Generatoren müssen dann jedoch mit einer elektronischen Kommutierung ausgerüstet werden, um einen Motorbetrieb zu ermöglichen. Diese elektrischen Maschinen sind mit einem Klauenpol-Schleifringläufer ausgerüstet, dessen Drehfestigkeit begrenzt ist und bei einer maximal zulässigen Drehzahl der Brennkraftmaschine nicht überschritten werden darf. Das Übersetzungsverhältnis der elektrischen Maschine zur Antriebswelle der Brennkraftmaschine beträgt hier maximal 5:1. Andererseits muss die elektrische Maschine im Motorbetrieb im unteren Drehzahlbereich entsprechend ausgelegt sein, um ein starkes Drehmoment zum Starten der Brennkraftmaschine zu entwickeln.A known alternative approach is to use the permanently connected via a belt drive with the crankshaft of the internal combustion engine generator for starting the internal combustion engine. However, such starter generators must then be equipped with an electronic commutation to allow engine operation. These electrical machines are equipped with a claw-pole slip ring rotor whose torsional strength is limited and must not be exceeded at a maximum permissible speed of the internal combustion engine. The transmission ratio of the electric machine to the drive shaft of the internal combustion engine is here a maximum of 5: 1. On the other hand, the engine must be designed accordingly in the engine operation in the lower speed range, in order to develop a strong torque for starting the internal combustion engine.

Schließlich ist es aus der DE 197 48 045 A1 bekannt, einen sogenannten Starter-Generator über ein Umschaltgetriebe mit der Antriebswelle einer Brennkraftmaschine fest zu koppeln. Durch die Getriebeumschaltung lässt sich die elektrische Maschine sowohl im Motorbetrieb als auch im Generatorbetrieb im etwa gleichen Drehzahlbereich betreiben, so dass sie in ihrer Baugröße einem üblichen Generator für die jeweilige Brennkraftmaschine entspricht. Nachteilig ist hierbei jedoch das benötigte kostenintensive Umschaltgetriebe mit den dafür erforderlichen zusätzlichen Teilen, dem zusätzlichen Gewicht und Platz, sowie die dafür benötigte Umsteuerung zwischen Motor- und Generatorbetrieb.Finally it is off the DE 197 48 045 A1 known to firmly couple a so-called starter generator via a switching gear with the drive shaft of an internal combustion engine. Due to the gear change, the electric machine can be operated both in engine operation and in generator operation at approximately the same speed range, so that its size corresponds to a conventional generator for the respective internal combustion engine. The disadvantage here, however, the required costly gearbox with the necessary additional parts, the additional weight and space, and the required reversal between engine and generator operation.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Mit der vorliegenden Lösung wird angestrebt, zum Starten von Brennkraftmaschinen eine elektrische Maschine zu verwenden, die mit der Antriebswelle der Brennkraftmaschine ohne Umschaltgetriebe fest gekoppelt wird und die auch für den oberen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine die dafür erforderliche Drehzahlfestigkeit aufweist.The present solution seeks to use an electric machine for starting internal combustion engines, which is fixedly coupled to the drive shaft of the internal combustion engine without change gear and which also has the required speed stability for the upper speed range of the internal combustion engine.

Bei einer solchen, bevorzugt als Homopolarmaschine ausgebildeten elektrischen Maschine, ergibt sich mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 der Vorteil, dass der Rotor keinerlei Wicklungen mit Schleifringen oder Kommutator benötigt und dass dadurch Drehzahlen von weit über 100 000 min^–1 realisierbar sind. Der Starter braucht weder die übliche mechanische Kupplung mit Einspurvorrichtung und Freilauf noch ein Vorgelege zwischen Startermotor und Starterritzel. Die Verwendung einer elektrischen Fremderregung im Stator der Homopolarmaschine hat den Vorteil, dass gegenüber dem üblichen Startermotor mit permanent erregtem Stator in der Drehstromwicklung der Maschine nach dem Hochlaufen der Brennkraftmaschine im Generatorbetrieb keine überhöhte Spannungen induziert werden, da dies durch ein Herunterregeln oder Abschalten der elektrischen Erregung zu verhindern ist. Dies hat ferner den Vorteil, dass bei abgeschalteter elektrischer Fremderregung in der Homopolarmaschine weder Eisen- und Kupferverluste noch magnetische Geräusche durch Radialkräfte zwischen Stator und Rotor entstehen.In such, preferably designed as a homopolar electric machine, it is with the characterizing features of claim 1 has the advantage that the rotor does not require any windings with slip rings or commutator and that thereby speeds of well over 100 000 min ^-1 can be realized. The starter needs neither the usual mechanical clutch with Einspurvorrichtung and freewheel nor a countershaft between starter motor and starter pinion. The use of an external electrical excitation in the stator of the homopolar engine has the advantage that over the usual starter motor with permanently excited stator in the three-phase winding of the machine after running up the engine in the generator operation, no excessive voltages are induced, as by lowering or turning off the electrical excitation to prevent. This also has the advantage that when switched off electrical external excitation in the homopolar neither iron and copper losses nor magnetic noise caused by radial forces between the stator and rotor.

Ein weiterer Vorteil der vorgeschlagenen Lösung besteht darin, dass die mit der Brennkraftmaschine fest gekoppelte Homopolarmaschine als Starter-Generator auch das Bordnetz von Kraftfahrzeugen versorgen kann. Dazu wird bei gestarteter Brennkraftmaschine die Erregerwicklung im Stator der Homopolarmaschine mit einem geregelten Gleichstrom in Abhängigkeit von der Bordnetzspannung versorgt, wobei dann die in der Drehstromwicklung des Stators erzeugte elektrische Energie über eine Umrichter-Brückenschaltung gleichgerichtet dem Bordnetz zugeführt wird.Another advantage of the proposed solution is that the homopolar engine firmly coupled to the engine as a starter generator can also supply the electrical system of motor vehicles. This is started at Internal combustion engine, the excitation winding in the stator of the homopolar engine supplied with a regulated DC depending on the vehicle electrical system voltage, in which case the electrical energy generated in the three-phase winding of the stator rectified via an inverter bridge circuit is supplied to the electrical system.

Schließlich ist die mit der Brennkraftmaschine fest gekoppelte Homopolarmaschine auch noch zur Unterstützung der Brennkraftmaschine im sogenannten Boostbetrieb zu verwenden, indem sie bei gestarteter Brennkraftmaschine durch eine entsprechende Ansteuerung des Umrichters weiterhin im Motorbetrieb arbeitet.Finally, the homopolar engine firmly coupled to the internal combustion engine is also to be used to support the internal combustion engine in the so-called boost mode by continuing to operate in engine operation when the internal combustion engine is started by a corresponding control of the converter.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale.The measures listed in the dependent claims, advantageous embodiments and developments of the features specified in the main claim arise.

Eine besonders kompakte Ausführung der Homopolarmaschine wird dadurch erreicht, dass die mindestens eine Erregerwicklung koaxial zu mindestens einer mehrphasigen, in einem Blechpaket des Stators eingesetzten Drehstromwicklung angeordnet ist. Dabei lässt sich mit der gleichstromgespeisten Erregerwicklung ein verlustarmes magnetisches Gleichfeld erzeugen, indem der Magnetfluss über das Stator-Blechpaket und einen Arbeitsluftspalt in mindestens einen Südpol des Rotors geführt und von dort über mindestens einen Nordpol des Rotors über einen weiteren Arbeitsluftspalt und dem Blechpaket des Stators zurückgeführt wird. In einfacher und zweckmäßiger Weise sind die Phasen der Drehstromwicklung über einen Umrichter an das Bordnetz eines Kraftfahrzeuges anzuschließen, wobei der Umrichter von einer elektronischen Steuerung die Homopolarmaschine als Motor oder als Generator betreibt. In vorteilhafter Weise ist dabei der Umrichter als Brückenschaltung aufgebaut, deren Schaltelemente von einer elektronischen Steuerung in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine ansteuerbar sind. Dabei ist in vorteilhafter Weise die Brückenschaltung für den Motorbetrieb der Homopolarmaschine als Wechselrichter von der elektronischen Steuerung ansteuerbar. Darüber hinaus ist die Brückenschaltung für den Generatorbetrieb der Homopolarmaschine als Gleichrichter zur Versorgung des Kraftfahrzeug-Bordnetzes von der elektronischen Steuerung ansteuerbar.A particularly compact embodiment of the homopolar machine is achieved in that the at least one exciter winding is arranged coaxially with at least one polyphase, three-phase winding inserted in a laminated core of the stator. In this case, with the DC-powered excitation winding generate a low-loss magnetic DC field by the magnetic flux passed through the stator core and a working air gap in at least one south pole of the rotor and returned from there via at least one north pole of the rotor via a further working air gap and the laminated core of the stator becomes. In a simple and expedient manner, the phases of the three-phase winding are connected via a converter to the electrical system of a motor vehicle, the inverter of an electronic control operates the homopolar engine as a motor or as a generator. Advantageously, the converter is constructed as a bridge circuit whose switching elements are controlled by an electronic control in dependence on the speed of the internal combustion engine. In this case, the bridge circuit for the motor operation of the homopolar engine can be controlled as an inverter of the electronic control in an advantageous manner. In addition, the bridge circuit for the generator operation of the homopolar engine as a rectifier for supplying the motor vehicle electrical system of the electronic control can be controlled.

Für eine kompakte Bauweise der Homopolarmaschine wird vorgeschlagen, dass das Statorblechpaket aus mindestens zwei voneinander axial beabstandeten Teilen in einem weichmagnetischen, rohrförmigen Statorgehäuse befestigt ist, wobei zwischen den Teilen des Statorblechpaketes eine ringförmige Erregerwicklung angeordnet und für einen magnetischen Rückschluss vom Gehäuse umgeben ist. Eine besonders hohe Leistungsdichte lässt sich für die Homopolarmaschine dadurch erzielen, dass das Statorblechpaket aus drei, mit Abstand axial hintereinander im rohrförmigen Gehäuse befestigten Teilen besteht, zwischen denen jeweils eine Hälfte der Erregerwicklung angeordnet ist.For a compact construction of the homopolar engine, it is proposed that the stator lamination stack be fastened from at least two axially spaced apart parts in a soft-magnetic, tubular stator housing, wherein an annular field winding is arranged between the parts of the stator lamination packet and is surrounded by the housing for a magnetic return. A particularly high power density can be achieved for the homopolar machine by virtue of the fact that the stator laminated core consists of three parts, axially spaced one behind the other in the tubular housing, between which one half of the field winding is arranged.

Da die Drehstromwicklung bei Homopolarmaschinen von einem magnetischen Gleichfluss der Erregerwicklung durchsetzt ist, dessen Stärke sich mit den umlaufenden Polen des Rotors periodisch ändert, wird zur Erzielung einer hohen Leistungsausbeute vorgeschlagen, dass die mehrphasige Drehstromwicklung in axial zueinander ausgerichteten Nuten am Innenumfang der Blechpaketteile eingesetzt ist, wobei die Phasen als Wicklungsstränge über den Umfang verteilt angeordnet und zur Drehstromwicklung miteinander verschaltet sind.Since the three-phase winding in Homopolarmaschinen is traversed by a magnetic DC flux of the field winding whose strength varies periodically with the rotating poles of the rotor is proposed to achieve a high power output that the polyphase three-phase winding is inserted in axially aligned grooves on the inner periphery of the laminated core parts, wherein the phases are arranged distributed as winding strands over the circumference and interconnected to the three-phase winding.

Für die erforderliche sehr hohe Drehzahlfestigkeit des Rotors wird dieser vorzugsweise einstückig aus weichmagnetischem Stahl hergestellt, wobei der Rotor mindestens zwei radial nach außen gerichtete, über den Umfang symmetrisch verteilte Nordpole aufweist, die mit mindestens zwei dazu axial beabstandeten Südpolen des Rotors zusammenwirken. Dabei sind die Nord- und Südpole des Rotors jeweils um eine Polteilung gegeneinander in Umfangsrichtung versetzt und wirken jeweils über einen Arbeitsluftspalt mit einem Teil des Statorblechpaketes zusammen. Im Hinblick auf die vorerwähnte Ausbildung des Statorblechpaketes in drei Teilen ist vorgesehen, dass der damit zusammenwirkende Rotor an drei voneinander axial beabstandeten Abschnitten mit radial nach außen gerichteten Polen versehen ist, wobei die Pole im mittleren Abschnitt des Rotors um eine Polteilung gegenüber den Polen an den beiden äußeren Abschnitten des Rotors versetzt sind. Für niedriger drehende Homopolarmaschinen ist zweckmäßigerweise ein Rotor zu verwenden, der eine höhere Anzahl, beispielsweise vier radial nach außen gerichtete, über den Umfang symmetrisch verteilte Nordpole und ebensoviele dazu um jeweils eine Polteilung in Umfangsrichtung versetzte Südpole aufweist.For the required very high speed stability of the rotor, this is preferably made in one piece from soft magnetic steel, wherein the rotor has at least two radially outwardly directed, circumferentially symmetrically distributed north poles, which cooperate with at least two axially spaced south poles of the rotor. The north and south poles of the rotor are each offset by a pole pitch against each other in the circumferential direction and each act via a working air gap with a portion of the laminated stator core together. In view of the aforementioned formation of the stator lamination in three parts is provided that the cooperating rotor is provided at three axially spaced portions with radially outward poles, wherein the poles in the central portion of the rotor by a pole pitch with respect to the poles to the both outer sections of the rotor are offset. For lower rotating Homopolarmaschinen is advantageously to use a rotor having a higher number, for example, four radially outwardly directed, circumferentially symmetrically distributed north poles and just as many to one pole pitch in the circumferential direction offset south poles.

Die Erregerwicklung der Maschine wird in vorteilhafter Weise für den Generator- sowie für den Motorbetrieb über eine Halbleiterschaltung von einer Steuer- und Regeleinheit mit Gleichstrom versorgt. In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Drehstromwicklung der Homopolarmaschine über die Brückenschaltung und deren elektronischer Steuerung von einem Drehwinkelsensor anzusteuern ist, welcher wahlweise an der Brennkraftmaschine oder an der Homopolarmaschine angeordnet ist.The field winding of the machine is supplied in an advantageous manner for the generator as well as for motor operation via a semiconductor circuit of a control and regulating unit with direct current. In an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the three-phase winding of the homopolar engine is to be controlled via the bridge circuit and its electronic control by a rotation angle sensor, which is optionally arranged on the internal combustion engine or on the homopolar machine.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Figuren näher erläutert.The invention will be explained in more detail below by way of example with reference to FIGS.

Es zeigen:Show it:

1 eine Brennkraftmaschine mit einer dazu über ein Getriebe fest gekoppelten, fremderregten Homopolarmaschine in schematischer Darstellung, 1 an internal combustion engine with a fixedly coupled via a transmission, externally excited homopolar machine in a schematic representation,

2 die Homopolarmaschine aus 1 im Längsschnitt, 2 the homopolar engine off 1 in longitudinal section,

3 das Statorblechpaket der Homopolarmaschine mit ihrem Gehäuse in raumbildlicher Darstellung, 3 the laminated stator core of the homopolar machine with its housing in three-dimensional representation,

4 den vierpoligen, einstückig hergestellten Rotor der Homopolarmaschine aus 2 in raumbildlicher Darstellung, 4 the four-pole, one-piece manufactured rotor of Homopolarmaschine 2 in spatial representation,

5 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel einen einstückig hergestellten Rotor der Homopolarmaschine in achtpoliger Ausführung. 5 shows as a further embodiment of an integrally manufactured rotor Homopolarmaschine in eight-pole design.

6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Homopolarmaschine mit einem dreiteiligen Statorblechpaket in raumbildlicher, bis zur Mittelachse aufgeschnittener Darstellung, 6 shows a second embodiment of the homopolar machine with a three-piece laminated stator core in three-dimensional, cut to the central axis representation,

7 zeigt den Rotor der Homopolarmaschine nach 6 mit seinen an drei Abschnitten angeordneten Polen in raumbildlicher Darstellung. 7 shows the rotor of the homopolar machine 6 with its poles arranged in three sections in spatial representation.

8 zeigt die elektrische Schaltung für die Erregerwicklung der Homopolarmaschine mit ihrer Halbleiterschaltung und deren Gleichstromversorgung, 8th shows the electrical circuit for the excitation winding of the homopolar machine with its semiconductor circuit and its DC power supply,

9 zeigt die elektrische Schaltung der Drehstromwicklung der Homopolarmaschine mit an einer Gleichstromversorgung angeschlossenem Umrichter und 9 shows the electrical circuit of the three-phase winding of Homopolarmaschine connected to a DC power supply inverter and

10 zeigt einen Schaltungszweig des Umrichters aus 9 mit seinen elektronisch ansteuerbaren Schaltelementen. 10 shows a circuit branch of the inverter 9 with its electronically controllable switching elements.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In 1 ist eine mit 10 bezeichnete Brennkraftmaschine schematisch dargestellt, deren Antriebswelle 11 über ein Getriebe 12 mit einer elektrischen Synchronmaschine fest gekoppelt ist. Die Synchronmaschine ist als Homopolarmaschine 13 ausgebildet, deren Stator 14 einerseits eine Drehstromwicklung 15 trägt und andererseits eine gleichstromgespeiste Erregerwicklung 16 aufweist. Ihr Rotor 17 ist aus ungeblechtem, weichmagnetischem Material hergestellt. Er ist über das Getriebe 12 mit einem Übersetzungsverhältnis von beispielsweise 15:1 mit der Antriebswelle 11 der Brennkraftmaschine 10 verbunden. Zum Starten der Brennkraftmaschine 10 wird die Erregerspule 16 der Homopolarmaschine 13 über eine Halbleiterschaltung 18 mit maximal zulässigem Gleichstrom fremderregt und die Drehstromwicklung 15 wird über einen Umrichter 19 mit Drehstrom versorgtIn 1 is one with 10 designated internal combustion engine shown schematically, the drive shaft 11 via a gearbox 12 is fixedly coupled with an electric synchronous machine. The synchronous machine is a homopolar machine 13 formed, whose stator 14 on the one hand, a three-phase winding 15 carries and on the other hand, a DC-powered exciter winding 16 having. Your rotor 17 is made of non-woven, soft magnetic material. He is about the transmission 12 with a gear ratio of, for example 15: 1 with the drive shaft 11 the internal combustion engine 10 connected. To start the internal combustion engine 10 becomes the exciter coil 16 the homopolar machine 13 via a semiconductor circuit 18 with the maximum permissible direct current and the three-phase winding 15 is via an inverter 19 supplied with three-phase current

Um zum sicheren Starten der Brennkraftmaschine deren Antriebswelle 11 mit großem Drehmoment auf die erforderliche Startdrehzahl andrehen zu können, muss die Homopolarmaschine 13 im Motorbetrieb bereits eine entsprechend hohe Drehzahl haben. Dazu ist im Getriebe 12 ein Übersetzungsverhältnis von mindestens 10:1, vorzugsweise von größer 13:1 vorzusehen. Als Übersetzungsverhältnis im Getriebe 12 ist das Drehzahlverhältnis der Rotorwelle 25 zur Kurbelwelle beziehungsweise Antriebswelle 11 zu verstehen. Innerhalb dieser Übersetzungsbereiche ist selbst bei einem langsam laufenden Dieselmotor mit beispielsweise einer Höchstdrehzahl von 5000 min^–1 ein Kommutator- oder Schleifringmotor als Startermotor nicht mehr einsetzbar, weil die dabei an seinem Rotor angreifenden Fliehkräfte nicht mehr zu beherrschen sind und die erforderliche Lebensdauer der Schleifringbürsten nicht mehr darstellbar ist. Desweiteren würden bei permanentmagnetisch erregten elektrischen Maschinen, wie sie bei Startermotoren üblich sind, im oberen Drehzahlbereich im Rotor sehr hohe Spannungen induziert werden, die gegebenenfalls nur mit erheblichem Mehraufwand beherrscht werden könnten. Dagegen ist die Homopolarmaschine mit einem massearmen, vorzugsweise aus weichmagnetischem Stahl einstückig herstellbaren Rotor 17 ausgerüstet, der ohne Wicklungen, Schleifringen beziehungsweise Kommutator auskommt und daher selbst bei schnelllaufenden Benzinmotoren über einen Drehzahlbereich bis weit über 100 000 min^–1 die erforderliche Drehzahlfestigkeit und Verschleißarmut aufweist.To safely start the internal combustion engine whose drive shaft 11 With high torque to the required starting speed to turn, must the homopolar engine 13 In engine operation already have a correspondingly high speed. This is in the transmission 12 to provide a gear ratio of at least 10: 1, preferably greater than 13: 1. As gear ratio in the transmission 12 is the speed ratio of the rotor shaft 25 to the crankshaft or drive shaft 11 to understand. Within these translation ranges even with a slow-running diesel engine with, for example, a maximum speed of 5000 min ^-1, a commutator or slip ring motor as a starter motor can no longer be used, because the forces acting on its rotor centrifugal forces are no longer to master and the required life of the slip ring brushes is more representable. Furthermore, very high voltages would be induced in permanent magnetically excited electric machines, as are common in starter motors, in the upper speed range in the rotor, which could possibly be controlled only with considerable additional effort. In contrast, the homopolar machine with a low-mass, preferably integrally made of soft magnetic steel rotor 17 equipped, which does not require windings, slip rings or commutator and therefore even with high-speed gasoline engines over a speed range to well above 100 000 min ^{-1 has} the required speed resistance and low wear.

In 2 sind weitere Einzelheiten der im Längsschnitt dargestellten Homopolarmaschine 13 aus 1 erkennbar. Dort ist die mehrphasige Drehstromwicklung 15 in einem Statorblechpaket 20 eingesetzt, wobei die gleichstromgespeiste Erregerwicklung 16 koaxial dazu angeordnet ist. Das Statorblechpaket 20 ist dabei in zwei voneinander axial beabstandeten Teilen 20a, 20b in einem weichmagnetischen, rohrförmigen Statorgehäuse 21 befestigt, wobei zwischen den beiden Teilen 20a und 20b des Statorblechpaketes 20 die Erregerwicklung 16 ringförmig oberhalb der Drehstromwicklung 15 angeordnet und für den magnetischen Rückschluss vom Statorgehäuse 21 umgeben ist. Der von der Erregerwicklung 16 mittels Gleichstrom erzeugte Magnetfluss Φe gelangt über das Statorgehäuse 21 zum vorderen Teil 20a des Statorblechpaketes 20 und über einen Arbeitsluftspalt 22 in zwei einander diametral gegenüber liegende, radial nach außen gerichtete Südpole S. Diese Südpole S wirken mit zwei dazu axial beabstandeten Nordpolen N des Rotors 17 zusammen, die sich ebenfalls diametral gegenüber liegen und radial nach außen gerichtet sind. Die Nord- und Südpole N und S sind jeweils um eine Polteilung Pt gemäß 4 gegeneinander in Umfangsrichtung versetzt. Der Magnetfluss Φe gelangt im Rotor 17 von den Südpolen S zu den Nordpolen N und von dort über einen weiteren Arbeitsluftspalt 22 und dem hinteren Teil 20b des Statorblechpaketes 20 zurück zum Statorgehäuse 21.In 2 are more details of the Homopolarmaschine shown in longitudinal section 13 out 1 recognizable. There is the polyphase three-phase winding 15 in a stator core 20 used, the DC-powered exciter winding 16 is arranged coaxially thereto. The stator core 20 is in two axially spaced apart parts 20a . 20b in a soft-magnetic, tubular stator housing 21 attached, being between the two parts 20a and 20b of stator laminated core 20 the excitation winding 16 annular above the three-phase winding 15 arranged and for the magnetic inference from the stator housing 21 is surrounded. The of the excitation winding 16 DC generated magnetic flux Φe passes over the stator housing 21 to the front part 20a of stator laminated core 20 and about one Working air gap 22 in two diametrically opposite, radially outward south poles S. These south poles S act with two axially spaced north poles N of the rotor 17 together, which are also diametrically opposite and are directed radially outward. The north and south poles N and S are respectively in accordance with a pole pitch Pt 4 offset from each other in the circumferential direction. The magnetic flux Φe enters the rotor 17 from the south poles S to the north poles N and from there via another working air gap 22 and the back part 20b of stator laminated core 20 back to the stator housing 21 ,

3 zeigt den Stator 14 und 4 den Rotor 17 der Homopolarmaschine 13 aus 2 jeweils in raumbildlicher Darstellung und weggelassener Drehstromwicklung 15. In 3 erkennt man somit deutlich den vorderen Teil 20a des Statorblechpaketes 20. Am Innenumfang der beiden Teile 20a und 20b des Statorblechpaketes 20 sind Nuten 23 freigestanzt, wobei die Nuten 23 beider Teile 20a und 20b des Statorblechpaketes 20 axial zueinander ausgerichtet sind und – wie in 2 dargestellt – die mehrphasige Drehstromwicklung 15 aufnehmen. Die beispielsweise drei Phasen der Drehstromwicklung 15 sind als Wicklungsstränge in jeweils benachbarte Nuten 23 über den Umfang des Stator-Blechpaketes 20 gleichmäßig verteilt eingesetzt und miteinander zu einem Stern oder Dreieck verschaltet. 3 shows the stator 14 and 4 the rotor 17 the homopolar machine 13 out 2 each in three-dimensional representation and omitted three-phase winding 15 , In 3 you can see clearly the front part 20a of stator laminated core 20 , On the inner circumference of the two parts 20a and 20b of stator laminated core 20 are grooves 23 punched free, with the grooves 23 both parts 20a and 20b of stator laminated core 20 axially aligned with each other and - as in 2 shown - the multi-phase three-phase winding 15 take up. The example, three phases of the three-phase winding 15 are as winding strands in each adjacent grooves 23 over the circumference of the stator laminated core 20 used evenly distributed and interconnected to form a star or delta.

5 zeigt in Abwandlung des ersten Ausführungsbeispieles nach 2 bis 4 einen Rotor 17a, der für eine gleichmäßigere Verteilung des fremderregten Magnetfeldes Φe über den Umfang der Maschine vier radial nach außen gerichtete, über den Umfang symmetrisch verteilte Nordpole N und vier dazu um jeweils eine Polteilung Pt in Umfangsrichtung versetzte Südpole S aufweist. Die Nord- und Südpole N und S sind durch einen mittleren Abschnitt 24 mit etwas reduziertem Querschnitt voneinander axial beabstandet, so dass die Südpole S mit dem vorderen Teil 20a des Statorblechpaketes und die Nordpole N mit dem hinteren Teil 20b magnetisch zusammen wirken. 5 shows in a modification of the first embodiment according to 2 to 4 a rotor 17a which for a more even distribution of the externally excited magnetic field Φe over the circumference of the machine has four radially outwardly directed, circumferentially symmetrically distributed north poles N and four offset by one pole pitch Pt in the circumferential direction south poles S. The north and south poles N and S are through a middle section 24 with a slightly reduced cross-section axially spaced apart, so that the south pole S with the front part 20a of the laminated stator core and the north pole N with the rear part 20b act together magnetically.

6 und 7 zeigen in einem weiteren Ausführungsbeispiel eine Homopolarmaschine 13a mit einem Längsausschnitt in raumbildlicher Darstellung nach 6, und deren Rotor 17b in raumbildlicher Darstellung nach 7. Im Stator 14a dieser Homopolarmaschine 13a besteht das Statorblechpaket 20 aus drei mit Abstand axial hintereinander in dem rohrförmigen Statorgehäuse 21 eingesetzten Teilen 20a, 20b und 20c. In den beiden Abständen dieser Teile 20a, 20b und 20c ist jeweils eine Hälfte 16a beziehungsweise 16b der Erregerwicklung 16 angeordnet. Die Hälften 16a und 16b befinden sich dabei jeweils in dem Raum zwischen den Statorgehäuse 21 und der Drehstromwicklung 15. Dementsprechend ist der mit dem Stator 14a zusammenwirkende Rotor 17b an drei voneinander axial durch im Querschnitt reduzierte Abschnitte 24a, 24b beabstandeten Bereichen mit radial nach außen gerichteten Nordpolen N beziehungsweise Südpolen S versehen. Die Nordpole N im mittleren Bereich des Rotors 17b sind dabei um eine Polteilung Pt gegenüber den Südpolen an den beiden äußeren Bereichen des Rotors 17b in Umfangsrichtung versetzt. 6 and 7 show in a further embodiment, a homopolar machine 13a with a longitudinal section in a spatial representation after 6 , and its rotor 17b in spatial representation after 7 , In the stator 14a this homopolar machine 13a there is the stator lamination package 20 three at a distance axially one behind the other in the tubular stator housing 21 used parts 20a . 20b and 20c , In the two distances of these parts 20a . 20b and 20c is one half each 16a respectively 16b the excitation winding 16 arranged. The halves 16a and 16b are each located in the space between the stator housing 21 and the three-phase winding 15 , Accordingly, the one with the stator 14a cooperating rotor 17b at three axially from each other by reduced in cross section sections 24a . 24b spaced areas provided with radially outward north poles N and south poles S. The north pole N in the central area of the rotor 17b are in this case a pole pitch Pt in relation to the south poles at the two outer areas of the rotor 17b offset in the circumferential direction.

In 6 ist erkennbar, dass der von der geteilten Erregerwicklung 16a und 16b erzeugte Magnetfluss sich ebenfalls in zwei Hälften Φea und Φeb aufteilt. Um in den Arbeitsluftspalten 22 zwischen den Statorblechpaketteilen 20a, 20b und 20c und den Nord- und Südpolen N und S des Rotors 17b etwa gleich große Magnetflussdichten zu erzielen, ist der mittlere Teil 20b des Statorblechpaketes sowie der mittlere Bereich mit den Nordpolen N des Rotors 17b etwa doppelt so breit wie die beiden äußeren Teile 20a und 20c des Statorblechpaketes 20 beziehungsweise die äußeren Bereiche mit den Südpolen S des Rotors 17b.In 6 can be seen that of the shared excitation winding 16a and 16b generated magnetic flux is also divided into two halves Φea and Φeb. To work in the working air columns 22 between the stator lamination packet parts 20a . 20b and 20c and the north and south poles N and S of the rotor 17b To achieve approximately equal magnetic flux densities is the middle part 20b of the laminated stator core and the central region with the north poles N of the rotor 17b about twice as wide as the two outer parts 20a and 20c of stator laminated core 20 or the outer regions with the south poles S of the rotor 17b ,

Zum Starten der mit der Homopolarmaschine 13 fest gekoppelten Brennkraftmaschine 10 wird mit dem Einschalten der elektrischen Fremderregung über die Erregerwicklung 16 ein magnetisches Gleichfeld erzeugt, dessen Magnetfluss Φe gemäß 2 den Stator 14 und Rotor 17 der Homopolarmaschine 13 durchsetzt. Diesem Gleichfeld wird nun durch Einschalten eines Drehstromes durch die Phasen der Drehstromwicklung 15 ein Drehfeld überlagert, mit der Folge, dass die Pole des Rotors 17 in Drehrichtung des Drehfeldes mitgenommen werden. Die Homopolarmaschine 13 arbeitet somit als Synchronmaschine im Motorbetrieb und dreht über ihre Rotorwelle 25 und das Getriebe 12 die Brennkraftmaschine 10 an.To start with the homopolar engine 13 firmly coupled internal combustion engine 10 is switched on with the external electrical excitation via the excitation winding 16 generates a DC magnetic field whose magnetic flux Φe according to 2 the stator 14 and rotor 17 the homopolar machine 13 interspersed. This DC field is now by switching a three-phase current through the phases of the three-phase winding 15 superimposed on a rotating field, with the result that the poles of the rotor 17 be taken in the direction of rotation of the rotating field. The homopolar machine 13 thus operates as a synchronous machine in motor operation and rotates about its rotor shaft 25 and the gearbox 12 the internal combustion engine 10 at.

Nach dem Hochlaufen der Brennkraftmaschine 10 kann beispielsweise die Homopolarmaschine 13 leer mitlaufen, indem die elektrische Fremderregung an der Erregerwicklung 16 und die Drehstromversorgung an der Drehstromwicklung 15 abgeschaltet wird. Dies hat gegenüber den üblichen Startvorrichtungen für Brennkraftmaschinen den Vorteil, dass auf einen Statormotor mit Kommutatorläufer, Vorgelege, Einspursystem und Fliehkraftkupplung verzichtet werden kann. Ein weiterer Vorteil der nach dem Startvorgang elektrisch abschaltbaren Homopolarmaschine 13 besteht darin, dass dann weder Eisen- noch Kupferverluste auftreten und auch die Entstehung magnetischer Geräusche durch Radialkräfte zwischen Stator 14 und Rotor 17 vermieden werden.After starting up the internal combustion engine 10 can for example the homopolar machine 13 run idle by the external electrical excitation at the excitation winding 16 and the three-phase power supply to the three-phase winding 15 is switched off. This has the advantage over the usual starting devices for internal combustion engines that can be dispensed with a stator motor with commutator rotor, countershaft, single track system and centrifugal clutch. A further advantage of the homopolar machine which can be switched off electrically after the starting process 13 is that then neither iron nor copper losses occur and also the emergence of magnetic noise by radial forces between the stator 14 and rotor 17 be avoided.

Über den reinen Starterbetrieb hinaus lässt sich die Homopolarmaschine 13 beziehungsweise 13a aus den beiden Ausführungsbeispielen auch in den Generatorbetrieb steuern, um beispielsweise bei laufender Brennkraftmaschine 10 in einem Kraftfahrzeug dessen Bordnetz zu versorgen. Darüber hinaus kann die Homopolarmaschine 13 beziehungsweise 13a aber auch noch im sogenannten Boostbetrieb die Brennkraftmaschine unterstützen, in dem sie bei laufender Brennkraftmaschine in den Motorbetrieb gesteuert wird. In den 8, 9 und 10 ist eine für diese Betriebsarten vorgesehene elektrische Beschaltung der Homopolarmaschine 13 beziehungsweise 13a dargestellt.Beyond the pure starter operation, the homopolar engine can be used 13 respectively 13a from the two embodiments also in the generator mode control, for example, at running internal combustion engine 10 in a motor vehicle to supply its electrical system. In addition, the homopolar machine can 13 respectively 13a but also in the so-called boost operation to support the engine, in which it is controlled while the internal combustion engine in the engine operation. In the 8th . 9 and 10 is intended for these modes electrical wiring of Homopolarmaschine 13 respectively 13a shown.

In 8 ist die Erregerwicklung 16 der schematisch dargestellten Homopolarmaschine 13 über eine Halbleiterschaltung 18 an einen Akkumulator 26 im Bordnetz 27 des nicht dargestellten Kraftfahrzeugs angeschlossen. Die Gleichstromversorgung der Erregerwicklung 16 erfolgt dabei über einen als Schalter dargestellten Halbleiter 28, zum Beispiel einem sogenannten MOSFET, wie er in Niederspannungs-Bordnetzen von heutigen PKWs und LKWs bevorzugt verwendet wird. Ebenso können auch Bipolartransistoren oder andere Halbleiterschalter eingesetzt werden. Der Halbleiter 28 wird dabei von einer Steuer- und Regeleinheit 29 angesteuert. Dieser Steuer- und Regeleinheit 29 wird dabei die Bordnetzspannung des Akkumulators 26 zugeführt, mit der im Generatorbetrieb der Homopolarmaschine 13 der Erregerstrom zur Dosierung der an der Drehstromwicklung 15 erzeugten Energie geregelt wird. Die Steuer-Regeleinheit 29 ist ferner an eine Umsteuerung 30 angeschlossen, mit der die Erregung der Homopolarmaschine 13 für Motor- und Generatorbetrieb umbeziehungsweise optimal ansteuerbar oder ganz abschaltbar ist.In 8th is the excitation winding 16 the homopolar machine shown schematically 13 via a semiconductor circuit 18 to an accumulator 26 in the electrical system 27 connected to the motor vehicle, not shown. The DC power supply of the exciter winding 16 takes place via a semiconductor shown as a switch 28 , for example, a so-called MOSFET, as it is preferably used in low voltage on-board networks of today's cars and trucks. Likewise, bipolar transistors or other semiconductor switches can be used. The semiconductor 28 is doing by a control unit 29 driven. This control unit 29 is doing the vehicle electrical system voltage of the accumulator 26 supplied with the generator in the homopolar engine 13 the excitation current for dosing of the three-phase winding 15 energy is regulated. The control unit 29 is also a reversal 30 connected with the excitement of the homopolar machine 13 for motor and generator operation umbeziehungsweise optimally controllable or completely switched off.

Die Stromversorgung der Erregerwicklung 16 erfolgt gemäß 8 mit einem typischen Tiefsetzsteller, bei dem der eine Anschluss der Erregerwicklung 16 mit dem Anodenanschluss einer dazu parallel geschalteten Freilaufdiode 34 auf Masse liegt. Dies entspricht einem üblichen Regler für KraftfahrzeugGeneratoren. Die Halbleiterschaltung 18 kann aber ebenso durch andere Konfigurationen wie zum Beispiel SEPIC-Wandler oder durch einen sogenannten Hochsetzsteller ersetzt werden.The power supply of the exciter winding 16 takes place according to 8th with a typical step-down converter, in which the one connection of the exciter winding 16 with the anode terminal of a parallel-connected freewheeling diode 34 lies on earth. This corresponds to a conventional regulator for motor vehicle generators. The semiconductor circuit 18 but can also be replaced by other configurations such as SEPIC converter or by a so-called boost converter.

9 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Versorgung der dreiphasigen Drehstromwicklung 15 der Homopolarmaschine 13 durch einen Umrichter 19 in schematischer Darstellung. Anstelle von drei Phasen können auch unter anderem vier, fünf oder mehr, beispielsweise zweimal drei zueinander versetzte Phasen verwendet werden. Der Umrichter 19 ist über den Akkumulator 26 mit dem Kraftfahrzeug-Bordnetz 27 verbunden. Er ist als Brückenschaltung aufgebaut, deren Brückenzweige 19a, 19b und 19c jeweils mit einer der drei Phasen R, S, T der Drehstromwicklung 15 der Maschine verbunden ist. In jedem der Brückenzweige 19a, 19b und 19c sind zwei schematisch dargestellte Halbleiterschalter 31 in Reihe geschaltet, die von einer elektronischen Steuerung 32 angesteuert werden. 9 shows a circuit arrangement for supplying the three-phase three-phase winding 15 the homopolar machine 13 through an inverter 19 in a schematic representation. Instead of three phases, among other things, four, five or more, for example, two times three mutually offset phases can be used. The inverter 19 is about the accumulator 26 with the motor vehicle electrical system 27 connected. It is constructed as a bridge circuit whose bridge branches 19a . 19b and 19c each with one of the three phases R, S, T of the three-phase winding 15 the machine is connected. In each of the bridge branches 19a . 19b and 19c are two semiconductor switches shown schematically 31 connected in series by an electronic control 32 be controlled.

Für den Motorbetrieb der Homopolarmaschine 13 werden die Brückenzweige 19a, 19b und 19c des Umrichters 19 von der elektronischen Steuerung 32 als Wechselrichter angesteuert, indem die Phasen der Drehstromwicklung 15 – wie bei elektronisch gesteuerten Synchronmaschinen üblich – entweder sinusförmig in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Maschine, oder nach dem sogenannten BLDC-Prinzip, also mit Blockströmen bestromt werden. Dabei wird gleichzeitig die Erregerwicklung 16 der Maschine 13 mit Gleichstrom vom Kraftfahrzeug-Bordnetz 27 über die Halbleiterschaltung 18 versorgt. Zu diesem Zweck ist am Rotor 17 der Homopolarmaschine 13 ein ortsfester Drehwinkelsensor 33 angeordnet und mit der elektronischen Steuerung 32 zum Ansteuern der Drehstromwicklung 15 verbunden. Auf einen Drehwinkelsensor 33 in der Homopolarmaschine 13 kann gegebenenfalls verzichtet werden, sofern die Brennkraftmaschine 10 in der heute üblichen Ausführung an ihrer Antriebswelle 11 einen ortsfesten Drehratengeber hat. Alternativ kann aber auch umgekehrt auf den Drehratengeber an der Antriebswelle 11 der Brennkraftmaschine 10 verzichtet werden und das Drehratensignal vom Drehwinkelsensor 33 zur Verfügung gestellt werden.For the engine operation of the homopolar engine 13 become the bridge branches 19a . 19b and 19c of the inverter 19 from the electronic control 32 controlled as inverter by the phases of the three-phase winding 15 - As usual with electronically controlled synchronous machines - either sinusoidal depending on the rotation angle of the machine, or according to the so-called BLDC principle, so are energized with block currents. At the same time, the exciter winding is being developed 16 the machine 13 with direct current from the motor vehicle electrical system 27 via the semiconductor circuit 18 provided. For this purpose is on the rotor 17 the homopolar machine 13 a stationary rotation angle sensor 33 arranged and with the electronic control 32 for driving the three-phase winding 15 connected. On a rotation angle sensor 33 in the homopolar machine 13 may be waived if the internal combustion engine 10 in today's standard version on its drive shaft 11 has a fixed rate of rotation. Alternatively, however, can also be reversed to the rotation rate sensor on the drive shaft 11 the internal combustion engine 10 be omitted and the rotation rate signal from the rotation angle sensor 33 to provide.

Im Generatorbetrieb der Homopolarmaschine 13 werden dagegen die Brückenzweige 19a, 19b und 19c des Umrichters 19 zur Gleichstromversorgung des Kraftfahrzeug-Bordnetzes 27 als Gleichrichter betrieben, indem ihre Halbleiterschalter 31 über die Steuerung 32 wie eine Diode für eine Stromrichtung auf Durchgang gesteuert werden. Wie bereits erläutert wird dabei zugleich der Erregerstrom in der Erregerwicklung 16 der Maschine 13 in Abhängigkeit von der Spannung des Kraftfahrzeug-Bordnetzes 27 geregelt.In the generator mode of the homopolar machine 13 in contrast, the bridge branches 19a . 19b and 19c of the inverter 19 to the DC power supply of the motor vehicle electrical system 27 operated as a rectifier by their semiconductor switches 31 about the controller 32 how to control a diode for a current direction on passage. As already explained, the excitation current in the exciter winding is at the same time the same 16 the machine 13 depending on the voltage of the motor vehicle electrical system 27 regulated.

In 10 ist der Brückenzweig 19a des Umrichters 19 aus 9 dargestellt. Er enthält zwei in Reihe geschaltete MOSFET, an deren Verbindung die Phase R der Drehstromwicklung 15 angeschlossenen ist. Diese MOSFET können ebenso durch Bipolartransistoren, sogenannte IGBT oder andere Halbleiterschalter ersetzt werden. Die Steueranschlüsse 31a der MOSFET sind mit der elektronischen Steuerung 32 verbunden. Parallel zur Schaltstrecke der MOSFET 31 ist jeweils eine Freilaufdiode 34 geschaltet. Diese erlaubt beim Generatorbetrieb der Homopolarmaschine 13 ein Abschalten sämtlicher MOSFET 31 des Umrichters 19. Werden die Freilaufdioden 34 weggelassen, müssen die MOSFET 31 des Umrichters 19 auch im Generatorbetrieb der Maschine 13 in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Rotors 17 über die elektronische Steuerung 32 angesteuert werden.In 10 is the bridge branch 19a of the inverter 19 out 9 shown. It contains two series-connected MOSFET, at the junction of the phase R of the three-phase winding 15 is connected. These MOSFETs can also be replaced by bipolar transistors, called IGBT or other semiconductor switches. The control connections 31a the MOSFET are with the electronic control 32 connected. Parallel to the switching path of the MOSFET 31 is each a freewheeling diode 34 connected. This allows generator operation of the homopolar engine 13 a shutdown all MOSFET 31 of the inverter 19 , Will the freewheeling diodes 34 omitted, the MOSFET 31 of the inverter 19 also in the generator mode of the machine 13 depending on the angle of rotation of the rotor 17 via the electronic control 32 be controlled.

Der besondere Vorteil der Homopolar-Synchronmaschine mit einer gleichstromgespeisten Erregerwicklung in Stator liegt darin, dass der Rotor aus ungeblechtem, weichmagnetischem Material, vorzugsweise einstückig aus weichmagnetischem Stahl herzustellen ist. Dadurch kann die hochdrehzahlfeste Synchronmaschine als Startermotor mit der Antriebswelle der Brennkraftmaschine ständig verbunden bleiben. Über das Getriebe 12 mit einer Übersetzung von mindestens 10:1 und vorzugsweise von größer 13:1 kann die Synchronmaschine als Startermotor mit einer Nenndrehzahl von 10 000 min^–1 sowohl Diesel- als auch Benzinmotoren mit der zum Starten erforderlichen Anlaufdrehzahl antreiben. Aufgrund der zulässigen sehr hohen Drehzahlen kann die Synchronmaschine als Startermotor in vorteilhafter Weise mit einem geringeren Drehmoment gegenüber den üblichen Startermotoren ausgelegt werden. Als Ergebnis wäre dann ein Zahnradgetriebe mit einem Kitzel-Starter-Generator zu verwenden. Um den Wirkungsgrad der Maschine weiter zu steigern, ist es auch möglich, den Erreger-Magnetfluss mit zusätzlichen Permanentmagneten zu verstärken. Bei einer derartigen Hybriderregung aus Permanentmagneten und Erregerwicklung 16 könnten die Permanentmagnete dann eine Grunderregung übernehmen, welche über den Erregerstrom der Erregerwicklung 16 sowohl erhöht als auch verringert werden kann. Im letzteren Fall ist dann eine Stromrichtungsumkehr in der Erregerwicklung 16 erforderlich, was jedoch nur im Generatorbetrieb der Maschine sinnvoll wäre. The particular advantage of the homopolar synchronous machine with a DC-powered exciter winding in stator is that the rotor is made of unbeaten, soft magnetic material, preferably in one piece from soft magnetic steel. As a result, the high-speed synchronous machine as a starter motor with the drive shaft of the engine remain permanently connected. About the transmission 12 with a ratio of at least 10: 1 and preferably greater than 13: 1, the synchronous machine may drive as a starter motor with a rated speed of 10 000 min ^-1 both diesel and gasoline engines with the required to start start-up speed. Due to the permissible very high speeds, the synchronous machine can be designed as a starter motor in an advantageous manner with a lower torque compared to the usual starter motors. As a result, a gear train with a tickle starter generator would then be used. In order to further increase the efficiency of the machine, it is also possible to amplify the excitation magnetic flux with additional permanent magnets. In such a hybrid excitation of permanent magnets and excitation winding 16 The permanent magnets could then take over a basic excitation, which via the excitation current of the exciter winding 16 both increased and decreased. In the latter case, then a current reversal in the field winding 16 required, which would be useful only in the generator mode of the machine.

In den 1 bis 7 ist die Homopolarmaschine 13 als sogenannter Radialfluss-Innenläufer ausgeführt. Dabei ist es jedoch grundsätzlich im Rahmen der Erfindung auch möglich, die Homopolarmaschine als Axialfluss-Flachpolläufer auszubilden, indem die Nord- beziehungsweise Südpole jeweils als Polscheiben auf der Maschinewelle befestigt und stirnseitig mit einem Statorblechpaket zusammen wirken. Die Drehzahlfestigkeit ist hierbei jedoch deutlich geringer als bei einem Radialfluss-Innenläufer. Für sehr hohe Drehzahlen der Maschine mit einem Übersetzungsverhältnis von bis zu 30:1 kann gegebenenfalls auch ein Reibrad basiertes Planetengetriebe eingesetzt werden. Gegebenenfalls ist auch eine einstufige Übersetzung ausreichend, zum Beispiel eine Schwungscheibe mit Zahnkranz auf ein Ritzel. Eine kostengünstigere Leistungselektronik für den Umrichter 19 ergibt sich bei der Anwendung der Homopolarmaschine 13 an Brennkraftmaschinen, wenn deren Bordnetze höhere Versorgungsspannungen als derzeit im PKW-Bereich üblich aufweisen.In the 1 to 7 is the homopolar machine 13 designed as a so-called radial flow internal rotor. However, it is basically within the scope of the invention also possible to form the homopolar machine as Axialfluss-Flachpolläufer by the north or south poles each mounted as a pole discs on the machine shaft and the front side act together with a stator lamination. However, the speed resistance is significantly lower than with a radial flow internal rotor. For very high speeds of rotation of the machine with a gear ratio of up to 30: 1, a friction-wheel-based planetary gear can be used if necessary. If necessary, a single-stage translation is sufficient, for example, a flywheel with sprocket on a pinion. A more cost-effective power electronics for the inverter 19 arises when using the homopolar machine 13 on internal combustion engines, if their electrical systems have higher supply voltages than currently common in the car industry.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 19748045 A1 [0005]

Claims

Electric machine ( 13 ), which as a starter or starter generator with the drive shaft ( 11 ) an internal combustion engine ( 10 ) and whose stator ( 14 ) a three-phase winding ( 15 ), characterized in that the electric machine ( 13 ) is a synchronous machine whose stator ( 14 ) with at least one DC-powered exciter winding ( 16 ) is equipped for electrical external excitation, the multipole rotor ( 17 ) of ungeblechtem, soft magnetic material, in particular integrally made of steel and via a transmission ( 12 ) with a transmission ratio of at least 10: 1, preferably of greater than 13: 1 with the drive shaft ( 11 ) of the internal combustion engine ( 10 ) connected is.

Electrical machine according to claim 1, characterized in that the synchronous machine ( 13 ) is a Homopolarmaschine whose at least one field winding ( 16 ) coaxial with at least one multiphase, in a stator lamination ( 20 ) used three-phase winding ( 15 ), wherein that of the exciter winding ( 16 ) generated magnetic flux over the stator lamination stack ( 20 ) and a working air gap ( 22 ) in at least one south pole (S) of the rotor ( 17 ) and from there via at least one north pole (N) of the rotor ( 17 ) over another working air gap ( 22 ) and the stator core ( 20 ) is returned.

Electrical machine according to claim 2, characterized in that the laminated stator core ( 20 ) of at least two axially spaced apart parts ( 20a . 20b ) in a soft-magnetic, tubular stator housing ( 21 ), whereby between the parts ( 20a . 20b ) of the laminated stator core ( 20 ) the exciter winding ( 16 ) arranged annularly and for a magnetic inference from the stator housing ( 21 ) is surrounded.

Electrical machine according to claim 3, characterized in that the laminated stator core ( 20 ) of three at a distance axially one behind the other in the tubular stator housing ( 21 ) attached parts ( 20a . 20b and 20c ), between each of which one half ( 16a . 16b ) of the exciter winding ( 16 ) is arranged.

Electrical machine according to claim 3 or 4, characterized in that the multiphase three-phase winding ( 15 ) in axially aligned grooves ( 23 ) on the inner circumference of the parts ( 20a . 20b . 20c ) of the laminated stator core ( 20 ), wherein the phases (R, S, T) distributed as winding strands distributed over the circumference and the three-phase winding ( 15 ) are interconnected.

Electrical machine according to claim 2, characterized in that the rotor ( 17 ) has at least two radially outwardly directed, over the circumference symmetrically distributed north poles (N), with at least two axially spaced radially outwardly directed south poles (S) of the rotor ( 17 ), wherein the north and south poles (N, S) are each offset by a pole pitch (Pt) against each other in the circumferential direction and in each case via a working air gap ( 22 ) with a part ( 20a , b, c) of the laminated stator core ( 20 ) interact.

Electrical machine according to claim 6, characterized in that the rotor ( 17 ) has four radially outwardly directed, over the circumference symmetrically distributed north poles (N) and four to one each pole pitch (Pt) in the circumferential direction offset south poles (S).

Electrical machine according to claim 4, characterized in that the rotor ( 17 ) is provided at three mutually axially spaced regions with radially outwardly directed poles (N, S), wherein the poles (N) of the same polarity in the central region of the rotor ( 17 ) by a pole pitch (Pt) with respect to the poles (S) with opposite equal polarity at the two outer regions of the rotor ( 17 ) are offset.

Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that the exciter winding ( 16 ) in generator or motor operation of the machine via a semiconductor circuit ( 18 ) by a control unit ( 29 ) is to be supplied with DC power.

Electrical machine according to claim 2, characterized in that the phases (R, S, T) of the three-phase winding ( 15 ) via an inverter ( 19 ) with the electrical system ( 27 ) of a motor vehicle and that the converter ( 19 ) with an electronic control ( 32 ) the homopolar machine ( 13 ) operates as a motor or generator.

Electrical machine according to claim 10, characterized in that the converter ( 19 ) is constructed as a bridge circuit whose bridge branches ( 19a . 19b . 19c ) between two series-connected semiconductor switches ( 31 ) with a phase (R, S, T) of the three-phase winding ( 15 ) and that their two semiconductor switches ( 31 ) from the electronic controller ( 32 ) are controllable.

Electrical machine according to claim 11, characterized in that the bridge circuit of the converter ( 19 ) for the engine operation of the homopolar engine ( 13 ) as an inverter in rotation angle-dependent sequence of the electronic control ( 32 ) is controllable.

Electrical machine according to claim 12, characterized in that the three-phase winding ( 15 ) of the homopolar machine ( 13 ) via the electronic control ( 32 ) of the inverter ( 19 ) from a rotation angle sensor ( 33 ) is controllable.

Electrical machine according to claim 11, characterized in that the semiconductor switches ( 31 ) of the bridge circuit for the generator operation of the homopolar engine ( 13 ) from the electronic controller ( 32 ) can be controlled as a rectifier by then the semiconductor switches ( 31 ) are controlled to one passage only for one direction of current.