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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einer Welle und mindestens einer Einheit bestehend aus einem Klauenpolrotor, einem Statur und einer Erregerspule.
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Stand der Technik
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Elektrische Maschinen der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Üblicherweise umfassen diese einen feststehenden Statur, eine drehbare Welle, auf welcher der Klauenpolrotor drehfest mit der Welle verbunden angeordnet ist, sowie eine mitdrehende Erregerspule zum Erregen des zum Betrieb der elektrischen Maschine notwendigen Magnetkreises. Bei elektrisch erregten Synchronmaschinen werden zur Erregung des Magnetkreises Elektromagnete verwendet, die bedingen, dass ein Gleichstrom vorgegebener Stärke in den drehenden Rotor beziehungsweise in die mitdrehende Erregerspule eingespeist wird, um darin das Erregerfeld zu erzeugen. Zur Einspeisung des Erregerstroms finden üblicherweise Schleifringe Verwendung, die zur Folge haben, dass Verschleißelemente vorliegen, die eine regelmäßige Wartung der elektrischen Maschine verlangen. Darüber hinaus müssen die Schleifringe konstruktiv derart ausgebildet sein, dass sie möglichst einfach auswechselbar sind.
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Alternativ zum Vorsehen von Schleifringen ist es bekannt, die Erzeugung des Erregerfelds durch mitrotierende Gleichrichterschaltungen zu bewerkstelligen. Diese Technik eignet sich jedoch nur für Generatoren größerer Bauart, wie sie beispielsweise in Kraftwerken Verwendung finden. Zur Regelung eines Drehmoments ist eine derartige Lösung jedoch grundsätzlich ungeeignet.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass das Erregerfeld ohne das Vorsehen von Schleifringen oder einer mitrotierenden Gleichrichterschaltung auf einfache, kostengünstige und insbesondere kompakte Art und Weise bereitgestellt wird. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass die Erregerspule drehfest bezüglich der Welle angeordnet ist und der Klauenpolrotor die Erregerspule umgebend drehbar auf der Welle angeordnet ist. Die erfindungsgemäße Maschine weist also eine feststehende Erregerspule auf, die von einem drehbar gelagerten Klauenpolrotor umgeben ist. Auf der Welle, die bevorzugt in einem entsprechenden Gehäuse der elektrischen Maschine drehfest gehalten ist, ist die Erregerspule innerhalb des Klauenpolrotors angeordnet. Bevorzugt ist die Welle hohl ausgebildet und nimmt die zu der Erregerspule führenden elektrischen Leitungen auf, dadurch ist ein einfaches elektrisches Kontaktieren der Erregerspule durch die hohle Welle möglich. Durch Einspeisen des Erregerstroms wird das Erregerfeld erzeugt und der Klauenpolrotor in Rotation versetzt. Zur Abnahme des Drehmoments kann der Klauenpolrotor beispielsweise eine Hohlwelle aufweisen, die die Welle zumindest bereichsweise umschließt und als Abtriebswelle aus dem Gehäuse herausgeführt ist. Insgesamt wird hierdurch eine elektrische Maschine geboten, die insbesondere in Axialerstreckung der Welle gesehen kurz gebaut ist und auf verschleißträchtige Teile verzichtet.
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Bevorzugt weist der Klauenpolrotor zwei Rotorhälften auf, die jeweils mittels eines Drehlagers auf der Welle angeordnet sind. Jede Rotorhälfte ist somit auf der Welle drehbar gelagert angeordnet, wobei die für ein Klauenpolrotor typischen Klauen der Rotorhälften wie üblich ineinandergreifen. Vorzugsweise sind die Drehlager als Wälzlager, insbesondere als Kugelrollenlager oder Zylinderrollenlager ausgebildet, um günstige Reibwerte zu erhalten.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens eine der Rotorhälften stirnseitig mindestens ein, insbesondere einstückig mit der Rotorhälfte ausgebildetes Drehmitnahmemittel aufweist. Das Drehmitnahmemittel dient beispielsweise zur Abgabe des erzeugten Drehmoments an die oben genannte Abtriebswelle. Vorzugsweise ist das Drehmitnahmemittel als formschlüssiges Drehmitnahmemittel ausgebildet, um auch hohe Drehmomente dauerhaft und sicher übertragen zu können. Besonders bevorzugt ist das Drehmitnahmemittel als Hirth-Verzahnung oder als Zahnrad-Ritzel, insbesondere als Stirnrad, ausgebildet. Vorzugsweise weist die damit verbindbare Abtriebswelle eine entsprechende Verzahnung auf, um die Drehmomentübertragung sicher zu gewährleisten.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die vorzugsweise im Wesentlichen tellerförmigen Rotorhälften im Wesentlichen aus einem magnetisch nicht leitenden Material, insbesondere aus Kunststoff gefertigt sind. Vorzugsweise wird das Material derart gewählt, dass eine gesicherte Drehmomentübertragung gewährleistet ist.
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Besonders bevorzugt weisen die Rotorhälften jeweils Klauenpole auf, die aus einem magnetisch leitenden Material, insbesondere aus lamellierten Stahlbändern gefertigt sind. Die Klauenpole sind in die Rotorhälften integriert, beispielsweise formschlüssig dann durch Umspritzen mit dem Kunststoff gehalten. Die Stahlbündel sind vorzugsweise aus kommerziellem Elektroblech gefertigt. Eine vorteilhafte Materialpaarung des Klauenpolrotors sieht somit Kunststoffrotorhälften mit eingespritzten Klauenpolen aus magnetisch leitenden Materialen vor.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Rotorhälften im Bereich der Klauenpole formschlüssig, zumindest in Umfangsrichtung gesehen, miteinander verbunden sind. Hierdurch wird eine Relativbewegung der Rotorhälften zueinander verhindert.
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Ferner ist vorgesehen, dass die Erregerspule bevorzugt eine Trägerscheibe ausweist, die drehfest auf der Welle sitzt und besonders bevorzugt zwei gegenseitig gewickelte Erregerwicklungen, die insbesondere koaxial zueinander angeordnet sind, trägt. Das Vorsehen der gegenseitig gewickelten Erregerwicklungen in konzentrischer Anordnung erlaubt die Bündelung des Erregerfelds im Bereich der Klauenabgriffe. Das Innere des Spulenträgers beziehungsweise die Trägerscheibe bleibt dadurch grundsätzlich feldfrei, so dass hier gewöhnliche, kostengünstige Stähle eingesetzt werden können. Die Trägerscheibe selbst ist frei von Torsionskräften, so dass hier grundsätzlich auch ein Kunststoffträger zur Anwendung kommen kann. Lediglich zur Abführung von aufgrund ohmscher Verluste in der Erregerspule entstandener Wärme sind Materialen mit einem entsprechend guten Wärmeleitkoeffizient zu wählen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass auf der Welle wenigstens eine weitere Einheit mit einem Klauenpolrotor, einem Stator und einer Erregerspule, wie sie oben beschrieben wurde angeordnet ist. Damit sind auf der Welle mindestens zwei Klauenpolrotoren jeweils eine Erregerspule umgreifend drehbar gelagert, während die jeweilige Erregerspule drehfest mit der Welle verbunden ist. Die eine feststehende, insbesondere hohle Welle dient vorzugsweise als Versorgungskanal für beide Einheiten.
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Besonders bevorzugt sind eine Rotorhälfte der Einheit und eine benachbarte Rotorhälfte der weiteren Einheit drehfest miteinander verbunden beziehungsweise verbindbar. Insbesondere weisen die gegenüberliegenden Rotorhälften jeweils Drehmitnahmemittel, insbesondere in Form von Hirth-Verbindungen zur formschlüssigen Drehmitnahme auf. Dadurch können die beiden Einheiten miteinander gekoppelt werden, um eine gemeinsame Gesamtleistung zu erzielen. Auf diese Art und Weise kann die elektrische Maschine an entsprechender Anwendungsfälle optimal in Bezug auf ihre Gesamtleistung durch Hinzufügen oder Entfernen von Einheiten angepasst werden. Durch die formschlüssige Koppelung die Einheiten miteinander steigt der Aufwand für die Ansteuerlogik grundsätzlich nicht. Lediglich die Leistung der die elektrische Maschine ansteuernden Endstufe muss entsprechend der Gesamtleistung angepasst werden.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert werden. Dazu zeigen
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1 eine vorteilhafte elektrische Maschine in einer der perspektivischen Darstellung,
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2 einen Klauenpolrotor der elektrischen Maschine in einer perspektivischen Darstellung,
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3 eine Rotorhälfte des Klauenpolrotors in einer perspektivischen Darstellung,
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4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine in einer Schnittdarstellung.
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1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine elektrische Maschine 1, die eine Einheit 2 bestehend aus einem Klauenpolrotor 3, einer in 1 nicht sichtbaren Erregerspule 4 und einen Stator 6 aufweist. Der Stator 6 ist an dem Gehäuse 7 gehalten. An dem Gehäuse 7 ist außerdem eine Welle 5 drehfest angeordnet. Sie trägt ein drehbares Zahnrad-Ritzel 8, das drehfest mit dem auf der Welle 5 drehbar gelagerten Klauenpolrotor 3 verbunden ist.
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Der Aufbau der Einheit 2 soll näher mittels der 2 und 3 erläutert werden. Die 2 zeigt den Klauenpolrotor 3 ohne das Gehäuse 7 und den Stator 6. Wie ersichtlich besteht der Klauenpolrotor 3 aus zwei im Wesentlichen tellerförmigen Rotorhälften 9, 10, die in ihrem Außenumfang ineinandergreifende Klauenpole 11, 12 aufweisen.
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Wie am besten aus 3 ersichtlich, die den Klauenpolrotor 3 ohne die Rotorhälfte 9 zeigt, liegt zwischen den beiden Rotorhälften 9, 10 eine Trägerscheibe 19, die drehfest auf der Welle 5 angeordnet ist. Auf der Trägerscheibe 19 ist die Erregerspule 4 angeordnet, die aus zwei gegensinnig gewickelten Erregerwicklungen 14, 15 besteht. Die Erregerwicklungen 14, 15 sind dabei koaxial zueinander angeordnet, wobei zwischen den Erregerwicklungen 14, 15 ein Stahlband-Wickel 16 als feldführender Bereich koaxial angeordnet ist. Weiterhin ist der 3 zu entnehmen, dass die Welle 5 hohl ausgebildet ist, und dass die zu den Erregerwicklungen 14, 15 führenden Anschlusskabel 17 durch die hohle Welle 5 geführt werden. Hierdurch ist ein einfaches Kontaktieren der Erregerspule 4 beziehungsweise der Erregerwicklungen 14, 15 ohne das Vorsehen von Schleifkontakten gewährleistet.
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In montiertem Zustand liegen die Klauenpole 11 und 12 in Umfangsrichtung gesehen formschlüssig aneinander an, so dass zwischen den Rotorhälften 9, 10 keine Relativbewegungen im Betrieb auftreten.
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Jede Rotorhälfte 9, 10 ist mittels eines Drehlagers 18, das vorzugsweise als Kugelrolllager 19 ausgebildet ist, auf der feststehenden Welle 5 drehbar gehalten, wie beispielsweise auch aus 4 ersichtlich. Wird die in 3 fehlende Rotorhälfte 9 aufgeschoben, so wird die Erregerspule 4 zwischen den Rotorhälften 9, 10 eingeschlossen beziehungsweise von diesen umgeben. Die Erregerspule 4 steht somit fest, während der Klauenpolrotor 3 rotierend angeordnet ist. Das durch die Maschine 1 erzeugte Drehmoment kann mittels des in 1 dargestellten Ritzels 8 oder mittels der in 2 dargestellten Hirth-Verzahnung 20, die beide Drehmittel 21 bilden, abgegeben beziehungsweise abgenommen werden. Die Ausführungsbeispiele der 1 und 2 unterscheiden sich also in Bezug auf die Ausbildung des Drehmitnahmemittels 21. Das Ritzel 8 oder die Hirth-Verzahnung 20 sind entsprechend drehfest mit dem Klauenpolrotor 3 verbunden und insbesondere einstückig mit der Stirnseite der Rotorhälfte 9 ausgebildet. Durch Aufschieben einer Hohlwelle auf die Welle 5, die an ihrem freien Ende eine entsprechende Hirth-Verzahnung aufweist, kann das Drehmoment von der Maschine 1 aus dem Gehäuse 7 herausgeführt werden. Alternativ kann über ein entsprechendes Zahnradgetriebe das Drehmoment an dem Ritzel 8 abgegriffen werden.
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Die Rotorhälften 9, 10 bestehen aus einem magnetisch nicht leitenden Kunststoff, wobei die Klauenpole 11, 12 aus einem magnetisch leitenden Material gefertigt und von dem Kunststoff der jeweiligen Rotorhälfte zumindest bereichsweise zu deren Befestigung umspritzt sind.
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Bei der vorgestellten elektrischen Maschine 1 wird das Erregerfeld also durch die zwei nicht mitrotierenden Erregerwicklungen 14, 15 erzeugt, wodurch der Zentralbereich der elektrischen Maschine 1, also insbesondere die Trägerscheibe 13 feldfrei bleibt. Das Magnetfeld wird im ringförmigen Bereich zwischen den beiden Erregerwicklungen 14, 15 in dem ein Eisenpaket bildenden Stahlband-Wickel 16 geführt. Die Verwendung der gegensinnig gewickelten Erregerwicklungen 14, 15 in konzentrischer Anordnung erlaubt die Bündelung der Erregerfelds im Bereich der Klauenpole 11, 12. Da dadurch das Innere des Spulenträgers, also die Trägerscheibe 13 und die Welle 5 feldfrei bleiben, können hier kostengünstige Werkstoffe, insbesondere Stähle eingesetzt werden.
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Die Trägerscheibe 13 selbst ist frei von Torsionskräften, sodass grundsätzlich auch Kunststoffträger Anwendung finden können.
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Der Statur 6 ist aus einzelnen Spulen in einer dafür geeigneten Technologie aufgebaut. In dem folgenden Ausführungsbeispiel ist es möglich, die Statur Spulen entweder durch preiswerte Permanentmagnete zu ersetzen und die Erregung sinusförmig zu gestalten, wodurch eine einfach ansteuerbare, permanent erregte elektrische Maschine 1 dargestellt werden würde. Alternativ kann aber auch der gesamte Rotoraufbau anhand des Klauenpolrotors 3 bei unverändertem Statur durch einen Rotor mit Permanentmagneten ersetzt werden, wodurch bei unverändertem Statur 6 ebenfalls eine, in diesem Fall leistungsstärkere, permanent erregte elektrische Maschine dargestellt werden würde.
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In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Stator 6 aus einzelnen Spulen aufgebaut, die in geeigneter Weise miteinander verschaltet sind. Grundsätzlich ist es auch denkbar, den Statur 6 mit verteilten Wicklungen auszubilden, wie sie beispielsweise durch Einzugswicklungen erzeugt werden. Aufgrund der vorteilhaften Ausbildung des Klauenpolrotors 3 würde hier jedoch eine Einzugswicklung aufgrund der herstelltechnisch unvermeidbaren hohen Wickelköpfe den Gesamt-Fühlgrad der elektrischen Maschine 1 überproportional verschlechtern. Der Einsatz einer Verschalt Einheit zur geeigneten Verkettung und Kontaktierung der Einzelspulen des Stators 6 (nicht dargestellt) ist daher die günstigere Ausführungsform.
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Die elektrische Maschine 1 eignet sich insbesondere zur Darstellung scheibenförmig gestalteter elektrischer Maschinen, die einen geringen, axialen Bauraum fordern. Bei der scheibenförmigen Ausführung minimieren sich die baubedingten magnetischen Verluste durch die Klauenpol-Leitung und die drei Luftspalte, die magnetkreiswirkend sind. Die elektrische Maschine 1 ist grundsätzlich wartungsfrei, da sie nicht mehr, wie bisher üblich, Verschleißteile wie einen Schleifring oder entsprechende Schleifbürsten aufweist.
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Die scheibenförmige Geometrie der Einheit 2 erlaubt darüber hinaus grundsätzlich die Kopplung mehrerer derartiger Einheiten, um eine Leistungs- und Momenterhöhung der elektrischen Maschine 1 zu erzielen. Wie in 4 in einer Schnittdarstellung dargestellt, können hierzu die oben beschriebene Einheit 2 und eine der Einheit 2 in ihrem Aufbau entsprechende, weitere Einheit 22 miteinander gekoppelt werden. Die Bestandteile der weiteren Einheit 22 sind im Wesentlichen identisch zu den der beschriebenen Einheit 2, so dass bereits bekannte Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und insofern auf die oben stehende Beschreibung verwiesen wird.
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Zur Kopplung weisen die gegenüberliegenden Rotorhälften 9, 10 der Einheiten 2 und 22 jeweils Drehmitnahmemitte 21, insbesondere in Form von Hirth-Verzahnungen 20 und 23 auf, die formschlüssig ineinander greifen, so dass sich die Drehmomente der Einheiten 2 und 22 gegenseitig ergänzen. Durch Vorsehen entsprechender Hirth-Verzahnungen 20, 23 auf beiden Seiten eines Klauenpolrotors 3 kann somit auf einfache Weise die Leistungen der elektrischen Maschine 1 durch Hinzufügen weiterer Einheiten vergrößert werden. So können auch mehr als nur die zwei Einheiten zur 2 und 22 miteinander gekoppelt werden. Zumindest eine der dann außenliegenden Einheiten weist zweckmäßigerweise ein freiliegendes Drehmitnahmemittel 21 auf, wie es beispielsweise in 1 und 2 dargestellt ist, das zum Abgreifen des erzeugten Drehmoments beziehungsweise zum Übertragen des erzeugten Drehmoments auf eine entsprechende Abtriebswelle dient. Es ergibt sich hieraus ein einfach darstellbares, diskretes Skalierungskonzept, das insbesondere bei geringen Stückzahlen von leistungsstärkeren Varianten der elektrischen Maschine 1 eine attraktive Lösung darstellt. Die Ansteuerung bleibt durch die formflüssige Verbindung zwischen den einzelnen Einheiten 2, 22 gleich. Lediglich die Leistung der die elektrische Maschine 1 ansteuernde Endstufe muss entsprechend angepasst werden.
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Natürlich können auch andere Drehmitnahmemittel 21 anstelle der Hirth-Verzahnungen 20, 23, wie beispielsweise eine Klauenkupplungen oder dergleichen, vorgesehen werden. Auch ist eine Reibschlüssige Verbindung als Drehmitnahmemittel 21 denkbar. Die Länge der Welle 5 muss dabei lediglich an die Anzahl der anzubringenden Einheiten 2, 22 angepasst werden.
