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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen und/oder Betreiben einer elektrische Maschine, insbesondere einem Generator wie einem Klauenpolgenerator und/oder einer Andrehvorrichtung wie einem Starter zum Antreiben einer Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Zudem betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine, insbesondere einen Generator wie ein Klauenpolgenerator und/oder eine Andrehvorrichtung wie ein Starter zum Antreiben einer Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5.
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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Maschine zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie oder reversibel ausgeführt zur Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind elektrische Maschinen, insbesondere Klauenpolgeneratoren, zur Gleichspannungsversorgung von Bordnetzen in Kraftfahrzeugen.
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Aus dem Stand der Technik sind Generatoren zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie im Kraftfahrzeug bekannt. Meist werden dazu Klauenpolgeneratoren verwendet. Üblich ist der Einsatz von Generatoren, die mit einer elektrischen Erregung ausgestattet sind. Diese Generatoren erzeugen Wechselströme, der über einen Gleichrichter in Gleichstrom umgewandelt werden, um diesen Strom in Gleichspannungsbordnetzen von Kraftfahrzeugen zu nutzen. In Kraftfahrzeugen werden dabei zur Energieerzeugung vor allem Wechselstromgeneratoren in Form von Klauenpolgeneratoren verwendet. Da Klauenpolgeneratoren Drehstrom, meist dreiphasig, erzeugen, ist für die üblichen Krafzfahrzeug-Gleichspannungs-Bordnetze eine Gleichrichtung erforderlich. Stand der Technik sind Gleichrichter auf Basis von Halbleiterdioden. Der Läufer eines entsprechenden Generators umfasst die Läuferwelle, auf welcher ein Polkern, zwei Klauenpole und eine Distanzscheibe angebracht sind. Bei einer Drehung der Läuferwelle bzw. des Läufers dreht sich dieser gegenüber einem Stator. Geführt ist der Läufer beidseitig mittels Lagerschildern in Wälzlagern. Fließt ein Gleichstrom durch eine Erregerwicklung in dem Läufer, entsteht ein Magnetfeld. Sobald sich der Läufer dreht, induziert das Magnetfeld in den Statorwicklungen eine Wechselspannung.
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Die Speisung des Erregerkreises erfolgt mit einem Feldregler. Der Regler wird üblicherweise mit einem PWM-Signal (Pulsweitenmodulations-Signal) betrieben. Je nach Tastverhältnis stellt sich ein entsprechender Erregerstrom ein. Es ist bekannt, dass sich auf der Rotorwelle, durch den getakteten Betrieb der Erregerwicklung, eine Spannungsdifferenz zur Masse ausbildet. Dadurch kommt es zu einer stärkeren Belastung eines A-Kugellagers durch Stromimpulse. Ein B-Kugellager ist nicht betroffen, da es mit dem Einpassring zur Masse isoliert ist. Es ist ebenfalls bekannt, wie es zur Belastung im A-Kugellager kommt. Zwischen dem Innenring des Kugellagers, der das Potential der Rotorwelle hat und dem Außenring, der auf Masse liegt, tritt eine Spannungsdifferenz auf. Ein kontinuierlicher Potentialausgleich über die Kugeln wird durch das hochohmige Kugellagerfett gehemmt. Messungen zeigen, dass es temporär zum Versagen der Isolationswirkung des Fettes kommt. Der dann vorliegende niedrige Innenwiderstand begünstigt einen impulsförmigen Stromfluss durch das Lager. Bei jedem Schaltvorgang des Reglers kann so ein Stromimpuls auftreten. Diese dauerhafte Belastung senkt die Lebensdauer des Kugellagers. Um die Stromimpulse durch das Kugellager zu verhindern, muss die Spannung auf der Welle verhindert/verringert werden.
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Der Stand der Technik
DE 3511755 A1 sieht hierfür die Ableitung der Ladungsträger über einen Schleifkontakt vor. Eine weitere Möglichkeit bietet das Einbringen von leitfähigen Komponenten in den Strompfad, um die Spannungsdifferenz kontinuierlich und nicht impulsförmig abzubauen. Bekannt sind leitfähige Kugellager und der Einsatz von leitfähigen Komponenten in der Schleifringbaugruppe. Im Generatorbereich wird ein leitfähiger Lack verwendet. Des Weiteren sind isolierte Kugellager bekannt, bei denen entweder der Innenring oder der Außenring speziell beschichtet werden, um den Stromfluss über das Kugellager zu verhindern. Alternativ kommen hier auch keramische Kugeln zum Einsatz.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine und das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des entsprechenden Hauptanspruches oder nebengeordneten Anspruches haben dem Stand der Technik gegenüber den Vorteil, dass bei einem Verfahren zum Herstellen und/oder Betreiben einer elektrischen Maschine, insbesondere einem Generator wie einem Klauenpolgenerator und/oder einer Andrehvorrichtung wie einem Starter zum Antreiben einer Brennkraftmaschine, bei der ein Läufer mit mindestens einem zwischen Polen angeordneten Wicklungspaket vorgesehen wird, wobei das Wicklungspaket gegenüber den Polen zumindest teilweise mit einer Isoliereinrichtung isoliert wird, wobei elektrische Spannungsunterschiede mittels mindestens einer elektrisch leitfähigen Ableiteinrichtung, welche in und/oder an einer isolierenden Isoliereinrichtung vorgesehen wird, ausgeglichen werden, die Bildung von parasitären elektrischen Feldern minimiert wird. Insbesondere wird hiermit die Spannungsdifferenz zwischen Welle und Masse signifikant gesenkt bzw. verhindert, ohne dass es zu einem Stromfluss über die Welle kommt und/oder die Welle mit dem masseführenden Schleifring der Schleifringbaugruppe kontaktiert werden muss. Es wird somit eine Isolation der Welle von der Maschinenmasse und isolierendem Kugellager erreicht. Zudem wird sichergestellt, dass ein möglichst schneller Potentialausgleich erfolgt. Die Spannungsdifferenz zwischen der Welle und der Masse wird signifikant gesenkt bzw. kann wirkungsvoll verhindert werden. Weiterhin ist problemlos der sichere Einsatz einer H-Brücke möglich.
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Der Läufer der elektrischen Maschine umfasst in einer Ausführung zwei Klauenpole, einen Polkern und die Läuferwelle. Die beiden Klauenpole sind in einer Ausführung als Klauenpol und Gegenklauenpol, kurz Gegenpol genannt, ausgebildet. Der Polkern wird von den beiden Klauenpolen umgeben. In einer Ausführung weisen der Klauenpol und der Gegenpol eine Vielzahl von Klauenpolfingern, beispielsweise sechs, sieben, acht oder neun Klauenpolfinger, auf. Die Anzahl der Klauenpolfinger ist vorzugsweise an dem Klauenpol und an dem Gegenpol gleich ausgebildet. Bevorzugt ist an dem Polkern eine Erregerwicklung angeordnet, welche auch von den Klauenpolen, genauer gesagt von den Klauenpolfingern des Klauenpoles und des Gegenpols, umschlossen wird. Die Klauenpole und der Polkern sind auf der drehbaren Läuferwelle angeordnet. Die Läuferwelle ist bevorzugt stangenförmig, beispielsweise als Rundstange mit einem runden Querschnitt, ausgebildet.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen und nebengeordneten Ansprüchen vorgegebenen Vorrichtungen möglich.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Ableiteinrichtung zumindest teilweise in die Isoliereinrichtung integriert wird. Beispielsweise ist ein elektrisch leitender Draht von mindestens einer isolierenden Schicht, beispielsweise einer Papierschicht, bevorzugt von zwei Papierschichten, umgeben. Die mindestens eine Papierschicht wird bevorzugt mit einem Harz getränkt und/oder mit einem Harz beschichtet.
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Noch eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Ableiteinrichtung mit einer Schleifringbaugruppe elektrisch leitend verbunden ist, um über die Schleifringbaugruppe die elektrischen Spannungsunterschiede auszugleichen. Die leitende Verbindung erfolgt beispielsweise über den elektrisch leitenden Draht.
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Wiederum eine andere Ausführungsform sieht vor, dass für eine Schnellentregelung des Wicklungspakets bzw. der Feldwicklung mindestens eine Regeleinrichtung mit mindestens einer Schnellentregelung vorgesehen wird, wobei die Schnellentregelung insbesondere über eine H-Brücke oder eine H-brückenähnliche Schaltung durchgeführt wird. Die H-Brücken-Schaltung ist insbesondere multifunktional ausgebildet.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit den Merkmalen des entsprechenden Hauptanspruches oder nebengeordneten Anspruches hat dem Stand der Technik gegenüber den Vorteil, dass bei der elektrischen Maschine, insbesondere einem Generator wie ein Klauenpolgenerator und/oder eine Andrehvorrichtung wie ein Starter zum Antreiben einer Brennkraftmaschine, umfassend mindestens einen Läufer mit mindestens einem zwischen Polen angeordneten Wicklungspaket, wobei das Wicklungspaket gegenüber den Polen mittels einer Isoliereinrichtung isoliert ist, wobei Mittel zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens vorgesehen sind, insbesondere, wobei eine elektrisch leitfähige Ableiteinrichtung in und/oder an der Isoliereinrichtung ausgebildet ist, die Bildung von parasitären elektrischen Feldern minimiert wird. Insbesondere wird hiermit die Spannungsdifferenz zwischen Welle und Masse signifikant gesenkt bzw. verhindert, ohne dass – es zu einem Stromfluss über die Welle kommt und/oder die Welle mit dem masseführenden Schleifring der Schleifringbaugruppe kontaktiert werden muss.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Ableiteinrichtung zumindest teilweise in die Isoliereinrichtung integriert ausgebildet ist. Hierdurch ist eine kleinbauende Ableiteinrichtung realisierbar. Die Ableiteinrichtung ist in einer Ausführungsform als elektrisch leitende Schicht ausgebildet. Dabei ist in einer Ausführungsform die elektrisch leitende Schicht aus einem Stoff oder einem Stoffverbund ausgebildet, der bevorzugt als ein nicht-ferromagnetischer Stoff, ein paramagnetischer Stoff oder als ein diamagnetischer Stoff ausgebildet ist. Bevorzugt ist der Stoff als Gold oder Aluminum oder als Gold- oder Aluminium-Verbindung oder -Legierung ausgebildet. Die elektrisch leitende Schicht ist bevorzugt von einer Papierschicht oder mehreren Papierschichten umgeben. Bevorzugt ist die Papierschicht in Harz getränkt und/oder mit einem Harz beschichtet. Die elektrisch leitende Schicht ist in einer Ausführungsform mit einem Drahtleiter oder dergleichen verbunden.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Ableiteinrichtung mit einer Schleifringbaugruppe elektrisch leitend verbunden ist, um über die Schleifringbaugruppe die elektrischen Spannungsunterschiede auszugleichen. Die elektrische Verbindung erfolgt bevorzugt von der elektrisch leitenden Schicht über den daran anschließenden Drahtleiter.
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Noch eine andere Ausführungsform sieht vor, dass die Isoliereinrichtung mindestens zwei Schichten aus isolierendem Material, insbesondere aus Papier umfasst, zwischen denen zumindest teilweise die Ableiteinrichtung angeordnet ist. In einer Ausführungsform sind mehrere isolierende Schichten vorgesehen. Die Ableiteinrichtung weist in einer Ausführungsform die leitende Schicht oder eine andere leitfähige Anordnung auf. Die leitfähige Anordnung ist bevorzugt über einen elektrisch leitenden Draht oder einen anderen Leiter mit der Schleifringbaugruppe verbunden.
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Weiter sieht eine Ausführungsform vor, dass die Ableiteinrichtung nach Art eines faradayschen Käfigs ausgebildet ist, um das Wicklungspaket abzuschirmen, insbesondere als leitfähige Schicht, vorzugsweise als gitter- und/oder netzartige Schicht.
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Nicht zuletzt sieht eine andere Ausführungsform vor, dass mindestens eine Regeleinrichtung, insbesondere ein Feldregler, mit mindestens einer Schnellentreglung für ein schnelles Entregeln des Wicklungspakets bzw. der Feldwicklung vorgesehen ist, insbesondere eine Schnellentregelung mit einer H-Brücke oder einer H-brückenähnlichen Schaltung.
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Somit wird ein mehrschichtiges Isolationspapier im Rotor verwendet. Das Papier umfasst bevorzugt mindestens drei Schichten, wobei die mittlere Schicht elektrisch leitend ausgebildet ist. Die leitfähige Schicht wird mit dem Masseschleifring der Schleifringbaugruppe kontaktiert. Bei Verwendung einer H-Brücke erfolgt die Kontaktierung mit dem Schleifring, der beim Bestromen der Feldspule die kleinere Spannungsdifferenz zur Masse aufweist. Die mittlere leitfähige Schicht ist vollständig, netzt- oder gitterförmig ausgeführt. Die elektrische Maschine wird in einem Bordnetz mit einer Nennspannung <60 V DC betrieben. Die elektrische Maschine kann sowohl motorisch als auch generatorisch betrieben werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 in einer Querschnittsansicht eine als Klauenpolgenerator ausgebildete elektrische Maschine,
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2 in einer Querschnittsansicht einen Teil eines Klauenpolgenerators mit Läufer und Klauenpolen,
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3 in einer Perspektivansicht schematisch einen Klauenpolgenerator mit dargestelltem Verlauf eines Leiters einer Ableiteinrichtung,
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4 in verschiedenen, schematischen Querschnittsansichten die Ableiteinrichtung und deren Wirkungsweise und
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5 in schematischen Schaltbildern verschiedene Schaltzustände der elektrischen Maschine.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Die 1 zeigt in einer Querschnittsansicht eine als Klauenpolgenerator ausgebildete elektrische Maschine 10, genauer einen Querschnitt durch eine elektrische Maschine 10, welche in der hier dargestellten Ausführung als Klauenpolgenerator für Kraftfahrzeuge zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrischer Energie ausgeführt ist. Die elektrische Maschine 10 weist ein zweiteiliges Gehäuse 13 auf, welches ein erstes Lagerschild 13.1 und ein zweites Lagerschild 13.2 umfasst. Die Lagerschilde 13.1 und 13.2 nehmen in sich einen sogenannten Stator 16 auf, der aus einem im Wesentlichen kreisringförmigen Ständereisen 17 besteht, und in dessen radial nach innen gerichteten, sich axial erstreckenden Nuten eine (herausragende) Ständerwicklungen 18 eingelegt bzw. eingezogen sind. Dieser ringförmige Stator 16 umgibt mit seiner radial nach innen gerichteten Oberfläche einen Rotor oder Läufer 20, der als Klauenpolläufer ausgebildet ist (hier nicht detailliert gezeigt). Der Läufer 20 umfasst einen Klauenpol 22 und einen Gegenpol 23 (siehe auch 2), die auch als Klauenpolplatinen bezeichnet werden, an deren Außenumfang jeweils sich in axialer Richtung erstreckende Klauenpolfinger 24 und 25 (auch als Pole bezeichnet) angeordnet sind (siehe auch 2). Im montierten Zustand werden der Klauenpol 22 und der Gegenpol 23 aneinander gepresst, sodass deren sich in axialer Richtung erstreckende Klauenpolfinger 24 bzw. 25 sich am Umfang des Läufers 20 abwechselnd angeordnet sind. Dadurch ergeben sich magnetisch erforderliche Zwischenräume zwischen den gegensinnig magnetisierten Klauenpolfingern 24 und 25, die als KlauenpoIzwischenräume bezeichnet werden. Der Läufer 20 ist mittels einer Läuferwelle 27 und je einem, auf je einer Seite der Läuferwelle befindlichen Wälzlager 28 in den jeweiligen Lagerschilden 13.1 bzw. 13.2 drehbar gelagert.
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Weiter weist der Läufer 20 zwei axiale Stirnflächen auf, an denen jeweils ein Lüfter 30 befestigt ist. Dieser Lüfter 30 besteht im Wesentlichen aus einem plattenförmigen bzw. scheibenförmigen Abschnitt, von dem Lüfterschaufeln ausgehen. Der Lüfter 30 dient dazu, über Öffnungen 40 in den Lagerschilden 13.1 und 13.2 einen Luftaustausch zwischen der Außenseite der elektrischen Maschine 10 und dem Innenraum der elektrischen Maschine 10 zur Realisierung einer Luftkühlung zu ermöglichen. Dazu sind die Öffnungen 40 im Wesentlichen an den axialen Enden der Lagerschilde 13.1 und 13.2 vorgesehen, über die mittels der Lüfter 30 Kühlluft in den Innenraum der elektrischen Maschine 10 eingesaugt wird. Diese Kühlluft wird durch die Rotation der Lüfter 30 radial nach außen beschleunigt, sodass diese durch einen kühlluftdurchlässigen Wicklungsüberhang 45 hindurchtreten kann. Durch diesen Effekt wird zusätzlich der Wicklungsüberhang 45 gekühlt. Die Kühlluft gelangt nach dem Hindurchtreten durch den Wicklungsüberhang 45 bzw. nach dem Umströmen des Wicklungsüberhangs 45 in radialer Richtung durch die Öffnungen 40 nach außen.
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Auf der rechten Seite ist in 1 eine Schutzkappe 47 dargestellt, die verschiedene Bauteile des Läufers 20 vor Umgebungseinflüssen und Schmutz schützt. Dabei deckt die Schutzklappe 47 eine sogenannte Schleifringbaugruppe 49 ab, die dazu dient, eine Erregerwicklung 51 mit Erregerstrom zu versorgen. Um diese Schleifringbaugruppe 49 herum ist ein Kühlkörper 53 angeordnet, der hier als Pluskühlkörper wirkt. Als sogenannter Minuskühlkörper wirkt das Lagerschild 13.2. Zwischen dem Lagerschild 13.2 und dem Kühlkörper 53 ist eine Anschlussplatte 56 angeordnet, die dazu dient, im Lagerschild 13.2 angeordnete Minusdioden 58 und hier nicht gezeigte Plusdioden im Kühlkörper 53 miteinander zu verbinden und somit eine Brückenschaltung darzustellen.
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Ein Spulenträger 60 ist radial außerhalb eines Polkerns 63 angeordnet. Der Spulenträger 60 hat die Aufgabe, die Erregerwicklung 51 sowohl gegenüber den Klauenpolplatinen 22 und 23 zu isolieren und andererseits im Rahmen einer Vorfertigung als formgebendes Element, ganz besonders nachdem der Spulvorgang bezüglich des Erregerwicklungsdrahts beendet ist, zu wirken. Der Spulenträger 60 wird dabei mit zwei Anschlussleitern 66 axial über den Polkern 63 geschoben und im Anschluss daran zwischen den beiden Klauenpolplatinen 22 und 23 axial fixiert.
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Darüber hinaus übergreifen die Klauenpolfinger 24 und 25 die Erregerwicklung 51 und bilden somit nach radial außen eine Art Käfig, der eine unzulässige radiale Verlagerung der Erregerwicklung 51 verhindert. Die Anschlussleiter 66 sind zwischen zwei Klauenpolfingern 25, d. h. zwischen zwei sogenannten Polwurzeln, über die Klauenpolplatine 23 hinweggeführt und letztlich nach radial innen in Richtung zu einer hier nicht näher bezeichneten Kontaktfläche geleitet. An dieser Kontaktfläche, die mittels einer Stromschiene 69 mit einem Stromversorgungselement in Gestalt eines Schleifrings 72 verbunden ist, wird der Anschlussleiter bzw. ist der Anschlussleiter 66 Kontakt und Festigkeit gebend befestigt (angeschweißt, angelötet). Der Spulenträger 60 weist eine Wand 75 auf, die zwischen der Erregerwicklung 51 und der Klauenpolplatine 22 angeordnet ist. Analog dazu ist auf der anderen Seite des Spulenträgers 60, d. h. auf der der Schleifringbaugruppe 49 näher gelegenen Seite dieser ebenfalls mit einer Wand 78 versehen. Der Polkern 63 kann axial auch in zwei Abschnitte unterteilt werden, die an die KlauenpoIplatinen 22 und 23 angeformt sind. Eine Polkernlänge berechnet sich hierbei aus der Summe der Einzelabschnitte der Polkerne 63. Die Erregerwicklung 51 oder auch das zwischen den Polen 22, 23 angeordnete Wicklungspaket 51 ist mit einer Isoliereinrichtung 100 isoliert. An bzw. in der Isoliereinrichtung 100 ist eine Ableiteinrichtung 110 vorgesehen, wie im Folgenden noch näher beschrieben ist.
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Die 2 zeigt in einer Querschnittsansicht einen Teil des Klauenpolgenerators mit Läufer 20 und Klauenpolen 22, 23. Im Wesentlichen entspricht die Ausführung der 2 der bereits beschriebenen Ausführung der 1. Auf eine erneute Beschreibung bereits beschriebener Bauteile wird daher verzichtet. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Der Ausschnitt der elektrischen Maschine 10 zeigt im Wesentlichen den Läufer 20 mit der Läuferwelle 27. Die Läuferwelle 27 ist einteilig ausgeführt. Die Läuferwelle 27 weist einen runden Querschnitt auf. Sie erstreckt sich in axialer Richtung A des Läufers 20. In dem hier gezeigten montierten Zustand des Läufers 20 sind der Klauenpol 22 und der Gegenpol 23 durch Aufpressen auf die Läuferwelle 27 mit dieser drehfest verbunden. Zwischen den Polen 22, 23 ist das Wicklungspaket oder die Erregerwicklung 51 angeordnet. Diese ist von der Isoliereinrichtung 100 umgeben, sodass diese isoliert angeordnet ist. Über die Ableiteinrichtung 110 ist die Isoliereinrichtung 100 elektrisch leitend mit der Schleifringbaugruppe 49 verbunden, wie im Folgenden detaillierter dargestellt.
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Die 3 zeigt in einer Perspektivansicht schematisch einen Ausschnitt einer als Klauenpolgenerator ausgebildeten elektrischen Maschine 10 mit dargestelltem Verlauf eines Leiters 111 der Ableiteinrichtung 110. Der Leiter 111 ist zusätzlich zu den Anschlussleitern 66 vorgesehen und erstreckt sich bis in die Isoliereinrichtung 100, wie im Folgenden detaillierter beschrieben. Die Klauenpolfinger des Gegenpols 23 bzw. der gesamte Gegenpol 23 sind hier zum besseren Verständnis nicht dargestellt.
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Die 4 zeigt in verschiedenen, schematischen Querschnittsansichten die Ableiteinrichtung 110 und deren Wirkungsweise. In 4a ist schematisch die Anordnung der Ableiteinrichtung 110 in dem Klauenpolgenerator dargestellt. Ausgehend von einer Stromführungsschiene verläuft der Leiter 111 der Ableiteinrichung 110 entlang des Gegenpols 23 zu der das Wicklungspaket 51 isolierenden Isoliereinrichtung 100. Wie in der schematischen Querschnittsansicht 4b vergrößert und ausschnittsweise dargestellt, ist die Isoliereinrichtung 100 als mehrlagige Papierisolierung 101 ausgebildet. Dabei umfasst die Papierisolierung 101 in der dargestellten Ausführungsform zwei Lagen Papier. In anderen Ausführungsformen lassen sich andere isolierende Materialen als Lagen verwenden. Zwischen den beiden Lagen Papier, von diesen sandwichartig umgeben, erstreckt sich ein Abschnitt 112 der Ableiteinrichtung 110. Dieser von den Papierlagen umgebende Abschnitt 112 ist elektrisch leitend mit dem Leiter 111 verbunden. Der Abschnitt 112 ist in der dargestellten Ausführungsform als elektrisch leitfähige Schicht 112a ausgebildet. Die elektrisch leitfähige Schicht 112a erstreckt sich entlang der Lagen Papier. Diese sind in der dargestellten Ausführungsform in Richtung eines Luftspalts zwischen den Klauenpolen 22, 23 geöffnet, sodass das Wicklungspaket 51 nicht vollständig umgeben ist. Zur Stabilisierung und Verbesserung der Isoliationsfunktion ist das verwendete Papier zudem mit Harz umgeben und/oder getränkt. Somit ergibt sich der in 4c dargestellte Schichtaufbau der Isoliereinrichtung 100 mit der teilweise integrierten Ableiteinrichtung 110. Ausgehend von dem Wicklungspaket 51 (rechts in der 4c) schließt sich eine Papierlage 113 an. Diese ist bevorzugt als mit Harz getränkte und/oder mit Harz versehene oder beschichtete Papierlage 113 ausgebildet. Darauf folgt (in Richtung von rechts nach links in der 4c) der Abschnitt 112, der als elektrisch leitfähige Schicht 112a ausgebildet ist. Die elektrisch leitfähige Schicht 112 ist aus einem entsprechend leitfähigen Material hergestellt, beispielsweise aus einem nicht-ferromagnetischem, einem paramagnetischen oder einem diamagnetischen Stoff. Beispielsweise ist der Stoff als Gold, Aluminium und/oder als entsprechende Gold- oder Aluminium-Legierung oder -Verbindungen ausgebildet. Weiter grenzt an diesen Abschnitt 112 eine weitere Papierlage 113 an. Somit ist der Abschnitt 112 sandwichartig zwischen den zwei Papierlagen 113 angeordnet. Die Papierlagen 113 sind in der hier dargestellten Ausführungsform gleich ausgebildet. Das heißt, auch die zweite Papierlage 113 ist mit einem Harz getränkt und/oder mit einem Harz beschichtet. An die zweite Papierlage 113 grenzt dann der Klauenpol 22 an. Zudem ist mit E → eine Feld, welches sich bei einer Bestromung ausbildet, bezeichnet. Dabei bildet sich je Papierlage 113 ein Feld E → aus. Die Felder E → sind somit durch den leitfähigen Abschnitt 112 unterteilt. In der 4c ist die Feldrichtung des jeweiligen Feldes E → durch entsprechende Pfeile dargestellt. Zur Verdeutlichung verläuft eine Bezugslinie von dem Bezugszeichen E → zu den Peilen, welche die Feldrichtung angeben. Beim Schalten eines Regler-FETsbaut sich dann jeweils das elektrisches Feld E → auf. Das Feld E → bildet sich zwischen dem Wicklungspaket (Rotorwicklung) 51 und dem Klauenpol 22 aus. Das sich ausbildende Feld E → weist jedoch eine deutlich kleinere Feldstärke auf, als bei herkömmlichen Klauenpolgeneratoren, da die leitfähige Schicht 112a sehr niederohmig an die Masse angebunden ist. Somit findet schon bei einem Schalten des Regler-FETs ein Potentialausgleich zwischen der Rotorwicklung 51 und der Schicht 112a statt. Somit wirkt nur ein Feld E → mit einer sehr geringen Feldstärke auf den Klauenpol ein, sodass sich auf dem Klauenpol 22 eine deutlich reduzierte Spannung aufbaut. Der Spannungsverlauf bei einem Schalten eines Klauenpolgenerators im Vergleich zu herkömmlichen Klauenpolgeneratoren ist in 4d dargestellt. Anhand der Darstellung wird deutlich, dass der Spannungsverlauf bei herkömmlichen Klauenpolgeneratoren 120 starke Spannungsschwankungen aufweist. Demgegenüber weist die erfindungsgemäße Lösung einen Spannungsverlauf 121 auf, der praktisch keine Spannungsschwankungen aufweist. Auf der Abszisse sind die Zeiteinheiten angegeben. Auf der Ordinate sind die Spannungen aufgetragen.
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Die 5 zeigt in schematischen Schaltbildern verschiedene Schaltzustände der Erregerkreisansteuerung beim Betrieb der elektrischen Maschine 10. Dabei zeigt 5a einen Stromverlauf I bei einem Bestromen der Feldspule. In 5 ist allgemein der Aufbau einer H-Brücke dargestellt. Dabei ist eine Parallelschaltung von zwei Zweigen dargestellt, in denen zwei Halbleiterelemente serielle zwischen Masse und Betriebsspannung Ub geschaltet sind. Das Potential zwischen den seriellen Halbleiterelementen wird zur Erregerwicklung ausgeführt. Erfindungsgemäß ist statt eines üblicherweise verwendeten High-Side-Reglers die H-Brücke oder eine H-brückenähnliche Schaltung eingesetzt. Hierdurch lassen sich zusätzliche Funktionen realisieren. In 5a und auch in 5b ist ein normaler Betrieb ohne Zusatzfunktionen dargestellt. Nachdem in 5a der Fall Bestromen der Feldspule dargestellt ist, ist in 5b der Freilauffall dargestellt. In 5c ist die Zusatzfunktion Schnellentladung abgebildet. Mit der Schaltung ist eine Schnellentreglung des Wicklungspakets bzw. der Feldwicklung möglich. Die beiden Spulenanschlüsse werden hierbei invers zum herkömmlichen Betrieb geschaltet. Durch die Betriebsweise zum Abbau des Erregerstroms lassen ich deutlich bessere dynamische Eigenschaften gegenüber dem Freilauffall erzielen. Bei der Schnellentregelung ist die in das Kugellager eingebrachte Energie durch die Größe der Rotorkapazität begrenzt. Bei der Schnellentladung ist eine derartige Kapazitätsbegrenzung nicht vorhanden, da hier keine Kontaktierung zwischen dem Masseschleifring und der Welle vorliegt. Der Masseschleifring ist dabei der Schleifring, der beim Bestromen der Feldspule die kleinere Spannungsdifferenz zur Masse aufweist. In 5d ist detaillierter die Kontaktierung der Isoliereinrichtung 100 / leitfähige Schicht 112 dargestellt. Die Schleifringe weisen im Normalbetrieb – das heißt beim Bestromungsfall und beim Freilauffall das Massepotential auf. Die Kontaktierung mit dem Masseschleifring erfolgt über die Stromschiene des jeweiligen Schleifrings. Die Schaltung mit H-Brücke wird auch als 4-Quadrantensteller bezeichnet. Der Stromverlauf ist über den Anschluss Ub und den High-Schalter-Abschnitt über die Kohlebürste und den ersten Schleifring 72 zum Wicklungspaket 51 bzw. zur Feldwicklung 51 über die Isolierungseinrichtung 100 mit der integrierten Ableiteinrichtung 110 weiter über den anderspoligen Schleifring 72 und die zugehörige Kohlebürste 140 zur Erdung. Im Freilauffall (5b) ist der Stromverlauf als Kreis von der Erregerwicklung 51 über den High-Abschnitt H weiter zum Low-Abschnitt L und zurück zur Feldwicklung 51. Bei der Schnellentregelung erfolgt der Stromverlauf über die Diode D. Dabei erfolgt die Schnellentladung über die inverse Anschlussbelegung gegenüber dem Normalfall Bestromen (5a). An der Masseleitung liegt in dem Fall die Betriebsspannung Ub an.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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