DE102013223809A1

DE102013223809A1 - Elektrische Maschine und Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102013223809A1
Application number: DE102013223809.6A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Meyer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2013-11-21
Filing date: 2013-11-21
Publication date: 2015-05-21
Also published as: WO2015074911A2; US20160308410A1; CN105745818A; CN105745818B; WO2015074911A3; EP3072216A2

Abstract

Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (10), insbesondere eine elektrische Maschine (10) wie einen Generator oder einen Motor, mit mindestens einem Pol (22, 23) wie einem Schenkelpol oder einem Klauenpol, zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie, mit mindestens einem Läufer (20), der mindestens zwei aus je einem Polmaterial bestehende (Klauen-)Pole (22, 23) aufweist, an dessen äußerer, zu einer Ständerbohrung gerichteter Oberfläche (100) mindestens eine Vertiefung (110) ausgebildet ist, wobei in der Vertiefung (110) ein Füllmaterial (120) angeordnet ist, welches elektrisch schlechter leitet als das jeweilige Polmaterial und welches als magnetischer Leiter fungiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere eine elektrische Maschine wie ein Generator oder ein Motor, mit einem Pol wie einem Schenkelpol oder einem Klauenpol, zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer wirbelstromverlustreduzierten elektrischen Maschine zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie, insbesondere zur Verringerung von Wirbelströmen an einer Poloberfläche einer elektrischen Maschine wie einem Generator oder einem Motor, mit mindestens einem Pol wie einem Schenkelpol oder einem Klauenpol, während eines Betriebs der elektrischen Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
Stand der Technik
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.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind elektrische Maschinen, insbesondere Motoren und Generatoren mit massiven Schenkelpolen, beispielsweise Klauenpolgeneratoren, zur Gleichspannungsversorgung von Bordnetzen in Kraftfahrzeugen.
Aus dem Stand der Technik sind Generatoren zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie im Kraftfahrzeug bekannt. 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. Deren Läufer umfasst mindestens eine Läuferwelle, zwei Klauenpole, einen Polkern und eine Erregerwicklung. Der komplette Polkern oder Teile des Polkerns können an einem der beiden Klauenpole oder z. B. jeweils zur Hälfte an beiden Klauenpolen angeformt sein, so dass der Polkern kein eigenständiges Bauteil darstellt. 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. Der Polkern und die zwei Klauenpole sind im Stand der Technik auf die Läuferwelle aufgepresst. Dazu müssen die Klauenpole und der Polkern in der Mitte durchbohrt werden. Bei derartigen Klauenpolgeneratoren treten Wirbelstromverluste auf, welche es gilt zu vermeiden. Bei diesen elektrischen Maschinen bilden Nuten eines Ständerblechpaketes Flussschwankungen in dem Luftspalt zwischen Ständer und Läufer aus. Diese Flussschwankungen verursachen auf der Läuferoberfläche von Klauenpolmaschinen, genauer auf den äußeren Klauenpoloberflächen, welche dem Stator zugewandt sind, Wirbelströme, die zu Verlusten und damit zur Erwärmung des Läufers beitragen. Insbesondere bei kleinem Arbeitsluftspalt und hohen Drehzahlen, wie sie bei Klauenpolgeneratoren auftreten, führen diese Wirbelströme zu signifikanten Verlusten und Reduzierung des Wirkungsgrades. Die Klauenpole von Kraftfahrzeug-Generatoren bestehen in der Regel aus massivem weichmagnetischem Stahl, der auch eine hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt, so dass sich die Wirbelströme gut ausbilden können. Da die Fliehkräfte bei hohen Drehzahlen eine hohe mechanische Festigkeit des Klauenpols erfordern, kann der Klauenpol nicht optimal aus einem wirbelstromresistenten Material gefertigt werden.
Allgemein bekannt ist bei Klauenpolgeneratoren oder Lundellgeneratoren das Ausbilden von Rillen in der Oberfläche der Klauenpole, die das Ausbilden von Wirbelströmen behindern, die aber auch den mittleren Luftspalt vergrößern und damit die Maschinenleistung im unteren Drehzahlbereich reduzieren. Weiter bekannt sind Beschichtungen der Klauenpole, genauer Beschichtungen der dem Ständer zugewandten Fingeroberfläche, mit einem Material, das den magnetischen Fluss gut leitet jedoch eine schlechte elektrische Leitfähigkeit besitzt. Die Haftbarkeit der Beschichtung bei hohen Drehzahlen ist jedoch begrenzt.
Aus der JP 05056615 ist ein Klauenpolgenerator mit Klauenpolen bekannt, in deren zu einem Stator weisenden Oberfläche eine Nut vorgesehen ist. In der Nut ist ein Material mit einem geringen elektrischen Widerstand, d. h. einer hohen oder guten elektrischen Leitfähigkeit, beispielsweise Kupfer oder Aluminium angeordnet, um einen geschlossenen Stromkreis an dem Klauenpol auszubilden. Die Leitfähigkeit von Kupfer liegt bei einer Temperatur von etwa 300 K bei etwa >= 58,0 MS/m. Die Leitfähigkeit von Aluminium bei etwa 300 K liegt bei etwa 36,59 MS/m. Eine Permeabilitätszahl als Index für eine magnetische Leitfähigkeit liegt für Kupfer bei etwa knapp unter 1 (1 – 6,4 × 10^–5) und bei Aluminium knapp über 1 (1 + 2,2 × 10^–6). Es handelt sich bei den Materialien somit im magnetisch schlecht und elektrisch gut leitende Materialien.
Aus der US 5,903,084 ist ebenfalls ein Klauenpolgenerator mit Klauenpolen bekannt, in deren zu einem Stator weisenden Oberfläche eine Nut vorgesehen ist. In den Nuten ist polübergreifend ein elektrischer Leiter angeordnet, der aus einem nicht-magnetischen Material, also einem magnetischen Material mit einer Permeabilitätszahl im Bereich von 1 (Vakuum, neutral), besteht.
Weitere derartige elektrische Maschinen sind u.a. auch aus EP 2157679 A1 , US 6396181B1 , DE 19502184A1 , US 20040142189A1 , US 6545383B1 , US 7525233B2 , JP2008220083A , DE 19711750 A1 und JP 2011087340A bekannt.
Offenbarung der Erfindung
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 einer elektrischen Maschine, insbesondere bei einer elektrischen Maschine wie einem Generator oder einem Motor, mit mindestens einem Pol wie einem Schenkelpol oder einem Klauenpol, beispielsweise einer Andrehvorrichtung wie einem Starter, zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie, mit mindestens einem Läufer, der mindestens zwei aus je einem Polmaterial bestehende Pole aufweist, an deren äußerer, zu einer Ständerbohrung gerichteter Oberfläche mindestens eine Vertiefung ausgebildet ist, wobei in der Vertiefung ein Füllmaterial angeordnet ist, welches elektrisch schlechter leitet als das jeweilige Polmaterial – bevorzugt als elektrischer Nichtleiter oder schlechter elektrischer Leiter ausgebildet ist – und als magnetischer Leiter fungiert, die Ausbildung von Wirbelströmen vermieden oder zumindest reduziert wird, ohne ein für den gesamten Pol optimiertes Material zu verändern. Durch die Vermeidung von Luftspalten trotz vorhandener Rillen wird vorteilhafterweise die Ausbildung von Wirbelstromverlusten reduziert, sodass weiterhin vorteilhaft die Leistung der elektrischen Maschine weitgehend erhalten bleibt. Ein Material leitet u.a. dann schlechter als ein anderes Material, wenn es eine geringere elektrische Leitfähigkeit als das andere Material aufweist. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine ist in einer Ausführung für einen Generatorbetrieb als Generator, für einen Motorbetrieb als Motor und für beide Betriebsarten ausgeführt. So kann nicht nur mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt werden, sondern auch elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt werden. Der Pol mit der zu der Ständerbohrung zugewandter Oberfläche ist in einer Ausführung nach Art eines Polfingers ausgebildet. Bevorzugt ist in der Oberfläche mehr als eine Vertiefung vorgesehen. Die Vertiefung ist in einer Ausführungsform als Nut oder Rille ausgeführt. In einer anderen Ausführungsform ist die Vertiefung als Eindellung, Sackbohrung oder eine andere beliebige Einkerbung oder Ausnehmung ausgebildet. Das Füllmaterial ist bevorzugt ein festes Füllmaterial. In einer anderen Ausführungsform ist beispielsweise ein aushärtendes, insbesondere ein selbstaushärtendes Füllmaterial vorgesehen. Der Pol ist bevorzugt als massiver Pol ausgebildet. Als Polmaterial ist bevorzugt ein Eisenmaterial bzw. eine Eisenverbindung vorgesehen. Die Polmaterialien für die unterschiedlichen Pole sind bevorzugt gleich ausgeführt. Unter einem elektrischen Nichtleiter im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Bauteil oder Stoff zu verstehen, dessen elektrische Leitfähigkeit unter der von dem Polmaterial liegt. Insbesondere versteht man im Sinne der Erfindung darunter Stoffe, die keine oder eine praktisch unbedeutende elektrische Leitfähigkeit besitzen, das heißt, deren Leitfähigkeit – vorzugsweise bei 300 K – unter einem ungefähren Grenzwert von 20MSm^–1 liegt. Unter einem magnetischen Leiter im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Stoff zu verstehen, der eine magnetische Permeabilitätszahl µ_r besitzt, die oberhalb von 100, bevorzugt oberhalb von 1000 liegt. Die Stoffe sind bevorzugt Stoffgemische oder Stoffverbunde. Insbesondere handelt es sich bei einem magnetisch leitenden Stoff um einen Stoff, ein Stoffgemisch oder einen Stoffverbund mit einem entsprechenden Anteil an ferromagnetischen Stoffen. Das für die Herstellung der Pole verwendete Polmaterial – Eisenmaterial – weist bevorzugt eine elektrische Leitfähigkeit im Bereich von 10 MS/m auf. Die Vertiefungen weisen mindestens eine Öffnung an der Oberfläche auf. In einer anderen Ausführungsform sind die Vertiefungen als Durchgangsöffnung, also als Vertiefung mit mehreren Öffnungen ausgebildet. Der Querschnitt einer Vertiefung ist in einer Ausführungsform über deren Erstreckung konstant. In einer anderen Ausführungsform ist der Querschnitt einer Vertiefung über deren Erstreckung variabel, beispielsweise kontinuierlich variierend und/oder sprunghaft variierend.
Der Läufer der elektrischen Maschine umfasst in einer Ausführung mindestens zwei Pole, beispielsweise zwei Schenkelpole oder zwei Klauenpole, einen Polkern und die Läuferwelle. Dabei ist der Läufer bevorzugt in einer Ständerbohrung angeordnet, sodass eine Innenseite der Ständerbohrung zu einer äußeren Oberfläche der Pole weist bzw. dieser benachbart gegenüberliegt. Die beiden Pole sind in einer Ausführung als Schenkelpol und Gegenschenkelpol, kurz Gegenpol genannt, ausgebildet. In einer Ausführungsform sind die Schenkelpole als Klauenpole ausgeformt. Der Polkern wird von den beiden Polen umgeben. In einer Ausführung weisen der Pol und der Gegenpol eine Vielzahl von Polfingern, beispielsweise sechs, sieben, acht oder neun Polfinger, beispielsweise Klauenpolfinger, auf. Die Anzahl der Polfinger ist vorzugsweise an dem Pol und an dem Gegenpol gleich ausgebildet. Bevorzugt ist an dem Polkern eine Erregerwicklung angeordnet, welche auch von den Polen, genauer gesagt von den Polfingern des Poles und des Gegenpols, umschlossen wird. Die Pole und der Polkern sind auf der drehbaren Läuferwelle angeordnet. Die Läuferwelle ist bevorzugt stangenförmig, beispielsweise als Rundstange mit einem runden Querschnitt, ausgebildet.
In einer Ausführungsform ist der Polkern in einen der beiden Pole integriert ausgebildet, das heißt, der Polkern und ein Pol sind einteilig ausgeführt. Dieses Bauteil, das heißt der Pol mit dem Polkern, ist in radialer und axialer Richtung ununterbrochen, wobei sich die Richtungsangaben radial und axial auf eine Längenerstreckung der Läuferwelle beziehen. Der andere, zweite Pol bzw. der Gegenpol ist in einer Ausführungsform separat von dem Polkern mit dem integrierten Pol ausgebildet und mit diesem verbunden. Weiterhin ist in einer Ausführungsform die Läuferwelle zumindest im Bereich der Pole unterbrochen, das heißt mindestens zweiteilig, ausgebildet.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen und nebengeordneten Ansprüchen vorgegebenen Vorrichtungen möglich.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Vertiefung als eine mindestens einen Hinterschnitt aufweisende Vertiefung ausgebildet ist, um das in der Vertiefung angeordnete Füllmaterial zu fixieren. Die Vertiefung weist eine in radial nach außen öffnende Öffnung auf, das heißt in eine radiale Richtung zu einem umgebenden Stator. Da der Läufer um die Drehachse rotiert, auch mit hohen Drehzahlen, wirkt eine Fliehkraft auf ein in der Vertiefung angeordnetes Füllmaterial, welches dadurch neigt, sich aus der Vertiefung hinauszubewegen. Aufgrund mindestens eines Hinterschnitts in der Vertiefung, in welchem das Füllmaterial zumindest teilweise angeordnet ist, wird einer radial nach außen gerichteten Bewegung entgegen gewirkt. Der Hinterschnitt kann auf beliebige Weise ausgebildet sein. In einer Ausführungsform ist ein schwalbenschwanzförmiger Hinterschnitt vorgesehen. In anderen Ausführungsformen sind quer zu einer Erstreckungsrichtung der Vertiefung vorgesehene Ausformungen und/oder Anformungen vorgesehen.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass das Füllmaterial maximal bündig mit dem Rand der Vertiefung abschließt, um so eine vorsprungsfreie Oberfläche zu gewährleisten. Das heißt, die Füllung ragt nicht aus der Vertiefung in Richtung Oberfläche über die Vertiefung und somit die Oberfläche hervor. Bevorzugt schließt das in der jeweiligen Vertiefung befindliche Füllmaterial bündig mit der Oberfläche um die entsprechende Vertiefung ab. Auf diese Weise ist ein Luftspalt zwischen der Oberfläche und dem umgebenden Stator minimiert. In anderen Ausführungen ist ein Umgebungsbereich der Oberfläche um die Vertiefung mit dem Füllmaterial beschichtet.
Noch eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass das Füllmaterial und/oder die Vertiefung mit einem Adhäsionsmittel versehen ist, um eine verbesserte Fixierung des Füllmaterials in der Vertiefung zu gewährleisten. Neben einem Hinterschnitt oder alternativ dazu ist das Füllmaterial an eine Wandung der jeweiligen Vertiefung angeheftet, bevorzugt mit einem Adhäsionsmittel wie einem Kleber oder dergleichen. Bevorzugt ist das Adhäsionsmittel als eine Adhäsionsschicht ausgebildet. Da das Füllmaterial auch als Stoffgemisch ausführbar ist, ist in einer Ausführungsform das Adhäsionsmittel in dem Stoffgemisch oder allgemein in den Füllstoff integriert ausgebildet. So sind auch pulverförmige Stoffgemische als Füllstoff verwendbar, die beispielsweise durch integrierte Mittel zusammenhaftend und/oder an einer Wandung anhaftend ausgebildet sind.
Entsprechend ist in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass das Füllmaterial als ein Pulverwerkstoff, insbesondere ein gepresster Pulverwerkstoff und/oder als ein in der Vertiefung zumindest teilweise plastisch verformbarer Werkstoff ausgebildet ist. Ein Pulverwerkstoff, der beispielsweise als ein Pulvergemisch oder einen Pulververbundwerkstoff ausgebildet ist, ist einfach in eine beliebige Vertiefung einfüllbar. Nach einem Einfüllen ist der Pulverwerkstoff durch Pressen in der Vertiefung mit dieser verpressbar. Somit ist als Füllmaterial ein in der Vertiefung verpresster Pulverwerkstoff realisiert. Gerade bei Vertiefungen, die einen Hinterschnitt aufweisen, sind Pulverwerkstoffe vorteilhaft. Als Gemisch lassen sich bei einem Pulverwerkstoff die geforderten Eigenschaften – magnetischer Leiter und elektrischer Nichtleiter – durch entsprechende Mischungen, Einschlüsse, Dotierungen oder dergleichen leicht einstellen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Füllmaterial eine elektrische Leitfähigkeit von kleiner gleich 5 MS/m, bevorzugt kleiner gleich 3 MS/m und am meisten bevorzugt von kleiner gleich 1 MS/m aufweist und/oder eine magnetische Leitfähigkeit, ausgedrückt in einer Permeabilitätszahl, von etwa größer gleich 100, weiter bevorzugt von größer gleich 300 und am meisten bevorzugt von größer gleich 500 aufweist und insbesondere als ein Pulververbundwerkstoff mit einer Permeabilitätszahl von größer 600 ausgebildet ist. Der Pulververbundstoff oder auch soft magnetic composite – oder kurz SMC – ist durch einen entsprechenden Verbund ausgebildet. Dieser umfasst in einer Ausführungsform neben ferromagnetischen Anteilen auch adhäsive Anteile und/oder magnetische leitfähige Anteile.
Zudem ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass die Abstände, die Form und/oder die Tiefe mehrerer Vertiefungen über die Oberfläche je Pol variiert. In einer Ausführungsform sind alle Vertiefungen gleich ausgebildet, das heißt mit im Wesentlichen gleicher Form, gleicher Tiefe, gleichem Querschnitt, gleichem Fassungsvermögen etc. In einer anderen Ausführungsform weisen die Vertiefungen eine unterschiedliche Länge, das heißt einen Quer- und/oder Längsverlauf entlang der Oberfläche auf. In anderen Ausführungsformen ist die Tiefe der Vertiefungen unterschiedlich. In wiederum anderen Ausführungsformen sind die Querschnitte der Vertiefungen unterschiedlich.
Weiter sieht eine Ausführungsform vor, dass die Vertiefung als mindestens eine Nut, insbesondere als mindestens eine quer zu einer Axialrichtung der elektrischen Maschine verlaufende Nut, insbesondere als mehrere parallele Nuten und oder als spiralförmig ausgebildete Nutabschnitte ausgebildet sind. Die Nutabschnitte lassen sich beispielsweise in die Oberfläche fräsen und/oder drehen. Mittels Drehen lassen sich bevorzugt spiralförmige Abschnitte ausbilden. Die Nut erstreckt sich bevorzugt über eine gesamte Breite der Oberfläche, das heißt in eine Richtung in Umfangsrichtung. Die Nut oder Nutabschnitte sind in einer Ausführungsform quer zu einer Umfangsrichtung und/oder einer Axial- oder Längsrichtung ausgebildet. In einer anderen Ausführungsform verlaufen die Nuten in Längsrichtung. In wiederum anderen Ausführungsformen sind die Erstreckungsrichtungen der Nuten in unterschiedliche Richtungen ausgebildet. Hierdurch lassen sich beispielsweise gitterartig angeordnete Nutverläufe realisieren. Ein Querschnitt einer Nut ist beispielsweise etwa rechteckig, oval, U-förmig oder ähnlich ausgebildet. Bevorzugt ist ein Querschnitt mit einem Hinterschnitt ausgebildet.
Nicht zuletzt ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass die Vertiefung zu mindestens 70 Volumen%, weiter bevorzugt zu mindestens 80 Volumen% und am meisten bevorzugt zu mindestens 90 Volumen% mit dem Füllmaterial gefüllt ist. Bevorzugt ist die Vertiefung zu 100 Volumen% gefüllt. In anderen Ausführungsformen sind Lufteinschlüsse vorgesehen. Eine Ausführungsform sieht vor, dass das Füllmaterial zumindest teilweise einen Vertiefungsgrund oder Vertiefungsboden kontaktiert. In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Füllmaterial den Vertiefungsgrund nicht kontaktiert. In einer weiteren Ausführungsform sind Lufteinschlüsse vorgesehen, beispielsweise so, dass zwei Füllmaterialabschnitte ausgebildet sind, welche durch den Lufteinschluss getrennt sind. In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Füllmaterial zumindest teilweise in einem Hinterschnitt der Vertiefung angeordnet ist. Bevorzugt ist kein Lufteinschluss zwischen Füllmaterial in einem Hinterschnitt und dem in Richtung Oberfläche angeordneten Füllmaterial vorgesehen.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des entsprechenden Hauptanspruches hat dem Stand der Technik gegenüber den Vorteil, dass bei einem Verfahren zur Herstellung einer wirbelstromverlustreduzierten elektrischen Maschine zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie, insbesondere zur Verringerung von Wirbelströmen an einer Poloberfläche einer elektrischen Maschine wie einem Generator oder einem Motor mit einem Pol wie einem Schenkelpol oder einem Klauenpol während eines Betriebs der elektrischen Maschine, bei der mindestens ein Läufer, der mindestens zwei massive Polfinger aufweist, an dessen radial äußerer, zu einer Ständerbohrung gerichteter Oberfläche mindestens eine Vertiefung ausgebildet ist, vorgesehen wird, wobei in der Vertiefung ein Füllmaterial angeordnet wird, welches als elektrischer Nichtleiter oder elektrisch schlechter Leiter und magnetischer Leiter fungiert, eine Ausbildung von Wirbelströmen vermieden oder zumindest reduziert wird, ohne ein für den gesamten Pol optimiertes Material zu verändern. Vorhandene Pole lassen sich leicht nachrüsten. Es wird in Pole gemäß dem Stand der Technik eine entsprechende Vertiefung ausgebildet, beispielsweise mittels Drehen, Fräsen und dergleichen. Danach wird ein Füllmaterial in die Vertiefung eingefüllt. Für ein Anhaften wird ein entsprechendes Adhäsionsmittel vorgesehen, wobei dieses an einer Wandung und/oder an und/oder in dem Füllmaterial selbst vorgesehen wird. In einer Ausführungsform wird ein pulverförmiges Füllmaterial, beispielsweise SMC, in die Vertiefung gefüllt. Dieses pulverförmige Füllmaterial wird dann in der Vertiefung verpresst, sodass das Füllmaterial sicher in der Vertiefung angeordnet ist. In einer Ausführungsform wird das Füllmaterial zumindest teilweise in einen Hinterschnitt der Vertiefung gefüllt. Noch eine andere Ausführungsform sieht vor, dass das Füllmaterial entsprechend auf die geforderten Eigenschaften abgestimmt bzw. gemischt wird, in dem beispielsweise ferromagnetische Anteile mit magnetisch leitenden Anteilen und/oder Adhäsionsmittel gemischt und/oder als Verbund ausgebildet werden.
Um den Leistungsverlust durch Rillen oder Nuten in der Poloberfläche zu reduzieren, werden die als Rillen oder Nuten ausgebildeten Vertiefungen oder Ausnehmungen mit einem elektrisch schlecht und magnetisch gut leitenden Material – z. B. einem gepressten Pulverwerkstoff wie SMC – ausgefüllt. Wenn die Nuten auf der Poloberfläche eine geeignete Querschnitts-Geometrie, beispielsweise Querschnitte mit Hinterschnitt, aufweisen, verbleibt ein in die Nuten gepresster und/oder geklebter Pulverwerkstoff auch bei hohen Drehzahlen – etwa im Bereich von 20.000 U/min – in den Nuten. Die Nuten werden maximal bis zu deren Rand mit dem vorstehend beschriebenen Füllmaterial oder Füllstoff gefüllt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 in einer Querschnittsansicht eine als Klauenpolgenerator ausgebildete elektrische Maschine,
2 in einer Querschnittsansicht einen Teil eines Klauenpolgenerators mit Läufer und Klauenpolen,
3 in einer Querschnittsansicht einen Klauenpol mit Klauenpolfingern,
4 in Querschnittsansichten verschiedene Querschnitte einer Vertiefung in einer Oberfläche eines Klauenpolfingers und
5 in einer Draufsicht verschiedene Vertiefungen an einer Oberfläche eines Klauenpolfingers.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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, genuteten Oberfläche einen Rotor oder Läufer 20, der als Klauenpolläufer ausgebildet ist (hier nicht detailliert gezeigt). Der Läufer 20 umfasst einen als Klauenpol ausgebildeten Pol 22 und einen Gegenpol 23 (siehe auch 2), die auch als Polplatinen, hier Klauenpolplatinen, bezeichnet werden, an deren Außenumfang jeweils sich in axialer Richtung erstreckende Polfinger 24 und 25 (hier Klauenpolfinger, 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 (Klauen-)Polfinger 24 bzw. 25 sich am Umfang des Läufers 20 abwechselnd angeordnet sind. Dadurch ergeben sich magnetisch erforderliche Zwischenräume zwischen den gegensinnig magnetisierten (Klauen-)Polfingern 24 und 25, die als (Klauen-)Polzwischenräume bezeichnet werden. Die (Klauen-)Polfinger weisen eine radial äußere, einer Statorinnenseite zugewandte Oberfläche 100 auf. In dieser Oberfläche 100 sind Vertiefungen 110 vorgesehen, welche in Bezug auf die weiteren Figuren detaillierter beschrieben sind. 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.
Der Läufer 20 weist 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 nach außen.
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 an sich bekannte Brückenschaltung darzustellen.
Ein Spulenträger 60 ist radial außerhalb eines Polkerns 63 angeordnet. Der Spulenträger 60 hat die Aufgabe, die Erregerwicklung 51 sowohl gegenüber den (Klauen-)Polplatinen 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 (Klauen-)Polplatinen 22 und 23 axial fixiert.
Darüber hinaus übergreifen die (Klauen-)Polfinger 24 und 25 die Erregerwicklung 51 und bilden somit nach radial außen eine Art Käfig, der eine unzulässige radiale Verlagerung der Erregerwicklung 51 verhindert. Der Polkern 63 kann axial auch in zwei Abschnitte unterteilt werden, die an die (Klauen-)Polplatinen 22 und 23 angeformt sind. Eine Polkernlänge berechnet sich hierbei aus der Summe der Einzelabschnitte der Polkerne.
Die 2 zeigt in einer Querschnittsansicht einen Teil des Klauenpolgenerators mit Läufer 20 und (Klauen-)Polen 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 (Klauen-)Pol 22 und der Gegenpol 23 durch Aufpressen auf die Läuferwelle 27 mit dieser drehfest verbunden. Die (Klauen-)Polfinger 24 und 25 weisen die radial äußere, zum Stator 16 (siehe 1) gewandte Oberfläche 100 auf. Diese weist in Umfangsrichtung, also entlang der Oberfläche 100, einen konstanten radialen Abstand zu der Drehachse A des Läufers 20 auf. In die Oberfläche 100 sind sich radial nach innen erstreckende Vertiefungen 110 angeordnet. Diese sind gemäß 2 als Rillen oder Nuten 111 ausgeführt. Diese weisen in Umfangsrichtung einen konstanten, hier rechteckigen, Querschnitt 112 auf. In den Vertiefungen 110 ist ein Füllmaterial 120 vorgesehen. Das Füllmaterial 120 fungiert als elektrischer Nichtleiter und magnetischer Leiter, um die Ausbildung von Wirbelströmen, insbesondere an der Oberfläche 100, zu vermeiden und/oder zu verringern. Hierzu schließt das Füllmaterial 120 bündig mit einem Rand der Vertiefung 110 ab, um so eine vorsprungsfreie Oberfläche 100 zu gewährleisten. Der Aufbau der Vertiefungen 110 und des Füllmaterials 120 wird im Folgenden detaillierter beschrieben.
Die 3 zeigt in einer Querschnittsansicht einen (Klauen-)Pol 22 mit (Klauen-)Polfingern 24. In die Oberfläche 100 sind die Vertiefungen 110 eingebracht. In den Vertiefungen 110 ist das Füllmaterial 120 angeordnet. Hier ist in jeder Vertiefung 110 das gleiche Füllmaterial 120 vorgesehen. In anderen Ausführungsformen sind unterschiedliche Füllmaterialien 120 für verschiedene Vertiefungen 110 vorgesehen. Die Vertiefungen 110 sind als je einen Hinterschnitt 113 aufweisende Vertiefungen 110 ausgebildet, genauer je als eine einen Hinterschnitt 113 aufweisende Nut 111. Dabei sind die Nuten 111 komplett mit dem Füllmaterial 120 gefüllt. Das Füllmaterial 120 ist hier als ein Füllmaterial 120 mit einer elektrischen Leitfähigkeit von kleiner gleich 5 MS/m, bevorzugt kleiner gleich 3 MS/m und am meisten bevorzugt von kleiner 1 MS/m und einer magnetischen Leitfähigkeit, ausgedrückt in einer Permeabilitätszahl, von etwa größer gleich 100, weiter bevorzugt von größer gleich 300 und am meisten bevorzugt von größer gleich 500 ausgebildet. Genauer ist das Füllmaterial 120 als ein Pulververbundwerkstoff mit einer Permeabilitätszahl von größer 600 ausgebildet. Das Füllmaterial 120 ist zum einen durch Einpressen u. a. in den Hinterschnitt in der Vertiefung 110 fixiert. Zum anderen ist ein Adhäsionsmittel vorgesehen, wie im Folgenden dargestellt ist.
Die 4 zeigt in Querschnittsansichten verschiedene Querschnitte 112 einer Vertiefung 110 in der Oberfläche 100 eines (Klauen-)Pol(-fingers) 22 (24). 4a zeigt eine als Nut 111 mit einem rechteckigen Querschnitt 112 ausgebildet Vertiefung 110. Das Füllmaterial 120 ist über ein als Adhäsionsschicht 131 ausgebildetes Adhäsionsmittel 130 in der Nut 111 fixiert. Das Füllmaterial 120 schließt bündig mit der Oberfläche 100 ab, sodass eine vorsprungsfreie Oberfläche 100 realisiert ist. 4b zeigt einen anderen Querschnitt 112. Der in 4b dargestellte Querschnitt 112 ist etwa tonnenförmig ausgebildet. Das Füllmaterial 120 ist hier nicht ganz bis zu einem Rand der Vertiefung 110 bzw. der Oberfläche 100 ausgebildet. 4c zeigt eine Vertiefung 110 mit Hinterschnitt 113. Die dargestellte Vertiefung 110 ist als Schwalbenschwanznut ausgebildet. Das Füllmaterial 120 ist wie in 4b nicht bis zu einem oberen Rand der Vertiefung 110 bzw. der Oberfläche aufgefüllt. 4d zeigt einen Querschnitt 112, der etwa kreuzförmige gestaltet ist und somit ebenfalls einen Hinterschnitt 113 aufweist. Der Hinterschnitt 113 ist allerdings nicht benachbart zu einem Boden der Nut 111 angeordnet sonder beabstandet dazu. Das Füllmaterial 120 ist beabstandet zu dem oberen Rand bzw. der Oberfläche 100 und dem Boden der Nut 111 angeordnet, sodass benachbart zu dem Boden bzw. der Oberfläche 100 je ein Freiraum 115 realisiert ist. Die Querschnitte 112 nach 4a bis 4d sind spiegelsymmetrisch ausgebildet. Die 4e und 4f zeigen spiegelasymmetrische Querschnitte 112. In 4e ist ein modifizierter, kreuzförmiger Querschnitt 112 dargestellt. Der Hinterschnitt 113 weist dabei unterschiedliche Quererstreckungen auf. Eine Breite eines oberen Vertiefungsabschnitts ist unterschiedlich zu einer Breite des unteren Vertiefungsabschnitts. Die Vertiefungsabschnitte sind durch den Hinterschnitt 113 voneinander getrennt. In 4f ist der Hinterschnitt 113 nur an einer Seite ausgebildet. Von einem ansonsten rechteckigen Querschnitt 112 ragt der Hinterschnitt 113 nutartig in eine Richtung. Die hier dargestellten Querschnitte 112 stellen exemplarisch nur einen Ausschnitt aus einer Vielzahl denkbarer Querschnitte 112 dar.
Die 5 zeigt in einer Draufsicht verschiedene Vertiefungen 110 an einer Oberfläche 100 eines (Klauen-)Polfingers 24. In 5a verlaufen die als Nuten 111 ausgebildeten Vertiefungen 110 parallel und äquidistant zueinander über die gesamte Breite der Oberfläche 100. Der (Klauen-)Polfinger 24 ist sich verjüngend ausgebildet. Somit weist die einer Klauenpolfingerspitze nächstgelegene Nut 111 eine kürzere Länge als die weiter entfernten Nuten 111. Die Nuten 111 sind komplett mit dem Füllmaterial 120 gefüllt, welches bündig zu allen Öffnungen der jeweiligen Nut 111 mit der entsprechenden Oberfläche 100 abschließt. Der Verlauf der Nuten 111 in 5b ist im Gegensatz zu denen in 5a nicht linear ungekrümmt, sondern verläuft in einer leichten Krümmung. Dabei ist zudem der Abstand zwischen den Nuten 111 nicht konstant, sondern variiert. In 5c sind die Vertiefungen 110 nicht als Nuten 111, sondern nach Art von Sackbohrungen ausgebildet. Diese weisen unterschiedliche Querschnitte 112 – kreisförmig, rechteckig – auf. Dabei verändern sich die Querschnitte 112 in radialer Richtung nicht, sondern sind konstant ausgebildet. In anderen Ausführungen verändern sich in radiale Richtung, das heißt von der Oberfläche 100 zu der Drehachse A hin, die Querschnitte, sodass beispielsweise eine konische Vertiefung realisiert ist. Die Anordnung der Vertiefungen 110 an der Oberfläche 100 ist beliebig wählbar. Die Abstände der Vertiefungen 110 zueinander variiert entlang einer Oberflächenebene von Vertiefung 110 zu Vertiefung 110. In 5d ist eine Vertiefungsanordnung vorgesehen, die etwa spiralförmig, wie nach Art einer Schallplattenrille, verläuft. Entsprechend sind mehrere spiralförmige Nutabschnitte 111a oder Spiralabschnitte vorgesehen. Auch hier stellen die dargestellten Ausführungsformen exemplarisch nur einen Ausschnitt aus beliebig vielen wählbaren Ausführungsformen dar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 05056615 [0007]
US 5903084 [0008]
EP 2157679 A1 [0009]
US 6396181 B1 [0009]
DE 19502184 A1 [0009]
US 20040142189 A1 [0009]
US 6545383 B1 [0009]
US 7525233 B2 [0009]
JP 2008220083 A [0009]
DE 19711750 A1 [0009]
JP 2011087340 A [0009]

Claims

Elektrische Maschine (10), insbesondere eine elektrische Maschine (10) wie eine Generator oder ein Motor, mit mindestens einem Pol (22, 23) wie einem Schenkelpol oder einem Klauenpol, zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie, mit mindestens einem Läufer (20), der mindestens zwei aus je einem Polmaterial bestehende Pole (22, 23) aufweist, an deren äußerer, zu einer Ständerbohrung gerichteter Oberfläche (100) mindestens eine Vertiefung (110) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vertiefung (110) ein Füllmaterial (120) angeordnet ist, welches elektrisch schlechter leitet als das jeweilige Polmaterial und welches als magnetischer Leiter fungiert.
Elektrische Maschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (110) als eine mindestens einen Hinterschnitt (113) aufweisende Vertiefung (110) ausgebildet ist, um das in der Vertiefung (110) angeordnete Füllmaterial (120) zu fixieren.
Elektrische Maschine (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (120) maximal bündig mit einem Rand der Vertiefung (110) bzw. der Oberfläche (100) abschließt, um so eine vorsprungsfreie Oberfläche (100) zu gewährleisten.
Elektrische Maschine (10) nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (120) und/oder die Vertiefung (110) mit einem Adhäsionsmittel (130) versehen ist, um eine verbesserte Fixierung des Füllmaterials (120) in der Vertiefung (110) zu gewährleisten.
Elektrische Maschine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (120) als ein Pulverwerkstoff, insbesondere ein gepresster Pulverwerkstoff und/oder als ein in der Vertiefung (110) zumindest teilweise plastisch verformbarer Werkstoff ausgebildet ist.
Elektrische Maschine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (120) eine elektrische Leitfähigkeit von kleiner gleich 5 MS/m, bevorzugt kleiner gleich 3 MS/m und am meisten bevorzugt von kleiner gleich 1 MS/m aufweist und/oder eine magnetische Leitfähigkeit, ausgedrückt in einer Permeabilitätszahl, von größer gleich 100, weiter bevorzugt von größer gleich 300 und am meisten bevorzugt von größer gleich 500 aufweist und insbesondere als ein Pulververbundwerkstoff mit einer Permeabilitätszahl größer 600 ausgebildet ist.
Elektrische Maschine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände, die Form und/oder die Tiefe mehrerer Vertiefungen (110) über die Oberfläche (100) je Pol (22, 23) variiert.
Elektrische Maschine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (110) als mindestens eine Nut (111), insbesondere als mindestens eine quer zu einer Axialrichtung (A) der elektrischen Maschine (10) verlaufende Nut (10), insbesondere als mehrere parallele Nuten (111) und oder als spiralförmige ausgebildet Nutabschnitte (111a) ausgebildet sind.
Elektrische Maschine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (110) zu mindestens 70 Volumen%, weiter bevorzugt zu mindestens 80 Volumen% und am meisten bevorzugt zu mindestens 90 Volumen% mit dem Füllmaterial (120) gefüllt ist.
Verfahren zur Herstellung einer wirbelstromverlustreduzierten elektrischen Maschine (10) zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie, insbesondere zur Verringerung von Wirbelströmen an einer Poloberfläche einer elektrischen Maschine wie einem Generator oder einem Motor, mit mindestens einem Pol (22, 23) wie einem Schenkelpol oder einem Klauenpol, während eines Betriebs der elektrischen Maschine (10), bei der mindestens ein Läufer (20), der mindestens zwei aus je einem Polmaterial bestehende Pole (22, 23) aufweist, an dessen radial äußerer, zu einer Ständerbohrung gerichteter Oberfläche (100) mindestens eine Vertiefung (110) ausgebildet ist, vorgesehen wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vertiefung (110) ein Füllmaterial (120) angeordnet wird, welches jeweils schlechter leitet als das jeweilige Polmaterial und welches als magnetischer Leiter fungiert.