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Die vorliegende Erfindung betrifft eine rotierende elektrische Maschine mit erhöhter Leistung. Die Erfindung findet besonders vorteilhaft Anwendung bei den elektrischen Maschinen mit niedriger Spannung, d. h. bei den elektrischen Maschinen, die mit einer Spannung unterhalb 60 Volt funktionieren. Die elektrische Maschine soll in einem Kraftfahrzeug, insbesondere vom Hybridtyp, verwendet werden.
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In an sich bekannter Weise umfassen die rotierenden elektrischen Maschinen einen Stator und einen Rotor, der mit einer Welle fest verbunden ist. Der Rotor kann mit einer Antriebs- und/oder Abtriebswelle fest verbunden sein und kann zu einer rotierenden elektrischen Maschine in Form eines Stromgenerators, eines Elektromotors oder einer reversiblen Maschine, die in den zwei Modi funktionieren kann, gehören.
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Der Rotor umfasst einen Körper, der durch einen Stapel von Metallblechen gebildet ist, die mittels eines geeigneten Befestigungssystems in Form eines Pakets gehalten werden. Der Rotor umfasst Pole, die beispielsweise durch Permanentmagnete gebildet sind, die in Hohlräumen aufgenommen sind, die in dem Körper ausgebildet sind.
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Der Stator ist in einem Gehäuse montiert, das dazu eingerichtet ist, die Welle durch Lager drehbar zu tragen. Der Stator umfasst einen Körper, der mit mehreren Zähnen versehen ist, die Nuten definieren, und eine Wicklung, die in die Nuten des Stators eingesetzt ist. Die Wicklung wird beispielsweise aus kontinuierlichen Drähten, die mit Emaille beschichtet sind, oder aus leitenden Elementen in Form von Stäben, die durch Schweißen miteinander verbunden sind, erhalten. Alternativ sind die Phasen der Maschine aus individuellen Spulen gebildet, die jeweils um einen Statorzahn gewickelt sind.
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Um die Steuerung der rotierenden elektrischen Maschine sicherzustellen, steht ein Steuermodul, das mit dem Motorrechner zusammenwirkt, mit Brückenzweigen in Verbindung. Diese Brückenzweige besitzen integriere umrichtende Komponenten allgemeinen in der Form von MOS-Transistoren, die mit den verschiedenen Phasen der Maschine verbunden sind. Die Steuerung der Brückenzweige wird insbesondere in Abhängigkeit von der Temperatur des Stators, der Position und der Drehzahl des Rotors sowie Funktionsparametern des Verbrennungsmotors durchgeführt, die durch den Motorrechner zurückgeliefert werden. Die Brückenzweige können im Spannungswechselrichter- oder Spannungsgleichrichtermodus funktionieren.
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Herkömmlicherweise liegt die Leistung einer elektrischen Niederspannungsmaschine, die durch die Batterie eines Kraftfahrzeugs versorgt wird, in der Größenordnung von 15 kW. Um diese Leistung zu steigern, ist es bekannt, die Brückenzweige umzudimensionieren, um die Erhöhung der Stärke des Stroms zu unterstützen, der in der Maschine zirkuliert. Dies wirft jedoch Kostenprobleme, die mit der Entwicklung von spezifischen Modulen verbunden sind, sowie Probleme der Integration des elektronischen Blocks aufgrund ihres großen Platzbedarfs auf.
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Die Erfindung zielt darauf ab, diese Nachteile wirksam zu beheben, indem eine rotierende elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere vom Hybridtyp, vorgeschlagen wird, die mit einer Spannung von weniger als 60 Volt funktioniert, umfassend:
- – einen Stator mit einem Körper, der mit Nuten versehen ist, und einer mehrphasigen Wicklung, die durch mehrere Spulen gebildet ist, die in die besagten Nuten eingesetzt sind,
dadurch gekennzeichnet, dass die besagte rotierende elektrische Maschine zwölf Brückenzweige umfasst, die jeweils durch zwei elektrisch gesteuerte Schalter gebildet sind, wobei die mit den besagten Spulen verbundenen Brückenzweige durch ein Steuermodul gesteuert werden.
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Die Erfindung ermöglicht somit durch Erhöhen der Anzahl von Brückenzweigen im Vergleich mit einer klassischen Konfiguration, die Integration des Systems zu erleichtern, während der elektrischen Maschine ermöglicht wird, die Erhöhung der Stärke des Stroms zu unterstützen, die mit der Erhöhung ihrer Leistung verbunden ist. Die Erfindung bietet auch einen wirtschaftlichen Vorteil durch Gestatten der Verwendung von Standard-Brückenzweigen, die die Herstellung und die Wartung der elektrischen Maschine erleichtern.
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Gemäß einer Ausführungsvariante enthält jede Nut Spulen, die zwei unterschiedlichen Brückenzweigen zugeordnet sind.
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Gemäß einer Ausführungsvariante ist die Wicklung eine dreiphasige Wicklung vom konzentrierten Typ.
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Gemäß einer Ausführungsvariante ist jeder Brückenzweig einer Viertelphase zugeordnet.
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Gemäß einer Ausführungsvariante ist die Nutenanzahl pro Pol und pro Phase gleich 0,5.
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Gemäß einer Ausführungsvariante umfasst die rotierende elektrische Maschine 4 Polpaare und einen Statorkörper mit 12 Zähnen.
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Gemäß einer Ausführungsvariante umfasst die rotierende elektrische Maschine 8 Polpaare und einen Statorkörper mit 24 Zähnen.
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Gemäß einer Ausführungsvariante umfasst die rotierende elektrische Maschine 12 Polpaare und einen Statorkörper mit 36 Zähnen.
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Gemäß einer Ausführungsvariante ist die Wicklung vom Schleifentyp und ist aus zwei dreiphasigen Systemen gebildet.
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Gemäß einer Ausführungsvariante sind die zwei dreiphasigen Systeme untereinander um einen elektrischen Winkel zwischen 0 und 60 Grad versetzt.
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Gemäß einer Ausführungsvariante ist jeder Brückenzweig einer Halbphase zugeordnet.
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Gemäß einer Ausführungsvariante ist jeder Phasenabschnitt durch eine Gruppe von Spulen gebildet, die elektrisch in Reihe oder parallelgeschaltet sind.
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Gemäß einer Ausführungsvariante sind die Phasen im Dreiecke oder Stern verschaltet.
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Gemäß einer Ausführungsvariante ist eine Länge des Statorkörpers größer als die Hälfte eines äußeren Radius des Statorkörpers.
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Gemäß einer Ausführungsvariante ist die rotierende elektrische Maschine vom synchronen Typ.
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Gemäß einer Ausführungsvariante umfasst die rotierende elektrische Maschine einen Rotor mit Permanentmagneten.
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Die Erfindung wird beim Lesen der folgenden Beschreibung und bei der Untersuchung der Figuren, die sie begleiten, besser verstanden. Diese Figuren werden nur zur Erläuterung, aber keineswegs zur Begrenzung der Erfindung gegeben.
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1 zeigt eine teilweise Schnittansicht einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung mit konzentrierter Wicklung;
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2 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Brückenzweigs, der in der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
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3 zeigt einen Stromlaufplan einer dreiphasigen Wicklung vom konzentrierten Typ gemäß der Erfindung;
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4 zeigt einen Stromlaufplan einer Wicklung, die aus zwei dreiphasigen Systemen vom Wellentyp gebildet ist, gemäß der Erfindung;
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5 ist eine schematische Darstellung eines Schnitts eines Teils einer Wellenwicklung der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der Erfindung.
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Die gleichen, ähnlichen oder analogen Elemente behalten dasselbe Bezugszeichen von einer Figur zur anderen bei.
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1 zeigt eine rotierende elektrische Maschine 10 mit einem Rotor 11 mit einer Achse X, der an einer Welle 12 montiert werden soll. Ein mit mehrphasigen Spulen versehener Stator 15 umgibt den Rotor 11 in Anwesenheit eines Luftspalts zwischen dem äußeren Umfang des Rotors 11 und dem inneren Umfang des Stators 15. Dieser Stator 15 ist an einem Gehäuse (nicht dargestellt) befestigt, das zum drehbaren Tragen der Welle 12 über Kugel- und/oder Nadellager ausgebildet ist. Vorteilhafterweise ist die rotierende elektrische Maschine 10 vom synchronen Typ und weist eine Leistung zwischen 25 und 30 kW auf.
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Genauer umfasst der Rotor 11 einen Körper 16, der durch einen axialen Stapel von ebenen Blechen gebildet ist, um die Foucault-Ströme zu verringern. Der Rotorkörper 16 ist aus einem ferromagnetischen Material hergestellt. Der Rotor 11 umfasst Hohlräume 17, die Permanentmagnete 18 aufnehmen sollen, die Magnetpole bilden.
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Die Magnete 18 sind vorzugsweise aus Ferrit hergestellt. Als Variante können die Magnete 18 jedoch aus einer seltenen Erde gemäß den Anwendungen und der angestrebten Leistung der Maschine 10 hergestellt sein. Als Variante können die Magnete 18 von einer unterschiedlichen Abstufung sein, um die Kosten zu verringern. In jedem Hohlraum 17 ist beispielsweise ein Magnet 18 aus Ferrit und ein Magnet 18 aus einer seltenen Erde kombiniert, der leistungsfähiger, aber teurer ist. Bestimmte Hohlräume 17 können auch leer gelassen werden in Abhängigkeit von der angestrebten Leistung der Maschine. Der Rotor 11 kann eine Flusskonzentration aufweisen, d. h., dass die seitlichen Flächen gegenüber den Magneten 18, die in zwei aufeinander folgenden Hohlräumen 17 angeordnet sind, dieselbe Polarität aufweisen.
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Außerdem umfasst der Stator 15 einen Körper 21 und eine Wicklung 25. Der Statorkörper 21 besteht aus einem axialen Stapel von ebenen Blechen. Der Statorkörper 21 umfasst Zähne 22, die im Winkel in regelmäßiger Weise auf einem inneren Umfang eines Jochs 24 verteilt sind. Diese Zähne 22 begrenzen Nuten 23, so dass jede Nut 23 durch zwei aufeinander folgende Zähne 22 begrenzt ist. Die Nuten 23 münden axial in die axialen Endflächen des Statorkörpers 21. Diese Nuten 23 sind auch radial zur Innenseite des Statorkörpers 21 offen. Der Stator 15 kann mit Zahnfüßen 26 seitlich der freien Enden der Zähne 22 versehen sein. Jeder Zahnfuß 26 erstreckt sich in Umfangsrichtung auf beiden Seiten eines entsprechenden Zahns. Die rotierende elektrische Maschine 10 weist vorzugsweise eine längliche Konfiguration auf, d. h., dass eine Länge des Statorkörpers 21 größer ist als die Hälfte des äußeren Radius des besagten Statorkörpers 21.
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Um eine Wicklung 25 vom konzentrierten Typ zu erhalten, sind mehrere Phasen A, B, C durch Spulen 27 gebildet, die jeweils um einen Zahn 22 gewickelt sind. Jede Spule 27 ist aus einem elektrisch leitenden Draht gebildet, der mit einer Schicht aus elektrisch isolierendem Material wie Emaille bedeckt ist. In einem Ausführungsbeispiel kann ein Spulenisolator zwischen jede Spule und den entsprechenden Zahn eingefügt sein.
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Vorteilhafterweise ist die Nutenanzahl pro Pol und pro Phase gleich 0,5 (wobei spp = 0,5 für ”Schlitz pro Pol pro Phase”). Wie in 3 dargestellt ist, umfasst folglich für eine dreiphasige elektrische Maschine mit 4 Paaren von Polen der Statorkörper 21 12 Zähne und folglich 12 Spulen, die mit 27 bezeichnet sind. Gemäß der Erfindung ist jede Spule 27 einem Brückenzweig P1–P12 zugeordnet, der aus zwei gesteuerten Schaltern 31 gebildet ist. Die Brückenzweige P1–P12, die mit den Spulen 27 verbunden sind, werden durch ein Steuermodul 30 gesteuert. Wie durch 2 dargestellt ist, kann jeder Schalter 31 aus einem Leistungstransistor, beispielsweise vom MOS-Typ, gebildet sein, dem vorzugsweise eine Freilaufdiode 32 zugeordnet ist.
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Die Versorgungsspannung, die der Spannung der Batterie Batt entspricht, liegt zwischen 48 Volt und 52 Volt.
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Für die Phase A ist folglich jede Spule 27 einem Brückenzweig P1–P4 zugeordnet. Für die Phase B ist jede Spule 27 einem Brückenzweig P5–P8 zugeordnet. Für die Phase C ist jede Spule 27 einem Brückenzweig P9–P12 zugeordnet.
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Als Variante umfasst der Statorkörper 21 für eine dreiphasige elektrische Maschine mit 8 Polpaaren 24 Zähne und folglich 24 Spulen. Zwei Spulen sind folglich jedem Brückenzweig P1–P12 zugeordnet. Um das Verständnis zu erleichtern, ist nur die dem Zweig P1 zugeordnete zusätzliche Spule 27' gestrichelt dargestellt, jedoch ist die Anordnung mit zwei parallelen Spulen 27 und 27' ist für die Gesamtheit der Brückenzweige P1–P12 gültig.
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Als Variante umfasst der Statorkörper 21 für eine dreiphasige elektrische Maschine mit 12 Polpaaren 36 Zähne und folglich 36 Spulen. Drei Spulen sind folglich jedem Brückenzweig P1–P12 zugeordnet. Um das Verständnis zu erleichtern, sind nur die dem Zweig P1 zugeordneten zusätzlichen Spulen 27', 27'' gestrichelt dargestellt, jedoch ist die Anordnung mit drei parallelen Spulen 27, 27', 27'' ist für die Gesamtheit der Brückenzweige P1–P12 gültig.
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In allen Fällen ist jeder Brückenzweig P1–P12 einer Viertelphase zugeordnet.
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Die drei Phasen A, B, C sind im Stern verschaltet, indem sie elektrisch mit einem Neutralpunkt N verbunden sind. Als Variante können die Phasen A, B, C im Dreieck verschaltet sein.
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In der Ausführungsform der 4 und 5 ist die Wicklung 25 vom Schleifentyp und aus zwei dreiphasigen Systemen A1, B1, C1 und A2, B2, C2 gebildet. Die zwei dreiphasigen Systeme A1, B1, C1 und A2, B2, C2 sind um einen elektrischen Winkel α von vorteilhafterweise zwischen 0 und 60 Grad zu einander versetzt. Die Wicklung 25 jedes dreiphasigen Systems A1, B1, C1 und A2, B2, C2 kann aus einem kontinuierlichen Draht hergestellt sein, der Schleifen im Inneren der Nuten 23 des Stators 15 bildet, oder aus Stäben hergestellt sein, die durch Schweißen elektrisch miteinander verbunden sind.
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Jeder Brückenzweig P1–P12 ist folglich einer Halbphase zugeordnet, die aus einer Gruppe von Spulen 27 gebildet ist, die elektrisch in Reihe oder parallelgeschaltet sind. Im Fall einer Sternverschaltung weisen die zwei dreiphasigen Systeme A1, B1, C1 und A2, B2, C2 unterschiedliche Neutralpunkte N1, N2 ohne elektrische Verbindung zwischen diesen Neutralpunkten N1, N2 auf. Als Variante können die zwei dreiphasigen Systeme A1, B1, C1 und A2, B2, C2 im Dreieck verschaltet sein.
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Es ist zu beachten, dass in allen Ausführungsformen jede Nut 23 Spulen 27 enthält, die zwei verschiedenen Brückenzweigen P1–P12 zugeordnet sind. Tatsächlich enthält für die konzentrierte Wicklung 25 jede Nut 23 zwei Halbspulen 27, die in ein und dieselbe Nut eingesetzt sind. Im Fall einer Schleifenwicklung 25, die aus einem kontinuierlichen Draht oder Stab hergestellt ist, wie in 5 gezeigt, kann jede Nut 23 beispielsweise Spulen 27 umfassen, die zwei Halbphasen zugeordnet sind. Die schraffierten Leiter 33, die eine Spule bilden, gehören somit zur gleichen Halbphase, während die Leiter 33', die eine andere Spule bilden, zu einer anderen Halbphase gehören. Eine selbe Nut 23 kann Halbphasen einer selben Phase oder Halbphasen von verschiedenen Phasen enthalten.
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Die vorangehende Beschreibung wurde natürlich nur als Beispiel gegeben und begrenzt nicht das Gebiet der Erfindung, von dem durch Austauschen der verschiedenen Elemente durch jegliche anderen Äquivalente nicht abgewichen wird.
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Außerdem können die verschiedenen Eigenschaften, Varianten und/oder Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gemäß verschiedenen Kombinationen einander zugeordnet werden, soweit sie nicht miteinander inkompatibel sind oder sich ausschließen.
