-
Diese Erfindung betrifft rotierende elektrische Maschinen, insbesondere vom Typ Generator oder Starter-Generator, die für Kraftfahrzeuge bestimmt sind.
-
Genauer gesagt, betrifft die Erfindung rotierende elektrische Maschinen, deren Rotor mindestens eine Erregerwicklung, magnetische Pole und Permanentmagnete aufweist, die zwischen den magnetischen Polen angeordnet sind. Aufgrund dieser Anordnung werden diese Magnete Zwischenpolmagnete genannt.
-
Üblicherweise hat der Rotor eine Klauenstruktur. Eine solche Struktur ist aus zwei gegenüberliegenden und ineinander verschachtelten Polrädern gebildet, von denen jedes Klauen aufweist. Jede Klaue eines Polrads erstreckt sich in Richtung des anderen Polrads. Außerdem fügt sich jede Klaue zwischen zwei aufeinanderfolgende Klauen des gegenüberliegenden Polrads ein. Darüber hinaus umfasst der Rotor eine Erregerwicklung, die um einen zentralen Kern gewickelt ist.
-
Der Rotor ist von einem Stator umgeben, wobei zwischen Außenumfang des Rotors und Innenumfang des Stators ein Luftspalt vorhanden ist. Wenn die rotierende Maschine in Betrieb ist, dreht sich der Rotor um seine Achse und ein magnetischer Fluss zirkuliert zwischen den benachbarten Magnetpolen, die jeweils entgegengesetzte Polaritäten aufweisen, der die Wicklungen des Stators durchquert. Die Zwischenpolmagneten dienen dazu, zu verhindern, dass der Magnetfluss direkt von einem Pol zum anderen übergeht, ohne den Stator zu durchqueren.
-
Dieser Streufluss von einem Pol zum anderen, ohne den Stator zu durchqueren, beeinträchtigt in der Tat den Wirkungsgrad und bestraft die Leistungsfähigkeit der rotierenden elektrischen Maschine. Tatsächlich trägt der Fluss, welcher direkt von einer Klaue zu anderen übergeht, ohne den Stator zu durchqueren, nicht zum Betrieb der Maschine bei. Die Verwendung von Zwischenpolmagneten ermöglicht die Begrenzung dieser Verluste.
-
Zwischenpolmagnete von im Wesentlichen quaderförmiger Form sind bekannt. Jeder von ihnen ist in einem entsprechenden Zwischenpolraum platziert, der sich zwischen zwei benachbarten Klauen des Rotors erstreckt, von denen jede jeweils zu einem der beiden Polräder gehört. Im Allgemeinen umfasst der Rotor mindestens einen Magneten im Inneren jedes Zwischenpolraums.
-
Wegen der Kosten des Rohstoffs, aus denen sie hergestellt sind, zum Beispiel aus seltenen Erden oder aus Ferrit, bilden diese Zwischenpolmagneten einen wesentlichen Anteil der Kosten für den Rotor. Die Hauptquellen des verwendeten Rohstoffs für diese Magneten sind in der Anzahl begrenzt und werden in ihrer Ausbeutung kontrolliert. Aus diesem Grund ist der Rohstoff Finanzspekulationen ausgesetzt, die sein Preisniveau in die Höhe schnellen lassen.
-
Die Erfindung zielt darauf ab, diesen Nachteil wirksam zu beseitigen, indem ein Rotor einer rotierenden elektrischen Maschine insbesondere für Kraftfahrzeuge vorgeschlagen wird, umfassend:
- - ein erstes Polrad, das eine Reihe von Klauen aufweist,
- - ein zweites Polrad, das eine Reihe von Klauen aufweist,
- - die Klauen des ersten Polrades und die Klauen des zweiten Polrades sind derart ineinander verschachtelt, dass zwei benachbarte Klauen zu zwei verschiedenen Polrädern gehören,
- - zwei benachbarte Klauen sind durch einen Zwischenpolraum voneinander getrennt, dadurch gekennzeichnet, dass nur bei einem Teil der Zwischenpolräume Permanentmagnete im Inneren angeordnet sind.
-
Auf diese Weise gestattet es die Erfindung, die Gesamtanzahl der verwendeten Zwischenpolmagneten zu verringern und einen optimalen Kompromiss zwischen der magnetischen Leistungsfähigkeit und den Herstellungskosten des Rotors zu erhalten.
-
Gemäß einer Ausführungsvarianten ist jeder zweite Zwischenpolraum mit mindestens einem Permanentmagneten gefüllt.
-
Gemäß einer Ausführungsvarianten umfasst der besagte Rotor umfänglich abwechselnd eine erste Gruppe von zwei aufeinanderfolgenden Zwischenpolräumen, von denen jeder mindestens einen Permanentmagneten enthält, und eine zweite Gruppe von zwei aufeinanderfolgenden Zwischenpolräumen ohne Permanentmagnete.
-
Gemäß einer Ausführungsvarianten sind die erste Gruppe zweier Zwischenpolräume und die zweite Gruppe zweier Zwischenpolräume aufeinanderfolgend.
-
Gemäß einer Ausführungsvarianten umfasst der Rotor umfänglich abwechselnd einen Zwischenpolraum, der mindestens einen Permanentmagneten beinhaltet, und einen darauffolgende Zwischenpolraum ohne Permanentmagneten.
-
Gemäß einer Ausführungsvarianten sind die Permanentmagnete von gleicher Sorte.
-
Gemäß einer Ausführungsvarianten ist die Sorte der Magneten aus Ferriten oder seltenen Erden ausgewählt.
-
Gemäß einer Ausführungsvarianten ist jeder Permanentmagnet radial durch Lippen gehalten, die jeweils auf einer der den Klauen gegenüberliegen Seitenkanten ausgebildet sind, zwischen denen der Permanentmagnet angeordnet ist.
-
Gemäß einer Ausführungsvarianten ist zwischen einem Permanentmagneten und den entsprechenden Haltelippen ein Streifen eingebracht.
-
Die Erfindung hat auch eine rotierende elektrische Maschine zum Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Rotor wie vorstehend definiert umfasst.
-
Gemäß einer Ausführungsvarianten hat besagte rotierende elektrische Maschine die Form eines Generators oder eines Starter-Generators.
-
Die Erfindung wird besser verstanden durch das Studium der nachfolgenden Beschreibung und die Begutachtung der sie begleitenden Figuren. Diese Figuren dienen nur der Veranschaulichung und schränken die Erfindung in keiner Weise ein.
-
Die 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung;
-
Die 2a und 2b sind Drauf- und Vorderansicht, die eine erste Ausführungsvariante des Rotors der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
-
Die 3 zeigt eine Vorderansicht, die eine zweite Ausführungsvariante des Rotors der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
-
Identische, gleichartige oder analoge Elemente behalten von einer Figur zur anderen dasselbe Bezugszeichen.
-
In 1 ist ein kompakter und mehrphasiger Generator 10 dargestellt, insbesondere für ein Kraftfahrzeug. Der Generator 10 ist geeignet, um mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, und kann umkehrbar sein. Solch ein umkehrbarer Generator, auch Starter-Generator genannt, kann elektrische Energie in mechanischer Energie umwandeln, um insbesondere den Verbrennungsmotor des Fahrzeugs zu starten.
-
Dieser Generator 10 umfasst ein Gehäuse 11 und in dessen Inneren einen auf eine Welle 13 montierten Rotor mit Klauen 12, und ein Stator 15, der den Rotor mit einem Luftspalt zwischen dem Außenumfang des Rotors 12 und dem Innenumfang des Stators 15 umgibt. Die Achse X, entlang der sich die Welle 13 erstreckt, bildet die Rotationsachse des Rotors 12.
-
Das Gehäuse 11 umfasst ein vorderes Lager 16 und ein hinteres Lager 17, die den Stator 15 tragen. Die Lager 16, 17 haben eine hohle Form und tragen jeweils zentral ein Kugellager 18 zur drehenden Aufnahme der Welle 13.
-
Der Stator 15 umfasst einen Körper 20 in Form eines Blechpakets, der mit Nuten versehen ist, die mit einer Isolierung für die Aufnahme einer Wicklung 21 ausgestattet sind. Die Wicklung 21 umfasst mindestens eine Phasenwicklung, die in den Nuten des Statorkörpers 20 verläuft und mit allen Wicklungen zusammen beiderseits des Statorkörpers 20 einen vorderen Wickelkopf 23 und einen hinteren Wickelkopf 24 bildet. Die Phasenwicklungen werden zum Beispiel aus emailliertem Endlosdraht oder aus stabförmigen Leiterelementen hergestellt, die elektrisch miteinander verbunden sind, zum Beispiel durch Schweißen. Die Phasenwicklungen sind elektrisch mit einem elektronischen Leistungsmodul verbunden, das insbesondere einen Brückengleichrichter aufweist.
-
Außerdem umfasst der Rotor 12 ein erstes Polrad 27.1 und ein zweites Polrad 27.2. Das erste Polrad 27.1 hat einen ersten, quer ausgerichteten Flansch 28.1, der an seinem Außenumfang mit einer Reihe von Klauen 29.1 versehen ist. Das zweite Polrad 27.2 hat einen zweiten, quer ausgerichteten Flansch 28.2, der in seinem Außenumfang mit einer Reihe von Klauen 29.2 versehen ist.
-
Die Klauen 29.1, 29.2 sind zum Beispiel trapezförmig und axial orientiert. Die Klauen 29.1, 29.2 eines Polrades 27.1, 27.2 sind axial in Richtung Flansches des anderen Polrads 27.1, 27.2 ausgerichtet. Jede Klaue 29.1, 29.2 eines Polrades 27.1, 27.2 ist so zwischen zwei aufeinanderfolgende Klauen des anderen Polrades 27.1, 27.2 eingefügt, dass die Klauen 29.1, 29.2 der Polräder 27.1, 27.2 ineinander verschachtelt sind.
-
Ein zylindrischer Kern 31 ist axial zwischen die Flansche 28.1, 28.2 der Polräder 27.1, 27.2 eingefügt. In diesem Fall besteht der Kern 31 aus zwei Kernhälften, die jeweils zu einem der Flansche 28.1,28.2 gehören.
-
Um den Außenumfang des Kerns 31 ist eine Erregerspule 33 gewickelt. Zwischen den Kern 31 und die Spule 33 kann ein Isolierelement 34 radial eingefügt werden. Der in der Spule 33 fließende Strom erzeugt einen magnetischen Fluss, so dass die Klauen 29.1, 29.2 der Polräder 27.1, 27.2 sich gegenüberliegende Magnetpole bilden.
-
Die Welle 13 kann in die Zentralbohrung der Polräder 27.1, 27.2 pressgepasst sein. An ihrem vorderen Ende trägt die Welle 13 eine Riemenscheibe 35. Die Riemenscheibe 35 gehört zu einer Vorrichtung zur Bewegungsübertragung mit mindestens einem Riemen zwischen Generator und Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs.
-
Das hintere Lager 17 trägt einen Bürstenhalter 37, der mit Bürsten 38 ausgestattet ist, die dafür vorgesehen sind, an Ringen 39 eines Kollektors 40 schleifen, um die Versorgung der Spule des Rotors 12 zu gewährleisten.
-
Wie in 2a ersichtlich ist, sind zwei benachbarte Klauen 29.1, 29.2, die zu zwei verschiedenen Polrädern 27.1, 27.2 gehören, durch einen Zwischenpolraum 42 getrennt. Zur Begrenzung der magnetischen Verluste des Rotors 12 sind bei einem Teil der Zwischenpolräume 42 im Inneren Permanentmagnete 43 angeordnet. Diese Permanentmagnete 43 sind entlang einem Umfang des Rotors 12 gleichmäßig angeordnet.
-
Vorteilhafterweise ist jeder zweite Zwischenpolraum 42 mit einem Permanentmagneten 43 ausgefüllt. In den dargestellten Beispielen ist ein einziger Permanentmagnet 43 im Inneren eines entsprechenden Zwischenpolraums angeordnet. Alternativ ist es jedoch auch möglich, zwei Permanentmagnete 43 oder mehr in einer vorhandenen Zwischenpolraum 42 anzuordnen.
-
In der Ausführungsvariante der 2a und 2b umfasst der Rotor 12 umfänglich abwechselnd eine erste Gruppe E1 von zwei aufeinanderfolgenden Zwischenpolräumen 42, von denen jeder mindestens einen Magneten 43 beinhaltet, und eine zweite Gruppe E2 von zwei aufeinanderfolgenden Zwischenpolräumen 42 ohne Magnet 43. Die erste Gruppe E1 von zwei Zwischenpolräumen 42 und die zweite Gruppe E2 von zwei Zwischenpolräumen 42 folgen aufeinander. Die mit einem Magneten 43 gefüllten Zwischenpolräume 42 der Gruppe E1 sind auf beiden Seiten einer Klaue 29.1 oder 29.2 von einem der Polräder angeordnet. Damit ist jede zweite Klaue dieses Polrades von Magneten 43 umgeben. In der 2a handelt es sich um Klauen 29.1 des Polrades 27.1.
-
Anders ausgedrückt: wenn „1“ einen Zwischenpolraum 42 bezeichnet, der einen Magneten 43 enthält, und „0“ einen Zwischenpolraum 42 ohne Magneten 43 bezeichnet, hat der Rotor 12 ein Magnetmuster des Typs 1-1-0-0, das sich über den gesamten Umfang des Stators 15 wiederholt. Eine solche Konfiguration erlaubt es, in Rotation der Polräder 27.1, 27.2 die Indexierung zueinander zu vereinfachen. Tatsächlich hat jede zweite Klaue eines Polrades 27.1 oder 27.2 auf beiden Seiten Magnete 43, wobei diese Gruppe bei der Montage des Rotors 12 einfacher in die benachbarten Klauen des anderen Polrades 27.1, 27.2 geführt werden kann.
-
In der Ausführungsvariante von 3 umfasst der Rotor 12 umfänglich abwechselnd einen Zwischenpolraum 42, der mindestens einen Magneten 43 enthält, und einen darauffolgenden Zwischenpolraum 42 ohne Magneten 43. Anders ausgedrückt: wenn „1“ einen Zwischenpolraum 42 bezeichnet, der einen Magneten 43 enthält, und „0“ eine Zwischenpolraum 42 ohne Magneten 43 bezeichnet, hat der Rotor 12 ein Magnetmuster des Typs 1-0-1-0, das sich über den gesamten Umfang des Stators 15 wiederholt. Eine solche Konfiguration erlaubt es, die magnetischen Verluste gleichmäßig über den gesamten Umfang des Rotors 12 zu begrenzen, wohingegen bei einer Konfiguration des Typs 1-1-0-0 die magnetischen Verluste für jede zweite Klaue 29.1, 29.2 begrenzt werden.
-
Die folgende Tabelle stellt den Leistungsgewinn deutlich hervor, der mit einer Konfiguration des Typs 1-0-1-0 im Vergleich zu einer Konfiguration des Typs 1-1-0-0 erzielt wird.
| Magnetkonfiguration | | 1-1-0-0 | 1-0-1-0 |
| Drehzahl | min-1 | 2000 | 2000 |
| Batteriespannung | VDC | 13,5 | 13,5 |
| Umgebungstemperatur | ° C | 25 | 25 |
| Wicklungstemperatur | ° C | 25 | 25 |
| Magnettemperatur | ° C | 25 | 25 |
| Strom im Rotor 12 | ADC | 15,0 | 15.0 |
| Ausgangsstrom der Maschine | ADC | 169,3 | 174,2 |
| absolute Differenz | ADC | | +4,9 |
| relative Differenz | | | +2,9 % |
-
Die Konfiguration des Typs 1-0-1-0 ermöglicht folglich, eine Stromverstärkung von ungefähr 5 A zu erhalten, was einer Erhöhung von ungefähr 3 % im Vergleich zu einer Konfiguration des Typs 1-1-0-0 entspricht.
-
Die Permanentmagnete 43 sind vorteilhafterweise von der gleichen Sorte. Die Permanentmagnete 43 können somit aus Ferrit oder seltenen Erden hergestellt sein. Alternativ können die Permanentmagnete 43 jedoch von unterschiedlichen Sorte sein.
-
Ein Permanentmagnet 43 kann durch zwei Lippen 45 gehalten sein, die jeweils an einer der gegenüberliegenden Seitenkanten der Klauen 29.1, 29.2 ausgebildet sind, zwischen denen der Magnet 43 angeordnet ist. Ebenso ist es möglich, Streifen 46 vorzusehen, die jeweils zwischen zwei Lippen 45 und einem Außenumfang eines entsprechenden Permanentmagneten 43 eingesetzt werden.
-
Jeder Streifen 46 hat die Form eines Plättchens, das aus einem Material hergestellt ist, das weniger steif ist, als das Material der Magnete 43. Zum Beispiel kann es sich um Glasfasern handeln, die in einen vorimprägnierten Kunststoff eingebettet sind. Der Streifen 46 ist ein kleines, rechteckiges Plättchen, das die gleichen Abmessungen und die gleiche Form aufweist, wie die Außenfläche des Magneten 43, die es mit seinen Kanten fluchtend abdeckt. Zwischen den Magneten 43 und den Streifen 46 wird eine Schicht Klebstoff aufgebracht, der weicher ist als der Magnet 43.
-
Selbstverständlich dient die vorstehende Beschreibung lediglich als Beispiel und schränkt den Bereich der Erfindung nicht ein, der auch nicht verlassen wird, wenn die verschiedenen Elemente durch Äquivalente ersetzt werden.
-
Darüber hinaus können die verschiedenen Merkmale, Varianten und/oder Ausführungsbeispiele dieser Erfindung in verschiedenen Weisen miteinander kombiniert werden, nach der Maßgabe, dass diese nicht inkompatibel sind oder sich gegenseitig ausschließen.
