DE102022201537A1 - Electric machine with hybrid excitation - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (10), mit einem Stator (12) und einem Rotor (14), wobei der Stator (12) eine Statorwicklung (16) umfasst, die mit dem Rotor (14) zusammenwirkt, wobei der Rotor (14) hybriderregt ist derart, dass wenigstens zwei hinsichtlich einer Rotorachse (18) des Rotors (14) axial verschoben angeordnete Erregermodule (20 ,22) vorgesehen sind, von denen ein erstes Erregermodul (20) einen Tragkörper (24) und einen an dem Tragkörper (24) angeordneten Permanentmagnet (26) zur permanent magnetischen Erregung der Statorwicklung (16) aufweist und wobei ein zweites Erregermodul (22) als Klauenpolmodul mit Klauenpolfingern (28, 30) und auf diese wirkenden Erregerspule (32) ausgebildet ist, wobei die Klauenpolfinger (28, 30) durch ein Verbindungselement (42) miteinander verbunden sind und die Klauenpolfinger (28) ferner and dem Tragkörper (24) fixiert sind.The present invention relates to an electrical machine (10) with a stator (12) and a rotor (14), the stator (12) comprising a stator winding (16) which interacts with the rotor (14), the rotor ( 14) hybrid excitation is such that at least two exciter modules (20, 22) are provided which are axially displaced with respect to a rotor axis (18) of the rotor (14), of which a first exciter module (20) has a supporting body (24) and one on the supporting body (24) arranged permanent magnet (26) for permanent magnetic excitation of the stator winding (16) and wherein a second exciter module (22) is designed as a claw-pole module with claw-pole fingers (28, 30) and an exciter coil (32) acting on them, the claw-pole fingers ( 28, 30) are connected to one another by a connecting element (42) and the claw pole fingers (28) are also fixed to the supporting body (24).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine hybriderregte elektrische Maschine. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen Antriebsstrang, der eine derartige elektrische Maschine aufweist und ein Fahrzeug, das wenigstens eines von der hybriderregten Maschine und dem Antriebsstrang aufweist.The present invention relates to a hybrid-excited electrical machine. Furthermore, the present invention relates to a drive train that has such an electric machine and a vehicle that has at least one of the hybrid excited machine and the drive train.
Elektrische Maschinen sind als Generatoren und/oder elektrische Motoren weit bekannt. Die Vorteile von Permanentmagnet-Synchronmotoren (PSM) liegen dabei in den vergleichsweise geringen Rotorverlusten und damit besseren Wirkungsgraden im Vergleich etwa zur Asynchronmaschine. Weiterhin können Permanentmagnet-Synchronmotoren auch höherpolig als die Asynchronmaschine gebaut werden, ohne den Leistungsfaktor negativ zu beeinflussen. Die mögliche höhere Polzahl der Permanentmagnet-Synchronmotoren führt zu besseren Drehmoment- und Leistungsdichten bei gegebenen Bauräumen und ermöglicht auch die Realisierung von getriebelosen Antrieben.Electric machines are widely known as generators and/or electric motors. The advantages of permanent magnet synchronous motors (PSM) lie in the comparatively low rotor losses and thus better efficiency compared to asynchronous machines, for example. Furthermore, permanent magnet synchronous motors can also be built with higher poles than the asynchronous machine without negatively affecting the power factor. The possible higher number of poles of the permanent magnet synchronous motors leads to better torque and power densities in the given installation space and also enables the realization of gearless drives.
Nachteilhaft an diesem Konzept ist die nur von der Magnettemperatur abhängige magnetische Erregung und die nur über den Ständerstrom beinflussbare Feldschwächung der Maschine. Dies ist insbesondere bei Traktionsmaschinen mit weitem Feldschwächebereich nachteilig. Dadurch wird die Auslegung der Maschine erschwert und unter Umständen der Einsatz von SmCo-Magneten (Remanenz Br schwächer, aber weniger temperaturabhängig) anstatt von NdFeB-Magneten (Remanenz Br stärker, aber auch stärker temperaturabhängig) erzwungen.A disadvantage of this concept is that the magnetic excitation depends only on the magnet temperature and that the field weakening of the machine can only be influenced via the stator current. This is particularly disadvantageous in traction machines with a wide field weakening range. This makes the design of the machine more difficult and, under certain circumstances, the use of SmCo magnets (remanence Br weaker, but less temperature-dependent) is forced instead of NdFeB magnets (remanence Br stronger, but also more temperature-dependent).
Derartige Lösungen weisen jedoch noch weiteres Verbesserungspotential auf.However, such solutions still have further potential for improvement.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Es ist insbesondere die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, durch welche eine hybriderregte elektrische Maschine einfach im Aufbau und/oder langzeitstabil ist und ferner die Feldschwächung vorteilhaft einstellbar ist.It is the object of the present invention to at least partially overcome the disadvantages known from the prior art. It is in particular the object of the present invention to provide a solution by means of which a hybrid-excited electric machine has a simple design and/or is stable over the long term and, in addition, the field weakening can advantageously be adjusted.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß zumindest zum Teil durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß ferner zumindest zum Teil durch einen Antriebsstrang mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, in der Beschreibung oder den Figuren beschrieben, wobei weitere in den Unteransprüchen oder in der Beschreibung oder den Figuren beschriebene oder gezeigte Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination einen Gegenstand der Erfindung darstellen können, wenn sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt.The object is achieved at least in part according to the invention by an electric machine having the features of claim 1. The object is also achieved at least in part according to the invention by a drive train having the features of claim 9 and by a vehicle having the features of
Beschrieben wird eine elektrische Maschine, mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Stator eine Statorwicklung umfasst, die mit dem Rotor zusammenwirkt, wobei der Rotor hybriderregt ist derart, dass wenigstens zwei hinsichtlich einer Rotorachse des Rotors axial verschoben angeordnete Erregermodule vorgesehen sind, von denen ein erstes Erregermodul einen Tragkörper und einen an dem Tragkörper angeordneten Permanentmagnet zur permanent magnetischen Erregung der Statorwicklung aufweist und wobei ein zweites Erregermodul als Klauenpolmodul mit Klauenpolfingern und auf diese wirkende Erregerspule ausgebildet ist und wobei die Klauenpolfinger durch ein Verbindungselement miteinander verbunden sind und die Klauenpolfinger ferner an dem Tragkörper fixiert sind.Described is an electrical machine with a stator and a rotor, the stator comprising a stator winding which interacts with the rotor, the rotor being hybrid-excited in such a way that at least two exciter modules are provided which are axially displaced with respect to a rotor axis of the rotor, of which a first exciter module has a supporting body and a permanent magnet arranged on the supporting body for permanent magnetic excitation of the stator winding, and wherein a second exciter module is designed as a claw-pole module with claw-pole fingers and an exciter coil acting on them, and wherein the claw-pole fingers are connected to one another by a connecting element and the claw-pole fingers are also connected are fixed to the supporting body.
Eine derartige elektrische Maschine weist gegenüber Lösungen aus dem Stand der Technik deutliche Vorteile auf.Such an electrical machine has clear advantages over solutions from the prior art.
Die beschriebene elektrische Maschine kann insbesondere als Elektromotor dienen beziehungsweise betrieben werden. Jedoch ist auch eine Funktion als Generator grundsätzlich von der vorliegenden Erfindung umfasst.The electric machine described can be used or operated in particular as an electric motor. However, a function as a generator is also fundamentally covered by the present invention.
Die elektrische Maschine umfasst in an sich bekannter Weise einen auch als Ständer bezeichneten Stator und einen auch als Läufer bezeichneten Rotor. Der Stator umfasst eine Statorwicklung, die auf den Rotor wirkt, wie dies bei einer permanenterregten Synchronmaschine beziehungsweise einem Permanentmagnet-Synchronmotor an sich bekannt ist.In a manner known per se, the electrical machine comprises a stator, also referred to as a stator, and a rotor, also referred to as a rotor. The stator includes a stator winding which acts on the rotor, as is known per se in a permanent-magnet synchronous machine or a permanent-magnet synchronous motor.
Des Weiteren ist der Rotor hybriderregt. Dies wird im Sinne der vorliegenden Erfindung derart erreicht, dass wenigstens zwei hinsichtlich einer Rotorachse des Rotors axial verschoben angeordnete und dabei unterschiedliche Erregermodule vorgesehen sind.Furthermore, the rotor is hybrid-excited. This is achieved in the sense of the present invention in such a way that at least two different exciter modules are provided which are arranged axially displaced with respect to a rotor axis of the rotor.
Ein erstes Erregermodul umfasst einen Tragkörper und einen an dem Tragkörper angeordneten Permanentmagnet, gegebenenfalls mit einem magnetischen Rotorjoch, der zur permanent magnetischen Erregung der Statorwicklung beziehungsweise der Maschine, die auch als Ständerwicklung bezeichnet werden kann, dient. Somit wechselwirkt die vorbeschriebene Statorwicklung entsprechend einem sie durchfließenden Strom mit den Permanentmagneten des ersten Erregermoduls.A first excitation module comprises a support body and a permanent magnet arranged on the support body, possibly with a magnetic rotor yoke, which is used for the permanent magnetic excitation of the stator winding or the machine, which can also be referred to as the stator winding. The stator winding described above thus interacts with the permanent magnets of the first excitation module in accordance with a current flowing through it.
Ferner ist ein zweites Erregermodul vorgesehen, welches als Klauenpolrotor beziehungsweise als Klauenpolmodul mit Klauenpolfingern und auf diese wirkende Erregerspule ausgebildet ist. Das elektromagnetische Klauenpolmodul umfasst zwei axial beabstandete Klauenpolelemente mit am Außenumfang ineinander greifenden Klauenpolfingern. Der mit dem permanenterregten Rotor kombinierte Klauenpolrotor wird über eine insbesondere feststehende Erregerspule mit Gleichstrom aufmagnetisiert. Das Gleichfeld wird über die für Klauenpolrotoren bekannte geometrische Anordnung der Klauenpole in Nord- und Südpole des Rotors umgesetzt. Genauer wird der drehende Klauenpolrotor über zwei enge Luftspalte von der DC-Erregerspule aufmagnetisiert. Durch den einstellbaren Erregerstrom kann die Magnetisierung des Klauenpolrotors eingestellt werden.Furthermore, a second exciter module is provided, which is designed as a claw-pole rotor or as a claw-pole module with claw-pole fingers and an exciter coil acting on them. The electromagnetic claw-pole module comprises two axially spaced claw-pole elements with claw-pole fingers which engage in one another on the outer circumference. The claw-pole rotor combined with the permanently excited rotor is magnetized with direct current via a particularly fixed excitation coil. The DC field is converted into the north and south poles of the rotor via the geometric arrangement of the claw poles known for claw pole rotors. To be more precise, the rotating claw-pole rotor is magnetized by the DC excitation coil via two narrow air gaps. The magnetization of the claw-pole rotor can be set using the adjustable excitation current.
Die Erregerspule des Klauenpolmoduls wird bevorzugt mit einem feststehenden Eisenjoch gehalten beziehungsweise getragen. Alternativ kann das feststehende Erregerjoch aus einem anderen hoch permeablen Material, welches gut magnetisierbar ist, gefertigt sein. Eine gute thermische Leitfähigkeit zur Abfuhr der Erreger-Stromwärmeverluste ist vorteilhaft. Besonders bevorzugt wird die Erregerspule des Klauenpolmoduls mit einem feststehenden Eisenjoch am Lagerschild der elektrischen Maschine gehalten.The excitation coil of the claw-pole module is preferably held or carried with a fixed iron yoke. Alternatively, the fixed exciter yoke can be made of another highly permeable material that is easily magnetized. Good thermal conductivity to dissipate the exciter current heat losses is advantageous. The excitation coil of the claw-pole module is particularly preferably held with a fixed iron yoke on the bearing plate of the electrical machine.
Die Klauenpolfinger sind durch ein Verbindungselement insbesondere unmittelbar miteinander verbunden. Genauer wird innerhalb der Klauenpole, also zwischen Nordpol und Südpol, eine nichtmagnetische Tragstruktur als Verbindungselement ausgebildet. Die Tragstruktur weist bevorzugt hohe Festigkeitseigenschaften auf. Sie kann beispielsweise aus Leichtbaumaterialien, etwa Faserverbundwerkstoffen oder Aluminium, ausgebildet sein.The claw pole fingers are in particular directly connected to one another by a connecting element. More precisely, a non-magnetic support structure is formed as a connecting element within the claw poles, ie between the north pole and the south pole. The support structure preferably has high strength properties. For example, it can be made of lightweight materials, such as fiber composite materials or aluminum.
Ferner sind die Klauenpolfinger an and dem Tragkörper fixiert, insbesondere in axialer Richtung. Im Detail ist bevorzugt eine hinsichtlich der Polarisierung erste Gruppe der Klauenpolfinger, also die als Nord- oder Südpol fungierenden Klauenpolfinger, mechanisch mit dem Tragkörper verbunden, beispielsweise unmittelbar an diesem fixiert. Ferner ist die hinsichtlich der Polarisierung zweite Gruppe an Klauenpolfingern, also die entsprechend entgegengesetzt polarisierten Klauenpolfinger, mit der ersten Gruppe der Klauenpolfinger durch das Verbindungselement mechanisch verbunden, beispielsweise unmittelbar an diesem fixiert. Dadurch trägt der Tragkörper beide Gruppen an Klauenpolfingern, auch wenn nur eine direkte Verbindung zu einer Gruppe der Klauenpolfinger vorhanden ist.Furthermore, the claw pole fingers are fixed to the support body, in particular in the axial direction. In detail, a first group of claw-pole fingers in terms of polarization, ie the claw-pole fingers functioning as the north or south pole, is preferably mechanically connected to the support body, for example fixed directly to it. Furthermore, the second group of claw-pole fingers in terms of polarization, ie the correspondingly oppositely polarized claw-pole fingers, is mechanically connected to the first group of claw-pole fingers by the connecting element, for example fixed directly thereto. As a result, the supporting body carries both groups of claw-pole fingers, even if there is only a direct connection to one group of claw-pole fingers.
Somit ist der Tragkörper Teil des ersten Erregermoduls, trägt aber dennoch insbesondere unmittelbar fest verbunden die Klauenpolfinger und damit einen Teil des zweiten Erregermoduls.Thus, the support body is part of the first exciter module, but nevertheless carries the claw pole fingers, in particular directly connected, and thus a part of the second exciter module.
Durch ein Befestigen des zweiten Erregermoduls an dem ersten Erregermodul kann eine besonders hohe mechanische Stabilität ermöglicht werden, so dass eine besonders langzeitstabile Ausgestaltung möglich ist. Weiterhin kann durch die Verwendung des ersten, mechanisch stabilen Erregermoduls, das auch als permanentmagneterregter Rotor dient, eine konventionelle Rotorwelle und stabile Rotorlagerung mit DE- und NDE-Wälzlagern eingesetzt werden.By fastening the second exciter module to the first exciter module, a particularly high level of mechanical stability can be made possible, so that a particularly long-term stable configuration is possible. Furthermore, by using the first, mechanically stable excitation module, which also serves as a permanent magnet excited rotor, a conventional rotor shaft and stable rotor bearing with DE and NDE roller bearings can be used.
Die vorstehend beschriebene hybriderregte elektrische Maschine vereinigt die Vorteile der herkömmlichen permanenterregten Synchronmaschine, insbesondere dem Vorsehen eines einfachen Rotors mit geringen Verlusten, mit den Vorteilen einer einstellbaren Stromerregung der konventionellen Synchronmaschine, ohne dass komplizierte rotierende Rotorwicklungen und Erregereinrichtung oder Stromübertragung mittels verschleissbehafteten Bürsten auf den Rotor notwendig sind. Das erste Erregermodul kann als einfacher Rotor, beispielsweise mit im Blech versenkten Magneten, etwa gemäß dem IPM-Design, vollgeblecht mit Elektroblechen im Durchmesser und beidseitigen metallischen Druckringen, auf eine einfache zylindrische Rotorwelle etwa mit einem Schrumpfsitz aufgebracht werden. Die Rotorwelle kann etwa aus Stahl ausgebildet sein.The hybrid-excited electrical machine described above combines the advantages of the conventional permanent-magnet synchronous machine, in particular the provision of a simple rotor with low losses, with the advantages of an adjustable current excitation of the conventional synchronous machine, without the need for complicated rotating rotor windings and exciter devices or current transmission by means of wear-prone brushes on the rotor are. The first excitation module can be applied as a simple rotor, for example with magnets sunk into the sheet metal, for example according to the IPM design, fully laminated with electrical sheets in diameter and metal pressure rings on both sides, on a simple cylindrical rotor shaft with a shrink fit. The rotor shaft can be made of steel, for example.
Denn im Gegensatz zu konventionellen Klauenpolrotoren sieht die beschriebene Erfindung eine Kombination einer Permanentmagnet-Erregung mit einem elektrisch erregten, einfachen Klauenpolrotor mit einer stehenden Erregereinrichtung vor, so dass keine Erregerstromübertragung vom stehenden Teil der Maschine auf den rotierenden Teil der Maschine, etwa mittels Bürsten, notwendig ist.Because in contrast to conventional claw-pole rotors, the invention described provides a combination of permanent magnet excitation with an electrically excited, simple claw-pole rotor with a stationary excitation device, so that no excitation current transmission from the stationary part of the machine to the rotating part of the machine, for example by means of brushes, is necessary is.
Die Feldschwächung kann dabei besonders vorteilhaft eingestellt werden.In this case, the field weakening can be set particularly advantageously.
Durch die vorteilhafte Kombination der Permanentmagneterregung und der elektrischen Erregung des Synchronrotors wird über den gesamten Betriebsbereich der Maschine, also Grunddrehzahl-, Feldschwäch- und Teillastbetrieb, und auch bei langem Feldschwäch- und Konstantleistungsbereich, ein guter und ausgewogener Wirkungsgrad eines Traktionsmotors am Pulswechselrichter erreicht. Bei Traktionsgeneratoren kann die Erregung in einem ausreichend weiten Stellbereich so gewählt werden, dass der Betrieb am Diodengleichrichter (B6-Brücke) wie bei konventionellen elektrisch erregten Synchrongeneratoren möglich ist. Damit kann auch der Einsatz von NdFeB-Magneten im ersten Erregermodul erlaubt werden. Ferner kann auf teurere und kompliziertere aktive Gleichrichter, z.B. in IGBT-Technik, verzichtet werden, wodurch ein einfacher und kostengünstiger Aufbau und Betrieb des Antriebssystems erlaubt wird.Due to the advantageous combination of permanent magnet excitation and electrical excitation of the synchronous rotor, a good and balanced efficiency of a traction motor on the pulse-controlled inverter is achieved over the entire operating range of the machine, i.e. basic speed, field weakening and partial load operation, and also with long field weakening and constant power ranges. In the case of traction generators, the excitation can be selected within a sufficiently wide adjustment range in such a way that operation on the diode rectifier (B6 bridge) is possible as with conventional electrically excited synchronous generators. This also allows the use of NdFeB magnets in the first excitation module. Furthermore, there is no need for more expensive and complicated active rectifiers, e.g. in IGBT technology, which allows for a simpler and more cost-effective design and operation of the drive system.
Durch die mögliche Nähe der DC-Erregereinrichtung zum Gehäuse, wie etwa zum Lagerschild, und damit zur Lagerung können die Toleranzen infolge Fertigung, Erwärmung, etc. klein gehalten werden, was zwei enge Luftspalte zwischen erstem und zweitem Erregermodul und auch zwischen den Klauenpolfingern und der Erregerspule erlaubt. Die Luftspaltweite wiederum bestimmt den Magnetisierungsbedarf des Klauenpolrotors - neben dem eigentlichen Luftspalt zwischen Rotor und Stator.Due to the possible proximity of the DC excitation device to the housing, such as the end shield, and thus for storage, the tolerances due to manufacturing, heating, etc. can be kept small, which results in two narrow air gaps between the first and second excitation module and also between the claw pole fingers and the Excitation coil allowed. The width of the air gap in turn determines the magnetization requirement of the claw pole rotor - in addition to the actual air gap between rotor and stator.
Durch die erfindungsgemäße Lösung kann es vermieden werden, dass zusätzliche Stromwärmeverlusten in der Maschine etwa durch einen über einen Stromrichter eingeprägten feldschwächenden Strom auftreten. Auch können vergleichsweise hohe Anfahrtströme vermieden werden, welche im Stand der Technik durch eine Reduzierung der Ständerwindungszahl je nach Länge des Feldschwächebereichs entstehen könnten. Dadurch kann weitergehend vermieden werden, dass in Folge Traktionswechselrichter bei gleicher Zwischenkreisspannung mit höheren Ausgangströmen und somit mit deutlich erhöhten Kosten eingesetzt werden müssen. Demgegenüber kann die vorliegende Erfindung somit vergleichsweise kostengünstig und stabil betrieben werden.The solution according to the invention makes it possible to avoid additional current heat losses occurring in the machine, for example as a result of a field-weakening current impressed via a converter. Comparatively high start-up currents can also be avoided, which could arise in the prior art by reducing the number of stator windings depending on the length of the field weakening area. As a result, it can be largely avoided that traction inverters have to be used with the same intermediate circuit voltage with higher output currents and thus with significantly higher costs. In contrast, the present invention can thus be operated comparatively inexpensively and stably.
Bevorzugt kann ein Klauenpolfinger mit der Tragstruktur verflanscht oder verschraubt sein. In dieser Ausgestaltung kann können die Vorteile eines einfachen und langzeitstabilen Aufbaus besonders effektiv ermöglicht werden. Auch die Herstellung kann so vereinfacht werden.A claw pole finger can preferably be flanged or screwed to the support structure. In this refinement, the advantages of a simple and long-term stable construction can be made possible in a particularly effective manner. The production can also be simplified in this way.
Gleiches gilt grundsätzlich für die Ausgestaltung, wonach die auf die Klauenpolfinger wirkende Erregerspule durch ein Joch beziehungsweise Befestigungsjoch getragen wird.The same applies in principle to the embodiment according to which the excitation coil acting on the claw-pole fingers is carried by a yoke or fastening yoke.
Die auf die Klauenpolfinger wirkende Erregerspule kann ferner an einem Lagerschild angeordnet sein beziehungsweise an diesem befestigt sein. Das Lagerschild ist dabei insbesondere Teil eines Gehäuses zum Einschließen der rotierenden Erregermodule. Durch die insbesondere in dieser Ausgestaltung mögliche Nähe der DC-Erregereinrichtung der Klauenpolfinger zum Lagerschild und damit zur Lagerung können die Toleranzen insbesondere infolge Fertigung und Erwärmung klein gehalten werden, was wie vorstehend angedeutet enge Luftspalte erlaubt. Die Luftspaltweite wiederum bestimmt den Magnetisierungsbedarf des Klauenpolrotors, so dass sich diese Ausgestaltung positiv auf die Magnetisierung der Klauenpolfinger auswirkt.The excitation coil acting on the claw-pole fingers can also be arranged on an end shield or attached to it. The end shield is in particular part of a housing for enclosing the rotating exciter modules. Due to the proximity of the DC excitation device of the claw pole fingers to the bearing plate and thus to the bearing, which is possible in particular in this embodiment, the tolerances can be kept small, in particular as a result of production and heating, which, as indicated above, allows narrow air gaps. The width of the air gap in turn determines the magnetization requirement of the claw-pole rotor, so that this configuration has a positive effect on the magnetization of the claw-pole fingers.
Falls der Stellbereich der erfindungsgemäßen Maschine mit einem Klauenpolrotor nicht ausreicht, so ist auch ein Aufbau mit zwei Klauenpolrotoren auf Nicht-Antriebsseite (NDE) und Antriebsseite (DE) denkbar. Entsprechend kann es von Vorteil sein, dass drei hinsichtlich einer Rotorachse des Rotors axial verschoben angeordnete Erregermodule vorgesehen sind, von denen ein erstes Erregermodul einen Tragkörper und einen an dem Tragkörper angeordneten Permanentmagnet zur permanent magnetischen Erregung der Statorwicklung beziehungsweise der Maschine aufweist und ein zweites und ein drittes Erregermodul jeweils als Klauenpolmodul mit Klauenpolfingern und auf diese wirkende Erregerspule ausgebildet sind, wobei das erste Erregermodul axial zwischen dem zweiten und dem dritten Erregermodul angeordnet ist.If the setting range of the machine according to the invention with one claw-pole rotor is not sufficient, a structure with two claw-pole rotors on the non-drive side (NDE) and drive side (DE) is also conceivable. Accordingly, it can be advantageous that three exciter modules are provided, which are arranged axially displaced with respect to a rotor axis of the rotor, of which a first exciter module has a supporting body and a permanent magnet arranged on the supporting body for permanent magnetic excitation of the stator winding or the machine, and a second and a third exciter module are each designed as a claw-pole module with claw-pole fingers and an exciter coil acting on them, the first exciter module being arranged axially between the second and the third exciter module.
Es kann weiterhin bevorzugt sein, dass das zweite Erregermodul und gegebenenfalls das dritte Erregermodul einen Permanentmagnet aufweist. Beispielsweise kann die Integration eines Permanentmagnets in den Klauenpolrotor zwischen den Klauenpolen nahe des Luftspaltes zu der Erregerspule beziehungsweise dem feststehenden Joch möglich sein oder auch in rotierenden Joche des Klauenpolrotor integriert sein. Des Weiteren könnte bei Verwendung von Permanentmagneten mit niedriger Koerzitivfeldstärke wie AlNiCo-Magnete auch ein Auf- und Abmagnetisieren der integrierten Magnete über die elektrische Erregung erfolgen. Die Permanentmagnete unterstützen somit die Stromerregung des Klauenpolrotors, womit Erregerenergie beziehungsweise Stromwärmeverluste eingespart werden. AlNiCo-Magnete erlauben eine Verstellung der Stärke der Permanentmagneterregung, gesteuert über das mit dem Erregerstrom verstellbare Magnetfeld der Erregerspule. Zum Verändern der Remanenz der AlNiCo-Magnete wird dann mit einem sehr kurzzeitig überhöhten Erregerstrom gearbeitet.It can also be preferred that the second exciter module and optionally the third exciter module have a permanent magnet. For example, the integration of a permanent magnet in the claw-pole rotor between the claw poles near the air gap to the excitation coil or the fixed yoke may be possible, or it may also be integrated in the rotating yoke of the claw-pole rotor. Furthermore, when using permanent magnets with a low coercive field strength such as AlNiCo magnets, the integrated magnets could also be magnetized and demagnetized via the electrical excitation. The permanent magnets thus support the current excitation of the claw-pole rotor, which saves excitation energy or current heat losses. AlNiCo magnets allow the strength of the permanent magnet excitation to be adjusted, controlled via the magnetic field of the excitation coil, which can be adjusted with the excitation current. In order to change the remanence of the AlNiCo magnets, a very short excitation current is used.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und technischer Merkmale der elektrischen Maschine wird hiermit auf die Beschreibung des Antriebsstrangs, des Fahrzeugs, die Figuren und die Beschreibung der Figuren verwiesen.With regard to further advantages and technical features of the electric machine, reference is hereby made to the description of the drive train, the vehicle, the figures and the description of the figures.
Beschrieben ist ferner ein Antriebsstrang für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Schienenfahrzeug, wobei der Antriebsstrang einen Motor zum Antreiben eines Rades oder einer Welle umfasst, und wobei der Motor eine elektrische Maschine wie vorstehend beschrieben ist.Also described is a drive train for a vehicle, in particular for a rail vehicle, the drive train comprising a motor for driving a wheel or a shaft, and the motor being an electric machine as described above.
Beispielsweise kann der Antriebsstrang in einem Bahnfahrzeug angeordnet sein beziehungsweise Teil des Bahnfahrzeugs sein, so dass eine gute Implementierung in bereits bestehend Systeme sowie eine breite Anwendbarkeit gegeben ist. In diesem Fall kann der Antriebsstrang etwa einen Motor, ein mit dem Motor verbundenes Getriebe, eine Radsatzwelle und eine Achskupplung zum Übertragen des Antriebsmomentes vom Getriebe auf die Radsatzwelle umfassen.For example, the drive train can be arranged in a rail vehicle or be part of the rail vehicle, so that good implementation in existing systems and broad applicability is given. In this case, the drive train can include an engine, a transmission connected to the engine, a wheel set shaft and an axle coupling for transmitting the drive torque from the transmission to the wheel set shaft.
Die spezifischen Vorteile eines mit dem Motor beziehungsweise der elektrischen Maschine ausgestatteten Antriebsstrangs können insbesondere darin gesehen werden, dass eine vorteilhafte Einstellbarkeit der Feldschwächung ermöglicht wird. Ferner kann eine hohe mechanische Stabilität und eine gute Langzeitstabilität ermöglicht werden.The specific advantages of a drive train equipped with the motor or the electric machine can be seen in particular in the fact that an advantageous adjustability of the field weakening is made possible. Furthermore, high mechanical stability and good long-term stability can be made possible.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und technischer Merkmale des Antriebsstrangs wird hiermit auf die Beschreibung der elektrischen Maschine, des Fahrzeugs, die Figuren und die Beschreibung der Figuren verwiesen.With regard to further advantages and technical features of the drive train, reference is hereby made to the description of the electric machine, the vehicle, the figures and the description of the figures.
Beschrieben wird ferner ein Fahrzeug, wobei das Fahrzeug wenigstens eines von einer elektrischen Maschine und einem Antriebsstrang aufweist, wie diese vorstehend beschrieben sind.A vehicle is also described, the vehicle having at least one of an electric machine and a drive train as described above.
Beispielsweise kann das Fahrzeug ein Schienenfahrzeug sein, da insbesondere für derartige Fahrzeuge entsprechende Antriebsstränge beziehungsweise elektrische Maschinen geeignet sind. Antriebssysteme von Schienenfahrzeugen weisen oft sehr lange Konstantleistungsbereiche auf. Wenn der Bereich (über der Fahrgeschwindigkeit bzw. Motordrehzahl dargestellt) der Feldschwächung mit dem Konstantleistungsbereich nahezu übereinstimmt, ergibt sich eine vorteilhafte Auslegung des Motor-Pulswechselrichters und eine gute Ausnutzung der Leistungshalbleiter. Als Leistungshalbleiter kommen bspw. Si-IGBT oder SiC-MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors) zum Einsatz.For example, the vehicle can be a rail vehicle, since corresponding drive trains or electrical machines are particularly suitable for such vehicles. Rail vehicle drive systems often have very long constant power ranges. If the field weakening range (shown above the driving speed or engine speed) is almost the same as the constant power range, the result is an advantageous design of the motor pulse-controlled inverter and good utilization of the power semiconductors. For example, Si-IGBT or SiC-MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors) are used as power semiconductors.
Die vorstehend beschriebenen Vorteile sind auch für ein beschriebenes Fahrzeug einschlägig, so dass eine vorteilhafte Einstellbarkeit der Feldschwächung ermöglicht wird. Ferner kann eine hohe mechanische Stabilität und eine gute Langzeitstabilität ermöglicht werden.The advantages described above are also relevant for a vehicle described, so that an advantageous adjustability of the field weakening is made possible. Furthermore, high mechanical stability and good long-term stability can be made possible.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und technischer Merkmale des Fahrzeugs wird hiermit auf die Beschreibung der elektrischen Maschine, des Antriebsstrangs, die Figuren und die Beschreibung der Figur verwiesen.With regard to further advantages and technical features of the vehicle, reference is hereby made to the description of the electric machine, the drive train, the figures and the description of the figure.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der Figuren. In den Figuren zeigen:
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1 eine Schnittansicht einer elektrischen Maschine gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung von der Seite; -
2 Schnittansichten durch einen Rotor für eine elektrische Maschine gemäß der Ausgestaltung nach1 ; -
3 eine Schnittansicht einer elektrischen Maschine gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung von der Seite; und -
4 weitere Schnittansichten durch einen Rotor für eine elektrische Maschine gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
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1 a sectional view of an electric machine according to an embodiment of the present invention from the side; -
2 Sectional views through a rotor for an electrical machine according to the embodiment1 ; -
3 a sectional view of an electrical machine according to a further embodiment of the present invention from the side; and -
4 further sectional views through a rotor for an electrical machine according to a further embodiment of the present invention.
In der
Die elektrische Maschine 10 hat eine geradzahlige Polzahl zwischen sechs und 24, vorteilhaftweise Polzahlen von sechs, acht, zwölf und 16 (Polpaarzahlen: 3,4,6 und 8).The
Die elektrische Maschine 10 umfasst einen Stator 12 und einen Rotor 14, wobei der Stator 12 eine Statorwicklung 16 umfasst, die mit dem Rotor 14 zusammenwirkt. Der Rotor 14 ist ferner hybriderregt.The
Hierzu sind wenigstens zwei hinsichtlich einer Rotorachse 18 des Rotors 14 axial verschoben angeordnete Erregermodule 20, 22 vorgesehen. Die Rotorachse 18 verläuft durch eine Welle 34 des Rotors 14.For this purpose, at least two
Ein erstes Erregermodul 20 umfasst einen Tragkörper 24 und einen an dem Tragkörper 24 angeordneten Permanentmagnet 26, gegebenenfalls ein magnetisches Rotorjoch, zur permanent magnetischen Erregung der Statorwicklung 16 bzw. der Synchron-Maschine. Der Tragkörper 24 ist an der Welle 34 befestigt und kann beispielsweise als Blechpaket ausgestaltet sein.A first exciter module 20 comprises a supporting body 24 and a
Ein zweites Erregermodul 22 ist als Klauenpolmodul mit Klauenpolfingern 28, 30 und auf diese wirkenden Erregerspule 32 ausgebildet. Es ist ferner gezeigt, dass die auf die Klauenpolfinger 28, 30 wirkende Erregerspule 32 durch ein Joch 36 getragen wird. Das Joch 36 kann beispielsweise aus Eisen geformt sein. Ferner kann das Joch 36 an einem Lagerschild 38 als Teil eines Gehäuses befestigt sein, so dass andererseits auch die auf die Klauenpolfinger 28, 30 wirkende Erregerspule 32 an dem Lagerschild 38 angeordnet ist beziehungsweise über eine Abstützung 39 des Lagerschilds 38 an diesem fixiert ist und dadurch feststeht. Die Welle 34 bzw. der Rotor 14 ist über Lager 40 in den Lagerschilden 38 gelagert. Das in der
In der
Genauer ist gezeigt, dass eine hinsichtlich der Polarisierung erste Gruppe der Klauenpolfinger 28, insbesondere die als Südpol magnetisierten Klauenpolfinger 28, mechanisch mit dem Tragkörper 24 verbunden ist. Dies kann etwa durch eine Verschraubung oder einen Flansch erfolgen und/oder unter Verwendung eines die Klauenpolfinger 28 und den Tragkörper 24 übergreifenden Befestigungselements 41, welches an den Klauenpolfingern 28 und dem Tragkörper 24 befestigt sein. Eine hinsichtlich der Polarisierung zweite Gruppe der Klauenpolfinger 30, insbesondere die als Nordpol magnetisierten Klauenpolfinger 30, ist mit der ersten Gruppe der Klauenpolfinger 28 durch das Verbindungselement 42 mechanisch verbunden.More precisely, it is shown that a first group of claw-
Weiterhin zeigt die
Grundsätzlich ist es bei einer Verwendung der elektrischen Maschine 10 als Traktionsmotor vorteilhaft, eine gekapselte Maschine 10 vorzusehen, bei der der Aktivteil, also Stator 12 und Rotor 14, nicht direkt mit Kühlluft von außen durchströmt werden, um im Fehlerfall eines Schadens der Statorwicklung die Auswirkungen außerhalb der Maschine 10 zu begrenzen. Ist die elektrische Erregung anteilig zur Permanentmagnet-Erregung jedoch hoch, kann durch diese Möglichkeit der Feldschwächung der Fehlerstrom in der defekten Statorwicklung 16 und somit die Auswirkung nach außen begrenzt werden. Auch kann der DC-Erregerstrom in der Klauenpolerregereinrichtung beziehungsweise der Erregerspule 32 in der Wirkrichtung umgekehrt werden, so dass eine sehr hohe Wirkung der Feldschwäche gegenüber der Permanentmagnet-Erregung erzielt wird. In diesem Fall kann auf die Kapselung verzichtet werden und der Aktivteil direkt durchzugsbelüftet mit Außenluft effizient gekühlt werden. Entsprechend kann es grundsätzlich von Vorteil sein, dass die elektrische Maschine 10 offen ausgeführt und durchzugsbelüftet gekühlt wird.In principle, when using the
Bei einer Verwendung der elektrischen Maschine 10 als Traktionsgenerator kann grundsätzlich eine Durchzugsbelüftung gewählt werden, da der Betrieb im Fehlerfall zeitlich kurz ist, gegebenenfalls erfolgt ein Nachlaufen eines Dieselmotors im Minutenbereich. Somit kommen für die elektrische Maschine 10 grundsätzlich sämtliche bei Traktionsmaschinen vorkommenden Kühlarten in Betracht, wie zum Beispiel:
- - Offen oder gekapselt;
- - Eigenbelüftet oder fremdbelüftet;
- - Wassermantelkühlung;
- - Bei Kapselung mit und ohne Innenkühlkreislauf.
- - Spaltrohrmaschine mit Direktkühlung des Ständers beziehungsweise Stators 12 über ein isolierendes Kühlöl, wie etwa Transformatoröl, und Luftkühlung des
Rotor 14.
- - Open or encapsulated;
- - Self-ventilated or externally ventilated;
- - water jacket cooling;
- - For encapsulation with and without internal cooling circuit.
- - Canned machine with direct cooling of the stand or
stator 12 via an insulating cooling oil, such as transformer oil, and air cooling of therotor 14.
In der
In der
Wesentlich bei der Ausgestaltung gemäß
Wie auch das zweite Erregermodul 22 an dem ersten Erregermodul 20 befestigt ist, ist auch das dritte Erregermodul 54 entsprechend der vorstehenden Beschreibung an dem ersten Erregermodul 20 befestigt.Just as the
In der
Gemäß
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.Although the invention has been illustrated and described in detail by the preferred embodiment, the invention is not limited by the disclosed examples and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.
BezugszeichenlisteReference List
- 1010
- elektrische Maschineelectric machine
- 1212
- Statorstator
- 1414
- Rotorrotor
- 1616
- Statorwicklungstator winding
- 1818
- Rotorachserotor axis
- 2020
- Erregermodulexcitation module
- 2222
- Erregermodulexcitation module
- 2424
- Tragkörperbody
- 2626
- Permanentmagnetpermanent magnet
- 2828
- Klauenpolfingerclaw pole fingers
- 3030
- Klauenpolfingerclaw pole fingers
- 3232
- Erregerspuleexcitation coil
- 3434
- WelleWave
- 3636
- Jochyoke
- 3838
- Lagerschildbearing shield
- 3939
- Abstützungsupport
- 4040
- Lagercamp
- 4141
- Befestigungselementfastener
- 4242
- Verbindungselementfastener
- 4444
- Spaltgap
- 4646
- Spaltgap
- 4848
- Kühlkanalcooling channel
- 5050
- Kühlkanalcooling channel
- 5252
- Innenlüfterindoor fan
- 5454
- Erregermodulexcitation module
- 5656
- Permanentmagnetpermanent magnet
- 5858
- Jochyoke
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- DE 102007035321 A1 [0004]DE 102007035321 A1 [0004]
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