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Die Erfindung betrifft eine Rotorbaugruppe für einen
elektrischen Kraftfahrzeuggenerator und im besonderen einen Generator
mit einer Rotorbaugruppe im Hybriddesign, das auf dieser angeordnete Permanentmagnete
aufweist.
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Die Erfindung betrifft auf einen
elektrischen Generator, im besonderen geeignet zur Verwendung in
Kraftfahrzeuganwendungen eingeschlossen Personenkraftwagen und Kleinlastwagen.
Diese Vorrichtungen werden üblicherweise
mechanisch mit einem Antriebsriemen angetrieben, der über eine
Riemenscheibe läuft,
die mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs verbunden
ist. Der Antriebsriemen treibt eine Riemenscheibe am Generator an,
die eine interne Rotorbaugruppe dreht, um einen Wechselstrom (AC)
zu erzeugen. Dieser Wechselstrom wird zu Gleichstrom (DC) gleichgerichtet (transformiert)
und in die Stromschiene und die Batterie des Kraftfahrzeugs eingespeist.
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Während
Generatoren in Kraftfahrzeugen seit Jahrzehnten in Gebrauch sind,
legen heutige Ansprüche
an Kraftfahrzeugdesign, Kosteneffektivität und Performance einen wachsenden
Schwerpunkt auf das Design effizienterer Lichtmaschinen. Heutige Kraftfahrzeuge
weisen einen dramatischen Anstieg in der Anzahl elektrischer On-Board-Systeme
und elektrischen Zubehörs
auf. Diese elektrischen Baugruppen beinhalten die Innenund Außenbeleuchtung,
Klimaregelungssysteme; zunehmend fortgeschrittene Kraftübertragungsregelsysteme,
Fahrzeugstabilitätssysteme,
Traktionsregelungssysteme und Antiblockierbremssysteme. Fahrzeugaudiosysteme
und Fahrzeugtelematiksysteme stellen weitere Ansprüche an das
elektrische Versorgungsystem des Fahrzeugs. Noch weitergehende Herausforderungen in
Hinblick auf die Ausgangsleistung der elektrischen Generatoren der
Kraftfahrzeuge werden mit der umfassenden Einführung von elektrischen Servolenksystemen
und elektrischen Fahrzeugbremssystemen kommen. Allen diesen konstruktiven
Herausforderungen ist gemeinsam, dass die Ansprüche an das elektrische System
des Fahrzeugs stark variieren, ungeachtet der Betriebsdrehzahl des
Motors, die den Generator antreibt und Änderungen verschiedener Fahrbedingungen.
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Zusätzlich zur Herausforderung
für die
Lichtmaschine des Kraftfahrzeugs eine hohe elektrische Ausgangsleistung
zur Verfügung
zu stellen, umfassen weitere Zwänge
den Anspruch, die Größe der Lichtmaschine
im Hinblick auf Platzbeschränkungen im
Motorraum und ihr Gewicht, das sich auf den Kraftstoffverbrauch
auswirkt, zu minimieren.
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Über
den Anspruch hinaus, eine höhere elektrische
Ausgangsleistung zur Verfügung
zu stellen, streben die Entwickler dieser Vorrichtungen weiterhin
an, einen hohen Wirkungsgrad in der Umwandlung mechanischer Energie,
die vom motorgetriebenen Riemen übertragen
wird, in elektrische Energieleistungsabgabe zu erreichen. Diese
Effizienz wirkt sich direkt auf einen höheren thermischen Gesamtwirkungsgrad
des Kraftfahrzeugs und als kraftstoffökonomischer Vorteil aus. Und
schließlich,
wie es mit allen Bauteilen für
die in großen
Stückzahlen
produzierten Kraftfahrzeuge der Fall ist, bleibt der Preis solcher
Bauteile ein Faktor für
ein wettbewerbsfähiges
Angebot an Erstausrüster.
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Ein Verfahren, das genutzt worden
ist, die Leistungsabgabe konventioneller Generatoren zu erhöhen, ist
es, einen oder mehrere Permanentmagnete auf der Außenseite
des Rotors anzubringen, um ein signifikant stärkeres Magnetfeld zu erzeugen. Das
Zusammenwirken der Permanentmagnete und der gewickelten Erregerspule
ermöglicht
es dem Gerät,
eine wesentlich größere Leistungsabgabe
zu erzeugen. Es ist jedoch schwierig, die Permanentmagneten auf
dem Rotor zu befestigen, da der Rotor mit Umdrehungsgeschwindigkeiten
von bis zu 25.000 UPM rotiert und verschiedenen Umgebungsbedingungen
ausgesetzt ist.
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Ein Verfahren, die Magnete auf dem
Rotor zu befestigen, besteht darin, die ineinander verwobenen Finger
der Polstücke
zu verlängern,
so dass sie sich nach außen über die
Magnete erstrecken, um die Magnete auf den danebenliegenden Polstücken zu halten.
Dieses jedoch erhöht
die Beanspruchung der Finger, wenn sich der Rotor mit hoher Umdrehungszahl
dreht, was eine Auswärtsbiegung
der Finger in den Zwischenraum zwischen Rotor und Stator verursacht.
Der Abstand zwischen Rotor und Stator wird sehr genau eingestellt,
da je geringer der Abstand zwischen dem Rotor und dem Stator desto
höher die elektrische
Leistungsabgabe ist. Eine Auswärtsbiegung
der Finger erfordert somit eine Konstruktion des Generators mit
einem größeren Zwischenraum,
wodurch die Leistungsabgabe des Generators reduziert wird.
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Weiterhin sind Permanentmagnete im
allgemeinen spröde
und erfordern kostenaufwendige Schleifoperationen, um die Größentoleranzen
zu erfüllen,
wodurch die Formgebung der Permanentmagnete in eine Form, die eine
Verriegelung (feste Montage) der Permanentmagnete auf dem Rotor
ermöglicht,
schwierig und teuer wird.
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Daher besteht ein Bedarf an einer
Generatorrotorbaugruppe, die auf dieser befestigte Permanentmagneten
trägt,
um die Leistungsabgabe des Generators zu erhöhen, wobei die Permanentmagnete
in einer Weise auf dem Rotor befestigt sind, die die strukturelle
Robustheit des Rotors nicht beeinträchtigt und keine engen Toleranzen
in bezog auf Größe und Form
der Permanentmagnete erfordert. Dies ist Aufgabe der vorliegenden
Erfindung.
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Die Aufgabe wird durch eine Rotorbaugruppe
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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In einem ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung umfasst eine Rotorbaugruppe ein erstes
und zweites Polstück,
jedes mit einer Anzahl von Polfingern, die radial angeordnet sind
und axial von einem Umfang der Polstücke ausgehen, und einer Anzahl
von Montageflächen
radial angeordnet um und zwischen den Polfingern. Zusammengebaut
passen die Polstücke
so zusammen, dass die Polfinger in der wohlbekannten „Klauen-Pol-Konfiguration"
verschachtelt sind. Die Permanentmagnete sind auf den Montageflächen angeordnet
und Abdeckungen sind vorgesehen, um die Permanentmagnete im Wesentlichen
einzukapseln und die Permanentmagnete auf den Polstücken zu
befestigen.
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In einem anderen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung umfasst jede der Abdeckungen Laschen,
die von dieser ausgehen, und die Montageflächen umfassen Rippen, die geeignet
sind, über
die Laschen gesteckt zu werden, um die Abdeckungen mit den in ihnen
umschlossenen Permanentmagneten auf der Montagefläche zu befestigen.
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In einem wiederum weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung schließt jeder Polfinger des ersten
Polstücks
ein distales Ende ein und erstreckt sich zwischen die Polfinger
des zweiten Polstücks,
wobei die distalen Enden über
den Montageflächen
des zweiten Polstücks
angeordnet sind und jeder Polfinger des zweiten Polstücks ein
distales Ende einschließt
und sich zwischen die Polfinger des ersten Polstücks erstreckt, wobei die distalen
Enden über
den Montageflächen
des ersten Polstücks angeordnet
sind, und die distalen Enden ausgestattet sind, die Abdeckungen
einzurasten, um die Permanentmagneten noch weiter auf den Montageflächen zu
befestigen.
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In einem wiederum weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung sind die Permanentmagneten in den Abdeckungen
mit einem Klebemittel befestigt.
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In einem wiederum weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung sind die Abdeckungen aus einem nicht-magnetischen
Material hergestellt.
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Zusätzliche Nutzen und Vorteile
der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der folgenden
detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführung und
den beigefügten
Ansprüchen
ersichtlich werden; wenn sie " in Verbindung mit den begleitenden
Zeichnungen gesehen werden. Eszeigen:
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1:
einen Querschnitt eines typischen elektrischen Generators nach dem
Stand der Technik;
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2:
eine Explosionsansicht einer Rotorbaugruppe eines elektrischen Generators
nach dem Stand der Technik;
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3:
eine perspektivische Ansicht der Rotorbaugruppe, die mit den auf
dieser angeordneten Permanentmagneten dargestellt ist;
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4:
eine Ansicht von 3,
in der die an ihren Positionen befindlichen Abdeckungen über den Permanentmagneten
dargestellt sind;
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5:
eine perspektivische Ansicht einer Abdeckung der vorliegenden Erfindung;
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6:
eine Teilendansicht der Rotorbaugruppe, die die Laschen der Abdeckung
und die Rippen der Polstücke,
die übergesteckt
sind, um die Abdeckung an diesen zu befestigen, zeigt;
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7:
zeigt eine Teilschnittdarstellung einer ersten Ausführung, in
der sich die Polfinger nicht über die
Abdeckungen erstrecken;
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8 eine
Teilschnittdarstellung einer zweiten Ausführung, in der sich die Polfinger über die
Abdeckungen erstrecken und in die Abdeckungen einrasten.
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Um ein Bezugssystem für eine weitere
detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung
zur Verfügung
zu stellen, wird 1 vorgestellt,
in der eine elektrische Generatorkonfiguration nach dem Stand der
Technik dargestellt ist. Diese Figur zeigt einen elektrischen Generator 10 verkapselt
in einem Gehäuse 12.
Eine Generator-Rotorwelle 14 wird von Wälzlagern 16 und 18 gelagert.
Eine riemengetriebene Riemenscheibe 20 ist am hervorstehenden
vorderen Ende der Rotorwelle 14 befestigt. Ein Ventilator 22 rotiert
mit der Rotorwelle 14 und sorgt für einen kühlenden Luftstrom zur Wärmeabfuhr
vom Generator 10. Vorderes und hinteres Generator-Polstück, respektive
24 und 26, rotieren mit der Rotorwelle 14 und besitzen
herausstreckende Klauenfinger (claw fingers), respektive 28 und
30. Die Finger 28 und 30 greifen ineinander und formen
so die gut bekannte "Klauenpol"-Konfiguration. Eine Enegerwindung 32 wird
in dem zwischen den Polstücken 24 und 26 gebildeten.
Hohlraum getragen.: Ein Gleichstromanregungssignal (Strom) wird
an die Enegerspule 32 über
ein Paar Schleifringen 34 und 36 und den zugehörigen Bürsten angelegt.
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Eine Rotorbaugruppe 38,
die Polstücke 24 und 26,
Erregerspule 32 und Schleifringe 34 und 36 einschließt, generiert
ein Magnetfeld mit alternierender Polarität, das mit der Rotation der
Rotorbaugruppe 38 rotiert. Obwohl ein Gleichstromanregungssignal
an die Schleifringe 34 und 36 angelegt ist, erzeugen
die ineinandergreifenden alternierenden Polstücke 24 und 26 ein
Magnetfeld mit alternierender Polarität, wie es den Wicklungen des
stationären
Kerns 40, der rundherum um die Rotorbaugruppe 38 angeordnet
ist, präsentiert
wird. Die von der Rotorbaugruppe 38 vorgegebene Bewegung
des Magnetfeldes mit alternierender Polarität über die Wicklungen des Kerns 40 erzeugt
elektrischen Strom in wohlbekannter Weise.
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Die vom elektrischen Generator 10 im
Kern 40 erzeugte elektrische Leis tungsabgabe wird zu Gleichrichterdioden
(nicht dargestellt) und ggf. weiteren Filter- und Energieaufbereitungsvorrichtungen geleitet,
bevor sie in die elektrische Verteilerschiene des Fahrzeugs eingespeist
wird. Hoch entwickelte Regelsysteme, auch als Spannungsregler bekannt, werden
dazu benutzt, ein adäquates
Maß an
Gleichstromspannung an die Erregerspule 32 anzulegen, um
den RMS-Sollwert des ausgehenden Wechselstroms vom Generator 10 zu
erzeugen, der in Abhängigkeit
vom Wicklungsdesign des Kerns 40 ein- oder mehrphasig sein
kann.
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Bezugnehmend auf 2 ist allgemein eine Rotorbaugruppe 42 nach
der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Rotorbaugruppe 42 umfasst
eine Rotorwelle 44, die von Wälzlagern 16 und 18 gelagert wird.
Das erste und zweite Polstück,
respektive 46 und 48 besitzen beide einen kreisförmigen Trägerkörper und definieren eine Rotationsachse 50 und
einen radialen Außenumfang 52.
Das erste und zweite Polstück 46 und 48 rotieren
mit der Rotorwelle 46 und besitzen von ihnen ausgehende
Polfinger 54. Eine Erregerspule 56 wird auf einem
Spulenkörper 58 in dem
zwischen den Polstücken 46 und 48 gebildeten Hohlraum
getragen. Ein Gleichstromerregersignal wird an die Erregerspule 56 über ein
Paar Schleifringe 60 und 62 und zugehörigen Spulen
angelegt.
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Die Polfinger 54 sind radial
angeordnet und erstrecken sich axial vom radialen Außenumfang 52 der
ersten und zweiten Polstücke 46 und 48 parallel zur
Rotationsachse 50. Das erste und zweite Polstück 46 und 48 beinhalten
weiterhin eine Anzahl von Montageflächen 64 radial angeordnet
um den radialen Außenumfang 52 der
Polfinger 54. Permanentmagnete 66 sind am Außenumfang 52 von
jeweils dem ersten und zweiten Polstück 46 und 48 angeordnet,
wobei je ein Permanentmagnet 66 auf jeder Befestigungsfläche 64 des
ersten und zweiten Polstücks 46 und 48 angeordnet
ist, wie in 3 gezeigt.
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Nach 4 ist
in der bevorzugten Ausführung
jeder Permanentmagnet 66 im wesentlichen von einer Abdeckung 68 umschlossen.
Jede der Abdeckungen 68 ist ausgestattet, auf den Montageflächen 64 der
Polstücke
angeordnet zu werden und je einen der Permanentmagnete 66 auf
diesen zu befestigen. Vorzugsweise besitzen die Abdeckungen 68 die
Form eines fünfseitigen
Kastens mit einer darin geformten Öffnung, so dass die Permanentmagnete 66 vollständig umschlossen
sind, wenn die Abdeckungen 68 auf der Rotorbaugruppe 38 angeordnet
sind, wie in 5 gezeigt.
Ebenso können
die Abdeckungen 68 Öffnungen
beinhalten, die Bereiche der Permanentmagnete 66 exponiert
lassen.
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Vorzugsweise beinhaltet jede der
Abdeckungen 68 einen Hohlraum 70, der ausgestattet
ist, einen der Permanentmagnete 66 darin aufzunehmen. Die Abdeckungen 68 schließen weiterhin
Laschen 72 ein, die von den Seiten ausgehen. Vorzugsweise
sind die Abdeckungen 68 aus Plastik oder einem anderen nicht-magnetischen
Material hergestellt, es ist jedoch festzustellen, dass die Abdeckungen 68 aus
einem beliebigen Material hergestellt werden können, dass keinen magnetischen
Fluss vom Nordpol des Permanentmagneten 66 zum Südpol des
Permanentmagneten 66 gestattet. Zusätzlich können die Abdeckungen 68 aus
einem magnetischen Metall hergestellt werden, solange die Abdeckungen 68 sehr
dünn sind.
Die dünnen
magnetischen Abdeckungen 68 würden einen geringen magnetischen
Fluss erzeugen, der die Effizienz des Generators 42 reduzierte, würden aber
andererseits zufriedenstellend funktionieren, um die Permanentmagnete 66 auf
der Rotorbaugruppe 38 zu befestigen.
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Die Montageflächen 64 des ersten
und zweiten Polstücks 46 und 48 sind
derart ausgeführt,
dass sie in die Laschen 72 der Abdeckungen 68 einrasten können. Vorzugsweise
wird ein Kerbwerkzeug benutzt, um das Metall der Montagefläche 64 anliegend an
den Laschen 72 auf- und überzuwerfen auf die Laschen 72,
um die Abdeckungen 68 an ihrem Platz zu halten. Alternativ können die
Montageflächen 64 des ersten
und zweiten Polstücks 46 und 48 Rippen 74 beinhalten,
die geeignet sind, über
die Laschen 72 gesteckt zu werden, um die Abdeckung 68 auf
der Montagefläche 64 zu
befestigen, wie in 6 gezeigt.
Die Permanentmagnete 66 werden im Hohlraum 70 der
Abdeckungen 68 und somit auf der Montagefläche 64 gehalten.
Die vorliegende Erfindung könnte
ebenso ausgeführt
sein, indem die Abdeckungen 68 verformbare Laschen 72 beinhalten,
die zwischen die in der Montagefläche 64 geformten Rippen ?4
gesteckt werden.
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In der bevorzugten Ausführung sind
die Permanentmagnete 66 in den Hohlräumen 70 der Abdeckungen 68 mit
einem Klebemittel befestigt. Durch die Verwendung eines Klebemittels
wird die Summe der mechanischen Beanspruchung der Permanentmagnete 66 durch
Vibration, mechanische Belastung und andere Kräfte reduziert. Weiterhin sind
geringe Toleranzen des Permanentmagneten 66 nicht erforderlich,
da der Permanentmagnet 66 auf der Montagefläche 68 durch
die Abdeckung 68 gehalten wird.
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Abweichungen in Größe und Form
des Permanentmagneten 66 können kompensiert werden, indem
ein Toleranzabstand zwischen dem Permanentmagneten 66 und
dem Hohlraum 70 der Abdeckung 68 zugelassen wird.
Der Toleranzabstand wird mit Klebemittel verfüllt, wenn der Permanentmagnet 66 in
der Abdeckung 68 angeordnet wird. Daher kann der Permanentmagnet 66 mit
größeren Toleranzen hergestellt
werden und erfordert keine kostenaufwendigen Schleifoperationen
in der Herstellung, wodurch die Kosten der Permanentmagneten 66 signifikant
gesenkt werden. Ein Klebemittel wie ein Epoxydharz wird bevorzugt,
jedoch kann jedes Klebemittel, das für die besondere Umgebung und
Bedingungen der Anwendung geeignet ist, benutzt werden. Alternativ
kann die Größe der Permanentmagnete 66 und
die Größe der Hohlräume 70 innerhalb
jeder der Abdeckungen 68 so gewählt werden, dass beim Einpassen
eines Permanentmagneten 66 in den Hohlraum 70 einer
Abdeckung 70 zwischen diesen eine Presspassung entsteht,
die den Permanentmagneten 66 durch Reibung in der Abdeckung 68 festhält.
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Die Abdeckungen 68 bieten
ebenso einen Schutz der Permanentmagneten 66. Üblicherweise sind
die Permanentmagnete 66 sehr spröde und die Abdeckungen 68 helfen
ebenso die Permanentmagnete 66 vor Beschädigung zu
schützen,
wie sie verhindern, dass Splitter oder abgesprungene Teile der Permanentmagnete 66 von
der Rotorbaugruppe 38 abfliegen, wenn die Rotorbaugruppe 38 mit
hoher Geschwindigkeit rotiert.
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Nach Figur ? reichen in der ersten
bevorzugten Ausführung
die Polfinger 54 des ersten und zweiten Polstücks 46 und 48 nicht über die
Montageflächen 64 des
jeweils anderen hinaus. Alternativ, wie in 8 gezeigt, reichen die Polfinger 54" in
einer zweiten bevorzugten Ausführung
von jedem der ersten und zweiten Polstücke 46 und 48 über die
Montageflächen 64 des
jeweils anderen hinaus, um in die darauf angeordneten Abdeckungen 68 einzugreifen. Die
Polfinger 54" beinhalten distale Enden 76, die
in die Abdeckungen 68 eingreifen, um für eine zusätzliche Kraft zu sorgen, die
Abdeckungen 68 auf der Montagefläche 64 zu halten.
Die zusätzliche
Unterstützung
durch die Polfinger 54" gestattet ein weniger robustes
Design der Abdeckungen 68 oder die Fertigung aus einem
leichteren und schwächeren Material
wie wenn die Polfinger 54" nicht diese zusätzliche
Unterstützung
lieferten.
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Die Polfinger 54" der zweiten
bevorzugten Ausführung
sorgen für
einen zusätzlichen
Schutz der Permanentmagnete 66 und die Anwesenheit der
gesteckten Rippen 74 verhindert, dass die Abdeckungen 68 und
die Permanentmagnete 66 einen nach außen gerichteten Druck auf die
Polfinger 54" erzeugen, der eine Auswärtsbiegung der Polfinger 54" bei hohen
Rotationsgeschwindigkeiten der Rotorbaugruppe 38 verursachen
würde.
Ohne die Gefahr der Verbiegung kann der Luftspalt zwischen Rotor
und Stator reduziert und dadurch die Leistungsdichte des Generators 10 erhöht werden.
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Es ist als selbstverständlich anzusehen, dass
die in der vorliegenden Erfindung beschriebene Permanentmagnetrückhaltung
auch in einem elektrischem Gerät
mit einem ausschließlichen
Permanentmagnetrotor oder mit Armaturen, die keinen gewickelten
Erreger enthalten, angewendet werden kann.
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Während
die vorhergehende Beschreibung die bevorzugte Ausführung der
vorliegenden Erfindung darstellt, wird vorausgesetzt, dass Modifikationen,
Variationen und Änderungen
an der Erfindung vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich
und die Bedeutung der begleitenden Ansprüche zu verlassen.