DE10331371A1

DE10331371A1 - Synchronmaschine

Info

Publication number: DE10331371A1
Application number: DE2003131371
Authority: DE
Inventors: Max Dipl.-Ing. Bachmann
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2003-07-11
Filing date: 2003-07-11
Publication date: 2005-01-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Synchronmaschine in Form eines Generators für den Anbau an den Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges. Die Synchronmaschine weist ein Gehäuse (4) und einen vom Rotor (8) gebildeten Läufer (14) als kraftführende Strukturteile auf und ist in herkömmlicher Getriebe-Anschluss-Technik über eine Membran (3) mit dem Schwungrad (2) und mit der Kurbelwelle (1) des Verbrennungsmotors verbunden. Der vom Rotor (8) gebildete Läufer (14) ist zentrisch mittels eines Einfachlagers (12) derart abgestützt, dass die Auflagerkraft am Zapfen der Kurbelwelle (1) vermindert bzw. im Schwerpunkt aufgehoben ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Synchronmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Synchronmaschinen sind vielfältig bekannt. So beschreibt zum Beispiel die EP 0 848 475 einen Synchronmotor hoher Leistung, der sich insbesondere zum Antrieb großer Geräte eignet. Dieser bekannte Synchronmotor weist einen Stator mit einem Statorkern auf sowie einen innerhalb des Stators angeordneten Rotor, der sich frei um seine Mittelachse drehen kann. Der Rotorkern ist mit einer Reihe von Schlitzen versehen, die in einem vorgegebenen Anstand voneinander angeordnet sind und die sich bis zum Umfang des Rotors erstrecken. In Axialrichtung sind die Schlitze kontinuierlich verlaufend ausgebildet. Im Rotor ist dabei eine Welle eingesetzt, während in die Schlitze Dämpferstäbe eingesetzt sind, die aus einem kupferhaltigen Material bestehen und die elektrisch nicht isoliert sind.

Die beiden Enden der einzelnen Dämpferstäbe sind elektrisch mit metallischen Trägerplatten verbunden um dergestalt einen Kurzschlussring zu bilden. Um den Umfang eines vorstehenden Poles ist eine Feldwicklung gewickelt, die einen Magnetpol des Rotorkerns bildet. Außerdem erstreckt sich das Ende einer jeden metallischen Trägerplatte in axialer Richtung soweit, dass es aus der Feldwicklung hervorragt und damit einen Feldwicklungshalter bildet, der verhindert, dass das Ende der Feldwicklung auf Grund von Zentrifugalkräften auseinander bricht.

Die metallische Trägerplatte ist mit säulenartigen Haltestäben versehen, die sich radial vom Umfang der trägerplatte weg erstrecken, wobei der Kopf eines jeden Haltestabes einen Verbindungsabschnitt darstellt, an dem ein Dämpferstab mittels einer Schweißnaht mit der Trägerplatte verbunden wird. Außerdem ist mindestens ein Haltestab mit einem Schlitz versehen zum Abbau von Spannungen, insbesondere solchen, die bei plötzlichen Drehmomentänderungen und bei auftretenden Stosseinwirkungen entstehen. Dieser Synchronmotor soll eine verbesserte mechanische Festigkeit aufweisen.

Aus der EP 0 783 201 ist ein Fahrzeug mit Elektroantrieb und mit einem Elektromotor bekannt, wobei letzterer ein Synchronmotor mit Dauermagneten ist. Dieser weist einerseits einen Rotor mit einem oder mehreren Dauermagneten auf und andererseits einen mit Spulen versehenen Stator, der in üblicher Weise mit drei je von einem Wechselstrom gespeisten Phasenwicklungen versehen ist. Die Ströme in diesen drei Phasenwicklungen sind um 120° zueinander versetzt und erzeugen ein Drehfeld, das den Rotor synchron mit der Drehung dieses Feldes in Rotation versetzt.

Die Wechselströme für die Phasenwicklungen des Stators werden von einem Wechselrichter erzeugt, der ebenso viele Paare von gesteuerten Schaltern aufweist wie es Statorphasenwicklungen gibt. In jedem Paar sind die Schalter in Reihe angeordnet wobei jede Reihenschaltung zweier derartiger Schalter parallel zur Akkumulatorenbatterie liegt. Die Steuerung der Schalter erfolgt derart, dass in einem bestimmten Zeitpunkt nur je ein Schalter in jedem Paar leitend ist und dass der Absolutwert des Stroms in einer Phase der Summe der Werte der Ströme in den beiden anderen Phasen gleicht, sofern es sich um einen dreiphasigen Stator in Sternschaltung handelt.

Für ein Elektrofahrzeug muss die Steuerung im allgemeinen derart erfolgen, dass bei geringer Geschwindigkeit das vom Motor gelieferte Drehmoment im wesentlichen konstant ist, sodass beim Anfahren ein großes Drehmoment zur Verfügung steht, während bei höheren Geschwindigkeiten die Leistung konstant gehalten wird.

Ein Elektromotor zum Antrieb von Fahrzeugen mit einem außenliegenden Stator und einem innenliegenden drehbar gelagerten Rotor ist aus der DE 199 05 540 der Anmelderin bekannt. Der Elektromotor ist als Synchronmaschine ausgebildet, wobei der Rotor ein Kurzschlussläufer ist, der ein Rotorblechpaket und eine mit dem Rotorblechpaket drehfest verbundene Rotorwelle aufweist. Diese Rotorwelle ist in einer ersten Lagerung und in einer zweiten Lagerung drehbar im zugehörigen Gehäuse gelagert und mit einer Verzahnung versehen, über die sie mit dem Antriebsstrang des Fahrzeuges zusammen wirkt. Im Gehäuse ist ferner ein Statorblechpaket angeordnet, wobei das Rotorblechpaket durch einen geringen Luftspalt beabstandet radial innerhalb des Statorblechpakets liegt, welches von Metallstäben durchdrungen wird. Das Rotorblechpaket ist dabei auf einer runden hohlen Zwischenwelle angeordnet, wobei innerhalb der Zwischenwelle die Rotorwelle drehfest eingesetzt ist.

Derartige Synchronmaschinen sind vorwiegend hoch ausgenutzte Motoren, deren Wärmeentwicklung eine optimierte Kühlung verlangt. Ein besonderes Problem im Hinblick auf die Kühlung besteht dabei in der Lagerung der Rotorwelle und in deren Dichtungen.

Die von der Rotorwelle auf die Lager übertragenen Temperaturen können nämlich zu Beschädigungen an den Lagern führen und damit zum Ausfall der Maschine, da auf Grund zu hoher Temperaturen in der Motorwelle hohe Differenztemperaturen zwischen Lagerinnenring und Lageraußenring auftreten.

Um dieses Problem zu überwinden, wird in dieser Veröffentlichung vorgeschlagen, dass der Rotor hohl ausgebildet ist und dass in dem Bereich zwischen dem Rotorblechpaket und der Rotorwelle ein Kühlmedium hindurch geführt wird. Durch den verbesserten Transport des Kühlmediums wird die Lagerung der Maschine zuverlässig vor Beschädigungen durch unzulässig hohe Temperaturen geschützt.

Ein weiteres Problem beim Einsatz eines Synchronmotors in einem Kraftfahrzeug ist in dessen mechanischer Verbindung mit dem Antriebsstrang zu sehen, da derartige Maschinen sowohl als Außenläufermaschine als auch als Innenläufermaschine relativ aufwendige Konstruktionen sind. Bei der koaxialen Verbindung zweier Wellen für zwei verschiedene Bauteile in einem Kraftfahrzeug können nämlich radiale, axiale und winklige Verlagerungen der miteinander verbunden Wellen auftreten.

Um derartige Verlagerungen zum Beispiel beim Anbau einer Kupplung an den Antriebsmotor eines Kraftfahrzeuges zu vermeiden, ist es aus der DE 43 04 611 bekannt, eine Wellenkupplung mit wenigstens einem biegeelastischen Ausgleichselement in Form einer aus zwei in Serie geschalteten scheibenförmigen oder ringförmigen an ihren Außenumfangsbereichen lösbar miteinander verbundenen Membranen zu verwenden. Diese sogenannte Tandemmembran ist derart ausgestal tet, dass die in Axialrichtung der Kupplung parallel zueinander angeordneten Membranen an einem Außenumfangsbereich fest miteinander verbunden sind und mit ihrem jeweiligen Innenumfangsbereich an eines der beiden relativ zueinander verlagerbaren Bauteile angeschlossen sind. Wenigstens eine der beiden Membranen der Tandemmembran ist mittels einer axialverspannbaren Spannbuchsenanordnung an das zugehörige Bauteil angeschlossen.

Eine andere Anordnung zur Verbindung der Ausgangswelle eines Antriebsmotors für ein Kraftfahrzeug mit einer koaxial zur Ausgangswelle starr gelagerten Eingangswelle, die hierbei die Eingangswelle eines Getriebes ist, ist aus der DE 100 35 752 der Anmelderin bekannt. Dabei ist eine Zwischenwelle vorgesehen, die Winkelabweichungen zwischen den beiden koaxial gelagerten Wellen während des Betriebes des Kraftfahrzeuges ausgleicht, wobei das der Eingangswelle des Getriebes zugewandte Ende der Ausgangswelle des Antriebsmotors und das der Ausgangswelle des Antriebsmotors zugewandte Ende der Eingangswelle des Getriebes je mit einem ringförmigen Flansch versehen sind, zwischen denen die Zwischenwelle koaxial zur Ausgangswelle und zur Eingangswelle angeordnet ist. Die Zwischenwelle ist dabei einerseits mit dem Flansch der Ausgangswelle und andererseits mit dem Flansch der Eingangswelle über je eine flexible Membran verbunden.

Hierdurch können durch Konzentrizitäts- und Winkelabweichungen auftretende Fehler und Toleranzen ausgeglichen werden, wodurch die Lebensdauer der Verbindungsanordnung verlängert wird und die Geräuschentwicklung während des Betriebes des Fahrzeuges vermindert wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Synchronmaschine für den Anbau an einen Antriebsmotor mittels der herkömmlichen Getriebe-Anschlusstechnik derart auszugestalten, dass sie nach dem Anbau eine hohe Torsionssteifigkeit und eine hohe Biegesteifigkeit aufweist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen; vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Gemäss der Erfindung wird also vorgeschlagen, die Synchronmaschine in Form eines Generators als Einlager-Synchronmaschine mit zwei kraftführenden Strukturteilen auszuführen, wobei die beiden kraftführenden Strukturteile sind ein Gehäuseteil und das Läuferteil. Hierbei wird das Läuferteil im Maschinengehäuse zentrisch abgestützt, wodurch die Auflagerkraft am Kurbelwellensystem minimiert bzw. im Schwerpunkt aufgehoben wird.

Die Einlagerabstützung ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf die Zugänglichkeit der Anschlusstechnik zum Generatorgehäuse und zum Stator, wobei die Positionierung und die Dimension des Lagers in weiten Bereichen frei wählbar sind. Ferner wird der Vorteil erzielt, dass im Schwerpunkt die Auflagerkraft an der Motorwelle auf Null reduziert wird. Durch die mittige Anordnung des Lagers wird auch die Beibehaltung des erforderlichen minimalen Luftspaltes gewährleistet.

Neben den bereits erwähnten hohen Torsions- und Biegesteifigkeiten wird auch eine große Oberfläche ermöglicht, die zu einer besseren Innenumluftkühlung beiträgt. Trotzdem weist die Synchronmaschine, die sowohl als Innenläufermaschine als auch als Außenläufermaschine ausgebildet sein kann, ein geringes Gewicht auf und kann kostengünstig gefertigt und montiert werden.

Im Folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert, wobei in der einzigen Figur ein Axialschnitt durch eine erfindungsgemäß ausgestaltete Synchronmaschine dargestellt ist.
Da Synchronmaschinen dem Fachmann geläufig sind, werden im Folgenden nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Bauteile erläutert.
Die als Generator ausgebildete Synchronmaschine ist in herkömmlicher Getriebe-Anschlusstechnik über ihren Läufer 14 mit der Kurbelwelle 1 eines (nicht dargestellten) Verbrennungsmotors und über eine Membran 3 mit dessen Schwungrad 2 verbunden. Mit 4 ist das Gehäuseteil des Generators bezeichnet, mit 5 ein Spannring, mit 6 Magnete, mit 7 Blechpakete, mit 8 ein Rotor, mit 9 ein Zuganker, mit 10 Rippen, mit 11 ein Durchbruch für die Innenumluftkühlung und mit 13 Spannschrauben.
Der Läufer ist über eine zentrische Abstützung 12 im Gehäuseteil 4 gelagert, wodurch die Auflagerkraft am Zapfen der Kurbelwelle 1 minimiert werden kann und im Schwerpunkt sogar aufgehoben ist.
Wie aus der Zeichnung ersichtlich, weist der Generator nur zwei kraftführende Strukturteile auf, nämlich das Gehäuse 4 und den durch den Rotor 8 gebildeten Läufer 14. Die zentrische Abstützung des Läufers 14 durch das einfache Lager 12 ermöglicht einen problemlosen Zugang zum Kühlmittelanschluss und zu den Leitungskabeln, sodass der Innenraum des Generators für die Anschlusstechnik nutzbar ist.
Wie bereits erwähnt, kann die Dimensionierung und die Positionierung des Einfachlagers 12 in weiten Bereichen frei gewählt werden, sodass bei entsprechender Auswahl dieser Werte im Schwerpunkt die Auflagerkraft an der Motorwelle entfällt.
Die durch das Einfachlager 12 bereits erzielbare hohe Torsionssteifigkeit und die ebenfalls hohe Biegesteifigkeit lassen sich noch durch das Vorsehen von entsprechenden Rippen verstärken.
Es sei betont, dass sich die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Synchronmaschine mit ihrem Einfachlager 12 sowohl für Außenläufermaschinen als auch für Innenläufermaschinen eignet.

1: Kurbelwelle
2: Schwungrad
3: Membran
4: Gehäuse
5: Spannring
6: Magnete
7: Blechpakete
8: Rotor
9: Zuganker
10: Rippen
11: Durchbruch für Innenraumkühlung
12: Einfachlager
13: Spannschraube
14: Läufer

Claims

Synchronmaschine in Form eines Generators für den Anbau an den Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, wobei die Synchronmaschine ein Gehäuse (4) und einen von einem Rotor (8) gebildeten Läufer (14) als kraftführende Strukturteile aufweist und in herkömmlicher Getriebeanschlusstechnik über eine Membran (3) mit dem Schwungrad (2) und über einen Zapfen mit der Kurbelwelle (1) des Verbrennungsmotors verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Rotor (8) gebildete Läufer (14) zentrisch mittels eines Einfachlagers (12) derart abgestützt ist, dass die Auflagerkraft am mit der Kurbelwelle (1) verbundenen Zapfen vermindert, bzw. im Schwerpunkt aufgehoben ist.
Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronmaschine eine Außenläufermaschine ist.
Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronmaschine eine Innenläufermaschine ist.