DE19935074A1

DE19935074A1 - Elektrische Maschine, insbesondere Drehstromgenerator

Info

Publication number: DE19935074A1
Application number: DE19935074A
Authority: DE
Inventors: Walter Kohl; Alexander Shendi; Hans-Peter Groeter; Istvan Ragaly
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-07-30
Filing date: 1999-07-28
Publication date: 2000-02-03
Also published as: EP1042857A1; US6333581B1; JP2002522002A; BR9906656A; AU6186799A; WO2000007283A1; AU749734B2

Abstract

Die elektrische Maschine, insbesondere ein Drehstromgenerator, weist einen in einem Gehäuse (10) befestigten Ständer (21) mit einem auf einer Welle (13) befestigten Klauenpolläufer (23) mit einer Erregerwicklung (28) auf. Zwischen dem Klauenpolläufer und einem das Gehäuse verschließenden Lagerschild (17) befindet sich ein elektrischer Übertrager (29) für die Erregung der Erregerwicklung (28). Die Primärwicklung (30) ist mit dem Kern (36, 41, 47) am Lagerschild (17) angeordnet. Primär- und Sekundärwicklung (30, 31) des Übertragers (29) sind zwischen Lagerschild (17) und Klauenpolläufersystem (23) angeordnet, wobei die Primärwicklung (30) in einem stationären Kern (36, 41, 47) und die Sekundärwicklung (31) in einem rotierenden Kern (35, 42, 48) angeordnet ist, die über einen Luftspalt (38) gekoppelt ist.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Maschine, insbesondere einem Drehstromgenerator, nach dem Oberbegriff der Hauptanspruchs. Eine derartige Maschine ist beispielsweise bekannt aus der US-PS 3,522,520. Hier ist die Energiezufuhr zum Erregersystem als rotierender Übertrager sehr kompakt ausgebildet, d. h. die Primär- und Sekundärwicklung des Übertragers befinden sich in massiven Stator- und Rotorteilen, wodurch jedoch das Gewicht dieses Erregersystems verhältnismäßig groß wird, was insbesondere dann, wenn der Drehstromgenerator in einem Kraftfahrzeug eingebaut ist, von Nachteil ist.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß der Übertrager für das Erregersystem sehr kompakt baut und leicht ist, daß eine Verringerung der Streuinduktivität und vor allem eine Optimierung des magnetischen Kreises bzw. Verringerung der Kosten durch verschiedene, weichmagnetische Materialien im rotierenden und stillstehenden Joch erreicht wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnung.

Zeichnung

Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 einen Schnitt durch einen sogenannten Klauenpolgenerator, in den

Fig. 2a bis 2d Ausführungen des Übertragerkerns, in den

Fig. 3a und 3b Ausführungsformen der Übertragerwicklung, in

Fig. 4 eine Schaltung der Wechselrichter- und der Gleichrichterbrücke des Übertragers, primär- und sekundärseitig in den

Fig. 5a bis 5d Befestigungs-Varianten für die Dioden im Läufer, in

Fig. 6 einen Halbschnitt durch einen Klauenpolgenerator in einer geringfügigen Abwandlung desjenigen nach Fig. 1.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der Generator nach Fig. 1 weist ein etwa topfförmiges Gehäuse 10 auf, an dessen Boden eine Nabe 11 angeformt ist, welche ein Kugellager 12 aufnimmt, in welchem das innenliegende Ende einer Welle 13 gelagert ist. Ihr anderes Ende ist in einem Kugellager 14 gelagert, welches in einer Nabe 16 eines das Gehäuse antriebsseitig verschließenden Lagerschilds 17 angeordnet ist. Auf dem Lagerschild ist nach außen hin ein Kühlkörper 18 eines nicht näher dargestellten Brückengleichrichters sowie ein Regler 19 in an sich bekannter Weise angeordnet. Das ganze ist durch einen Lagerdeckel 20 verschlossen. Im Gehäuse 10 ist ein Ständer 21 mit einer Drehstromwicklung angeordnet.

Etwa in der Mitte des Gehäuses 10 und dessen Innerem ist auf der Welle 13 ein an sich bekanntes, sogenanntes Klauenpolläufersystem 23 angeordnet, mit einer als Polradhälfte ausgebildeten, in Klauen 24 auslaufenden, auf der Welle 13 befestigten ersten Polplatine 25 und einer in Klauen 26 auslaufenden zweiten Polplatine 27 als weitere Polradhälfte, wobei sich jeweils die Spitzen der Klauen 24 der einen Polplatine in die Lücken zwischen die Klauen 26 der anderen Polplatine erstrecken. Die Klauen 24 und 26 verlaufen im wesentlichen parallel zur Längsachse der Weile 13. Zwischen den Klauen des Klauenpolläufersystems 23 ist eine Erregerwicklung 28 auf einem Polkern 32 angeordnet, der ebenfalls auf der Welle 13 festsitzt.

Zur Energieversorgung des Erregersystems des Generators ist ein Übertrager 29 vorgesehen, der eine außenliegende, ringförmige Primärwicklung 30 auf einem weichmagnetischem Kern 36 und konzentrisch dazu eine innenliegende ebenfalls ringförmige Sekundärwicklung 31 auf einem weiteren weichmagnetischen Kern 35 aufweist, die in derselben Ebene liegen, welche senkrecht zur Längsachse der Welle 13 verläuft, wobei der innenliegende Kern 35 auf einer Wellenhülse 37 befestigt ist, die magnetisch unwirksam auf der Welle 13 festsitzt. Der außenliegende Kern 36 und seine Wicklung 30 sind in einem unmagnetischen Haltering 39 innen am Lagerschild 17 festgeschraubt. Die Teile des Übertragers 29 sind erfindungswesentlich und es wird nun näher auf sie eingegangen.

Wie insbesondere die Fig. 2a bis 2d zeigen, liegen die Primärwicklung 30 und die Sekundärwicklung 31 in den ringförmigen, sogenannten Kernen 35, 36, welche zwischen der Polplatine 27 und dem Lagerdeckel 17 angeordnet sind. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2a ist der innere, im Querschnitt U-förmige Kern 35 drehfest auf der Welle 13, z. B. auf der die Welle 13 umgebenden und mit ihr rotierenden Hülse 37, angeordnet. In ihm liegt die rotierende Sekundärwicklung 31, während der äußere, im Querschnitt ebenfalls U-förmige Kern 36 mit der Primärwicklung 30 feststeht. Zwischen den Schenkeln der beiden Kerne ist ein radialer, vom magnetischen Wechselfeld des Übertragers 29 durchsetzter Luftspalt 38 gebildet. Zusätzlich ist der feststehende, außenliegende Kern 36 durch den Haltering 39 festgehalten, der im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 mit dem Lagerdeckel 17 verschraubt ist.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2b sind die Kerne - nunmehr bezeichnet mit 41, 42 - axial nebeneinander angeordnet mit ebenfalls axialem Luftspalt 43. Die Kerne haben wieder U-förmigen Querschnitt, wobei die beiden offenen Seiten einander zugewandt sind. Der Kern 41 mit der Primärwicklung 30 ist wiederum mit dem Lagerschild 17 fest verbunden, vorzugsweise verschraubt. Bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 2c und 2d sind die Kerne 35 und 36 L-förmig ausgebildet, konzentrisch übereinander angeordnet und mit axialem Luftspalt 38a bzw. 38b versehen. Die Kerne 35 und 36 bestehen jeweils aus weichmagnetischem, für hohe Frequenzen geeigneten Material, insbesondere für den Einsatz in einem durch Flüssigkeit gekühlten Generator. Es sei noch bemerkt, daß das Beispiel nach Fig. 2c mit den L-förmigen Kernen 35 und 36 den Vorteil der Verwendung vorgefertigter Wicklungen 30, 31 bzw. der leichteren Wickelbarkeit der Wicklungen 30, 31. Das Beispiel nach Fig. 2d hat den Vorteil eines verringerten magnetischen Widerstandes, da die Oberfläche des Luftspalts 38b durch den vergrößerten Durchmesser vergrößert ist.

Es sei auch noch darauf hingewiesen, daß sowohl der rotierende wie auch der stillstehende Kern 35 bzw. 36 vorteilhafterweise aus verschiedenem Material bestehen; das heißt, daß der stillstehende Kern 36 insbesondere aus verlustarmem Preßmaterial hoher magnetischer Güte aber geringer Festigkeit und der rotierende Kern aus einem Material mit höherer Festigkeit, aber schlechteren magnetischen Eigenschaften, z. B. Ferrit besteht.

Die Primärwicklung und die Sekundärwicklung können aus Einzeldrähten nach Fig. 3a bestehen oder auch aus Bandmaterial nach Fig. 3b, um die Streuinduktivität klein zu halten. Dabei werden eine Isolierfolie 31a und eine elektrisch leitende Folie 31b übereinanderliegend auf den Kern 35 aufgewickelt.

Die elektrische Ansteuerung der Primärwicklung 30 erfolgt mit einer geregelten Wechselspannung über einen Wechselrichter 44 mit ansteuerbaren Halbleitern 45 einer sogenannten H-Brücke. Auf der Sekundärseite (Sekundärwicklung 31) erfolgt eine Gleichrichtung über eine sogenannte Zweiweg-Gleichrichter-Schaltung nach Fig. 4a oder über eine Gleichrichter-Brücken-Schaltung nach Fig. 4b. Die Sekundärwicklung 31 ist mit der Erregerwicklung 28 elektrisch leitend verbunden. Der Übertrager 29 überträgt somit eine Erregerleistung auf die Erregerwicklung 28.

In an sich bekannter Weise wird bei laufendem Generator die Ausgangsspannung von dem Regler 19 abgefühlt und in Abhängigkeit von der Belastung des Generators wird der Wechselrichter 44 mit einer vorgegebenen Frequenz derart angesteuert, daß der Übertrager 29 einen mit zunehmender Last zunehmenden Erregerstrom über den sekundärseitigen Gleichrichter durch die Erregerwicklung 28 fließen läßt.

Im Hinblick auf Fig. 5 werden Alternativen für die Anordnung und Befestigung der rotierenden Dioden bzw. des Gleichrichtermoduls aufgezeigt. So z. B. die Verankerung an der Platine 27 des Läufers nach Fig. 5a, die Befestigung im Spulenkörper unter der Sekundärwicklung nach Beispiel 5b, die Verankerung in einer auf der Welle aufgebrachten Hülse nach Abb. 5c und die Befestigung in einer Aussparung des Übertragungsmaterials nach Fig. 5d.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 ist anders als in Fig. 1 der innenliegende Kern 47 stationär am Lagerschild 17 angeordnet und befestigt, während der äußere Kern 48 mit der Polplatine 27 rotierend angeordnet ist. Die außenliegende Sekundärwicklung 31A rotiert, die innenliegende Primärwicklung 30A ist stationär. Hier ist folglich der rotierende Kern 48 in einem Haltering 46 aufgenommen, der an der Stirnseite der Polplatine 27 befestigt ist.

Durch die geschilderten Maßnahmen wird das Kernmaterial des Übertragers 29 bei den insbesondere in Kraftfahrzeug- Generatoren auftretenden hohen Fliehkraftbeanspruchungen nur auf Druck beansprucht. Zusätzlich bietet diese Anordnung den Vorteil, daß bei einer Schädigung der Kerne keine Bruchstücke in den Generatorinnenraum gelangen können.

Claims

1. Elektrische Maschine, insbesondere Drehstromgenerator, mit einem in einem Gehäuse befestigten Ständer (21) , mit einem auf einer Welle (13) befestigten Klauenpolläufer (23) mit einer Erregerwicklung (28) , und mit einem sich seitlich an den Klauenpolläufer (23) anschließenden Übertrager 29 mit primär- und Sekundärwicklung (30; 31), die jeweils auf einem Kern (36, 41, 47; 35, 42, 48) aus weichmagnetischem Material angeordnet und über einen Luftspalt (38) magnetisch miteinander gekoppelt sind, wobei der Übertrager (29) eine Erregerleistung auf die Erregerwicklung (28) überträgt, wobei der Übertrager (29) zwischen dem Klauenpolläufer (23) und einem das Gehäuse (10) des Drehstromgenerators abschließenden Lagerschild (17) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (30) mit dem zugehörigen stationären Kern (36, 41, 47) am Lagerschild angeordnet ist.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die Primärwicklung (30) aufnehmende stationäre Kern (36) radial außen liegt, während der die Sekundärwicklung (31) aufnehmende, radial innen liegende Kern (35) mit der Welle (13) rotierend angeordnet ist.

3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der stationäre Kern (36) und der rotierende Kern (35) U-förmigen Querschnitt aufweisen und zwischen den Schenkelenden ein Luftspalt (38) ausgebildet ist.

4. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der rotierende wie auch der stationäre Kern (36, 35) L-förmigen Querschnitt aufweisen und daß zwischen Primär- und Sekundärwicklung (30, 31) beidseitig je ein Luftspalt (38a, 38b) gebildet ist.

5. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der stationäre und der rotierende Kern (41, 42) U-förmigen Querschnitt aufweisen und axial nebeneinanderliegend angeordnet sind.

6. Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der rotierende Kern (35, 42) und der stationäre Kern (36, 41) aus unterschiedlichen Materialien bestehen.

7. Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der stationäre Kern (36, 41) aus verlustarmem Material, insbesondere Sintermaterial oder Pulvermetall, hoher magnetischer Güte aber geringerer Festigkeit als der rotierende Kern (35, 42) besteht.

8. Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der rotierende Kern (35, 42) aus einem Werkstoff mit hoher Festigkeit, aber schlechteren magnetischen Eigenschaften als der stationäre Kern (36, 41) besteht, insbesondere aus Ferrit.

9. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Primär- und Sekundärwicklung (30, 31) aus Bandmaterial bestehen.

10. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung der Primärwicklung (36) des Übertragers (29) über einen Wechselrichter (44) erfolgt, während eine Gleichrichtung des Wechselstroms in der Sekundärwicklung (31) über eine Gleichrichter- Schaltung, vorzugsweise eine Gleichrichter- Brückenschaltung erfolgt.

11. Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der rotierende Kern (35) auf einer auf der Welle (13) angeordneten Hülse (37) gelagert ist.

12. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der stationäre Kern (47) radial innenliegend, der rotierende Kern (48) radial außenliegend und in derselben Ebene wie das stationäre Kern (47) angeordnet ist.

13. Maschine nach einem der Ansprüche 2 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der außenliegende Kern (36, 48) in einem Haltering (39, 46) aufgenommen ist.

14. Maschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der außenliegende Kern (48) mit dem Klauenpolläufer (23) rotiert, wobei der Haltering (46) am Klauenpolläufer (23), vorzugsweise an seiner Stirnseite, befestigt ist.