DE4139843C2

DE4139843C2 - Elektrische Maschine und deren Anwendung zum Fahrzeugbetrieb

Info

Publication number: DE4139843C2
Application number: DE19914139843
Authority: DE
Inventors: Albert Mutter
Original assignee: Individual
Current assignee: FICHT, REINHOLD, 85614 KIRCHSEEON, DE
Priority date: 1991-12-03
Filing date: 1991-12-03
Publication date: 1998-12-24
Anticipated expiration: 2011-12-04
Also published as: DE4139843C1

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine gemäß dem Ober begriff des Anspruchs 1.

Eine derartige elektrische Maschine ist aus der DE-OS 14 88 353 bekannt. Diese elektrische Maschine ist eine permanentmagnet erregte Maschine mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Rotor Permanentmagnete aufweist, die in den Statorwicklungen entlang jeweils eines Nutzflußpfades einen Strom induzieren. Parallel zu den Nutzflußpfaden sind im Rotor Nebenschlußpfade ausgebildet, die durch eine ruhende Wicklung mit einem Magnet fluß gespeist werden, so daß die Durchflutung im Nutzflußpfad verstärkt bzw. geschwächt werden kann.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine zu schaffen, die mit einem hohen Wirkungs grad sowohl als Elektromotor als auch als Generator arbeiten kann und bei der ferner die umgewandelte Leistung in einem großen Leistungsbereich steuerbar ist, wobei nur eine geringe Steuerleistung benötigt wird.

Diese Aufgabe wird mit einer Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekenn zeichnet.

Der Rotor der erfindungsgemäßen elektrischen Ma schine besteht aus Dynamoblechen, obwohl er im Um laufzustand hauptsächlich nur einen zeitlich konstanten Magnetfluß führt. Auf der statorseitigen Oberfläche des Rotors unterliegt das Material jedoch gewissen Fluß schwankungen, die von der Flußkonzentration auf die schnell vorüberziehenden Statornuten herrühren. Durch die Ausbildung als Dynamoblech-Paket werden die hierdurch bedingten Oberflächenverluste stark ver ringert. Darüber hinaus hat die Ausbildung als Dynamo blech-Paket noch den fertigungstechnischen Vorteil, daß die elektrische Maschine wirtschaftlich herstellbar ist.

Wird eine solche elektrische Maschine als Synchron- Generator zur Stromerzeugung benutzt, so wird der permanentmagnetisch erregte Rotor angetrieben und in Umlauf gesetzt, wodurch in der Induktionswicklung des Stators ein Strom hervorgerufen wird. Bei einer drei phasigen Induktionswicklung des Stators wird ein Dreh strom erzeugt, der in einer Dreiphasen-Gleichrichter brücke in Gleichstrom umgewandelt werden kann.

Beim Betrieb des Synchron-Generators in einem lo kalen Gleichstrom-Niederspannungs-Netz mit Puffer batterie, beispielsweise im Bordnetz eines Fahrzeugs, kann eine elektronische Regeleinrichtung der Überwa chung des Ladezustands der Pufferbatterie und der Auslösung geeigneter Reaktionen auf den jeweiligen variablen Leistungsbedarf in dem gespeisten Gleich strom-Netz dienen. Zur Regelung kann die Drehzahl des Generators dienen, die jedoch nur träge veränder bar ist. Deshalb wird die Regelungsmöglichkeit durch die Erregerwicklungen des Rotors im Wellennabenbe reich um stegartig radialgerichtete Kerne vorgeschla gen. Diese sind über Schleifringe gleichstromgespeist und können je nach Stromrichtung und Stromstärke die Grunderregung aus den quaderartigen Permanentma gneten verstärken oder verringern. Hierdurch ist die Leistung regelbar.

Ferner ist die Zusatzerregung in der Lage, dem ma gnetfeldschwächenden Einfluß der sogenannten Anker- Rückwirkung bei Belastung des Generators entgegen zuwirken, wodurch sich der Wirkungsgrad nochmals verbessert.

Die quaderartige Gestalt der Permanentmagnete hat den Vorteil der fertigungstechnisch günstigen und paß genauen Herstellbarkeit. Diese können zudem auf ein fachste Weise komplett vormagnetisiert werden.

Wenn der äußere Krümmungsradius der Außenradi usflächen der Polzähne gleich dem halben Rotoraußen durchmesser ist, hat der Luftspalt zwischen Rotor und Stator eine konstante Breite. In diesem Fall ergibt sich der geringste Leistungsverlust und der höchste Wir kungsgrad, aber im Generatorbetrieb nur ein angenä hert sinusförmiger, stark getreppter zeitlicher Verlauf des erzeugten Stromes, was jedoch durch einen höheren elektronischen Aufwand kompensierbar ist. In dieser Ausbildung erfordert das Dynamoblech-Paket des Ro tors den geringsten fertigungstechnischen Aufwand.

Ist dagegen der äußere Krümmungsradius kleiner als der halbe Rotoraußendurchmesser, so ergibt sich durch diese besondere Form der Polzähne an der luftspaltsei tigen Oberfläche eine sich ändernde Luftspaltbreite, die bei einer entsprechend konzipierten Krümmung den magnetischen Leitwert des Luftspaltes auf Kosten et was höherer Leistungsverluste so bestimmen, daß das im Luftspalt entstehende Magnetfeld weitgehend einem sinusförmigen Verlauf angenähert wird. Der daraus re sultierende sinusförmige Wechselstrom verringert die an eine nachgeschaltete Gleichrichterschaltung zu stel lenden Anforderungen.

Die erfindungsgemäße Ausbildung ist darin zu sehen, daß die Wurzeln der Polzähne in ihrem im Be reich der Erregerwicklungen des Rotors liegenden Übergangsbereich auf die Kerne einen Isthmus aufwei sen. Es ist nämlich erwünscht, daß das erzielte magne tische Potential eines Polzahns vorwiegend den Nutz fluß durch den Luftspalt treibt und nicht durch einen Leckpfad an der Wurzel des Polzahns, die unter Einhal tung einer ausreichenden mechanischen Festigkeit so schmal wie möglich sein sollte. Die Wurzeln der Polzäh ne sind daher als magnetischer Isthmus ausgebildet, der durch die Permanentmagnete und die Erregerwicklun gen so weit in die magnetische Sättigung getrieben ist, daß außer einem begrenzten Leckfluß ins Joch kein wei terer Magnetflußverlust eintreten kann.

Wenn die von den Erregerwicklungen des Rotors stammenden Durchflutungen der Bereiche zwischen den Kernen im gleichen Sinne wie die quaderartigen Permanentmagnete wirken, so bewirken sie durch die zusätzliche Belastung des Isthmus mit Durchflutungen eine Verringerung des Isthmus-Leckverlustes und eine Erhöhung des Nutzflusses. Im entgegengesetzten Fall wird der Isthmus aus der Sättigung genommen und die von den Erregerwicklungen des Rotors herrührende Er regung kann den Nutzfluß abschwächen. Auf diese Wei se kann durch die Veränderung von Richtung und Stär ke der elektrischen Erregung durch die Erregerwick lung des Rotors die Leistung in einem sehr weiten Be reich nach oben und nach unten variiert werden.

Aufgrund ihrer kompakten Bauweise und ihrer regel baren Leistung ist die erfindungsgemäße elektrische Maschine vorteilhaft in einem Fahrzeug als Stromer zeuger zum Aufladen von Batterien oder wahlweise als Antriebsmotor verwendbar.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung wird eine elektrische Maschine geschaffen, die sehr kompakt und wenig raumaufwendig ist und sich somit insbesondere für die Verwendung in Fahrzeugen eignet. Sie weist einen hohen Wirkungsgrad auf und kann sowohl als Elektromotor als auch als Generator dienen. Sie ist mit geringem Material- und Fertigungsaufwand herstellbar, und ferner ist die umgewandelte Leistung in einem ho hen Maße nach oben und nach unten steuerbar.

In einem funktionserprobten Prototyp betrug bei ei nem Statoraußendurchmesser von 320 mm, einem Sta tor-Innendurchmesser von 200 mm, einer Dicke des Dy namoblech-Pakets von 50 mm und bei einem Rotor-Au ßendurchmesser von 198 mm mit einem Luftspalt von 1 mm und bei einer Drehzahl von 3000 U/min und zwölf Polzähnen, d. h. einer Drehstromfrequenz von 300 Hz, die Generatorleistung 20 kVA. Wegen der hohen Fre quenz waren die Dynamo-Bleche des Stators aus hoch wertigem, 0,5 mm dicken Material mit geringen magne tischen Verlusten. Die Dynamobleche des Rotors waren 0,65 mm dick und aus geringwertigem Material. Der äu ßere Krümmungsradius des Außenradiusflächen der Polzähne betrug 54 mm. Der Winkel der Abschrägun gen der Stege war 10°. Das gemeinsame Joch der Kerne hatte einen Außendurchmesser von 72 mm und der Durchmesser der Welle war 50 mm. Die Breite der Ker ne betrug 10 mm und ihre Länge 20 mm. Der Isthmus hatte eine Breite von 4,86 mm und die Luftspaltöffnun gen waren 10 mm breit. Die Radialerstreckung der qua derartigen Permanentmagnete betrug 40 mm, ihre Brei te 24 mm und ihre Dicke 50 mm. Sie bestanden aus Hartferrit 30/26 nach DIN 17 410 mit einer größten re manenten Energiedichte von 31,5 kJ/m³, einer Rema nenz von 405 mT, einer Koerzitiv-Feldstärke BHc von 260 kA/m, einer relativen Permeabilität von 1,10 und einer maximalen Einsatztemperatur von 250°C. Die Lei stung war mittels der Erregerwicklungen des Rotors um ±/30% regelbar.

Die folgenden Ausführungsbeispiele der Erfindung lassen weitere vorteilhafte Merkmale und Besonderhei ten erkennen, die anhand der Darstellung in den Zeich nungen im folgenden näher beschrieben und erläutert sind.

Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht einer elektrischen Maschine nach der Endung,

Fig. 2 eine Einzelheit des Rotors der Fig. 1,

Fig. 3 eine Abwandlung zu Fig. 2,

Fig. 4 eine Ansicht des Rotorblechs nach der Ausbil dung gemäß Fig. 3,

Fig. 5 die Beschaltung der ersten Statorwicklung,

Fig. 6 die Beschaltung der zweiten Statorwicklung,

Fig. 7 die Beschaltung der dritten Statorwicklung,

Fig. 8 die Beschaltung der Erregerwicklungen des Rotors und

Fig. 9 eine Prinzipskizze der elektrischen Maschine in einem Fahrzeug.

Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht einer elektrischen Ma schine nach der Erfindung. Der Stator (2) hat den Au ßendurchmesser Da und den Innendurchmesser Di. Er weist 36 Statornuten (201, 202 ..., 236) auf, in welche die Statorwicklungen (7) eingelassen sind. Durch das Zentrum des Stators (2) verläuft die Welle (3), die den Rotor (1) trägt. Der Rotor (1) weist 12 Polzähne (15) auf, die sich an im Wellennabenbereich des Rotors (1) auf einem gemeinsamen Joch (30) angeordnete Kerne (6) anschließen. Zwischen Rotoraußenumfang (9) und dem Stator (2) ist ein Luftspalt (16). Die Luftspaltöffnungen (14) zwischen den Außenradiusflächen der Polzähne (15) sind beiderseits von Stegen (15) begrenzt. Die Pol zähne (15) weisen Ausnehmungen (10) auf, in die zwölf radial gerichtete quaderartige Permanentmagnete (13) eingesetzt sind. Um die Kerne (6) sind zwölf Erreger wicklungen (5) des Rotors (1) angeordnet. Es sind nur drei quaderartige Permanentmagnete (13) und nur vier Erregerwicklungen (5) dargestellt. Die aufeinander zu gewandten Polflächen jeweils zweier benachbarter qua derartiger Permanentmagnete (13) sind magnetisch gleichpolige Nordpole N oder Südpole S, und die Feld richtung der quaderartigen Permanentmagnete (13) ist parallel zur Umlaufrichtung.

In Fig. 2 sind in einer Einzelheit zu Fig. 1 die Polzähne (15) mit den Kernen (6) dargestellt. Die Kerne haben die Breite k und die Breite des Isthmus (22) an der Wurzel der Polzähne (15) ist i. Die quaderartigen Permanentma gnete (13) von der Breite m werden in die Ausnehmun gen (10) von der Radialerstreckung L eingesetzt.

Die Luftspaltöffnungen (14) haben die Breite b. Die Stege (18) weisen in Richtung zu den Luftspaltöffnun gen (14) gegenüber den zu den Polstrahlen (19) recht winklig verlaufenden äußeren Begrenzungsflächen (20) der Ausnehmungen (10) unter spitzen Winkeln α nach außen zum Rotoraußenumfang (9) geneigte Abschrä gungen (21) auf. Der Krümmungsradius Kr der Außen flächen der Polzähne (15) ist kleiner als der halbe Rotor außendurchmesser d.

Fig. 3 zeigt die Polzähne der Fig. 2 in einer abgewan delten Ausbildung mit einem Krümmungsradius Kr der Außenflächen, der gleich dem halben Rotoraußendurch messer d ist.

In Fig. 4 ist die gesamte Seitenansicht eines Dynamo bleches mit zwölf Polzähnen gemäß Fig. 3 dargestellt. Mit d ist der Rotoraußendurchmesser bezeichnet, das Joch (30) hat den Außendurchmesser Ja und den Innen durchmesser Ji. Die Polzähne (15) und das Joch (30) weisen Befestigungslöcher (23) für den Zusammenbau des Dynamoblech-Pakets (12) auf.

Die Fig. 5, 6 und 7 veranschaulichen für den Stator (2) mit sechsunddreißig Statornuten (201, 202, 203, ..., 236) die Beschaltung der Statorwicklungen (7).

In Fig. 8 ist die Beschaltung der zwölf Erregerwick lungen (5) des Rotors (1), die in der Umfangsreihenfolge mit (101, 102, 103, ..., 112) bezeichnet sind, dargestellt.

Die Fig. 9 zeigt ein Anwendungsbeispiel der elektri schen Maschine in dem Gleichstrom-Niederspannungs netz mit Pufferbatterie (17) eines Fahrzeugs. Das Fahr zeug weist eine Brennkraftmaschine (40) auf, die über eine Kraftübertragung (41) und Differential (42) die An triebsräder (43) antreibt. Mit der Kraftübertragung ist ferner die elektrische Maschine mit den Erregerwick lungen (5) des Rotors (1) und den Statorwicklungen (7) verbunden. In der Kraftübertragung (41) sind eine erste und zweite Kupplung (44, 45) sowie ein Schaltgetriebe (46) angeordnet. Eine nicht dargestellte elektronische Regeleinrichtung überwacht den Ladezustand der Puf ferbatterie (17) und den Leistungsbedarf in dem gespei sten Gleichstromnetz und regelt die Gleichstromspei sung der Erregerwicklungen (5). Im Generatorbetrieb wird über die drei Phasen U, V, W des Stators ein Netto strom entnommen, im Motorbetrieb wird ein Netto strom zugeführt.

Wird im Generatorbetrieb das Fahrzeug mit der Ver brennungskraftmaschine angetrieben, so ist die erste Kupplung (44) ständig geschlossen und die zweite Kupplung (45) wird beim Anfahren geschlossen. Die elektrische Maschine liefert Strom, der in das Gleich spannungsnetz gespeist werden und zur Aufladung der Pufferbatterie (17) dienen kann. Beim Antrieb des Fahr zeugs im Motorbetrieb mit der elektrischen Maschine wird der Pufferbatterie (17) Strom entnommen. Die er ste Kupplung (44) ist ständig geöffnet und die zweite Kupplung (45) wird beim Anfahren geschlossen. Sowohl im Generator- als auch im Motorbetrieb kann bei der Abbremsung des Fahrzeugs die elektrische Maschine als stromerzeugender Generator dienen, wodurch zu mindest ein Teil der Bewegungsenergie des Fahrzeugs als elektrische Energie zurückgewonnen und in der Puf ferbatterie (17) gespeichert werden kann.

Bezugszeichenliste

1

Rotor

2

Stator

3

Welle

4

Wellennabenbereich

5

Erregerwicklung,

6

Kern

7

Statorwicklung

8

Statornut

9

Rotoraußenumfang

10

Ausnehmung

12

Dynamoblech-Paket

13

quadera. Permanentmagnet

14

Luftspaltöffnung

15

Polzahn

16

Luftspalt

17

Pufferbatterie

18

Steg

19

Polstrahl

20

Begrenzungsfläche zu

10

21

Abschrägung

22

Isthmus

23

Montageloch

30

Joch

40

Brennkraftmaschine

41

Kraftübertragung

42

Differential

43

Antriebsrad

44

erste Kupplung

45

zweite Kupplung

46

Schaltgetriebe

101-112

Erregerwicklungen

241-236

Statoren
αspitzer Winkel
mBreite zu

13

LRadialerstreckung zu

13

bBreite zu

14

KrKrümmungsradius zu

18

dRotoraußendurchmesser
NNordpol
SSüdpol
DaStatoraußendurchmesser
DiStatorinnendurchmesser
iBreite zu

22

kBreite zu b
JaJochenaußendurchmesser
JiJocheninnendurchmesser

Claims

1. Elektrische Maschine mit einem Stator (2) und einem mit Permanentmagneten (13) versehenen Rotor (1), und mit zumindest einer Erregerwicklung (5), wobei für die Permanent magnete (13) ein magnetischer Nebenschluß vorgesehen ist, der derart bemessen ist, daß durch das verbleibende magne tische Nutzfeld eine Grunderregung sichergestellt ist und daß durch die Erregerwicklung (5) diese Grunderregung bei Bedarf verstärkt oder geschwächt werden kann, wobei der Rotor (1) einzeln vorragende Polzähne (15) aufweist, die jeweils einen Pol bilden, und zwischen den Polzähnen (15) die Permanentmagnete (13) angeordnet und bezogen auf den Rotor (1) tangential magnetisiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß der als Schleifringläufer ausgebildete Rotor (1) aus einem geschichteten Blechpaket aus Dynamoblech ausgebildet ist, daß jeder Polzahn (15) sich an einen in einem Wellen nabenbereich des Rotors (1) auf einem gemeinsamen Joch (30) angeordneten Kern (6) anschließt, daß jeweils eine Erregerwicklung im radial inneren Bereich des Rotors (1) auf jedem Kern (6) angeordnet ist, und daß im Nebenschluß ein Isthmus (22) an der Wurzel des Polzahns (15) ausgebildet ist, der so weit in die magnetische Sättigung getrieben ist, daß das magnetische Potential vorwiegend durch einen Luftspalt (16) zwischen Rotor (1) und Stator (2) getrieben wird.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (13) quader artig ausgebildet sind und die Polzähne (15) Ausnehmungen (10) zur Aufnahme der Permanentmagnete (13) bilden.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Nut am Rotorumfang (9) in einem Schlitz (14) endet, dessen sich in Umfangs richtung erstreckende Breite (b) sich zur Radialer streckung (1) der quaderartigen Permanentmagnete (13) etwa wie 1 : 2 bis 1 : 6 verhält.

4. Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutschlitze (14) beider seits von Stegen (18) der Polzähne (15) begrenzt sind.

5. Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (18) gegenüber den zu den Polstrahlen (19) rechtwinklig verlaufenden äußeren Begrenzungsflächen (20) der Permanent magnete (13) unter spitzen Winkeln (α) zwischen 5° und 15° nach außen zum Rotoraußenumfang (9) geneigte Abschrägungen (21) aufweisen.

6. Elektrische Maschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenkontur der Stege (18) einen Krümmungsradius (Kr) aufweist, der kleiner ist als der halbe Rotoraußendurchmes ser (d).

7. Elektrische Maschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius (Kr) der Außenkontur der Polzähne (15) gleich dem hal ben Rotoraußendurchmesser (d) ist.

8. Elektrische Maschine nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der quaderartigen Permanentmagnete (13) und der Erregerwicklungen (5) jeweils zwei, vier, sechs, zwölf oder vierundzwanzig beträgt.

9. Elektrische Maschine nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die quaderartigen Permanentmagnete (13) in radia ler Richtung eine größere Ausdehnung haben als in Magnetisierungsrichtung.

10. Elektrische Maschine nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die quaderartigen Permanentmagnete (13) Hartfer rite mit einer größten remanenten Energiedichte zwischen 20 und 40 kJ/m³, einer Remanenz zwi schen 350 und 450 mT, einer Koerzitiv-Feldstärke BHc zwischen 200 und 300 kA/m, einer relativen Permeabilität von ca. 1,1 und einer maximalen Ein satztemperatur von ca. 250°C sind.

11. Elektrische Maschine nach einem der Ansprü che 1 bis 10, gekennzeichnet durch die Verwendung als Synchron-Generator in einem Gleichstrom- Niederspannungsnetz mit einer Pufferbatterie (17) und einer den Ladezustand der Puffer-Batterie (17) und den Leistungsbedarf in dem gespeisten Gleich stromnetz überwachenden sowie die Leistungsab gabe des Synchron-Generators regelnden elektro nischen Regeleinrichtung.

12. Elektrische Maschine nach einem der Ansprü che 1 bis 11 in einem Fahrzeug, gekennzeichnet durch die Verwendung als Stromerzeuger zum Aufladen von Batterien oder wahlweise als An triebsmotor.