DE69215350T2 - Maschine mit vielfachen magnetischen Kreisen - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft elektrische Maschinen und insbesondere einen elektrischen Generator oder Motor mit mehreren Magnetflußwegen in einer Maschine mit einem einzelnen Rotor. Nach Patentanspruch 1 betrifft die Erfindung einen Rotor für eine rotierende Maschine.
• Insbesondere haben für kleine elektrische Generatoren und insbesondere in Kraftfahrzeugen Wechselstromgeneratoren mit Klauenpolen weite Anwendung gefunden, da damit in sehr wirksamer Weise elektrische Energie in einem Fahrzeug erzeugt werden kann.
• Bei Generatoren mit Klauenpolen ist die Polbauweise grundsätzlich durch zwei Polstücke bestimmt, die aus flachen kreisförmigen Metallplatten bestehen, deren zentrische Bohrungen axial auf der Rotorwelle an jeder Seite des Rotorkerns und der Spule liegen. Jedes Polstück hat vorstehende Finger oder Klauen, die über die Rotorspule parallel zur Rotorachse abgebogen sind. In dieser Bauweise liegt jeweils eine Klaue zwischen den Klauen des anderen Polstücks. Die Polstücke werden durch Stanzen, Schmieden, Bearbeiten oder in anderer Weise hergestellt.
• Fließt Strom durch die Rotorwicklung, so werden die Klauen elektromagnetische Pole von entgegengesetzter Polarität. Rotiert der Rotor so erzeugen die Pole entgegengesetzter Polarität ein Magnetfeld, dessen Polarität sich bezüglich der Leiter der Ständerwicklung ändert, so daß der Generator Wechselstrom erzeugt. In einem Fahrzeug wird der Wechselstrom in der Regel gleichgerichtet, um dann den elektrischen Systemen des Fahrzeuges zugeführt zu werden. Der Wechselstrom kann aber auch unmittelbare Verwendung finden.
• Die Erfindung geht von der US-A-4,980,595 aus betreffend einen Rotor dieses Typs mit abgebogenen Klauen, der zwar hinsichtlich des Raumbedarfs verbessert ist, aber ziemlich laute Geräusche erzeugt. Unter der Bezeichnung "Background of the Invention" ist in diesem Dokument auf weiteren Stand der Technik eingegangen.
• US-A-4,916,346 schildert eine homopolare Maschine zum Erzeugen von Gleichstrom, die auch für Motoren mit sehr hohen Strömen Verwendung finden kann. Bezüglich einer etwaigen Ähnlichkeit dieser Dokumente mit der vorliegenden Erfindung ist festzuhalten, daß der Rotor dieser homopolaren Maschine keine Quelle für einen Magnetfluß aufweist. Im Gegensatz zur Erfindung wird dort der Magnetfluß im Stator erzeugt und durchsetzt den Rotor in einer einzigen Richtung. Die magnetische Kopplung zwischen den Polstücken der homopolaren Maschine erfolgt über die Welle und einen Magneteisenring. US-A-4,916,346 offenbart keine Mittel zum Erzeugen von Magnetfluß im Rotor, noch wird dies dort vorgeschlagen.
• US-A-3,956,650 offenbart einen synchronen Induktionsmotor. Die am Umfang der Rotorringe dargestellten Zähne sind keine ausgeprägten Pole sondern ähneln Lamellen, um Eisenverluste infolge Magnetflußänderungen zu verringern.
• Eine Aufgabe der Erfindung liegt darin, die erzielbare Leistung eines Generators oder Motors von bestimmter Größe über die bei bekannten Maschinen möglichen Leistungen zu steigern.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, den Wirkungsgrad eines Generators oder eines Motors erheblich über die mit bekannten Maschinen erzielbaren Wirkungsgrade zu erhöhen.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, im Vergleich zu bekannten Maschinen kleinere Geräuschpegel für den Rotor zu erzielen.
• Erfindungsgemäß werden die vorgenannten Aufgaben mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
• Es wurde festgestellt, daß eine Maschine mit mehreren Flußwegen mit Polstücken, die keine axialen Klauen aufweisen, bestimmte Vorteile über Rotoranordnungen mit Klauen besitzen. Ein Vorteil einer solchen Anordnung ohne Klauen liegt in der erheblichen Verringerung des magnetischen Geräuschpegels, der sich bei Rotoranordnungen vom Klauentyp durch Schwingungen der axialen Klauen beim Rotieren des Rotors ergibt. Ferner ist die Kühlung der Rotorspule verbessert, wenn die Rotorwicklungen nicht völlig von den Polstücken und den miteinander verschachtelten Klauen umschlossen sind. Ein weiterer Vorteil besteht in der vereinfachten Bauweise der Polstücke, was zu einer wirtschaftlicheren Herstellung und Montage führt. Außerdem können im gleichen Raum größere Rotorspulen untergebracht werden, wenn keine Klauen vorhanden sind, da die Spulen bis zu dem Außenumfang der Polstücke reichen können, der bei einem Rotor mit Klauen von den Klauen eingenommen wäre.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
• Fig. 1 eine Seitenansicht eines Wechselstromgenerators mit mehreren Magnetflußwegen;
• Fig. 2 eine Stirnansicht des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 längs der Linie 2-2; und
• Fig. 3 einen Wechselstromgenerator mit Rotorpolstücken, die den Ausführungsformen der Fig. 1 und 2 ähneln, doch für die Erregung mit Elektromagneten am Rotor und Permanentmagneten versehen sind.
• Wenn sich auch die folgende Beschreibung insbesondere auf Wechselstromgeneratoren bezieht, so gilt die Erfindung in gleicher Weise auch für Motoren. In der Beschreibung sind zwei bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung erläutert.
• Die Fig. 1 und 2 zeigen Ansichten eines Rotors 500, der erfindungsgemäß ausgebildet ist, nämlich eine Seitenansicht in Fig. 1 und eine Stirnansicht in Fig. 2 längs der Linie 2-2 in Fig. 1. Der Rotor 500 ist mit einer Rotorwelle 502 versehen und ist von einem Stator 501 umgeben.
• Der Rotor besteht prinzipiell aus mehreren Polstücken 510, 520, 530 und 540, die axial längs der Rotorwelle 502 derart beabstandet sind, daß zwischen benachbarten Polen Flußerregerelemente liegen. In der Ausführungsform der Figuren 1 und 2 bestehen diese Elemente aus einem magnetisch leitfähigen Kern, wie einem Kern 530a, um den eine stromführende Wicklung 531a gelegt ist. Ähnliche Elemente mit den Bezeichnungen b und c liegen zwischen den anderen Polen der Fig. 1.
• Alle Polstücke wie auch das Polstück 510 bestehen aus einem mittleren Scheibenabschnitt 512 auf der Rotorwelle 502 derart, daß die Polstücke auf der Welle drehfest befestigt sind. Von dem mittleren Scheibenabschnitt 512 radial ausgehend liegen mehrere radiale Pole bildende Vorsprünge 514a bis 514f, die jeweils von Lücken 516a bis 516f getrennt sind. Die polbildenden radialen Vorsprünge 514a bis 514f erstrecken sich nur in radialer Richtung und besitzen keine abgebogenen Abschnitte oder Klauen, die rechtwinklig zur Ebene der Polplatten verlaufen.
• Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß jedes Polstück in Drehrichtung um 180 elektrische Grade von seinen benachbarten Polstücken verdreht ist, so daß die radialen polbildenden Vorsprünge axial mit den Lücken benachbarter Polstücke fluchten. Somit fluchten die polbildendenden Vorsprünge 524a bis 524f des Polstückes 520 axial mit den Lücken 516a bis 516f des Polstückes 510.
• Wenn bei dieser Anordnung von den Spulen 531 a usw. ein durch die Kerne 530a usw. zirkulierender Magnetfluß aufgebaut wird, so sieht man, daß jeder polbildende Vorsprung an jedem Polstück die gleiche magnetische Polarität aufweist und daß diese magnetische Polarität jeweils entgegengesetzt gerichtet ist, wenn man in axialer Richtung den Stapel der Polstücke des Rotors 500 abschreitet. Wie beispielsweise aus den Fig. 1 und 2 hervorgeht bildet sich an den radialen Vorsprüngen des Polstückes 510 ein magnetischer Nordpol, an den Vorsprüngen des Polstückes 520 ein Südpol S, wiederum ein Nordpol N an den Vorsprüngen des Polstückes 530 usw., also wechseln die Polaritäten gegeneinander ab.
• In Fig. 1 sind mehrere einzelne Magnetflußwege durch benachbarte Polstückpaare gebildet zusammen mit dem Statorkern, dem Stator 501 und einem Teil der Rotorwelle 502. Diese Magnetflußwege 540a, b, c, usw. sind so dargestellt, daß der Fluß aus den Nordpolsegmenten austritt und in ein Südpolsegment des benachbarten Polstückes übertritt. So sind auch zwei Beispiele für die Magnetflußwege bei 620 und 630 der Fig. 2 wiedergegeben. Es wird darauf hingewiesen, daß die tatsächlichen Flußwege nicht in der Ebene der Zeichnungsfiguren liegen, in denen sie dargestellt sind. So verläuft beispielsweise der Fluß 620 tatsächlich etwas unterhalb der Zeichnungsebene in Fig. 2, wenn der Magnetfluß aus dem radialen Polvorsprung 514f austritt und in den Statorkern des Stators 501 übertriff, so daß der Fluß den Stator gegenüber dem Polvorsprung 524e des benachbarten Polstückes 520 verläßt. Fig. 2 zeigt ferner, daß ein Teil der Rotorwelle ebenfalls vom Magnetfluß durchsetzt ist, wenn die Mittel zum Erzeugen des Magnetflusses aus einem Elektromagnet mit Spulen wie 531a und Kernen wie 530a bestehen.
• Eine weitere Bauweise der Anordnung der Fig. 1 und 2 ist in Fig. 3 dargestellt. Der einzige Unterschied in der Anordnung der Fig. 3 gegenüber Fig. 1 besteht darin, daß die flußerzeugenden Mittel, die zwischen bestimmten Polstücken vorgesehen sind, aus einem Permanentmagnet bestehen, der mit einer Isolierhülse gegenüber der Rotorwelle isoliert ist. In Kombination mit dem Permanentmagnet als Erregung liegt ein Elektromagnet zwischen zwei Polstücken derart, daß die gesamte Erregung des Rotors verändert werden kann.
• Bezüglich Fig. 3 besteht der Rotor 700, der von einem Stator 701 umgeben ist, aus mehreren Polstücken 710, 720, 730, 740, die axial längs der Rotorwelle 702 beabstandet sind, derart, daß ein Permanentmagnet 760a zwischen den Polstücken 710 und 720 liegt, ein Permanentmagnet 760b zwischen den Polstücken 720 und 730 und ein Elektromagnet mit einer Spule 731 und einem Magnetkern 730 zwischen den Polstücken 730 und 740. Die magnetische Isolation jedes Permanentmagnets gegenüber der Rotorwelle 702 erfolgt durch eine nichtmagnetische Hülse. Die Hülse 770a umgibt die Welle 702 radial innerhalb des Ringmagneten 760a, während die Hülse 770b die Welle 720 radial innerhalb des Ringmagneten 760b umschließt.
• Wie in der Anordnung der Fig. 1 besitzen die abwechselnden Polstücke in dem axialen Stapel abwechselnd magnetische Polaritäten. Außerdem hat jedes Polstück im Stapel die gleiche Bauweise wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, nämlich einen mittleren Scheibenabschnitt, von dem radiale polbildende Vorsprünge nach außen reichen, die sich nur in radialer Richtung erstrecken.
• Die Rotoranordnungen dieser Ausführungsformen der Erfindung liefern mehrere wesentliche Vorteile für die Bauweise des Wechselstromerzeugers. Da die Rotorpolbauweise kleiner baut, kann der Generator mehr Leistung pro Gewichtseinheit erzeugen. Außerdem werden bei einer bestimmten Drehzahl weniger magnetische Geräusche erzeugt. Infolge der Verkleinerung der Polstücke, wie sie erfindungsgemäß vorgenommt wird, sind die Kosten zum Herstellen der gestanzten Polstücke verringert und daher bedarf es keiner Bearbeitungs- oder Schmiedevorgänge, um den Biegeradius minimal zu machen, um auf diese Weise die Oberfläche der Klauen neben dem Statorkern mögliches groß zu halten.
• Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Anzahl der erforderlichen Statorwindungen verringert wird, je größer der für eine bestimmte Ausgangsleistung erzeugte Fluß ist. Treten Verluste hauptsächlich infolge Erwärmung in der Statorwicklung auf, so werden bei einer Verringerung der Windungszahlen diese Erwärmungsverluste verkleinert und erhöht sich der Wirkungsgrad. Damit bedarf es einer kleineren Eingangsleistung bei einer bestimmten elektrischen Ausgangsleistung.
• Aus der Beschreibung ist ersichtlich, daß die Erfindung eine verbesserte Rotorbauweise in einer elektrischen Maschine betrifft, sei es ein Motor oder ein Generator mit mehreren Magnetflußwegen, und daß erfindungsgemäß die elektrische Ausgangsleistung, der Wirkungsgrad und die Anwendbarkeit verbessert sind. Die Beschreibung ist als Erläuterung gedacht und soll nicht einschränkend interpretiert werden. Änderungen und Abweichungen innerhalb des Rahmens der beigefügten Ansprüche sind möglich.

Claims (3)

1. Rotor (500) für eine rotierende Maschine mit einem stationären Gehäuse, wobei der Rotor im Gehäuse getragen ist, mit Statorwicklungen und einem Statorkern (501) im Gehäuse, wobei der Rotor aufweist:

eine im Gehäuse drehbar angeordnete Rotorwelle (502);

mindestens drei Pole (510, 520, 530, 540), die längs der Welle axial beabstandet sind;

mehrere Mittel zum Erzeugen eines Magnetflusses (531a, 531b, 531c; 760a, 760b), die jeweils mit der Welle rotierend zwischen benachbarten Polen angeordnet sind und

jeder Pol besitzt einen mittleren Scheibenabschnitt (512), der die Welle umgibt, und mehrere die Pole ausbildende Vorsprünge (514a bis 514f), die sich nur in radialer Richtung von dem mittleren Scheibenabschniff mit dazwischenliegenden Lücken erstrecken, wobei die polbildenden Vorsprünge jedes Pols um 180 elektrische Grade von den polbildenden Vorsprüngen axial benachbarter Pole in Drehrichtung liegen derart, daß die polbildenden Vorsprünge jedes zweiten Pols gleiche magnetische Polarität besitzen;

wodurch mehrere getrennte Magnetflußwege gebildet sind und jeder Magnetflußweg aus einem Paar benachbarter Pole und dem Statorkern zusammengesetzt ist.

2. Rotor nach Anspruch 1, bei dem mindestens eines der Magnetflußmittel aufweist:

einen magnetisch permeablen Kern (530a, 530b, 530c), der auf der Welle befestigt ist und

eine stromführende Wicklung (531a, 531b, 531c), die den Kern umgibt.

3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem mindestens ein anderes der Magnetflußmittel aufweist:

eine nicht magnetische Hülse (770a, 770b), die die Welle umgibt und

einen Permanentmagnet (760a, 760b), der die Hülse umgibt.