DE69908754T2

DE69908754T2 - Elektrische rotationsmaschine mit permanentmagneten und reluktanz die verbesserte feldschwächeigenschaften aufweist

Info

Publication number: DE69908754T2
Application number: DE69908754T
Authority: DE
Inventors: Antoine Dokou Akemakou
Original assignee: Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Current assignee: Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Priority date: 1998-12-18
Filing date: 1999-12-17
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2019-12-18
Also published as: CN1123957C; FR2787645A1; WO2000038298A1; EP1057238B1; EP1057238A1; JP4940484B2; US6448680B1; JP2002534044A; BR9907910A; KR100635368B1; BRPI9907910B1; DE69908754D1; FR2787645B1; KR20010041020A; CN1291370A; ES2200580T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen rotierende elektrische Maschinen und zwar insbesondere eine rotierende Synchronmaschine, die einen Läufer mit Permanentmagneten aufweist.
Nach dem Stand der Technik ist bereits eine rotierende elektrische Maschine bekannt, die eine Reihe von Permanentmagneten aufweist, die an der Oberfläche angeordnet oder in einem bestimmten Abstand unterhalb der Oberfläche des Läufers eingelassen sind, um eine geeignete Nord- und Südpol-Verteilung zu definieren.
Da eine derartige Maschine eine durch die Magnete ständig vorgegebene Erregung aufweist, besteht die Notwendigkeit, Anordnungen vorzusehen, um eine Feldschwächung der Maschine zu ermöglichen, das heißt die Zirkulation eines Flusses, der nicht magnetisch mit den am Ständer ausgebildeten Ankerwicklungen zusammenwirkt, insbesondere in dem Fall, in dem diese Maschine unter Betriebsbedingungen mit niedriger Last arbeitet.
Eine bekannte Lösung für dieses Problem ist in 1 veranschaulicht, in der ein Läufer 20 dargestellt ist, der abwechselnd Magnete 22S, die Südpole definieren, und Magnete 22N, die Nordpole definieren, umfaßt. Diese bekannte Lösung besteht darin, zwischen jedem Paar von benachbarten Magneten ein magnetisches Feldschwächungsteil 24 einzufügen, wobei diese Teile in der Lage sind, mit den Polen des Ständers zusammenzuwirken, um die erforderliche Feldschwächung zu ermöglichen.
Darüber hinaus ist in 2 in einer Aufrißansicht das schematisch und bildhaft dargestellte Verhalten dieses Läufers im Zusammenwirken mit einem Ständer 10 veranschaulicht, der Zähne 16 aufweist, die durch Nuten 14 mit darin aufgenommenen Ankerwicklungen 18 begrenzt sind, mit einem durch die Magneten induzierten Fluß FI und einem entgegengesetzten Feldschwächungsfluß FD. In dieser Figur ist zu erkennen, daß der induzierte Fluß und der Feldschwächungsfluß jeweils schwach ausgeprägt sind, wobei festzustellen ist, daß diese partielle Überlagerung der induzierten Flüsse und der Feldschwächungsflüsse, die in entgegengesetzten Richtungen zirkulieren, die Feldschwächungseigenschaften der Maschine begrenzt.
Die EP-A-0 695 018 beschreibt eine rotierende elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine erste Aufgabe der Erfindung besteht darin, diesen Nachteil zu beseitigen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die beim Betrieb der Maschine auftretenden Drehmomentschwankungen zu verringern.
Dazu schlägt die vorliegende Erfindung eine rotierende elektrische Maschine vor, wie sie in Anspruch 1 definiert ist.
Bevorzugte, aber nicht einschränkende Aspekte der rotierenden elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
Weitere Aspekte, Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich deutlicher aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der Erfindung, die als Beispiel ohne einschränkende Wirkung und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen angeführt wird. Darin zeigen, abgesehen von den bereits beschriebenen 1 und 2:
3 eine schematische Aufrißansicht eines Teils des Ständers und eines Teils des Läufers einer Maschine nach einer ersten grundlegenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 das Verhalten der Maschine von 3 in einer normalen Betriebssituation;
5 eine Veranschaulichung des Verhaltens dieser Maschine in einer Betriebsphase mit Feldschwächung;
6 eine Teilansicht einer erfindungsgemäßen rotierenden elektrischen Maschine;
7 eine Teilansicht des Läufers einer Maschine nach einer Ausführungsvariante;
8 eine als Draufsicht dargestellte Aufrißansicht des Läufers einer Maschine nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
9 eine perspektivisch Ansicht des Läufers entsprechend der Aufrißansicht von 8;
10 eine als Draufsicht dargestellte Aufrißansicht des Läufers einer Maschine nach einer dritten Ausführungsart der Erfindung, und
11 eine perspektivische Ansicht des Läufers entsprechend der Aufrißansicht von 10.
Zunächst wird auf 3 Bezug genommen, in der schematisch im Aufriß eine rotierende elektrische Maschine dargestellt ist, die einen äußeren Ständer 10 in herkömmlicher Konstruktion umfaßt, dessen Gehäuse 12 eine Mehrzahl von Nuten 14 definiert, die jeweils zu zweit durch Pole bildende Zähne 16 begrenzt sind. Die Nuten 14 nehmen ein- oder mehrphasige Ankerwicklungen 18 auf.
Der Läufer 20 umfaßt an seinem Umfang zwei Magnete 22N und 22S mit radialem Fluß, die am Umfang des Läufers angeordnet sind, und zwei magnetische Reluktanzteile 24a und 24b. In der Praxis befinden sich am Umfang des Läufers hintereinander in tangentialer Richtung ein Paar Magnete 22N, 22S, anschließend ein Paar magnetische Teile 24a, 24b, danach wieder ein Magnetpaar und so weiter.
Ein Polpaar PP des Läufers wird durch den in tangentialer Richtung (entsprechend der horizontalen Richtung in 3) verlaufende Ausdehnung eines Magneten, etwa 22N, in Verbindung mit der Ausdehnung des benachbarten magnetischen Teils 24b bestimmt (Nordpol). Dementsprechend wird ein anderes Polpaar mit gleicher Ausdehnung durch die zusammengenommenen Ausdehnungen eines Magneten 22S und des benachbarten magnetischen Teils 24a bestimmt (Südpol). Es dürfte daher verständlich sein, daß erfindungsgemäß, während ein gegebener Pol in einer gegebenen tangentialen Richtung durch die Abfolge eines aus einem Magneten bestehenden Teils gefolgt von einem Reluktanzteil für die Feldschwächung gebildet wird, der folgende Pol in der gleichen tangentialen Richtung aus der Abfolge eines Reluktanzteils gefolgt von einem Magnetteil besteht.
kA und kR sind Koeffizienten, beide kleiner als 1 und mit kA + kR = 1, was repräsentativ für die relativen Ausdehnungen des Magneten und des magnetischen Teils in einem entsprechenden Polpaar ist.
Dank einer derartigen Läuferstruktur, insbesondere dank der nebeneinander erfolgenden Anordnung der Permanentmagneten, entsprechend zwei aufeinanderfolgenden Polen n und n + 1, sowie der Anordnung der magnetischen Teile, entsprechend zwei aufeinanderfolgenden Polen n + 1 und n + 2, verbessern sich die Feldschwächungseigenschaften der Maschine. Außerdem war festzustellen, daß diese Gestaltung vorteilhafterweise eine Verringerung der Drehmomentschwankungen während des Betriebs der Maschine ermöglicht.
Wenn man sich nun 4 zuwendet, so ist insbesondere zu erkennen, daß der Magnetfluß des Ankers FM, der hier in der gleichen Richtung wie der durch die Magneten in den Polen des Ständers erzeugte Fluß FA verläuft, im Verhältnis zum Magnetfluß deutlich ausgeprägt ist. Wie dies in 5 zu erkennen ist, stellt sich dementsprechend ein Feldschwächungsfluß FD, der in der zum Magnetisierungsfluß von 4 entgegengesetzten Richtung verläuft, ebenfalls im Verhältnis zum Magnetfluß FA ausgeprägt dar. Bei einem gegebenen Koeffizienten kR läßt sich daher die mögliche Feldschwächungsflußmenge verbessern, da der Magnetfluß kein signifikantes Hindernis für diesen Fluß erzeugt.
In diesem Zusammenhang ist festzustellen, daß die Auswahl der Koeffizienten kA und kR eine entsprechende Abstimmung der Feldschwächungsleistung der Maschine auf die Konstruktion ermöglicht. Dabei erhält man eine breiten Feldschwächungsbereich für kR nahe kA, das heißt kA und kR jeweils nahe 0,5.
Eine erfindungsgemäße rotierende elektrische Maschine weist noch andere Vorteile auf. So wird insbesondere dadurch, daß zwei Magneten in einer gemeinsamen Nut angeordnet sein können, das Stanzen der zur Bildung der Blechpakete bestimmten Bleche vereinfacht. Außerdem kann vorgesehen sein, die Magneten 22N und 22S aus einem Stück auszuführen, das anschließend in situ so magnetisiert wird, daß der zu einem Nordpol gehörende Magnet 22N und der zu einem Südpol gehörende Magnet 22S definiert werden.
6 veranschaulicht teilweise eine erfindungsgemäße rotierende elektrische Maschine mit zwei Polpaaren. Der Läufer besitzt daher an seinem Umfang zwei Magnetpaare 22N, 22S, die sich mit zwei Paaren von magnetischen Teilen 24a und 24b abwechseln.
Bei dem Ständer handelt es sich hier um einen Drehstromständer.
Es kann natürlich auch ein Läufer mit einer beliebigen Anzahl Magnetpaare abwechselnd mit magnetischen Teilen vorgesehen sein.
7 veranschaulicht eine Ausführungsvariante der Erfindung, bei der die Magneten 22N und 22S nicht an der Oberfläche angeordnet, sondern in einer gegebenen Tiefe im Gehäuse des Läufers eingelassen sind.
Es wird nun auf die 8 und 9 Bezug genommen, in denen ein Läufer veranschaulicht ist, welcher dreieckige Magneten mit axialem Fluß besitzt. Im einzelnen weist ein Nordmagnet 122N die allgemeine Form eines rechtwinkligen Dreiecks auf, von dem eine lange Seite parallel zur Drehachse verläuft, während eine kurze Seite bündig an einem axialen Ende des Läufers endet, um einen Pol zu definieren. Dieser Nordmagnet 122N ist mit seiner langen Seite der langen Seite eines entgegengesetzt angeordneten Südmagneten 122S zugekehrt, der durch seine kurze Seite einen Pol am gegenüberliegenden Ende definiert. Magnetische Reluktanzteile 124a, 124b erstrecken sich an den Magneten von deren Hypotenusen aus entlang.
Auch hier kann man eine beliebige Anzahl von Magnetpaaren 122A, 122S abwechselnd mit einer entsprechenden Anzahl von Paaren von magnetischen Teilen vorsehen.
Eine derartige Läuferstruktur eignet sich beispielsweise für das Zusammenwirken mit einer im Ständer angeordneten Übererregungsoder Aberregungswicklung.
Die 10 und 11 veranschaulichen ihrerseits die Anwendung der vorliegenden Erfindung bei einem Klauenpolläufer.
Ein solcher Klauenpolläufer besitzt in an sich herkömmlicher Weise ein erstes Teil 201 mit einer ersten Reihe von im allgemeinen dreieckigen Klauen 211 und ein zweites Teil 202 mit einer zweiten Reihe von im allgemeinen dreieckigen Klauen 212, wobei diese Klauen ineinander verzahnt angeordnet sind.
In diesem Fall besitzt jede Klaue 211 der ersten Reihe in einer gegebenen tangentialen Richtung (von links nach rechts in 10) ein magnetisches Reluktanzteil 224b, gefolgt von einem Magneten 222N, der einen Nordpol definiert, während jede Klaue 212 der zweiten Reihe in der gleichen Richtung einen Magneten 222S besitzt, der einen Südpol definiert, gefolgt von einem magnetischen Reluktanzteil 224a. Es ergibt sich somit wiederum eine Struktur von Magneten und magnetischen Reluktanzteilen ähnlich wie die in den 3 bis 6 dargestellte Struktur.
In Abhängigkeit von der gewünschten Feldschwächungsleistung kann man insbesondere, wie bereits erwähnt, die relativen Ausdehnungen der Magneten und der magnetischen Reluktanzteile entsprechend verändern.
Die vorliegende Erfindung kommt vor allem bei Wechselstromgeneratoren und bei Anlassergeneratoren von Kraftfahrzeugen zur Anwendung.

Claims

Rotierende elektrische Maschine, insbesondere ein Wechselstromgenerator oder ein Anlassergenerator für Kraftfahrzeuge, umfassend einen Ständer (10) mit Ankerwicklungen (18) und einen drehbar im Innern des Ständers gelagerten Läufer (20), wobei der Läufer eine Reihe von Magneten (22N, 22S; 122N, 122S; 222N, 222S) mit abwechselnden Polungen nebeneinander angeordnet mit jeweils den besagten Magneten zugeordneten magnetischen Reluktanzteilen (24a, 24b; 124a, 124b; 224a, 224b) umfaßt, wobei jede Baueinheit aus einem Magneten und einem zugehörigen magnetischen Teil einen Läuferpol definiert, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der magnetischen Teile einzeln einem Magneten zugeordnet ist und daß wenigstens einige der besagten Pole abwechselnd, entlang einer allgemein tangentialen Richtung, einen Magneten (22A; 122S; 222S) vor seinem magnetischen Teil (24a; 124a; 224a) und einen Magneten (22A; 122N; 222N) hinter seinem magnetischen Teil (24b; 124b; 224b) besitzen.
Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (20), entlang der besagten allgemein tangentialen Richtung, Paare von benachbarten Magneten (22N, 22S; 122N, 122S; 222N, 222S) umfaßt, die Polen n und n + 1 entsprechen, in abwechselnder Folge mit Paaren von benachbarten magnetischen Teilen (24a, 24b; 124a, 124b; 224a, 224b), die Polen n + 1 und n + 2 entsprechen.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magneten (22N, 22S; 222N, 222S) Magneten mit radialem Fluß sind.
Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Magneten (22N,22S; 222N, 222S) an der Oberfläche angebracht sind.
Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Magneten (22N,22S; 222N, 222S) in einem vorbestimmten Abstand unterhalb des Umfangs des Läufers eingelassen sind.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (22N; 22S) und der zugehörige magnetische Teil (24a, 24b) in einem gleichen Pol benachbarte Ausdehnungen (kA.PP; kR.PP) in der besagten Umfangsrichtung aufweisen.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Magneten (122N, 122S; 222N, 222S) eine allgemein dreieckige Form aufweisen, wobei zwei aufeinanderfolgende Magneten entgegengesetzt angeordnet sind.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Pole des Läufers durch ineinander verzahnte Klauen (211, 212) von zwei Läuferteilen (201, 202) definiert sind.