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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein rotierende elektrische
Maschinen wie etwa Wechselstromgeneratoren für Kraftfahrzeuge.
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Der
Ein- oder Mehrphasen-Generator, den ein herkömmlicher Kraftfahrzeug-Wechselstromgenerator
bildet, umfasst im allgemeinen einen Ständer, in dessen Innern sich
ein Läufer
mit einer Erregerspule dreht. Diese Spule wird durch Kohlebürsten gespeist,
die sich mit zwei Schleifringen in Kontakt befinden, die auf einem
vorstehenden Teil der Läuferwelle
vorgesehen sind.
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Insbesondere
aus der EP-A-0 707 374 sind bereits rotierende elektrische Maschinen
bekannt, bei denen, vor allem im Hinblick auf eine Steigerung ihrer
Leistung, das Erregerfeld des Läufers
sowohl durch Permanentmagneten als auch durch Spulen ausgeführt ist
(man spricht in der Regel von einer "Misch"-Erregung) und bei denen der durch den
Anker abgegebene Strom mit Hilfe von Umschaltmitteln im Bereich
der Erregerspulen kontrolliert wird, wobei diese Umschaltmittel
eine wahlweise Umkehrung der Erregungsrichtung ermöglichen,
um den Fluss der Magneten zu verringern bzw. weitgehend aufzuheben.
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Diese
Notwendigkeit einer Umkehrung der Richtung des Erregerstroms macht
wiederum die Verwendung einer sogenannten "H"-Halbleiter-Schaltbrücke erforderlich,
die mit einem hohen Kostenaufwand verbun den ist und sich dementsprechend
auf die Herstellungskosten der Maschine auswirkt.
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Aus
der WO-A-96 30992 ist außerdem
eine rotierende elektrische Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1 bekannt. Diese bekannte Maschine ermöglicht jedoch keine Regelung
des abgegebenen Stroms durch eine entsprechende Einwirkung auf eine
Erregung durch die Spulen, die unidirektional, d.h. in einer Richtung
stattfindet, und zwar insbesondere über eine Veränderung
der durch die Spulen bedingten Erregung zwischen einem Wert im wesentlichen
gleich null und einem Maximalwert, um eine Energie im wesentlichen
gleich null bzw. eine maximale Energie zu liefern.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Einschränkungen
zu beseitigen.
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Eine
andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, in einer derartigen
Maschine bei einer gegebenen Anzahl von Läuferpolen die Anzahl der erforderlichen
Magneten verringern zu können
und gleichzeitig einen Erregungspegel durch Magneten sowie einen
Erregungspegel durch Spulen aufrechtzuerhalten, die im Verhältnis zueinander
ausgeglichen sein sollen.
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Dazu
schlägt
die Erfindung eine elektrische Maschine vor, wie sie in Anspruch
1 definiert ist.
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Bevorzugte,
aber nicht einschränkende
Aspekte dieser erfindungsgemäßen Maschine
sind in den abhängigen
Ansprüchen
definiert.
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Darüber hinaus
schlägt
die Erfindung eine Maschine der vorstehend definierten Art vor,
die einen Wechselstromgenerator für Kraftfahrzeuge bildet.
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Weitere
Aspekte, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich
deutlicher aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen
der Erfindung, die als Beispiel und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
angeführt
wird. Darin zeigen im einzelnen:
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1a eine
in abgewickelter Form dargestellte schematische Ansicht einer Baueinheit
aus Läufer
und Ständer
einer rotierenden elektrischen Maschine nach einer ersten Ausführungsform
der Erfindung in einem Nichterregungszustand der Erregerspulen;
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1b eine ähnliche
Ansicht wie 1 in einem Erregungszustand
der Erregerspulen;
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2 eine
im Querschnitt ausgeführte
schematische Ansicht einer Baueinheit aus Läufer und Ständer einer Mehrphasen-Maschine
gemäß der Erfindung;
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3 eine
in abgewickelter Form dargestellte schematische Ansicht einer Baueinheit
aus Läufer und
Ständer
einer rotierenden elektrischen Maschine nach einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung;
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4 eine
im Querschnitt ausgeführte
schematische Ansicht einer möglichen
Ausführungsform des
Gehäuses
des Läufers
von 2; und
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5 eine
im Querschnitt ausgeführte
schematische Ansicht einer möglichen
Ausführungsform des
Gehäuses
des Läufers
von 3.
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Zunächst ist
unter Bezugnahme auf die 1a und 1b schematisch
in abgewickelter Form ein Teil eines Ständers 1 und der entsprechende
Teil eines Läufers 2 dargestellt
worden, die zu einer ein- oder mehrphasigen elektrischen Maschine gemäß der Erfindung,
wie etwa zu einem Wechselstromgenerator, gehören können.
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Der
Ständer 1 besitzt
ein Gehäuse 12,
das eine durchgehende ringförmige
Struktur definiert, an deren innerem Umfang eine Mehrzahl von Nuten 13 eingearbeitet
sind, die Endstücke
von Ankerspulen 14 aufnehmen, wie dies an sich in völlig herkömmlicher
Weise der Fall ist.
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Diese
Nuten 13 sind in gerader Zahl vorgesehen und winklig gleichmäßig verteilt,
wobei zwischen ihnen Pole 15 bestehen bleiben.
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Der
Läufer 2 ist
durch eine Abfolge getrennter oder vorzugsweise einstückig ausgeführter Strukturen
aus ferromagnetischem Material definiert. Diese Strukturen, die
zum leichteren Verständnis
in den 1a und 1b einzeln
dargestellt sind, umfassen eine erste Struktur 21 in "U"-Form mit zwei Schenkeln 211, 212,
deren freie Enden zwei vorstehende äußere Pole bilden, deren Winkelabstand gleich
dem der Pole 15 des Ständers
im Falle einer Einphasen-Maschine ist, und mit einem Fußstück 213.
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Um
jeden der beiden Schenkel 211, 212 herum ist eine
Erregerspule 215 bzw. 216 gewickelt, wobei diese
Spulen so aneinander angeschlossen sind, dass zwei Magnetflüsse mit
entgegengesetzter Richtung erzeugt werden, wie dies im folgenden
noch eingehender darzulegen sein wird.
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Vorzugsweise
sind mehrere vorgenannte "U"-förmige Strukturen
in gleichmäßiger Winkelbeabstandung
vorgesehen.
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Zwischen
diesen "U"-förmigen Strukturen 21 sind
Permanentmagnet-Strukturen 22 in
gleicher Anzahl eingefügt,
die jeweils einen Permanentmagneten 225 umfassen, der zwischen
zwei ferromagnetischen Teilen 221, 222 eingeschlossen
ist, deren zum Ständer
hin gerichtete Flächen
Pole bilden, wobei die Pole der "U"-förmigen Strukturen 211 und
die der Teile 221, 222 am äußeren Umfang des Läufers gleichmäßig beabstandet
sind. Im Falle einer Dreiphasen- oder Drehstromma schine ist die
Anzahl der Nuten 13 des Ständers gleich der dreifachen
Anzahl der Läuferpole,
wie sie vorstehend definiert worden sind.
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Die
Strukturen 21 und 22 sind durch Zwischenstücke 23 aus
ferromagnetischem Material, die magnetische Anschlüsse bilden,
aneinander angeschlossen, wobei diese Zwischenstücke eine radiale Abmessung
des Läufers
einnehmen (entsprechend der Höhe
in den 1a und 1b), die
deutlich kleiner als die radiale Abmessung der Strukturen 21 und 22 ist.
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Wie
veranschaulicht, erstrecken sich diese Anschlussstücke 23 vorzugsweise
im wesentlichen in Höhe
der Fußstücke 213 der "U"-förmigen Teile 21, wobei über ihnen
der für
die äußeren Endstücke der beiden
Erregerspulen 215, 216 erforderliche Zwischenraum
verbleibt.
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Ausgehend
von den vorstehenden Erläuterungen
dürfte
es natürlich
verständlich
sein, dass die verschiedenen Elemente des Läufers in N Exemplaren vorgesehen
sein können,
die je nach der gewünschten
Polzahl in aufeinanderfolgenden Gruppen angeordnet sind.
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Es
folgt nun unter Bezugnahme auf die 1a und 1b eine
Beschreibung des Verhaltens einer rotierenden elektrischen Maschine,
im vorliegenden Falle eines Wechselstromgenerators, deren Prinzip
vorstehend beschrieben worden ist.
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Dabei
soll zunächst
der Fall betrachtet werden, in dem kein Erregerstrom durch die Erregerspulen 215, 216 fließt (1a).
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In
diesem Fall kann der durch die Permanentmagneten 225 erzeugte
Magnetfluss einem seinerseits geschlossenen Kreis folgen, der durch
die Teile 221, 222, durch die magnetischen Anschlüsse 23 und
durch den Fußteil 213 der "U"-förmigen
Teile 21 verläuft.
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Daraus
folgt, dass dieser durch die Pfeile F1 in 1a veranschaulichte
Fluss nicht an den Ständer übertragen
wird, außer
vielleicht in vernachlässigbarer
Weise in Form eines Streuflusses. Der Wechselstromgenerator befindet
sich daher in einer Nichterregungssituation, wobei die Ständerwicklungen
weitestgehend keinen Strom abgeben.
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Wenn
ein Strom an die Erregerspulen 215, 216 in einer
Richtung angelegt wird, bei der ein nach unten gerichteter Magnetfluss
in der Spule erzeugt wird, die sich bezogen auf die Richtung des
Flusses F1 vorn befindet, und bei der ein nach oben gerichteter
Magnetfluss in der hinten angeordneten Spule 216 erzeugt
wird, dann findet zwischen dem Läufer und
dem Ständer
eine Zirkulation von drei Hauptflüssen statt:
- – ein durch
den Pfeil F2 bezeichneter erster Fluss zirkuliert in den Schenkeln 211, 212 und
im Fußstück 213 des "U"-förmigen
Teils und zwischen zwei benachbarten Polen des Ständers entgegen dem
Uhrzeigersinn in 1b;
- – ein
durch den Pfeil F3 bezeichneter zweiter Fluss zirkuliert im Uhrzeigersinn über den
linken Schenkel 211 des Teils 21, das einen magnetischen
Anschluss bildende Teil 23 und das dem Magneten 225 benachbarte
Teil 222, sowie über den
Ständer
zwischen zwei benachbarten Polen dieses Ständers;
- – der
durch den Permanentmagneten 225 erzeugte Magnetfluss trifft
im Bereich des magnetischen Anschlusses 23 auf einen in
entgegengesetzter Richtung verlaufenden Fluss (Fluss F3), wobei dieser
Magnetfluss zumindest teilweise, wie dies weiter unten eingehender
darzulegen sein wird, durch die beiden dem Magneten benachbarten Teile 222, 221 fließt, und
zwar über
zwei benachbarte Pole des Ständers
(Fluss F4, der gegen den Uhrzeigersinn gerichtet ist);
- – schließlich wird
ein als gleichpoliger Fluss bezeichneter und durch F5 angedeuteter
zusätzlicher
Magnetfluss durch den Magneten 225 und durch die Erregerspulen 215, 216 erzeugt.
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Dadurch
entsteht am Läufer 2 eine
Abfolge von Nord- und Südpolen,
die es den Ständerwicklungen
ermöglichen,
einen Strom abzugeben.
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In
diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass die Größe des Läuferstroms
an den Läuferwicklungen 215, 216 direkt
einen allgemeinen Erregungspegel der Maschine bestimmt, der sich
in Abhängigkeit
von dem besagten Strom monoton verändert.
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Wenn
im einzelnen der Läuferstrom
gleich null ist (Fall von 1a), dann
ist, wie vorstehend dargelegt, die Erregung gleich null.
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Wenn
hingegen der Strom in den Wicklungen 215, 216 so
ausfällt,
dass der in den magnetischen Anschlüssen 23 nach links
verlaufende Fluss nach dem Absolutwert gleich dem Fluss ist, der
durch den benachbarten Permanentmagneten bei Nichtvorliegen eines
Läuferstroms
erzeugt würde,
dann wird der gesamte durch den besagten Magneten erzeugte Fluss
zum Ständer
umgelenkt. Die Erregung der Maschine ist dann maximal, wobei die
im Wechselstromgenerator vorgesehenen Mittel zur Erzeugung des veränderlichen
Läuferstroms
so beschaffen sind, dass der dieser zuletzt genannten Situation
entsprechende Stromwert ein Maximalwert des Stroms ist.
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Auf
diese Weise erhält
man eine Maschine, in der sich durch die Verwendung eines in einer
Richtung fließenden
Erregerstroms, der zwischen null und einem vordefinierten Maximalwert
schwankt, eine Erregung ergibt, die sich in Abhängigkeit vom Strom zwischen
einer Null-Erregung
und einer Maximalerregung monoton verändert.
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Von
daher ist es möglich,
auf den Einsatz einer elektronischen "H"-Schaltbrücke oder ähnlicher Elemente
zu verzichten, die in den Ma schinen mit Mischerregung nach dem bisherigen
Stand der Technik dazu bestimmt sind, einen bidirektionalen Strom in
Abhängigkeit
von der angestrebten Erregung zu erzielen. Dadurch werden die Kosten
der Umschaltmittel, die ein einziges Halbleiter-Schaltelement umfassen
können,
deutlich verringert.
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Es
folgt nun unter Bezugnahme auf die 2 und 3 die
Beschreibung von konkreten Ausführungsbeispielen
des Läufers
einer erfindungsgemäßen Maschine.
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An
dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, dass in beiden Fällen die
Gesamtheit der unter Bezugnahme auf die 1a und 1b beschriebenen
ferromagnetischen Teile in einem einzigen Gehäuse zusammengefasst sind, das
in diesen Figuren durch die Bezugsnummer 20 bezeichnet
wird.
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2 zeigt
den Fall eines Läufers
mit acht Polen, mit zwei diametral gegenüberliegenden Permanentmagneten 225 und
zwei Erregerwicklungspaaren 215, 216.
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Die
ferromagnetischen Elemente, die denen der 1a und 1b entsprechen,
werden jeweils durch die gleichen Bezugsnummern bezeichnet. Im wesentlichen
ist festzustellen, dass der Teil des Gehäuses 20, der eine
mittige Bohrung 20a des Gehäuses umgibt, die dazu bestimmt
ist, die Läuferwelle aufzunehmen,
sowohl die Fußstücke 213 der "U"-förmigen
Elemente 21 als auch die magnetischen Anschlüsse 23 definiert,
die eine verringerte radiale Abmessung zwischen der besagten Bohrung
und dem Boden der Nuten aufweisen, welche die äußeren Endstücke der Wicklungen 215, 216 aufnehmen.
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In
dem Fall, in dem der Läufer
von 2 für einen
Drehstromgenerator bestimmt ist, ist ein Ständer mit 24, vorzugsweise gleichmäßig verteilten
Nuten vorgesehen, in denen die Dreiphasenwicklungen des Ständers angeordnet
sind.
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3 veranschaulicht
den Fall eines 12 Pol-Läufers
mit drei abstandsgleichen Magneten 225 mit einem Winkelabstand
von 120° und
drei Erregerwicklungspaaren 215, 216. In diesem
Fall ist für
eine Dreiphasen- oder Drehstrommaschine ein Läufer mit 36 Nuten vorgesehen,
die vorzugsweise gleichmäßig verteilt
sind.
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Es
folgt nun unter Bezugnahme auf die 4 und 5 eine
Beschreibung von Ausführungsvarianten
der Gehäuse
der in den 2 und 3 veranschaulichten
Läufer.
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Wie
dies in 4 festzustellen ist, besteht das
Gehäuse 20 des
Läufers
aus zwei Segmenten 20a, 20b, die dazu bestimmt
sind, sich zwischen den beiden Magneten 225 zu erstrecken,
und die beim Zusammenbau mit diesen so verbunden werden, dass eine
durchgehende zylindrische Struktur gebildet wird.
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In 5 ist
festzustellen, dass drei Segmente 20a, 20b und 20c vorgesehen
sind, die hier wiederum mit den drei Magneten verbunden sind, um den
Läufer
zu bilden.
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Diese
Unterteilung des Läufers
in N Segmente (wobei sich N je nach der gewünschten Polzahl verändern kann)
ist insofern vorteilhaft, als dadurch die Ausführung der Wicklungen vereinfacht wird,
wobei die verschiedenen Segmente einfacher getrennt zu wickeln sind
als ein einheitliches zylindrisches Gehäuse.
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Außerdem ist
in diesem Zusammenhang auf einen weiteren Vorteil der vorliegenden
Erfindung hinzuweisen: Dadurch dass der Magnetfluss der Magnete
bei Nichtvorliegen eines Erregerstroms in sich geschlossen ist,
besteht kein Risiko, dass beim Zusammenbau der Maschine der Läufer gegen
ferromagnetische Teile angedrückt
wird, die an der Montagelinie der Maschine vorhanden sein können.
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Die
vorliegende Erfindung ist natürlich
keineswegs auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen
beschränkt,
sondern der Fachmann kann daran alle Varianten oder Änderungen gemäß dem Erfindungsgedanken
vornehmen.
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So
kann insbesondere im Läufer
jede Kombination von Magnetstrukturen und Spulenstrukturen vorgesehen
sein, und zwar beispielsweise zwei oder mehr Spulenstrukturen zwischen
jedem Paar Magnetstrukturen oder umgekehrt zwei oder mehr Magnetstrukturen
zwischen jedem Paar Spulenstrukturen.
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In
diesem Fall sind die Spulen und die Magnete so gestaltet, dass der
maximale Fluss der Spulen in der Lage ist, den wesentlichen Teil
des durch die Magneten bei Nichtvorhandensein von Erregerstrom erzeugten
Umfangsflusses zu behindern.
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Außerdem kann
vorgesehen sein, dass jede Spulenstruktur nur eine entsprechend
angeordnete Spule umfasst.
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Darüber hinaus
kann vorgesehen sein, dass jede Magnetstruktur zwei oder mehr Magnete
besitzt, deren Flüsse
sich miteinander verbinden, um die angestrebte Wirkung eines Umfangsflusses
im Läufer bei
Nichtvorliegen einer Erregung an den Spulen zu erzielen.