WO2000007283A1 - Elektrische maschine, insbesondere drehstromgenerator - Google Patents

Elektrische maschine, insbesondere drehstromgenerator Download PDF

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winding
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Walter Kohl
Istvan Ragaly
Alexander Shendi
Hans-Peter Groeter
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Robert Bosch Gmbh
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K19/00—Synchronous motors or generators
    • H02K19/16—Synchronous generators
    • H02K19/36—Structural association of synchronous generators with auxiliary electric devices influencing the characteristic of the generator or controlling the generator, e.g. with impedances or switches
    • H02K19/365—Structural association of synchronous generators with auxiliary electric devices influencing the characteristic of the generator or controlling the generator, e.g. with impedances or switches with a voltage regulator
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K19/16—Synchronous generators
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    • H02K19/16—Synchronous generators
    • H02K19/36—Structural association of synchronous generators with auxiliary electric devices influencing the characteristic of the generator or controlling the generator, e.g. with impedances or switches

Definitions

  • the invention relates to an electrical machine, in particular a three-phase generator, according to the preamble of the main claim.
  • a machine is known, for example, from US Pat. No. 3,522,520.
  • the energy supply to the excitation system as a rotating transformer is very compact, i. H. the primary and secondary windings of the transformer are located in solid stator and rotor parts, but this makes the weight of this excitation system relatively large, which is particularly disadvantageous when the three-phase generator is installed in a motor vehicle.
  • Exciter system is very compact and is light that a reduction in the leakage inductance and above all an optimization of the magnetic circuit or a reduction in costs is achieved by different, soft magnetic materials in the rotating and stationary yoke. Further advantageous embodiments of the invention result from the subclaims, the following description and drawing.
  • Fig. 1 shows a section through a so-called claw pole generator, in the
  • FIGS. 3a and 3b embodiments of the transformer winding
  • FIG. 4 a circuit of the inverter and the rectifier bridge of the transformer, on the primary and secondary sides in the
  • FIG. 6 shows a half section through a claw-pole generator in a slight modification of that according to FIG. 1.
  • the generator according to FIG. 1 has an approximately cup-shaped housing 10, on the bottom of which a hub 11 is formed, which receives a ball bearing 12 in which the inner end of a shaft 13 is mounted. Its other end is mounted in a ball bearing 14 which is arranged in a hub 16 of a bearing plate 17 closing the housing on the drive side.
  • a heat sink 18 of a bridge rectifier (not shown in detail) and a regulator 19 are arranged on the end shield in a manner known per se. The whole is closed by a bearing cover 20.
  • a stand 21 with a three-phase winding is arranged in the housing 10.
  • a so-called claw-pole rotor system 23 known per se, is arranged on the shaft 13, with a first pole plate 25 designed as a pole wheel half, terminating in claws 24, fastened on the shaft 13 and terminating in claws 26 second pole plate 27 as a further pole wheel half, the tips of the claws 24 of one pole plate each extending into the gaps between the claws 26 of the other pole plate.
  • the claws 24 and 26 run essentially parallel to the longitudinal axis of the shaft 13.
  • an excitation winding 28 is arranged on a pole core 32, which is also stuck on the shaft 13.
  • a transformer 29 which has an outer, ring-shaped primary winding 30 on a soft magnetic core 36 and concentrically with an inner, likewise ring-shaped secondary winding 31 on a further soft magnetic core 35, which lie in the same plane, which is perpendicular to The longitudinal axis of the shaft 13 runs, the inner core 35 being fastened on a shaft sleeve 37 which is magnetically ineffective on the shaft 13.
  • the outer core 36 and its winding 30 are screwed inside the bearing plate 17 in a non-magnetic retaining ring 39.
  • the parts of the transformer 29 are essential to the invention and will now be discussed in more detail.
  • the primary winding 30 and the secondary winding 31 lie in the annular, so-called cores 35, 36, which are arranged between the pole plate 27 and the bearing cover 17.
  • the inner, cross-sectionally U-shaped core 35 is rotatably on the shaft 13, for. B. on the shaft 13 surrounding and rotating with it, 37 arranged.
  • the rotating secondary winding 31 is located in it, while the outer core 36, which is also U-shaped in cross section, is fixed with the primary winding 30.
  • a radial air gap 38, through which the alternating magnetic field of the transmitter 29 passes, is formed between the legs of the two cores.
  • the fixed, outer core 36 is held by the retaining ring 39, which is screwed to the bearing cover 17 in the exemplary embodiment according to FIG.
  • the cores - now designated 41, 42 - are arranged axially next to one another, also with an axial air gap 43.
  • the cores again have a U-shaped cross section, the two open sides facing one another.
  • the core 41 with the primary winding 30 is in turn firmly connected to the end shield 17, preferably screwed.
  • the cores 35 and 36 are L-shaped, are arranged concentrically one above the other and are provided with an axial air gap 38a and 38b.
  • the cores 35 and 36 each consist of soft magnetic material suitable for high frequencies, in particular for use in a liquid-cooled generator. It should also be noted that the example according to FIG.
  • FIG. 2c with the L-shaped cores 35 and 36 has the advantage of using prefabricated windings 30, 31 or the easier winding of the windings 30, 31.
  • the example according to FIG. 2d has the advantage of a reduced one magnetic resistance because the surface of the air gap 38b is enlarged by the enlarged diameter.
  • both the rotating and the stationary core 35 and 36 advantageously consist of different materials; the means that the stationary core 36 in particular made of low-loss press material of high magnetic quality but low strength and the rotating core made of a material with higher strength but poorer magnetic properties, e.g. B. ferrite.
  • the primary winding and the secondary winding can consist of individual wires according to FIG. 3a or also of strip material according to FIG. 3b in order to keep the leakage inductance small.
  • An insulating film 31a and an electrically conductive film 31b are wound onto the core 35 one above the other.
  • the primary winding 30 is electrically controlled with a regulated alternating voltage via a
  • H-bridge On the secondary side
  • Secondary winding 31 (Secondary winding 31) rectification takes place via a so-called two-way rectifier circuit according to FIG. 4a or via a rectifier bridge circuit according to FIG. 4b.
  • the secondary winding 31 is electrically conductively connected to the excitation winding 28.
  • the transmitter 29 thus transmits an excitation power to the excitation winding 28.
  • the output voltage is sensed by the controller 19 and, depending on the load on the generator, the inverter 44 is driven with a predetermined frequency in such a way that the transformer 29 causes an excitation current increasing with increasing load through the secondary rectifier the excitation winding 28 can flow.
  • the inner core 47 is arranged and fixed stationary on the end shield 17, while the outer core 48 is arranged to rotate with the pole plate 27.
  • the outer secondary winding 31A rotates, the inner primary winding 30A is stationary.
  • the rotating core 48 is consequently received in a retaining ring 46 which is fastened to the end face of the pole plate 27.
  • the core material of the transmitter 29 is only subjected to pressure in the case of the high centrifugal force stresses which occur in particular in motor vehicle generators.
  • this arrangement has the advantage that none of the cores are damaged
  • Fragments can get into the generator interior.

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  • Power Engineering (AREA)
  • Synchronous Machinery (AREA)

Abstract

Die elektrische Maschine, insbesondere ein Drehstromgenerator, weist einen in einem Gehäuse (10) befestigten Ständer (21) und 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

Elektrische Maschine, insbesondere Drehstromgenerator
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 Figur 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 Welle 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 Figuren 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 Figur 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 Figuren 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 Figur 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 Figur 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 Errgerwicklung 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 Figur 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 Abbildung 5c und die Befestigung in einer Aussparung des Übertragungsmaterials nach Fig. 5d.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 ist anders als in Figur 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

Ansprüche
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 (30) 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.
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