WO2008148621A1 - Elektrische maschine mit hybriderregtem rotor - Google Patents

Elektrische maschine mit hybriderregtem rotor Download PDF

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WO2008148621A1
WO2008148621A1 PCT/EP2008/055672 EP2008055672W WO2008148621A1 WO 2008148621 A1 WO2008148621 A1 WO 2008148621A1 EP 2008055672 W EP2008055672 W EP 2008055672W WO 2008148621 A1 WO2008148621 A1 WO 2008148621A1
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rotor
poles
grooves
machine according
electrical machine
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PCT/EP2008/055672
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English (en)
French (fr)
Inventor
Kurt Reutlinger
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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Priority to CN200880101853.7A priority patent/CN101772876B/zh
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Priority to BRPI0812252A priority patent/BRPI0812252A2/pt
Priority to US12/602,915 priority patent/US8922086B2/en
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/02—Details
    • H02K21/04—Windings on magnets for additional excitation ; Windings and magnets for additional excitation
    • H02K21/042—Windings on magnets for additional excitation ; Windings and magnets for additional excitation with permanent magnets and field winding both rotating

Definitions

  • the invention relates to an electric machine with a stationary stator and a hybrid-excited rotor according to the preamble of patent claim 1.
  • Such synchronous machines are suitable both for operation on a fixed
  • Network for example, a fixed three-phase network, as well as for operation via an electronic converter.
  • machines are suitable in generator mode for controlling the induced voltage in a multi-phase stator winding system, as required for example in vehicle electrical systems.
  • Machines are the poles on the circumference of the rotor partly permanently magnetic and on the other hand electrically excited.
  • Ib at a reversible between twelve and six poles reversible arrangement requires three radially magnetized permanent magnets and three excitation coils, the excitation coils are arranged with a pitch of one pole pitch of the higher number of poles on a respective radially to the circumference oriented leg.
  • the disadvantage here is that for a symmetrical pole arrangement for each Permanent magnet an excitation coil for a corresponding flooding is needed. This requires a correspondingly large copper cross-section and space requirement on the rotor.
  • the present solution seeks to design the electric machine preferably for generator operation, to keep the electromagnetic losses low without additional circuit complexity and at the same
  • the rotor can be produced more cost-effectively with a reduced amount of copper and more compact. Another advantage is to be considered that now the permanent magnets of the rotor are magnetizable in the simplest way in the installed state.
  • a respective fan is arranged at the two end faces of the laminated core.
  • the rotor has the higher number of poles, wherein the strength and direction of the excitation current is selected in the excitation coils so that in cooperation with the permanent magnet at the Polradix about equally strong poles of alternating polarity occur.
  • An increase of the excitation current leads to an increase of the induced voltage and thus to a higher power output and vice versa.
  • a particularly cost-effective embodiment of the electric machine results from the fact that the rotor has only one, used in diametrically opposed grooves excitation coil, which is preferably guided around the winding heads around a rotor shaft and arranged with at least two between the grooves on the rotor circumference, diametrically opposed opposite permanent magnets cooperates.
  • two permanent magnets of alternating radial polarity are arranged offset by 90 ° relative to the two slots of the exciter coil.
  • Embodiment results from the fact that the rotor has at least two, preferably four, in four offset by 90 ° mutually offset grooves used excitation coils, which cooperate with at least four arranged between the grooves on the rotor circumference permanent magnet alternating radial polarity.
  • the four have Permanent magnets to the adjacent grooves each have a circumferential distance which corresponds to the circumferential width of the magnets, so that with a corresponding excitation current in the excitation coils on the rotor circumference, the number of poles of four poles is reversible to twelve poles.
  • the number of poles of the polyphase stator winding corresponds to the higher pole number of the reversible rotor.
  • the stator winding is formed in three phases and connected in a star or delta connection with the input of a bridge rectifier.
  • a better utilization of the stator by reduced ripple of the output voltage is achieved when the stator winding is five-phase and connected in a star, ring or star series connection to the input of a bridge rectifier.
  • the stator winding is six-phase and connected in a double star or double delta connection to the input of a bridge rectifier.
  • the switchability of the Rotorpoliere for Abregulation of the output voltage can be used to zero, by the output of the bridge rectifier is connected to a controller whose output is connected to the at least one exciter coil (18) of the rotor (11) in which the regulator is able to change the strength and direction of the exciting current as a function of the output voltage at the bridge rectifier.
  • FIG. 2 shows the machine in longitudinal section
  • FIG. 3 shows the rotor in cross section with four permanent magnets and two controllable exciter coils
  • Figures 4a and 4b show the circuit structure of the machine with rectifier and controller in two variants and
  • FIG. 5 shows in a diagram the profile of the output voltage of FIG
  • Figures 6a and 6b show the rotor of Figure 3 with divided excitation coils and the electrical reversal between twelve and four poles.
  • FIGS. 7a, 7b and 7c show, as a further embodiment, a machine with a rotor which can be reversed between six and two poles, with two
  • FIGS. 8a, 8b and 8c show, as a further embodiment, a machine with a rotor that can be reversed between ten and two poles, with four
  • FIGS. 9a, 9b and 9c show, as a further embodiment, a machine with a rotor that can be reversed between fourteen and two poles, with six permanent magnets and only one exciter coil.
  • FIGS 10, 11 and 12 show further variants of the stator winding and their
  • FIGs 1 and 2 an electrical machine in a simplified form in cross-section and in longitudinal section is shown and designated 10, which is provided as a synchronous machine with a hybrid-excited rotor 11.
  • the machine has a stationary stand 12, which carries a three-phase stator winding 13.
  • Machine 10 a three-phase alternator for motor vehicles with a twelve-pole stator winding 13, the three winding strands R, S and T in grooves 14 of a stator laminated core 15 are used with a coil pitch of 3 grooves and shown in Figure 1 over part of the circumference.
  • the stator 12 acts via a working air gap 16 with the rotatably mounted in the stator 12 rotor
  • the rotor 11 has over its circumference in a predetermined sequence a plurality of north and south poles N and S, which are formed by permanent magnets 17 and by excitation coils 18. In this case, the number of poles of the rotor 11 can be reversed depending on the strength and direction of an excitation current in the excitation coils 18. From FIG. 2 it can be seen that that the iron core of the rotor 11 consists of a laminated in the axial direction laminated core 25 which is fixed on the central region of the rotor shaft 21. To accommodate the excitation coils 18 25 open grooves 19 are punched out on the outer circumference of the laminated core. The permanent magnets 17 are inserted into punched out pockets 26 in the laminated core 25.
  • the pockets 26 may be closed on the outside, so that the magnets 17 are then inserted axially therein (see FIG. 6). This makes it possible to absorb the centrifugal forces by the geometric shape of the pockets 26 and thereby ensure a secure hold of the magnets 17 on the rotor 11.
  • the magnetic material is preferably made of rare earths.
  • the laminated core 25 is preferably held together by welds. Instead, however, can also rivets, adhesives (baked enamel) or knobs are used.
  • the housing of the machine consists of two bearing plates 12a and 12b, between which the stator core 15 is clamped.
  • the rotor 11 is rotatably received with its rotor shaft 21 on both sides via bearings 27 on the bearing plates 12a, 12b.
  • At the axial end faces of the laminated core 25 each have a fan 28 is attached. Cooling air is sucked in axially from the fans 28 via openings 29 of the end shields 12a, 12b and finally blown radially outward along the end windings 13a of the stator winding 13 and along the rotor 11 and stator 12.
  • a slip ring assembly 30 as exciter current transmission from stand 12 to the rotor llberise, which cooperates with the power supply of the excitation coils 18 with a stationary brush device 31.
  • the brush device 31 is attached there as a power supply unit for the rotor 11 together with a controller 32 and with a bridge rectifier 33 outside the rear end plate 12b.
  • a protective cap 34 the front side has numerous ventilation slots 35 for the inflow of cooling air.
  • FIG. 3 shows the pole sequence occurring on the circumference of the rotor 11, which results in the case of an exciting current Ie flowing in the direction of the arrow through the exciter coils 18.
  • two excitation coils 18 are inserted into four grooves 19 of the rotor 11, which are offset by 90 ° to each other and aligned with the circumference of the rotor 11.
  • four permanent magnets 17 which cooperate with alternating radial polarity with the excitation coils 18. This results in the current direction shown in Figure 3 of the excitation current Ie on the rotor circumference twelve poles of alternating polarity.
  • the reduction of the number of excitation coils 18 is achieved in that the excitation coils 18 are arranged with a pitch SW on the circumference of the rotor 11, which according to Figure 1 of the pole pitch Pt of the smaller number of poles of the rotor 11 - here, therefore, the four-pole version - corresponds ,
  • This step size which is several times greater than that of the prior art, is achieved in that the winding heads 20 of the exciter coils 18 are guided on the end faces of the rotor 11 in each case like a chuck below one of the permanent magnets 17 arranged radially on the rotor circumference.
  • the strength and direction of the excitation current Ie in the excitation coils 18 is selected so that in cooperation with the permanent magnets 17, the rotor has the higher number of poles and the rotor circumference approximately equal poles of alternating polarity occur.
  • the four permanent magnets 17 to the adjacent grooves 14 each have according to Figure 3 has a circumferential distance a, which corresponds to the circumferential width b of the magnets.
  • FIG. 4a shows the electrical connection of the machine 10.
  • the three phases R, S and T of the stator winding 13 are connected in a delta connection, with their three outputs a, b and c to a respective bridge input 33a, 33b, 33c of the bridge rectifier 33 are connected.
  • the bridge rectifier 33 is connected to the regulator 32 for regulating the output voltage Ua.
  • the exciter coil 18 is connected at one end to the plus potential of the bridge rectifier output 33d and with its other end at the output 32b of the regulator 32 in order to influence the exciting current as a function of the output voltage Ua.
  • FIG. 4b shows, as a variant of the circuit according to FIG. 4a, a three-phase stator winding 13 in star connection and a regulator 32a with a two-pole output 32b, 32c to which the exciter coil 18 of the machine 10 is connected.
  • the controller 32a is further provided with a temperature sensor 36, via which the output voltage Ua depending on the temperature of the machine 10 can be readjusted.
  • an accumulator 37 for the electrical supply of the motor vehicle electrical system 38 is recharged during operation of the machine 10 in the motor vehicle.
  • the output voltage Ua of the stator winding 13 of the three-phase alternator according to FIGS. 1 and 2 is preferably dependent on the load and temperature depending on the intensity and direction of the excitation current Ie in the exciter coils 18 a permissible maximum value and the value 0 is controllable.
  • the output voltage Ua is preferably dependent on the load and temperature depending on the intensity and direction of the excitation current Ie in the exciter coils 18 a permissible maximum value and the value 0 is controllable.
  • the output voltage Ua of the stator winding 13 of the three-phase alternator according to FIGS. 1 and 2 is preferably dependent on the load and temperature depending on the intensity and direction of the excitation current Ie in the exciter coils 18 a permissible maximum value and the value 0 is controllable.
  • the output voltage Ua of the stator winding 13 of the three-phase alternator according to FIGS. 1 and 2 is preferably dependent on the load and temperature depending on the intensity and direction of the excitation current I
  • Manner is to be supplied via a rectifier unit.
  • the output voltage Ua of the electric machine 10 in response to the DC voltage in the motor vehicle on-board network more or less down regulated.
  • this means that at a correspondingly reduced excitation current Ie> 0 on the stator winding 13, the correspondingly reduced output voltage Ua 2 occurs by the weakened electrical excitation in the rotor 11, the total magnetic field of the rotor 11 is weakened. This weakening of the total field continues until an excitation current Ie 0, in which now a relatively small
  • Output voltage Ua3 is induced in the stator winding 13.
  • FIGS. 6 to 9 Further embodiments of synchronous machines according to FIG. 1 with inventively designed hybrid-excited and pole-changing rotors are shown in FIGS. 6 to 9 in a schematic representation.
  • FIGS. 6a and 6b a rotor IIa is shown in cross-section, in which the two exciter coils 18 of FIG. 3 are replaced by four exciter coils 18a, each distributed uniformly around the circumference, each having half the number of turns.
  • the current direction in the exciter coils 18a is indicated by arrows.
  • FIGS. 7a, 7b and 7c a machine 10a with a rotor IIb is shown schematically in cross-section, which has only one excitation coil 18 divided into two halves 18a at the winding heads, which is inserted into two diametrically opposite grooves 19 of the rotor 11.
  • the two parts 18a of the exciter coil 18 are guided around the winding heads about a rotor shaft 21.
  • Exciter coil 18 is arranged offset on the circumference of the rotor 12.
  • FIGS. 8a, 8b and 8c again only one exciter coil 18 inserted in diametrically opposite grooves 19 is shown on the rotor 11c, which is to be guided, for example, at its two winding heads by one half each of the rotor shaft (not shown).
  • four permanent magnets 17 are arranged on the rotor circumference, wherein between the two grooves 19 each two
  • Permanent magnets 17 are provided with the same radial polarity.
  • the permanent magnets 17 have an approximately equal distance from each other and to the grooves 19 of the rotor llc.
  • a ten-pole formation of north and south poles in alternating pole sequence results in FIG. 8b on the rotor circumference.
  • this embodiment can be reversed by reversing the current direction in the excitation coil 18 into a two-pole arrangement, wherein the upper half of the rotor circumference is formed as a south pole and the lower as a north pole.
  • an excitation coil 18 is inserted into two diametrically opposite grooves of a rotor Hd.
  • an excitation coil 18 is inserted into two diametrically opposite grooves of a rotor Hd.
  • six permanent magnets 17 are arranged on the rotor circumference such that between the grooves 19 each have three permanent magnet 17 with the same radial polarity an approximately equal distance from each other or to the grooves.
  • the stator lamination 15c of the machine 10c according to FIG. 9a has, on the inner circumference 42, grooves 14 in which a stator winding 13 with three phases
  • Rotor circumference a fourteen-pole design with approximately equal poles of alternating polarity.
  • the electrically excited poles are now reversed on both sides of the grooves 19 and created over the rotor circumference a two-pole symmetrical design with a north pole on the upper and a south pole on the lower half of the rotor circumference.
  • the formation of the magnetic field over the rotor circumference is represented by a corresponding field line profile, wherein the magnetic flux of the permanent magnets 17 is denoted by ⁇ m and the electrically excited magnetic flux with ⁇ e .
  • FIGS. 10, 11 and 12 show further variants of the stator winding 13 of the electric machine 10 and its connection to the bridge rectifier 33.
  • the machine 10d is equipped with a five-phase stator winding 13b whose five phase strings are connected to one another in a so-called star series connection. Instead, a real star connection or a ring series connection may also be considered.
  • the five outputs of the stator winding 13b are each connected to one input of the five diode bridges of the bridge rectifier 33a.
  • the controller 32 is also here to supply the exciter coil 18 at the output of the
  • the stator winding 13c of the machine is formed six-phase, wherein according to Figure 11, the six phase strands Rl, Sl, Tl and R2, S2, T2 are connected in a double-star connection.
  • the six outputs of Stator winding 13c are here each connected to one input of the six diode bridges of the bridge rectifier 33b.
  • the six phase phases Rl, Sl, Tl and R2, S2, T2 are connected in a double-delta connection, in which case the six outputs of the stator winding 13c are each connected to one input of the six diode bridges of the bridge rectifier 33b.
  • the invention is not limited to the illustrated and described embodiments, especially in larger and powerful machines with hybrid-excited rotor, a high number of poles is to be realized by a correspondingly higher number of excitation coils 18 and permanent magnets 17.
  • Such machines can be used on fixed AC or three-phase networks both for controlling the reactive power through the excitation current and for speed switching. So it is possible, for example, in an electric machine whose stator winding is switchable between two and six poles, by reversing the rotor poles to increase the engine speed to three times or reduce to one third.
  • the excitation coils 18 are in all embodiments of the invention with a
  • Step size SW arranged on the circumference of the rotor 11, which corresponds to the pole pitch Pt of the respective smaller number of poles.
  • the permanent magnets 17 are formed as flat magnets, shell magnets or so-called Brotlaibmagnete and arranged on the rotor circumference by, for example, according to Figures 1 and 2 are secured in corresponding recesses of the rotor 11 or axially inserted according to Figure 4 to 7 in corresponding tangentially arranged on the rotor circumference slots are.
  • a repetition of the pattern in the rotor can be realized to form larger numbers of poles.
  • the arrangement of Figure 6a and 6b is a duplication of the arrangement of Figure 7b and 7c.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)
  • Synchronous Machinery (AREA)
  • Permanent Field Magnets Of Synchronous Machinery (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Synchronmaschine (10) mit einem ortsfesten Ständer (12), einer mehrphasigen Ständerwicklung (13) und mit einem Rotor (11), der über seinen Umfang in einer vorgegebenen Folge mehrere permanentmagnetische und elektrisch erregte Pole aufweist, wobei die Polzahl des Rotors in Abhängigkeit von Stärke und Richtung eines Erregerstromes in mindestens einer Erregerspule (18) des Rotors umsteuerbar ist. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Maschine und zur Reduzierung der Anzahl von Erregerspulen beziehungsweise des gesamten Spulenquerschnittes ist vorgesehen, dass der Rotor (11) einen Eisenkern aus einem in Achsrichtung lamellierten Blechpaket (25) aufweist, welches zur Aufnahme der mindestens einen Erregerspule (18) am Umfang mit Nuten (19) versehen ist, und dass die mindestens eine Erregerspule (18) mit einer Schrittweite (SW) amUmfang des Rotors (11) angeordnet ist, die der Polteilung (Pt) der kleineren Polzahl entspricht.

Description

Elektrische Maschine mit hybriderregtem Rotor
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem ortsfesten Ständer und einem hybriderregten Rotor nach der Gattung des Patentanspruchs 1.
Derartige Synchronmaschinen eignen sich sowohl zum Betrieb an einem festen
Netz, zum Beispiel einem ortsfesten Drehstromnetz, als auch zum Betrieb über einen elektronischen Umrichter. Des Weiteren sind derartige Maschinen im Generatorbetrieb zur Regelung der induzierten Spannung in einem mehrphasigen Ständerwicklungssystem geeignet, wie sie beispielsweise in Bordnetzen von Kraftfahrzeugen benötigt werden. Bei diesen elektrischen
Maschinen sind die Pole am Umfang des Rotors zum Teil permanent magnetisch und zum anderen Teil elektrisch erregt.
So sind aus der WO 2004/017496 polumschaltbare Synchronmaschinen bekannt, bei denen eine Polumschaltung des Rotors über eine Änderung der
Stromrichtung in den Erregerspulen des Polrades erfolgt, die zur Steuerung der Ausgangsspannung einer mehrphasigen Ständerwicklung dient. Durch eine kontinuierliche Regelung des Erregerstromes kann dabei die Ausgangsspannung der für die höhere Polzahl ausgelegten mehrphasigen Ständerwicklung in weiten Bereichen beeinflusst werden. Dort werden beispielsweise gemäß Figur Ia und
Ib bei einer zwischen zwölf- und sechspolig umsteuerbaren Anordnung drei radial magnetisierte Dauermagnete sowie drei Erregerspulen benötigt, wobei die Erregerspulen mit einer Schrittweite von einer Polteilung der höheren Polzahl auf jeweils einen radial zum Umfang ausgerichteten Schenkel angeordnet sind. Nachteilig dabei ist, dass für eine symmetrische Polanordnung für jeden Permanentmagneten eine Erregerspule für eine entsprechende Durchflutung benötigt wird. Das erfordert einen entsprechend großen Kupferquerschnitt und Platzbedarf am Rotor. Ferner ist nachteilig, dass dort die Permanentmagnete am Rotorumfang gleiche Polarität haben, weil dadurch ihre Aufmagnetisierung im eingebauten Zustand erschwert ist, indem der magnetische Rückfluss über benachbarte Pole erfolgen muss.
Weitere Ausführungsformen derartiger Synchronmaschinen sind aus der WO 99/67871 bekannt. Dort sind jedoch im Rotor die Permanentmagnete in Radialrichtung aufgestellt und sehnenartig magnetisiert. Auch hier sind zwischen den Permanentmagneten Erregerspulen auf jeweils einem radial zum Umfang verlaufenden Schenkel angeordnet, die eine Schrittweite von einer Polteilung der höheren Polzahl aufweisen. Ebenso ist hier bei einer symmetrischen Polanordnung die Anzahl der Erregerspulen gleich der Anzahl der Permanentmagnete, wobei alle Erregerspulen auf die volle Durchflutung ausgelegt sein müssen. Für eine Maschine mit zwölfpoligem Rotor werden sogar vier Erregerspulen mit entsprechend großem Kupferquerschnitt und Platzbedarf benötigt. Auch hier ist ferner nachteilig, dass eine vollständige Aufmagnetisierung der Permanentmagnete im eingebauten Zustand am Rotor praktisch nicht realisierbar ist, da mit einem Magnetisierkopf am Rotorumfang die innen liegenden Bereiche der Permanentmagnete nicht in vollem Umfang erreicht werden.
Aus der US 2007/0090713 Al ist eine mehrphasige elektrische Maschine mit einem polumschaltbaren, hybrid erregten Rotor bekannt, die in Kraftfahrzeugen sowohl im Motorbetrieb zum Starten des Fahrzeugantriebes als auch im Generatorbetrieb zur Versorgung des Fahrzeug-Bordnetzes zum Einsatz kommt. Zur Optimierung dieser Doppelfunktion ist die Ständerwicklung der Maschine mit einer Polzahl ausgelegt, die der kleineren Polzahl des polumschaltbaren Rotors entspricht. Außerdem ist zur Reduzierung der elektromagnetischen Verluste der
Maschine die Ständerwicklung in Sternschaltung mit einer Sternpunkt- Kopplung des nachgeschalteten Brückengleichrichters versehen, womit im Generatorbetrieb die Welligkeit der abgegebenen EMK verringert wird. Offenbarung der Erfindung
Mit der vorliegenden Lösung wird angestrebt, die elektrische Maschine vorzugsweise für den Generatorbetrieb auszulegen, die elektromagnetischen Verluste ohne zusätzlichen Schaltungsaufwand gering zu halten und bei gleicher
Leistung der elektrischen Maschine den insgesamt erforderlichen Querschnitt für die Erregerspulen des Rotors zu verringern und damit die benötigte Kupfermenge sowie den Platz und den Leistungsbedarf für die elektrische Erregung zu reduzieren.
Bei elektrischen Maschinen mit einem hybriderregten Polrad ergibt sich mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 der Vorteil, dass durch das Blechpaket die elektromagnetischen Verluste, die insbesondere im Rotor durch magnetische Oberwellen auftreten, mit einfachen Mittel weitgehend vermieden werden und dass mittels einer gegenüber dem Stand der Technik mehrfachen
Schrittweite der Erregerspulen bei gleichem Spulenquerschnitt die Spulenzahl beziehungsweise bei gleicher Spulenzahl deren Querschnitt reduziert wird. Bei gleicher Leistung lässt sich dadurch der Rotor kostengünstiger mit reduzierter Kupfermenge und kompakter herstellen. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, dass nunmehr die Permanentmagnete des Rotors in einfachster Weise in eingebautem Zustand aufmagnetisierbar sind.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale.
Dabei ist zur Erzielung einer vergrößerten Schrittweite der Erregerspulen von wesentlicher Bedeutung, dass deren Wickelköpfe an den Stirnseiten des Blechpaketes jeweils sehnenartig unterhalb mindestens eines am Rotorumfang angeordneten und radial magnetisierten Permanentmagneten vorbeigeführt sind.
Zur Abführung der Verlustwärme der Maschine ist vorgesehen, dass an den beiden Stirnseiten des Blechpaketes jeweils einen Lüfter angeordnet ist. In bezug auf die Verwendung der elektrischen Maschine als mehrphasigen Wechselstromgenerator für Kraftfahrzeuge ist dabei besonders vorteilhaft, wenn die Ausgangsspannung der Ständerwicklung durch eine Änderung von Stärke - A -
und Richtung des Erregerstromes in den Erregerspulen vorzugsweise last- und temperaturabhängig zwischen einem zulässigen Maximalwert und dem Wert 0 regelbar ist. So wird zum Beispiel die Abgabeleistung dem momentanen Verbrauch angepasst, um eine konstante Netzspannung zu erhalten. In vorteilhafter Weise weist außerdem im Normalbetrieb der Maschine der Rotor die höhere Polzahl auf, wobei die Stärke und Richtung des Erregerstromes in den Erregerspulen so gewählt ist, dass im Zusammenwirken mit den Permanentmagneten am Polradumfang etwa gleichstarke Pole abwechselnder Polarität auftreten. Eine Steigerung des Erregerstromes führt zu einer Steigerung der induzierten Spannung und somit zu höherer Leistungsabgabe und umgekehrt.
Eine besonders kostengünstige Ausführungsform der elektrischen Maschine ergibt sich dadurch, dass der Rotor nur eine, in einander diametral gegenüberliegenden Nuten eingesetzte Erregerspule aufweist, die vorzugsweise an den Wickelköpfen geteilt um eine Rotorwelle herumgeführt ist und mit mindestens zwei zwischen den Nuten am Rotorumfang angeordneten, einander diametral gegenüberliegende Permanentmagneten zusammenwirkt. In vorteilhafter Weise sind dabei zwei Permanentmagnete abwechselnder radialer Polarität zu den zwei Nuten der Erregerspule um 90° versetzt angeordnet. In
Weiterbildung der Erfindung wird für eine höhere Polpaarzahl vorgeschlagen, dass vier Permanentmagnete am Rotorumfang angeordnet sind, wobei zwischen den Nuten jeweils zwei Permanentmagnete mit gleicher radialer Polarität einen etwa gleich großen Abstand zueinander und zu den Nuten haben. Eine noch größerer Polpaarzahl lässt sich in vorteilhafter Weise dadurch erreichen, dass nunmehr sechs Permanentmagnete am Rotorumfang angeordnet sind, wobei zwischen den Nuten jeweils drei Magnete mit abwechselnder Polarität einen etwa gleich großen Abstand zueinander beziehungsweise zu den Nuten haben.
Eine für Generatoren in Kraftfahrzeugen besonders vorteilhafter
Ausführungsform ergibt sich dadurch, dass der Rotor mindestens zwei, vorzugsweise vier, in vier um je 90° zueinander versetze Nuten eingesetzte Erregerspulen aufweist, welche mit mindestens vier zwischen den Nuten am Rotorumfang angeordneten Permanentmagneten abwechselnder radialer Polarität zusammenwirken. In vorteilhafter Weise haben dabei die vier Permanentmagnete zu den benachbarten Nuten jeweils einen Umfangsabstand, welcher der Umfangsbreite der Magnete entspricht, so dass bei entsprechendem Erregerstrom in den Erregerspulen am Rotorumfang die Polzahl von vier Pole auf zwölf Pole umsteuerbar ist.
Im Hinblick auf eine Optimierung der Maschine für den Generatorbetrieb ist ferner wichtig, dass die Polzahl der mehrphasigen Ständerwicklung der höheren Polzahl des umsteuerbaren Rotors entspricht. Im einfachsten Fall ist dabei die Ständerwicklung dreiphasig ausgebildet und in einer Stern- oder Dreieckschaltung mit dem Eingang eines Brückengleichrichters verbunden. Eine bessere Auslastung des Ständers durch verringerte Welligkeit der Ausgangsspannung erzielt man, wenn die Ständerwicklung fünfphasig ausgebildet und in einer Stern-, Ring- oder Stern- Reihenschaltung mit dem Eingang eines Brückengleichrichters verbunden ist. Für Maschinen mit größerer Leistung ist es vorteilhaft, wenn die Ständerwicklung sechsphasig ausgebildet und in einer Doppel-Stern- oder Doppel-Dreieckschaltung mit dem Eingang eines Brückengleichrichters verbunden ist.
In Weiterbildung der Erfindung lässt sich die Umschaltbarkeit der Rotorpolzahl für eine Abregelung der Ausgangsspannung bis auf den Wert Null verwenden, indem der Ausgang des Brückengleichrichters mit einem Regler verbunden wird, dessen Ausgang an der mindestens einen Erregerspule (18) des Rotors (11) angeschlossen ist, wobei der Regler in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung am Brückengleichrichter die Stärke und Richtung des Erregerstromes zu ändern vermag.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine erfindungsgemäße elektrische Maschine mit hybriderregtem Rotor in schematischer Darstellung im Querschnitt,
Figur 2 zeigt die Maschine im Längsschnitt,
Figur 3 zeigt den Rotor im Querschnitt mit vier Permanentmagneten und zwei steuerbaren Erregerspulen, Figur 4a und 4b zeigen den Schaltungsaufbau der Maschine mit Gleichrichter und Regler in zwei Varianten und
Figur 5 zeigt in einem Diagramm den Verlauf der Ausgangsspannung der
Maschine im Generatorbetrieb in Abhängigkeit vom Erregerstrom. Figur 6a und 6b zeigen den Rotor aus Figur 3 mit geteilten Erregerspulen und der elektrischen Umsteuerung zwischen zwölf und vier Polen.
Figur 7a, 7b und 7c zeigen als weitere Ausführungsform eine Maschine mit einem zwischen sechs und zwei Polen umsteuerbaren Rotor, mit zwei
Permanentmagnete und einer geteilten Erregerspule. Figur 8a, 8b und 8c zeigen als weiteres Ausführungsbeispiel eine Maschine mit einem zwischen zehn und zwei Polen umsteuerbaren Rotor, mit vier
Permanentmagnete und nur einer Erregerspule und
Figur 9a, 9b und 9c zeigen als weiteres Ausführungsbeispiel eine Maschine mit einem zwischen vierzehn und zwei Polen umsteuerbaren Rotor, mit sechs Permanentmagnete und nur einer Erregerspule.
Figur 10, 11 und 12 zeigen weitere Varianten der Ständerwicklung und deren
Verschaltung.
Ausführungsformen der Erfindung
In Figur 1 und 2 ist eine elektrische Maschine in vereinfachter Form im Querschnitt und im Längsschnitt dargestellt und mit 10 bezeichnet, die als Synchronmaschine mit einem hybriderregten Rotor 11 versehen ist. Die Maschine hat einen ortsfesten Ständer 12, der eine dreiphasige Ständerwicklung 13 trägt. Im ersten Ausführungsbeispiel nach Figur 1 bis 3 ist die elektrische
Maschine 10 ein Drehstromgenerator für Kraftfahrzeuge mit einer zwölfpoligen Ständerwicklung 13, deren drei Wicklungsstränge R, S und T in Nuten 14 eines Ständer- Blechpaketes 15 mit einer Spulenschrittweite von 3 Nuten eingesetzt und in Figur 1 über einen Teil des Umfangs dargestellt sind. Der Ständer 12 wirkt über einen Arbeitsluftspalt 16 mit dem im Ständer 12 drehbar gelagerten Rotor
11 zusammen. Der Rotor 11 weist über seinen Umfang in einer vorgegebenen Folge mehrere Nord- und Südpole N und S auf, die durch Permanentmagnete 17 sowie durch Erregerspulen 18 ausgebildet werden. Dabei lässt sich die Polzahl des Rotors 11 in Abhängigkeit von der Stärke und Richtung eines Erregerstromes in den Erregerspulen 18 umsteuern. Aus Figur 2 ist erkennbar, dass der Eisenkern des Rotors 11 aus einem in Achsrichtung lamelliierten Blechpaket 25 besteht, das auf dem mittleren Bereich der Rotorwelle 21 befestigt ist. Zur Aufnahme der Erregerspulen 18 sind am Außenumfang des Blechpaketes 25 offene Nuten 19 ausgestanzt. Die Permanentmagnete 17 sind in ausgestanzte Taschen 26 im Blechpaket 25 eingesetzt. Die Taschen 26 können außen verschlossen sein, so dass die Magnete 17 dann axial darin eingeschoben werden (siehe Figur 6). Hierdurch ist es möglich, die Fliehkräfte durch die geometrische Form der Taschen 26 aufzunehmen und dadurch einen sicheren Halt der Magnete 17 am Rotor 11 zu gewährleisten. Das Magnetmaterial besteht bevorzugt aus Seltenen Erden. Das Blechpaket 25 wird vorzugsweise durch Schweißungen zusammengehalten. Statt dessen können aber auch Nieten, Klebungen (Backlack) oder Knöpfungen verwendet werden.
Das Gehäuse der Maschine besteht aus zwei Lagerschilden 12a und 12b, zwischen denen das Ständerblechpaket 15 eingespannt ist. Der Rotor 11 ist mit seiner Rotorwelle 21 beidseitig über Lager 27 an den Lagerschilden 12a, 12b drehbar aufgenommen. An den axialen Stirnseiten des Blechpaketes 25 ist jeweils ein Lüfter 28 befestigt. Über Öffnungen 29 der Lagerschilde 12a, 12b wird Kühlluft von den Lüftern 28 axial eingesaugt und an den Wickelköpfen 13a der Ständerwicklung 13 sowie am Rotor 11 und Ständer 12 entlang schließlich radial nach außen geblasen. Am hinteren Ende der Rotorwelle 21 ist hinter dem Lagerschild 12b eine Schleifringanordnung 30 als Erregerstromübertragung von Ständer 12 auf den Rotor llbefestigt, die zur Stromversorgung der Erregerspulen 18 mit einer ortsfesten Bürstenvorrichtung 31 zusammenwirkt. Die Bürstenvorrichtung 31 ist dort als Stromversorgungseinheit für den Rotor 11 gemeinsam mit einem Regler 32 sowie mit einem Brückengleichrichter 33 außen am hinteren Lagerschild 12b befestigt. Diese Bauteile sind von einer Schutzkappe 34 abgedeckt, die zum Einströmen von Kühlluft stirnseitig zahlreiche Lüftungsschlitze 35 aufweist.
In Figur 3 ist die am Umfang des Rotors 11 auftretende Polfolge dargestellt, die sich bei einem in Pfeilrichtung durch die Erregerspulen 18 fließenden Erregerstrom Ie ergibt. Dort sind zwei Erregerspulen 18 in vier Nuten 19 des Rotors 11 eingesetzt, welche um je 90° zueinander versetzt und zum Umfang des Rotors 11 ausgerichtet sind. Zwischen den Nuten 19 sind am Rotorumfang vier Permanentmagnete 17 angeordnet, die mit abwechselnder radialer Polarität mit den Erregerspulen 18 zusammenwirken. Dadurch ergeben sich bei der in Figur 3 dargestellten Stromrichtung des Erregerstromes Ie am Rotorumfang zwölf Pole abwechselnder Polarität. Durch die Umkehr der Stromrichtung in den Erregerspulen 18 lässt sich die Polzahl des Rotors 11 umsteuern, in dem durch die Umkehrung des elektrisch erregten Feldes Φe die zu beiden Seiten einer jeden Nut 19 am Rotorumfang ausgebildeten Pole jeweils ihre Polarität wechseln, was in Figur 3 durch die in Klammern dargestellte Polarität verdeutlicht wird. Daraus ergibt sich nunmehr am Rotorumfang eine vierpolige Anordnung mit abwechselnder symmetrischer Polarität.
Erfindungsgemäß wird dabei die Reduzierung der Anzahl von Erregerspulen 18 dadurch erreicht, dass die Erregerspulen 18 mit einer Schrittweite SW am Umfang des Rotors 11 angeordnet sind, die gemäß Figur 1 der Polteilung Pt der kleineren Polzahl des Rotors 11 - hier folglich der vierpoligen Ausführung - entspricht. Diese gegenüber dem Stand der Technik mehrfach so große Schrittweite wird dadurch erreicht, dass die Wickelköpfe 20 der Erregerspulen 18 an den Stirnseiten des Rotors 11 jeweils sehnenartig unterhalb eines der am Rotorumfang angeordneten und radial magnetisierten Permanentmagnete 17 vorbeigeführt sind. Im Normalbetrieb der elektrischen Maschine 10 ist die Stärke und Richtung des Erregerstromes Ie in den Erregerspulen 18 so gewählt, dass im Zusammenwirken mit den Permanentmagneten 17 der Rotor die höhere Polzahl aufweist und am Rotorumfang etwa gleichstarke Pole abwechselnder Polarität auftreten. Zu diesem Zweck ist ferner vorgesehen, dass die vier Permanentmagnete 17 zu den benachbarten Nuten 14 jeweils gemäß Figur 3 einen Umfangsabstand a haben, welcher der Umfangsbreite b der Magnete entspricht.
Figur 4a zeigt die elektrische Verschaltung der Maschine 10. Die drei Phasen R, S und T der Ständerwicklung 13 sind in Dreieckschaltung miteinander verbunden, wobei sie mit ihren drei Ausgängen a, b und c an je einen Brückeneingang 33a, 33b, 33c des Brückengleichrichters 33 angeschlossen sind. An seinem Ausgang 33d, 33e ist der Brückengleichrichter 33 mit dem Regler 32 zur Regelung der Ausgangsspannung Ua verbunden. Die Erregerspule 18 liegt mit einem Ende am Pluspotenzial des Brückengleichrichter- Ausgangs 33d und mit ihrem anderen Ende am Ausgang 32b des Reglers 32, um den Erregerstrom in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung Ua zu beeinflussen.
Figur 4b zeigt als Variante zur Schaltung nach Figur 4a eine dreiphasige Ständerwicklung 13 in Sternschaltung sowie einen Regler 32a mit einem zweipoligen Ausgang 32b, 32c, an den die Erregerspule 18 der Maschine 10 angeschlossen ist. Mit diesem Regler 32a lässt sich sowohl die Stärke als auch die Richtung des Erregerstromes in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung Ua ändern. Der Regler 32a ist ferner mit einem Temperaturfühler 36 versehen, über den die Ausgangsspannung Ua abhängig von der Temperatur der Maschine 10 nachgeregelt werden kann. Über den Ausgang 33d, 33e des Brückengleichrichters 33 wird beim Betrieb der Maschine 10 im Kraftfahrzeug ein Akkumulator 37 zur elektrischen Versorgung des Kraftfahrzeug- Bordnetzes 38 nachgeladen.
Mit Hilfe der Figur 5 wird nunmehr näher erläutert, dass mit der Schaltung nach Figur 4b die Ausgangsspannung Ua der Ständerwicklung 13 des Drehstromgenerators nach Figur 1 und 2 durch eine Änderung von Stärke und Richtung des Erregerstromes Ie in den Erregerspulen 18 vorzugsweise last- und temperaturabhängig zwischen einem zulässigen Maximalwert und dem Wert 0 regelbar ist. Dabei ist über die Zeitachse t der vom Erregerstrom Ie abhängige Verlauf der Ausgangsspannung Ua einer Phase der Maschine über eine halbe Umdrehung des Rotors 11 (180° mechanisch) dargestellt. Bei der zwölfpoligen Drehstrom-Ständerwicklung 13 ergeben sich folglich bei einer halben Umdrehung des Rotors 11 drei volle Perioden.
Bei maximal zulässigem Erregerstrom Ie >> 0 wird mittels des nunmehr zwölfpoligen Rotors 11 bei vorgegebener Belastung die maximale Ausgangsspannung UaI in der Ständerwicklung 13 erzeugt, mit der die jeweilige Akkumulatorbatterie im Bordnetz eines Kraftfahrzeugs in an sich bekannter
Weise über eine Gleichrichter-Baueinheit zu versorgen ist. In ebenfalls bekannter, nicht dargestellter Weise, wird dabei die Ausgangsspannung Ua der elektrischen Maschine 10 in Abhängigkeit von der Gleichspannung im Kraftfahrzeug- Bord netz mehr oder weniger stark herunter geregelt. Für die elektrische Maschine 10 nach Figur 1 bedeutet dies, dass bei einem entsprechend reduzierten Erregerstrom Ie > 0 an der Ständerwicklung 13 die entsprechend reduzierte Ausgangsspannung Ua 2 auftritt, indem durch die schwächere elektrische Erregung im Rotor 11 das magnetische Gesamtfeld des Rotors 11 geschwächt wird. Diese Schwächung des Gesamtfeldes setzt sich fort bis zu einem Erregerstrom Ie = 0, bei dem nun noch eine relativ kleine
Ausgangsspannung Ua3 in der Ständerwicklung 13 induziert wird.
Wird nunmehr gar die Richtung des Erregerstromes Ie < 0 in den Erregerspulen 18 gewechselt, ergibt sich gemäß Figur 2 eine Umsteuerung der Polzahl am Rotor 11 von zwölf Polen auf vier Pole. In diesem Fall werden in den einzelnen
Spulen eines Wicklungsstranges der Ständerwicklung 13 entgegen gesetzt gerichtete Spannungen induziert, die sich mehr oder weniger teilweise aufheben. Die dabei auftretende Ausgangsspannung Ua4 bewegt sich nun in einem kleinen Bereich um den Spannungswert 0. Erhöht man schließlich den Erregerstrom Ie in umkehrter Richtung auf höhere Werte Ie >> 0, so erhält man eine in Figur 5 gestrichelt dargestellte Ausgangsspannung Ua5 mit um 180° elektrisch versetzten Halbwellen der Ausgangsspannung Ua. Wird die Maschine zur Regelung der Blindleistung bei Betrieb an einem starren Netz verwendet, so ergibt sich für die Blindleistungsregelung, dass die induzierte Spannung zwischen einem Maximum und einem Minimum regelbar sein muss; sie darf nicht
0 oder negativ werden, sonst kippt die Maschine in einen instabilen Zustand.
Weitere Ausführungsbeispiele von Synchronmaschinen gemäß Figur 1 mit erfindungsgemäß ausgebildeten hybriderregten und polumschaltbaren Rotoren zeigen die Figuren 6 bis 9 in schematischer Darstellung.
In den Figuren 6a und 6b ist ein Rotor IIa im Querschnitt dargestellt, bei dem die zwei Erregerspulen 18 aus Figur 3 durch vier über dem Umfang gleichmäßig verteilte Erregerspulen 18a mit jeweils halber Windungszahl ersetzt sind. Dabei ist die Stromrichtung in den Erregerspulen 18a durch Pfeile angegeben.
Demzufolge ergibt sich gemäß Figur 6a im Zusammenwirken der Permanentmagnete 17 und der Erregerspulen 18a am Rotorumfang eine zwölfpolige Anordnung und durch den Richtungswechsel des Stromes in den Erregerwicklungen 18a gemäß Figur 6b eine vierpolige Ausbildung am Rotorumfang. Für beide Polzahlen bleibt die Polfolge über den Rotorumfang symmetrisch, wodurch eine gleichmäßig magnetische und thermische Belastung des Rotors gewährleistet ist.
In den Figuren 7a, 7b und 7c ist eine Maschine 10a mit einem Rotor IIb schematisch im Querschnitt dargestellt, der lediglich eine an den Wickelköpfen in zwei Hälften 18a geteilte Erregerspule 18 aufweist, welche in zwei einander diametral gegenüberliegende Nuten 19 des Rotors 11 eingesetzt ist. Dabei sind die beiden Teile 18a der Erregerspule 18 an den Wickelköpfen um eine Rotorwelle 21 herumgeführt. Außerdem sind dort zwei Permanentmagnete 17 mit abwechselnder, radialer Polarität um jeweils 90° zu den zwei Nuten 19 der
Erregerspule 18 versetzt am Umfang des Rotors 12 angeordnet.
Bei dieser Ausführung hat das Ständerblechpaket 15a der Maschine 10a gemäß Figur 7a am Innenumfang 18 Nuten 14, in denen eine Ständerwicklung 13 mit drei Phasen R, S, T bei einer Lochzahl n = 1 eingesetzt ist. Daraus ergibt sich, dass bei einer Nut je Phase und Pol die Ständerwicklung 13 sechspolig ausgebildet ist. Bei der durch Pfeile dargestellten Stromrichtung in den beiden Hälften 18a der Erregerspule 18 ergibt sich für Figur 7b am Rotorumfang die Ausbildung von sechs nahezu gleichstarken Polen abwechselnder Polarität. Bei einer Stromrichtungsumkehr in der Erregerspule 18 ändert auch der dadurch elektrisch erregte Magnetfluss Φe seine Richtung, so dass sich nunmehr gemäß Figur 7c am Rotorumfang nur noch zwei Pole ausbilden, die jeweils über den halben Umfang verteilt sind.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel nach den Figuren 8a, 8b und 8c ist wiederum nur eine in einander diametral gegenüberliegende Nuten 19 eingesetzte Erregerspule 18 am Rotor 11c dargestellt, welche beispielsweise an ihren beiden Wickelköpfen um jeweils eine Hälfte der nicht dargestellten Rotorwelle herumzuführen ist. Hier sind jedoch vier Permanentmagnete 17 am Rotorumfang angeordnet, wobei zwischen den beiden Nuten 19 jeweils zwei
Dauermagnete 17 mit gleicher radialer Polarität vorgesehen sind. Dabei haben die Permanentmagnete 17 einen etwa gleichgroßen Abstand zueinander und zu den Nuten 19 des Rotors llc. Bei dieser Ausführung hat das Ständerblechpaket 15b der Maschine 10b gemäß Figur 8a am Innenumfang 30 Nuten 14, in denen eine Ständerwicklung 13 mit drei Phasen R, S, T bei einer Lochzahl n = 1 eingesetzt ist. Daraus ergibt sich, dass bei einer Nut je Phase und Pol die Ständerwicklung 13 zehnpolig ausgebildet ist. Bei der dargestellten Polarität der vier Permanentmagnet 17 und der durch einen Pfeil gekennzeichneten Stromrichtung in der Erregerspule 18 ergibt sich in Figur 8b am Rotorumfang eine zehnpolige Ausbildung von Nord- und Südpolen in abwechselnder Polfolge. Gemäß Figur 8c lässt sich diese Ausführung durch eine Umkehrung der Stromrichtung in der Erregerspule 18 in eine zweipolige Anordnung umsteuern, wobei die obere Hälfte des Rotorumfangs als Südpol und die untere als Nordpol ausgebildet wird.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß Figur 9a, 9b und 9c ist wiederum eine Erregerspule 18 in zwei einander diametral gegenüberliegende Nuten eines Rotors Hd eingesetzt. Dort sind jedoch nunmehr sechs Permanentmagnete 17 am Rotorumfang derart angeordnet, dass zwischen den Nuten 19 jeweils drei Permanentmagnet 17 mit gleicher radialer Polarität einen etwa gleich großen Abstand zueinander beziehungsweise zu den Nuten haben. Bei dieser Ausführung hat das Ständerblechpaket 15c der Maschine 10c gemäß Figur 9a am Innenumfang 42 Nuten 14, in denen eine Ständerwicklung 13 mit drei Phasen
R, S, T bei einer Lochzahl n = 1 eingesetzt ist. Daraus ergibt sich, dass bei einer Nut je Phase und Pol die Ständerwicklung 13 vierzehnpolig ausgebildet ist. Auch hier wird durch eine Umsteuerung der durch Pfeile dargestellten Stromrichtung in der Erregerspule 18 am Rotorumfang die Polzahl umgesteuert. Dabei ergibt sich bei der vorgegebenen Stromrichtung gemäß Figur 9b am
Rotorumfang eine vierzehnpolige Ausbildung mit etwa gleich starken Polen abwechselnder Polarität. Bei einer Stromrichtungsumkehr in der Erregerspule 18 gemäß Figur 9c werden nunmehr die elektrisch erregten Pole zu beiden Seiten der Nuten 19 umgepolt und es entsteht über den Rotorumfang eine zweipolige symmetrische Ausbildung mit einem Nordpol auf der oberen und einem Südpol auf der unteren Hälfte des Rotorumfangs.
Bei den Ausführungsbeispielen nach Figur 6 bis 9 ist die Ausbildung des magnetischen Feldes über den Rotorumfang durch einen entsprechenden Feldlinienverlauf dargestellt, wobei der Magnetfluss der Permanentmagnete 17 mit Φm sowie der elektrisch erregte Magnetfluss mit Φe bezeichnet ist. Ferner ist bei den Ausführungsbeispielen zur Erzielung einer möglichst gleichmäßigen Polverteilung am Rotorumfang für die höhere Polzahl des Rotors 11 von Bedeutung, dass die Permanentmagnete 17 zu den benachbarten Nuten 19 beziehungsweise zueinander jeweils einen Umfangsabstand a haben, welcher der Umfangsbreite b der Permanentmagnete 17 entspricht.
Durch die Anordnung der radial magnetisierten Permanentmagnete 17 am Umfang des Rotors 11 ist es möglich, diese in einfacher Weise im zusammengebauten Zustand des Rotors aufzumagnetisieren. Da jeweils eine gleich große Zahl von Nord- und Südpolen vorhanden ist, hebt sich beim Magnetisiervorgang mittels einer von außen auf den Rotorumfang aufgesetzten Magnetisiervorrichtung der magnetische Fluss durch die Permanentmagnete auf. Da außerdem die Nordpole zu den Südpolen einen großen Abstand besitzen, lassen sie sich auf ihrer ganzen Breite bis hin zu ihren Kanten gut aufmagnetisieren, wobei die Feldlinien beim Aufmagnetisiervorgang an den Polkanten keine störenden Streuflüsse aufweisen. Durch die Anordnung der Erregerspulen 18 radial unterhalb der Permanentmagnete 17 ist es sogar möglich, die Aufmagnetisierung der Permanentmagnete 17 mittels Stromstöße in der Erregerspule 18 vorzunehmen.
In den Figuren 10, 11 und 12 sind weitere Varianten der Ständerwicklung 13 der elektrischen Maschine 10 und deren Verschaltung mit dem Brückengleichrichter 33 dargestellt. So ist gemäß Figur 10 die Maschine 10d mit einer fünfphasigen Ständerwicklung 13b ausgestattet, deren fünf Phasenstränge zu einer sogenannten Stern- Reihenschaltung miteinander verbunden sind. Statt dessen kann auch eine echte Sternschaltung oder eine Ring- Reihenschaltung in Betracht kommen. Die fünf Ausgänge der Ständerwicklung 13b sind mit je einem Eingang der fünf Diodenbrücken des Brückengleichrichters 33a verbunden . Der Regler 32 ist auch hier zur Versorgung der Erregerspule 18 am Ausgang des
Brückengleichrichters 33a angeschlossen.
Gemäß Figur 11 und 12 ist die Ständerwicklung 13c der Maschine sechsphasig ausgebildet, wobei gemäß Figur 11 die sechs Phasenstränge Rl, Sl, Tl und R2, S2, T2 in einer Doppel-Sternschaltung verschaltet sind. Die sechs Ausgänge der Ständerwicklung 13c sind hier mit je einem Eingang der sechs Diodenbrücken des Brückengleichrichters 33b verbunden. Gemäß Figur 12 sind die sechs Phasenstränge Rl, Sl, Tl und R2, S2, T2 in einer Doppel-Dreieckschaltung verschaltet, wobei auch hier die sechs Ausgänge der Ständerwicklung 13c mit je einem Eingang der sechs Diodenbrücken des Brückengleichrichters 33b verbunden sind.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, zumal bei größeren und leistungsstarken Maschinen mit hybriderregtem Rotor eine hohe Polzahl durch eine entsprechend höhere Anzahl von Erregerspulen 18 und Permanentmagneten 17 zu realisieren ist. Derartige Maschinen lassen sich an ortsfesten Wechselstrombeziehungsweise Drehstromnetzen sowohl zur Regelung der Blindleistung über den Erregerstrom als auch zur Drehzahlumschaltung verwenden. So ist es beispielsweise möglich, bei einer elektrischen Maschine, deren Ständerwicklung zwischen zwei und sechs Polen umschaltbar ist, durch die Umsteuerung der Rotorpole die Maschinendrehzahl auf das Dreifache zu erhöhen beziehungsweise auf ein Drittel zu reduzieren. Bei derartigen elektrischen Maschinen, die mit einem Umrichter beziehungsweise Wechselrichter im Motorbetrieb arbeiten, lässt sich ferner durch die Steuerung des Erregerstromes am Rotor 11 eine Feldschwächung realisieren, die zu einer Erhöhung der Drehzahl führt, sofern über eine Rückkopplung die Schaltfrequenz des Umrichters erhöht wird.
Die Erregerspulen 18 sind bei allen Ausführungsformen der Erfindung mit einer
Schrittweite SW am Umfang des Rotors 11 angeordnet, die der Polteilung Pt der jeweils kleineren Polzahl entspricht.
Die Permanentmagnete 17 sind dabei als Flachmagnete, Schalenmagnete oder als sogenannte Brotlaibmagnete ausgebildet und am Rotorumfang angeordnet, indem sie beispielsweise gemäß Figur 1 und 2 in entsprechende Ausnehmungen des Rotors 11 befestigt sind oder gemäß Figur 4 bis 7 in entsprechende tangential am Rotorumfang angeordnete Schlitze axial eingeschoben sind. Eine Wiederholung der Muster im Rotor kann zur Ausbildung größerer Polzahlen realisiert werden. So ist beispielsweise die Anordnung nach Figur 6a und 6b eine Verdoppelung der Anordnung aus Figur 7b und 7c.

Claims

Ansprüche
1. Elektrische Maschine (10) mit einem ortsfesten Ständer (12), der eine vorzugsweise mehrphasige Ständerwicklung (13) trägt und mit einem Rotor, der über einen Arbeitsluftspalt (16) mit dem Ständer zusammenwirkt und der über seinen Umfang in einer vorgegebenen Folge mehrere durch Permanentmagnete
(17) und durch mindestens eine Erregerspule (18) elektrisch erregte Pole aufweist, wobei die Polzahl des Rotors in Abhängigkeit von Stärke und Richtung eines Erregerstromes (Ie) in der mindestens einen Erregerspule umsteuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (11) einen Eisenkern aus einem in Achsrichtung lamellierten Blechpaket (25) aufweist, welches zur Aufnahme der mindestens einen Erregerspule (18) am Umfang mit Nuten (19) versehen ist, und dass die mindestens eine Erregerspule (18) mit einer Schrittweite (SW) am Umfang des Rotors (11) angeordnet ist, die der Polteilung (Pt) der kleineren Polzahl entspricht.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wickelköpfe (20) der mindestens einen Erregerspule (18) an den Stirnseiten des Blechpaketes (25) jeweils sehnenartig unterhalb mindestens eines am Rotorumfang angeordneten und radial magnetisierten Permanentmagneten (17) vorbeigeführt sind.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, vorzugsweise mehrphasiger Wechselstromgenerator für Kraftfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannung (Ua) der Ständerwicklung (13) durch eine Änderung von Stärke und Richtung des Erregerstromes (Ie) in der mindestens einen
Erregerspule (18) vorzugsweise last- und temperaturabhängig zwischen einem zulässigen Maximalwert und einem Minimalwert regelbar ist.
4. Elektrische Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Normalbetrieb der Maschine (10) der Rotor (11) die höhere Polzahl aufweist, wobei die Stärke und Richtung des Erregerstromes (Ie) in der mindestens einen Erregerspule (18) so gewählt ist, dass im Zusammenwirken mit den Permanentmagneten (17) am Rotorumfang etwa gleich starke Pole abwechselnder Polarität auftreten.
5. Elektrische Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (11) nur eine, in einander diametral gegenüberliegende Nuten (19) eingesetzte Erregerspule (18) aufweist, die vorzugsweise an den Wickelköpfen (20) geteilt um eine Rotorwelle (21) herumgeführt ist und mit mindestens zwei zwischen den Nuten (19) am
Rotorumfang angeordneten, einander diametral gegenüberliegenden Permanentmagneten (17) zusammenwirkt.
6. Elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Permanentmagnete (17) abwechselnder radialer Polarität zu den zwei Nuten (19) der Erregerspule (18) um jeweils 90° versetzt sind.
7. Elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass vier Permanentmagnete (17) am Rotorumfang angeordnet sind, wobei zwischen den Nuten (19) jeweils zwei Magnete mit gleicher radialer Polarität einen etwa gleich großen Abstand (a) zueinander und zu den Nuten (19) haben.
8. Elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sechs Permanentmagnete (17) am Rotorumfang angeordnet sind, wobei zwischen den Nuten jeweils drei Magnete mit gleicher radialer Polarität einen etwa gleich großen Abstand (a) zueinander beziehungsweise zu den Nuten (19) haben.
9. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (11) mindestens zwei, vorzugsweise vier, in um jeweils 90° zueinander versetzte Nuten (19) eingesetzte Erregerspulen (18) aufweist, welche mit vier zwischen den Nuten (19) am Rotorumfang angeordneten Permanentmagneten (17) abwechselnder radialer Polarität zusammenwirken.
10. Elektrische Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorzugsweise vier Permanentmagnete (17) zu den benachbarten Nuten (19) jeweils einen Umfangsabstand (a) haben, welcher der Umfangsbreite (b) der Magnete entspricht, so dass bei entsprechendem Erregerstrom in den Erregerspulen (18) am Rotorumfang die Magnetpole von einer höheren Polzahl, vorzugsweise von zwölf Polen auf eine niederen Polzahl, vorzugsweise vier Pole, umsteuerbar ist.
11. Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Polzahl der mehrphasigen Ständerwicklung (13) der höheren Polzahl des umsteuerbaren Rotors (11) entspricht .
12. Elektrische Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ständerwicklung (13) dreiphasig ausgebildet und in einer Stern- oder Dreieckschaltung mit dem Eingang eines Brückengleichrichters (33) verbunden ist.
13. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ständerwicklung (13b) fünfphasig ausgebildet und in einer Stern-, Ring- oder Stern-Reihenschaltung mit dem Eingang eines Brückengleichrichters (33a) verbunden ist.
14. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ständerwicklung (13c) sechsphasig ausgebildet und in einer Doppel-Stern- oder Doppel-Dreieckschaltung mit dem Eingang eines Brückengleichrichters (33b) verbunden ist.
15. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Brückengleichrichters (33) mit einem Regler (32a) verbunden und dessen Ausgang an der mindestens einen Erregerspule (18) des Rotors (11) angeschlossen ist, wobei der Regler (32a) in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung (Ua) am Brückengleichrichter (33) die
Stärke und Richtung des Erregerstromes zu ändern vermag.
16. Elektrische Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Rotor (11) an den beiden Stirnseiten seines Blechpaketes (25) jeweils ein Lüfter (28) angeordnet ist.
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