WO2011036135A1 - Elektrische maschine mit einem rotor mit hybrider erregung - Google Patents

Elektrische maschine mit einem rotor mit hybrider erregung Download PDF

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WO2011036135A1
WO2011036135A1 PCT/EP2010/063844 EP2010063844W WO2011036135A1 WO 2011036135 A1 WO2011036135 A1 WO 2011036135A1 EP 2010063844 W EP2010063844 W EP 2010063844W WO 2011036135 A1 WO2011036135 A1 WO 2011036135A1
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WO
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stator
rotor
machine according
winding
electrical machine
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/063844
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hubert Greif
Ngoc-Thach Nguyen
Alexander Mueller
Kurt Reutlinger
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2011036135A1 publication Critical patent/WO2011036135A1/de

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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/16Stator cores with slots for windings
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/04Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for rectification
    • H02K11/049Rectifiers associated with stationary parts, e.g. stator cores
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/02Details
    • H02K21/04Windings on magnets for additional excitation ; Windings and magnets for additional excitation
    • H02K21/042Windings on magnets for additional excitation ; Windings and magnets for additional excitation with permanent magnets and field winding both rotating
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/04Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
    • H02K5/15Mounting arrangements for bearing-shields or end plates

Definitions

  • the invention is based on an electric machine, as described in DE 10 2007 025 971 AI.
  • Machine is particularly suitable for use in motor vehicles, since they are operated both as a generator and as a starter and therefore can replace a second machine.
  • the rotor of this machine has in a predetermined sequence permanent magnetic and electrically excited poles, wherein the number of poles of the rotor is reversible depending on the strength and the direction of the electrical excitation.
  • JP-2008 125 324 A an electric claw-pole machine for motor vehicles is known, which can be used as a generator and as an engine in motor vehicles.
  • the stator of the machine is constructed with sheets, which are partially bent or extended outwards and so on the one hand form an additional Jochquerrough in the region between the stator winding and the machine housing and on the other hand protrude in the manner of cooling ribs on the outer circumference of the stator core, whereby the Derivation of the heat generated in the machine is improved.
  • the electric machine according to the invention with the features of the independent claim has the advantage over the cited prior art, that the larger magnetic flux forming in the changeover of the number of poles in the yoke of the stator of the machine can be accommodated by the special design of the yoke cross section without the overall dimensions of the machine must be increased.
  • Statorjoch is formed on the one hand stepped and on
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through an inventive, pole-changing machine
  • Figure 2 is a circuit diagram of a machine according to the invention with a three-phase, connected in the star
  • Figure 3 shows a cross section through the magnetically active
  • FIG. 4a-e schematic representations of various embodiments of the laminated stator core. Embodiments of the invention
  • Figure 1 is a section through an electric machine 10 in the embodiment as an alternator for
  • This one has a two-part Housing 13, which consists of a first bearing plate 13.1 and a second bearing plate 13.2.
  • the bearing plate 13.1 and the bearing plate 13.2 receive a stator 16, with a stator lamination 17, in the inwardly open and axially extending grooves 19, a stator winding 18 is inserted.
  • the annular stator 16 surrounds with its radially inwardly directed surface a rotor 20 which is formed as a hybrid-excited rotor.
  • the stator 16 acts in this case via a working air gap with the rotatably mounted in the stator 16 rotor 20.
  • the rotor 20 has over its circumference in a predetermined sequence on several north poles and south poles, by
  • Permanent magnets 24, 25 and are formed by the field winding 29.
  • the rotor 20 has a magnetically conductive body, which is designed as a laminated core 21.
  • the rotor core is laminated in the axial direction with a thickness between 0.1 mm and 2.0 mm. Below 0.1 mm is the
  • Eddy current losses on the outer surface of the rotor 20 is no longer sufficient, so that the built-permanent magnets 24, 25 can be damaged or demagnetized.
  • the axial length of the rotor laminated core 21 corresponds to the air gap of the axial length of the stator lamination 17, or is for a tolerance compensation up to 2 mm longer or shorter than the stator lamination 17 and is preferably held together by welds. It can be used instead of welds and rivets, or knobs.
  • the field winding 29 is formed as an example in the two-pole variant as a diameter coil and is located in grooves that are punched out of the laminated core 21.
  • the exciter winding 29 can be wrapped, for example, as a flyer winding (double flyer) directly into the rotor core 21.
  • the magnets 24, 25 are preferably used in punched-out pockets 41 in the rotor laminated core. This makes it possible to absorb the centrifugal forces occurring during operation and thereby ensure a secure hold of the magnets on the rotor.
  • a magnetic material a material with a remanence of greater than 1 T proves to be particularly advantageous.
  • These magnetic properties have in particular permanent magnets made of rare earth material. The magnets are in this case installed in the rotor so that they generate a substantially radial field. This field then passes from the rotor via the air gap in the
  • the Stator laminated core induces a voltage in the windings of the stator upon rotation of the rotor.
  • the rotor 20 is rotatably supported in the respective end shields 13.1 and 13.2, respectively, by means of a shaft 27 and one respective rolling bearing 28 located on each side of the rotor. It has two axial end faces, on each of which a fan 30 is attached. These fans are made in
  • openings 48 are provided at the axial ends of the bearing plates 13.1 and 13.2, via which cooling air is sucked into the interior of the electric machine 10 by means of the fan 30.
  • This cooling air is accelerated by the rotation of the fan 30 radially outward, so that they through the
  • Drive side and 51 pass on the electronics side and also this can cool.
  • the cooling air takes after passing through the winding heads 50, 51, or after flowing around the winding heads, a path radially outwardly through openings 52nd
  • Stator laminated core 17 are explained in more detail below with reference to the figures 4a-e. From the illustration according to FIG. 1, two basic design possibilities are already apparent, namely in the upper part of FIG. 1 a stepped embodiment of the laminated stator core, which is supported with radial shoulders on the bearing plates 13.1 and 13.2. In the lower part of Figure 1 is the
  • Stator laminated core 17 designed such that it is also radially flush with the end shields 13.1 and 13.2
  • this cap 47 covers an abrasive ingbauen 49, which supplies the excitation winding 29 with excitation current.
  • a heat sink 53 Around this slip ring assembly 49 around a heat sink 53 is arranged, here as Plus heat sink acts on the plus diodes or MOSFETs 59 are mounted.
  • a so-called minus heat sink of the bearing plate acts 13.2.
  • a connection plate 56 is arranged, which fixed in the end plate 13.2 minus diodes or MOSFETs 58 with the positive diodes or MOSFETs 59 in the form of a
  • Bridge circuit 69 connects to each other.
  • Figure 2 shows the circuit diagram of a three-stranded
  • Alternator for example in the embodiment as an alternator, with a converter 64 in the form of a synchronous rectifier or as a starter generator, in which the switching elements 58 and 59 cyclically by means of
  • Drive circuit 60 are connected to a DC voltage source 61.
  • a consumer 62 is over a
  • Switching elements 58,59 connected strands of the stator winding 18 are designated 71,72,73 and connected in the connection point 75 to a star.
  • the phase position in the stator winding 18 is designated 71,72,73 and connected in the connection point 75 to a star.
  • Stator winding 18 is monitored by a sensor 65, which provides corresponding signals to the drive circuit 60 for synchronous AnSteutation the switching elements 58 and 59 and for feeding the field winding 29 with the
  • Switching elements 58 and 59 used in conventional generators diodes and thereby form a synchronous to the phase position controlled rectifier, which has significantly lower losses during operation than a rectifier based on semiconductor diodes. The benefit of reduced losses when using
  • inverter 64 with controllable semiconductor switching elements opens up the possibility of forming the electric machine as a starter generator for the internal combustion engine, so that a separate starter is eliminated. In the case of reversing the machine to a lower number of poles is the
  • phase numbers and Verschaltungsart can run.
  • Particularly noteworthy are five-phase or six-phase systems in star or delta connection, whose execution is basically known and need not be discussed further here.
  • FIG. 3 shows the magnetically active part of an electric machine with 14 poles, which can be switched to two poles.
  • the figure shows a rotor 20, or a rotor plate 21, with two inwardly greatly widened grooves 40, on whose circumference two or fourteen poles are formed.
  • Single poles 32 on the right rotor half are as north poles and the electrically energizable poles 34 on the left
  • Permanent magnets 24 and 25 held in pockets 43 which are punched out in recessed areas 41 between the electrically energizable poles 32 and 34 of the rotor laminations 21. In the pockets 43, the permanent magnets are held securely, especially against the high centrifugal forces during operation of the machine.
  • the permanent magnets 24 and 25 are aligned such that their polarity at the air gap in each case with the polarity of the adjacent electrically energizable poles 32 and 34 alternates. This means that the
  • Permanent magnets are arranged so that between the north pole forming electrical poles 32 on the right rotor side of the permanent magnet 25 at the air gap in each case a south pole (S) is formed, while on the left half of the rotor, the permanent magnets 24 are arranged so that they form between the south poles electrically energized poles 34 each form a north pole (N) at the air gap.
  • S south pole
  • N north pole
  • the rotor 20 of an electrical machine constructed in accordance with FIG. 3 has a bipolar excitation ground field.
  • the exciter winding 29 is divided into two identical coils 29a and 29b, which are arranged on both sides of the rotor shaft 27 and in parallel circuit of half the excitation current Ie / 2, are flowed in the same direction in series connection of the full excitation current Ie.
  • the permanent magnets 24 and 25 are poled so that there is a magnetization with a total of 14 poles, of which eight are electrically and six
  • Power density of the electric machine are used here as permanent magnets preferably rare earth magnets.
  • ferrite magnets can be used as permanent magnets instead of rare earth magnets.
  • Electric machine according to the invention shows in Figure 3 a sheet metal section with 42 grooves and 42 teeth.
  • Stator laminated core 17 is divided into two in the radial direction and has an inner laminated core 37 with grooves 19, other yoke and plate designs result from the various representations of Figure 4.
  • FIG. 4 shows, in a simplified representation, various designs of stator lamination packages in which without
  • Jochqueronce A is present, which is the condition
  • the air gap induction ⁇ should be in a machine according to the invention in the range of 0.5T to 1.0T.
  • Statorjoch are preferably steel sheets with a saturation induction Bj of about 2.2T to 2.4T. From this follows the quotient ⁇ : Bj according to the invention for the design of the
  • A total cross section of the stator yoke 42
  • FIG. 4 a shows a first stator embodiment according to the invention, in which the cross-section A of the stator yoke 22 has a surface .about.2.2 .DELTA.N / N, the cross-sectional area being referred to radially outside the groove bottom of the stator slots as the yoke cross-section A.
  • the laminated core 17 has a uniform length and thickness and is characterized by the both end shields 13.1 and 13.2 secured in the axial and radial directions.
  • the bearing plates protrude over the
  • the laminated core is located in longitudinal grooves 19 the
  • FIG. 4b shows an embodiment of the laminated stator core 17 according to the invention, in which the stator yoke 22 is stepped, such that it has support surfaces for the stator yoke 22
  • End shields 13.1 and 13.2 forms and ends radially flush with the end plates 13.1 and 13.2.
  • the grading can be done both by subsequent processing of the
  • End shields with the laminated stator core reduce the diameter of the machine.
  • Figure 4c shows a stepped embodiment of the
  • Statorjochs 42 is partially larger than the axial length 1 of the rotor laminated core 21. This encloses the
  • Statorjoch 42 partially the winding heads 50 and 51 of
  • Statorblechwovenes and in particular of Statorj ochs 42 can be used to construct the laminated core 17 as in all other embodiments of Figure 4, both individual sheets and a roll edged upright. Due to the extension of the yoke 42 can its radial extent be reduced and thus the diameter of the entire machine.
  • the staging of the Statorj ochs 42 takes place only in the area above the groove bottom, at the air gap, the axial lengths of the rotor core and the
  • Stator laminated core same.
  • the support surfaces for locking the stator lamination 17 are formed on the end plates 13.1 and 13.2.
  • Figure 4d shows an embodiment in which a staging of the Statorj ochs 42 is carried out both following the groove bottom of the stator 19 and in the region of the outer circumference of the machine. An axial overhang of the Statorj ochs 42 is carried out both following the groove bottom of the stator 19 and in the region of the outer circumference of the machine. An axial overhang of the Statorj ochs 42 is carried out both following the groove bottom of the stator 19 and in the region of the outer circumference of the machine. An axial overhang of the Statorj ochs 42 is carried out both following the groove bottom of the stator 19 and in the region of the outer circumference of the machine. An axial overhang of the Statorj ochs 42 is carried out both following the groove bottom of the stator 19 and in the region of the outer circumference of the machine. An axial overhang of the Statorj ochs 42 is carried out both following the groove bottom of the stator 19 and in the region of the outer circumference of the machine. An axial overhang of the St
  • Statorjochs 42 extends so to the outer periphery of the machine, the shape of the radial conclusion between the stator och 42 and the end plates 13.1 and 13.2 corresponds to the embodiment of Figure 4b.
  • FIG. 4 e shows a further variant of the design of the stator yoke 42 with one step and one axial
  • Stator blades executed, which forms the support surfaces for the laminated core to the end plates 13.1 and 13.2.
  • the stator winding 18 is, as already explained with reference to Figure 2, preferably as a three-phase, in a star
  • stator as a whole, for example, in terms of the design of the stator as a flat package with subsequent rounding of the stator lamination 17 including the stator winding 18.
  • the axial extension of the stator yoke 42 has the advantage that the radial extension of the laminated stator core 17 can be reduced, whereby a flat-pack production of the stator is made possible or facilitated in individual cases.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine polumschaltbare elektrische Maschine, insbesondere einen Generator oder Startergenerator für ein Kraftfahrzeug, mit einem geblechten Rotor (20) mit einer axialen Blechpaketlänge l, einer in einer Anzahl N von Nuten (40) angeordneten Erregerwicklung (29) und weiteren, durch Permanentmagnete (24,25) gebildeten Polen. Der Stator (16) trägt eine mehrphasige Wicklung (18) und weist einen Querschnitt A seines Statorjochs (42) auf, welcher größer oder gleich einer Fläche von 0,2⋅D⋅I/N ist.

Description

Beschreibung
Titel
ELEKTRISCHE MASCHINE MIT EINEM ROTOR MIT HYBRIDER ERREGUNG
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Maschine, wie sie in der DE 10 2007 025 971 AI beschrieben ist. Eine derartige hybriderregte, polumschaltbare elektrische
Maschine eignet sich insbesondere für die Verwendung in Kraftfahrzeugen, da sie sowohl als Generator wie auch als Starter betrieben werden und daher eine zweite Maschine ersetzen kann. Der Rotor dieser Maschine besitzt in einer vorgegebenen Folge permanentmagnetische und elektrisch erregte Pole, wobei die Polzahl des Rotors in Abhängigkeit von der Stärke und der Richtung der elektrischen Erregung umsteuerbar ist. Weiterhin ist aus der JP-2008 125 324 A eine elektrische Klauenpolmaschine für Kraftfahrzeuge bekannt, welche als Generator und als Motor in Kraftfahrzeugen verwendet werden kann. Der Stator der Maschine ist mit Blechen aufgebaut, welche teilweise nach außen abgewinkelt oder verlängert sind und so einerseits im Bereich zwischen der Statorwicklung und dem Maschinengehäuse einen zusätzlichen Jochquerschnitt ausbilden und andererseits nach Art von Kühlrippen über den Außenumfang des Statorkerns hinausragen, wodurch die Ableitung der in der Maschine erzeugten Wärme verbessert wird .
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat gegenüber dem aufgezeigten Stand der Technik den Vorteil, dass der bei der Umschaltung der Polzahl sich ausbildende größere magnetische Fluss im Joch des Stators der Maschine durch die spezielle Gestaltung des Jochquerschnittes aufgenommen werden kann, ohne dass die Gesamtabmessungen der Maschine vergrößert werden müssen.
Da hierbei der für die kleinere Polzahl erforderliche größere Jochquerschnitt durch eine Vergrößerung der axialen Länge des Statorj ochs erreicht wird, können in der Regel die radialen Abmessungen des Ständer oches sogar verkleinert und damit die Außenabmessungen der Maschine reduziert werden. Andererseits ist es durch eine gestufte Ausführung des Statorjochs möglich, den Durchmesser der Maschine zu reduzieren, wenn sich deren Lagerschilde an einem radialen Absatz des Ständerj ochs abstützen und nicht über das Joch radial hinausragen, sondern im Wesentlichen auf gleicher Höhe mit dem Statorj och abschließen. Auch eine Kombination der vorgenannten Gestaltungen ist möglich, indem das
Statorjoch einerseits gestuft ausgebildet ist und am
Außenumfang der Maschine zwischen die Lagerschilde des Gehäuses hineinragt, und andererseits innerhalb des Gehäuses axial verlängert ist, wobei die axialen Verlängerungen des Jochs die Wickelköpfe der Statorwicklung teilweise
umschließen. Zur Verringerung der magnetischen Verluste ist der Stator der Maschine in grundsätzlich bekannter Weise in axialer Richtung geblecht ausgeführt, wahlweise durch eine Schichtung von Einzelblechen oder durch Hochkantrollen eines Blechpaketstreifens .
Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung der Ausführungsbeispiele.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert .
Es zeigen
Figur 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße, polumschaltbare Maschine,
Figur 2 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Maschine mit einer dreiphasigen, im Stern verschalteten
Statorwicklung,
Figur 3 einen Querschnitt durch den magnetisch aktiven
Teil einer erfindungsgemäßen elektrischen
Maschine und
Figur 4a-e Prinzipdarstellungen verschiedener Ausführungen des Statorblechpaketes. Ausführungsformen der Erfindung
In Figur 1 ist ein Schnitt durch eine elektrische Maschine 10 in der Ausführung als Wechselstromgenerator für
Kraftfahrzeuge dargestellt. Dieser weist ein zweiteiliges Gehäuse 13 auf, das aus einem ersten Lagerschild 13.1 und einem zweiten Lagerschild 13.2 besteht. Der Lagerschild 13.1 und der Lagerschild 13.2 nehmen einen Stator 16 auf, mit einem Statorblechpaket 17, in dessen nach innen offene und sich axial erstreckende Nuten 19 eine Statorwicklung 18 eingelegt ist. Der ringförmige Stator 16 umgibt mit seiner radial nach innen gerichteten Oberfläche einen Rotor 20, der als hybriderregter Rotor ausgebildet ist. Der Stator 16 wirkt hierbei über einen Arbeitsluftspalt mit dem im Stator 16 drehbar gelagerten Rotor 20 zusammen.
Der Rotor 20 weist über seinen Umfang in einer vorgegebenen Folge mehrere Nordpole und Südpole auf, die durch
Permanentmagnete 24, 25 sowie durch die Erregerwicklung 29 ausgebildet werden. Dabei lässt sich die Polzahl des Rotors 20 in Abhängigkeit von der Stärke und Richtung eines
Erregerstromes in der Erregerwicklung 29 und durch die Zahl der eingesetzten Permanentmagnete verändern. Der Rotor 20 besitzt einen magnetisch leitfähigen Körper, der als Blechpaket 21 ausgebildet ist. Das Rotorblechpaket ist in Achsrichtung laminiert mit einer Blechstärke zwischen 0,1 mm und 2,0 mm. Unterhalb 0,1 mm ist die
Widerstandsfähigkeit des Blechpaketes 21 gegen Fliehkräfte zu gering. Oberhalb von 2,0 mm ist die Verringerung des
Wirbelstromverluste auf der Außenfläche des Rotors 20 nicht mehr ausreichend, so dass die eingebauten Permanentmagnete 24, 25 geschädigt, beziehungsweise entmagnetisiert werden können .
Die axiale Länge des Rotorblechpaketes 21 entspricht am Luftspalt der axialen Länge des Statorblechpaketes 17, beziehungsweise ist für einen Toleranzausgleich bis zu 2 mm länger oder kürzer als das Statorblechpaket 17 und wird vorzugsweise durch Schweißnähte zusammengehalten. Es können statt Schweißungen auch Nieten, beziehungsweise Knöpfungen eingesetzt werden. Die Erregerwicklung 29 ist beispielhaft bei der zweipoligen Variante als Durchmesserspule ausgebildet und liegt in Nuten, die aus dem Blechpaket 21 ausgestanzt sind. Die Erregerwicklung 29 kann z.B. als Flyerwicklung (Doppelflyer) direkt in das Rotorblechpaket 21 eingewickelt werden.
Die Magnete 24, 25 werden vorzugsweise in ausgestanzte Taschen 41 im Rotorblechpaket eingesetzt. Hierdurch ist es möglich, die im Betrieb auftretenden Fliehkräfte aufzunehmen und dadurch einen sicheren Halt der Magnete auf dem Rotor zu gewährleisten. Als Magnetmaterial erweist sich ein Material mit einer Remanenzinduktion von größer 1 T als besonders vorteilhaft. Diese magnetischen Eigenschaften weisen insbesondere Permanentmagnete aus Seltenerde-Material auf. Die Magnete werden hierbei in den Rotor derart eingebaut, dass sie ein im Wesentlichen radiales Feld erzeugen. Dieses Feld tritt dann vom Rotor über den Luftspalt in das
Statorblechpaket ein und induziert bei Drehung des Rotors eine Spannung in den Wicklungen des Stators . Der Rotor 20 ist mittels einer Welle 27 und je einem auf je einer Rotorseite befindlichen Wälzlager 28 in den jeweiligen Lagerschilden 13.1 beziehungsweise 13.2 drehbar gelagert. Er weist zwei axiale Stirnflächen auf, an denen jeweils ein Lüfter 30 befestigt ist. Diese Lüfter bestehen im
Wesentlichen aus einem plattenförmigen, beziehungsweise scheibenförmigen Abschnitt, von dem Lüfterschaufeln in bekannter Weise ausgehen. Die Lüfter 30 dienen dazu, über Öffnungen 48 in den Lageschilden 13.1 und 13.2 einen
Luftaustausch zwischen der Außenseite und dem Innenraum der elektrischen Maschine 10 zu ermöglichen. Dazu sind Öffnungen 48 an den axialen Enden der Lagerschilde 13.1 und 13.2 vorgesehen, über die mittels der Lüfter 30 Kühlluft in den Innenraum der elektrischen Maschine 10 eingesaugt wird.
Diese Kühlluft wird durch die Rotation der Lüfter 30 radial nach außen beschleunigt, so dass sie durch die
kühlluftdurchlässigen Statorwickelköpfe 50 auf der
Antriebsseite und 51 auf der Elektronikseite hindurchtreten und auch diese kühlen kann. Die Kühlluft nimmt nach dem Hindurchtreten durch die Wickelköpfe 50, 51, beziehungsweise nach dem Umströmen der Wickelköpfe, einen Weg radial nach außen durch Öffnungen 52.
Verschiedene Möglichkeiten der Gestaltung des
Statorblechpaketes 17 sind weiter unten anhand der Figuren 4a-e näher erläutert. Aus der Darstellung gemäß der Figur 1 sind zwei grundsätzliche Gestaltungsmöglichkeiten bereits ersichtlich, nämlich im oberen Teil von Figur 1 eine gestufte Ausführung des Statorblechpaketes, welches sich mit radialen Absätzen an den Lagerschilden 13.1 und 13.2 abstützt. Im unteren Teil der Figur 1 ist das
Statorblechpaket 17 derart gestaltet, dass es ebenfalls radial bündig mit den Lagerschilden 13.1 und 13.2
abschließt, dabei aber mit axialen Verlängerungen 44 und 45 die Lagerschilde 13.1 und 13.2 hintergreift und dabei die Wickelköpfe 50 und 51 der Statorwicklung 18 teilweise umschließt .
In Figur 1 auf der rechten Seite befindet sich eine
Schutzkappe 47, die verschiedene Bauteile vor
Umgebungseinflüssen schützt. So deckt diese Schutzkappe 47 eine Schleif ingbaugruppe 49 ab, welche die Erregerwicklung 29 mit Erregerstrom versorgt. Um diese Schleifringbaugruppe 49 herum ist ein Kühlkörper 53 angeordnet, der hier als Pluskühlkörper wirkt, an dem Plusdioden oder MOSFETs 59 montiert sind. Als sogenannter Minuskühlkörper wirkt der Lagerschild 13.2. Zwischen dem Lagerschild 13.2 und dem Kühlkörper 53 ist eine Anschlussplatte 56 angeordnet, welche im Lagerschild 13.2 befestigte Minusdioden oder MOSFETs 58 mit den Plusdioden oder MOSFETs 59 in Form einer
Brückenschaltung 69 miteinander verbindet.
Figur 2 zeigt das Schaltschema einer dreisträngigen
Wechselstrommaschine, beispielsweise in der Ausführung als Wechselstromgenerator, mit einem Umrichter 64 in der Form eines Synchrongleichrichters oder als Startergenerator, bei dem die Schaltelemente 58 und 59 zyklisch mittels der
Ansteuerschaltung 60 mit einer Gleichspannungsquelle 61 verbunden werden. Ein Verbraucher 62 ist über eine
Schalteinrichtung 63 an die Gleichspannungsquelle 61 anschließbar. Die drei über Stromschienen mit den
Schaltelementen 58,59 verbundenen Stränge der Statorwicklung 18 sind mit 71,72,73 bezeichnet und im Verbindungspunkt 75 zu einem Stern verschaltet. Die Phasenlage in der
Statorwicklung 18 wird durch einen Sensor 65 überwacht, welcher entsprechende Signale an die Ansteuerschaltung 60 liefert zur synchronen AnSteuerung der Schaltelemente 58 und 59 und zur Speisung der Erregerwicklung 29 mit dem
Erregerstrom Ie. Im Falle der Ausführung der
erfindungsgemäßen elektrischen Maschine als Generator ersetzen die vorzugsweise als MOSFETs ausgebildeten
Schaltelemente 58 und 59 die bei herkömmlichen Generatoren verwendeten Dioden und bilden dabei einen synchron zur Phasenlage angesteuerten Gleichrichter, welcher im Betrieb deutlich geringere Verluste aufweist als ein Gleichrichter auf der Basis von Halbleiterdioden. Der Vorteil der reduzierten Verluste bei der Verwendung von
Halbleiterschaltelementen zur Gleichrichtung übertrifft deutlich den zusätzlichen Aufwand für deren
Ansteuerschaltung 60. Zudem eröffnet die Ausführung des Umrichters 64 mit steuerbaren Halbleiter-Schaltelementen die Möglichkeit, die elektrische Maschine als Startergenerator für die Brennkraftmaschine auszubilden, so dass ein separater Starter entfällt. Im Falle der Umsteuerung der Maschine auf eine niedrigere Polzahl wird der
Erregerwicklung 29 von der Ansteuerschaltung 60 ein negativer Erregerstrom eingeprägt, wodurch die Maschine schnell abgeregelt werden kann.
Selbstverständlich lassen sich auch andere Phasenzahlen und Verschaltungsarten ausführen. Besonders zu erwähnen sind hierzu fünfphasige oder sechsphasige Systeme in Stern- oder Dreieckschaltung, deren Ausführung grundsätzlich bekannt ist und hier nicht weiter erörtert werden muss.
In Figur 3 ist der magnetisch aktive Teil einer elektrischen Maschine mit 14 Polen dargestellt, welche auf zwei Pole umschaltbar ist. Die Abbildung zeigt einen Rotor 20, beziehungsweise ein Rotorblech 21, mit zwei nach innen stark verbreiterten Nuten 40, an dessen Umfang zwei oder vierzehn Pole ausgebildet werden. Die elektrisch erregbaren
Einzelpole 32 auf der rechten Rotorhälfte sind als Nordpole und die elektrisch erregbaren Pole 34 auf der linken
Rotorseite als Südpole gekennzeichnet. Zwischen den elektrisch erregbaren Polen 32 und 34 sind die
Permanentmagnete 24 und 25 in Taschen 43 gehalten, welche in ausgesparten Bereichen 41 zwischen den elektrisch erregbaren Polen 32 und 34 aus den Rotorblechen 21 ausgestanzt sind. In den Taschen 43 sind die Permanentmagnete sicher gehalten, insbesondere gegen die hohen Fliehkräfte im Betrieb der Maschine. Dabei sind die Permanentmagnete 24 und 25 derart ausgerichtet, dass sich ihre Polarität am Luftspalt jeweils mit der Polarität der benachbarten elektrisch erregbaren Pole 32 und 34 abwechselt. Dies bedeutet, dass die
Permanentmagnete so angeordnet sind, dass zwischen den Nordpole ausbildenden elektrischen Polen 32 auf der rechten Rotorseite von den Permanentmagneten 25 am Luftspalt jeweils ein Südpol (S) ausgebildet wird, während auf der linken Rotorhälfte die Permanentmagnete 24 so angeordnet sind, dass sie zwischen den Südpole ausbildenden, elektrisch erregten Polen 34 am Luftspalt jeweils einen Nordpol (N) bilden.
Der Rotor 20 einer gemäß Figur 3 aufgebauten elektrischen Maschine besitzt ein zweipoliges Erregergrundfeld. Die Erregerwicklung 29 ist in zwei gleiche Spulen 29a und 29b aufgeteilt, die beidseitig der Rotorwelle 27 angeordnet und bei Parallelschaltung jeweils vom halben Erregerstrom Ie/2, bei Reihenschaltung vom vollen Erregerstrom Ie gleichsinnig durchflössen sind. Die Permanentmagnete 24 und 25 sind so gepolt, dass sich eine Magnetisierung mit insgesamt 14 Polen ergibt, von denen acht elektrisch und sechs
permanentmagnetisch erregt sind. Zur Erzielung einer hohen
Leistungsdichte der elektrischen Maschine werden hierbei als Permanentmagnete vorzugsweise Seltenerd-Magnete eingesetzt. Bei geringeren Anforderungen an die Leistungsdichte können statt der Seltenerd-Magnete jedoch auch Ferrit-Magnete als Permanentmagnete verwendet werden.
Die Schnittdarstellung des Stators 16 einer
erfindungsgemäßen elektrischen Maschine zeigt in Figur 3 einen Blechschnitt mit 42 Nuten und 42 Zähne. Das
Statorblechpaket 17 ist in radialer Richtung zweigeteilt und besitzt ein inneres Blechpaket 37 mit Nuten 19, andere Joch- und Lamellengestaltungen ergeben sich aus den verschiedenen Darstellungen der Abbildung 4. Die Zähnezahl,
beziehungsweise die Nutzahl von N=42 ergibt dabei in Verbindung mit einer dreisträngigen Statorwicklung und der größeren Polzahl 2p=14 im Rotor eine Lochzahl q=l .
Figur 4 zeigt in vereinfachter Darstellung verschiedene Ausführungen von Statorblechpaketen, bei denen ohne
Vergrößerung des Außendurchmessers der Maschine ein
Jochquerschnitt A vorhanden ist, welcher die Bedingung
A ^ 0,2-D-— erfüllt. Diese Bemessung ergibt sich aus
N
folgender Überlegung:
Die Luftspaltinduktion Βδ sollte bei einer erfindungsgemäßen Maschine im Bereich von 0,5T bis 1,0T liegen. Für das
Statorjoch eignen sich vorzugsweise Stahlbleche mit einer Sättigungsinduktion Bj von cirka 2,2T bis 2,4T. Daraus folgt der erfindungsgemäße Quotient Βδ : Bj für die Bemessung des
Βδ l ^ 1
Jochquerschnittes zu A = -D-— 0,2-D .
Bj N N
Hierbei bezeichnen:
A = Gesamtquerschnitt des Statorjochs 42
D = Innendurchmesser des Stators 16
1 = axiale Luftspaltlänge = axiale Jochlänge am Luftspalt h = radiale Jochhöhe
Ν = Zahl der Erregernuten 40
Βδ = Luftspaltinduktion
Bj = maximale Jochinduktion
In Figur 4a ist eine erste erfindungsgemäße Statorausführung gezeigt, bei der der Querschnitt A des Statorjochs 22 eine Fläche ^ 0,2-D-l/N aufweist, wobei als Jochquerschnitt A die Querschnittsfläche radial außerhalb des Nutgrundes der Statornuten bezeichnet wird, in Figur 4 also jeweils die Fläche oberhalb der Statorwicklung 18. Das Blechpaket 17 besitzt eine einheitliche Länge und Dicke und ist durch die beiden Lagerschilde 13.1 und 13.2 in axialer und radialer Richtung gesichert. Die Lagerschilde ragen über das
Blechpaket hinaus und bestimmen den Gesamtdurchmesser der Maschine. Im Blechpaket liegt in Längsnuten 19 die
Statorwicklung 18, deren Wickelköpfe 50 und 51 deutlich über das Blechpaket 17 in axialer Richtung hinausragen, wobei der Raum zwischen den Wickelköpfen und dem Gehäuse 13 ungenutzt bleibt. Figur 4b zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Statorblechpaketes 17, bei dem das Statorjoch 22 gestuft ausgeführt ist, derart, dass es Stützflächen für die
Lagerschilde 13.1 und 13.2 ausbildet und radial außen bündig mit den Lagerschilden 13.1 und 13.2 abschließt. Die Stufung kann dabei sowohl durch nachträgliche Bearbeitung des
Blechpaketes mittels Andrehungen wie auch durch eine
Schichtung aus Lamellen mit entsprechend gestufter Größe ausgeführt sein. Durch den bündigen Abschluss der
Lagerschilde mit dem Statorblechpaket wird der Durchmesser der Maschine verringert.
Figur 4c zeigt eine gestufte Ausführungsform des
Statorblechpaketes 17, bei der die axiale Länge des
Statorjochs 42 bereichsweise größer ist als die axiale Länge 1 des Rotorblechpaketes 21. Hierbei umschließt das
Statorjoch 42 teilweise die Wickelköpfe 50 und 51 der
Statorwicklung und nutzt so den Freiraum zwischen der
Statorwicklung 18 und dem Maschinengehäuse 13 zur
Vergrößerung des Jochquerschnittes A. Zum Aufbau des
Statorblechpaketes und insbesondere des Statorj ochs 42 können wie bei allen anderen Ausführungen der Figur 4 sowohl Einzelbleche als auch ein hochkant gerollter Wickel zum Aufbau des Blechpaketes 17 verwendet werden. Durch die Verlängerung des Jochs 42 kann dessen radiale Ausdehnung reduziert werden und damit der Durchmesser der gesamten Maschine. Die Stufung des Statorj ochs 42 erfolgt nur im Bereich oberhalb des Nutgrundes, am Luftspalt sind die axialen Längen des Rotorblechpaketes und des
Statorblechpaketes gleich. Die Stützflächen zur Arretierung des Statorblechpaketes 17 sind an den Lagerschilden 13.1 und 13.2 ausgebildet.
Figur 4d zeigt eine Ausführungsform, bei der eine Stufung des Statorj ochs 42 sowohl im Anschluss an den Nutgrund der Statornuten 19 als auch im Bereich des Außenumfangs der Maschine durchgeführt ist. Ein axialer Überhang des
Statorjochs 42 erstreckt sich so bis zum Außenumfang der Maschine, die Form des radialen Abschlusses zwischen dem Stator och 42 und den Lagerschilden 13.1 und 13.2 entspricht der Ausführung gemäß Figur 4b.
Figur 4e zeigt eine weitere Variante der Gestaltung des Statorjochs 42 mit einer Stufung und einer axialen
Verlängerung. In dieser Ausführung ist eine Bearbeitung der Lagerschilde 13.1 und 13.2 nicht erforderlich. Stattdessen wird eine zweite äußere Stuf ng des Statorj ochs durch entsprechende Gestaltung und Dimensionierung der
Statorlamellen ausgeführt, welche die Stützflächen für das Blechpaket an den Lagerschilden 13.1 und 13.2 bildet.
Die Statorwicklung 18 ist, wie bereits anhand von Figur 2 erläutert, vorzugsweise als dreiphasige, im Stern
geschaltete Wicklung ausgeführt, wobei andere geeignete Gestaltungen der Wicklung möglich sind. Entsprechendes gilt für den Stator insgesamt, beispielsweise hinsichtlich der Ausführung des Stators als Flachpaket mit anschließendem Rundformen des Statorblechpaketes 17 einschließlich der Statorwicklung 18. Die axiale Verlängerung des Statorjochs 42 hat den Vorteil, dass die radiale Erstreckung des Statorblechpaketes 17 reduziert werden kann, wodurch eine Flachpaketfertigung des Stators im Einzelfall ermöglicht oder erleichtert wird.

Claims

Ansprüche
1. Elektrische Maschine mit veränderbarer Polzahl,
insbesondere Generator oder Startergenerator für ein
Kraftfahrzeug, mit einem geblechten Rotor (20) mit einer axialen Blechpaketlänge 1, einer in einer Anzahl N von Nuten (40) angeordneten Erregerwicklung (29) und weiteren, durch Permanentmagnete (24,25) gebildeten Polen, sowie mit einem eine mehrphasige Wicklung (18) tragenden Stator (16), der bei einem Innendurchmesser D einen Jochquerschnitt A aufweist, der größer oder gleich der Fläche 0,2-D-l/N ist.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass das Statorjoch (42) gestuft ausgebildet ist .
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Länge des Statorjochs (42) an dessen Außenumfang reduziert ist und einen Absatz () bildet zum Eingriff der Lagerschilde (13.1,13.2) des
Maschinengehäuses (13) . . Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Länge des Statorjochs (42) bereichsweise größer ist als die axiale Länge 1 des Rotorblechpaketes (21) .
5. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Statorjoch (42) die Wickelköpfe (50,51) der Statorwicklung (18) zumindest teilweise umschließt.
6. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser des Statorblechpaketes (17) im Wesentlichen gleich dem Außendurchmesser des Maschinengehäuses (13) ist. 7. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (16) mit einer vierzehnpoligen, mehrphasigen Wicklung (18) ausgeführt ist . 8. Elektrische Maschine nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, dass der Stator (16) mit einer
vierzehnpoligen, drei-, fünf- oder sechsphasigen Wicklung (18) in vorzugsweise zweiundvierzig Nuten (18) ausgeführt ist.
9. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (20) elektrisch zweipolig erregt ist und an seinem Umfang zwei Nuten (40,N=2) aufweist, in denen eine aus zwei im
Wesentlichen symmetrisch zur Rotorwelle (27) angeordneten Teilspulen (29a, b) bestehenden Erregerwicklung (29) liegt.
10. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (20) sechs permanentmagnetisch erregte Pole (24,25) und acht elektrisch erregte Pole (32,34) aufweist.
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