CN104377893A - 电机和用于制造和/或驱动电机的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于制造和/或驱动电机(10)的方法，所述电机(10)特别是如爪极发电机的发电机和/或如用于驱动内燃机的起动机的起动设备，在所述电机(10)中提供一个具有至少一个设置在极(22、23)之间的绕组束(51)的转子(20)，其中该绕组束(51)相对于极(22、23)至少部分地由绝缘装置(100)绝缘，其中借助至少一个导电的导出装置(110)平衡电压差，以最小化寄生电场的形成，所述导出装置(110)设置在一个绝缘的绝缘装置(100)内和/或上。此外本发明涉及具有用于执行所述方法的器件的电机(10)。
Description
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的用于制造和/或驱动电机的方法，所述电机特别是如爪极发电机的发电机和/或如用于驱动内燃机的起动机的起动设备。
此外本发明涉及根据权利要求5的前序部分所述的电机，特别是例如爪极发电机的发电机和/或例如用于驱动内燃机的起动机的起动设备。
背景技术
本发明基于根据独立权利要求所述类型的用于将机械能转变为电能或者逆向实施的用于将电能转变为机械能的电机。
本发明的主体是用于从汽车电路向机动车供给直流电压的电机，特别是爪极发电机。
从现有技术获知一种在机动车内把机械能转变为电能的发电机。为此大多使用爪极发电机。通常使用配备有电激励的发电机。该发电机产生交变电流，该交变电流通过整流器转变为直流电流，以便在机动车的直流电压汽车电路中使用该电流。在这种情况下为产生能量在机动车中尤其使用形式为爪极发电机的交流发电机。因为爪极发电机产生多相电流(Drehstrom)，多为三相，所以通常的机动车直流电压汽车电路需要整流。现有技术是基于半导体二极管的整流器。相应的发电机的转子包括转子轴，其上设置一个极芯、两个爪极和一个间隔垫圈。在转子轴或者转子转动的情况下转子相对于定子转动。转子在两侧借助轴承盖在滚动轴承中被引导。如果直流电流流过转子中的激励绕组，则产生一个磁场。只要该转子转动，定子绕组内的磁场就感生一个交流电压。
激励电路的供电通过场调节器实现。该调节器通常由PWM信号(脉冲宽度调制信号)驱动。根据占空比调节相应的激励电流。已知在转子轴上通过激励绕组的脉冲的驱动构成对地的电压差。由此通过电流脉冲发生A滚珠轴承的较强的负荷。B滚珠轴承不发生，因为其与对地的装配环绝缘。同样已知在A滚珠轴承中怎样发生负荷。在滚珠轴承的具有转子轴电位的内环和位于地电位的外环之间出现电压差。在滚珠上的连续的电位平衡被高电阻的滚珠轴承润滑脂阻止。测量表明，会暂时发生润滑脂的绝缘作用的失效。那时存在的低内阻有利于脉冲式的流过轴承的电流。于是在调节器的每一次开关过程中都可能出现电流脉冲。这种持久的负荷降低滚珠轴承的寿命。为了阻止通过滚珠轴承的电流脉冲，必须消除/减小轴上的电压。
现有技术DE 3511755 A1为此设置成通过滑动接触导出电荷载体。另一种可行性方案提供在电流路径上设置导电的部件，以便连续地而非脉冲式地消除电压差。已知的是导电的滚珠轴承和在滑环组件中导电部件的使用。在发电机区域内使用导电的涂层。此外已知绝缘的滚珠轴承，其中要么对内环要么对外环专门进行涂层，以阻止在滚珠轴承上的电流流动。在此处可选的方案是也可以使用陶瓷滚珠。
发明内容
具有相应的主权利要求或者并列权利要求的特征的根据本发明的电机和根据本发明的方法相对于现有技术具有优点：在用于制造和/或驱动电机的方法中最小化寄生电场的形成，所述电机特别是如爪极发电机的发电机和/或如用于驱动内燃机的起动机的起动设备，在所述电机中设有具有至少一个设置在极之间的绕组束的转子，其中该绕组束相对于极至少部分地用绝缘装置绝缘，其中借助至少一个导电的导出装置平衡电压差，该导出装置设置在绝缘的绝缘装置内和/或上。特别地，由此显著降低或者阻止了轴和地之间的电压差，而不会出现在轴上的电流流动和/或必须使轴与滑环组件的接地的滑环接触。因此实现轴对电机接地和绝缘滚珠轴承的绝缘。此外保证了尽可能快地进行电位平衡。轴和地之间的电压差被显著地减小或者可以被有效地阻止。另外能够没有问题地实现H桥的可靠使用。
电机的转子在一种实施方式中包括两个爪极、一个极芯和所述转子轴。两个爪极在一种实施方式中构造为爪极和简称对极的配对爪极。极芯由这两个爪极包围。在一种实施方式中爪极和对极具有多个爪极指，例如六个、七个、八个或者九个爪极指。爪极指的数目尤其在爪极上和对极上构造为相同。优选在极芯上设置一个激励绕组，其也由爪极确切说由爪极和对极的爪极指包围。爪极和极芯设置在可转动的转子轴上。转子轴优选构造为棒状，例如构造为具有圆形横截面的圆棒。
通过在从属权利要求中描述的措施能够实现在独立权利要求和并列的权利要求中给出的设备的有利的扩展和改进。
在一种实施方式中规定，导出装置至少部分地集成在绝缘装置内。例如电导线由至少一个绝缘的层，例如纸层、优选由两个纸层包围。所述至少一个纸层优选用树脂浸渍和/或用树脂涂敷。
另一种实施方式规定，导出装置与滑环组件导电连接，以便通过该滑环组件平衡电压差。该导电的连接例如通过电导线实现。
另一种实施方式又规定，为了对绕组束或者场绕组进行快速解除调节(entregelung)，至少一个调节装置设有至少一个快速解除调节措施，其中所述快速解除调节措施特别是通过H桥或者类H桥的电路执行。所述H桥电路特别是多功能地构造。
根据本发明的具有相应的主权利要求或者并列权利要求的特征的电机相对于现有技术具有优点：在所述电机、特别是如爪极发电机的发电机和/或如用于驱动内燃机的起动机的起动设备中，包括至少一个转子，该转子具有至少一个设置在极之间的绕组束，其中该绕组束借助绝缘装置相对于极绝缘，其中设有用于执行上述方法的设备，特别地，其中在绝缘装置内和/或上构造导电的导出装置，以最小化寄生电场的形成。特别地，由此显著降低或者阻止了轴和地之间的电压差，而不会出现在轴上的电流流动和/或必须使轴与滑环组件的接地的滑环接触。
在一种实施方式中规定，导出装置至少部分集成在所述绝缘装置内地构造。由此能够实现小结构的导出装置。所述导出装置在一种实施方式中构造为导电层。在这种情况下在一种实施方式中该导电层由一种材料或者由一种材料复合物构成，其优选为一种非铁磁的材料、一种顺磁的材料或者作为一种抗磁的材料。该材料优选为金或者铝或者为金化合物或铝化合物或者金合金或铝合金。所述导电层优选由一个纸层或者多个纸层包围。优选该纸层在树脂中浸渍和/或用树脂涂敷。该导电层在一种实施方式中与线导体或者类似物连接。
另一种实施方式规定，导出装置与滑环组件导电连接，以便通过该滑环组件平衡所述电压差。所述导电连接优选由导电层通过与其连接的金属线导体实现。
在另一种实施方式中规定，绝缘装置包括至少两个由绝缘材料、特别是由纸制成的层，在这两层之间至少部分地设置导出装置。在一种实施方式中提供多个绝缘层。在一种实施方式中导出装置具有所述导电层或者另外的导电的设备。该导电的设备优选通过电导线或者另一个导体与滑环组件连接。
另外，一种实施方式规定，导出装置根据法拉第笼的类型构造，以便屏蔽绕组束，特别是构造为导电层，优选构造为格栅状的和/或网状的层。
另一种实施方式同样地规定，设有至少一个调节装置，特别是场调节器，其具有至少一个用于绕组束或者场绕组的快速解除调节的快速解除调节器件，特别是具有H桥或者类H桥的电路的快速解除调节器件。
因此在转子中使用多层的绝缘纸。该纸优选包括至少三层，其中中间的层导电地构造。该导电层与滑环组件的接地滑环接触。在使用H桥的情况下该接触借助滑环实现，该滑环在给场线圈通电的情况下具有较小的相对于地的电压差。该中间的导电层完全地构造为网状或者格栅状。所述电机在汽车电路中用小于60V DC的额定电压驱动。该电机既可以以电动机方式也可以以发电机方式运行。
附图说明
本发明的实施例在附图中示出并且在下面的说明中详细解释。附图中：
图1以横截面图示出构造为爪极发电机的电机，
图2以横截面图示出具有转子和爪极的爪极发电机的一部分，
图3以透视图示意性地示出爪极发电机，并示出导出装置的导体的走向，
图4以示意性的各种横截面图示出导出装置及其工作方式，
图5以示意性的电路图示出电机的不同接入状态。
具体实施方式
图1以横截面图示出构造为爪极发电机的电机10，更确切说示出电机10的横截面，该电机在这里所示的实施方案中实施为机动车的用于将机械能转变为电能的爪极发电机。电机10具有双件式的外壳13，该外壳包括第一轴承盖13.1和第二轴承盖13.2。轴承盖13.1、13.2自身容纳所谓的定子16，该定子由基本上呈圆环形的定子铁芯17组成，并且在其径向向内取向的、沿轴向延伸的槽内置入或者嵌入(突出的)定子绕组18。该环形的定子16以其径向向内取向的表面包围转子20，其构造为爪极转子(这里未详细示出)。转子20包括爪极22和对极23(还参见图2)，它们也称为爪极板，在其外圆周上分别设有沿轴向延伸的爪极指24和25(也称为极)(还参见图2)。在已装配的状态下爪极22和对极23互相压紧，使得它们的在轴向延伸的爪极指24或25在转子20的圆周上交替地设置。由此在相反磁化的爪极指24和25之间产生磁性上必需的间隙，其也称为爪极间隙。转子20借助转子轴27和位于该转子轴的每一侧上的各一个滚动轴承28可转动地支承在相应的轴承盖13.1或者13.2中。
另外转子20具有两个轴向的端面，其上分别固定一个通风机30。该通风机30基本上由一个板状的或者圆盘状的区段组成，通风机叶片从该区段伸出。通风机30用于，通过轴承盖13.1和13.2内的开口40使电机10的外侧和电机10的内部空间之间能够进行空气交换以便实现空气冷却。为此开口40基本上设置在轴承盖13.1和13.2的轴向末端处，通过这些开口借助通风机30将冷却空气吸入电机10的内部空间内。该冷却空气通过通风机30的旋转径向向外加速，使得该冷却空气能够穿过冷却空气可通过的绕组突出部45。通过这一效果额外地冷却绕组突出部45。冷却空气在穿过绕组突出部45后或者在环流绕组突出部45后沿径向通过开口40到达外面。
在图1中右侧示出保护罩47，其保护转子20的各种部件不受周围环境影响和不接触污物。在这种情况下保护罩47覆盖所谓的滑环组件49，其用于给激励绕组51供给激励电流。围绕该滑环组件49设置冷却体53，其在这里用作正冷却体。轴承盖13.2用作所谓的负冷却体。在轴承盖13.2和冷却体53之间设置连接板56，其用于将设置在轴承盖13.2内的负二极管58与冷却体53内的在这里未示出的正二极管互相连接并且由此用作电桥电路。
线圈架60设置在极芯63的径向外侧。线圈架60的任务是，一方面使激励绕组51相对于爪极板22和23绝缘，另一方面在预制期间作为成形元件作用，尤其特别是在对于激励绕组线的绕制过程结束后。在这种情况下线圈架60连同两根连接导体66轴向地被推动到极芯63上，并且随后在两个爪极22和23之间轴向固定。
此外爪极指24和25搭接激励绕组51并且因此径向向外构成一种笼形件，其阻止激励绕组51的不允许的径向移动。连接导体66在两个爪极指25之间亦即在两个所谓的极根之间在爪极板23上向外导引，最后径向向内朝向在这里未详细示出的接触面引导。使连接导体66形成接触地并且具有强度地固定(焊接、钎焊)在借助导电轨69与滑环72形式的供电元件连接的该接触面上。线圈架60具有壁75，其设置在激励绕组51和爪极板22之间。与之类似在线圈架60的另一侧上，亦即在其接近滑环组件49的一侧上同样设有壁78。极芯63也可以在轴向分成模制在爪极板22和23上的两个区段。这里极芯长度是极芯63的单个区段的和。激励绕组51或设置在极22、23之间的绕组束51通过绝缘装置100绝缘。在绝缘装置100上或内设有导出装置110，其在下面还将详细说明。
图2用横截面图示出具有转子20和爪极22、23的爪极发电机的一部分。图2的实施方式基本上相应于已经在图1中说明的实施方式。因此省略对已经说明的结构零件的重新说明。相同的结构零件用相同的附图标记表示。电机10的局部主要示出具有转子轴27的转子20。该转子轴27单件式地实施。转子轴27具有圆形的横截面。该转子轴沿转子20的轴向A延伸。在转子20的在这里示出的装配状态下，爪极22和对极23通过压紧在转子轴27上与其以防止相对转动的方式连接。在极22、23之间设置绕组束或者激励绕组51。该激励绕组51由绝缘装置100包围，使得该激励绕组绝缘地设置。通过导出装置110，绝缘装置100与滑环组件49导电连接，这在下面详细示出。
图3以透视图示意性地示出构造为爪极发电机的电机10的一部分，并且示出导出装置110的导体111的走向。除了连接导体66之外还设有导体111并且该导体111延伸到绝缘装置100内，这在下面详细说明。在这里为更好地理解而未示出对极23的爪极指或者整个对极23。
图4以示意性的各种横截面图示出导出装置110和其工作方式。在图4a中示意地示出导出装置110在爪极发电机内的设置。导出装置110的导体111从导电轨出发沿对极23向绝缘激励绕组51的绝缘装置100延伸。如在示意的横截面图4b中放大并且以局部所示，绝缘装置100构造为多层的纸绝缘101。在这种情况下纸绝缘101在所示实施方式中包括两层纸。在另一种实施方式中可以把其它的绝缘材料用作层。导出装置110的区段112在两层纸之间、由两层纸以三明治方式包围地延伸。该由纸层包围的区段112与导体111导电连接。区段112在所示实施方式中作为导电层112a构造。该导电层112a沿纸层延伸。这些纸层在所示实施方式中朝向爪极22、23之间的气隙的方向开放，使得绕组束51没有被完全包围。为稳定和改善绝缘功能，使用的纸另外由树脂包围和/或浸渍。因此产生在图4c中所示的具有部分集成的导出装置110的绝缘装置100的层结构。从绕组束51(图4c中右边)出发连接一个纸层113。其优选构造为用树脂浸渍的和/或设有或者涂敷有树脂的纸层113。其后(图4c中在从右向左的方向上)是区段112，其构造为导电层112a。该导电层112由相应导电的材料制造，例如由非铁磁的、顺磁的或者抗磁的材料制造。例如该材料为金、铝和/或为相应的金合金或铝合金或者金化合物或铝化合物。另外与该区段112邻接的是另一纸层113。因此区段112以三明治形式设置在两个纸层113之间。这些纸层113在这里所示的实施方式中相同地构造。这就是说，第二纸层113也用树脂浸渍和/或用树脂涂敷。然后与第二纸层113相邻的是爪极22。此外用表示在通电的情况下形成的电场。在这种情况下每一个纸层113构成一个电场该电场因此被导电的区段112分开。在图4c中各电场的电场方向通过相应的箭头表示。为说明起见一条参考线从附图标记朝向说明电场方向的箭头延伸。在接通调节器FET时分别构建电场该电场在绕组束(转子绕组)51和爪极22之间构建。然而该构建的电场具有比在常规的爪极发电机的情况下显著更小的场强，因为导电层112a非常低电阻地与地连接。因此在接通调节器FET时在转子绕组51和层112a之间已经发生电位平衡。因此仅一个具有非常小的场强的电场在爪极上作用，使得在爪极22上构建一个显著减小的电压。在图4d中示出在接通爪极发电机时与常规的爪极发电机相比较的电压曲线。根据图示显然，常规爪极发电机情况下的电压曲线120具有强烈的电压波动。相反，本发明的解决方案具有实际上没有任何电压波动的电压曲线121。横轴表示时间单位。纵轴表示电压。
图5用示意性的电路图示出在驱动电机10的情况下激励电路控制器的不同的接入状态。在这种情况下图5a示出在给场线圈通电的情况下的电流走向I。图5概括性地示出H桥的结构。在这种情况下示出两条支路的并联电路，在这些支路内在地与工作电压Ub之间串联两个半导体元件。串联的半导体元件之间的电位被导出给激励绕组。根据本发明代替通常使用的高侧调节器(High-Side-Regler)使用H桥或者类H桥的电路。由此能够实现附加的功能。在图5a以及图5b中示出没有附加功能的正常运行。在图5a中示出了激磁线圈通电的情况之后，在图5b中示出空转的情况。在图5c中描绘快速放电(Schnellentladung)的附加功能。使用该电路能够实现绕组束或者场绕组的快速解除调节。两个线圈连接端子在这里相对于常规运行反接。通过用于消除励磁电流的运行方式能够获得相对于空转情况显著改善的动态的特性。在快速解除调节的情况下引入滚珠轴承的能量由转子能力的大小限制。在快速放电的情况下这种能力限制不存在，因为此时在接地滑环和轴之间不存在接触。所述接地滑环在这种情况下是这样的滑环，其在给场线圈通电的情况下具有相对于地的较小的电压差。在图5d中详细示出绝缘装置100/导电层112的接触。滑环在正常运行中、亦即在通电的情况下和在空转的情况下具有地电位。与接地滑环的接触通过各滑环的导电轨实现。具有H桥的电路也称为4象限调节器。电流走向是通过连接端子Ub和高开关段通过碳刷和第一滑环72朝向绕组束51或者激励绕组51通过具有集成的导出装置110的绝缘装置100继续通过另一极的滑环72和所属的碳刷140接地。在空转(图5b)的情况下电流走向作为圆从激励绕组51通过高部分H继续朝向低部分L并且返回激励绕组51。在快速去调节的情况下电流走向通过二极管D实现。在这种情况下通过相对于正常情况反接连接端子通电进行快速放电(图5a)。在这种情况下在地线上存在运行电压Ub。
Claims (10)
1.用于制造和/或驱动电机(10)的方法，所述电机特别是如爪极发电机的发电机和/或如用于驱动内燃机的起动机的起动设备，在所述电机中设有具有至少一个设置在极(22、23)之间的绕组束(51)的转子(20)，其中所述绕组束(51)相对于所述极(22、23)至少部分地由绝缘装置(100)绝缘，其特征在于，
借助至少一个导电的导出装置(110)平衡电压差，以最小化寄生电场的形成，所述导出装置设置在绝缘的绝缘装置(100)内和/或上。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述导出装置(110)至少部分地集成在所述绝缘装置(100)内。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
所述导出装置(110)与滑环组件(49)导电连接，以便通过所述滑环组件(49)平衡所述电压差。
4.根据上述权利要求1至3中任意一项所述的方法，其特征在于，
为了对所述绕组束(51)进行快速解除调节，至少一个调节装置设有至少一个特别是通过H桥或者类H桥的电路执行的快速解除调节措施。
5.电机(10)，特别是如爪极发电机的发电机和/或如用于驱动内燃机的起动机的起动设备，所述电机包括至少一个转子(20)，所述转子(20)具有至少一个设置在极(22、23)之间的绕组束(51)，其中所述绕组束(51)相对于所述极(22、23)借助绝缘装置(100)绝缘，其特征在于，
设有用于执行根据上述权利要求1至4中任意一项所述的方法的器件，特别地，在所述绝缘装置(100)内和/或上构造导电的导出装置(110)。
6.根据权利要求5所述的电机(10)，其特征在于，
所述导出装置(110)至少部分地集成在所述绝缘装置(100)内。
7.根据权利要求5或6所述的电机(10)，其特征在于，
所述导出装置(110)与滑环组件(49)导电连接，以通过所述滑环组件(49)平衡所述电压差。
8.根据上述权利要求5至7中任意一项所述的电机(10)，其特征在于，
所述绝缘装置(110)包括至少两个由绝缘材料、特别是由纸制成的层，在这两层之间至少部分地设置所述导出装置(110)。
9.根据上述权利要求5至8中任意一项所述的电机(10)，其特征在于，
所述导出装置(110)根据法拉第笼的类型制造，以便屏蔽所述绕组束(51)，特别是构造为导电层(112)，优选构造为格栅状的和/或网状的层。
10.根据上述权利要求5至9中任意一项所述的电机(10)，其特征在于，
设有至少一个调节装置，特别是场调节器，该调节装置具有至少一个用于所述绕组束(51)的快速解除调节的快速解除调节器件，特别是具有H桥或者类H桥的电路的快速解除调节器件。
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