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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, vorzugsweise einen
Generator mit einem hybriderregten Klauenpolläufer nach
der Gattung des Anspruchs 1.
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Klauenpolmaschinen
finden ihre breite Anwendung für die Erzeugung von elektrischer
Energie in Bordnetzen von Kraftfahrzeugen. Ihr Klauenpolläufer
ist in den meisten Fällen mit einer elektromagnetischen
Erregung versehen, wobei eine Erregerspule des Läufers über
Schleifringe von einem drehzahl- und lastabhängig geregelten
Erregerstrom versorgt wird. Darüber hinaus sind Generatoren
mit einer gemischten, so genannten Hybriderregung bekannt, welche
mindestens ein elektromagnetisch und ein permanent magnetisch erregtes
Modul haben. Beide Module des Läufers wirken dabei in den
meisten Fällen gemeinsam auf ein mehrphasiges Wicklungssystem
im Ständer der Maschine ein, wobei sich die von beiden
Modulen induzierten Spannungen addieren.
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Aus
der Druckschrift
US-PS 4,882,515 ist
gemäß
8 ein hybriderregter Klauenpolläufer
bekannt, bei dem ein permanent magnetisch und ein elektromagnetisch
erregtes Modul auf der Läuferwelle axial nebeneinander
befestigt sind. Das permanent magnetische Modul ist dabei mit einen
Dauermagnetring ausgerüstet, der in Axialrichtung unipolar
magnetisiert ist. Hierbei ist von Nachteil, dass der Dauermagnetring
mit einer unmagnetischen Hülse von der Läuferwelle
magnetisch entkoppelt werden muss, da sonst die Welle den Dauermagneten
magnetisch kurzschließt. Diese Hülse wird aus
einem teueren Material hergestellt und je nach Dicke der Hülse geht
ein mehr oder weniger großer Streufluss des Dauermagnetringes über
die Läuferwelle und schwächt so den Hauptfluss
durch das Ständer-Bleckpaket mit der Ständerwicklung.
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Aus
der Druckschrift
DE-OS
41 07 867 A1 ist außerdem gemäß
1 ein ähnlicher
Klauenpolläufer bekannt, bei dem jedoch das permanent magnetische
Modul aus zwei außen liegenden Klauenpolscheiben mit je
einem axial magnetischen Dauermagnetring und einer dazwischen angeordneten
gemeinsamen Polklaue besteht. Auch hier müssen die Dauermagnetringe
in nachteiliger Weise gegen die Welle magnetisch entkoppelt werden.
Darüber hinaus ist aus
6 ein hybriderregter
Läufer bekannt, der axial neben dem elektrisch erregten
Klauenpolmodul noch ein weiteres Modul mit Einzelmagneten aufweist,
die am Außenumfang eines Magnetjochs in gleichen Abständen
verteilt, jeweils zwischen zwei am Joch angeformten Polen angeordnet
sind (Einzelpol-Ausführung). Die Einzelmagnete sind dabei
unipolar in Radialrichtung magnetisiert. Dabei ist von Nachteil,
dass diese Systeme nur eine geringe magnetische Auslastung haben,
aufwändig in ihrer Herstellung sind und in den Jochpolen
Wirbelstromverluste verursachen, die gemeinsam mit am zahnförmigen
Läuferumfang verursachten Luftwirbeln zu erhöhter
Geräuschbildung führen.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit
der vorliegenden Lösung wird angestrebt, bei elektrischen
Maschinen mit einer Hybriderregung im Läufer die Leistungsdichte
der Maschine, insbesondere des permanent magnetischen Modules zu
erhöhen, um damit die elektrische Erregung gegebenenfalls
mit zunehmenden Drehzahlen reduzieren zu können.
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Dies
wird bei elektrischen Maschinen durch die kennzeichnenden Merkmale
des Anspruchs 1 erreicht. Diese Maschinen haben den Vorteil einer
erhöhten Leistungsdichte am Läufer, einer möglichen Reduzierung
des Erregerstromes im elektromagnetischen Modul, eine höhere
Standzeit durch weniger Verschleiß an den Schleifringen
und Bürsten, sowie geringe Wirbelstromverluste in den Klauen.
Als weiteren Vorteil erhält man durch kürzere
Klauenpolfinger bedeutend kleinere mechanische Spannungen in den
Klauen und eine weniger aufwändige Fertigungstechnologie
für die Klauen durch Kaltverformung, gegebenenfalls ohne
Schleifprozesse an den Polfingern. Die Teile der Läufermodule
sind außerdem konstruktiv robust und können leicht
auf niedrige Betriebstemperatur gehalten werden.
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Durch
die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
ergeben zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.
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Um
für das permanent magnetische Modul des Klauenpolläufers
magnetisch hochwirksame Materialen wie so genannte Selten-Erden-Magnete
oder kunststoffgebundene Magnetwerkstoffe verwenden zu können,
müssen die Magnete gegen mechanische Spannungen sowie gegen
hohe Wirbelstromverluste durch das pulsierende Magnetfeld möglichst gut
geschützt werden. Dies wird in vorteilhafter Weise dadurch
erreicht, dass der Dauermagnetring mit seinem Außenumfang
in einer entsprechend großen Bohrung einer Klauenpolscheibe
des permanent magnetischen Klauenpolmodules befestigt ist. Zur Erzielung
einer möglichst hohen magnetischen Durchflutung des permanent
magnetischen Moduls wird ferner vorgeschlagen, in beide Klauenpolscheiben
jeweils einen Dauermagnetring einzusetzen, wobei vorzugsweise beide
Dauermagnetringe auf einem gemeinsamen Flussleitring voneinander
beabstandet in jeweils einer Bohrung der Klauenpolscheiben befestigt
sind. Beide Dauermagnetringe müssen dabei zueinander entgegen
gesetzt radial magnetisiert sein. Im Normalfall sind die radial
magnetisierten Dauermagnetringe einteilig ausgebildet. Um jedoch mechanisch
empfindliche, magnetisch hochwirksame Werkstoffe wie Selten-Erden-Magnete
oder so genannte SMC-Magnete (soft magnetic composed) als gesinterte
Blöcke verwenden zu können, wird als besonders
zweckmäßige Ausführungsform vorgeschlagen,
dass der Dauermagnetring ein weichmagnetischer Ringkörper
ist, der gleichmäßig über den Umfang
verteilte Taschen aufweist, in welche radial magnetisierte Dauermagnete
eingesetzt sind. Zur besseren Kühlung und thermischen Entkopplung
des Dauermagnetrings von heißen Bauteilen wie zum Beispiel
die Erregerspule wird dieser vorzugsweise in der außen
liegenden Klauenpolscheibe angeordnet. Um die benachbarten Module
möglichst gut thermisch und magnetisch gegeneinander zu
entkoppeln, wird vorgeschlagen, dass die mindestens zwei Klauenpolmodule
voneinander vorzugsweise durch einen magnetisch unwirksamen Distanzring
axial beabstandet auf der Läuferwelle befestigt sind. Alternativ
ist es möglich, dass die axial benachbarten Klauenpolmodule
um eine Polteilung gegen einander versetzt und entgegen gesetzt
radial polarisiert werden. Sind dagegen alternativ die benachbarten
Klauenpolmodul nicht gegen einander versetzt, so ist es zur Erzielung
einer kompakten Bauweise vorteilhaft, wenn die beiden benachbarten
Klauenpolmodule eine gemeinsame Mittelklaue haben, die mit vorzugsweise beidseitigen
zylindrischen Ansätzen auf der Läuferwelle befestigt
ist. Hierbei ist es zur Reduzierung der Bauteile vorteilhaft, wenn
der Dauermagnetring in der außen liegenden Klauenpolscheibe
des permanent magnetischen Klauenpolmodules auf dem einen zylindrischen
Ansatz der Mittelklaue befestigt ist.
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Bei
einer Ausführungsform, die ohne Schleifringe am Läufer
auskommt, wird in vorteilhafter Weise das elektromagnetische Klauenpolmodul
als Leitstückläufer ausgebildet, wobei die Erregerwicklung an
einer stationären Polplatte befestigt ist, die am Außenumfang über
einen Ringluftspalt mit einem Polfinger-Ring zusammenwirkt, der
an den Polfingern der anderen Klauenpolscheibe, vorzugsweise der
Mittelklaue befestigt ist. Die thermische Belastung des Läufers
wird in zweckmäßiger Weise dadurch reduziert,
dass auf mindestens einer der beiden außen liegenden Klauenpolplatten
des Klauenpolläufers, insbesondere an der des elektromagnetischen
Klauenpolmodules ein Lüfter befestigt ist.
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Zur
Erzielung einer punktsymmetrischen Belastung der elektromagnetischen
und permanent magnetischen Module ist es vorteilhaft, wenn die Module zwei
unterschiedliche Luftspaltgrößen zum Ständer-Bleckpaket
haben, wobei das permanent magnetische Modul vorzugsweise den größeren
Luftspalt aufweist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Figuren in mehreren
Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
elektrische Maschine mit hybriderregtem Klauenpolläufer
im Längsschnitt mit elektromagnetischem und permanent magnetischem Klauenpolmodul,
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2 einen
Dauermagnetring der Maschine aus 1 mit Einzelmagnete
in Draufsicht,
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3 einen
Abschnitt des Außenumfangs der beiden Module, als Abwicklung
dargestellt,
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4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel der Maschine mit einem Distanzring
zwischen beiden Läufermodulen,
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5 und 6 zeigen
in Abwandlung zu 2 zwei entgegen gesetzt radial
magnetisierte Dauermagnetringe der Maschine nach 4,
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7 zeigt
als drittes Ausführungsbeispiel eine elektrische Maschine
mit zwei zueinander versetzten Klauenpolmodulen im Längsschnitt,
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8 zeigt
einen Abschnitt des Außenumfangs der beiden Module aus 7 in
Abwicklung,
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9 zeigt
als viertes Ausführungsbeispiel eine elektrische Maschine
im Längsschnitt mit einer gemeinsamen Mittelklaue,
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10 zeigt
einen Abschnitt des Außenumfangs der beiden Module aus 9 in
Abwicklung,
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11 zeigt
als fünftes Ausführungsbeispiel die elektrische
Maschine in schleifringloser Ausführung eines Klauenpolläufers
nach 9 und
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12 zeigt
einen Abschnitt des Außenumfanges vom Klauenpolläufer
aus 11 in Abwicklung.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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1 zeigt
in vereinfachter Form eine elektrische Maschine 10 im Längsschnitt
als erstes Ausführungsbeispiel, die als Drehstromgenerator
vorzugsweise zur elektrischen Versorgung von Bordnetzen in Kraftfahrzeugen
verwendet wird. Die Maschine 10 hat ein stationäres
Ständer-Blechpaket 11 mit einer darin eingesetzten,
mehrphasigen Ständerwicklung 12. Über
einen am Innenumfang des Ständer-Blechpaketes 11 liegenden
Arbeitsluftspalt 13 wirkt die Ständerwicklung 12 mit
einem Klauenpolläufer 14 zusammen, der eine Hybriderregung
aufweist. Die Hybriderregung wird durch zwei auf seiner Läuferwelle 15 angeordnete
Erregermodule 16 gebildet, die mit gleicher Polzahl axial
nebeneinander angeordnet sind. Das rechte Modul ist hier ein Klauenpolmodul 16a mit
einer Erregerspule 17 zur elektromagnetischen Erregung.
Dieses Klauenpolmodul 16a besteht in an sich bekannter
Weise aus zwei axial beabstandeten Klauenpolscheiben 18 mit
am Außenumfang ineinander greifenden Polfingern 19.
Das linke Erregermodul ist ein permanent magnetisches Klauenpolmodul 16b mit
zwei axial beabstandeten Klauenpolscheiben 20, die ebenfalls
an ihrem Außenumfang ineinander greifende Polfinger 19 haben. Der
Klauenpolläufer 14 ist mit seiner Läuferwelle 15 in
zwei Lagerflansche 21 gelagert, die mit dem Ständer-Blechpaket 11 verspannt
sind. Die Anzahl der am Außenumfang einer jeden Polscheibe 18, 20 gleichmäßig
verteilt angeformten Polfinger 19 entspricht der Polpaarzahl
der elektrischen Maschine 10. Die Erregerspule 17 des
elektromagnetischen Klauenpolmodules 16a wird über
zwei am hinteren Ende der Läuferwelle 15 angeordnete
Schleifringe 22 über nicht dargestellte Bürsten
mit einem last- und drehzahlgeregelten Gleichstrom versorgt. An
der Außenseite der außen liegenden Klauenpolscheibe
des rechten elektromagnetischen Klauenpolmodules 16a ist
ein Kühllüfter 23 befestigt.
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Das
permanent magnetische Modul 16b hat einen Dauermagnetring 25,
der eine unipolare radiale Magnetisierung aufweist. Diese Magnetisierung bildet
am Außenumfang des Dauermagnetringes 25 einen
Südpol S und am Innenumfang einen Nordpol N. Der Dauermagnetring 25 ist
gemäß 1 über einen weichmagnetischen
Flussleitring 26 auf der Läuferwelle 15 befestigt.
Dieser Flussleitring 26 nimmt zusammen mit der Läuferwelle 15 den
gesamten Magnetfluss Φm des Dauermagnetringes 25 auf.
Alternativ zum Flussleitring 26 kann hier auch eine entsprechende
Verdickung der Läuferwelle 15 vorgesehen werden.
Der Dauermagnetring 25 ist in einer entsprechend großen
Bohrung 18a der außen liegenden Klauenpolscheibe 18 des
permanent magnetischen Klauenpolmodules 16b an seinem Außenumfang
befestigt, so dass er relativ niedrigen Betriebstemperaturen ausgesetzt
ist. Dieser Dauermagnetring 25 erzeugt im permanent magnetischen
Klauenpolmodul 16b einen durch Pfeile dargestellten Magnetfluss Φm,
der vom innen liegenden Nordpol N zunächst über
den Flussleitring 26 axial zur innen liegenden Klauenpolscheibe 20,
dann radial nach außen durch diese Klauenpolscheibe 20 bis
zu ihren Polfingern 19 geführt wird. Von dort
gelangt er über den Arbeitsluftspalt 13 in das
Ständer-Blechpaket 11 mit der Ständerwicklung 12 und
von dort erneut über den Arbeitsluftspalt 13 zu
den benachbarten Polfingern 19 der vorderen Klauenpolscheibe 20.
Von dort wird er schließlich radial zum Südpol
des Dauermagnetringes 25 zurückgeführt.
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Zur
Verwendung hochwirksamer empfindlicher Magnetwerkstoffe ist für
den Dauermagnetring 25 eine besondere, in 2 in
der Draufsicht dargestellte Ausführungsform vorgesehen.
Er besteht aus einem weichmagnetischen Ringkörper 25a,
der über den Umfang gleichmäßig verteilte
Taschen 27 aufweist, in die radial magnetisierte Einzelmagnete 28 eingesetzt
sind.
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In
gleicher Weise wie das permanent magnetische Klauenpolmodul 16b wird
auch das elektromagnetische Klauenpolmodul 16a mit einem
elektrisch erregten Magnetfeld durchsetzt. Dabei erzeugt die Erregerspule 17 bei
entsprechender Stromflussrichtung einen Magnetfluss Φe,
der an der innen liegenden Klauenpolscheibe 18 radial nach
außen zu den Polfingern 19 geführt wird,
von dort über den Arbeitsluftspalt 13 und über
das Ständer-Blechpaket 11 zu den Polfingern 19 der
außen liegenden Klauenpolscheibe 18 und von dort
in Radialrichtung zu einem auf der Läuferwelle 15 befestigten
Polkern 29 gelangt. Da die jeweils innen liegenden Klauenpolscheiben 20 der
beiden Erregermodule 16 von je einem Magnetfluss in gleicher
radialer Richtung durchsetzt werden, können sie mit geringem
Abstand nebeneinander auf der Läuferwelle 15 angeordnet
sein, ohne sich gegenseitig zu beeinflussen. 3 zeigt
den abschnittsweisen Außenumfang der beiden Klauenpolmodule 16a und 16b als
Abwicklung. Die beiden Erregermodule sind nicht gegen einander versetzt,
so dass sich jeweils die Polfinger 19 der äußeren
und der innen Klauenpolscheiben 20 paarweise gegenüberliegen.
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4 zeigt
in einem zweiten Ausführungsbeispiel eine elektrische Maschine 10a.
In Abwandlung zu 1 sind hier die Schleifringe 22 innen
am Lagerflansch 21 verlegt und die beiden Klauenpolmodule 16a und 16b sind
hier voneinander durch einen magnetisch unwirksamen Distanzring 31 axial
beabstandet auf der Läuferwelle 15 befestigt.
Außerdem ist hier in beide Klauenpolscheiben 18 jeweils
ein Dauermagnetring 25b, 25c eingesetzt. Beide
sind hier auf einen gemeinsam Flussleitring 26 voneinander
beabstandet befestigt. 5 und 6 zeigen die
beiden Dauermagnetringe 25b und 25c jeweils in der
Draufsicht. In Verbindung mit 4 ist erkennbar, dass
die beiden Permanentmagnetringe 25b und 25c zueinander
entgegen gesetzt radial magnetisiert sind. Der Dauermagnetring 25b in
der äußeren Klauenpolscheibe 20 ist mit
außen liegendem Nordpol radial magnetisiert und der Dauermagnetring 25c in
der innen Klauenpolscheibe 20 ist umgekehrt mit innen liegendem
Nordpol N radial magnetisiert. Der Magnetfluss Φm des permanent
magnetischen Moduls 16a ist gegenüber dem in 1 umgekehrt.
Durch Änderung der Stromrichtung in der Erregerspule 17 des
elektromagnetischen Moduls 16a wird ebenfalls eine Umkehr
des Magnetflusses Φe erreicht, so dass sich auch hier beide
Magnetflüsse Φm und Φe nicht beeinflussen.
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7 zeigt
ein drittes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine 10b,
die in ihrem wesentlichen konstruktiven Aufbau der Maschine 10a aus 4 entspricht.
In Abänderung zu 4 werden
hier jedoch die beiden axial benachbarten Klauenpolmodule 16a und 16b um
eine Polteilung gegen einander versetzt. 8 zeigt
einen Abschnitt vom Außenumfang der Klauenpolscheiben 18 und 20 mit ihren
Polfingern als Abwicklung. Dort ist erkennbar, dass die Polfinger 19a der
jeweils außen liegenden Klauenpolscheibe 20 beider
Module 16a, 16b ebenso wie die Polfinger 19b der
innen liegenden beiden Klauenpolscheiben 20 zueinander
um je eine Polteilung p in Umfangsrichtung versetzt sind. Um hierbei in
der Ständerwicklung 12 der elektrischen Maschine 10b von
beiden Erregermodulen 16 gleichgerichtete Spannungen zu
induzieren, wird die Stromrichtung in der Erregerspule 17 nun
so gewählt, dass die beiden innen liegenden Klauenpolscheiben 20 der
benachbarten Klauenpolmodule 16a, 16b einen zueinander entgegen
gesetzt gerichteten, durch Pfeile in 7 dargestellten
Magnetfluss Φm und Φe haben. Um auch die Drehmomentbelastungen über
die Länge des Klauenpolläufers 14 möglichst
punktsymmetrisch ausbilden zu können, haben das elektromagnetische
Klauenpolmodul 16a und das permanent magnetische Klauenpolmodul 16b unterschiedliche Luftspaltgrößen
zum Ständer-Blechpaket 13. Gemäß der
Ausführung nach 7 ist das permanent magnetische
Klauenpolmodul 16b mit einem größeren Arbeitsluftspalt 13a versehen.
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9 zeigt
als viertes Ausführungsbeispiel eine elektrische Maschine 10c,
welche in Abänderung zur Maschine aus 1 eine
Mittelklaue 32 hat. Diese Mittelklaue 32 vereinigt
die beiden innen liegenden Klauenpolscheiben 18 und 20 der
Klauenpolmodule 16a und 16b der Maschine 10 aus 1. Diese
Mittelklaue 32 ist ferner mit je einem zylindrischen Ansatz 32a und 32b auf
der Läuferwelle 15 befestigt. Während
der rechte Ansatz 32a die Erregerspule 17 des
elektromagnetischen Klauenpolmoduls 16a trägt,
ist auf dem linken Ansatz 32b der Dauermagnetring 25 vom
permanent magnetischen Klauenpolmodul 16b befestigt.
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In 10 ist
an einem Abschnitt vom Außenumfang des Klauenpolläufers 14 in
einer Abwicklung dargestellt, dass sich gemäß 3 die
Klauenpolfinger 19 der äußeren Klauenpolscheibe 20 paarweise gegenüber
liegen. Diese wirken nun mit Polfingern 19c zusammen, die
sich paarweise an der Mittelklaue 32 angeordnet gegenüber
stehen.
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11 zeigt
in einem fünften Ausführungsbeispiel eine elektrische
Maschine 10d, die in Abänderung der Ausführung
nach 9 ein als so genannten Leitstückläufer
ausgebildetes elektromagnetisches Klauenpolmodul 16c hat.
Die Erregerspule 17 ist hier auf einer Schulter 33b einer
stationären Polplatte 33 befestigt und wird über
Anschlussleitungen 34 schleifringlos von einem geregelten
Gleichstrom versorgt. Die Polplatte 33 wirkt am Außenumfang über
einen Ringluftspalt 35 mit einem Polfinger- Ring 36 zusammen,
welche an den Polfingern 19c der Mittelklaue 32 befestigt
ist. Die Polplatte 33 ist hier über einen Kragen 33a am
hinteren Lagerflansch 21 fixiert.
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12 zeigt
einen Abschnitt vom Außenumfang des Klauenpolläufers 14 in
seiner Abwicklung, wonach der Klauenfingerring 36 über
einen Träger 37 aus Vergussmasse an den Polfingern 19c der
Mittelklaue 32 befestigt ist.
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Diese
Ausführungsform lässt sich problemlos auch bei
einem Klauenpolläufer mit separatem permanent magnetischen
Modul 16b realisieren, wobei anstelle der Mittelklaue dann
zwei inneren Klauenpolscheiben vorhanden sind. Der Klauenfingerring 36 wird
dann an der Klauenpolscheibe des elektromagnetischen Klauenpolmoduls
befestigt.
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Bei
allen Ausführungsbeispielen sind gleiche Teile mit gleichen
Bezugszahlen versehen.
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Die
Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt, da eine Vielzahl von Alternativen möglich ist.
So lassen sich beispielsweise bei hybriderregten Maschinen auch
mehrere elektromagnetische und permanent magnetische Klauenpolmodule 16a, 16b in
Sandwichbauart auf der Läuferwelle 15 anordnen. Bei
mehreren axial nebeneinander liegenden Klauenpolmodulen können
gegenüber herkömmlichen Klauenpolläufern
die Klauen relativ kurz gehalten werden. Das hat den Vorteil, dass
bei höheren Drehzahlen in den Klauen kleinere mechanische
Spannungen auftreten, so dass hierfür auch ferromagnetische
Pulververbundwerkstoffe eingesetzt werden können, mit denen
sich Wirbelstromverluste in den Klauen erheblich reduzieren lassen.
Auch im Ständer der Maschine kann anstelle eines Blechpaketes
ggf. ein ferromagnetischer Verbundwerkstoff verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 4882515 [0003]
- - DE 4107867 A1 [0004]