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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Klauenrotor einer elektrischen Rotationsmaschine mit Klauen, die Fasen mit gebogener Form haben. Die Erfindung findet eine besonders vorteilhafte, aber nicht ausschließliche Anwendung im Bereich der Generatoren und reversiblen elektrischen Maschinen für Kraftfahrzeuge. Ein Generator wandelt mechanische Energie in elektrische Energie um. Eine reversible Maschine ermöglicht es auch, elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln, insbesondere um den Verbrennungsmotor des Fahrzeugs zu starten.
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In bekannter Weise umfasst ein Generator, wie er in Dokument
EP0762617 beschrieben ist, aus einem Gehäuse und einem in diesem befindlichen Klauenrotor, der direkt oder indirekt mit einer Welle drehfest verbunden ist, und einem Stator, der den Rotor mit einem Luftspalt umgibt. Am vorderen Ende der Welle ist eine Riemenscheibe befestigt.
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Der Stator umfasst einen Körper in Form eines Blechpakets, der mit Nuten versehen ist, die mit einer Nutenisolierung zur Montage der Statorwicklung ausgestattet sind. Die Wicklung umfasst eine Mehrzahl von Phasenwicklungen, die durch die Nuten des Körpers verlaufen und gemeinsam mit allen Phasenwicklungen einen vorderen Wickelkopf und einen hinteren Wickelkopf auf beiden Seiten des Statorkörpers bilden. Die Wicklungen werden z.B. aus einem mit Emaille überzogenen Endlosdraht oder aus leitfähigen Elementen in Stabform, wie beispielsweise Stiften in Form eines „U“, erhalten, deren Enden zum Beispiel durch Schweißen miteinander verbunden sind.
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Diese Phasenwicklungen sind beispielsweise dreiphasige Wicklungen, die in Form eines Sterns oder Dreiecks verschaltet sind, deren Ausgänge an mindestens ein elektronisches Gleichrichtermodul mit Gleichrichterelementen wie Dioden oder Transistoren angeschlossen sind.
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Außerdem umfasst der Rotor zwei Polräder. Jedes Rad hat einen Flansch mit Querausrichtung, der an seinem Außenumfang mit Klauen versehen ist, die z.B. trapezförmig und axial orientiert sind. Die Klauen eines Rades sind axial zum Flansch des anderen Rades ausgerichtet. Jede Klaue eines Polrades dringt in den Raum ein, der zwischen zwei benachbarten Klauen des anderen Polrades liegt, so dass die Klauen der Polräder ineinander geschachtelt sind. Ein zylindrischer Kern ist axial zwischen den Flanschen der Räder angeordnet. Dieser Kern trägt an seinem Außenumfang eine Erregerwicklung, die auf einen radial zwischen dem Kern und dieser Wicklung angeordneten Isolator gewickelt ist.
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Es ist bekannt, dass diese Art von elektrischen Maschinen aufgrund der durch die vorhandenen Magnetkräfte erzeugten Schwingungen ein akustisches Betriebsgeräusch abgibt. Um dieses Betriebsgeräusch zu minimieren, ist es bekannt, Fasen ebener Form an der Kante der Klauen auszubilden, wie dies im Dokument
US5708318 beschrieben ist. Solche Fasen ermöglichen es jedoch nicht in jedem Fall, die von den Fahrzeugherstellern geforderten akustischen und elektrischen Leistungswerte zu erreichen.
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Die Erfindung hat zur Aufgabe, die akustische und elektrische Leistungsfähigkeit der Maschine zu verbessern, indem ein Rotor einer elektrischen Rotationsmaschine vorgeschlagen wird, umfassend zumindest ein Polrad aufweisend eine Mehrzahl an Klauen, wobei zumindest eine Klaue zumindest eine an einer Kante ausgebildete Fase umfasst, die sich zwischen einer Basis und einem freien Ende der besagten Klaue erstreckt, wobei der Rotor dadurch gekennzeichnet ist, dass die besagte Fase einen radialen Querschnitt in Form eines Kreisbogens hat. Der radiale Querschnitt entspricht dem Schnitt zwischen der Klaue und einer Ebene senkrecht zu einer Achse des Rotors.
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Die Erfindung ermöglicht somit eine stärkere Veränderung des magnetischen Flusses im Luftspalt im Vergleich zu einer Fasenkonfiguration mit geradem Querschnitt zu erhalten, was eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Geräuschreduzierung bei gleichzeitiger Erhöhung der von der elektrischen Maschine gelieferten Ausgangsstroms ermöglicht.
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Gemäß einer Ausführungsform liegt ein Verhältnis eines Krümmungsradius der Fase zu einem Außenradius des Rotors zwischen 0,5 und 0,9. Dieses Verhältnis ist besonders vorteilhaft für die Minimierung des magnetischen Betriebsgeräuschs der Maschine in einem bestimmten Drehzahlbereich, insbesondere zwischen 1800 und 4000 Umdrehungen/Minute.
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Gemäß einer Ausführung liegt ein Verhältnis eines Abstands zwischen einem Zentrum eines den Außenumfang des Rotors bildenden Kreises und einem Zentrum eines die Krümmung der Fase bildenden Kreises zu einem Außenradius des besagten Rotors zwischen 0,1 und 0,5.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die besagte Fase an einer Hinterkante einer Klaue ausgebildet.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die besagte Fase an einer Vorderkante einer Klaue ausgebildet.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine Klaue eine an einer Vorderkante ausgebildete Fase in Form eines Kreisbogens und eine an einer Hinterkante ausgebildete Fase in Form eines Kreisbogens.
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Gemäß einer Ausführungsform nimmt eine Oberfläche der Fase zum freien Ende der entsprechenden Klaue hin ab.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die besagte Oberfläche der Fase auf Höhe des freien Endes der Klaue im Wesentlichen null.
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Gemäß einer Ausführungsform hat die Klaue eine äußere radiale Oberfläche, wobei die Fase auf der besagten äußeren radialen Oberfläche ausgebildet ist.
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Gemäß einer Ausführungsform erstreckt sich die Fase axial zwischen der Basis und dem freien Ende der entsprechenden Klaue.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die besagten Klauen des besagten Polrades symmetrisch.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die besagten Klauen des besagten Polrades asymmetrisch.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst der besagte Rotor interpolare Magnete, die jeweils im Inneren eines Raumbereichs angeordnet sind, der zwei aufeinanderfolgende Klauen separiert.
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Gemäß einer Ausführungsform liegt ein Verhältnis einer maximalen Breite der besagten Fase zu einer Polteilung zwischen 0,16 und 0,37.
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Die Erfindung hat gleichermaßen eine elektrische Rotationsmaschine des Generatortyps oder eine reversible Maschine zum Gegenstand, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie einen Rotor umfasst, wie er vorstehend definiert ist.
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Die Erfindung wird besser beim Lesen der folgenden Beschreibung und beim Studium der sie begleitenden Figuren verstanden. Diese Figuren dienen der reinen Veranschaulichung, jedoch nicht der Einschränkung der Erfindung.
- Die 1 ist eine schematische Ansicht im Längsschnitt von einem Generator gemäß der vorliegenden Erfindung;
- Die 2 ist eine schematische Draufsicht einer Klaue des Polrades gemäß der vorliegenden Erfindung, die mit einer Doppelfase versehen ist;
- Die 3 ist eine schematische Vorderansicht einer Klaue des Polrades gemäß der vorliegenden Erfindung, die die Bogenform der Fasen veranschaulicht;
- Die 4 ist eine Grafik, die zwei Kurven zeigt, die den Geräuschpegel eines Generators in Abhängigkeit eines Verhältnisses zwischen einem Krümmungsradius der Fasen und einem Außenradius des Rotors darstellen, wobei jede Kurve einer bestimmten Drehzahl des Generators entspricht;
- Die 5 zeigt eine schematische Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Rotors mit asymmetrischen Klauen.
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Identische, ähnliche oder analoge Elemente behalten von einer Figur zur anderen dasselbe Bezugszeichen. Im Rahmen der Beschreibung wird angenommen, dass ein „vorderes“ Element auf der Seite der Riemenscheibe der Maschine angeordnet ist, und ein „hinteres“ Element auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet ist.
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1 zeigt einen kompakten, mehrphasigen Generator 10, insbesondere für Kraftfahrzeuge. Dieser Generator 10 wandelt mechanische Energie in elektrische Energie um und ist reversibel. Ein solcher reversibler Generator 10, Generator-Starter genannt, ermöglicht es, elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln, insbesondere um den Verbrennungsmotor des Fahrzeugs zu starten.
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Dieser Generator 10 umfasst ein Gehäuse 11 und in dessen Inneren einen auf einer Welle 13 montierten Klauenrotor 12, sowie einen Stator 16, der den Rotor 12 mit einem Luftspalt 17 umgibt. Auf der Welle 13 ist eine Riemenscheibe 14 befestigt. Diese Riemenscheibe gehört zu einer Vorrichtung zur Bewegungsübertragung mit Riemen zwischen dem Generator 10 und dem Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs. Die Achse X der Welle 13 bildet die Drehachse des Rotors 12 und der Polräder 24, 25.
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Der Stator 16 umfasst einen Körper 19 in Form eines Blechpaketes mit eingebrachten Nuten, z.B. des halbgeschlossenen Typs, die mit einer Nutenisolierung zur Montage der Phasen des Stators 16 ausgestattet sind. Jede Phase umfasst mindestens eine Wicklung, die durch die Nuten des Körpers 19 des Stators 16 verläuft und mit allen Phasen einen vorderen Wickelkopf 20 und einen hinteren Wickelkopf 21 auf beiden Seiten des Statorkörpers 19 bildet.
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Die Wicklungen werden beispielsweise aus einem mit Emaille überzogenen Endlosdraht oder aus leitfähigen Elementen in Stabform, wie beispielsweise Stiften, erhalten, die miteinander z.B. durch Schweißen verbunden sind. Diese Wicklungen sind z.B. dreiphasige Wicklungen, die im Stern oder Dreieck verschaltet sind, deren Ausgänge mit mindestens einer Gleichrichterbrücke umfassend Gleichrichterelemente wie Dioden oder Transistoren vom Typ MOSFET verbunden sind, insbesondere wenn es sich um einen Generator-Starter handelt, wie er z.B. im Dokument
FR2745445 beschrieben ist.
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Der Rotor 12 umfasst zwei Polräder 24, 25, die jeweils einen Flansch 28 mit Querausrichtung haben, welcher an seinem Außenumfang mit Klauen 29 versehen ist, die z.B. trapezförmig und axial orientiert sind. Die Klauen 29 eines Rades 24, 25 sind axial zum Flansch 28 des anderen Rades gerichtet. Jede Klaue 29 eines Polrades 24, 25 dringt in den Raum ein, der zwischen zwei benachbarten Klauen 29 des anderen Polrades liegt, so dass die Klauen 29 der Polräder 24, 25 ineinander geschachtelt sind.
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Der Außenumfang der Klauen 29 definiert zusammen mit dem Innenumfang des Körpers 19 des Stators 16 den Luftspalt 17 zwischen dem Stator 16 und dem Rotor 12. Der Innenumfang der Klauen 29 ist derart geneigt, dass die Klauen 29 an ihrem freien Ende 54 weniger dick sind.
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Ein zylindrischer Kern 30 ist axial zwischen den Flanschen 28 der Räder 24, 25 angeordnet. In diesem Fall besteht der Kern 30 aus zwei Halbkernen, die jeweils zu einem der Flansche 28 gehören. Dieser Kern 30 trägt an seinem Außenumfang eine auf einen Isolator 32 gewickelte Erregerspule 31, die radial zwischen dem Kern 30 und der Spule 31 angeordnet ist.
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Zusätzlich umfasst das Gehäuse 11 ein vorderes 35 und hinteres 36 Lager, die zusammengebaut sind. Die Lager 35, 36 haben eine Hohlform und tragen jeweils mittig ein Kugellager 37, 38 zur drehenden Halterung der Welle 13 des Rotors. Das hintere Lager 36 trägt einen Bürstenhalter 40, der mit Bürsten 41 versehen ist, die dazu bestimmt sind, an den Ringen 44 eines Kollektors 45 zu schleifen, welche durch Drahtverbindungen mit der Erregerwicklung 31 verbunden sind. Die Bürsten 41 sind elektrisch mit einem außerhalb der Maschine angebrachten Spannungsregler verbunden.
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Das vordere 35 und hintere 36 Lager umfassen im Wesentlichen seitliche Öffnungen vorn 60 und hinten 61, um die Kühlung des Generators 10 durch Luftzirkulation zu ermöglichen, die durch die Drehung eines Lüfters 62 auf der Vorderseite des Rotors 12 und eines weiteren Lüfters 63 auf der Rückseite des Rotors erzeugt wird. Jeder Lüfter 62, 63 ist mit einer Mehrzahl von Schaufeln 64 versehen. Die vordere 60 und hintere 61 seitliche Öffnung befinden sich gegenüber den Wickelköpfen entsprechend vorn 20 bzw. hinten 21.
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Genauer gesagt, wie in 2 zu sehen ist, umfasst jede trapezförmige Klaue 29 eine Vorderkante 51, die der Drehrichtung des Rotors 12 folgend, durch den Pfeil SR angedeutet, zuerst in Kontakt mit der Luft tritt, und eine Hinterkante 52, die auf der der Vorderkante 51 gegenüberliegenden Seite angeordnet ist. Diese Kanten 51, 52 erstrecken sich zwischen der Basis 53 der Klaue 29, die örtlich mit dem Außenumfang des entsprechenden Flansches 28 zusammenfällt, und dem freien Ende 54 der Klaue 29.
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In diesem Fall ist eine erste Fase 57 in der Hinterkante 52 jeder Klaue 29 der Polräder 24, 25 ausgebildet. In diesem Beispiel ist eine zweite Fase 57' in der Vorderkante 51 jeder Klaue 29 der Polräder 24, 25 ausgebildet. Die Fasen 57, 57' sind an der äußeren radialen Oberfläche 56 der entsprechenden Klaue 29 ausgebildet. Die Fasen 57, 57' erstrecken sich axial zwischen der Basis 53 und dem freien Ende 54 der entsprechenden Klaue 29, d.h. über die gesamte axiale Länge der Klaue.
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Vorzugsweise nimmt die Oberfläche der Fasen 57, 57' mit einer im Allgemeinen dreieckigen Form, in Richtung eines freien Endes 54 der Klaue 29 hin ab. Die Oberfläche der Fase 57 ist auf Höhe des freien Endes 54 der Klaue 29 im Wesentlichen null.
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Wie in 3 deutlich zu erkennen ist, hat jede Fase 57, 57' einen radialen Querschnitt in Form eines Kreisbogens. Der radiale Querschnitt entspricht dem Schnitt der Klaue 29 mit einer Ebene senkrecht zur Achse X des Polrades 24, 25. Die Erfindung ermöglicht somit, eine stärkere Veränderung des magnetischen Flusses im Luftspalt 17 im Vergleich zu einer geradlinigen Fasenkonfiguration zu erhalten und ermöglicht so eine Verbesserung der Leistungsfähigkeiten der Geräuschreduzierung bei gleichzeitiger Erhöhung des von der elektrischen Maschine gelieferten Ausgangsstroms.
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Es wird ein Verhältnis R1 zwischen einem Krümmungsradius Ra der Fasen 57, 57' und einem Außenradius Rr des Rotors 12 definiert, nämlich R1 = Ra/Rr. Das Verhältnis R1 liegt vorzugsweise zwischen 0,5 und 0,9. Wie 4 hervorhebt, ist dieses Verhältnis besonders vorteilhaft, um die magnetischen Betriebsgeräusche der elektrischen Maschine in einem Drehzahlbereich zu reduzieren, insbesondere zwischen 1800 und 4000 Umdrehungen/Minute (siehe Kurve A1 für die Drehzahl von 1800 Umdrehungen/Minute und Kurve A2 für die Drehzahl von 4000 Umdrehungen/Minute). Es ist zu beachten, dass der oben genannte Betriebsdrehzahlbereich nicht den minimalen und maximalen Betriebsdrehzahlen des Generators entspricht, sondern dem Drehzahlbereich, für den das magnetische Betriebsgeräusch, das ein beachtliches Niveau hat und nicht durch das Lüftungsgeräusch der Ventilatoren überdeckt wird, gedämpft werden muss.
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Zusätzlich wird ein Verhältnis R2 zwischen einem Abstand EC und einem Außenradius Rr des Rotors 12 definiert, nämlich R2 = EC/Rr. Das Verhältnis R2 liegt vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,5. Der Abstand EC wird zwischen einem Mittelpunkt C1 des Kreises, der den Außenumfang des Rotors 12 bildet, und einem Mittelpunkt C2 des Kreises, der die Krümmung der Fase 57 bildet, gemessen.
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Es wird ebenfalls ein Verhältnis R3 zwischen einer maximalen Breite Chb_max der Fase 57 und der Polteilung Tp definiert, nämlich R3 = Chb_max / Tp. Tp ist gleich dem Verhältnis zwischen dem Innenumfang des Stators und der Anzahl der Pole der Maschine, nämlich Tp= π D/2p, wobei D der Innendurchmesser des Stators und p die Polpaarzahl der Maschine ist. Dieses Verhältnis R3 liegt zwischen 0,16 und 0,37. Die maximale Breite Chb_max wird entlang einer Umfangsrichtung in einer Ebene parallel zu einer Radialfläche des Flansches 28 des entsprechenden Polrades 24, 25 gemessen.
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Wie in den nachfolgenden Tabellen hervorgehoben, ermöglicht eine solche Konfiguration eine Reduzierung der magnetischen Betriebsgeräusche und eine optimale Erhöhung des Ausgangsstroms der Maschine über den gesamten Betriebsbereich des Rotors 12.
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Tatsächlich zeigt sich, dass man für eine breite Fase (Chb_max = 7mm) mit Fasen in Form eines Kreisbogens eine Geräuschreduzierung von mehr als 5 dB im Vergleich zu einer klassischen geradlinigen Fasenkonfiguration erreicht. Zusätzlich wird eine Ausgangsstromstärke der elektrischen Maschine von mehr als 5 A im Vergleich zu einer klassischen geradlinigen Fasenkonfiguration erreicht.
| Schallpegel (dB) bei 1800 Umdrehungen/Minute |
| Chb_max | 5 mm | 7 mm |
| geradlinige Fase | 66.2 | 66.7 |
| Fase in Form eines Kreisbogens | 63.4 | 61.5 |
| Differenz | -2.7 | -5.2 |
| Ausgangsstrom (A) bei 1800 Umdrehungen/Minute |
| Chb_max | 5 mm | 7 mm |
| geradlinige Fase | 82.4 | 76.9 |
| Fase in Form eines Kreisbogens | 81.1 | 82.5 |
| Differenz | -1.3 | 5.6 |
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Vorzugsweise sind die Fasen 57 an der Vorderkante 51 und die Hinterkante 52 jeder Klaue 29 ausgebildet. Alternativ sind die Fasen 57, 57' nur an den Hinterkanten 52 oder den Vorderkanten der Klauen 29 ausgebildet. Alternativ umfassen nur bestimmte Klauen 29 der Polräder eine Fase oder eine Doppelfase, wobei die anderen Klauen 29 fasenlos sind.
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Zusätzlich haben die erste und die zweite Fase 57, 57' den gleichen Krümmungsradius Ra.
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Alternativ sind die den Fasen 57, 57' jeweils zugeordneten Krümmungsradien zueinander verschieden. Beispielsweise können die Klauen 29 eines der Polräder 24 jeweils eine erste Fase 57 haben, die einem ersten Verhältnis R1 zugeordnet ist, das bezogen auf die Geräuschreduzierung für die niedrige Drehzahl des Betriebsdrehzahlbereichs optimal ist. Die Klauen 29 des anderen Polrades 25 können jeweils eine zweite Fase 57' haben, die einem zweiten Verhältnis R1' zugeordnet ist, das bezogen auf die Geräuschreduzierung für die hohe Geschwindigkeit des Betriebsdrehzahlbereichs optimal ist. Zum Beispiel ist das Verhältnis R1 0,7 für 1800 Umdrehungen/Minute und das Verhältnis R1' 0,6 für 4000 Umdrehungen/Minute. Eine solche Konfiguration ermöglicht es, das magnetische Betriebsgeräusch über den gesamten Betriebsbereich P des Rotors 12 optimal zu minimieren.
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In dem Ausführungsbeispiel sind die Klauen 29 der Polräder 24, 25 symmetrisch, d.h. dass die in der 2 zu erkennende Mittellinie M, die durch die Mitte der Basis 53 verläuft, auch durch das freie Ende 54 der Klaue 29 verläuft.
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Alternativ, wie in der 5 gezeigt, sind die Klauen 29 der Polräder 24, 25 asymmetrisch, d.h. dass die durch die Mitte der Basis 53 verlaufende Mittellinie M in Bezug zu einer parallelen Geraden D1 versetzt ist, die durch das freie Ende 54 der entsprechenden Klaue 29 verläuft. Eine asymmetrische Klaue 29 kann in die Drehrichtung SR (siehe Pfeil F1) oder in die der Drehrichtung SR entgegengesetzte Richtung geneigt sein (siehe Pfeil F2). Die Klauen 29 beider Polräder 24, 25 können in die gleiche Richtung oder in entgegengesetzte Richtungen geneigt sein, wie in 5 dargestellt ist.
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Wie in den 2 und 5 gezeigt ist, kann der Rotor 12 gegebenenfalls interpolare Magnete 46 umfassen, die jeweils innerhalb von Hohlräumen 66 angeordnet sind, die zwei aufeinanderfolgende Klauen 29 trennen. Die Magnete 46 können im Inneren aller interpolaren Hohlräume 66 oder nur im Inneren einiger von ihnen angeordnet und gleichmäßig entlang des Umfangs des Rotors 12 verteilt sein. Die Magnete 46 können aus Seltenerden NeFeB bestehen (Neodym-Eisen-Bor) oder SmCo (Samarium-Kobalt). Die Wahl des Materials und der Anzahl der interpolaren Magnete 46 ermöglichen es, die magnetischen Eigenschaften des Rotors 12 leicht an die gewünschte Leistung des Generators anzupassen.
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Selbstverständlich ist die vorstehende Beschreibung nur als Beispiel gegeben und schränkt den Umfang der Erfindung nicht ein, der auch nicht durch Ersetzen der verschiedenen Elemente durch andere Äquivalente verlassen wird werden würde.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0762617 [0002]
- US 5708318 [0006]
- FR 2745445 [0028]
