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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein rotierende elektrische
Maschinen wie etwa Wechselstromgeneratoren für Kraftfahrzeuge.
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Der
Ein- oder Mehrphasen-Generator, der einen herkömmlichen Kraftfahrzeug-Wechselstromgenerator
bildet, umfaßt
im allgemeinen einen Ständer, in
dessen Innern sich ein Läufer
mit einer Erregerspule dreht. Diese Spule wird durch Kohlebürsten gespeist,
die sich mit zwei Schleifringen in Kontakt befinden, die auf einem
vorstehenden Teil der Läuferwelle
vorgesehen sind.
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Insbesondere
aus der EP-A-0 707 374 und aus der WO 96/30992 sind bereits rotierende
elektrische Maschinen bekannt, bei denen, vor allem im Hinblick
auf eine Steigerung ihrer Leistung, das Erregerfeld des Läufers sowohl
durch Permanentmagneten als auch durch Spulen ausgeführt ist
(man spricht in der Regel von einer "Misch"-Erregung) und bei denen der durch den
Anker abgegebene Strom mit Hilfe von Umschaltmitteln im Bereich
der Erregerspulen kontrolliert wird, wobei diese Umschaltmittel
eine wahlweise Umkehrung der Erregungsrichtung ermöglichen,
um den Fluß der
Magneten zu verringern bzw. weitgehend aufzuheben.
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Diese
Notwendigkeit einer Umkehrung der Richtung des Erregerstroms macht
wiederum die Verwendung einer sogenannten "H"-Halbleiter-Schaltbrücke erforderlich,
die mit einem hohen Kostenaufwand verbunden ist und sich dementsprechend
auf die Herstellungskosten der Maschine auswirkt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile
zu beseitigen und eine Maschine, insbesondere eine rotierende elektrische Maschine,
wie etwa einen Wechselstromgenerator, vorzuschlagen, die eine Mischerregung
aufweist und bei der die Regelung des abgegebenen Stroms durch eine
entsprechende Beeinflussung einer Erregung durch Spulen erfolgen
kann, die unidirektional, d.h. in einer Richtung stattfindet, und
zwar insbesondere über
eine Veränderung
der durch die Spulen bedingten Erregung zwischen einem Wert im wesentlichen gleich
null und einem Maximalwert, um eine in einem gegebenen Bereich variierende
Energie abzugeben. Von daher liegt der Erfindung vor allem die Aufgabe zugrunde,
eine Mischerregung in Fällen
auszuführen,
in denen die Notwendigkeit entfällt, über eine
Erregung zu verfügen,
die zwischen einem Wert gleich null und einem Maximalwert schwankt,
wohingegen eine Erregung zwischen einem Minimalwert ungleich null
und einem Maximalwert ausreichend ist.
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Eine
andere wesentliche Aufgabe der Erfindung besteht darin, in einer
derartigen Maschine bei einer gegebenen Anzahl von Läuferpolen
die Anzahl der erforderlichen Magneten zu verringern und gleichzeitig
einen durch Magneten bewirkten Erregungspegel sowie einen durch
Spulen bewirkten Erregungspegel aufrechtzuerhalten, die im Verhältnis zueinander
vergleichbar sein sollen.
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Dazu
schlägt
die Erfindung eine elektrische Maschine mit Flußumschaltung vor, die einen
Ständer
und einen Läufer
umfaßt,
wobei der Ständer
wenigstens eine in wenigstens einem Nutenpaar aufgenommene Ankerspule
enthält,
während
der Läufer Mittel
enthält,
die in der Lage sind, wahlweise geschlossene Magnetkreise herzustellen,
die um Endstücke
der Ankerspule oder Ankerspulen verlaufen, dadurch gekennzeichnet,
daß die
besagten Mittel wenigstens einen Erregerpermanentmagneten, der in
der Lage ist, einen Magnetfluß in
einer Umfangsrichtung des Läufers
herzustellen, und wenigstens eine Erregerspule umfassen, die in
der Lage ist, örtlich
einen regelbaren Magnetfluß in
der gleichen Umfangsrichtung wie in der des durch den oder die Magneten
erzeugten Flusses herzustellen, daß der oder jeder Magnet in
einem ersten Läuferteil
aufgenommen ist, der ein erstes Polpaar des Läufers definiert, daß die Spule
oder die Spulen in einem zweiten Läuferteil angebracht sind, der
ein zweites Polpaar des Läufers
definiert, und daß die
besagten Läuferteile durch
Bereiche voneinander getrennt sind, die im wesentlichen nicht magnetisch
leitend sind.
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Nach
bevorzugten, aber nicht einschränkenden
Aspekten der erfindungsgemäßen Maschine
ist folgendes vorgesehen:
- – Der oder jeder zweite Läuferteil
besitzt ein ferromagnetisches Teil mit der allgemeinen Form eines "U", von dem zwei Schenkel die beiden Pole
definieren und wenigstens eine Erregerspule aufnehmen.
- – Der
oder jeder zweite Läuferteil
besitzt eine einzige Erregerspule, die ein Fußstück des "U"-förmigen Teils
umgibt, der die besagten Schenkel verbindet, und in der Lage ist,
einen Magnetfluß in
einer allgemeinen Umfangsrichtung zu erzeugen, die in der gleichen
Richtung wie der durch den oder jeden Magneten erzeugte Magnetfluß verläuft.
- – Der
oder jeder zweite Läuferteil
besitz zwei Erregerwicklungen, welche die besagten Schenkel des "U"-förmigen
Teils umgeben und in der Lage sind, Magnetflüsse zu erzeugen, von denen
einer zum Innern und der andere außerhalb des Läufers gerichtet
ist.
- – Der
Läufer
umfaßt
entlang seinem Umfang eine Wechselfolge von ersten Teilen und zweiten
Teilen (21).
- – Die
besagten ersten Läuferteile
besitzen jeweils zwei ferromagnetische Teile, die sich beiderseits des
zugehörigen
Magneten erstrecken.
- – Die
besagten ferromagnetischen Teile der ersten Läuferteile gehören zu einem
einzigen Gehäuse.
- – Die
nicht magnetisch leitenden Bereiche bestehen aus Luftzwischenräumen.
- – Die
nicht magnetisch leitenden Bereiche bestehen aus einem nicht magnetisch
leitenden Material, wie etwa aus Kunststoff.
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Darüber hinaus
schlägt
die Erfindung eine Maschine der vorstehend definierten Art vor,
die einen Wechselstromgenerator für Kraftfahrzeuge bildet.
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Weitere
Aspekte, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich
deutlicher aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen
der Erfindung, die als Beispiel und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
angeführt
wird. Darin zeigen im einzelnen:
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1 eine in abgewickelter Form dargestellte
schematische Ansicht einer Baueinheit aus Läufer und Ständer einer rotierenden elektrischen Maschine nach
einer ersten Ausführungsform
der Erfindung in einem Nichterregungszustand der Erregerspulen;
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1b eine ähnliche
Ansicht wie 1 in einem Erregungszustand
der Erregerspulen;
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2 eine
in abgewickelter Form dargestellte schematische Ansicht einer Baueinheit
aus Läufer und
Ständer
einer rotierenden elektrischen Maschine nach einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung in einem Erregungszustand der Erregerspulen, und
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3 eine
im Querschnitt ausgeführte
schematische Ansicht einer konkreten Ausführungsform einer Baueinheit
aus Läufer
und Ständer
gemäß den 1a und 1b.
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Zunächst ist
unter Bezugnahme auf die 1a und 1b schematisch
in abgewickelter Form ein Teil eines Ständers 1 und der entsprechende
Teil eines Läufers 2 dargestellt
worden, die zu einer ein- oder mehrphasigen elektrischen Maschine gemäß der Erfindung,
wie etwa zu einem Wechselstromgenerator, gehören können.
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Der
Ständer 1 besitzt
ein Gehäuse 12,
das eine durchgehende ringförmige
Struktur definiert, an deren innerem Umfang eine Mehrzahl von Nuten 13 eingearbeitet
sind, die Endstücke
von Ankerspulen 14 aufnehmen, wie dies an sich in völlig herkömmlicher
Weise der Fall ist.
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Diese
Nuten 13 sind in gerader Zahl vorgesehen und gleichmäßig ringförmig verteilt,
wobei zwischen ihnen Pole 15 bestehen bleiben.
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Der
Läufer 2 ist
durch eine Abfolge magnetisch getrennter individueller Strukturen
oder Zellen definiert. Diese Strukturen umfassen eine erste ferromagnetische
Struktur 21 in "U"-Form mit zwei Schenkeln 211, 212,
deren freie Enden zwei vorstehende äußere Pole bilden, deren Winkelabstand
gleich dem der Pole 15 des Läufers im Falle einer Einphasen-Maschine
ist, und mit einem Fußstück 213.
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Um
das Fußstück 213 herum
ist eine Erregerspule 214 gewickelt, wobei diese Spule
an eine (nicht dargestellte) Erregerspannungsquelle angeschlossen
ist, so daß in
ihrem Innern ein mit Blick auf die 1a und 1b von
links nach rechts gerichteter Magnetfluß erzeugt wird.
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Vorzugsweise
sind vorgenannte "U"-förmige Strukturen
in winklig gleichmäßig verteilter
Anordnung vorgesehen.
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Zwischen
diesen "U"-förmigen Strukturen 21 sind
Permanentmagnet-Strukturen 22 in
gleicher Anzahl eingefügt,
die jeweils einen Permanentmagneten 225 umfassen, der zwischen
zwei ferromagnetischen Teilen 221, 222 eingeschlossen
ist, deren zum Ständer
hin gerichtete Fläche
Pole bilden, wobei die Pole der "U"-förmigen
Strukturen 211 und die der Teile 221, 222 am äußeren Umfang
des Läufers
gleichmäßig beabstandet
sind.
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Im
Falle einer Dreiphasen- oder Drehstrommaschine ist die Anzahl der
Nuten 13 des Ständers gleich
der dreifachen Anzahl der Läuferpole,
wie sie vorstehend definiert worden sind.
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Die
Strukturen 21 und 22 sind durch leere Zwischenräume 30 voneinander
getrennt, die sich in etwa auf der gesamten Höhe des Läufers erstrecken (das heißt auf seiner
axialen Abmessung im Falle eines zylindrischen Läufers).
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Ausgehend
von den vorstehenden Erläuterungen
dürfte
es natürlich
verständlich
sein, daß die verschiedenen
Elemente des Läufers
in N Exemplaren vorgesehen sein können, die je nach der gewünschten
Polzahl in aufeinanderfolgenden Gruppen angeordnet sind.
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Es
folgt nun unter Bezugnahme auf die 1a und 1b eine
Beschreibung des Verhaltens einer rotierenden elektrischen Maschine,
im vorliegenden Falle eines Wechselstromgenerators, deren Prinzip
vorstehend beschrieben worden ist.
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Dabei
soll zunächst
der Fall betrachtet werden, in dem kein Erregerstrom durch die Erregerwicklung 214 fließt (1a).
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In
diesem Fall kann ein durch F1 bezeichneter Teil des durch einen
Permanentmagneten 225 erzeugten Magnetflusses schleifenförmig über die
zugehörigen
Teile 221 und 222 und den Ständer 1 um ein jeweiliges
Ankerendstück 14 fließen, um
einen minimalen Erregerstrom in der betrachteten Ankerwicklung zu
erzeugen.
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Außerdem ist
festzustellen, daß ein
durch F2 bezeichneter anderer Teil des gemeinschaftlich durch die
Magneten erzeugten Flusses einem sinusförmigen Verlauf entlang dem
Läufer
folgt, wobei dieser Fluß F2
auch an der Erzeugung eines Stroms in den Ankerspulen mitwirkt.
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In
dieser Situation erfolgt eine minimale Erregung der Maschine, entsprechend
den durch die Magneten 225 erzeugten Flüssen F1 und F2.
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1b veranschaulicht
den Fall, in dem die Erregerspulen 214 des Läufers von
einem Erregerstrom durchflossen werden.
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Jede
dieser Spulen erzeugt einen ersten Flußteil F2, der schleifenförmig um
ein zugehöriges Ankerspulenendstück 14 in
der gleichen Richtung (im vorliegenden Fall von rechts nach links
im Bereich des Ständers 1)
wie der durch die Magneten 225 erzeugte Fluß F1 fließt.
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Im übrigen trägt der an
den Spulen erzeugte Fluß dazu
bei, den weiter oben beschriebenen Fluß F2 zu verstärken, um
einen höheren
Fluß F2' zu bilden, der seinerseits
ebenfalls an einer Verstärkung des
Ankerstroms mitwirkt.
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Es
dürfte
verständlich
ein, daß sich,
wenn der Strom in den Erregerwicklungen 214 maximal ausfällt, eine
maximale Energieübertragung
zum Ständer
ergibt.
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Auf
diese Weise erzielt man durch die Kontrolle eines in einer Richtung
fließenden
Stroms in den Erregerspulen 214 zwischen einem Wert gleich null
und einem Maximalwert eine Energieübertragung zum Ständer, die
zwischen einem Minimalwert ungleich null und einem Maximalwert schwankt.
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Man
kann natürlich
das Verhältnis
zwischen diesen Minimal- und Maximalwerten verändern, indem die durch die
Magneten 225 bzw. durch die Spulen 214 erzeugten
Magnetflußwerte
entsprechend verändert
werden.
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Auf
diese Weise erhält
man eine Maschine, in der sich durch die Verwendung eines in einer
Richtung fließenden
Erregerstroms, der zwischen null und einem vordefinierten Maximalwert
schwankt, eine Erregung ergibt, die sich in Abhängigkeit vom Strom in einem
gegebenen Bereich monoton verändert.
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Von
daher ist es möglich,
auf den Einsatz einer elektronischen "H"-Schaltbrücke oder ähnlicher Elemente
zu verzichten, die in den Maschinen mit Mischerregung nach dem bisherigen
Stand der Technik dazu bestimmt sind, einen bidirektionalen Strom in
Abhängigkeit
von der angestrebten Erregung zu erzielen. Dadurch werden die Kosten
der Umschaltmittel, die ein einziges Halbleiter-Schaltelement umfassen
können,
deutlich verringert.
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Es
folgt nun unter Bezugnahme auf 2 die Beschreibung
einer anderen Ausführungsform
einer Baueinheit aus Läufer
und Ständer
gemäß der Erfindung.
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Sie
unterscheidet sich von der Ausführungsform
der 1a und 1b dadurch,
daß jede "U"-förmige
Struktur 21 nicht mehr eine einzige Spule 214,
sondern zwei Spulen 215, 216 umfaßt, welche die
zwei Schenkel 211 bzw. 212 des "U"-förmigen Teils
umgeben.
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In
diesem Zusammenhang ist festzustellen, daß die Abmessung der "U"-förmigen
Strukturen 21 in Richtung der Höhe in 2 (das heißt in radialer Richtung
bei einem zylindrischen Läufer)
in diesem Fall größer sein
kann, wobei der für
das untere Endstück
der Spulen 214 frei gelassene Zwischenraum in den 1a und 1b in
diesem Fall entfallen kann.
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Die
Spulen 215 und 216 ein und derselben Zelle werden,
in Reihe oder parallel, mit einem Strom gespeist, dessen Richtung
so verläuft,
daß die
Spule 215 einen absteigenden Magnetfluß erzeugt, während die
Spule 216 einen ansteigenden Magnetfluß erzeugt.
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Das
Verhalten dieser Ausführung
bei nicht vorhandenem Erregerstrom ist mit dem in 1a veranschaulichten
Verhalten identisch, so daß es
an dieser Stelle nicht erneut beschrieben werden muß.
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Das
Verhalten mit einem Erregerstrom stellt sich ähnlich wie das Verhalten von 1b dar
und führt
zu den gleichen Flußarten
F1, F2' und F3.
Außerdem
ist festzustellen, daß die
Streuflüsse
an den beiden Spulen 215, 216, wie sie durch F4
bzw. F5 bezeichnet werden, sinnvollerweise an der Energieübertragung
zum Ständer
mitwirken, wobei sich ihr Verlauf um die entsprechenden Nuten dieses
Ständers
erstreckt.
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Es
dürfte
leicht verständlich
sein, daß im
Falle von 1b der Streufluß der einzigen
Spule 214, der ihr unteres Endstück umkreist, verloren ginge.
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Diese
zweite Ausführungsform
ermöglicht daher
eine Steigerung der Leistung der Maschine.
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Es
folgt nun unter Bezugnahme auf 3 die Beschreibung
eines konkreten Ausführungsbeispiels
einer Maschine gemäß der Erfindung.
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Der
Ständer 1 ist
an sich herkömmlich
ausgeführt
und enthält
36 gleichmäßig verteilte
Nuten, welche die verschiedenen Endstücke von Dreiphasenspulen aufnehmen,
die ebenfalls in herkömmlicher
Weise angeordnet sind.
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Der
Läufer 2 umfaßt drei "U"-förmige
Spulenzellen 21 der in den 1a und 1b veranschaulichten
Art in abwechselnder Folge mit drei Permanentmagnetzellen 22,
wodurch ein Läufer
mit 12 abwechselnden N- und S-Polen definiert wird.
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Die
Elemente 221, 222 der Magnetzellen sind im Bereich
eines Mittelkerns des Läufers
verbunden und bilden dadurch ein einheitliches Gehäuse.
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Die "U"-förmigen
Teile 211, 212, 213 der Spulenzellen
sind ihrerseits magnetisch von den Zellen 22 getrennt.
Sie können
praktisch mit dem vorgenannten Gehäuse durch nicht dargestellte,
geeignete nichtmagnetische Teile verbunden sein.
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In
diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß der Ausdruck Zwischenraum 30 zwischen
den benachbarten Zellen hier als ein Zwischenraum zu verstehen ist,
der nur eine äußerst begrenzte
magnetische Kopplung zwischen den besagten Zellen herbeiführt. Es kann
sich daher sowohl um einen Luftspalt als auch um eine partielle
oder vollständige
Verfüllung
aus einem nichtmagnetischen Material, insbesondere aus Kunststoff,
handeln.
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Nach
einer nicht dargestellten Variante kann der Läufer 2 über die
Zusammenfügung
mehrerer abwechselnder einzelner Zellen 21 und 22 durch
geeignete mechanische Mittel ausgeführt sein.
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Die
vorliegende Erfindung ist natürlich
keineswegs auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen
beschränkt,
sondern der Fachmann kann daran alle Varianten oder Änderungen gemäß dem Erfindungsgedanken
vornehmen.
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So
kann insbesondere im Läufer
jede Kombination von Magnetstrukturen und Spulenstrukturen vorgesehen
sein, und zwar beispielsweise zwei oder mehr Spulenstrukturen zwischen
jedem Paar Magnetstrukturen oder umgekehrt zwei oder mehr Magnetstrukturen
zwischen jedem Paar Spulenstrukturen.
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In
diesem Fall sind die Spulen und die Magnete so ausgerichtet, daß am Umfang
des Läufers eine
abwechselnde Folge von N- und S-Polen erhalten bleibt.
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Darüber hinaus
kann vorgesehen sein, daß jede
Magnetstruktur 22 zwei oder mehr Magneten besitzt, deren
Flüsse
sich miteinander verbinden, um die angestrebte Wirkung eines Flusses
zu erzielen, der zwei benachbarte N- und S-Pole im Bereich des Läufers erzeugt.