DE8816122U1 - Synchronous machine - Google Patents
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Description
2200 Ot/sei/Zr2200 Ot/sei/Zr
6.12.19886.12.1988
Die Erfindung geht aus von einer Synchronmaschine, insbesondere eiiu»m Drehstromgenerator für Kraftfahrzeuge, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention is based on a synchronous machine, in particular a three-phase generator for motor vehicles, according to the preamble of claim 1.
Synchronmaschinen dieser Art sind bekannt (Buch "Alternating Current Machines" von M. G. Say, 5. Ausgabe,1984, veröffentlicht bei Pitman Publishing Limited, London, Seiten 546/547) und können über eine Vielzahl von unterschiedlichen Rotorausbildungen verfügen, wobei das üblicherweise zylindrische Material des Rotors als Träger für eingelagerte Permanentmagnete dient. Enthält der ringförmige Rotorkern nur einen Magneten (2-Zweipolversion) dann ist der Kern in Umfangrichtung geschlitzt, um einen KurzschluB des Magnetflusses zu verhindern. Es ist auch bekannt, die Permanentmagnete radial nach auBen vorspringend mit jeweils abwechselnder, radialer Magnetisierungsrichtung an einem Rotor= kern zu befestigen, wobei die am Außenumfang deutlich zueinander getrennten einzelnen Permanentmagnete Synchronous machines of this type are known (book "Alternating Current Machines" by MG Say, 5th edition, 1984, published by Pitman Publishing Limited, London, pages 546/547) and can have a variety of different rotor designs, whereby the usually cylindrical material of the rotor serves as a carrier for embedded permanent magnets. If the ring-shaped rotor core contains only one magnet (2-pole version), then the core is slotted in the circumferential direction to prevent a short circuit of the magnetic flux. It is also known to attach the permanent magnets to a rotor core so that they project radially outwards with alternating radial magnetization directions , whereby the individual permanent magnets, which are clearly separated from one another on the outer circumference,
2200 Ot/sei - 2 - R- 223492200 Ot/sei - 2 - R- 22349
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jeweils noch Polschuhe tragen können.can still wear pole shoes.
Eine weitere bekannte Ausführungsform umfaßt in radialer Richtung in Schlitze des Rotormaterials eingelegte Permanentmagnete mit abwechselnd im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn verlaufender Magnetisierungsrichtung , wobei zwischen den Permanentmagneten soge nannte Keilpole «.Ingejetzt sind, deren äuBere Stirnflächen in Richtung auf den Stator vorspringen. Eine weitere bekannte EinlagerungsKÖglichkeit von permanentmagnetischen Gebilden in da· Material des Rotors besteht darin, eitc magnetisiert« Permanentmagnete in nichtradialer Position in einem Rotorkäfig anzuordnen, wobei von den Permanentmagneten der Kreisform des Rotors folgend Polköpfe aus geeigneten Metall seitlich abgehen. Problematisch bei der Ausbildung solcher Synchronmaschinen ist, daB der MagnetfluB schwierig zu kontrollieren ist und die Magnete auch Entmagnetisierungserscheinungen aufweisen können. Das Material der Magnete kann dabei auch Seltene Erden enthalten oder aus diesen bestehen. Another known embodiment comprises permanent magnets inserted in the radial direction into slots in the rotor material with alternating clockwise and anti-clockwise magnetization directions, with so-called wedge poles between the permanent magnets , the outer faces of which project towards the stator. Another known possibility for incorporating permanent magnetic structures in the material of the rotor is to arrange magnetized permanent magnets in a non-radial position in a rotor cage, with pole heads made of suitable metal extending laterally from the permanent magnets following the circular shape of the rotor. The problem with the design of such synchronous machines is that the magnetic flux is difficult to control and the magnets can also show signs of demagnetization. The material of the magnets can also contain or consist of rare earths.
Allgemein ist es bekannt, in Kraftfahrzeugen als zuver lässige Energiequellen Synchronmaschinen in Form von Drehstromgeneratoren einzusetzen. Dei vom Generator erzeugte Wechselstrom wird gleichgerichtet und dient zur Versorgung einer Vielzahl von Verbrauchern und zur Aufladung der Fahrzeugbatterie. Dabei werden hohe An forderungen an den Generator gestellt, nämlich konstante Spannung über den gesamten Drehzahlbereich des Fahrzeug motors , möglichst wartungsfreier Betrieb, robuster Aufbau, geringes Gewicht und hohe Lebensdauer. It is generally known that synchronous machines in the form of three-phase generators can be used as reliable energy sources in motor vehicles . The alternating current generated by the generator is rectified and used to supply a large number of consumers and to charge the vehicle battery. This places high demands on the generator, namely constant voltage over the entire speed range of the vehicle engine , operation with as little maintenance as possible, robust construction, low weight and a long service life.
2200 Ot/sei - 3 - P.2200 Ot/sei - 3 - P.
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übliche Drehstromgeneratoren werden als Innenpolmaschintn ausgeführt und besitxen einen Klauenpolläufer, de«sen Irregerwicklung über swei auf der Rotorwelle sitzend· Schleifringe »it gehäusefesten Kohlebürsten mit Erregerstrom versorgt wird. Conventional three-phase generators are designed as internal pole machines and have a claw pole rotor, the excitation winding of which is supplied with excitation current via two slip rings with carbon brushes fixed to the housing, which are located on the rotor shaft.
Ss sind auch Synchronmaschinen Mit einem permanentmagnetisch erregten Rotor bekannt, dessen Kotorpole von einseinen Permanentmagneten gebildet werden. Solche Synchronmaschinen sind durch Wegfall der Schleifringe und Kohlebürsten wesentlich robuster, verschleiftärmsr und damit langlebiger. Durch den Wegfall der Erregerleistung ist auch der Wirkungsgrad höher.Synchronous machines with a permanent magnet excited rotor are also known, whose motor poles are formed by one permanent magnet. Such synchronous machines are much more robust, wear-resistant and therefore more durable due to the elimination of slip rings and carbon brushes. The elimination of the excitation power also increases the efficiency.
Allerdings besteht bei permanentmagnetisch erregten Synchrongeneratoren das Problem der Spannungskonstan&khgr; der Auegangsspannung Ober den gesamten Orehsahlbereich des Pahrseugmotors. Ohne zusAtiliche Maßnahmen steigt die in der Ankerwicklung indu*ierfc# Spannung «it ««- nehmender Drehsahl an, so daß auch die Auegangsspannung des Synchrongenerator&bgr; in weitem Bereich variiert. Es gibt daher schon Vorschläge, den Polradfluß bsw. den Nutxfluft eines permanentmagneterregten Synchrongenerators xu beeinflussen. However, with permanent magnet excited synchronous generators there is the problem of the voltage constancy of the output voltage over the entire speed range of the fan motor. Without additional measures, the voltage induced in the armature winding increases with increasing speed, so that the output voltage of the synchronous generator also varies over a wide range. There are therefore already proposals to influence the rotor flux or the output air of a permanent magnet excited synchronous generator.
So hat man den mit Einzelpolen versehenen Innenpolläufer des Synchrongenerators in zwei axial nebeneinander angeordnete Rotorhälften unterteilt. Zur Verminderung des Polradflusses bei zunehmender Drehzahl werden die Rotorhälften mehr oder weniger zueinander verdreht. Mit dieser Maßnahme kann die induzierte Spannung zwar beeinflußt werden, doch bleiben die Eisenverluste im Stator voll erhalten.The inner pole rotor of the synchronous generator, which has individual poles, has been divided into two rotor halves arranged axially next to each other. To reduce the rotor flux as the speed increases, the rotor halves are more or less rotated relative to each other. This measure can influence the induced voltage, but the iron losses in the stator remain fully intact.
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Bekannt ist es ebenfalls, den Rotor als Klauenpolläufer mit Permanentmagnetkern ausiubilden und durch Verdrehen einer Xlauenpolhälfte den Mauptflul tu vermindern. Nach" teilig ist hierbei, dal die Ansiehungekräfte groB und nicht weglinear sind. Hierdurch ergeben sich Schwierigkeiten in der Anpassung der Federkennlinie einer Feder, die eine drehsahlabhängige Verdrehung der Klauenpolhalfte bewirken soll. It is also known to design the rotor as a claw pole rotor with a permanent magnet core and to reduce the main flux by rotating one half of the claw pole. The disadvantage here is that the pulling forces are large and not linear. This results in difficulties in adapting the spring characteristic of a spring that is intended to cause a rotation speed-dependent rotation of the claw pole half.
Es ist weiterhin bekannt, den Rotor axial verschiebbar aussubilden und ihn mit zunehmender Drehsahl aus dem Stator auszuschieben. Dadurch wird die aktive Bohrungsfläche des Stators reduziert und der wirksame MutsfluB verringert. Der mechanische Aufwand hierfür ist relativ grol und die Robustheit und Lebensdauer des Synchrongenerator· leidet durch die komplizierten mechanischen Bauteile.It is also known to design the rotor to be axially displaceable and to push it out of the stator as the rotational speed increases. This reduces the active bore area of the stator and the effective cooling flow. The mechanical effort required for this is relatively high and the robustness and service life of the synchronous generator suffers due to the complicated mechanical components.
Eine gleichermaßen unbefriedigende Lösung ist das drehzahlabhängige Einstellen eines axial variablen Luftspaltes durch Relatiwerschiebung von Stator und Rotor.An equally unsatisfactory solution is the speed-dependent adjustment of an axially variable air gap by relative displacement of stator and rotor.
Alle vorstehend beschriebenen mechanischen Regelungen zur Beeinflussung des Mutsflusses in dem Synchrongene rator sind nur für langsam veränderliche Vorgänge geeignet und erfordern einen relativ hohen mechanischen Aufwand. Sie haben sich daher in der Praxis nicht durchsetzen können, die vielmehr Zuflucht zu elektrischen Regelungen genommen hat. All of the mechanical controls described above for influencing the flow of energy in the synchronous generator are only suitable for slowly changing processes and require a relatively high level of mechanical effort. They have therefore not been able to prevail in practice, which has instead resorted to electrical controls.
So ist bekannt, auf dem Statorjoch einer Synchronmaschine eine Zusatzwicklung aufzubringen und damit durch eine Sättigungsregelung den Ankerwicklungsfluß zuIt is known to apply an additional winding to the stator yoke of a synchronous machine and thus to control the armature winding flux by means of saturation control.
2200 Ot/sei - 5 - R. 223**92200 Ot/sei - 5 - R. 223**9
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beeinflussen. Nachteilig ist dabei, daß das erforderlich· wick lung evoluMn für dl« zusatzwicklung wesentlich gröler ist als das Wicklungevolumen der eigentlichen Stator- oder Ankerwicklung. Aulerde» sind die zusätzlichen KupferVerluste erheblich, so dal der Wirkungsgrad stark abnimmt.The disadvantage here is that the required winding volume for the additional winding is significantly larger than the winding volume of the actual stator or armature winding. In addition, the additional copper losses are considerable, so that the efficiency drops significantly.
Man ist daher für den Generatorbetrieb der Synchron" maschinen ait Qleichrichterbrückenachaltung in Kraftfahrzeugen auf Thyristor- oder Transietorregelung übergegangen« s.B. auf Parallelregelung oder Längsregelung der Ausgangsspannung oder auf halbgesteuerte Gleichrichterbrücken schaltungen .For the generator operation of synchronous machines with rectifier bridge circuits in motor vehicles, a switch has therefore been made to thyristor or transistor control, e.g. to parallel control or longitudinal control of the output voltage or to half-controlled rectifier bridge circuits.
Bei Parallelregelung schlielt der su den Ausgängen der «angesteuerten Gleichrichterbrückenschaltung liegende Thyristor bsw. Transistor die Gleichrichterbrücke kurz, wenn vom Bordnett kein Generatorstrom benötigt wird. Nachteilig ist, dal ein Energieverbrauch auch dann erfolgt, v*«nn vom Bordnets kein Generator strom benötigt wird. Der Wirkungsgrad ist wegen hoher Kupferverluste sehr niedrig. Aulerdem ist «wischen dem Thyristorausgang und der Fahrzeugbatterie eine Rückstromdiode erforderlich, die in Vorwirtsrichtung den vollen Laststrom fflhren mul. Bei batterielosem Betrieb steigt die Generatorspannung an dem Thyristor entsprechend der Leerlaufkennlinie steil an, so daß die verwendeten Halbleiterbauelemente für diese dann auftretende sehr hohe Sperrspannung dimensioniert sein müssen.In parallel control, the thyristor or transistor located at the outputs of the controlled rectifier bridge circuit short-circuits the rectifier bridge when no generator current is required from the on-board network. The disadvantage is that energy is consumed even when no generator current is required from the on-board network. The efficiency is very low due to high copper losses. In addition, a reverse current diode is required between the thyristor output and the vehicle battery, which must carry the full load current in the forward direction. In battery-free operation, the generator voltage at the thyristor rises steeply in accordance with the no-load characteristic, so that the semiconductor components used must be dimensioned for the very high blocking voltage that then occurs.
Bei der Längsregelung gibt der in Reihe zum Ausgang der ungesteuerten Gleichrichterbrückenschaltung liegende Thyristor bzw. Transistor den Generatorstrom zumIn longitudinal control, the thyristor or transistor in series with the output of the uncontrolled rectifier bridge circuit supplies the generator current to the
2200 Ot/sei - 6 - R. 223*+92200 Ot/sei - 6 - R. 223*+9
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Bordnetz hin frei, wenn Bedarf vorliegt. Wird kein Generatorstrom im Bordnetz benötigt, unterbricht dec Thyristor btw. Translator dan Lastkreis, und dar Synchrongenerator arbeitet im Laarlauf. Dar Thyristor bzw. Transistor hat somit einerseit« den vollen »ordnet zstroa tu schalten und muft dabei andererseits einer Spannungsisätlgkeit yöuufen, &aacgr;&iacgr;· lieh bmim Offnen des Leistungskreises durch die Leerlaufspannung des Gene" rators einstellt. Dadurch treten la Bordnetz hohe Stron- und Spannungsoberschwingungen auf» und die elektromagnetisch· Verträglichkeit wird beeinträchtigt.The on-board power supply is free when there is a need. If no generator current is required in the on-board power supply, the thyristor or transistor interrupts the load circuit and the synchronous generator operates in idle mode. The thyristor or transistor therefore has to switch the full current on the one hand and must also withstand a voltage difference which is created when the power circuit is opened by the no-load voltage of the generator. This causes high current and voltage harmonics in the on -board power supply and the electromagnetic compatibility is impaired.
Bei einer halbgeeteuerten Gleichrichterbrückenschaltung werden drei Dioden einer ungesteuerten Gleichrichterbrückenschaltung durch drei Thyristoren ersetzt, die ■it Hilfe eines Steuergerätes in Phasenanschnittsteuerung oder On/Off-Regelung betrieben werden. Hierzu sind komplexe Steuerschaltkreise im steuergerät erforderlich, z.B. für die Phasenanschnittsteuerung separateIn a half-controlled rectifier bridge circuit, three diodes of an uncontrolled rectifier bridge circuit are replaced by three thyristors, which ■are operated with the help of a control unit in phase control or on/off control. For this, complex control circuits are required in the control unit, e.g. separate ones for the phase control
iöwie Küildurchgangserkennungen.like cooling passage detection.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine permanent-■agneterregte Synchronmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher unter VerneidungThe invention is based on the object of creating a permanent magnet excited synchronous machine of the type mentioned above, in which
der vorstehend aufgezeigten Machteile bekannter Synchronmaschinen «it geringe» konstruktiven und schaltungstechnischen Aufwand eine gute Spannungsregelung über den gesamten Drehzahlbereich eines Fahrzeugmotors erreicht werden kann.The above-mentioned power components of known synchronous machines enable good voltage regulation over the entire speed range of a vehicle engine to be achieved with little construction and circuitry effort.
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Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die Aufgabe wird bei einer Synchronmaschine der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung erfindungsgemäB durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, wobei in vorteilhafter Weise ein unter bestimmten Bedingungen entstehender Wirbelstromeffekt zur Beeinflussung des Nutzflueses ausgenutzt wird. Das den Luftspalt durchsetzende resultierend« Magnetfeld erzeugt in einer Zone aus nichtmagnetisierbarem, elektrisch leitfahigem Material Wirbelstrom«. Die dadurch bedingten Wirbelstromverluste sind frequenzabhlngig und nehmen mit steigender Drehzahl zu. Bei entsprechender Dimensionierung der Zone sind diese Wirbelstromverluste so groß, daB sie den drehzahlabhlngigen Anstieg der in der Ankerwicklung induzierten Spannung begrenzen. The object is achieved in a synchronous machine of the type specified in the preamble of claim 1 according to the invention by the characterizing features of claim 1, whereby an eddy current effect that occurs under certain conditions is advantageously used to influence the useful flow. The resulting magnetic field that passes through the air gap generates eddy current in a zone made of non-magnetizable, electrically conductive material. The eddy current losses caused by this are frequency-dependent and increase with increasing speed. If the zone is dimensioned accordingly, these eddy current losses are so large that they limit the speed-dependent increase in the voltage induced in the armature winding.
Aufgrund dieser drehzahlabhlngigen Spannungsbegrenzung genügt es beispielsweise, bei Verwendung der erfindungsgemlBen Synchronmaschine als Drehstromgenerator für das Gleichstrombordnetz eines Kraftfahrzeuges am Ausgang des Gleichrichters eine ungesteuerte Spannungsstabilisierungsschaltung vorzusehen, um ein« ausreichende Spannungskonst&nz über den gesamten Drehzahlbereich des rahrzeugmotors zu erreichen. lin schaltungstechnisch aufwendiger Spannungsregler und/oder «in Feldregler entfällt. Da die Spannungsregelung durch die Wirbelströme erfolgt und auf einen Spannungsregler versichtet wird/ treten auch keine Störspannungen durch Reglerschaltspitzen auf.Due to this speed-dependent voltage limitation, it is sufficient, for example, when using the synchronous machine according to the invention as a three-phase generator for the DC on-board network of a motor vehicle, to provide an uncontrolled voltage stabilization circuit at the output of the rectifier in order to achieve sufficient voltage stability over the entire speed range of the vehicle engine. A complex circuitry voltage regulator and/or field regulator is not required. Since the voltage is regulated by the eddy currents and a voltage regulator is not used, no interference voltages occur due to regulator switching peaks.
Dabei zeichnet sich der Rotor der erfindungsgemäßen Synchronmaschine durch eine leichte Bauweise aus undThe rotor of the synchronous machine according to the invention is characterized by a lightweight construction and
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hat ein kleines Trägheitsmoment, so daß beim Einsatz der Synchronmaschine in Kraftfahrzeugen eine wesentlich geringere Beanspruchung des treibenden Keilriemens bei Drehzahlwechsel auftritt.has a small moment of inertia, so that when using the synchronous machine in motor vehicles, the driving V-belt is subjected to significantly less stress when the speed changes.
Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maß nahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Synchronmaschine möglich. The measures listed in the further claims enable advantageous further developments and improvements of the synchronous machine specified in claim 1.
Eine einfache technische Realisierung der Wirbelstromzone wird gemäß einer bevorzugten Aueführungsform der Erfindung durch einen massiven Bohlzylinder aus Kupfer, Aluminium, Messing oder einem sonstigen elektrisch leitenden, nicht magnetisierbar«« Werkstoff erzielt. Ein solcher Hohlzylinder, der auf den Rotor aufgeschrumpft wird, so daß seine Innenseite unmittelbar auf den Permanentmagneten aufliegt, dient zugleich der Positionierung und Befestigung der Permanentmagnete auf dem Träger. Die auf die Permanentmagnete wirkenden Fliehkräfte können damit auch bei sehr hohen Drehzahlen mechanisch einfach aufgenommen werden. A simple technical realization of the eddy current zone is achieved according to a preferred embodiment of the invention by means of a solid hollow cylinder made of copper, aluminum, brass or another electrically conductive, non-magnetizable material. Such a hollow cylinder, which is shrunk onto the rotor so that its inside lies directly on the permanent magnet, also serves to position and attach the permanent magnets to the carrier. The centrifugal forces acting on the permanent magnets can thus be easily absorbed mechanically even at very high speeds.
Für die Ausnutzung des Wirbelstromeffektes zur Spannungsregelung kann es auch ausreichend sein, wenn gemäß einer weiteren Ausführungeform der Hohlzylinder nicht massiv ausgebildet wird, sondern durch größere Ausnehmungen eine Xäfigstruktur in der Weise erhält, daß sich Materialstege axial über den Rotor erstrecken, die mindestens endseitig über Kreisringe miteinander verbunden sind. Die Wirbelströme bilden sieh dann in den Stegen aus. Auch ein solcher Käfig kann zusätzlich zur sicheren und zuverlässigen Positionierung der Permanent- To use the eddy current effect for voltage regulation, it may also be sufficient if, according to another embodiment, the hollow cylinder is not made solid, but rather has a cage structure through larger recesses in such a way that material webs extend axially over the rotor, which are connected to each other at least at the ends via circular rings. The eddy currents then form in the webs. Such a cage can also be used in addition to the safe and reliable positioning of the permanent magnets.
2200 Ot/sei - 9 - R.2200 Ot/sei - 9 - R.
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magnete herangezogen werden.magnets can be used.
Sowohl bei massiven als auch beim käfigartig ausgesparten Hohlzylinder kann nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mindestens ein Stirnende des Bohlzylinders Ober das Rotorende axial überstehend ausgeführt und hier zu Lüfterschaufeln ausgeformt werden. Dadurch entfällt ein zusätzlich auf der Rotorwelle sitzender gesonderter Lüfter für die Durchgangsbelüftung. Der Rotor wird trägheitsärmer.According to a further embodiment of the invention, both in the case of solid hollow cylinders and in the case of hollow cylinders with a cage-like recess, at least one end of the hollow cylinder can protrude axially above the end of the rotor and be formed into fan blades. This eliminates the need for a separate fan on the rotor shaft for through-ventilation. The rotor has less inertia.
Bei Befestigung der Permanentmagnete auf dem Umfang des Rotors derart, dafi diese den zu erwartenden Beanspruchungen durch Fliehkräfte insbesondere bei wechselnder Last bei 4en geforderten Betriebedrehzahlen genügt, kann gemäS ein*» weiteren Ausführungsform die Wirbelstromzone von den Permanentmagneten selbst gebildet werden, da das Permanentmagnetmaterial selbst, insbesondere wenn es auf Basis von Seltenen Erden hergestellt ist, elektrisch leitfähig ist. In diesem Pail sind dann Form, Gröfie und Anordnung der Permanentmagnete maßgeblich für den den Mutz- oder PolradfluB beeinflussenden Wirbeletromeffekt. Als Permanentmagnetwerkstoff werden vorzugsweise Kombinationen mit Seltenen Erden, wie Samarium (Sm) oder Neodym (Md), verwendet. Brauchbare Materialien sind beispielsweise SmCo oder MdFeB.If the permanent magnets are attached to the circumference of the rotor in such a way that they can withstand the expected stresses caused by centrifugal forces, particularly under changing loads at the required operating speeds, the eddy current zone can be formed by the permanent magnets themselves, according to another embodiment, since the permanent magnet material itself is electrically conductive, particularly if it is made from rare earths. In this case, the shape, size and arrangement of the permanent magnets are decisive for the eddy current effect that influences the magnet or rotor flux. Combinations with rare earths, such as samarium (Sm) or neodymium (Md), are preferably used as permanent magnet materials. Suitable materials are, for example, SmCo or MdFeB.
Da bei der erfindungsgemäSen Synchronmaschine die Spannungsregelung durch den Wirbelstromeffekt erfolgt, ist zur Erzielung einer guten Spannungskonstan&zgr; bei derSince the voltage regulation in the synchronous machine according to the invention is carried out by the eddy current effect , in order to achieve a good voltage constancy in the Verwendung der Synchronmaschine als Drehstromgenerator für das Gleichspannungsnetz eines Kraftfahrzeuces, wieUse of the synchronous machine as a three-phase generator for the DC voltage network of a motor vehicle, such as
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2200 Ot/eei - 10 - R·2200 Ot/eei - 10 - R ·
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schon erwähnt, eine ungesteuerte Spannungsstabilisierungsschaltung ausreichend, die gemäß einer weiteren Ausführungsform dem Ausgang der an der Ankerwicklung angeschlossenen Gleichrichterbrückenschaltung parallel geschaltet wird. Eine solche Stabilisierungsschaltung besteht in ihrer einfachsten Form aus einer Zenerdiode, die über einen Vorwiderstand dem Ausgang der Gleichrichterbrückenschaltung parallel gelegt wird. Otä stabilisierte Ausganguspannung kann entweder unmittelbar an der Zenerdiode oder am Emitter eines npn-Transistors abgegriffen werden, dessen Koll&ktor-Basis-Strecke in Reihe mit einen Kollektorwiderstand dem Vorwiderstand der Zenerdiode parallel geschaltet ist. As already mentioned, an uncontrolled voltage stabilization circuit is sufficient, which according to a further embodiment is connected in parallel to the output of the rectifier bridge circuit connected to the armature winding. In its simplest form, such a stabilization circuit consists of a Zener diode which is connected in parallel to the output of the rectifier bridge circuit via a series resistor. The stabilized output voltage can be tapped either directly at the Zener diode or at the emitter of an npn transistor, the collector-base path of which is connected in series with a collector resistor in parallel to the series resistor of the Zener diode.
Zeichnungdrawing
Die Erfindung 1st anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Es zeigent The invention is described in more detail below with reference to an embodiment shown in the drawing.
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Dreipha#en-Synchrtngenerators für ein Kraftfahrzeug im Querschnitt;Fig. 1 is a schematic representation of a three-phase synchronous generator for a motor vehicle in cross section;
Fig. 2 das Schaltbild eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs in Verbindung mit dem Synchrongenerator;Fig. 2 shows the circuit diagram of an on-board network of a motor vehicle in connection with the synchronous generator;
und 4 sierungsschaltung entsprechend einem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel. and 4 ization circuit according to a first and second embodiment .
Beschreibung der ÄusführungsbcispieleDescription of the implementation examples
Als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wirdAs a preferred embodiment of the invention,
2200 Ot/sei - 11 - R. 223^92200 Ot/sei - 11 - R. 223^9
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der in Fig. 1 schematisch im Querschnitt dargestellte Dr«hatroni9«n«rator für Kcaftfahrsvug· ala Möglich·· Beispiel für «in« Synchronmaschine näher erläutert. Der Drehstromgenerator waist einen tutor 10 und einen toter 11 auf ,der unter Belassung «in·· Luftspalt·· 12 konzentrisch im Innern de* Stator· 10 angeordnet ist. Der Stator 10 trägt eine Vieltahl von Über den Umfang gleichmäBig verteilt angeordneten Muten 13 tür Aufnahme einer dreiphasigen Stator- oder Ankerwicklung 14, die in Fig. 1 lediglich in einer Mut 13 durch Schraffur achematiach angedeutet ist. Der permanentmagneterregte Rotor 11 weist einen zylindrischen Träger 1,5 au· ferromagnetischem Werkstoff auf, der auf einer Rotorwelle 16 drehfest aitxt. Auf de« Umfang des Träger· 1S sind a.\« Rotor" pole Permanentmagnete 17 mit radialer oder diametraler Magnetiaierungarichtung angeordnet. Die Magnetisierungsrichtung benachbarter Permanentmagnete 17 ist gemäB der Polteilung jeweils um 1S0* gedreht. Dabei können die Permanentmagnete als flache, sich in Längsrichtung des Rotors erstreckende Stege ausgebildet sein, die mit ihren seitlichen Flächen aneinanderliegend auf dem Umfang des zylindrisch ausgebildeten Trägers 15 des Rotors aufliegen. Als Permanentmagnetmaterial werden bevorzugt Materialien aus Kombinationen mit Seltenen Erden eingesetzt, z.B. SmCo oder MdFeB. The three-phase generator for motor vehicles shown schematically in cross section in Fig. 1 is explained in more detail as a possible example of a synchronous machine. The three-phase generator has a rotor 10 and a dead rotor 11 which is arranged concentrically inside the stator 10, leaving an air gap 12. The stator 10 has a plurality of slots 13 evenly distributed over the circumference for receiving a three-phase stator or armature winding 14, which is only indicated mathematically in one slot 13 by hatching in Fig. 1. The permanent magnet excited rotor 11 has a cylindrical carrier 1.5 made of ferromagnetic material which is non-rotatably mounted on a rotor shaft 16. Permanent magnets 17 with radial or diametrical magnetization direction are arranged on the circumference of the carrier 15 at the rotor poles. The magnetization direction of adjacent permanent magnets 17 is rotated by 150* in accordance with the pole pitch. The permanent magnets can be designed as flat webs extending in the longitudinal direction of the rotor, which rest with their lateral surfaces against one another on the circumference of the cylindrical carrier 15 of the rotor. Materials made from combinations with rare earths, e.g. SmCo or MdFeB, are preferably used as permanent magnet material.
Auf den Rotor 11 ist ein massiver Hohlzylinder 18 aufgeschoben und zwar derart, daß er mit seiner Innenwand unmittelbar auf den Permanentmagneten 17 aufliegt. Der Hohlzylinder 18 ist mit dem Rotor 11 drehfest verbunden, was vorteilhaft durch Aufschrumpfen erfolgt. Dadurch werden zugleich die Permanentmagnete 17 in ihrer Lage auf dem Träger 15 fixiert und damit eine auch bei hohenA solid hollow cylinder 18 is pushed onto the rotor 11 in such a way that its inner wall rests directly on the permanent magnet 17. The hollow cylinder 18 is connected to the rotor 11 in a rotationally fixed manner, which is advantageously done by shrinking. This simultaneously fixes the permanent magnets 17 in their position on the carrier 15 and thus ensures a
2?00 Ot/sei - 12 - R- 22^92?00 Ot/sei - 12 - R- 22^9
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Drehzahlen zuverlässige Befestigung der Permanentmagnete 17 erreicht. Der dünnwandige Hohlsylinder 1&THgr; hat ein« relativ gering· radial« Dick·, erstreckt eich über die gesamte axial· Läng« d·· Rotor· 11 und steht stirnseitig über den Rotor 11 vor. Di· beiden überstehenden Zylindcrrlnder können mit Voriug su Lüfterschaufeln (nicht gezeigt) für eine Durchsugbelüftung des Drehstromgenerators geformt sein. Der Hohlsylinder 18 besteht aus elektrisch leitendes» nicht magnetisierbarer! Material, wie Kupfer, Aluminium, Massing &ogr;. dgl. The permanent magnets 17 are reliably secured at high speeds. The thin-walled hollow cylinder 18 has a relatively small radial thickness, extends over the entire axial length of the rotor 11 and projects beyond the rotor 11 at the front. The two protruding cylinder rims can be shaped with fan blades (not shown) for through-ventilation of the three-phase generator. The hollow cylinder 18 is made of electrically conductive, non-magnetizable material such as copper, aluminum, metal etc.
in rig. 2 ist das elektrische Schaltbild eines Bordnettes eines Kraftfahrieugs dargestellt, das von dem vorstehend beschriebenen Drehstromgenerator gespeist wird. Dabei ist mit 20 die Kraftfahrzeug-Batterie bezeichnet, die vom Drehstromgenerator auf eine Bordnetzspannung U_ von beispielsweise 12 V aufgeladen wird. Der Widerstand 21 mit dem Widerstandswert Rx symbolisiert die an dem Bordnets des Kraftfahrzeuge angeschlossenen Gleichetrooverbraucher. Die drei Wicklungsenden u,&ngr;,w der in Stern geschalteten Wicklungsstringen 14a, 14b, 14c der dreiphasigen Ankerwicklung 14 sind mit einer ungesteuerten Gleichricht«rbrück«nschaltung 22 verbunden, deren Ausgangsklemmen mit B+ und D- bezeichnet sind. Zwischen diesen Klemmen liegt die gleichgerichtete Generatorspannung U_. An den Ausgangsklemmen B* und D-der Gleichrichterbrückenschaltung 22 ist eine Spannungsstabilisierungsschaltung 23 angeschlossen, an deren Ausgang die Kraftfahrzeug-Batterie 20 und die Stromverbraucher 21 angeschlossen sind. Ausführungsbeispiele der Spannungsstabilisierungsschaltung 23 sind in Fig. 3 und 4 dargestellt.Fig. 2 shows the electrical circuit diagram of a vehicle's on-board network which is fed by the three-phase generator described above. The vehicle battery is designated by 20, which is charged by the three-phase generator to an on-board network voltage U_ of, for example, 12 V. The resistor 21 with the resistance value R x symbolizes the DC consumers connected to the vehicle's on-board network. The three winding ends u,v,w of the star-connected winding strings 14a, 14b, 14c of the three-phase armature winding 14 are connected to an uncontrolled rectifier bridge circuit 22, the output terminals of which are designated B+ and D-. The rectified generator voltage U_ is located between these terminals. A voltage stabilization circuit 23 is connected to the output terminals B* and D- of the rectifier bridge circuit 22, to the output of which the motor vehicle battery 20 and the power consumers 21 are connected. Embodiments of the voltage stabilization circuit 23 are shown in Fig. 3 and 4.
2200 Ot/sei - 13 - R- 223^92200 Ot/sei - 13 - R- 223^9
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Wie aus Fig. 3 ersichtlich, besteht die Spannungsstabilisierungsschaltung 23 im einfachsten Fall aus einer Zenerdiode 24, die über einen Vorwiderstand an dem Ausgang B*, D- der Gleichrichterbruckenschaitung 22 angeschlossen ist. Die Ausgangsspannung der Zenerdiode 24 bildet die stabilisierte Gleichspannung UA des Drehstrcsgsner&tcrs sur Speisung von Krsftfshrscug-Ssttsris 20 und Stromverbraucher 21. Die Ausgangsklemmen der Spannun«estabilieierungsschaltung 23, an welche die Kraftfahrseug-Batterie 20 mit Stromverbraucher 21 angeschlossen sind, sind in Fig. 3 mit 2( und 27 beseichnet. As can be seen from Fig. 3, the voltage stabilization circuit 23 consists in the simplest case of a Zener diode 24 which is connected via a series resistor to the output B*, D- of the rectifier bridge circuit 22. The output voltage of the Zener diode 24 forms the stabilized direct voltage U A of the rotary current generator for supplying the power converter 20 and the current consumer 21. The output terminals of the voltage stabilization circuit 23, to which the motor vehicle battery 20 with the current consumer 21 are connected, are designated 2( and 27 in Fig. 3.
In Fig. 4 ist eine gegenüber der Schaltung der Fig. 3 modifizierte Spannungestabilisierungeschaltung 23' gezeigt, die um einen transistor 28 erweitert ist, wodurch die Zenerdiodengrundschaltung der Fig. 3 in eine Serien-Stabilisierungsschaltung überfuhrt ist. Der ■mitter des npn-Transistors 28 bildet die Ausgangeklemme 26, während die Kollektor-Basis-Strecke des Transistors 28 in Seihe mit eines Kcilektorvidsrstand 29 dem Vorwiderstand 25' parallel geschaltet ist. Die stabilisierte Ausgangsspannung der Spannungsstabilisierungsschaltung 23' ist wiederum mit U. beseichnet.In Fig. 4, a voltage stabilization circuit 23' is shown which is modified compared to the circuit in Fig. 3 and which is expanded by a transistor 28, whereby the basic Zener diode circuit in Fig. 3 is converted into a series stabilization circuit. The middle of the npn transistor 28 forms the output terminal 26, while the collector-base path of the transistor 28 is connected in parallel with the series resistor 25' in series with a resistor resistor 29. The stabilized output voltage of the voltage stabilization circuit 23' is again denoted by U.
Der permanentmagneterregte Drehstromgenerator wird Ober die Rotorwelle K von dem Fahrzeugmotor mit einer Dreh zahl &eegr; angetrieben. Diese Drehzahl schwankt je nach Betriebszustand des Fahrzeugmotors in weiten Grenzen. Der von dem permanentmagneterregten Rotor 11 erzeugte Polradfluß ist in Fig. 2 mit &phgr; bezeichnet. Bei drehendem Rotor 11 induziert dieser PolradfIuB in der Ankerwicklung 14 eine Spannung (EMK), die bei angeschlossenen Stromverbrauchern 21 zu einem Stromfluß in der The permanent magnet excited three-phase generator is driven by the vehicle engine via the rotor shaft K at a speed η. This speed varies within wide limits depending on the operating state of the vehicle engine. The magnet wheel flux generated by the permanent magnet excited rotor 11 is designated in Fig. 2 by φ. When the rotor 11 rotates, this magnet wheel flux induces a voltage (EMF) in the armature winding 14, which, when power consumers 21 are connected, leads to a current flow in the
2200 Ot/sei - 14 - R- 223^92200 Ot/sei - 14 - R- 223^9
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Ankerwicklung 14 führt. Durch den Ankerstrom wird ein Ankerquerfeld aufgebaut, das zu einer Schwächung des Polradflueses führt. Der la Luftspalt 12 wirksaae resultierend« MuttfluB ist atigebend für die in der Ankerwicklung 14 induzierte Spannung. The armature current creates a transverse armature field which weakens the rotor flux. The resulting mother flux in the air gap 12 is the determining factor for the voltage induced in the armature winding 14.
f- uimmmL· Kiitsxliis inäüiiert in dee Hohizyiihder ief- uimmmL· Kiitsxliis inäüiiert in dee Hohizyiihder ie
se Wirbelstrottverluste sind frequenzabhängig und nennen mit steigender Orehsahl su. Bei entsprechender Auslegung der verfügbaren Freiheitsgrade, beispielsweise entsprechender Diaensionierung des Hohltylinders 18, sind die Wirbelstrom» dann so grot bzw. beschaffen, dal sie den drehzahlabhängig» Anstieg der induzierten Spannung begrenzen. Dadurch wird eine Spannungsregelung erzielt, so da&bgr; ohne zusätzliche Maftnahaen eine weitgehende Spannungskonstans der Ausgangsspannung des Drehstroagenerators über den gesaaten Drehzahlbereich des Pahrzeugaotors erreicht wird. Für die Erfordernisse eines Kräftfahrzeug-Bordnetzes reichen deshalb zur weiteren Stabilisierung der Generatorspannung die weiter vorn erläuterten, ungesteuerten Stabilisierungsschaltungen 23 bzw. 23* geaäS Fig. 3 oder 4 aus. These eddy current losses are frequency-dependent and increase with increasing speed. With appropriate design of the available degrees of freedom, for example appropriate dimensioning of the hollow cylinder 18, the eddy currents are then so large or of such a nature that they limit the speed-dependent increase in the induced voltage. This achieves voltage regulation so that a largely constant voltage of the output voltage of the three-phase generator is achieved over the entire speed range of the vehicle engine without additional measures. For the requirements of a motor vehicle electrical system, the uncontrolled stabilization circuits 23 or 23* as shown in Fig. 3 or 4 explained above are therefore sufficient for further stabilization of the generator voltage.
Der in Fig. 1 dargestellte aassive Hohlzylinder 18 kann durch axiale Aussparungen eine Käfigatruktur erhalten.The avulsive hollow cylinder 18 shown in Fig. 1 can be given a cage structure by means of axial recesses.
In diesem Fall besteht der Hohlzylinder 18 aus axialen MaterialStegen, die sich über die gesamte axiale Länge des Rotors 11 erstrecken können und mindestens an den Enden miteinander durch Kreisringe verbunden sind. Eine solche Käfigstruktur ist ausreichend zur Ausbildung von Wirbelströmen, so daß auch hiermit der Wirbelstromeffekt zur drehzahlabhängigen Spannungsregelung des Drehstromgenerators genutzt werden kann.In this case, the hollow cylinder 18 consists of axial material webs that can extend over the entire axial length of the rotor 11 and are connected to one another by circular rings at least at the ends. Such a cage structure is sufficient to form eddy currents, so that the eddy current effect can also be used for speed-dependent voltage regulation of the three-phase generator.
2200 Ot/sei - 15 - R. 223^92200 Ot/sei - 15 - R. 223^9
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Eine besonders kostengünstige konstruktive Möglichkeit zur Realisierung der Wirbelströme besteht noch darin, daß man die Permanentmagnete 17 so am Umfang des Trägers 15 befestigt, daß sie den zu erwartenden Beanspruchungen durch Fliehkräfte bei wechselnder Last und bei den geforderten Betriebsdrehzahlen des Fahrzeugmotors genügen, wodurch auf den Hohlzylinder 18 als tragendes Element verzichtet werden kann. Die Permanentmagnete 17, deren Permanentmagnetmaterial elektrisch leitfähig ist, sind dann in Form und Anordnung so auszubilden, daß in gleicher Weise wie beim massiven Hohlzylinder 18 oder beim Hohlzylinder in Käfigstruktur am Luftspalt 12 eine mit dem Rotor 11 umlaufende Zone entsteht. Infolge der elektrischen Leitfähigkeit des Permanentmagnetmaterials bilden sich die Wirbelströme im Magnetmaterial selbst aus, so daß auch hier eine drehzahlabhängige Spannungsregelung sich automatisch einstellt. A particularly cost-effective design option for implementing the eddy currents is to attach the permanent magnets 17 to the circumference of the carrier 15 in such a way that they meet the expected stresses from centrifugal forces under changing loads and at the required operating speeds of the vehicle engine, whereby the hollow cylinder 18 can be dispensed with as a supporting element. The permanent magnets 17, whose permanent magnet material is electrically conductive, are then to be designed in such a way in terms of shape and arrangement that a zone circulating with the rotor 11 is created at the air gap 12 in the same way as with the solid hollow cylinder 18 or with the hollow cylinder in a cage structure. Due to the electrical conductivity of the permanent magnet material, the eddy currents form in the magnet material itself, so that here too a speed-dependent voltage regulation is automatically set.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen sowie der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als euch in beliebiger Kombination miteinander er indungsw« sentiich se in.All features shown in the description, the following claims and the drawing can be used individually or in any combination with one another.
Claims (11)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE8816122U DE8816122U1 (en) | 1988-12-28 | 1988-12-28 | Synchronous machine |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE8816122U DE8816122U1 (en) | 1988-12-28 | 1988-12-28 | Synchronous machine |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE8816122U1 true DE8816122U1 (en) | 1990-04-26 |
Family
ID=6831230
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE8816122U Expired - Lifetime DE8816122U1 (en) | 1988-12-28 | 1988-12-28 | Synchronous machine |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE8816122U1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0545060A1 (en) * | 1991-11-07 | 1993-06-09 | Siemens Aktiengesellschaft | Electric machine with a rotor excited by permanent magnets |
| DE102009039056A1 (en) | 2008-11-12 | 2010-05-20 | Sew-Eurodrive Gmbh & Co. Kg | Electric motor, has squirrel cage thermally compressed in force-fit manner and connected to laminated sheet package together with permanent magnets, where magnets are arranged at outer side of laminated sheet package |
-
1988
- 1988-12-28 DE DE8816122U patent/DE8816122U1/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0545060A1 (en) * | 1991-11-07 | 1993-06-09 | Siemens Aktiengesellschaft | Electric machine with a rotor excited by permanent magnets |
| US5323077A (en) * | 1991-11-07 | 1994-06-21 | Siemens Aktiengesellschaft | Electrical machine having a permanent-magnet-excited rotor |
| DE102009039056A1 (en) | 2008-11-12 | 2010-05-20 | Sew-Eurodrive Gmbh & Co. Kg | Electric motor, has squirrel cage thermally compressed in force-fit manner and connected to laminated sheet package together with permanent magnets, where magnets are arranged at outer side of laminated sheet package |
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