DE102007035319A1

DE102007035319A1 - Electric machine for use as three-phase generator, for supplying electrical energy to electrical system in motor vehicle, has permanent magnet ring comprising unipolar radial magnet directly connected to rotor shaft

Info

Publication number: DE102007035319A1
Application number: DE102007035319A
Authority: DE
Inventors: Anton Paweletz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-07-27
Filing date: 2007-07-27
Publication date: 2009-01-29

Abstract

The machine (10) has a claw pole rotor (14) comprising hybrid-excited electromagnetic and permanent magnetic claw pole modules (16a, 16b) arranged axially adjacent to each other on a rotor shaft (15). The module (16a) has a field coil (17) for electromagnetic excitation and the module (16b) has a permanent magnet ring (25) for permanent magnetic excitation. Each module has two axially spaced claw pole disks (18, 20) with pole fingers (19) interlocked in the outer periphery. The ring has an unipolar radial magnet directly connected to the rotor shaft over a forward conductance ring (26).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, vorzugsweise einen Generator mit einem hybriderregten Klauenpolläufer nach der Gattung des Anspruchs 1.The The invention relates to an electrical machine, preferably a Generator with a hybrid-excited claw-pole rotor the genus of claim 1.

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.Klauenpolmaschinen find their wide application for the generation of electrical Energy in electrical systems of motor vehicles. Your clawpollen runner is in most cases with an electromagnetic Provided excitement, with an exciter coil of the runner over Slip rings controlled by a speed and load dependent Excitation current is supplied. In addition, there are generators with a mixed, so-called hybrid excitement known which at least one electromagnetic and one permanently magnetically excited Module have. Both modules of the runner act thereby in the most cases together on a multi-phase winding system in the stand of the machine, whereby the two of them Add modules induced voltages.

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.From the publication U.S. Patent 4,882,515 is according to 8th a hybrid-excited claw-pole rotor known in which a permanently magnetically and an electromagnetically excited module are mounted axially adjacent to each other on the rotor shaft. The permanent magnetic module is equipped with a permanent magnet ring, which is magnetized unipolar in the axial direction. A disadvantage here is that the permanent magnet ring with a non-magnetic sleeve must be magnetically decoupled from the rotor shaft, otherwise the shaft magnetically short-circuits the permanent magnet. This sleeve is made of an expensive material and depending on the thickness of the sleeve is a more or less large stray flux of the permanent magnet ring on the rotor shaft and thus weakens the main flow through the stator Bleckpaket with the stator winding.

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.From the publication DE-OS 41 07 867 A1 is also according to 1 a similar Klauenpolläufer known in which, however, the permanent magnetic module consists of two outer Klauenpolscheiben, each with an axial magnetic permanent magnet ring and a common Polklaue arranged therebetween. Again, the permanent magnet rings must be magnetically decoupled in a disadvantageous manner against the shaft. In addition, is off 6 a hybrid-excited rotor known axially adjacent to the electrically excited claw pole module yet another module with individual magnets which are distributed on the outer circumference of a magnetic yoke at equal intervals, in each case between two molded on the yoke poles are arranged (single-pole version). The individual magnets are magnetized unipolar in the radial direction. It is a disadvantage that these systems have only a low magnetic load, are expensive to produce and cause eddy current losses in the yoke poles, which together with caused on the tooth-shaped rotor circumference air swirl lead to increased noise.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

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.With the present solution is aimed at electrical Machines with a hybrid excitation in the rotor the power density the machine, in particular the permanent magnetic module too increase, so that the electrical excitement if necessary to reduce with increasing speeds.

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.This is used in electrical machines by the distinguishing features of claim 1 achieved. These machines have the advantage of a increased power density at the rotor, a possible reduction the excitation current in the electromagnetic module, a higher Service life due to less wear on the slip rings and brushes, as well as low eddy current losses in the claws. As another advantage you get by shorter Klauenpolfinger significantly smaller mechanical stresses in the Claws and a less elaborate manufacturing technology for the claws by cold deformation, optionally without Grinding processes on the pole fingers. The parts of the rotor modules are also structurally robust and can be lightweight be kept at low operating temperature.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.By the measures listed in the dependent claims provide expedient refinements and developments the features specified in claim 1.

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.In order to be able to use magnetically highly effective materials such as so-called rare earth magnets or plastic-bonded magnetic materials for the permanent magnetic module of the claw-pole rotor, the magnets must be protected as well as possible against mechanical stresses and against high eddy-current losses by the pulsating magnetic field. This is achieved in an advantageous manner in that the permanent magnet ring is fastened with its outer circumference in a correspondingly large bore of a claw pole disk of the permanent magnetic claw pole module. In order to achieve the highest possible magnetic flux of the permanent magnetic module is also proposed to use a permanent magnet ring in both claw discs, preferably both permanent magnet rings are spaced from each other on a common Flußleitring in each case a bore of Klauenpolscheiben. Both permanent magnet rings must be set opposite to each other radially magnetized be. Normally, the radially magnetized permanent magnet rings are integrally formed. However, in order to use mechanically sensitive, magnetically highly effective materials such as rare earth magnets or so-called SMC magnets (soft magnetic composites) as sintered blocks, it is proposed as a particularly advantageous embodiment that the permanent magnet ring is a soft magnetic ring body, the evenly over having circumferentially distributed pockets, in which radially magnetized permanent magnets are used. For better cooling and thermal decoupling of the permanent magnet ring of hot components such as the exciter coil this is preferably arranged in the outer Klauenpolscheibe. In order to decouple the adjacent modules as well as possible thermally and magnetically against each other, it is proposed that the at least two claw pole modules are fastened to one another axially spaced from one another, preferably by a magnetically inactive spacer ring, on the rotor shaft. Alternatively, it is possible that the axially adjacent Klauenpolmodule offset by a pole pitch against each other and opposite set radially polarized. On the other hand, if alternatively the adjacent claw pole module are not offset from each other, it is advantageous to achieve a compact design if the two adjacent claw pole modules have a common center claw which is fastened on the rotor shaft with preferably cylindrical on both sides. In this case, it is advantageous for reducing the components when the permanent magnet ring is fastened in the outer claw pole disk of the permanent magnetic claw pole module on the one cylindrical projection of the center claw.

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.in an embodiment without slip rings on the rotor gets along, is advantageously the electromagnetic claw pole module designed as Leitstückläufer, wherein the field winding at a stationary pole plate is attached to the outer circumference over a ring air gap with a Polfinger ring cooperates, the at the Polfingern the other Klauenpolscheibe, preferably the Central claw is attached. The thermal load of the rotor is conveniently reduced by that on at least one of the two outer Klauenpolplatten Klauenpolläufers, in particular at the electromagnetic Klauenpolmodules a fan is attached.

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.to Achieving a point-symmetric load of the electromagnetic and permanent magnetic modules, it is advantageous if the modules have two different air gap sizes to the stator Bleckpaket have, wherein the permanent magnetic module preferably the larger Air gap has.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Figuren in mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:The The invention will be described below by way of example with reference to the figures in several Embodiments explained in more detail. Show it:

1 eine elektrische Maschine mit hybriderregtem Klauenpolläufer im Längsschnitt mit elektromagnetischem und permanent magnetischem Klauenpolmodul, 1 an electric machine with a hybrid-excited claw pole rotor in longitudinal section with electromagnetic and permanent magnetic claw pole module,

2 einen Dauermagnetring der Maschine aus 1 mit Einzelmagnete in Draufsicht, 2 a permanent magnet ring of the machine 1 with individual magnets in plan view,

3 einen Abschnitt des Außenumfangs der beiden Module, als Abwicklung dargestellt, 3 a section of the outer periphery of the two modules, shown as a development,

4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Maschine mit einem Distanzring zwischen beiden Läufermodulen, 4 Another embodiment of the machine with a spacer ring between the two rotor modules,

5 und 6 zeigen in Abwandlung zu 2 zwei entgegen gesetzt radial magnetisierte Dauermagnetringe der Maschine nach 4, 5 and 6 show in a modification to 2 two opposite radially magnetized permanent magnet rings of the machine after 4 .

7 zeigt als drittes Ausführungsbeispiel eine elektrische Maschine mit zwei zueinander versetzten Klauenpolmodulen im Längsschnitt, 7 shows as a third embodiment, an electrical machine with two mutually offset claw pole modules in longitudinal section,

8 zeigt einen Abschnitt des Außenumfangs der beiden Module aus 7 in Abwicklung, 8th shows a portion of the outer periphery of the two modules 7 in execution,

9 zeigt als viertes Ausführungsbeispiel eine elektrische Maschine im Längsschnitt mit einer gemeinsamen Mittelklaue, 9 shows a fourth embodiment of an electric machine in longitudinal section with a common center claw,

10 zeigt einen Abschnitt des Außenumfangs der beiden Module aus 9 in Abwicklung, 10 shows a portion of the outer periphery of the two modules 9 in execution,

11 zeigt als fünftes Ausführungsbeispiel die elektrische Maschine in schleifringloser Ausführung eines Klauenpolläufers nach 9 und 11 shows as a fifth embodiment, the electric machine in slip-ring design of a claw-pole rotor 9 and

12 zeigt einen Abschnitt des Außenumfanges vom Klauenpolläufer aus 11 in Abwicklung. 12 shows a portion of the outer periphery of the claw pole runner 11 in execution.

Ausführungsformen der Erfindungembodiments the invention

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. 1 shows in simplified form an electric machine 10 in longitudinal section as the first embodiment, which is preferably used as an alternator for the electrical supply of electrical systems in motor vehicles. The machine 10 has a stationary stator laminated core 11 with a multiphase stator winding inserted therein 12 , About one on the inner circumference of the stator laminated core 11 lying working air gap 13 acts the stator winding 12 with a claw-pole runner 14 together, which has a hybrid excitement has. The hybrid excitement is due to two on its rotor shaft 15 arranged exciter modules 16 formed, which are arranged axially adjacent to each other with the same number of poles. The right module here is a claw pole module 16a with an excitation coil 17 for electromagnetic excitation. This claw pole module 16a consists in a conventional manner of two axially spaced Klauenpolscheiben 18 with intermeshing Polfingern on the outer circumference 19 , The left exciter module is a permanent magnetic claw pole module 16b with two axially spaced Klauenpolscheiben 20 , which are also on their outer circumference interlocking Polfinger 19 to have. The clawpollen runner 14 is with his runner shaft 15 in two bearing flanges 21 stored with the stand-laminated core 11 are tense. The number of the outer circumference of each pole disc 18 . 20 evenly distributed molded Polfinger 19 corresponds to the number of pole pairs of the electric machine 10 , The exciter coil 17 of the electromagnetic claw pole module 16a is about two at the rear end of the rotor shaft 15 arranged slip rings 22 supplied via brushes not shown with a load and speed-controlled DC. On the outside of the outer Klauenpolscheibe the right electromagnetic Klauenpolmodules 16a is a cooling fan 23 attached.

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.The permanent magnetic module 16b has a permanent magnet ring 25 which has a unipolar radial magnetization. This magnetization forms on the outer circumference of the permanent magnet ring 25 a south pole S and on the inner circumference a north pole N. The permanent magnet ring 25 is according to 1 via a soft-magnetic flux guide ring 26 on the rotor shaft 15 attached. This flux guide ring 26 takes along with the rotor shaft 15 the entire magnetic flux Φm of the permanent magnet ring 25 on. Alternative to the flux guide ring 26 can also be a corresponding thickening of the rotor shaft 15 be provided. The permanent magnet ring 25 is in a correspondingly large hole 18a the outer claw pole disc 18 the permanent magnetic claw pole module 16b attached to its outer periphery so that it is exposed to relatively low operating temperatures. This permanent magnet ring 25 generated in the permanent magnetic claw pole module 16b a magnetic flux Φm shown by arrows, the first from the inner north pole N on the flux guide 26 axially to the inside claw pole disc 20 , then radially outward through this claw pole disc 20 to her pole fingers 19 to be led. From there it passes over the working air gap 13 in the stator laminated core 11 with the stator winding 12 and from there again over the working air gap 13 to the neighboring Polfingern 19 the front claw disc 20 , From there it finally becomes radial to the south pole of the permanent magnet ring 25 recycled.

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.For the use of highly effective sensitive magnetic materials is for the permanent magnet ring 25 a special, in 2 provided embodiment shown in plan view. It consists of a soft magnetic ring body 25a , the pockets evenly distributed around the circumference 27 has, in the radially magnetized individual magnets 28 are used.

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.In the same way as the permanent magnetic claw pole module 16b also becomes the electromagnetic claw pole module 16a interspersed with an electrically excited magnetic field. The excitation coil generates 17 with a corresponding current flow direction, a magnetic flux .phi..sub.e, which on the inner claw pole disk 18 radially outward to the pole fingers 19 from there via the working air gap 13 and about the stator laminated core 11 to the pole fingers 19 the outer claw pole disc 18 and from there in the radial direction to one on the rotor shaft 15 attached pole core 29 arrives. Since the respective inside Klauenpolscheiben 20 the two excitation modules 16 are penetrated by a magnetic flux in the same radial direction, they can be next to each other at a small distance on the rotor shaft 15 be arranged without affecting each other. 3 shows the sectional outer circumference of the two claw pole modules 16a and 16b as a settlement. The two exciter modules are not offset against each other, so that each Polfinger 19 the outer and the inner claw discs 20 in pairs opposite each other.

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. 4 shows in a second embodiment, an electric machine 10a , In modification to 1 Here are the slip rings 22 inside the bearing flange 21 laid and the two claw pole modules 16a and 16b are here from each other by a magnetically ineffective spacer ring 31 axially spaced on the rotor shaft 15 attached. Also, here is in both claw discs 18 one permanent magnet ring each 25b . 25c used. Both are here on a common flux guide 26 attached spaced apart. 5 and 6 show the two permanent magnet rings 25b and 25c each in the plan view. Combined with 4 it can be seen that the two permanent magnet rings 25b and 25c opposite to each other are radially magnetized. The permanent magnet ring 25b in the outer claw disc 20 is radially magnetized with external north pole and the permanent magnet ring 25c in the inside claw disc 20 is reversely radially magnetized with internal north pole N. The magnetic flux Φm of the permanent magnetic module 16a is opposite to in 1 vice versa. By changing the current direction in the exciter coil 17 of the electromagnetic module 16a is also a reversal of the magnetic flux Φe achieved, so that here both magnetic fluxes Φm and Φe not influence.

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. 7 shows a third embodiment of an electrical machine 10b , in their essential structural design of the machine 10a out 4 equivalent. In amendment to 4 However, here are the two axially adjacent Klauenpolmodule 16a and 16b offset by a pole pitch against each other. 8th shows a portion of the outer circumference of the claw discs 18 and 20 with their Polfingern as settlement. There it can be seen that the Polfinger 19a the respective outer Klauenpolscheibe 20 both modules 16a . 16b as well as the Polfinger 19b the inner two Klauenpolscheiben 20 each offset by one pole pitch p in the circumferential direction. To do this in the stator winding 12 the electric machine 10b of both excitation modules 16 To induce rectified voltages, the current direction in the exciter coil 17 now chosen so that the two inside Klauenpolscheiben 20 the adjacent claw pole modules 16a . 16b one opposed to each other, by arrows in 7 have shown magnetic flux Φm and Φe. Also the torque loads over the length of the claw-pole rotor 14 to be able to form as point-symmetrical as possible, have the electromagnetic Klauenpolmodul 16a and the permanent magnetic claw pole module 16b different air gap sizes to the stator laminated core 13 , According to the execution according to 7 is the permanent magnetic claw pole module 16b with a larger working air gap 13a Mistake.

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. 9 shows a fourth embodiment of an electric machine 10c which in modification to the machine 1 a middle claw 32 Has. This middle claw 32 unites the two inside claw pole discs 18 and 20 the claw pole modules 16a and 16b the machine 10 out 1 , This middle claw 32 is also each with a cylindrical approach 32a and 32b on the rotor shaft 15 attached. While the right approach 32a the exciter coil 17 of the electromagnetic claw pole module 16a is on the left approach 32b the permanent magnet ring 25 from the permanent magnetic claw pole module 16b attached.

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.In 10 is at a portion of the outer circumference of the claw-pole runner 14 presented in a settlement that according to 3 the claw-pole-fingers 19 the outer claw disc 20 lie in pairs opposite. These now work with Polfingern 19c Together, in pairs at the middle claw 32 stand opposite.

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. 11 shows in a fifth embodiment, an electric machine 10d , which in modification of the execution after 9 a trained as a so-called Leitstückläufer electromagnetic Klauenpolmodul 16c Has. The exciter coil 17 is here on a shoulder 33b a stationary pole plate 33 attached and is via connection lines 34 supplied without ringlets by a regulated direct current. The pole plate 33 acts on the outer circumference via a ring air gap 35 with a Polfinger ring 36 together, which at the Polfingern 19c the middle claw 32 is attached. The pole plate 33 is here over a collar 33a at the rear bearing flange 21 fixed.

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. 12 shows a portion of the outer circumference of the claw-pole runner 14 in its settlement, according to which the claw finger ring 36 about a carrier 37 from potting compound on the Polfingern 19c the middle claw 32 is attached.

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.This embodiment can also be used without problems in a claw-pole runner with a separate permanently magnetic module 16b realize, instead of the middle claw then two inner claw discs are present. The claw finger ring 36 is then attached to the claw pole of the electromagnetic claw pole module.

Bei allen Ausführungsbeispielen sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszahlen versehen.in All embodiments are the same parts with the same Reference numbers provided.

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.The invention is not limited to the illustrated and described embodiments, as a variety of alternatives is possible. Thus, for example, in hybrid-excited machines also several electromagnetic and permanent magnetic claw pole modules can be 16a . 16b in sandwich construction on the rotor shaft 15 Arrange. With several axially adjacent claw pole modules, the claws can be kept relatively short compared to conventional claw pole runners. This has the advantage that at higher speeds in the claw minor mechanical stresses occur, so that this ferromagnetic powder composite materials can be used with which eddy current losses can be significantly reduced in the claws. Also in the stator of the machine, if necessary, a ferromagnetic composite material can be used instead of a laminated core.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- US 4882515 [0003]
- DE 4107867 A1 [0004]

Claims

Electric machine ( 10 ), preferably a generator, with a stator core, in particular a stator laminated core ( 11 ) and a polyphase stator winding ( 12 ) as well as with a claw pollulator ( 14 ) with a hybrid excitation of at least two, on the rotor shaft ( 15 ) axially adjacent claw pole modules ( 16 ), of which one module ( 16a ) an exciter coil ( 17 ) for electromagnetic excitation and another module ( 16b ) at least one permanent magnet ring ( 25 ) for permanent magnetic excitation, wherein the claw pole modules ( 16 ) each of two axially spaced Klauenpolscheiben ( 18 . 20 ) with on the outer circumference interlocking Polfingern ( 19 ), characterized in that the at least one permanent magnet ring ( 25 ) of the permanent magnetic module ( 16b ) has a unipolar radial magnetization and directly or via a flux guide ( 26 ) on the rotor shaft ( 15 ) is attached.

Electrical machine according to claim 1, characterized in that the at least one radially magnetized permanent magnet ring ( 25 ) with its outer circumference in a correspondingly large bore ( 20a ) of a claw pole disc ( 20 ), preferably in the outer claw pole disc ( 20 ) is attached.

Electrical machine according to claim 2, characterized in that in both claw discs ( 20 ) of the permanent magnetic claw module ( 16b ) in each case a permanent magnet ring ( 25 ), preferably both permanent magnet rings ( 25 ) on a common flux guide ring ( 26 ) spaced from each other and opposite to each other are radially magnetized.

Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that the permanent magnet ring ( 25 ) a soft magnetic ring body ( 25a ), the equally distributed over the circumference pockets ( 27 ), in which radially magnetized individual magnets ( 28 ) are used.

Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that the at least two claw pole modules ( 16a . 16b ) from each other preferably by a magnetically inactive spacer ring ( 31 ) axially spaced on the rotor shaft ( 15 ) are attached.

Electrical machine according to claim 5, characterized in that the axially adjacent claw pole discs ( 18 . 20 ) of the two claw pole modules ( 16a . 16b ) offset by one pole pitch (p) against each other and opposite are radially polarized.

Electrical machine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the two adjacent claw-pole modules ( 16a . 16b ) a common middle claw ( 33 ), preferably with two-sided cylindrical approaches ( 32a . 32b ) on the rotor shaft ( 15 ) is attached.

Electrical machine according to claim 7, characterized in that the permanent magnet ring ( 25 ) of the outer claw pole disc ( 20 ) of the permanent magnetic claw pole module ( 16b ) on the one cylindrical projection ( 32b ) the middle claw ( 32 ) is attached.

Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that the electromagnetic claw pole module ( 16a ) is designed as a Leitstückläufer, wherein the excitation coil ( 17 ) on a stationary pole plate ( 33 ), which at the outer periphery via a ring air gap ( 35 ) with a Polfinger ring ( 36 ) cooperates, which at the Polfingern ( 19 ) of the other claw disc ( 18 ), preferably the middle claw ( 32 ), is attached.

Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that on at least one of the two outer Klauenpolscheiben ( 18 or 20) of the claw-pole runner ( 14 ), in particular on the claw pole disc ( 18 ) of the electromagnetic claw pole module ( 16a ) a cooling fan ( 23 ) is attached.

Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that the electromagnetic and permanent magnetic modules ( 16a . 16b ) two different air gap sizes to the stator laminated core ( 11 ), with the point-symmetric loading of both modules the permanent magnetic module ( 16b ) the larger working air gap ( 13a ) having.