-
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere einen elektrischen Generator für ein Kraftfahrzeug, mit einem Stator und einem Rotor, von denen zumindest einer mit Blechlamellen aufgebaut ist, welche einerseits ringförmige, ein magnetisches Rückschlussteil bildende Abschnitte und andererseits Magnetpole bildende, zahnförmige Abschnitte aufweisen.
-
Stand der Technik
-
Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Maschine, insbesondere einem elektrischen Generator für ein Kraftfahrzeug, nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.
-
Aus der
GB 2 393 587 A ist ein bürstenloser Gleichstrommotor bekannt, dessen Stator zwischen schwingungsdämpfenden Haltern montiert ist zur Reduzierung der vom Stator auf das Gehäuse des Motors übertragenen Schwingungen und hierdurch verursachter Geräusche. Bei dieser Anordnung wird versucht, durch eine schwingungsdämpfende Befestigung des Stators die von der Maschine verursachte Geräuschentwicklung zu reduzieren, was mit den getroffenen Maßnahmen jedoch nur in geringem Umfang erreicht werden kann.
-
Die Offenlegungsschrift
DE 10 2005 017 517 A1 beschreibt eine gattungsgemäße elektrische Maschine mit einer Rotoranordnung und einer Statoranordnung. Dabei umfasst die Statoranordnung einen Metallblechstapel. Der Metallblechstapel weist einen ringförmigen Statorrückschluss sowie von dem Statorrückschluss in radialer Richtung nach innen ragende Statorpole auf. Der Metallblechstapel der Statoranordnung ist im Bereich des Statorrückschlusses und im Bereich der Statorpole aus unterschiedlich geformten Blechlamellen aufgebaut. Das Offenlegungsdokument
DE 27 33 987 A1 beschreibt einen elektrischen Generator, der einen Stator und einen Rotor aufweist. Der Stator ist aus mehreren, dieselbe Dicke und dieselbe Form aufweisenden Statorlamellen zu einem Blechpaket aufgebaut. Das Dokument
DE 601 23 726 T2 betrifft einen Hybrid-Synchron-Motor mit einem Rotor und einem Stator, wobei der Rotor eine innere und eine äußere Rotoranordnung aufweist. Der Stator weist eine Ringanordnung auf, wobei ein jeweiliger Ring der Ringanordnung aus Silizium-Eisen-Lamellen hergestellt ist.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass Vibrationen und insbesondere Geräusche verursachende Schwingungen des Rotors und/oder des Stators der Maschine direkt am Entstehungsort deutlich reduziert werden, indem die durch die Magnetkräfte zwischen Rotor und Stator hervorgerufen Schwingungen durch eine alternierende Krafteinleitung in die Lamellenpakete zumindest deutlich gedämpft werden.
-
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen elektrischen Maschine möglich.
-
Besonders zweckmäßig ist es hierbei, wenn die einzelnen Lamellen des Blechpaketes einerseits im Bereich des magnetischen Rückschlussteils und andererseits im Bereich der Magnetpole unterschiedliche Dicken aufweisen, wobei vorzugsweise die stabilisierenden, von den Magnetkräften zwischen Rotor und Stator praktisch unbeeinflussten Lamellen des Rückschlussteils dicker ausgeführt werden als die die Pole ausbildenden Lamellen, so dass sie den Verformungskräften einen möglichst hohen Widerstand entgegensetzen. Je nach Bauform, Baugröße und gefertigter Stückzahl der Maschine kann es hierbei zweckmäßig sein, wenn (erfindungsgemäß) das Blechpaket des Rotors und/oder des Stators aus unterschiedlichen Einzelblechen geschichtet oder (nicht erfindungsgemäß) alternativ aus einem oder aus mehreren Lamellenbändern mit unterschiedlich geprägten und/oder gestanzten Abschnitten gewickelt wird.
-
Einen einfachen Aufbau des Blechpaketes des Rotors und/oder des Stators einer elektrischen Maschine erhält man, wenn die Lamellenbleche des Rückschlussteils und der Magnetpole jeweils über den gesamten Umfang des Blechpaketes gleichartig gestaltet sind, so dass sich der gewünschte Aufbau des Lamellenpaketes durch abwechselndes Aufschichten der beiden verschiedenen Lamellenformen herstellen lässt.
-
Alternativ kann das Blechpaket bei grundsätzlich bekannten Fertigungsverfahren auch mit entsprechend gestalteten, unterschiedlichen Blechbändern in einem fortlaufenden Rollprozess hergestellt werden. Hierbei ist es weiterhin möglich, das Blechpaket durch Rollen eines einzigen Bandes herzustellen, wenn dieses abschnittsweise entsprechend dem Gesamtumfang des Blechpaketes oder auch in einzelnen Abschnitten mit unterschiedlichen Blechdicken und unterschiedlicher Geometrie vorgefertigt ist.
-
Eine besonders gute Dämpfung der magnetischen Schwingungen und der hierdurch verursachten Geräusche der elektrischen Maschine erhält man, wenn der Rotor und/oder der Stator der Maschine derart aufgebaut sind, dass zumindest zwischen unterschiedlichen Lamellen oder Lamellenabschnitten des magnetischen Rückschlussteils jeweils eine Schicht aus einem elastischen Kleber eingebracht ist, weil die von den Magnetkräften verursachten oszillatorischen Scherkräfte in dem Kleber zu Verformungen und Verschiebungen und so zu einer Dämpfung führen. Andererseits kann es bei sehr hohen Flächenpressungen im Blechlamellenpaket jedoch auch vorteilhaft sein, zwischen die verschiedenen und durch die Magnetkräfte unterschiedlich beaufschlagten Lamellen oder Lamellenabschnitte ein Gleitmittel einzubringen, um eine schwingungsdämpfenden Gleitreibung im Blechpaket überhaupt erst zu ermöglichen.
-
Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung der Ausführungsbeispiele.
-
Figurenliste
-
Beispielhafte Gestaltungen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
-
Es zeigen:
- 1 einen schematisierten Querschnitt einer elektrischen Maschine mit im Betrieb magnetisch unterschiedlich beaufschlagten Blechpaketabschnitten 1a, 1b, 1c sowie mit unterschiedlich gestalteten Blechpaketen 1d, 1e, 1f, jeweils bezogen auf einen geblechten Stator, und
- 2 einen schematisierten Querschnitt einer elektrischen Maschine mit im Betrieb magnetisch unterschiedlich beaufschlagten Blechpaketabschnitten 2a und 2b , jeweils bezogen auf einen geblechten Rotor.
-
In 1 ist mit 10 der Stator einer schematisch im Querschnitt dargestellten elektrischen Maschine bezeichnet, dessen mit unterschiedlichen Blechlamellen 14 und 16 aufgebautes Blechpaket 12 an Hand der 1a, 1b und 1c näher erläutert wird. Hierbei sind die die Magnetpole 13 bildenden Lamellen mit 14 bezeichnet, während die im Bereich des magnetischen Rückschlussteils 15 liegenden Lamellen mit 16 bezeichnet sind. In der Zeichnung sind die beiden unterschiedlichen Lamellen zur Verdeutlichung der Darstellung unterschiedlich schraffiert. Eine in Nuten 18 des Stators 10 anzuordnende Wicklung ist zur Wahrung der Übersichtlichkeit der Darstellung nicht gezeichnet. Bei einem elektrischen Generator für ein Kraftfahrzeug ist diese in der Regel dreiphasig aufgebaut.
-
Die Erregeranordnung der Maschine im Rotor 20 weist zwei Polpaare mit Nordpolen 24 und Südpolen 26 auf, welche bei einem elektrischen Generator für ein Kraftfahrzeug meist in Form von Klauenpolen gestaltet sind, die eine Gleichstromwicklung umschließen. Bei anderen Maschinen, insbesondere bei elektrischen Kleinmotoren, wird der Rotor 20 häufig mit Permanentmagnetpolen 24 und 26 ausgeführt, die auf einem weichmagnetischen Kern sitzen, welcher einteilig mit der Welle 22 gestaltet sein kann. Zwischen den Polschuhen der Statorpole 13 und den Magnetpolen 24 und 26 des Rotors 20 verläuft ein Luftspalt 28 , dessen Breite sich mit dem Umlauf der Rotorpole und der von ihnen ausgeübten Kräfte auf das Blechpaket 12 des Stators 10 ändert, bei einem Generator für einen PKW in der Größenordnung von 10 µm.
-
Aus den Darstellungen 1a , 1b und 1c ist die Gestaltung und die Verformung der einzelnen, die Magnetpole 13 und das magnetische Rückschlussjoch 15 bildenden Lamellen 14 und 16 zu erkennen. Hierbei ist in der die Ruhestellung ohne magnetische Erregung der Maschine dargestellt mit den sich über nahezu die gesamte radiale Länge des Stators erstreckenden Lamellen 14 . Diese besitzen im Bereich der Magnetpole 13 etwa die doppelte Dicke wie im Bereich des magnetischen Rückschlussteils 15 , wo sie abwechselnd mit den Lamellen 16 zum Blechpaket des Rückschlussteils geschichtet sind. Die Gesamtlänge der Lamellen 14 ist so gewählt, dass sie in dem in 1a dargestellten nicht erregten Zustand des Stators 10 am inneren Rand und am äußeren Rand der Lamellen 16 zum magnetischen Rückschlussteil 15 einen Freiraum für radiale Bewegungen freilassen. In diesem nicht erregten Zustand endet die innere Erstreckung des Stators 10 an der gestrichelten Linie 30 , welche die äußere Grenze des Luftspaltes 28 im Ruhezustand bezeichnet.
-
1b zeigt die Auslenkung des Statorblechpaketes 12 im erregten Zustand der Maschine über den Magnetpolen 24 und 26 . Durch die Anziehungskräfte im Luftspalt 28 zwischen den Magnetpolen 24 und 26 des Rotors 20 und den an den Magnetpolen 13 des Stators 10 ausgebildeten Polschuhen werden die Lamellen 14 zum Rotor 20 hin ausgelenkt, während die durch die magnetischen Kräfte praktisch nicht beeinflussten Lamellen 16 ihre Lage im Wesentlichen beibehalten.
-
Die Darstellung 1c zeigt die anschließende Rückschwingung der Lamellen 14 im Bereich zwischen den Magnetpolen 24 und 26 des Rotors 20 . Durch die Elastizität des Blechpaketes 12 bewegen sich hierbei die Lamellen 14 über die in 1a gezeigte Ruhestellung hinaus bis zum Anschlag an den Lamellen 16 , beziehungsweise bis zu dem radial äußeren Rand der Lamellen 16 des Rückschlussteils 15 . Der Luftspalt 28 hat in diesem Umfangsbereich seine größte Weite.
-
Die Dämpfung der Vibrationen und Geräusche erzeugenden Schwingungen wird dadurch erreicht, dass das Blechpaket 12 im Bereich des magnetischen Rückschlussteils 15 praktisch stabil ist und die zwischen den Lamellen 16 verschiebbaren Lamellen 14 einen Großteil der durch die Magnetkräfte erzeugten Energie durch Gleitreibung verlieren oder in ihrer Bewegung durch elastische Haftung bei Verwendung eines Klebers zwischen den Lamellen gehemmt werden. Die auf das in der Abbildung nicht dargestellte Gehäuse der Maschine übertragenen Schwingungen und das hierdurch verursachte Geräusch können mit dieser Maßnahme deutlich reduziert werden. Zur Optimierung der Dämpfung kann hierbei die Dicke der Lamellen 16 des magnetischen Rückschlussteils 15 gegenüber der Dicke der Lamellen 14 der Magnetpole 13 noch weiter erhöht und Verformungen sowie Schwingungen des Blechpaketes 12 noch weiter reduziert werden. Im Falle einer sehr hohen Flächenpressung im Blechpaket 12 kann es vorteilhaft sein, zwischen die unterschiedlichen Lamellen 14 und 16 ein Gleitmittel einzubringen, um eine Gleitreibung und Vernichtung von Schwingungsenergie in diesem Bereich überhaupt zu ermöglichen.
-
Die 1d bis 1f zeigen alternative Ausgestaltungen des Blechpaketes 12 . Hierbei ist in 1d eine Möglichkeit der Befestigung der Lamellen 14 und 16 in der Maschine dargestellt, wobei ein im Gehäuse arretierter Bolzen 32 die Lamellen 14 und 16 durchdringt. Während die Lamellen 16 hierbei fest und spielfrei auf dem Bolzen 32 angeordnet sind, besitzen die Durchtrittsöffnungen in den Lamellen 14 gegenüber dem Bolzen 32 ausreichend Spiel, um die gewünschte radiale Bewegung zu ermöglichen. Eine andere Möglichkeit zur Sicherung des Blechpaketes 12 gegen Verdrehen im Maschinengehäuse besteht darin, am Umfang der Lamellen 14 und 16 Aussparungen anzubringen, in welche Vorsprünge des Gehäuses eingreifen.
-
Die 1e und 1f zeigen Ausgestaltungen des Blechpaketes 12 , bei denen die Lamellen 16 des magnetischen Rückschlussteils 15 im Bereich der Magnetpole 13 zwischen die Lamellen 14 hineinragen. Auf diese Weise kann die Stabilität des Blechpaketes und die Kraftaufnahme durch die Lamellen 16 noch weiter erhöht werden. Im Übrigen entspricht die Gestaltung der Blechpakete 12 in den 1d, 1e und 1f denjenigen der 1a bis 1c.
-
2 zeigt ebenfalls in schematischer Darstellung einen Querschnitt durch eine elektrische Maschine in der Ausführung als permanentmagnetisch erregter Motor. Hierbei ist nur der Rotor 34 geblecht ausgebildet, während der Stator 36 zwei permanentmagnetische, etwa halbschalenförmig gestaltete Magnetpole 38 und 40 in einem als magnetisches Rückschlussteil wirkenden ferromagnetischen Gehäuse 42 aufweist. Der Rotor 34 ist analog zum Stator 10 in 1 im Bereich von Magnetpolen 44 und eines inneren, ringförmigen magnetischen Rückschlussteils 46 geblecht ausgebildet, welches drehfest auf einer Welle 48 sitzt und über diese auftretende Schwingungen auf die Lager und das Gehäuse der Maschine überträgt. Die Rotorwicklung ist aus Gründen der Übersichtlichkeit wiederum in der Abbildung nicht dargestellt. Die Konturen des Motors 44 im nicht erregten Zustand der Maschine sind im Bereich der Polschuhe 50 des Rotors durch eine gestrichelte Doppellinie 52 , im Bereich des magnetischen Rückschlussteils 46 durch eine durchgezogene Doppellinie 54 dargestellt. Die unterschiedlichen Blechschnitte sind wiederum unterschiedlich schraffiert.
-
Im erregten Zustand der Maschine wirken auf die Magnetpole 44 im Bereich der Permanentmagnetpole 38 und 40 starke radiale Anziehungskräfte, welche eine Verformung des Blechpaketes und eine Verkleinerung des Luftspaltes 28 zwischen den Magnetpolen 38 , 40 und den Polen 44 des Rotors 34 bewirken. Im Gegensatz hierzu reduziert sich der Durchmesser des Blechpaketes des Rotors 34 über die Ruhelage hinaus im Randbereich der Magnetpole 38 , 40 und in dem weitgehend feldfreien Bereich zwischen den Magnetpolen des Stators.
-
Die 2a und 2b zeigen die verschiedenen Betriebszustände der Maschine in einem Teil-Längsschnitt. Hierbei ist in der oberen Hälfte der 2a die Form des Blechpaketes 56 im erregten Zustand der Maschine im feldfreien Bereich zwischen den Magnetpolen 38 und 40 entsprechend der waagerechten Linie II in 2 dargestellt. Die außen liegenden Lamellen sind im Bereich der Pole 44 und der Polschuhe 50 mit 58 bezeichnet, die Lamellen im Bereich des magnetischen Rückschlussteils 46 mit 60 . Die untere Hälfte der 2a zeigt einen Längsschnitt des Blechpaketes 56 des Rotors im erregten Zustand der Maschine im Bereich unter den Magnetpolen 38 und 40 , in der Darstellung entsprechend der vertikalen Linie II. Es ist deutlich erkennbar, dass unter den Magnetpolen 38 und 40 die Lamellen 58 der Pole im Sinne einer Verkleinerung des Luftspaltes 28 zu den Magnetpolen 38 und 40 hin gedehnt werden, während in der oberen Hälfte der 2a entsprechend einer Rotorlage gemäß der waagerechten Linie II die Lamellen 58 über die gestrichelt dargestellte Ruhelinie hinaus zurückgeschwungen sind. In den beiden magnetisch unterschiedlichen Rotorpositionen bleibt hierbei die Lage der Lamellen 60 des magnetischen Rückschlussteils 46 praktisch unverändert, so dass zumindest ein Teil der durch die Auslenkung der Lamellen 58 verursachten Vibrationen und Geräusche analog zu den Ausführungen zur 1 durch Gleitreibung zwischen den beiden Lamellenpaketen 58 und 60 vernichtet und hierdurch Vibrationen und das Betriebsgeräusch der Maschine deutlich reduziert werden.
-
2b zeigt den Ruhezustand der Lamellen 58 und 60 innerhalb des Blechpaketes 56 des Rotors im Längsschnitt. Die Lamellen 58 sind in diesem Fall nicht verformt, sodass ihre inneren und äußeren Begrenzungslinien den gestrichelten, beziehungsweise durchgezogenen Kreislinien 52 und 54 der 2 entsprechen. Die beiden um 90° verschobenen Schnitte entsprechend den Schnittlinien II in 2 sind symmetrisch.
-
In den vorstehenden Ausführungen und Darstellungen ist jeweils von Anordnungen ausgegangen, bei denen der Stator und/oder der Rotor mit unterschiedlichen Blechlamellen aufgebaut sind, welche einzeln gefertigt und zum Blechpaket gestapelt sind. Stattdessen sind im Stand der Technik auch Herstellungsverfahren bekannt, bei denen die Blechpakete nicht gestapelt sondern aus endlosen Bändern gerollt werden. Bei diesen Verfahren ist die erfindungsgemäße Gestaltung in gleicher Weise anwendbar wie bei gestapelten Blechen, wobei die unterschiedlichen Konturen der Bleche einerseits im Bereich der Pole und andererseits im Bereich des magnetischen Rückschlussteils wahlweise über den gesamten Umfang des Blechpakets oder nur über kleinere Kreissegmente entlang des Umfangs verändert werden können. Als weitere Alternative können zwei Bänder, eines mit und eines ohne Polschenkel, gemeinsam gerollt werden, wobei das Band mit Polschenkeln an den Polen entsprechend dicker ausgebildet ist. Während also bei der Verwendung getrennter Lamellen im Wechsel Lamellen mit und ohne Polschenkel gestapelt werden, müssen bei einem gerollten Blechpaket entsprechende Abschnitte mit und ohne Polschuhe abwechselnd übereinander gelegt werden. Hierbei ist es sowohl möglich, Abschnitte von der gesamten Länge des Blechpaketumfangs mit, beziehungsweise ohne Pole zu stanzen und zu prägen, wobei der Aufbau im Wesentlichen dem geschichteten Aufbau entspricht, oder alternativ mehrere Abschnitte am Umfang des Blechpaketes im Wechsel mit oder ohne Polschenkel aufzubauen. Die Länge dieser Abschnitte kann in Abhängigkeit von der Breite der jeweiligen Gegenpole und kritischen Schwingungsformen optimiert werden. In beiden Fällen muss hierbei das Blechband nicht nur gestanzt sondern im Bereich der Schichtung verschiedener Blechabschnitte in der Dicke soweit reduziert werden, dass die Gesamtdicke wiederum der Dicke der gleichartigen Einzelbleche im Bereich der Pole entspricht.