Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Maschine, wie sie in der DE 10 2007 025 971 A1 beschrieben ist. Eine derartige hybriderregte, polumschaltbare elektrische Maschine eignet sich insbesondere für die Verwendung in Kraftfahrzeugen, da sie sowohl als Generator wie auch als Starter betrieben werden und daher eine zweite Maschine ersetzen kann. Der Rotor dieser Maschine besitzt in einer vorgegebenen Folge permanentmagnetische und elektrisch erregte Pole, wobei die Polzahl des Rotors in Abhängigkeit von der Stärke und der Richtung der elektrischen Erregung umsteuerbar ist.The invention is based on an electrical machine, as used in the DE 10 2007 025 971 A1 is described. Such a hybrid-excited, pole-changing electric machine is particularly suitable for use in motor vehicles, since they are operated both as a generator and as a starter and therefore can replace a second machine. The rotor of this machine has in a predetermined sequence permanent magnetic and electrically excited poles, wherein the number of poles of the rotor is reversible depending on the strength and the direction of the electrical excitation.
Weiterhin ist es aus der im Verlag Technik GmbH Berlin erschienenen Schrift „Technologie des Elektromaschinenbaus” von Rolf Tzscheutschler, Helmut Olbrisch und Wolfgang Jordan, S. 263 ff., Kap. 3.6.2 bekannt, den geblechten Stator einer elektrischen Maschine aus zwei Teilen herzustellen, wobei ein innerer Magnetkörper und ein äußerer Magnetkörper in getrennten Arbeitsschritten hergestellt werden. Hierbei wird das Hochkantwickeln des inneren, die Ständerzähne tragenden Teiles durch die geringe Jochhöhe erleichtert, da sich ein schmälerer Blechstreifen leichter hochkant biegen lässt. Zur Erzielung des notwendigen Jochquerschnittes wird auf das innere Jochteil ein äußeres Jochteil aus ungenutetem Band zur Verstärkung mit radialer Schichtung aufgewickelt, so dass insgesamt der erforderliche Jochquerschnitt zur Verfügung steht. Über die axiale oder radiale Ausdehnung der beiden Jochteile sowie über die Verwendung dieser Fertigungstechnik bei unterschiedlichen Maschinentypen ist keine Aussage gemacht.Furthermore, it is from the published in Verlag Technik GmbH Berlin font "Technology of Electrical Engineering" by Rolf Tzscheutschler, Helmut Olbrisch and Wolfgang Jordan, p. 263 ff., Chap. 3.6.2 known to produce the laminated stator of an electric machine of two parts, wherein an inner magnetic body and an outer magnetic body are manufactured in separate steps. Here, the edgewise winding of the inner, the stator teeth-bearing part is facilitated by the low yoke height, as a narrower sheet metal strip can be bent more edgewise. To achieve the necessary Jochquerschnittes an outer Jochteil unrebored band for reinforcement with radial stratification is wound on the inner yoke part, so that in total the required Jochquerschnitt is available. No statement is made about the axial or radial extent of the two yoke parts and about the use of this production technique for different machine types.
Aus der JP-2008 125 324 A ist eine elektrische Klauenpolmaschine für Kraftfahrzeuge bekannt, welche als Generator und als Motor in Kraftfahrzeugen verwendet werden kann. Der Stator der Maschine ist mit Blechen aufgebaut, welche teilweise nach außen abgewinkelt oder verlängert sind und so einerseits im Bereich zwischen der Statorwicklung und dem Maschinengehäuse einen zusätzlichen Jochquerschnitt ausbilden und andererseits nach Art von Kühlrippen über den Außenumfang des Statorkerns hinausragen, wodurch die Ableitung der in der Maschine erzeugten Wärme verbessert wird.From the JP-2008 125 324 A For example, an electric claw pole machine for motor vehicles is known, which can be used as a generator and as an engine in motor vehicles. The stator of the machine is constructed with sheets, which are partially angled outwards or extended and so on the one hand form an additional Jochquerschnitt in the area between the stator winding and the machine housing and on the other hand protrude in the manner of cooling ribs on the outer circumference of the stator core, whereby the derivative of in the heat generated by the machine is improved.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat gegenüber dem aufgezeigten Stand der Technik den Vorteil, das magnetisch unterschiedlich belastete Teile des Statorjochs bei gleichzeitigen fertigungstechnischen Verbesserungen entsprechend dem jeweiligen Magnetfluss in ihrer Bemessung und Gestaltung optimiert werden können. Insbesondere kann hierbei die jeweilige Jochhöhe von polumschaltbaren Maschinen dem Magnetfluss angepasst werden, um einerseits den bei niedriger Polzahl erforderlichen höheren magnetischen Querschnitt zur Führung des größeren Magnetflusses und andererseits bei hoher Polzahl einen magnetischen Rückschlusskreis mit geringen Wirbelstromverlusten bereitzustellen. Zusätzlich ergibt sich eine beachtliche Steigerungsmöglichkeit des Kupferfüllfaktors der Statornuten, wenn der die Nuten aufweisende Teil des Statorjochs zunächst als Flachpaket hergestellt wird, welches anschließend dank seiner geringen Jochhöhe leicht zu einem Rundpaket gebogen werden kann.The electrical machine according to the invention with the features of the independent claim has over the cited prior art the advantage that magnetically differently loaded parts of the stator yoke can be optimized with simultaneous manufacturing improvements according to the respective magnetic flux in their design and layout. In particular, in this case the respective yoke height of pole-changing machines can be adapted to the magnetic flux, in order to provide on the one hand the higher magnetic cross section required for a lower number of poles to guide the larger magnetic flux and, on the other hand, at high pole numbers, a magnetic return circuit with low eddy current losses. In addition, there is a considerable possibility for increasing the copper filling factor of the stator slots when the part of the stator yoke having the slots is first produced as a flat package, which can then easily be bent into a round package thanks to its low yoke height.
Zur Bereitstellung des bei der Umschaltung auf die niedrigere Polzahl der Maschine erforderlichen großen Jochquerschnittes ist es besonders vorteilhaft, wenn dieser Jochteil in den Freiraum zwischen den Wickelköpfen und dem Maschinengehäuse hinein verlängert wird, wobei er die Wickelköpfe der Statorwicklung zumindest teilweise umschließt. Auf diese Weise kann der Gesamtquerschnitt des Statorjochs bei einem minimierten Durchmesser der Maschine zur Verfügung gestellt werden.To provide the required in the switching to the lower pole number of the machine large Jochquerschnittes, it is particularly advantageous if this yoke part is extended into the space between the end windings and the machine housing, wherein it surrounds the end windings of the stator winding at least partially. In this way, the total cross section of the stator yoke can be provided with a minimized diameter of the machine.
Die erfindungsgemäße Ausführung des Statorjochs bietet weiterhin die Möglichkeit, unterschiedliche Teile aus unterschiedlichen, den jeweiligen Anforderungen angepassten Magnetmaterialien und/oder Blechstärken der Lamellen herzustellen. Auf diese Weise können ohne Leistungseinbuße der Maschine Fertigungs- und Materialkosten eingespart werden, da hinsichtlich der Wirbelstromverluste bei einer niedrigen Polzahl die magnetischen Materialanforderungen geringer sind.The embodiment of the stator yoke according to the invention furthermore offers the possibility of producing different parts from different magnetic materials and / or sheet thicknesses of the lamellae adapted to the respective requirements. In this way, manufacturing and material costs can be saved without a loss in performance of the machine, since with regard to the eddy current losses at a low number of poles, the magnetic material requirements are lower.
Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung der Ausführungsbeispiele.Further details and embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims and the description of the embodiments.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description.
Es zeigenShow it
1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße polumschaltbare Maschine, 1 a longitudinal section through a pole-changing machine according to the invention,
2 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Maschine mit einer dreiphasigen, im Stern verschalteten Statorwicklung, 2 a circuit diagram of a machine according to the invention with a three-phase, star-connected stator winding,
3 einen Querschnitt durch den magnetisch aktiven Teil einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine, 3 a cross section through the magnetically active part of an electrical machine according to the invention,
4 eine perspektivische Darstellung eines zweiteilig ausgeführten Stators und 4 a perspective view of a two-piece running stator and
5a–e Prinzipdarstellungen verschiedener Ausführungen des Statorjochs. 5a -E schematic representations of various designs of Statorjochs.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In 1 ist ein Schnitt durch eine elektrische Maschine 10 in der Ausführung als Wechselstromgenerator für Kraftfahrzeuge dargestellt. Dieser weist ein zweiteiliges Gehäuse 13 auf, das aus einem ersten Lagerschild 13.1 und einem zweiten Lagerschild 13.2 besteht. Der Lagerschild 13.1 und der Lagerschild 13.2 nehmen einen Stator 16 auf, mit einem Statorblechpaket 17, in dessen nach innen offene und sich axial erstreckende Nuten 19 eine Statorwicklung 18 eingelegt ist. Der ringförmige Stator 16 umgibt mit seiner radial nach innen gerichteten Oberfläche einen Rotor 20, der als hybriderregter Rotor ausgebildet ist. Der Stator 16 wirkt hierbei über einen Arbeitsluftspalt mit dem im Stator 16 drehbar gelagerten Rotor 20 zusammen.In 1 is a section through an electric machine 10 represented in the embodiment as an alternator for motor vehicles. This has a two-part housing 13 on, that from a first bearing shield 13.1 and a second end shield 13.2 consists. The bearing plate 13.1 and the end shield 13.2 take a stator 16 on, with a stator core 17 , in which inwardly open and axially extending grooves 19 a stator winding 18 is inserted. The annular stator 16 surrounds with its radially inwardly directed surface a rotor 20 which is designed as a hybrid-excited rotor. The stator 16 acts here via a working air gap with that in the stator 16 rotatably mounted rotor 20 together.
Der Rotor 20 weist über seinen Umfang in einer vorgegebenen Folge mehrere Nordpole N und Südpole S auf, die durch Permanentmagnete 24, 25 sowie durch die Erregerwicklung 29 ausgebildet werden. Dabei lässt sich die Polzahl des Rotors 20 in Abhängigkeit von der Stärke und Richtung eines Erregerstromes Ie in der Erregerwicklung 29 und durch die Zahl der eingesetzten Permanentmagnete verändern.The rotor 20 has over its circumference in a predetermined sequence several north poles N and south poles S on, by permanent magnets 24 . 25 as well as through the exciter winding 29 be formed. In this case, the number of poles of the rotor can be 20 depending on the strength and direction of an excitation current Ie in the exciter winding 29 and change by the number of permanent magnets used.
Der Rotor 20 besitzt einen magnetisch leitfähigen Körper, der als Blechpaket 21 ausgebildet ist. Das Rotorblechpaket ist in Achsrichtung laminiert mit einer Blechstärke zwischen 0,1 mm und 2,0 mm. Unterhalb 0,1 mm ist die Widerstandsfähigkeit des Blechpaketes 21 gegen Fliehkräfte zu gering. Oberhalb von 2,0 mm ist die Verringerung des Wirbelstromverluste auf der Außenfläche des Rotors 20 nicht mehr ausreichend, so dass die eingebauten Permanentmagnete 24, 25 geschädigt, beziehungsweise entmagnetisiert werden können.The rotor 20 has a magnetically conductive body that acts as a laminated core 21 is trained. The rotor core is laminated in the axial direction with a thickness between 0.1 mm and 2.0 mm. Below 0.1 mm is the resistance of the laminated core 21 against centrifugal forces too low. Above 2.0 mm is the reduction of eddy current losses on the outer surface of the rotor 20 no longer sufficient, so the built-in permanent magnets 24 . 25 damaged, or can be demagnetized.
Die axiale Länge des Rotorblechpaketes 21 entspricht am Luftspalt der axialen Länge des Statorblechpaketes 17, beziehungsweise ist für einen Toleranzausgleich bis zu 2 mm länger oder kürzer als das Statorblechpaket 17 und wird vorzugsweise durch Schweißnähte zusammengehalten. Es können statt Schweißungen auch Nieten, beziehungsweise Knöpfungen eingesetzt werden.The axial length of the rotor core 21 corresponds to the air gap of the axial length of the laminated stator core 17 , or is for a tolerance compensation up to 2 mm longer or shorter than the stator lamination 17 and is preferably held together by welds. It can be used instead of welds and rivets, or knobs.
Die Erregerwicklung 29 ist beispielhaft bei der zweipoligen Variante als Durchmesserspule ausgebildet und liegt in Nuten, die aus dem Blechpaket 21 ausgestanzt sind. Die Erregerwicklung 29 kann z. B. als Flyerwicklung (Doppelflyer) direkt in das Rotorblechpaket 21 eingewickelt werden.The excitation winding 29 is exemplified in the two-pole variant designed as a diameter coil and is located in grooves that come from the laminated core 21 punched out. The excitation winding 29 can z. B. as a flyer winding (double flyer) directly into the rotor core 21 be wrapped.
Die Magnete 24, 25 werden vorzugsweise in ausgestanzte Taschen 41 im Rotorblechpaket eingesetzt. Hierdurch ist es möglich, die im Betrieb auftretenden Fliehkräfte aufzunehmen und dadurch einen sicheren Halt der Magnete auf dem Rotor zu gewährleisten. Als Magnetmaterial erweist sich ein Material mit einer Remanenzinduktion von größer 1 T als besonders vorteilhaft. Diese magnetischen Eigenschaften weisen insbesondere Permanentmagnete aus Seltenerde-Material auf. Die Magnete werden hierbei in den Rotor derart eingebaut, dass sie ein im Wesentlichen radiales Feld erzeugen. Dieses Feld tritt dann vom Rotor über den Luftspalt in das Statorblechpaket ein und induziert bei Drehung des Rotors eine Spannung in den Wicklungen des Stators.The magnets 24 . 25 are preferably in punched out pockets 41 used in the rotor core. This makes it possible to absorb the centrifugal forces occurring during operation and thereby ensure a secure hold of the magnets on the rotor. As a magnetic material, a material with a remanence of greater than 1 T proves to be particularly advantageous. These magnetic properties have in particular permanent magnets made of rare earth material. The magnets are in this case installed in the rotor so that they generate a substantially radial field. This field then enters from the rotor via the air gap in the stator lamination and induces a voltage in the windings of the stator upon rotation of the rotor.
Der Rotor 20 ist mittels einer Welle 27 und je einem auf je einer Rotorseite befindlichen Wälzlager 28 in den jeweiligen Lagerschilden 13.1 beziehungsweise 13.2 drehbar gelagert. Er weist zwei axiale Stirnflächen auf, an denen jeweils ein Lüfter 30 befestigt ist. Diese Lüfter bestehen im Wesentlichen aus einem plattenförmigen, beziehungsweise scheibenförmigen Abschnitt, von dem Lüfterschaufeln in bekannter Weise ausgehen. Die Lüfter 30 dienen dazu, über Öffnungen 48 in den Lageschilden 13.1 und 13.2 einen Luftaustausch zwischen der Außenseite und dem Innenraum der elektrischen Maschine 10 zu ermöglichen. Dazu sind Öffnungen 48 an den axialen Enden der Lagerschilde 13.1 und 13.2 vorgesehen, über die mittels der Lüfter 30 Kühlluft in den Innenraum der elektrischen Maschine 10 eingesaugt wird. Diese Kühlluft wird durch die Rotation der Lüfter 30 radial nach außen beschleunigt, so dass sie durch die kühlluftdurchlässigen Statorwickelköpfe 50 auf der Antriebsseite und 51 auf der Elektronikseite hindurchtreten und auch diese kühlen kann. Die Kühlluft nimmt nach dem Hindurchtreten durch die Wickelköpfe 50, 51, beziehungsweise nach dem Umströmen der Wickelköpfe, einen Weg radial nach außen durch Öffnungen 52.The rotor 20 is by means of a wave 27 and one each located on one rotor side bearings 28 in the respective bearing shields 13.1 respectively 13.2 rotatably mounted. It has two axial end faces, on each of which a fan 30 is attached. These fans essentially consist of a plate-shaped or disk-shaped section from which fan blades originate in a known manner. The fans 30 serve to over openings 48 in the Lagschilden 13.1 and 13.2 an exchange of air between the outside and the interior of the electric machine 10 to enable. These are openings 48 at the axial ends of the end shields 13.1 and 13.2 provided by means of the fan 30 Cooling air in the interior of the electric machine 10 is sucked in. This cooling air is generated by the rotation of the fan 30 accelerated radially outwards so that they pass through the cool air-permeable Statorwickelköpfe 50 on the drive side and 51 pass through on the electronics side and also this can cool. The cooling air takes after passing through the winding heads 50 . 51 , or after the flow around the winding heads, a path radially outward through openings 52 ,
Verschiedene Möglichkeiten der erfindungsgemäßen Gestaltung des Statorblechpaketes 17 sind weiter unten anhand der 5a–e näher erläutert. Aus der Darstellung in 1 ist jedoch eine vorteilhafte Gestaltungsmöglichkeit bereits ersichtlich, nämlich eine gestufte Ausführung des Statorblechpaketes, welches sich mit seinen äußeren Absätzen an den Lagerschilden 13.1 und 13.2 abstützt und radial bündig mit den Lagerschilden 13.1 und 13.2 abschließt, dabei aber mit axialen Verlängerungen 44 und 45 die Lagerschilde 13.1 und 13.2 hintergreift und dabei die Wickelköpfe 50 und 51 der Statorwicklung 18 teilweise umschließt.Various possibilities of the inventive design of the laminated stator core 17 are below based on the 5a -E explained in more detail. From the illustration in 1 However, an advantageous design option is already apparent, namely a stepped version of the laminated stator core, which with its outer shoulders on the end shields 13.1 and 13.2 supports and radially flush with the end shields 13.1 and 13.2 closes, but with axial extensions 44 and 45 the bearing shields 13.1 and 13.2 engages behind and the winding heads 50 and 51 the stator winding 18 partially encloses.
In 1 auf der rechten Seite befindet sich eine Schutzkappe 47, die verschiedene Bauteile vor Umgebungseinflüssen schützt. So deckt diese Schutzkappe 47 eine Schleifringbaugruppe 49 ab, welche die Erregerwicklung 29 mit Erregerstrom versorgt. Um diese Schleifringbaugruppe 49 herum ist ein Kühlkörper 53 angeordnet, der hier als Pluskühlkörper wirkt, an dem Plusdioden oder MOSFETs 59 montiert sind. Als sogenannter Minuskühlkörper wirkt der Lagerschild 13.2. Zwischen dem Lagerschild 13.2 und dem Kühlkörper 53 ist eine Anschlussplatte 56 angeordnet, welche im Lagerschild 13.2 befestigte Minusdioden oder MOSFETs 58 mit den Plusdioden oder MOSFETs 59 in Form einer Brückenschaltung 69 verbindet.In 1 on the right side is a protective cap 47 , which protects various components against environmental influences. So cover this cap 47 a slip ring assembly 49 from which the excitation winding 29 supplied with excitation current. To this slip ring assembly 49 around is a heat sink 53 arranged here, which acts as a plus heat sink, on the plus diodes or MOSFETs 59 are mounted. As a so-called minus heat sink, the end shield acts 13.2 , Between the end shield 13.2 and the heat sink 53 is a connection plate 56 arranged, which in the bearing plate 13.2 fixed negative diodes or MOSFETs 58 with the plus diodes or MOSFETs 59 in the form of a bridge circuit 69 combines.
2 zeigt das Schaltschema einer dreisträngigen Wechselstrommaschine, beispielsweise in der Ausführung als Wechselstromgenerator, mit einem Umrichter 64 in der Form eines Synchrongleichrichters oder als Startergenerator, bei dem die Schaltelemente 58 und 59 zyklisch mittels der Ansteuerschaltung 60 mit einer Gleichspannungsquelle 61 verbunden werden. Ein Verbraucher 62 ist über eine Schalteinrichtung 63 an die Gleichspannungsquelle 61 anschließbar. Die drei über Stromschienen mit den Schaltelementen 58, 59 verbundenen Stränge der Statorwicklung 18 sind mit 71, 72, 73 bezeichnet und im Verbindungspunkt 75 zu einem Stern verschaltet. Die Phasenlage in der Statorwicklung 18 wird durch einen Sensor 65 überwacht, welcher entsprechende Signale an die Ansteuerschaltung 60 liefert zur synchronen Ansteuerung der Schaltelemente 58 und 59 und zur Speisung der Erregerwicklung 29 mit dem Erregerstrom Ie. Im Falle der Ausführung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine als Generator eines Kraftfahrzeuges ersetzen die vorzugsweise als MOSFETs ausgebildeten Schaltelemente 58 und 59 die bei herkömmlichen Generatoren verwendeten Dioden und bilden dabei einen synchron zur Phasenlage angesteuerten Gleichrichter, welcher im Betrieb deutlich geringere Verluste aufweist als ein Gleichrichter auf der Basis von Halbleiterdioden. Der Vorteil der reduzierten Verluste bei der Verwendung von Halbleiterschaltelementen zur Gleichrichtung übertrifft deutlich den zusätzlichen Aufwand für deren Ansteuerschaltung 60. Zudem eröffnet die Ausführung des Umrichters 64 mit steuerbaren Halbleiter-Schaltelementen die Möglichkeit, die elektrische Maschine als Startergenerator für die Brennkraftmaschine auszubilden, so dass ein separater Starter entfällt. Im Falle der Umsteuerung der Maschine auf eine niedrigere Polzahl wird der Erregerwicklung 29 von der Ansteuerschaltung 60 ein negativer Erregerstrom eingeprägt, wodurch die Maschine schnell abgeregelt werden kann. 2 shows the wiring diagram of a three-phase AC machine, for example in the embodiment as an alternator, with an inverter 64 in the form of a synchronous rectifier or as a starter generator in which the switching elements 58 and 59 cyclically by means of the drive circuit 60 with a DC voltage source 61 get connected. A consumer 62 is via a switching device 63 to the DC voltage source 61 connected. The three via busbars with the switching elements 58 . 59 Connected strands of the stator winding 18 are with 71 . 72 . 73 designated and at the connection point 75 interconnected to a star. The phase position in the stator winding 18 is through a sensor 65 monitors which corresponding signals to the drive circuit 60 provides for synchronous control of the switching elements 58 and 59 and to feed the exciter winding 29 with the excitation current Ie. In the case of the embodiment of the electric machine according to the invention as a generator of a motor vehicle replace the preferably designed as MOSFETs switching elements 58 and 59 the diodes used in conventional generators and form a synchronous to the phase position controlled rectifier, which has significantly lower losses during operation than a rectifier based on semiconductor diodes. The advantage of the reduced losses in the use of semiconductor switching elements for rectification clearly exceeds the additional expense for their drive circuit 60 , In addition, the design of the inverter opens 64 With controllable semiconductor switching elements, the possibility of forming the electric machine as a starter generator for the internal combustion engine, so that a separate starter is eliminated. In the case of reversing the machine to a lower number of poles is the exciter winding 29 from the drive circuit 60 a negative excitation current impressed, whereby the machine can be quickly regulated.
Selbstverständlich lassen sich auch andere Phasenzahlen und Verschaltungsarten ausführen. Besonders zu erwähnen sind hierzu fünfphasige oder sechsphasige Systeme in Stern- oder Dreieckschaltung, deren Ausführung grundsätzlich bekannt ist und hier nicht weiter erörtert werden muss.Of course, other phase numbers and Verschaltungsarten can run. Particularly noteworthy are five-phase or six-phase systems in star or delta connection, whose execution is basically known and need not be discussed further here.
In 3 ist der magnetisch aktive Teil einer elektrischen Maschine mit 14 Polen dargestellt, welche auf zwei Pole umschaltbar ist. Die Abbildung zeigt einen Rotor 20, beziehungsweise ein Rotorblech 21, mit zwei nach innen stark verbreiterten Nuten 40, an dessen Umfang zwei oder vierzehn Pole ausgebildet werden. Die elektrisch erregbaren Einzelpole 32 auf der rechten Rotorhälfte sind als Nordpole und die elektrisch erregbaren Pole 34 auf der linken Rotorseite als Südpole gekennzeichnet. Zwischen den elektrisch erregbaren Polen 32 und 34 sind die Permanentmagnete 24 und 25 in Taschen 43 gehalten, welche in ausgesparten Bereichen 41 zwischen den elektrisch erregbaren Polen 32 und 34 aus den Rotorblechen 21 ausgestanzt sind. In den Taschen 43 sind die Permanentmagnete sicher gehalten, insbesondere gegen die hohen Fliehkräfte im Betrieb der Maschine. Dabei sind die Permanentmagnete 24 und 25 derart ausgerichtet, dass sich ihre Polarität am Luftspalt jeweils mit der Polarität der benachbarten elektrisch erregbaren Pole 32 und 34 abwechselt. Dies bedeutet, dass die Permanentmagnete so angeordnet sind, dass zwischen den Nordpole ausbildenden elektrischen Polen 32 auf der rechten Rotorseite von den Permanentmagneten 25 am Luftspalt jeweils ein Südpol (S) ausgebildet wird, während auf der linken Rotorhälfte die Permanentmagnete 24 so angeordnet sind, dass sie zwischen den Südpole ausbildenden, elektrisch erregten Polen 34 am Luftspalt jeweils einen Nordpol (N) bilden.In 3 is the magnetically active part of an electric machine with 14 poles shown, which is switchable to two poles. The picture shows a rotor 20 , or a rotor plate 21 , with two internally widened grooves 40 , on whose circumference two or fourteen poles are formed. The electrically excitable single poles 32 on the right rotor half are as north poles and the electrically energizable poles 34 marked on the left side of the rotor as Südpole. Between the electrically excitable poles 32 and 34 are the permanent magnets 24 and 25 in bags 43 kept in recessed areas 41 between the electrically excitable poles 32 and 34 from the rotor laminations 21 punched out. In the pockets 43 the permanent magnets are held securely, especially against the high centrifugal forces during operation of the machine. Here are the permanent magnets 24 and 25 aligned such that their polarity at the air gap in each case with the polarity of the adjacent electrically excitable poles 32 and 34 alternates. This means that the permanent magnets are arranged so that between the north pole forming electrical poles 32 on the right side of the rotor from the permanent magnets 25 At the air gap in each case a south pole (S) is formed, while on the left half of the rotor, the permanent magnets 24 are arranged so that they form between the south poles, electrically excited poles 34 each at the air gap form a north pole (N).
Der Rotor 20 einer gemäß 3 aufgebauten elektrischen Maschine besitzt ein zweipoliges Erregergrundfeld. Die Erregerwicklung 29 ist in zwei gleiche Spulen 29a und 29b aufgeteilt, die beidseitig der Rotorwelle 27 angeordnet und bei Parallelschaltung jeweils vom halben Erregerstrom Ie/2, bei Reihenschaltung vom vollen Erregerstrom Ie gleichsinnig durchflossen sind. Die Permanentmagnete 24 und 25 sind so gepolt, dass sich eine Magnetisierung mit insgesamt 14 Polen ergibt, von denen acht elektrisch und sechs permanentmagnetisch erregt sind. Zur Erzielung einer hohen Leistungsdichte der elektrischen Maschine werden hierbei als Permanentmagnete vorzugsweise Seltenerd-Magnet eingesetzt. Bei geringeren Anforderungen an die Leistungsdichte können statt der Seltenerd-Magnete jedoch auch Ferrit-Magnete als Permanentmagnete verwendet werden.The rotor 20 one according to 3 constructed electric machine has a two-pole excitation ground field. The excitation winding 29 is in two equal coils 29a and 29b divided, the two sides of the rotor shaft 27 arranged in parallel and each of the half excitation current Ie / 2, are flowed in the same direction in series connection of the full excitation current Ie. The permanent magnets 24 and 25 are poled so that there is a magnetization with a total of 14 poles, of which eight are electrically excited and six are permanently magnetically excited. To achieve a high power density of the electric machine, rare-earth magnets are preferably used here as permanent magnets. For lower power density requirements, ferrite magnets can be used as permanent magnets instead of rare earth magnets.
Die Schnittdarstellung des Stators 16 einer erfindungsgemäßen Maschine zeigt in 3 einen Blechschnitt mit 42 Nuten und 42 Zähnen. Das Statorblechpaket 17 ist in radialer Richtung zweigeteilt und besitzt ein getrenntes inneres Blechpaket 37 mit den Nuten 19. Andere Joch- und Lamellengestaltungen ergeben sich aus den verschiedenen Darstellungen der . Die Zähnezahl, beziehungsweise die Statornutzahl von 42 ergibt dabei in Verbindung mit einer dreisträngigen Statorwicklung und der größeren Polzahl 2p = 14 im Rotor eine Lochzahl q = 1. Die Schnittdarstellung in 3 entspricht dabei einer Statorausführung, wie sie anhand der 5a näher erläutert ist. Die Trennungslinie zwischen dem äußeren Blechpaket 37 und dem inneren Blechpaket 36 mit den Statorzähnen 22 zeigt deutlich die geringe Jochhöhe des inneren Blechpaketes 36, welche das Hochkantwickeln des Blechpaketes oder seine Ausführung als Flachpaket mit einer vor dem Biegen eingebrachten Statorwicklung mit hohem Kupferfüllfaktor deutlich erleichtert.The sectional view of the stator 16 a machine according to the invention shows in 3 a sheet metal cut with 42 slots and 42 teeth. The stator lamination 17 is divided into two parts in the radial direction and has a separate inner laminated core 37 with the grooves 19 , Other yoke and plate designs result from the various representations of , The number of teeth, or the stator number of 42, in conjunction with a three-strand stator winding and the larger number of poles 2p = 14 in the rotor results in a number of holes q = 1. The sectional view in FIG 3 corresponds to a stator design, as they are based on the 5a is explained in more detail. The dividing line between the outer laminated core 37 and the inner laminated core 36 with the stator teeth 22 clearly shows the low yoke height of the inner laminated core 36 , which facilitates the upright winding of the laminated core or its execution as a flat package with a introduced before bending stator winding with high copper filling factor.
4 zeigt in einer perspektivischen Explosionsdarstellung auf der linken Seite den inneren Teil des Stators 16 mit dem inneren Blechpaket 36, an dem die Statorzähne 22 ausgebildet sind. In die Statornuten 19 ist die Statorwicklung 18 eingelegt, deren Wickelköpfe 50 und 51 axial deutlich über das innere Blechpaket 36 hinausragen. Der nutenfreie Jochbereich des inneren Blechpaketes 36 hat radial eine deutlich geringere Ausdehnung als der rechts dargestellte äußere Teil 37 des Blechpaketes, welcher gleichzeitig auch eine deutlich größere axiale Ausdehnung als der innere Teil 36 aufweist und nach seinem Aufbringen auf den inneren Teil 36 die Wickelköpfe 50 und 51 der Statorwicklung 18 je nach benötigtem Gesamtquerschnitt in axialer Richtung zumindest teilweise umschließt. Die geringe Jochstärke des inneren Blechpaketes 36 erleichtert das Biegen dieses Jochabschnittes bei der Ausführung als Flachpaket, beziehungsweise das Hochkantwickeln eines Blechlamellenstreifens. Für gebräuchliche Größen einer erfindungsgemäßen Maschine stellt eine radiale Jochstärke des inneren Blechpaketes von cirka 5 mm eine Obergrenze dar, bei welcher keine Schwierigkeiten beim Biegen oder Hochkantwickeln entstehen. Der Kupferfüllfaktor für die Nuten einer Einziehwicklung liegt bei cirka 45%, während der Kupferfüllfaktor bei Flachpaketen mit voreingelegter Wicklung 60–65% beträgt und somit bei gleicher Baugröße eine deutliche Leistungssteigerung der Maschine ermöglicht. Bei der polumschaltbaren Maschine ergeben sich hierbei keine Schwierigkeiten hinsichtlich der Führung des höherpoligen, hier 14-poligen Magnetfeldes, da die hochfrequenten Feldanteile nicht in den äußeren Jochteil 37 übertreten, welcher nur von den niederfrequenten Feldanteilen bei der kleinen Polzahl, hier 2 Pole, genutzt wird. 4 shows in an exploded perspective view on the left side of the inner part of the stator 16 with the inner laminated core 36 at which the stator teeth 22 are formed. In the stator grooves 19 is the stator winding 18 inserted, whose winding heads 50 and 51 axially clearly over the inner laminated core 36 protrude. The groove-free yoke area of the inner laminated core 36 has radially a significantly smaller extent than the outer part shown on the right 37 the laminated core, which at the same time a much larger axial extent than the inner part 36 and after its application to the inner part 36 the winding heads 50 and 51 the stator winding 18 depending on the required total cross-section in the axial direction at least partially encloses. The low yoke thickness of the inner laminated core 36 facilitates the bending of this yoke section in the execution as a flat package, or the upright winding a sheet metal strip. For common sizes of a machine according to the invention, a radial yoke thickness of the inner laminated core of about 5 mm represents an upper limit at which no difficulties arise during bending or edgewise winding. The copper fill factor for the grooves of a pull-in winding is approximately 45%, while the copper fill factor for flat packages with pre-inserted winding is 60-65% and thus enables a significant increase in machine performance for the same size. In the case of the pole-changing machine, there are no difficulties with regard to the guidance of the higher-pole, here 14-pole magnetic field, since the high-frequency field components do not enter the outer yoke part 37 which is used only by the low-frequency field components in the small number of poles, here 2 poles.
5 zeigt in vereinfachter Darstellung verschiedene Ausführungen von geteilten Statorblechpaketen 17 sowie deren Arretierung zwischen den Lagerschilden 13.1 und 13.2 des Maschinengehäuses 13. Die Statorwicklung 18 liegt dabei stets im inneren Blechpaket 36, die Einspannung des Stators am Maschinengehäuse erfolgt vorzugsweise am äußeren Blechpaket 37. Die Querschnitte der beiden Jochteile sind so gestaltet, dass das äußere Blechpaket 37 mindestens 60% des gesamten Jochquerschnitts aufweist, wobei es in axialer Richtung über das innere Blechpaket 36 hinausragt, dessen axiale Abmessung im Wesentlichen der axialen Abmessung des Rotorblechpaketes entspricht. Auf diese Weise kann der bei herkömmlich gestalteten Maschinen frei bleibende Raum zwischen den Lagerschilden und den Wickelköpfen genutzt werden zur Vergrößerung des Jochquerschnittes, wodurch sich der Gesamtdurchmesser der Maschine reduzieren lässt. Neben den bereits geschilderten Vorteilen bieten diese Gestaltungen die Möglichkeit, für die beiden Teile des Ständerblechpaketes hinsichtlich der Blechdicke und des Blechmaterials unterschiedliche Bleche oder auch sogenannte SMC(Sinter Metall Compound)-Ringe auf einen zentralen Jochabschnitt aufzubringen. 5 shows a simplified representation of different versions of split stator lamination 17 as well as their locking between the end shields 13.1 and 13.2 of the machine housing 13 , The stator winding 18 always lies in the inner laminated core 36 , the clamping of the stator on the machine housing is preferably carried out on the outer laminated core 37 , The cross sections of the two yoke parts are designed so that the outer laminated core 37 at least 60% of the total Jochquerschnitts, wherein it in the axial direction over the inner laminated core 36 protrudes whose axial dimension corresponds substantially to the axial dimension of the rotor core. In this way, the space left free between conventionally designed machines between the end shields and the end windings can be used to increase the Jochquerschnittes, which can reduce the overall diameter of the machine. In addition to the advantages already described, these designs offer the possibility of applying different sheets or also so-called SMC (sintered metal compound) rings to a central yoke section for the two parts of the stator core with regard to the sheet thickness and the sheet material.
5a zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Statorblechpaketes 17 mit einem geteilten Joch, wobei beide Teilpakete 36 und 37 dieselben Blechebenen aufweisen. Um bei ausreichendem Jochquerschnitt den Außendurchmesser der Maschine zu reduzieren ist das äußere Blechpaket 37 axial in den Raum zwischen den Wickelköpfen 50, 51 und den Lagerschilden 13.1, 13.2 hinein verlängert und in Aussparungen der Lagerschilde 13.1 und 13.2 sowohl in axialer wie in radialer Richtung eingespannt. Der von dem inneren Blechpaket gebildete Jochabschnitt hat eine sehr geringe radiale Erstreckung, so dass dieser Teil des Blechpaketes sehr leicht gebogen werden kann, sei es als Flachpaket oder als hochkant gewickelter Blechstreifen. Das äußere Blechpaket 37 wird als geschichtetes oder als hochkant gewickeltes Paket vorgefertigt und auf das innere Blechpaket 36 weitgehend spaltfrei aufgeschoben. Der Raum zwischen der Statorwicklung 18 und den Lagerschilden 13.1 und 13.2 wird dabei durch das äußere Blechpaket nahezu vollständig ausgefüllt. 5a shows a first embodiment of the stator laminated core according to the invention 17 with a split yoke, both partial packages 36 and 37 have the same sheet metal levels. In order to reduce the outer diameter of the machine with a sufficient yoke cross section is the outer laminated core 37 axially into the space between the windings 50 . 51 and the bearing shields 13.1 . 13.2 extended into it and in recesses of the end shields 13.1 and 13.2 clamped both in the axial and in the radial direction. The yoke portion formed by the inner laminated core has a very small radial extent, so that this part of the laminated core can be bent very easily, be it as a flat package or as edgewise wound metal strips. The outer laminated core 37 is prefabricated as a layered or as a vertically wrapped package and on the inner laminated core 36 largely slipped clear. The space between the stator winding 18 and the bearing shields 13.1 and 13.2 is almost completely filled by the outer laminated core.
5b zeigt eine Ausführung des Statorblechpaketes 17, welche in ihrer äußeren Form derjenigen von 5a entspricht. Hierbei ist jedoch das äußere Blechpaket als ungenutetes Band mit radialer Schichtung auf das innere Blechpaket aufgewickelt. Der sich am inneren Blechpaket 36 ergebende Jochquerschnitt ist etwas größer ausgebildet als bei der Ausführung gemäß 5a, er liegt jedoch ebenfalls in einem Bereich von cirka 3–5 mm radialer Jochstärke, welcher sich noch als Flachpaket oder als hochkant gewickeltes Band gestalten lässt. 5b shows an embodiment of the laminated stator core 17 , which in their outer form of those of 5a equivalent. In this case, however, the outer laminated core is wound as unmututed band with radial stratification on the inner laminated core. The on the inner laminated core 36 resulting Jochquerschnitt is slightly larger than in the embodiment according to 5a However, it is also in a range of about 3-5 mm radial yoke thickness, which can still be designed as a flat package or as edgewise wound tape.
Die zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Blechpaketes, bei dem das innere Blechpaket 36 besonders stark ausgebildet ist zur Führung eines hohen Magnetflusses bei der niedrigeren Polzahl der Maschine, wie er bei geringen Differenzen zwischen der hohen und der niedrigen Polzahl einer polumschaltbaren Maschine auftritt. Das äußere Blechpaket 37 ist als flacher Blechwickel ausgebildet und nimmt den Bereich über den Wickelköpfen 50 und 51 ein. Die Verbindung zwischen den beiden Teilpaketen 36 und 37 kann durch Schweißungen erfolgen. Insbesondere ein derart gestalteter Blechwickel 37 kann auch als SMC(Sheet Moulding Compound)-Ring ausgebildet sein. Die Lagerschilde 13.1 und 13.2 sind hierbei ohne Andrehungen so gestaltet und angeordnet, dass sie einerseits axial das innere Blechpaket 36 einspannen und andererseits eine radiale Anlage für das äußere Blechpaket 37 bilden. Analog zu der Ausführungsform zu 1 können dabei die radialen Abmessungen und die Anordnung der Blechpakete 36, 37 sowie der Lagerschilde 13.1 und 13.2 derart getroffen werden, dass sich kein radialer Überstand des Blechpaketes oder der Lagerschilde am Außenumfang der Maschine ergibt, welcher den Gesamtdurchmesser der Maschine erhöht.The shows an embodiment of the laminated core according to the invention, in which the inner laminated core 36 is particularly strong to guide a high magnetic flux at the lower number of poles of the machine, as it occurs with small differences between the high and the low number of poles of a pole-changing machine. The outer laminated core 37 is designed as a flat sheet metal coil and takes the area over the winding heads 50 and 51 one. The connection between the two subpackages 36 and 37 can be done by welding. In particular, such a shaped metal coil 37 can also be designed as SMC (Sheet Molding Compound) ring. The bearing shields 13.1 and 13.2 are designed and arranged without rotations, that on the one hand axially the inner laminated core 36 clamp and on the other hand, a radial system for the outer laminated core 37 form. Analogous to the embodiment too 1 can thereby the radial dimensions and the arrangement of the laminated cores 36 . 37 as well as the bearing shields 13.1 and 13.2 be made such that there is no radial projection of the laminated core or the end shields on the outer circumference of the machine, which increases the overall diameter of the machine.
Die zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stators, bei dem das innere Blechpaket 36 im Wesentlichen den Ausführungen in 5a und 5b entspricht, während das äußere, axial verlängerte Teilpaket 37 am Umfang verteilte Aussparungen oder Öffnungen 38 für Befestigungselemente besitzt, welche der Zentrierung und/oder Fixierung der Blechpakete 36, 37 zwischen den Lagerschilden 13.1, 13.2 dienen. In der dargestellten Ausführung greifen Teile der Lagerschilde 13.1 und 13.2 in die Öffnungen 38 hinein und sind etwa mittig in den Öffnungen zusätzlich durch formschlüssige Verbindungen zueinander zentriert. Das äußere Blechpaket 37 ist bei einer derartigen Ausführung durch die Gestaltung der Lagerschilde sehr exakt positioniert. Am Außenumfang schließt das äußere Blechpaket 37 bündig mit den Lagerschilden ab, wodurch der Außendurchmesser der Maschine minimiert wird.The shows an embodiment of the stator according to the invention, in which the inner laminated core 36 essentially the remarks in 5a and 5b corresponds, while the outer, axially extended sub-package 37 recesses or openings distributed around the circumference 38 has for fasteners, which centering and / or fixing the laminated cores 36 . 37 between the bearing shields 13.1 . 13.2 serve. In the illustrated embodiment, parts of the end shields 13.1 and 13.2 in the openings 38 in and centered approximately in the openings in addition by positive connections to each other. The outer laminated core 37 is positioned very accurately in such an embodiment by the design of the end shields. On the outer circumference closes the outer laminated core 37 flush with the end shields, thereby minimizing the outside diameter of the machine.
5e zeigt eine weitere Gestaltungsmöglichkeit des Stators 17 der Maschine, wobei die Teilpakete 37 und 38 des Statorblechpaketes 17 entsprechend 5b ausgeführt sind. Die Arretierung und Fixierung der Teilpakte 36 und 37 erfolgt jedoch derart, dass die Lagerschilde 13.1 und 13.2 am inneren Blechpaket 36 angreifen, während das äußere Blechpaket 37 in Zentrierbunde an den radial zurückgesetzten Lagerschilden eingreift. Hierdurch wird der Außendurchmesser der Lagerschilde 13.1 und 13.2 reduziert und es ergibt sich die Möglichkeit, ohne wesentliche Vergrößerung des Außendurchmessers die Wärmeabgabe der Maschine durch außen angesetzte Kühlrippen 14 zu verbessern. 5e shows a further design possibility of the stator 17 the machine, whereby the partial packages 37 and 38 of stator laminated core 17 corresponding 5b are executed. The locking and fixing of the sub-pacts 36 and 37 However, this is done in such a way that the end shields 13.1 and 13.2 on the inner laminated core 36 attack while the outer laminated core 37 engages in Zentrierbunde to the radially recessed bearing shields. As a result, the outer diameter of the end shields 13.1 and 13.2 reduced and there is the possibility, without significant increase in the outer diameter, the heat output of the machine by externally set cooling fins 14 to improve.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird es möglich, die bei polumschaltbaren Maschinen erforderlichen Jochquerschnitte bei verringertem Außendurchmessers der Maschine zu realisieren. Durch die Unterteilung des Statorblechpaketes 17 sind die Gestaltungsmöglichkeiten des Blechquerschnittes vielfältig, wobei insbesondere der Freiraum zwischen den Wickelköpfen 50, 51 der Statorwicklung und den Lagerschilden 13.1 und 13.2 optimal genutzt werden kann. Neben der Vergrößerung des Jochquerschnittes ohne radiale Vergrößerung der Maschine ergibt sich auch die Möglichkeit einer vorteilhaften Gestaltung des die Statorwicklung 18 tragenden inneren Blechpakets 36 des Stators, indem dieses als Flachpaket gefertigt und die auf die höhere Polzahl gewickelte Ständerwicklung mit einem Kupferfüllfaktor über 60% hergestellt wird. Dabei ist der an dem Flachpaket vorhandene Jochabschnitt über den Nuten 19 ausreichend, um die hochpoligen Feldanteile der Maschine zu tragen. Nur die niederpoligen Anteile müssen den nicht vollständig zu vermeidenden Luftspalt zwischen den beiden Jochbereichen der Teilpakete 36 und 37 überqueren, wobei dem niederpoligen Fluss mit kleiner Flusswechselfrequenz eine große Übertrittsfläche zur Verfügung steht. Eventuell vorhandene Kurzschlüsse zwischen den Blechen an deren Stoßstellen erzeugen somit nur geringe Verluste.The measures according to the invention make it possible to realize the yoke cross-sections required for pole-changing machines with a reduced outside diameter of the machine. By dividing the stator lamination stack 17 the design options of the sheet metal cross section are varied, in particular, the space between the winding heads 50 . 51 the stator winding and the end shields 13.1 and 13.2 can be used optimally. In addition to the enlargement of the Jochquerschnittes without radial enlargement of the machine, there is also the possibility of an advantageous design of the stator winding 18 carrying inner laminated core 36 of the stator by making this as a flat package and the wound to the higher number of poles stator winding is manufactured with a copper fill factor over 60%. In this case, the yoke portion present on the flat package is above the grooves 19 sufficient to carry the high-pole field components of the machine. Only the low-pole components must not completely avoid the air gap between the two yoke areas of the sub-packages 36 and 37 traverse, where the low-pole river with a small flux change frequency, a large transfer area is available. Any existing short circuits between the sheets at their joints thus generate only small losses.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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DE 102007025971 A1 [0001] DE 102007025971 A1 [0001]
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JP 2008125324 A [0003] JP 2008125324 A [0003]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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„Technologie des Elektromaschinenbaus” von Rolf Tzscheutschler, Helmut Olbrisch und Wolfgang Jordan, S. 263 ff., Kap. 3.6.2 [0002] "Technology of Electrical Engineering" by Rolf Tzscheutschler, Helmut Olbrisch and Wolfgang Jordan, p. 263 ff., Chap. 3.6.2 [0002]