WO2010063546A1 - Hybrid-energized electrical machine with a pole-changing rotor - Google Patents
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- H02P9/48—Arrangements for obtaining a constant output value at varying speed of the generator, e.g. on vehicle
Definitions
- the invention relates to a hybrid-excited electric machine with a stationary stator and a pole-changing rotor according to the preamble of patent claim 1.
- Such electrical machines are suitable as synchronous machines both for operation on a fixed three-phase network as a generator and as an electric motor. Furthermore, such machines are suitable in generator mode for controlling the induced voltage of a polyphase stator winding, as required for example in vehicle electrical systems.
- the poles are on the circumference of the rotor partly permanent magnetic and the other part electrically excited.
- a hybrid-excited rotor of an electric machine which is designed to be switchable by a reversal of the electrical excitation.
- the poles of the rotor are separated at its outer periphery by grooves, so that alternate at the higher pole tooth, the north and south poles, whereas at the smaller number of poles several adjacent poles each form a common south or north pole. While the permanent magnets are each used there in a punched window below a pole, individual coils are wound around punched pole teeth of the rotor for electrical excitation of the rotor.
- the aim is to equip a synchronous electric machine with a hybrid-excited, pole-changing rotor with an excitation coil which is easy to manufacture and mount in order to realize a rotor having a rotational speed which is as simple and robust as possible.
- the pole core can be integrally formed in each case half of the two pole plates or produced in one piece with the machine shaft. Preferably, however, it is proposed to fix the pole core and the pole plates as separate, easily manufacturable parts on the machine shaft.
- the exciter coil is concentrically surrounded by an annular rotor core stack, in which the preferably radially magnetized permanent magnets are used for the magnetic excitation of the rotor.
- the two pole plates rest with radially outwardly directed flux conducting sections on the end faces of the rotor laminated core.
- the flux conducting sections of one pole plate are expediently offset from the flux conducting sections of the other pole plate by at least one pole pitch of the higher number of poles of the rotor.
- the tangentially magnetized permanent magnets are each arranged between two permanent magnetically excited poles or between a permanent magnet and an electrically excited pole or between two electrically excited poles.
- the excitation coil is expediently designed such that the output voltage of the stator winding is preferably adjustable by load and temperature dependent between a maximum value and the value zero by a change of strength and direction of the excitation current in the exciter coil.
- the rotor preferably has the higher number of poles in the normal generator operation of the machine, wherein the strength and direction of the excitation current is expediently to be chosen so that in cooperation with the permanent magnets on the circumference of the rotor approximately equally strong poles of alternating polarity occur.
- At least one of the two pole plates has a flux conducting region with a plurality of flux conducting sections, of which at least one contacts an electrically excited pole and preferably another pole which is excited by a permanent magnet.
- the efficiency of the machine can be improved by axially inserting at least one iron core in the region of an electrically excited pole into the rotor laminated core in order to improve the conduction of the electrically excited field within the axially stacked lamellae of the blech package.
- the rotor laminated core is expediently provided on the circumference in each case between two poles with a pole-separating groove.
- Below each magnetically excited pole of the rotor laminated core is expediently an approximately the pole width corresponding to wide window for receiving a punched radially magnetized permanent magnet.
- a radially aligned window is offset below a pole-separating groove.
- two electrically excited poles of alternating polarity are arranged on the circumference of the rotor laminated core at a higher number of poles of preferably twelve poles between two permanent magnetically excited poles of alternating polarity.
- Such a pole sequence can also be realized on an eight-pole rotor.
- Poles are more than twice larger than the magnetically excited poles.
- a particularly good transition of the electrically excited magnetic flux from the two Polplatinen to the rotor laminated core can be achieved, that the Flußleit Trial is deposited on the outer circumference of the Polplatinen each by a shoulder of the Polplatinen, which rests on the inner circumference of the rotor core.
- the Flußleit Schemee the Polplatinen are advantageously separated from each other in the circumferential direction by a respective recess, the bottom of which is radially below the shoulder.
- the flux-conducting region of the pole plates is contacted with one of its flux-conducting sections radially below a permanent magnet with the end face of the rotor lamination stack.
- FIG. 2 shows a circuit diagram of the generator with a bridge circuit of a five-phase stator winding in an arrangement as a five-pointed star
- FIG. 3 shows an exploded view of a rotor according to the invention as the first embodiment.
- Figure 4a, 4b shows the rotor of Figure 3 in front view with the electric
- FIG. 5 shows in a diagram the course of the output voltage of the machine in generator operation as a function of the exciter current.
- Figure 6a shows a simplified view of the rotor in its axial extent and extent in the circumferential direction.
- Figure 6b shows the annular rotor core in its radial extent and its extent in the circumferential direction.
- FIG. 6c shows an alternative embodiment of the annular rotor laminations in its radial extent and extent in the circumferential direction.
- FIG. 7 shows a sheet metal section for the joint production of the lamellae of FIG.
- Figure 8 shows an edgewise rolled annular rotor core in one
- Figure 9 shows a fixing form of the annular rotor laminated core on a pole plate.
- FIG. 10 shows an exploded view of a rotor according to the invention as a second exemplary embodiment
- Figure 1 1 a, 1 1 b shows the rotor of Figure 10 in front view with the electrical reversal between twelve and six poles.
- Figure 12 shows an exploded view of a rotor according to the invention as a third embodiment.
- FIG. 13a, 13b show the rotor from FIG. 12 in the front view with the ectrical reversal control between twelve and four poles
- FIG. 13c shows a schematic representation of the development of the rotor from FIG. 12 with the electrical reversal from 12 to 6 poles.
- Figures 14 to 21 show alternative solutions in a schematic representation of the rotor according to Figure 13c.
- FIG. 1 as an electric machine 10 according to the invention, an alternator for motor vehicles is shown in longitudinal section.
- This has inter alia a two-part housing 13, which consists of a first bearing plate 13a and a second bearing plate 13b.
- the bearing plate 13a and the bearing plate 13b take in a stator 16, with an annular stator lamination 17, in which inwardly open and axially extending grooves 19, a stator winding 18 is inserted.
- the annular stator 16 with its radially inwardly directed surface, surrounds a permanent-magnet and electromagnetic rotor 20, which is designed as a hybrid-excited rotor.
- Stator 16 acts in this case via a working air gap with the rotatably mounted in the stator 16 rotor 20.
- the rotor 20 has over its circumference in a predetermined sequence on several north poles N and south poles S, which are formed by pollagende permanent magnets 25, as well as by an excitation coil 29.
- the exciter coil 29 is in this case designed as a ring coil about the axis x of the machine. Radially inside the exciter coil 29 is the pole core 31.
- the electromagnetically active part of the rotor 20 is bounded axially by two pole plates 22 and 23.
- annular rotor core 21 is preferably laminated in the axial direction. Radially inside the rotor laminated core 21, the exciting coil 29 is arranged.
- the transfer points between the respective pole plate 22, 23 and the rotor laminated core 21 are stepped in the region of its end faces 21 a, 21 b, in which at the radially outer region of the pole plates in each case one
- Fluxing 39 is offset by a shoulder 39a of the pile boards, so that a larger transition surface to the rotor core 21 for the electrically excited field arises.
- the construction shown here in which both a transfer of the electrically excited field in the radial and in the axial direction of the pole plate 22,23 in the rotor core 21 is possible, is particularly effective.
- the rotor 20 is rotatably mounted in the respective end shields 13a and 13b, respectively, by means of a machine shaft 27 and one respective rolling bearing 28 located on each side of the rotor. It has two axial end faces, on each of which a fan 30 is attached. These fans 30 essentially consist of a plate-shaped or disk-shaped sheet metal section, starting from the fan blades in a known manner. These fans 30 serve to allow an air exchange between the outside and the interior of the electric machine 10 via openings 48 in the end shields 13a and 13b. For this purpose, the openings 48 are provided at the axial ends of the bearing plates 13a and 13b, via which cooling air is sucked into the interior of the electric machine 10 by means of the fan 30.
- This cooling air is accelerated radially outward by the rotation of the fans 30 so that they can pass through the cooling-air-permeable winding heads 50 on the drive side and 51 on the electronics side. By this effect, the winding heads 50, 51 are cooled. The cooling air takes after passing through the winding heads 50,
- FIG. 1 on the right side there is a protective cap 47, which protects various components against environmental influences.
- this protective cap 47 covers, for example, a slip ring assembly 49, which supplies the exciting coil 29 with exciting current.
- a heat sink 53 Around this slip ring assembly 49 around a heat sink 53 is arranged, which acts here as a plus heat sink, are mounted on the positive diodes 59. As a so-called minus heat sink, the bearing plate 13b acts.
- connection plate 56 which connects negative diodes 58 and positive diodes 59 fixed in the end shield 13b in the heat sink 53 in the form of a rectifier bridge circuit 69 (see FIG.
- FIG. 2 shows the circuit diagram of the alternator 10, the stator winding 18 with five phase-forming winding strands 70, 71, 72, 73,
- the five winding strands 70, 71, 72, 73, 74 are one Basic circuit as a five-pointed star (Drudenfuß) connected in series, with each interconnected in the prongs of the star strands enclose an angle of approximately 36 ° el., By each an adjacent strand is skipped.
- the rectifier bridge circuit 69 is connected at the interconnection points 80, 81, 82, 83, 84 of the teeth of the five-pointed star.
- the winding strands are interconnected as follows.
- the winding sub-string 70 is connected to the winding sub-string 71 at the connection point 80.
- the winding strand 71 is connected to the winding strand 72 at its opposite end at the connection point 81.
- the winding strand 72 is connected to the winding strand 73 at its opposite end at the connection point 82.
- the winding sub-string 73 is connected to the winding strand 74 at its opposite end at the connection point 83.
- the winding strand 74 is connected at its opposite end at the connection point 84 with the winding strand 70.
- the Verschaltungsains are preferably axially on or adjacent to the electronics side winding 51 to realize the shortest possible Verschaltungswege.
- the respectively connecting wires of the winding strands 70, 71, 72, 73, 74 of a connection point 80, 81, 82, 83, 84 preferably emerge from grooves 19 which are directly adjacent in the circumferential direction.
- connection points 80, 81, 82, 83, 84 of the winding strands 70, 71, 72, 73, 74 are connected to a separate bridge rectifier 69, which is composed of five minus diodes 58 and five plus diodes 59.
- a voltage regulator 66 is connected in parallel, which regulates the voltage of the generator by influencing the current through the exciter coil 29 via its output 66a.
- the voltage regulator can also connect to the rectifier to measure the voltage drop across a diode and from this determine the current speed of the generator.
- the vehicle electrical system is represented schematically by the onboard power supply battery 61 and by the onboard power supply consumer 62.
- the excitation coil 29 by means of four power amplifiers, which are connected to an H-bridge circuit to control. This makes it possible to impress in the excitation coil 29 and negative excitation currents. This results in advantages in terms of the power control behavior of the generator or with respect to the control speed, since for fast de-energizing, negative voltages can also be applied to the exciter coil 29.
- 3 shows the exploded view of a first embodiment of a hybrid-excited rotor 20. First, the individual components of the rotor 20 will be explained in more detail below, later will be discussed in more detail on the assembly.
- the machine shaft 27 has at its one end a thread 36 for mounting a pulley. For fixing the pole core 31, or the pole plates 22, 23, a knurled region 37 is provided on the machine shaft 27.
- the machine shaft 27 preferably has a stop 38, which secures the Polplati- nen 22,23 and the pole core 31 in the axial direction.
- the machine shaft 27 further has axially extending grooves 38a in the area where the slip ring assembly 49 is later mounted. The grooves 38a serve to receive the connection conductors 29a between exciter coil 29 and slip ring assembly 49. The diameter of the machine shaft 27 in the region of the slip ring assembly 49 is reduced in this case.
- the machine shaft 27 is at least partially hardened.
- the electronics-side pole plate 23 has a cylindrical hole for receiving the machine shaft 27 in the axial center.
- the transition point from the pole plate 23 to the rotor core 21 is stepped by means of a shoulder 39a, so that both an axial and a radial surface for the electrically excited field ,
- the transfer surfaces have not only the function of Ü transmission of the electrically excited field, but also the function of the radial or axial fixation and centering of the rotor core 21th
- the pole plate 23 shown here has two flux-conducting regions 39, which protrude radially from the cylindrical main body of the pole plate 23.
- Each of the flux guide regions 39 shown here extends over three poles P of the twelve-pole rotor 20, wherein the two outer poles each form an electrically excited pole of the rotor 20, so that two outer flux conducting sections 39e of each flux conducting region 39 each have an electrically excited pole P. animals, by abutting the front end side of the rotor core 21 lamination.
- a mean flux-conducting section 39m of the flux-guiding regions 39 lies in each case in the rich of a permanent magnetically excited pole P on the front side of the rotor laminated core 21 at a radially further inwardly located point where it does not directly contact the pole-forming radially magnetized permanent magnet 25. This avoids that the field of the pole-forming radially magnetized permanent magnet 25 is shorted by the Polplatinen 22, 23.
- the electronics-side pole plate 23 has a further function with respect to the drive-side pole plate 22.
- the terminals of the excitation coil 29 must be guided in the region of the gap in the circumferential direction between the two Flußleit Schemeen 39 and the rotor core 21 lamination.
- additional embossments or grooves can be attached to the pole plate 23.
- the balancing of the rotor 20 is preferably carried out by bores in the region of the axial outer surfaces of the Polplatinen 22,23.
- the region of the radial or axial field transmission is preferably processed, i. overexcited.
- the bottom 22b is radially below the shoulder 39a.
- the exciting coil 29 is wound in the circumferential direction, so that at the radially inner portion of the axial end surface and at the opposite radially outer portion of the axial end surface of the exciting coil 29 are the beginning, or the end of the exciting coil 29.
- the excitation coil 29 can be pre-wound in a bobbin, which consists of plastic or paper and produces an electrical insulation radially to the pole core 31 and axially to the pole plates 22,23.
- the exciter coil 29 is also insulated radially in the direction of the rotor laminated core 21. This can be done by folding the plastic or paper insulation or by an additional insulating tape.
- the excitation coil 29 is preferably connected by impregnation with the surrounding insulation.
- the pole core 31 is provided with a cylindrical, axially extending hole 31a to receive the machine shaft 27 therein.
- the annular rotor core 21 is laminated in the axial direction with a thickness between 0.1 mm and 2.0 mm. Below 0.1 mm, the resistance of the rotor core 21 against centrifugal forces is too low. Above 2.0 mm, the reduction of the eddy current losses on the outer surface of the rotor 20 is no longer sufficient, so that the permanent magnets 24, 25 installed in the rotor can be damaged or demagnetized.
- the axial length of the rotor laminated core 21 corresponds to the axial length of the annular stator lamination 17, and is for a tolerance compensation up to. 2 mm longer than the annular stator lamination stack 17.
- the rotor lamination stack 21 has axially extending grooves 32 on the outer surface, which separate the rotor poles P from one another. Furthermore, in the rotor laminated core 21 axial, tangentially aligned, about the Polumble correspondingly wide window 35 punched, in each of which a polreliendem radially magnetized permanent magnet 25 is used. Furthermore, axial, radially aligned windows 34 are punched out underneath pole-separating grooves 32 into which pole-separating permanent magnets 24 are used, which are magnetized tangentially. The rotor core 21 is held together by welds within the pole separating grooves 32.
- the welds are spaced in the circumferential direction preferably two pole pitches 2pt, wherein the pole pitch pt is defined in the electrically excited state, ie at the maximum number of poles. It can be provided to increase the speed stability welds after each pole pitch pt. It can be used instead of welds and rivets, or knobs.
- the rotor laminated core 21 shown here has a total of twelve poles, wherein four of the poles are formed by radially magnetized permanent magnets 25 and eight poles are electrically excited. Thereby, the machine can be switched by means of the excitation coil 29 of twelve outwardly acting poles on four outward poles.
- the pole-separating tangentially magnetized permanent magnets 32 are inserted at the positions of the rotor core 21, at which the flux guide regions 39 of different polarity are located axially opposite each other. These can, in order to produce a low-cost variant also not be equipped. However, a leakage flux then forms in the window 34, which has a performance-reducing effect.
- the pole-separating permanent magnets 24 preferably have a rectangular cross-section.
- the pole-forming permanent magnets 25 preferably have a trapezoidal cross-section.
- the Rotor laminated core is constructed so that in the circumferential direction in each case a permanently excited north pole, an electrically excited south pole, a pole-separating permanent magnet, an electrically excited north pole, a permanently excited south pole, an electrically excited north pole, a poltumbleder permanent magnet, an electrically excited south pole, a permanently excited north pole, an electrically excited
- the assembly of the rotor 20 will be explained with reference to the exploded view of Figure 3.
- the electronics-side pole board 23 is aligned and pressed onto the machine shaft 29.
- the pole core 31 is pressed onto the machine shaft 27.
- the excitation coil 29 is now either wound directly onto a coil carrier on the pole core 31 or mounted as a finished assembly on the pole core 31.
- the rotor laminated core 21 is pushed with the equipped permanent magnets 24,25 on the electronics-side pole plate 23.
- the permanent magnets 24, 25 are in this case e.g. fixed by resin or mechanical fuses.
- the driving-side pole plate 22 is aligned and caulked on the machine shaft 27.
- the fans 30, the electronics-side rolling bearing 28, and the slip ring assembly 49 are mounted.
- the permanent magnets 24, 25 used are preferably made of rare earth magnet material NdFeB.
- the permanent magnet material preferably has a neodymium Nd-mass percentage greater than 10%, a mass percentage iron Fe of greater than 40%, a mass percentage copper Cu less than 2% and a mass percentage titanium Ti less than 1%.
- the Curie temperature of the permanent magnets is preferably above 200 0 C.
- the remanence Bt is preferably above 1, 0 Tesla, the coercive force HcB is preferably above
- Rotor outer diameter to the inner diameter of the annular rotor lamination packet 21 is between 1, 1 and 1, 25.
- the rotor outer diameter to the outer diameter of the pole core 31 is preferably greater than 1, 5; in particular, the value is between 1, 6 and 2.2.
- the Polkern know an axial length to the sum of the axial length of the Polplatinen 22,23 from 0.5 to 1, 5 on.
- the excitation coil preferably has a resistance between 1, 4 and 3.0 ohms for a 14V design.
- the pole core can also be integrally formed half on the axial inner surfaces of the Polplatinen. This has the advantage that then only an effective air gap between the Polplatinen in axial
- the generator preferably has a pressure difference between the axial end surfaces of the rotor during operation, so that a cooling air flow is formed along the axially extending grooves 32 of the rotor lamination stack 21.
- holes may be formed in the rotor core, which allow this cooling air flow.
- FIG. 4b shows the state when the current direction in the excitation coil is reversed.
- the number of poles of the rotor 20 can be reversed, in which by reversing the detectable in Figure 4a electrically excited field ⁇ e of the excitation coil 29, the polarity of the Polplatinen 22,23 and thus the electrically trained pole on the rotor circumference, which in Figure 4b by in brackets illustrated polarity is clarified.
- the magnetic fields ⁇ m of the pole-forming permanent magnets shown in FIG. 4b close over the pole plates or over the pole core.
- Permanent magnets 25 close on the rotor side within the rotor laminated core segment, consisting of the respective magnetically excited pole and the two adjacent electrically excited poles.
- the stator winding 18 of the alternator 10 of Figure 1 by a change in the strength and direction of the excitation current Ie in the excitation coil 29 is preferably load- and temperature-dependent between a permissible maximum value and the value 0 can be regulated.
- the time axis t of the excitation current Ie dependent course of the output voltage Ua of the machine 10 over half a revolution of the rotor 20 (180 ° mechanical) is shown.
- the twelve-pole alternating current stator winding 18 consequently, half full revolutions of the rotor 20 result in three full periods.
- the maximum output voltage Ua1 is generated in the stator winding 18 by means of the now twelve-pole rotor 20 at a predetermined load, with the respective electrical system battery 61 is to supply in the vehicle electrical system in a conventional manner via the bridge rectifier 69.
- the output voltage Ua of the electric machine 10 is regulated down more or less depending on the DC voltage in the motor vehicle electrical system.
- FIG. 6a shows a rolled-up section of the rotor 20 in plan view, in which the axial extent and the extent in the circumferential direction are seen.
- the annular rotor core 21 is fixed. This results, due to the clamping forces, a deformation of the annular rotor laminated core 21 in the region of the end faces 21 a, 21 b, so that the rotor core 21 lays slightly meander around the flux-guiding regions 39 of the pole plates 22, 23.
- the deflection of the annular rotor laminated core 21 with respect to the pole plate 22,23 must be greater than 0mm in the proposed system to allow tolerance compensation of the axial dimensions of Polkern 31 and Polplatinen 22,23.
- the deflection s should not be greater than 2 mm, as this stresses the joints of the lamellae of the annular rotor lamination stack 21 and thus the speed resistance of the rotor 20 can no longer be guaranteed.
- the annular rotor core 21 has an axial length Ie, the flux guide 39 of the Polplatinen each have an axial length of Ip.
- the length of the rotor laminated core 21 should be in the range of 1.0 to 3.0 twice the length of the flux guide regions 39.
- each flux conducting region 39 consisting of two electrically excited pole flux conducting sections 39e, between which a shorter flux conducting section 39m for a permanent magnetically excited pole is located ,
- FIG. 6b shows the same segment of the rotor laminated core 21 from FIG. 6a, but in the front view and unwound over the circumference.
- the annular rotor core 21 has axially extending grooves 32 at a pitch of a pole pitch pt. In these grooves 32, the annular rotor laminated core 21 is welded.
- the pole-separating permanent magnets 24 are shown, which have a width of bm1, which must be greater than 4mm here, so that the pole-separating permanent magnet 24 is not demagnetized in operation by the opposing field. But it should be less than a third of the pole pitch, so as not to reduce the pole face of the electrically excited poles.
- Permanent magnet 24 has a height of hm1, which is between the height he of the annular rotor core 21 and the height of the polrelienden permanent magnet 25 hm2.
- the pole-forming permanent magnets 25 have a width of b2max which should be between 0.8 and 1.2 times the pole pitch pt.
- the grooves 32 radially above the pole-separating permanent magnet 24 have a depth of t1.
- the grooves 32 laterally on the pole forming Permanent magnets 25 have a depth of t2, which should be between 1, 5 and 0.8 times t1.
- FIG. 6c shows an alternative of the construction shown in FIG. 6b.
- the running edge here has a width ba and a depth ta. It is advantageous if the width ba is between 0.05 and 0.7 of the pole pitch pt and the depth ta is between 0.01 and 0.1 of the height he of the rotor laminated core 21, wherein a depth of 2 mm should not be exceeded.
- This chamfering of the poles makes sense for damping magnetic noises for every type of laminated rotor core 21, regardless of whether permanent magnets 24, 25 are used or not.
- FIG. 7 shows an example of a method of producing annular stator lamination packages 17 with the grooves 19 and annular rotor lamination packages 21 with the windows 34, 35, wherein the annular stator lamination lamella 17 a is punched free around the annular rotor lamination lamination 21 d.
- the waste is reduced to the sheet metal strip 17b used for it.
- the annular rotor core has the same sheet thickness of the fins as the nikringförmi- ge stator core. It is also useful if the sheet material of the rotor laminations is identical.
- FIG. 8 shows a side view of an annular rotor laminated core 21.
- the rotor laminated core is produced from a lamella 40, which is rolled up in a spiral manner. The beginning of the lamella is marked accordingly with 40a and the end with 40b.
- the waste of the sheet can be further reduced.
- Beginning 40a and end 40b of the blade 40 are opposite to each other at the axial ends of the annular rotor laminated core, wherein the distance in the circumferential direction should not exceed a pole pitch. It is advantageous if an oxide layer or an insulating layer is located between the lamellae in order to reduce eddy currents on the outer circumference of the rotor 20.
- FIG. 9 shows a further embodiment of the invention in a three-dimensional view.
- annular rotor laminated core 21 are radially on the inner circumference arranged inside extending projections 41. These serve to achieve an accurate positioning of the parts and to increase the radial transfer surface of the magnetic flux from the Polplatinen 22, 23 by the pole plates 22,23, corresponding grooves 42 are provided in which the projections 41 engage. This can improve the magnetic circuit and thus increase the power output of the machine.
- the projections 41 and grooves 42 in addition, the annular rotor core 21 is protected against rotation by a mechanical fixation between pole plate 22,23 and rotor laminated core 21 takes place.
- Polplatinen 22, 23 are preferably produced by a hot forming process, for example by forging, so that even complicated geometries without or with little mechanical post-processing are possible.
- Another measure to fix the annular rotor core 21 is to provide the pole plates 22,23 at the axial transfer surfaces with projections which engage in axial holes or depressions in the annular rotor core.
- Machine shaft 27, excitation coil 29 and pole core 31 are identical to the corresponding parts of the first embodiment shown in FIG.
- Each of the flux guide regions 39 shown here has only one flux guide section 39e. It extends in each case over a Poltei- ment of the twelve-pole rotor 20, wherein all Flußleit Schemee 39 of the Polplatine
- Contact 23 in this example electrically energized poles.
- the field transmission takes place at each flux guide region 39 in the radial direction and in the axial direction into the rotor laminated core 21.
- the drive-side pole plate 22 is different in structure from the electronics side pole plate 23.
- the drive-side pole plate 22 has three Flußleit Schemee 39, each extending over three pole pitches of the twelve-pole rotor 20, wherein the two outer Flußleitabitese 39e each have an electrically excited pole of the rotor 20 contact.
- the respective center pole P of the rotor laminations 21 is contacted at a radially further inwardly located point below the pole-forming permanent magnet 25 of the central flux guide 39m. This avoids that the field of the pole-forming, radially magnetized permanent magnet 25 is short-circuited by the pole plate 22.
- the annular rotor core 21 is preferably laminated in the axial direction.
- the rotor core 21 has axially extending grooves 32 on the outer surface, which separate the rotor poles P from each other. Furthermore, in the
- Rotor laminated core 21 three axially aligned window 35 is provided, in each of which a polreliender, radially magnetized permanent magnet 25 is used. Furthermore, 35 axially aligned windows 34 are provided between the windows, are used in the pole-separating, tangentially magnetized permanent magnets 24.
- the rotor core 21 is preferably by
- the rotor laminated core 21 shown here has a total of twelve poles P, wherein three of the poles formed by permanent magnets 23 and ground nine poles electrically grounded. By means of the excitation coil 29, the rotor 20 can thus be switched from twelve outwardly acting poles to six outward poles.
- the pole-separating permanent magnets 24 are inserted.
- the pole-separating permanent magnets 24 preferably have a rectangular cross-section.
- the pole-forming permanent magnets 25 preferably have a trapezoidal cross-section.
- Magnet flux from the pole plates 22, 23 to the rotor laminated core 21 is stepped, so that both axial and radial crossing surfaces for the electrically excited field are formed on the shoulders 39a.
- FIG. 11a shows the pole sequence occurring on the circumference of the rotor 20, which results in the case of a field current Ie flowing through the field coil 29 in the second exemplary embodiment.
- three pole-forming permanent magnets 25 are arranged on the rotor circumference, which cooperate with the same radial polarity with the field generated by the excitation coil 29. This results in energizing the exciter coil with an excitation current Ie on the rotor circumference twelve poles of alternating polarity.
- the rotor 20 is constructed such that in the circumferential direction in each case a permanently excited south pole, an electrically excited north pole, a pole-separating permanent magnet 24, an electrically excited south pole, a pole-separating permanent magnet 24, an electrically excited north pole, a permanently excited south pole, an electrically excited north pole , a pole-separating permanent magnet 24, an electrically excited south pole, a pole-separating permanent magnet 24, an electrically excited north pole, a permanently excited south pole, an electrically excited north pole, a pole-separating permanent magnet 24, an electrically excited south pole, a pole-separating permanent magnet 24, an electrically excited south pole, a pole-separating permanent magnet 24 and finally one electrically excited north pole follows.
- FIG. 11 b shows the state when the current direction in the excitation coil is reversed.
- the number of poles of the rotor 20 can be reversed, in which the polarity of the Polplatinen 22,23 and thus the electrically formed poles on the rotor circumference in each case by the reversal of the electrically excited in Fig. 1 a detectable FeI- ⁇ e of the exciter coil 29 replaced.
- the fields ⁇ m of the pole-forming permanent magnets 25 indicated in FIG. 11b close over the pole plates 22, 23 or over the pole core 31.
- the fields ⁇ m shown in FIG. 11a The pole-forming permanent magnets close within the rotor laminated core 21st
- FIG. 12 shows the exploded view of a third exemplary embodiment of the hybrid-excited rotor 20.
- Machine shaft 27, excitation coil 29 and pole core 31 are identical to the corresponding parts of the first embodiment shown in FIG.
- the electronics-side pole plate 23 shown here has four flux-conducting regions
- Each of the flux-conducting regions 39 shown here extends, each having a flux-conducting section 39e, over a pole pitch of the twelve-pole rotor 20, with all flux conducting regions 39 contacting electrically excited poles in this example.
- the transfer point from the pole plate 23 to the rotor laminated core 21 is designed in a stepped manner, so that both an axial and a radial Ü bertresivity for the electrically excited field is formed on the shoulders 39 a. In this case, the transfer surfaces also serve for fixing and centering the rotor laminated core 21.
- the drive-side pole plate 22 is identical in construction to the electronics side
- Polplatine 23 it is rotated by 90 ° mechanically, in order to contact the electrically energized pole P of the rotor laminated core 21 not yet contacted by the electronics-side pole plate 23.
- the annular rotor core 21 is preferably laminated in the axial direction.
- the rotor core 21 has axially extending grooves 32 on the outer surface, which separate the rotor poles from each other.
- four axially aligned windows 35 are provided in the rotor laminated core 21 in which at least one pole-forming, radially magnetized permanent magnet 25 is used.
- there are four axially aligned windows 34 are provided in which pole-separating, tangentially magnetized permanent magnets 24 are used.
- 25 further axially aligned windows 44 are punched out in the rotor core 21, in which soft magnetic iron cores 43 are inserted.
- the axial transfer surfaces of the Polplatinen 22,23 contact directly in the These iron cores 43 improve the conduction of the electrically excited field within the axially laminated lamellae of the rotor lamination stack 21, whereby the power output can be improved.
- the iron cores 43 are for this purpose preferably by a spring element 45, which is located at one of the axial contacting surface of the pole plate 22,23 opposite end of the rotor core 21 and exerts an axial force on the iron core 43 in the direction of contacting.
- the spring element 45 can, for example, be designed as a projection in an axial end plate and be biased in accordance with the desired spring effect. This results in at least two different contours of the slats of the rotor core 21.
- the spring elements 45 also within a fan 30 or baffle. Due to the spring elements 45, the iron cores 43 must be equipped by both axial ends of the rotor core 21. The use of iron can be imagined in all described embodiments. The field transmission takes place at each flux guide region 39 in the radial direction and in the axial direction into the rotor laminated core 21, or into the iron core 43.
- the rotor laminated core 21 shown here has a total of twelve poles, wherein four of the poles formed by permanent magnets 23 and eight poles are electrically excited. This can be switched by means of the excitation coil 29 of twelve outwardly acting poles on four outward poles.
- the pole-separating permanent magnets 32 are inserted at the positions of the rotor lamination stack 21, on which the flux guide regions 39 of different polarity are located axially opposite each other.
- the pole-separating permanent magnets 24 preferably have a rectangular cross-section.
- the pole-forming permanent magnets 25 preferably have a trapezoidal cross-section.
- the transfer point from the pole plates 22, 23 to the rotor laminated core 21 is stepped, so that both axial and radial transfer surfaces for the electrically excited field are formed on the shoulders 39a.
- pole-separating tangentially magnetized permanent magnets 24 are arranged on the rotor circumference four pole-forming radially magnetized permanent magnets 25 which cooperate with alternating radial polarity with the field generated by the excitation coil 29. This results in energizing the exciter coil with an excitation current Ie on the rotor circumference twelve poles of alternating polarity.
- Fig. 13b shows the state when the current direction in the exciting coil is reversed.
- the number of poles of the rotor 20 can be reversed, in which the polarity of the Polplatinen 22,23 and thus the electrically formed poles on the rotor circumference changes by reversing the detectable in Figure 13a electrically excited field ⁇ e of the excitation coil 29, which in Figure 13b by the in brackets illustrated polarity is clarified.
- the magnetic fields ⁇ m of the poleleting permanent magnets 25 drawn in FIG. 13b close over the pole plates, or over the pole core.
- the magnetic fields ⁇ m of the pole-forming permanent magnets 25 drawn in FIG. 13a close on the rotor side within the rotor laminated core segment, comprising the respective magnetically excited pole and the two adjacent electrically excited poles.
- FIG. 13c shows a schematic representation of the development of the rotor from FIG. 12 with the electrical reversal from 12 to 4 poles.
- the development extends only over a little more than 3 pole pairs, since the pole sequence then repeats over the remaining rotor circumference.
- the radial extent of the parts is represented by the arrow R and the circumference by the arrow U.
- the rear pole plate 22, including the rotor laminated core 21 and below the front pole plate 23 is shown.
- the pole plates and the poles on the circumference of the rotor laminated core 21 have the respectively entered polarities, whereas the polarities recorded in brackets occur due to the electrical reversal to the smaller number of poles.
- FIG. 13c shows a first basic shape of the poles which is repeated over the circumference of the rotor. It begins with a poltennenden permanent magnet 24, followed by an electrically excited north pole and a magnetically excited south pole, which then followed by a mirror image and opposite polarity poltennender permanent magnet 24, an electrically excited south pole, a magnetically excited north pole and an electrically excited south pole.
- the flux-conducting regions 39 of the pole plates 22, 23 are also formed with a repeating basic shape, after which the electrically excited north poles with the iron cores 43 are contacted by the longer flux-conducting sections 39e of the rear pole plate 22 on the front side.
- FIGS. 14 to 20 discuss further alternative solutions of the rotor 20 designed according to the invention in the schematic representation according to FIG. 13c.
- the unwinding of the rotor takes place only over part of the circumference with a pole sequence which then repeats itself in its basic form over the remaining rotor circumference.
- a corresponding repetition of the basic form in the arrangement of the electrically and permanently magnetically excited poles on the rotor circumference can be machines with larger or smaller PoI- numbers of the rotor 20 represent.
- FIG. 14 shows a rotor 20 which can be reversed from 12 to 6 poles according to the embodiment from FIGS. 10 and 11 with the modification of the pole plates 22, 23 in such a way that the shorter flux conducting sections 39m have been omitted here. Consequently, only the flux-conducting sections 39e on the pole plates 22, 23 have stopped here.
- the basic form in the arrangement of the electrically and permanently magnetically excited poles on the rotor circumference here consists of 4 poles. It starts with a pole-bearing permanent magnet 24, followed by an electrically excited north pole, a magnetically excited south pole and an electrically excited north pole, which is followed by a poltennender permanent magnet 24 and an electrically excited south pole.
- the flux-conducting regions 39 of the pole plates 22, 23 are also formed with a repeating basic shape, whereupon the electrically excited north poles are at the front by a longer Flußleitabitesen 39e of the rear Polplatine 22 and the rotor core 21 radially below the magnetically excited south pole of an adjacent shorter Flußleitabites 39m are contacted frontally.
- the flux-conducting sections 39e and 39m of the front pole plate 23 are formed and contacted with the rotor lamination packet 21.
- the two Polplatinen 22, 23 are offset with their Flußleit Schemeen 39 by 2 poles each against each other.
- FIG. 16 shows a rotor 20 which can be reversed from 12 to 4 poles according to FIG. 13 c, in which only the iron cores 43 inserted in the rotor core 21 are omitted.
- the rotor has a basic shape consisting of six poles. It begins with a pole-bearing permanent magnet 24, followed by an electrically excited north pole, a magnetically excited south pole and an electrically excited north pole, which is then mirrored and of opposite polarity by a pole-moving permanent magnet 24 , an electrically excited south pole, a magnetically excited north pole and an electrically excited south pole.
- a pole-bearing permanent magnet 24 an electrically excited south pole, a magnetically excited north pole and an electrically excited south pole.
- a rotor 20 that can be reversed from 16 to 4 poles is one with eight
- Trunétique existing basic form shown. It begins with a pole-bearing permanent magnet 24, followed by an electrically excited south pole, a magnetically excited north pole, an electrically excited south pole and a magnetically excited north pole, which is then mirrored and with opposite polarity a poltennender permanent magnet 24, a magnetically excited
- the flux-conducting regions 39 of the pole plates 22, 23 are also formed with a repeating basic shape.
- the flux-conducting regions 39 of the two pole-plates 22, 23 have, in addition to the second longer flux-conducting section 39e, additionally a shortened flux-conducting section 39m for the respective additional magnetically excited pole of the basic shape.
- FIG. 18 shows a rotor 20 which can be reversed from 12 to 2 poles and has a basic shape consisting of twelve poles. It starts with a poltennenden permanent magnet 24, followed by an electrically excited north pole, a magnetically excited south pole, an electrically excited north pole, a magnetically excited south pole, an electrically excited north pole and a magnetically excited south pole, at which then a mirror image and with opposite polarity Poltennender permanent magnet 24, a magnetically excited north pole, an electrically excited south pole, etc. connects. Accordingly, the flux guide regions 39 of the pole plates 22, 23 are also formed with a basic shape. Compared with the embodiment according to FIG.
- the flux-conducting regions 39 of the two pole-plates 22, 23 have, in addition to the second, shorter flux-conducting section 39m, a further longer and shorter flux-conducting section 39e and 39m for the respective additional magnetically and electrically excited pole
- FIG. 19 shows a rotor 20 that can be reversed from 14 to 2 poles, in which, in comparison to the embodiment according to FIG. 17, instead of three now four electrically excited north poles alternate with three permanent magnetically excited south poles.
- the pole-separating permanent magnets 24 are thus arranged between two adjacent electrically excited poles of different polarity and not, as in FIG. 17, between two adjacent permanent-magnetic poles. Accordingly, in the region between two pole-separating permanent magnets 24 on the flux-conducting region 39 of the pole plate 22, three flux-conducting sections 39m are arranged between four longer flux-conducting sections 39e.
- the Flußleit Scheme 39 of the front pole plate 23 is formed in the same way, but added to a corresponding pole sequence with opposite polarity.
- FIG. 20 shows a rotor 20 which can be reversed from 16 to 2 poles and has a basic form consisting of 16 poles, in which, instead of three, four magnetically excited south poles alternate with four electrically excited north poles in comparison with the embodiment of FIG. Furthermore, the pole-separating permanent magnets 24 are thus arranged between two adjacent magnetically excited poles of different polarity and not, as in FIG. 17, between two adjacent electrically excited poles. Correspondingly, in the area between two pole-separating permanent magnets 24 at the flux-conducting region 39 of the pole plate 22, four shorter flux-conducting sections 39 m are arranged next to four longer flux-conducting sections 39 e.
- the shorter flux conducting sections 39m according to FIGS. 14 and 16 may be dispensed with in the pole plates.
- the pole plates 22, 23 can also be provided on the flux-conducting regions 39 with a shoulder 39a, which then bears against the inside of the rotor laminated core 21 in each case. It can also be seen from FIGS. 15 to 17 and 18 to 20 that the distances from one pole-separating permanent magnet 24 to the next in each case increase by one pole over the circumference of the rotor laminated core 20, and the flux-conducting regions 39 of the two pole-plates 22, 23 accordingly increase a pole width.
- the pole-separating permanent magnets 24 are arranged either between two electrically or between two magnetically excited poles.
- This system is generally, that means also for the arrangement, not shown, of five poles between two pole-separating permanent magnet 24.
- the excitation coil 29 can be divided into several coils if necessary.
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Abstract
Description
Beschreibung description
Titeltitle
Hybriderreqte elektrische Maschine mit polumschaltbarem RotorHybrid electric machine with pole-changing rotor
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft eine hybriderregte elektrische Maschine mit einem ortsfesten Stator und einem polumschaltbaren Rotor nach der Gattung des Patentanspruchs 1.The invention relates to a hybrid-excited electric machine with a stationary stator and a pole-changing rotor according to the preamble of patent claim 1.
Derartige elektrische Maschinen eignen sich als Synchronmaschinen sowohl zum Betrieb an einem festen Drehstromnetz als Generator sowie als Elektromotor. Des Weiteren sind derartige Maschinen im Generatorbetrieb zur Regelung der induzierten Spannung einer mehrphasigen Statorwicklung geeignet, wie sie beispielsweise in Bordnetzen von Kraftfahrzeugen benötigt werden. Dabei sind die Pole am Umfang des Rotors zum Teil permanentmagnetisch und zum anderen Teil elektrisch erregt.Such electrical machines are suitable as synchronous machines both for operation on a fixed three-phase network as a generator and as an electric motor. Furthermore, such machines are suitable in generator mode for controlling the induced voltage of a polyphase stator winding, as required for example in vehicle electrical systems. The poles are on the circumference of the rotor partly permanent magnetic and the other part electrically excited.
Aus der Druckschrift US-PS 7,408,280 B2 ist es bekannt, bei einem Fahrzeug- generator am Rotor nach Art eines Lundellrotors ein Rotorblechpaket zwischen zwei auf eine Läuferwelle befestigten Polplatinen anzuordnen, wobei die beiden Polplatinen jeweils auf ihrer Innenseite einen zylindrischen Vorsprung haben, der jeweils die eine Hälfte eines Polkernes bildet, auf dem eine Ringspule zur Felderregung des Rotors befestigt ist. Im Bleckpaket sind hier zusätzlich tangential magnetisierte Permanentmagnete eingesetzt, welche die elektrisch erregten Pole verstärken. Diese Maschine ist jedoch nicht polumschaltbar und somit in der Betriebsweise als regelbarer Generator beschränkt einsetzbar.From US Pat. No. 7,408,280 B2 it is known to arrange a rotor lamination stack between two pole plates fixed to a rotor shaft in a vehicle generator on the rotor in the manner of a Lundell rotor, wherein the two pole plates each have on their inside a cylindrical projection, which respectively forms a half of a Polkernes on which an annular coil is attached to the field excitation of the rotor. In Bleckpaket here additionally tangentially magnetized permanent magnets are used, which amplify the electrically excited poles. However, this machine is not polumschaltbar and thus limited in operation as a variable generator can be used.
Eine ähnliche elektrische Maschine ist aus der Druckschrift US 2006/01 1 38 61 A1 bekannt, wobei dort das kreisringförmige Rotorblechpaket am Außenumfang der beiden auf der Maschinenwelle befestigten Polplatinen aufgesetzt ist. Auch dort wird das von der Ringspule erzeugte elektrische Feld durch tangential mag- netisierte Permanentmagnete verstärkt, deren magnetische Streufelder durch Zusatzmagnete am Umfang der beiden Polplatinen gedämpft werden. Auch diese Maschine ist nicht polumschaltbar und somit ist auch ihr Einsatzbereich be- schränkt.A similar electric machine is known from the publication US 2006/01 1 38 61 A1, where there the annular rotor laminated core is placed on the outer circumference of the two mounted on the machine shaft pole pieces. Also There, the electric field generated by the toroidal coil is amplified by tangentially magnetized permanent magnets whose magnetic stray fields are damped by additional magnets on the circumference of the two pole plates. This machine can not be switched over again, so its range of application is also limited.
Aus der Druckschrift US 2006/01 1 92 06 A1 ist schließlich ein hybriderregter Rotor einer elektrischen Maschine bekannt, welcher durch eine Umsteuerung der elektrischen Erregung polumschaltbar ausgelegt ist. Die Pole des Rotors sind an seinem Außenumfang durch Nuten voneinander getrennt, so dass sich bei der höheren Polzahn die Nord- und Südpole abwechseln, wogegen bei der kleineren Polzahl mehrere benachbarte Pole jeweils einen gemeinsamen Süd- oder Nordpol bilden. Während die Permanentmagnete dort jeweils in einem ausgestanzten Fenster unterhalb eines Poles eingesetzt sind, werden zur elektrischen Erregung des Rotors einzelne Spulen um freigestanzte Polzähne des Rotors gewickelt.From the document US 2006/01 1 92 06 A1, finally, a hybrid-excited rotor of an electric machine is known, which is designed to be switchable by a reversal of the electrical excitation. The poles of the rotor are separated at its outer periphery by grooves, so that alternate at the higher pole tooth, the north and south poles, whereas at the smaller number of poles several adjacent poles each form a common south or north pole. While the permanent magnets are each used there in a punched window below a pole, individual coils are wound around punched pole teeth of the rotor for electrical excitation of the rotor.
Dabei wirken auf die Erregerspulen im Betrieb hohe Fliegkräfte und die Drehzahlfestigkeit ist dementsprechend eingeschränkt. Ferner benötigt man dort zur Herstellung der Erregerspulen ein kompliziertes und aufwändiges Wickelverfahren, wodurch ferner der Kupferfüllfaktor an den Polzähnen des Rotors relativ gering ist.In this case, high fly forces act on the excitation coils during operation and the rotational speed resistance is correspondingly limited. Furthermore, there is needed for the preparation of the excitation coils a complicated and complex winding process, whereby further the copper filling factor at the pole teeth of the rotor is relatively low.
Mit der vorliegenden Erfindung wird angestrebt, eine elektrische Synchronmaschine mit einem hybriderregten, polumschaltbaren Rotor mit einer einfach herstellbaren und montierbaren Erregerspule auszurüsten, um einen drehzahlfesten Rotor mit einem möglichst einfachen und robusten Aufbau zu realisieren.With the present invention, the aim is to equip a synchronous electric machine with a hybrid-excited, pole-changing rotor with an excitation coil which is easy to manufacture and mount in order to realize a rotor having a rotational speed which is as simple and robust as possible.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Bei elektrischen Maschinen mit einem hybriderregten Polrad ergibt sich mit dem kennzeichnenden Merkmal des Patentanspruchs 1 der Vorteil, dass mit der Ausführung der Erregerspule als Ringspule ein hoher Kupferfüllfaktor des Rotors erreicht und damit ein starkes und homogenes elektrisches Feld im Rotor erzeugt werden kann. Des Weiteren erhält man durch die Anordnung der Ringspule um die Maschinenachse eine hohe Drehzahlfestigkeit des Rotors und damit einen kostengünstigen, einfachen und robusten Rotoraufbau. In einfachster Weise wird dabei die Erregerspule vorgewickelt. Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale.In electrical machines with a hybrid-excited pole results with the characterizing feature of claim 1, the advantage that with the execution of the exciter coil as a toroidal high copper filling factor of the rotor achieved and thus a strong and homogeneous electric field can be generated in the rotor. Furthermore, the arrangement of the annular coil around the machine axis results in a high rotational speed stability of the rotor and thus a cost-effective, simple and robust rotor structure. In the simplest way while the exciter coil is pre-wound. The measures listed in the dependent claims, advantageous refinements and developments of the features specified in claim 1.
Um die Teile des Rotors auf möglichst einfache Weise herstellen und montieren zu können, wird vorgeschlagen, die Erregerspule auf einen zylindrischen Polkern 31 aufzusetzen bzw. aufzuwickeln, an dessen Stirnseiten jeweils eine Polplatine angeordnet ist, über die der elektrisch erregte Permanentmagnetfluss zu den Polen am Rotorumfang geführt wird.In order to produce the parts of the rotor in the simplest possible way and to assemble, it is proposed to set up or wind the exciter coil on a cylindrical pole core 31, on whose end faces in each case a pole plate is arranged, via which the electrically excited permanent magnet flux to the poles on the rotor circumference to be led.
Der Polkern kann dabei jeweils zur Hälfte an den beiden Polplatinen einstückig angeformt sein oder einstückig mit der Maschinenwelle hergestellt werden. In bevorzugter Weise wird jedoch vorgeschlagen, den Polkern und die Polplatinen als separate, leicht herstellbare Teile auf der Maschinenwelle zu befestigten.The pole core can be integrally formed in each case half of the two pole plates or produced in one piece with the machine shaft. Preferably, however, it is proposed to fix the pole core and the pole plates as separate, easily manufacturable parts on the machine shaft.
Für einen möglichst einfachen und robusten Aufbau des Rotors ist es zweckmäßig, wenn die Erregerspule von einem kreisringförmigen Rotorblechpaket konzentrisch umgeben ist, in welchem die vorzugsweise radial magnetisierten Permanentmagnete für die magnetische Erregung des Rotors eingesetzt sind. Zur Erzielung einer möglichst guten magnetischen Verbindung zwischen Polplatinen und Rotorblechpaket wird vorgeschlagen, dass die beiden Polplatinen mit radial nach außen gerichteten Flussleitabschnitten an den Stirnseiten des Rotorblechpaketes anliegen. Zur Vermeidung von magnetischen Kurzschlüssen sind dabei zweckmäßigerweise die Flussleitabschnitte der einen Polplatine zu den Flussleit- abschnitten der anderen Polplatine jeweils um mindestens eine Polteilung der höheren Polzahl des Rotors versetzt.For a simple and robust construction of the rotor, it is expedient if the exciter coil is concentrically surrounded by an annular rotor core stack, in which the preferably radially magnetized permanent magnets are used for the magnetic excitation of the rotor. To achieve the best possible magnetic connection between the pole plates and the rotor laminated core, it is proposed that the two pole plates rest with radially outwardly directed flux conducting sections on the end faces of the rotor laminated core. In order to avoid magnetic short circuits, the flux conducting sections of one pole plate are expediently offset from the flux conducting sections of the other pole plate by at least one pole pitch of the higher number of poles of the rotor.
Bei Verwendung der elektrischen Maschine als Drehstromgenerator für Kraftfahrzeuge ist es zur Erzielung einer geringen Spannungs- und Stromwelligkeit, von geringen magnetischen und mechanischen Schwingungen sowie zur Geräuschdämpfung und Dämpfung einer Ankerrückwirkung zweckmäßig, wenn der hybriderregte Rotor mit einem Stator zusammen wirkt, der eine fünfphasige Statorwicklung trägt, deren fünf Wicklungsstränge zu einem Fünf-Zack-Stern in Reihe geschaltet sind, in dem vorzugsweise jeweils ein benachbarter Wicklungs- sträng übersprungen wird. - A -When using the electric machine as a three-phase alternator for motor vehicles, it is expedient for achieving low voltage and current ripple, low magnetic and mechanical vibrations and for noise damping and damping of an armature reaction when the hybrid-excited rotor cooperates with a stator carrying a five-phase stator winding whose five winding strands are connected in series to form a five-zig star, in which preferably one adjacent winding strands is skipped in each case. - A -
Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, dass zwischen den elektrisch und den magnetisch erregten Polen am Umfang des Rotors tangential magnetisierte, poltrennende Permanentmagnete im Rotorblechpaket eingesetzt sind. Zweckmäßigerweise werden dabei die tangential magnetisierten Permanentmagnete jeweils zwischen zwei permanentmagnetisch erregten Polen oder zwischen einem permanentmagnetisch und einem elektrisch erregten Pol oder zwischen zwei elektrisch erregten Polen angeordnet.To achieve a high efficiency is proposed in a further development of the invention that are used between the electrically and the magnetically excited poles on the circumference of the rotor tangentially magnetized, pole-separating permanent magnets in the rotor core. Expediently, the tangentially magnetized permanent magnets are each arranged between two permanent magnetically excited poles or between a permanent magnet and an electrically excited pole or between two electrically excited poles.
Für den Einsatz der elektrischen Maschine als Generator in Kraftfahrzeugen ist die Erregerspule zweckmäßigerweise derart auszulegen, dass die Ausgangsspannung der Statorwicklung durch eine Änderung von Stärke und Richtung des Erregerstromes in der Erregerspule vorzugsweise last- und temperaturabhängig zwischen einem zulässigen Maximalwert und dem Wert Null regelbar ist. Dabei wird vorzugsweise im normalen Generatorbetrieb der Maschine der Rotor die höhere Polzahl aufweisen, wobei Stärke und Richtung des Erregerstromes zweckmäßigerweise so zu wählen ist, dass im Zusammenwirken mit den Permanentmagneten am Umfang des Rotors etwa gleich starke Pole abwechselnder Polarität auftreten.For the use of the electric machine as a generator in motor vehicles, the excitation coil is expediently designed such that the output voltage of the stator winding is preferably adjustable by load and temperature dependent between a maximum value and the value zero by a change of strength and direction of the excitation current in the exciter coil. In this case, the rotor preferably has the higher number of poles in the normal generator operation of the machine, wherein the strength and direction of the excitation current is expediently to be chosen so that in cooperation with the permanent magnets on the circumference of the rotor approximately equally strong poles of alternating polarity occur.
Zur Unterdrückung von magnetischen Streuflüssen wird ferner vorgeschlagen, dass zumindest eine der beiden Polplatinen einen Flussleitbereich mit mehreren Flussleitabschnitten aufweist, von denen mindestens einer einen elektrisch erregten Pol und vorzugsweise ein anderer einen permanentmagnetisch erregten Pol kontaktiert.For suppressing stray magnetic fluxes, it is further proposed that at least one of the two pole plates has a flux conducting region with a plurality of flux conducting sections, of which at least one contacts an electrically excited pole and preferably another pole which is excited by a permanent magnet.
Des Weiteren lässt sich der Wirkungsgrad der Maschine dadurch verbessern, dass zumindest ein Eisenkern im Bereich eines elektrisch erregten Poles in das Rotorblechpaket axial eingesetzt wird, um die Leitung des elektrisch erregten Feldes innerhalb der axial geschichteten Lamellen des Bleckpaketes zu verbessern.Furthermore, the efficiency of the machine can be improved by axially inserting at least one iron core in the region of an electrically excited pole into the rotor laminated core in order to improve the conduction of the electrically excited field within the axially stacked lamellae of the blech package.
Ferner ist in zweckmäßiger Weise das Rotorblechpaket am Umfang jeweils zwischen zwei Polen mit einer poltrennenden Nut versehen. Unterhalb eines jeden permanentmagnetisch erregten Pols des Rotorblechpaketes ist zweckmäßigerweise ein etwa der Polbreite entsprechend breites Fenster zur Aufnahme eines radial magnetisierten Permanentmagneten ausgestanzt. Außerdem ist in Ausgestaltung der Erfindung im Rotorblechpaket zur Aufnahme eines tangential magnetisierten Dauermagneten zu den magnetisch und elektrisch erregten Polen versetzt ein radial ausgerichtetes Fenster unterhalb einer poltrennenden Nut ausgestanzt.Furthermore, the rotor laminated core is expediently provided on the circumference in each case between two poles with a pole-separating groove. Below each magnetically excited pole of the rotor laminated core is expediently an approximately the pole width corresponding to wide window for receiving a punched radially magnetized permanent magnet. In addition, in a refinement of the invention in the rotor laminated core for receiving a tangentially magnetized permanent magnet to the magnetically and electrically excited poles, a radially aligned window is offset below a pole-separating groove.
In zweckmäßiger Ausgestaltung des Rotors werden bei einer höheren Polzahl von vorzugsweise zwölf Polen zwischen jeweils zwei permanentmagnetisch erregten Polen mit abwechselnder Polarität vorzugsweise zwei elektrisch erregte Pole mit abwechselnder Polarität am Umfang des Rotorblechpaketes angeordnet. Eine solche Polfolge lässt sich ebenso an einem achtpoligen Rotor realisieren.In an expedient embodiment of the rotor, preferably two electrically excited poles of alternating polarity are arranged on the circumference of the rotor laminated core at a higher number of poles of preferably twelve poles between two permanent magnetically excited poles of alternating polarity. Such a pole sequence can also be realized on an eight-pole rotor.
Möchte man jedoch bei derartigen Maschinen die Ausgangsspannung des Gene- rators möglichst schnell regeln können, sollte die Anzahl der elektrisch erregtenHowever, if one wishes to be able to regulate the output voltage of the generator as quickly as possible in such machines, the number of electrically excited should be
Pole um mehr als das zweifache größer sein als die magnetisch erregten Pole. Hierzu wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, dass bei der höheren Polzahl von vorzugsweise zwölf Polen zwischen jeweils zwei permanentmagnetisch erregten Polen mit gleicher Polarität vorzugsweise drei elektrisch erregte Pole mit abwechselnder Polarität angeordnet sind.Poles are more than twice larger than the magnetically excited poles. For this purpose, it is proposed in a further development of the invention that at the higher pole number of preferably twelve poles between two permanent magnetically excited poles of the same polarity preferably three electrically excited poles are arranged with alternating polarity.
Einen besonders guten Übergang des elektrisch erregten Magnetflusses von den beiden Polplatinen zu dem Rotorblechpaket lässt sich dadurch erzielen, dass der Flussleitbereich am Außenumfang der Polplatinen jeweils durch eine Schulter von den Polplatinen abgesetzt ist, welche am Innenumfang des Rotorblechpaketes anliegt. Die Flussleitbereiche der Polplatinen sind dabei in vorteilhafter weise in Umfangsrichtung durch jeweils eine Aussparung voneinander getrennt, deren Boden radial unterhalb der Schulter liegt.A particularly good transition of the electrically excited magnetic flux from the two Polplatinen to the rotor laminated core can be achieved, that the Flußleitbereich is deposited on the outer circumference of the Polplatinen each by a shoulder of the Polplatinen, which rests on the inner circumference of the rotor core. The Flußleitbereiche the Polplatinen are advantageously separated from each other in the circumferential direction by a respective recess, the bottom of which is radially below the shoulder.
Zur Unterstützung des permanentmagnetisch erregten Flusses ist es ferner vorteilhaft, wenn der Flussleitbereich der Polplatinen mit einem seiner Flussleitab- schnitte radial unterhalb eines Permanentmagneten mit der Stirnseite des Rotorblechpaketes kontaktiert ist.In order to support the flux excited by permanent magnet, it is also advantageous if the flux-conducting region of the pole plates is contacted with one of its flux-conducting sections radially below a permanent magnet with the end face of the rotor lamination stack.
Ferner wird zur Verringerung von magnetisch verursachten Geräuschen der Maschine vorgeschlagen, dass Rotorblechpaket über seinen Außenumfang an den Polen mit mindestens einer Anfasung zu versehen, deren Breite zwischen der 0,05 und 0,7-fachen Breite einer Polteilung der höheren Polzahl liegt und deren Tiefe dem 0,01 bis 0,1 -fachen der radialen Breite des ringförmigen Rotorblechpaketes entspricht.Further, it is proposed to reduce magnetically caused noise of the machine that rotor laminated core over its outer circumference to the To provide Poland with at least one chamfer whose width is between the 0.05 and 0.7 times the width of a pole pitch of the higher number of poles and whose depth corresponds to 0.01 to 0.1 times the radial width of the annular rotor lamination.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Figuren erläutert. Es zeigen: Figur 1 einen Wechselstromgenerator für Kraftfahrzeuge als erfindungsgemäße elektrische Maschine mit einem polumschaltbaren Rotor im Längsschnitt, Figur 2 ein Schaltbild des Generators mit einer Brückenschaltung einer fünfpha- sigen Statorwicklung in einer Anordnung als fünfzackiger Stern, Figur 3 eine Explosionszeichnung eines erfindungsgemäßen Rotors als erstes Ausführungsbeispiel.The invention will be explained below by way of example with reference to the figures. 2 shows a circuit diagram of the generator with a bridge circuit of a five-phase stator winding in an arrangement as a five-pointed star, FIG. 3 shows an exploded view of a rotor according to the invention as the first embodiment.
Figur 4a, 4b zeigt den Rotor aus Figur 3 in der Vorderansicht mit der elektrischenFigure 4a, 4b shows the rotor of Figure 3 in front view with the electric
Umsteuerung zwischen zwölf und vier Polen.Reversal between twelve and four poles.
Figur 5 zeigt in einem Diagramm den Verlauf der Ausgangsspannung der Maschine im Generatorbetrieb in Abhängigkeit vom Erregerstrom. Figur 6a zeigt eine vereinfachte Ansicht des Rotors in seiner axialen Erstreckung und Erstreckung in Umfangsrichtung.FIG. 5 shows in a diagram the course of the output voltage of the machine in generator operation as a function of the exciter current. Figure 6a shows a simplified view of the rotor in its axial extent and extent in the circumferential direction.
Figur 6b zeigt das kreisringförmige Rotorblechpaket in seiner radialen Erstreckung und seiner Erstreckung in Umfangsrichtung.Figure 6b shows the annular rotor core in its radial extent and its extent in the circumferential direction.
Figur 6c zeigt eine alternative Ausführung des kreisringförmigen Rotorblechpa- kets in seiner radialen Erstreckung und Erstreckung in Umfangsrichtung.FIG. 6c shows an alternative embodiment of the annular rotor laminations in its radial extent and extent in the circumferential direction.
Figur 7 zeigt einen Blechschnitt zur gemeinsamen Herstellung der Lamellen desFIG. 7 shows a sheet metal section for the joint production of the lamellae of FIG
Rotor- und Statorblechpaketes, Figur 8 zeigt ein hochkant gerolltes kreisringförmiges Rotorblechpaket in einerRotor and stator laminated core, Figure 8 shows an edgewise rolled annular rotor core in one
Seitenansicht, Figur 9 zeigt eine Fixierungsform des kreisringförmigen Rotorblechpaketes an einer Polplatine. Figur 10 zeigt eine Explosionszeichnung eines erfindungsgemäßen Rotors als zweites Ausführungsbeispiel,Side view, Figure 9 shows a fixing form of the annular rotor laminated core on a pole plate. FIG. 10 shows an exploded view of a rotor according to the invention as a second exemplary embodiment,
Figur 1 1 a, 1 1 b zeigt den Rotor aus Figur 10 in Vorderansicht mit der elektrischen Umsteuerung zwischen zwölf und sechs Polen. Figur 12 zeigt eine Explosionszeichnung eines erfindungsgemäßen Rotors als drittes Ausführungsbeispiel.Figure 1 1 a, 1 1 b shows the rotor of Figure 10 in front view with the electrical reversal between twelve and six poles. Figure 12 shows an exploded view of a rotor according to the invention as a third embodiment.
Figur 13a, 13b zeigt den Rotor aus Figur 12 in der Vorderansicht mit der ektrischschen Umsteuerung zwischen zwölf und vier Polen und Figur 13c zeigt in schematischer Darstellung die Abwicklung des Rotors aus Figur 12 mit der elektrischen Umsteuerung von 12 auf 6 Pole.13a, 13b show the rotor from FIG. 12 in the front view with the ectrical reversal control between twelve and four poles, and FIG. 13c shows a schematic representation of the development of the rotor from FIG. 12 with the electrical reversal from 12 to 6 poles.
Figur 14 bis 21 zeigen Alternativlösungen in schematischer Darstellung des Rotors gemäß Figur 13c.Figures 14 to 21 show alternative solutions in a schematic representation of the rotor according to Figure 13c.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In Fig. 1 ist als erfindungsgemäße elektrische Maschine 10 ein Wechselstromgenerator für Kraftfahrzeuge im Längsschnitt dargestellt. Dieser weist unter anderem ein zweiteiliges Gehäuse 13 auf, das aus einem ersten Lagerschild 13a und einem zweiten Lagerschild 13b besteht. Das Lagerschild 13a und das Lagerschild 13b nehmen in sich einen Stator 16 auf, mit einem kreisringförmigen 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 dauermagnetisch und elekt- romagnetisch erregten Rotor 20, der als hybriderregter Rotor ausgebildet ist. DerIn Fig. 1 as an electric machine 10 according to the invention, an alternator for motor vehicles is shown in longitudinal section. This has inter alia a two-part housing 13, which consists of a first bearing plate 13a and a second bearing plate 13b. The bearing plate 13a and the bearing plate 13b take in a stator 16, with an annular stator lamination 17, in which inwardly open and axially extending grooves 19, a stator winding 18 is inserted. The annular stator 16, with its radially inwardly directed surface, surrounds a permanent-magnet and electromagnetic rotor 20, which is designed as a hybrid-excited rotor. Of the
Stator 16 wirkt hierbei über einen Arbeitsluftspalt mit dem im Stator 16 drehbar gelagerten Rotor 20 zusammen. Der Rotor 20 weist über seinen Umfang in einer vorgegebenen Folge mehrere Nordpole N und Südpole S auf, die durch polbildende Permanentmagnete 25, sowie durch eine Erregerspule 29 ausgebildet werden. Dabei lässt sich die Polzahl des Rotors 20 in Abhängigkeit von der Stärke und Richtung eines Erregerstromes in der Erregerspule 29 umsteuern. Die Erregerspule 29 ist hierbei als Ringspule um die Achse x der Maschine ausgebildet. Radial innerhalb der Erregerspule 29 liegt der Polkern 31. Der elektromagnetisch aktive Teil des Rotors 20 wird axial durch zwei Polplatinen 22 und 23 begrenzt. Diese führen das elektrisch erregte Feld vom Polkern hin zu einem kreisringförmigen Rotorblechpaket 21. Das kreisringförmige Rotorblechpaket 21 ist vorzugsweise in Achsrichtung laminiert. Radial innerhalb des Rotorblechpaketes 21 ist die Erregerspule 29 angeordnet. Die Übertrittstellen zwischen jeweiliger Polplatine 22,23 und dem Rotorblechpaket 21 sind im Bereich seiner Stirnseiten 21 a, 21 b gestuft, in dem am radial äußeren Bereich der Polplatinen jeweils einStator 16 acts in this case via a working air gap with the rotatably mounted in the stator 16 rotor 20. The rotor 20 has over its circumference in a predetermined sequence on several north poles N and south poles S, which are formed by polbildende permanent magnets 25, as well as by an excitation coil 29. In this case, the number of poles of the rotor 20 can be reversed depending on the strength and direction of an excitation current in the exciter coil 29. The exciter coil 29 is in this case designed as a ring coil about the axis x of the machine. Radially inside the exciter coil 29 is the pole core 31. The electromagnetically active part of the rotor 20 is bounded axially by two pole plates 22 and 23. These lead the electrically excited field from the pole core towards an annular rotor core 21. The annular rotor core 21 is preferably laminated in the axial direction. Radially inside the rotor laminated core 21, the exciting coil 29 is arranged. The transfer points between the respective pole plate 22, 23 and the rotor laminated core 21 are stepped in the region of its end faces 21 a, 21 b, in which at the radially outer region of the pole plates in each case one
Flussleitbereich 39 durch eine Schulter 39a von den Polplatinen abgesetzt ist, so dass eine größere Übertrittsfläche zum Rotorblechpaket 21 für das elektrisch erregte Feld entsteht. Die hier aufgezeigte Konstruktion, bei der sowohl ein Übertritt des elektrisch erregten Feldes in radialer als auch in axialer Richtung von der Polplatine 22,23 in das Rotorblechpaket 21 möglich ist, ist besonders effektiv.Fluxing 39 is offset by a shoulder 39a of the pile boards, so that a larger transition surface to the rotor core 21 for the electrically excited field arises. The construction shown here, in which both a transfer of the electrically excited field in the radial and in the axial direction of the pole plate 22,23 in the rotor core 21 is possible, is particularly effective.
Der Rotor 20 ist mittels einer Maschinenwelle 27 und je einem auf je einer Rotorseite befindlichen Wälzlager 28 in den jeweiligen Lagerschilden 13a beziehungsweise 13b drehbar gelagert. Er weist zwei axiale Stirnflächen auf, an denen jeweils ein Lüfter 30 befestigt ist. Diese Lüfter 30 bestehen im wesentlichen aus einem plattenförmigen beziehungsweise scheibenförmigen Blechabschnitt, von dem Lüfterschaufeln in bekannter Weise ausgehen. Diese Lüfter 30 dienen dazu, über Öffnungen 48 in den Lagerschilden 13a und 13b einen Luftaustausch zwischen der Außenseite und dem Innenraum der elektrischen Maschine 10 zu ermöglichen. Dazu sind die Öffnungen 48 an den axialen Enden der Lagerschilde 13a und 13b 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 Wickelköpfe 50 auf der Antriebsseite und 51 auf der Elektronikseite hindurch treten kann. Durch diesen Effekt werden die Wickelköpfe 50, 51 gekühlt. Die Kühlluft nimmt nach dem Hindurchtreten durch die Wickelköpfe 50,The rotor 20 is rotatably mounted in the respective end shields 13a and 13b, respectively, by means of a machine shaft 27 and one respective rolling bearing 28 located on each side of the rotor. It has two axial end faces, on each of which a fan 30 is attached. These fans 30 essentially consist of a plate-shaped or disk-shaped sheet metal section, starting from the fan blades in a known manner. These fans 30 serve to allow an air exchange between the outside and the interior of the electric machine 10 via openings 48 in the end shields 13a and 13b. For this purpose, the openings 48 are provided at the axial ends of the bearing plates 13a and 13b, via which cooling air is sucked into the interior of the electric machine 10 by means of the fan 30. This cooling air is accelerated radially outward by the rotation of the fans 30 so that they can pass through the cooling-air-permeable winding heads 50 on the drive side and 51 on the electronics side. By this effect, the winding heads 50, 51 are cooled. The cooling air takes after passing through the winding heads 50,
51 , beziehungsweise nach dem Umströmen dieser Wickelköpfe 50, 51 einen Weg radial nach außen durch nicht dargestellte Öffnungen. In Figur 1 auf der rechten Seite befindet sich eine Schutzkappe 47, die verschiedene Bauteile vor Umgebungseinflüssen schützt. So deckt diese Schutzkappe 47 beispielsweise eine Schleifringbaugruppe 49 ab, die die Erregerspule 29 mit Erregerstrom versorgt. Um diese Schleifringbaugruppe 49 herum ist ein Kühlkörper 53 angeordnet, der hier als Pluskühlkörper wirkt, an dem Plusdioden 59 montiert sind. Als so genannter Minuskühlkörper wirkt das Lagerschild 13b. Zwischen dem Lagerschild 13b und dem Kühlkörper 53 ist eine Anschlussplatte 56 angeordnet, wel- che im Lagerschild 13b befestigte Minusdioden 58 und Plusdioden 59 im Kühlkörper 53 in Form einer Gleichrichter-Brückenschaltung 69 (s. Figur 2) miteinander verbindet.51, or after the flow around these winding heads 50, 51 a way radially outward through openings, not shown. In Figure 1 on the right side there is a protective cap 47, which protects various components against environmental influences. Thus, this protective cap 47 covers, for example, a slip ring assembly 49, which supplies the exciting coil 29 with exciting current. Around this slip ring assembly 49 around a heat sink 53 is arranged, which acts here as a plus heat sink, are mounted on the positive diodes 59. As a so-called minus heat sink, the bearing plate 13b acts. Between the end shield 13b and the heat sink 53 there is arranged a connection plate 56, which connects negative diodes 58 and positive diodes 59 fixed in the end shield 13b in the heat sink 53 in the form of a rectifier bridge circuit 69 (see FIG.
In Figur 2 ist das Schaltbild des Wechselstromgenerators 10 dargestellt, dessen Statorwicklung 18 mit fünf phasenbildenden Wicklungssträngen 70, 71 , 72, 73,2 shows the circuit diagram of the alternator 10, the stator winding 18 with five phase-forming winding strands 70, 71, 72, 73,
74 ausgeführt ist. Die fünf Wicklungsstränge 70, 71 , 72, 73, 74 sind zu einer Grundschaltung als fünfzackiger Stern (Drudenfuß) in Reihe geschaltet, wobei die jeweils in den Zacken des Sterns verschalteten Stränge einen Winkel von ca. 36° el. einschließen, indem jeweils ein benachbarter Strang übersprungen wird. An den Verschaltungspunkten 80, 81 , 82, 83, 84 der Zacken des fünfzackigen Sterns ist die Gleichrichter-Brückenschaltung 69 angeschlossen. Die Wicklungsstränge sind wie folgt verschaltet. Der Wicklungsteilstrang 70 ist am Verschal- tungspunkt 80 mit dem Wicklungsteilstrang 71 verbunden. Der Wicklungsstrang 71 ist an seinem gegenüberliegenden Ende am Verschaltungspunkt 81 mit dem Wicklungsstrang 72 verbunden. Der Wicklungsstrang 72 ist an seinem gegenü- berliegenden Ende am Verschaltungspunkt 82 mit dem Wicklungsstrang 73 verbunden. Der Wicklungsteilstrang 73 ist an seinem gegenüberliegenden Ende am Verschaltungspunkt 83 mit dem Wicklungsstrang 74 verbunden. Der Wicklungsstrang 74 ist an seinem gegenüberliegenden Ende am Verschaltungspunkt 84 mit dem Wicklungsstrang 70 verbunden. Die Verschaltungspunkte befinden sich vorzugsweise axial auf oder neben dem elektronikseitigen Wickelkopf 51 um möglichst kurze Verschaltungswege zu realisieren. Hierzu treten die jeweils zu verschaltenden Anschlussdrähte der Wicklungsstränge 70, 71 , 72, 73, 74 eines Verschaltungspunktes 80, 81 , 82, 83, 84 vorzugsweise aus in Umfangsrichtung direkt benachbarten Nuten 19 aus. Die Verschaltungspunkte 80, 81 , 82, 83, 84 der Wicklungsstränge 70, 71 , 72, 73, 74 sind mit einem separaten Brückengleichrichter 69 verbunden, der aus fünf Minusdioden 58 und fünf Plusdioden 59 aufgebaut ist. Gleichspannungsseitig ist ein Spannungsregler 66 parallel geschaltet, der durch Beeinflussung des Stromes durch die Erregerspule 29 über seinen Ausgang 66a die Spannung des Generators regelt. Der Spannungsregler kann zusätzlich noch eine Verbindung zum Gleichrichter aufweißen, um den Spannungsabfall über einer Diode zu messen und hieraus die aktuelle Drehzahl des Generators zu ermitteln. Das Bordnetz ist schematisch durch die Bordnetzbatte- rie 61 und durch Bordnetzverbraucher 62 dargestellt. Es ist zur besseren Regelung auch möglich, die Erregerspule 29 mit Hilfe von vier Endstufen, die zu einer H-Brückenschaltung verbunden werden, anzusteuern. Hierdurch wird es möglich, in die Erregerspule 29 auch negative Erregerströme einzuprägen. Dies ergibt Vorteile in bezug auf das Leistungsabregelungsverhalten des Generators bzw. in bezug auf die Regelgeschwindigkeit, da zum schnellen Entregen auch negative Spannungen an die Erregerspule 29 angelegt werden können. Die Figur 3 zeigt die Explosionszeichnung eines ersten Ausführungsbeispiels eines hybriderregten Rotors 20. Zuerst werden im Folgenden die einzelnen Komponenten des Rotors 20 näher erläutert, später wird auf den Zusammenbau näher eingegangen.74 is executed. The five winding strands 70, 71, 72, 73, 74 are one Basic circuit as a five-pointed star (Drudenfuß) connected in series, with each interconnected in the prongs of the star strands enclose an angle of approximately 36 ° el., By each an adjacent strand is skipped. At the interconnection points 80, 81, 82, 83, 84 of the teeth of the five-pointed star, the rectifier bridge circuit 69 is connected. The winding strands are interconnected as follows. The winding sub-string 70 is connected to the winding sub-string 71 at the connection point 80. The winding strand 71 is connected to the winding strand 72 at its opposite end at the connection point 81. The winding strand 72 is connected to the winding strand 73 at its opposite end at the connection point 82. The winding sub-string 73 is connected to the winding strand 74 at its opposite end at the connection point 83. The winding strand 74 is connected at its opposite end at the connection point 84 with the winding strand 70. The Verschaltungspunkte are preferably axially on or adjacent to the electronics side winding 51 to realize the shortest possible Verschaltungswege. For this purpose, the respectively connecting wires of the winding strands 70, 71, 72, 73, 74 of a connection point 80, 81, 82, 83, 84 preferably emerge from grooves 19 which are directly adjacent in the circumferential direction. The connection points 80, 81, 82, 83, 84 of the winding strands 70, 71, 72, 73, 74 are connected to a separate bridge rectifier 69, which is composed of five minus diodes 58 and five plus diodes 59. On the DC voltage side, a voltage regulator 66 is connected in parallel, which regulates the voltage of the generator by influencing the current through the exciter coil 29 via its output 66a. In addition, the voltage regulator can also connect to the rectifier to measure the voltage drop across a diode and from this determine the current speed of the generator. The vehicle electrical system is represented schematically by the onboard power supply battery 61 and by the onboard power supply consumer 62. It is also possible to better control, the excitation coil 29 by means of four power amplifiers, which are connected to an H-bridge circuit to control. This makes it possible to impress in the excitation coil 29 and negative excitation currents. This results in advantages in terms of the power control behavior of the generator or with respect to the control speed, since for fast de-energizing, negative voltages can also be applied to the exciter coil 29. 3 shows the exploded view of a first embodiment of a hybrid-excited rotor 20. First, the individual components of the rotor 20 will be explained in more detail below, later will be discussed in more detail on the assembly.
Die Maschinenwelle 27 weist an ihrem einen Ende ein Gewinde 36 zur Montage einer Riemenscheibe auf. Zur Befestigung des Polkerns 31 , bzw. der Polplatinen 22,23 ist ein gerändelter Bereich 37 auf der Maschinenwelle 27 vorgesehen. Die Maschinenwelle 27 weist vorzugsweise einen Anschlag 38 auf, der die Polplati- nen 22,23 und den Polkern 31 in axialer Richtung sichert. Die Maschinenwelle 27 weist weiterhin axial verlaufende Nuten 38a in dem Bereich auf, an dem später die Schleifringbaugruppe 49 montiert wird. Die Nuten 38a dienen dazu, die Anschlussleiter 29a zwischen Erregerspule 29 und Schleifringbaugruppe 49 aufzunehmen. Der Durchmesser der Maschinenwelle 27 im Bereich der Schleifring- baugruppe 49 ist hierbei reduziert. Die Maschinenwelle 27 ist zumindest teilweise gehärtet.The machine shaft 27 has at its one end a thread 36 for mounting a pulley. For fixing the pole core 31, or the pole plates 22, 23, a knurled region 37 is provided on the machine shaft 27. The machine shaft 27 preferably has a stop 38, which secures the Polplati- nen 22,23 and the pole core 31 in the axial direction. The machine shaft 27 further has axially extending grooves 38a in the area where the slip ring assembly 49 is later mounted. The grooves 38a serve to receive the connection conductors 29a between exciter coil 29 and slip ring assembly 49. The diameter of the machine shaft 27 in the region of the slip ring assembly 49 is reduced in this case. The machine shaft 27 is at least partially hardened.
Die elektronikseitige Polplatine 23 hat in der axialen Mitte ein zylindrisches Loch zur Aufnahme der Maschinenwelle 27. Die Übertrittstelle von der Polplatine 23 zum Rotorblechpaket 21 ist mittels einer Schulter 39a gestuft ausgeführt, sodass sowohl eine axiale als auch eine radiale Übertrittsfläche für das elektrisch erregte Feld entsteht. Hierbei haben die Übertrittsflächen nicht nur die Funktion der Ü- bertragung des elektrisch erregten Feldes, sondern auch die Funktion der radialen, bzw. axialen Fixierung und Zentrierung des Rotorblechpaketes 21 . Es ist a- ber auch möglich, die Polplatinen 22,23 mit nur rein radialen, bzw. axialen Übertrittsflächen herzustellen, allerdings müssen hierzu dann zusätzlich Maßnahmen zur Fixierung und Zentrierung getroffen werden, wobei jedoch die mögliche Abgabeleistung sinkt, da das Feld durch die verringerte Übertrittsfläche geringer wird. Die hier dargestellte Polplatine 23 besitzt zwei Flussleitbereiche 39, die ra- dial aus dem zylindrischen Grundkörper der Polplatine 23 hervorstehen. Jedes der hier dargestellten Flussleitbereiche 39 erstreckt sich über drei Pole P des zwölfpoligen Rotors 20, wobei die beiden äußeren Pole jeweils einen elektrisch erregten Pol des Rotors 20 bilden, so dass zwei äußere Flussleitabschnitte 39e eines jeden Flussleitbereiches 39 jeweils einen elektrisch erregten Pol P kontak- tieren, indem sie an der vorderen Stirnseite des Rotorblechpaketes 21 anliegen.The electronics-side pole plate 23 has a cylindrical hole for receiving the machine shaft 27 in the axial center. The transition point from the pole plate 23 to the rotor core 21 is stepped by means of a shoulder 39a, so that both an axial and a radial surface for the electrically excited field , Here, the transfer surfaces have not only the function of Ü transmission of the electrically excited field, but also the function of the radial or axial fixation and centering of the rotor core 21th However, it is also possible to produce the pole plates 22, 23 with only purely radial or axial transfer surfaces, however, additional measures for fixing and centering must then be made for this purpose, although the possible output power drops as the field is reduced by the latter Crossing area becomes smaller. The pole plate 23 shown here has two flux-conducting regions 39, which protrude radially from the cylindrical main body of the pole plate 23. Each of the flux guide regions 39 shown here extends over three poles P of the twelve-pole rotor 20, wherein the two outer poles each form an electrically excited pole of the rotor 20, so that two outer flux conducting sections 39e of each flux conducting region 39 each have an electrically excited pole P. animals, by abutting the front end side of the rotor core 21 lamination.
Ein mittlerer Flussleitabschnitt 39m der Flussleitbereiche 39 liegt jeweils im Be- reich eines permanentmagnetisch erregten Poles P stirnseitig am Rotorblechpaket 21 an einer radial weiter innen gelegenen Stelle an, wo er den polbildenden radial magnetisierten Permanentmagnet 25 nicht unmittelbar kontaktiert. Hierdurch wird vermieden, dass das Feld des polbildenden radial magnetisierten Permanentmagneten 25 durch die Polplatinen 22, 23 kurzgeschlossen wird. DieA mean flux-conducting section 39m of the flux-guiding regions 39 lies in each case in the rich of a permanent magnetically excited pole P on the front side of the rotor laminated core 21 at a radially further inwardly located point where it does not directly contact the pole-forming radially magnetized permanent magnet 25. This avoids that the field of the pole-forming radially magnetized permanent magnet 25 is shorted by the Polplatinen 22, 23. The
Feldübertragung erfolgt an jedem Flussleitbereich 39 in radialer Richtung und in axialer Richtung in das Rotorblechpaket 21. Die elektronikseitige Polplatine 23 weißt gegenüber der antriebseitigen Polplatine 22 noch eine weitere Funktion auf. Die Anschlüsse der Erregerspule 29 müssen in dem Bereich der Lücke in Umfangsrichtung zwischen den beiden Flussleitbereichen 39 und dem Rotorblechpaket 21 geführt werden. Hierzu können noch zusätzliche Anprägungen, bzw. Nuten an der Polplatine 23 angebracht werden. Die Auswuchtung des Rotors 20 erfolgt vorzugsweise durch Bohrungen im Bereich der axialen Außenflächen der Polplatinen 22,23. Der Bereich der radialen, bzw. axialen Feldübertra- gung ist vorzugsweise bearbeitet, d.h. überdreht. Die antriebsseitige PolplatineField transmission takes place at each flux-conducting region 39 in the radial direction and in the axial direction into the rotor laminated core 21. The electronics-side pole plate 23 has a further function with respect to the drive-side pole plate 22. The terminals of the excitation coil 29 must be guided in the region of the gap in the circumferential direction between the two Flußleitbereichen 39 and the rotor core 21 lamination. For this purpose, additional embossments or grooves can be attached to the pole plate 23. The balancing of the rotor 20 is preferably carried out by bores in the region of the axial outer surfaces of the Polplatinen 22,23. The region of the radial or axial field transmission is preferably processed, i. overexcited. The drive-side pole board
22 ist im Aufbau identisch zur elektronikseitigen Polplatine 23, allerdings ist sie um 90° mechanisch gedreht, um entsprechend die durch die elektronikseitige Polplatine 23 noch nicht kontaktierten elektrisch, bzw. magnetisch erregten Pole des Rotorblechpaketes 21 zu kontaktieren. Zur Vermeidung magnetischer Kurz- Schlüsse sind die Flussleitbereiche 39 der Polplatinen 22, 23 in Umfangsrichtung durch jeweils eine Aussparung 22a voneinander getrennt, deren Boden 22b radial unterhalb der Schulter 39a liegt.22 is identical in construction to the electronics-side pole plate 23, but it is mechanically rotated by 90 °, in order accordingly to contact the not yet contacted by the electronics-side pole plate 23 electrically or magnetically excited pole of the rotor core 21. To avoid magnetic short-circuiting the Flußleitbereiche 39 of the Polplatinen 22, 23 in the circumferential direction by a respective recess 22a separated from each other, the bottom 22b is radially below the shoulder 39a.
Die Erregerspule 29 ist in Umfangsrichtung gewickelt, sodass am radial inneren Abschnitt der axialen Endfläche und am gegenüberliegenden radial äußeren Abschnitt der axialen Endfläche der Erregerspule 29 der Anfang, bzw. das Ende der Erregerspule 29 liegen. Die Erregerspule 29 kann in einem Spulenträger vorgewickelt werden, der aus Kunststoff oder Papier besteht und eine elektrische Isolation radial zum Polkern 31 und axial zu den Polplatinen 22,23 herstellt. Vor- zugsweise wird die Erregerspule 29 auch radial in Richtung des Rotorblechpakets 21 isoliert. Dies kann durch Umlegen der Kunststoff-, bzw. Papierisolation erfolgen oder durch ein zusätzliches Isolierband. Die Erregerspule 29 wird vorzugsweise durch Imprägnierung mit der umgebenden Isolation verbunden. Der Polkern 31 ist mit einem zylindrischen, sich axial erstreckenden Loch 31 a verse- hen, um darin die Maschinenwelle 27 aufzunehmen. Das kreisringförmige Rotorblechpaket 21 ist in Achsrichtung laminiert mit einer Blechstärke zwischen 0,1 mm und 2,0mm. Unterhalb 0,1 mm ist die Widerstandsfähigkeit des Rotorblechpakets 21 gegen Fliehkräfte zu gering. Oberhalb von 2,0mm ist die Verringerung der Wirbelstromverluste auf der Außenfläche des Ro- tors 20 nicht mehr ausreichend, sodass die im Rotor eingebauten Permanentmagneten 24,25 geschädigt, bzw. entmagnetisiert werden können. Die axiale Länge des Rotorblechpaketes 21 entspricht der axialen Länge des kreisringförmigen Statorblechpaketes 17, bzw. ist für einen Toleranzausgleich bis zu. 2mm länger als das kreisringförmige Statorblechpaket 17. Das Rotorblechpaket 21 weißt in Achsrichtung verlaufende Nuten 32 an der Außenfläche auf, die die Rotorpole P voneinander trennen. Weiterhin sind in dem Rotorblechpaket 21 axiale, tangential ausgerichtete, etwa der Polbreite entsprechend breite Fenster 35 ausgestanzt, in die jeweils ein polbildender radial magnetisierter Permanentmagnet 25 eingesetzt wird. Weiterhin sind axiale, radial ausgerichtete Fenster 34 unter- halb poltrennender Nuten 32 ausgestanzt, in die poltrennende Permanentmagnete 24 eingesetzt werden, die tangential magnetisiert sind. Das Rotorblechpaket 21 wird durch Schweißnähte innerhalb der poltrennenden Nuten 32 zusammengehalten. Die Schweißungen sind in Umfangsrichtung vorzugsweise zwei Polteilungen 2pt beabstandet, wobei die Polteilung pt im elektrisch erregten Zustand, d.h. bei maximaler Polzahl definiert ist. Es können zur Verstärkung der Drehzahlfestigkeit Schweißungen nach jeder Polteilung pt vorgesehen werden. Es können statt Schweißungen auch Niete, bzw. Knöpfungen eingesetzt werden.The exciting coil 29 is wound in the circumferential direction, so that at the radially inner portion of the axial end surface and at the opposite radially outer portion of the axial end surface of the exciting coil 29 are the beginning, or the end of the exciting coil 29. The excitation coil 29 can be pre-wound in a bobbin, which consists of plastic or paper and produces an electrical insulation radially to the pole core 31 and axially to the pole plates 22,23. Preferably, the exciter coil 29 is also insulated radially in the direction of the rotor laminated core 21. This can be done by folding the plastic or paper insulation or by an additional insulating tape. The excitation coil 29 is preferably connected by impregnation with the surrounding insulation. The pole core 31 is provided with a cylindrical, axially extending hole 31a to receive the machine shaft 27 therein. The annular rotor core 21 is laminated in the axial direction with a thickness between 0.1 mm and 2.0 mm. Below 0.1 mm, the resistance of the rotor core 21 against centrifugal forces is too low. Above 2.0 mm, the reduction of the eddy current losses on the outer surface of the rotor 20 is no longer sufficient, so that the permanent magnets 24, 25 installed in the rotor can be damaged or demagnetized. The axial length of the rotor laminated core 21 corresponds to the axial length of the annular stator lamination 17, and is for a tolerance compensation up to. 2 mm longer than the annular stator lamination stack 17. The rotor lamination stack 21 has axially extending grooves 32 on the outer surface, which separate the rotor poles P from one another. Furthermore, in the rotor laminated core 21 axial, tangentially aligned, about the Polbreite correspondingly wide window 35 punched, in each of which a polbildendem radially magnetized permanent magnet 25 is used. Furthermore, axial, radially aligned windows 34 are punched out underneath pole-separating grooves 32 into which pole-separating permanent magnets 24 are used, which are magnetized tangentially. The rotor core 21 is held together by welds within the pole separating grooves 32. The welds are spaced in the circumferential direction preferably two pole pitches 2pt, wherein the pole pitch pt is defined in the electrically excited state, ie at the maximum number of poles. It can be provided to increase the speed stability welds after each pole pitch pt. It can be used instead of welds and rivets, or knobs.
Das hier dargestellte Rotorblechpaket 21 weist insgesamt zwölf Pole auf, wobei vier der Pole durch radial magnetisierte Permanentmagnete 25 gebildet werden und acht Pole elektrisch erregt werden. Dadurch kann die Maschine mittels der Erregerspule 29 von zwölf nach außen wirkenden Polen auf vier nach außen wirkende Pole umgeschaltet werden. Um die Leistungsfähigkeit des Systems zu steigern, sind an den Positionen des Rotorblechpakets 21 , an denen sich axial die Flussleitbereiche 39 unterschiedlicher Polarität angrenzend gegenüberstehen, die poltrennenden tangential magnetisierten Permanentmagnete 32 eingefügt. Diese können, um eine kostengünstige Variante herzustellen auch nicht bestückt werden. Allerdings bildet sich dann im Fenster 34 ein Streufluss aus, der leistungsreduzierend wirkt. Die poltrennenden Permanentmagnete 24 weisen vorzugsweise einen rechteckförmigen Querschnitt auf. Die polbildenden Permanentmagnete 25 weisen vorzugsweise einen trapezförmigen Querschnitt auf. Das Rotorblechpaket ist so aufgebaut, dass in Umfangsrichtung jeweils einem permanent erregten Nordpol, ein elektrisch erregter Südpol, ein poltrennender Permanentmagnet, ein elektrisch erregter Nordpol, ein permanent erregter Südpol, ein elektrisch erregter Nordpol, ein poltrennender Permanentmagnet, ein elekt- risch erregter Südpol, ein permanent erregter Nordpol, ein elektrisch erregterThe rotor laminated core 21 shown here has a total of twelve poles, wherein four of the poles are formed by radially magnetized permanent magnets 25 and eight poles are electrically excited. Thereby, the machine can be switched by means of the excitation coil 29 of twelve outwardly acting poles on four outward poles. In order to increase the performance of the system, the pole-separating tangentially magnetized permanent magnets 32 are inserted at the positions of the rotor core 21, at which the flux guide regions 39 of different polarity are located axially opposite each other. These can, in order to produce a low-cost variant also not be equipped. However, a leakage flux then forms in the window 34, which has a performance-reducing effect. The pole-separating permanent magnets 24 preferably have a rectangular cross-section. The pole-forming permanent magnets 25 preferably have a trapezoidal cross-section. The Rotor laminated core is constructed so that in the circumferential direction in each case a permanently excited north pole, an electrically excited south pole, a pole-separating permanent magnet, an electrically excited north pole, a permanently excited south pole, an electrically excited north pole, a poltrennender permanent magnet, an electrically excited south pole, a permanently excited north pole, an electrically excited
Südpol, ein poltrennender Permanentmagnet, ein elektrisch erregter Nordpol, ein permanent erregter Südpol, ein elektrisch erregter Nordpol, ein poltrennender Permanentmagnet und ein elektrisch erregter Südpol folgen.South Pole, a pole-separating permanent magnet, an electrically excited north pole, a permanently excited south pole, an electrically excited north pole, a pole-separating permanent magnet and an electrically excited south pole follow.
Im Folgenden wird anhand der Explosionszeichnung nach Figur 3 auch der Zusammenbau des Rotors 20 erläutert. Zuerst wird die elektronikseitige Polplatine 23 ausgerichtet und auf die Maschinenwelle 29 gepresst. Dann wird der Polkern 31 auf die Maschinenwelle 27 gepresst. Die Erregerspule 29 wird nun entweder direkt auf einen Spulenträger auf den Polkern 31 gewickelt oder als fertige Bau- gruppe auf dem Polkern 31 montiert. Dann wird das Rotorblechpaket 21 mit den bestückten Permanentmagneten 24,25 auf die elektronikseitige Polplatine 23 aufgeschoben. Die Permanentmagnete 24,25 sind hierbei z.B. durch Harz oder mechanische Sicherungen fixiert. Dann wird die antriebsseitige Polplatine 22 ausgerichtet und auf der Maschinenwelle 27 verstemmt. Dann werden die Lüfter 30, das elektronikseitige Wälzlager 28 und die Schleifringbaugruppe 49 montiert.In the following, the assembly of the rotor 20 will be explained with reference to the exploded view of Figure 3. First, the electronics-side pole board 23 is aligned and pressed onto the machine shaft 29. Then, the pole core 31 is pressed onto the machine shaft 27. The excitation coil 29 is now either wound directly onto a coil carrier on the pole core 31 or mounted as a finished assembly on the pole core 31. Then the rotor laminated core 21 is pushed with the equipped permanent magnets 24,25 on the electronics-side pole plate 23. The permanent magnets 24, 25 are in this case e.g. fixed by resin or mechanical fuses. Then, the driving-side pole plate 22 is aligned and caulked on the machine shaft 27. Then, the fans 30, the electronics-side rolling bearing 28, and the slip ring assembly 49 are mounted.
Zuletzt wird der Rotor 20 durch Bohrungen in den Polplatinen 22,23 ausgewuchtet.Finally, the rotor 20 is balanced by bores in the pole plates 22,23.
Die verwendeten Permanentmagnete 24,25 sind vorzugsweise aus Seltenerd- magnetmaterial NdFeB. Das Permanentmagnetmaterial weist vorzugsweise einen Neodym Nd-Massenprozentanteil größer 10%, einen Massenprozentanteil Eisen Fe von größer 40%, einen Massenprozentanteil Kupfer Cu kleiner als 2% und einen Massenprozentanteil Titan Ti kleiner 1 % auf. Die Curietemperatur der Permanentmagnete liegt vorzugsweise über 2000C. Die Remanenz Bt liegt vor- zugsweise über 1 ,0 Tesla, die Koerzitivfeldstärke HcB liegt vorzugsweise überThe permanent magnets 24, 25 used are preferably made of rare earth magnet material NdFeB. The permanent magnet material preferably has a neodymium Nd-mass percentage greater than 10%, a mass percentage iron Fe of greater than 40%, a mass percentage copper Cu less than 2% and a mass percentage titanium Ti less than 1%. The Curie temperature of the permanent magnets is preferably above 200 0 C. The remanence Bt is preferably above 1, 0 Tesla, the coercive force HcB is preferably above
700 kA/m. Die Permanentmagnete 24,25 sind vorzugsweise gesintert, wobei die Dichte größer 7,0g/cmΛ3 ist. Für die Abmessungen innerhalb des Rotors gelten folgende Vorzugsbereiche: Rotoraußendurchmesser zum Innendurchmesser des kreisringförmigen Rotorblechpakets 21 liegt zwischen 1 ,1 und 1 ,25. Der Rotor- außendurchmesser zum Außendurchmesser des Polkerns 31 ist vorzugsweise größer als 1 ,5; insbesondere liegt der Wert zwischen 1 ,6 und 2,2. Der Polkern weißt eine axiale Länge zur Summe der axialen Länge der Polplatinen 22,23 von 0,5 bis 1 ,5 auf. Die Erregerspule weist vorzugsweise einen Widerstand zwischen 1 ,4 und 3,0 Ohm für eine 14V Auslegung auf. Der Polkern kann auch je zur Hälfte an den axialen Innenflächen der Polplatinen angeformt sein. Dies hat den Vor- teil, dass dann nur ein effektiver Luftspalt zwischen den Polplatinen in axialer700 kA / m. The permanent magnets 24,25 are preferably sintered, wherein the density of 7.0 g / cm Λ is greater. 3 The following preferred ranges apply to the dimensions within the rotor: Rotor outer diameter to the inner diameter of the annular rotor lamination packet 21 is between 1, 1 and 1, 25. The rotor outer diameter to the outer diameter of the pole core 31 is preferably greater than 1, 5; in particular, the value is between 1, 6 and 2.2. The Polkern know an axial length to the sum of the axial length of the Polplatinen 22,23 from 0.5 to 1, 5 on. The excitation coil preferably has a resistance between 1, 4 and 3.0 ohms for a 14V design. The pole core can also be integrally formed half on the axial inner surfaces of the Polplatinen. This has the advantage that then only an effective air gap between the Polplatinen in axial
Richtung vorhanden ist. Der Generator weist vorzugsweise während des Betriebs einen Druckunterschied zwischen den axialen Endflächen des Rotors auf, so- dass sich ein Kühlluftstrom entlang der axial verlaufenden Nuten 32 des Rotorblechpaketes 21 ausbildet. Alternativ können auch Löcher im Rotorblechpaket ausgebildet sein, die diesen Kühlluftstrom ermöglichen.Direction is present. The generator preferably has a pressure difference between the axial end surfaces of the rotor during operation, so that a cooling air flow is formed along the axially extending grooves 32 of the rotor lamination stack 21. Alternatively, holes may be formed in the rotor core, which allow this cooling air flow.
In Figur 4a ist die am Umfang des Rotors 20 auftretende Polfolge dargestellt, die sich bei einem durch die Erregerspule 29 fließenden Erregerstrom Ie ergibt. Zwischen den poltrennenden tangential magnetisierten Permanentmagneten 24 sind am Rotorumfang vier polbildende radial magnetisierte Permanentmagnete 25 angeordnet, die mit abwechselnder radialer Polarität mit dem von der Erregerspule 29 erzeugten Feld zusammenwirken. Dadurch ergeben sich bei Bestro- mung der Erregerspule mit einem Erregerstrom Ie am Rotorumfang zwölf Pole abwechselnder Polarität.In Figure 4a, the occurring at the periphery of the rotor 20 pole sequence is shown, resulting in a current flowing through the excitation coil 29 excitation current Ie. Between the pole-separating tangentially magnetized permanent magnets 24 four pole-forming radially magnetized permanent magnets 25 are arranged on the rotor circumference, which cooperate with alternating radial polarity with the field generated by the excitation coil 29. As a result, upon excitation of the exciter coil with an exciter current Ie at the rotor circumference, there are twelve poles of alternating polarity.
Die Figur 4b zeigt den Zustand, wenn die Stromrichtung in der Erregerspule umgekehrt wird. Hierdurch lässt sich die Polzahl des Rotors 20 umsteuern, in dem durch die Umkehrung des in Figur 4a erkennbaren elektrisch erregten Feldes Φe der Erregerspule 29 die Polarität der Polplatinen 22,23 und damit der elektrisch ausgebildeten Pole am Rotorumfang wechselt, was in Figur 4b durch in Klammern dargestellte Polarität verdeutlicht wird. Daraus ergibt sich nunmehr am Rotorumfang eine vierpolige Anordnung mit abwechselnder symmetrischer Polarität. Die in Figur 4b eingezeichneten magnetischen Felder Φm der polbildenden Permanentmagnete schließen sich über die Polplatinen, bzw. über den Polkern. Die in Figur 4a eingezeichneten magnetischen Felder Φm der polbildendenFIG. 4b shows the state when the current direction in the excitation coil is reversed. As a result, the number of poles of the rotor 20 can be reversed, in which by reversing the detectable in Figure 4a electrically excited field Φ e of the excitation coil 29, the polarity of the Polplatinen 22,23 and thus the electrically trained pole on the rotor circumference, which in Figure 4b by in brackets illustrated polarity is clarified. This results now in the rotor circumference a four-pole arrangement with alternating symmetrical polarity. The magnetic fields Φm of the pole-forming permanent magnets shown in FIG. 4b close over the pole plates or over the pole core. The drawn in Figure 4a magnetic fields Φm of the polbildenden
Permanentmagnete 25 schließen sich rotorseitig innerhalb des Rotorblechpaket- Segmentes, bestehend aus dem jeweiligen magnetisch erregten Pol und den beiden benachbarten elektrisch erregten Polen.Permanent magnets 25 close on the rotor side within the rotor laminated core segment, consisting of the respective magnetically excited pole and the two adjacent electrically excited poles.
Mit Hilfe der Figur 5 wird nunmehr näher erläutert, dass die AusgangsspannungWith the help of Figure 5 will now be explained in more detail that the output voltage
Ua der Statorwicklung 18 des Wechselstromgenerators 10 nach Figur 1 durch eine Änderung von Stärke und Richtung des Erregerstromes Ie in der Erregerspule 29 vorzugsweise last- und temperaturabhängig zwischen einem zulässigen Maximalwert und dem Wert 0 regelbar ist. Dabei ist über die Zeitachse t der vom Erregerstrom Ie abhängige Verlauf der Ausgangsspannung Ua der Maschine 10 über eine halbe Umdrehung des Rotors 20 (180° mechanisch) dargestellt. Bei der zwölfpoligen Wechselstrom-Statorwicklung 18 ergeben sich folglich bei einer halben Umdrehung des Rotors 20 drei volle Perioden. Bei maximal zulässigem Erregerstrom Ie » 0 wird mittels des nunmehr zwölfpoligen Rotors 20 bei vorgegebener Belastung die maximale Ausgangsspannung Ua1 in der Statorwicklung 18 erzeugt, mit der die jeweilige Bordnetzbatterie 61 im Bordnetz eines Kraftfahrzeugs in an sich bekannter Weise über den Brückengleichrichter 69 zu versorgen ist. In ebenfalls bekannter Weise wird dabei die Ausgangsspannung Ua der elektrischen Maschine 10 in Abhängigkeit von der Gleichspannung im Kraftfahrzeug- Bordnetz mehr oder weniger stark herunter geregelt. Für die elektrische Maschi- ne 10 nach Figur 1 bedeutet dies, dass bei einem entsprechend reduzierten Erregerstrom Ie > 0 an der Statorwicklung 18 die entsprechend reduzierte Ausgangsspannung Ua2 auftritt, indem durch die schwächere elektrische Erregung im Rotor 20 das magnetische Gesamtfeld des Rotors 20 geschwächt wird. Diese Schwächung des Gesamtfeldes setzt sich fort bis zu einem Erregerstrom Ie = 0, bei dem nun noch eine relativ kleine Ausgangsspannung Ua3 in der Statorwicklung 18 induziert wird. Wird nunmehr gar die Richtung des Erregerstromes Ie in der Erregerspule 29 gewechselt, ergibt sich gemäß Figur 4a und 4b eine Umsteuerung der Polzahl 2p am Rotor 20 von zwölf Polen auf vier Pole. In diesem Fall werden in den einzelnen Spulen eines Wicklungsstranges 70,71 ,72,73,74 der Statorwicklung 18 entgegen gesetzt gerichtete Spannungen induziert, die sich mehr oder weniger teilweise aufheben. Die dabei auftretende Ausgangsspannung Ua4 bewegt sich nun in einem kleinen Bereich um den Spannungswert 0. Erhöht man schließlich den Erregerstrom Ie in umkehrter Richtung auf höhere Werte Ie << 0, so erhält man eine in Figur 5 gestrichelt dargestellte Ausgangs- Spannung Ua5 mit um 180° elektrisch versetzten Halbwellen der Ausgangsspannung Ua. Für die Blindleistungsregelung muss die induzierte Spannung zwischen einem Maximum und einem Minimum regelbar sein; sie darf nicht 0 oder negativ werden, sonst kippt die Maschine in einen instabilen Zustand.Inter alia, the stator winding 18 of the alternator 10 of Figure 1 by a change in the strength and direction of the excitation current Ie in the excitation coil 29 is preferably load- and temperature-dependent between a permissible maximum value and the value 0 can be regulated. In this case, over the time axis t of the excitation current Ie dependent course of the output voltage Ua of the machine 10 over half a revolution of the rotor 20 (180 ° mechanical) is shown. In the case of the twelve-pole alternating current stator winding 18, consequently, half full revolutions of the rotor 20 result in three full periods. At maximum permissible excitation current Ie »0, the maximum output voltage Ua1 is generated in the stator winding 18 by means of the now twelve-pole rotor 20 at a predetermined load, with the respective electrical system battery 61 is to supply in the vehicle electrical system in a conventional manner via the bridge rectifier 69. In a likewise known manner, the output voltage Ua of the electric machine 10 is regulated down more or less depending on the DC voltage in the motor vehicle electrical system. For the electric machine 10 according to FIG. 1, this means that, given a correspondingly reduced exciter current Ie> 0, the correspondingly reduced output voltage Ua2 occurs at the stator winding 18, as the overall magnetic field of the rotor 20 is weakened by the weaker electrical excitation in the rotor 20 , This weakening of the total field continues until an exciting current Ie = 0 at which a relatively small output voltage Ua3 is now induced in the stator winding 18. If now even the direction of the excitation current Ie in the exciter coil 29 is changed, results in accordance with Figure 4a and 4b, a reversal of the number of poles 2p on the rotor 20 of twelve poles on four poles. In this case, oppositely directed voltages are induced in the individual coils of a winding strand 70,71, 72,73,74 of the stator winding 18, which cancel each other more or less partially. The resulting output voltage Ua4 now moves in a small range around the voltage value 0. If, finally, the excitation current Ie in the reverse direction to higher values Ie << 0, we obtain a dashed line in Figure 5 shown output voltage Ua5 by 180th ° electrically offset half-waves of the output voltage Ua. For reactive power control, the induced voltage must be adjustable between a maximum and a minimum; it must not become 0 or negative, otherwise the machine tilts into an unstable state.
Die Figur 6a zeigt einen abgerollten Abschnitt des Rotors 20 in der Draufsicht, in der man die axiale Erstreckung und die Erstreckung in Umfangsrichtung sieht. Zwischen den Flussleitbereichen 39 der beiden Polplatinen 22,23 ist das kreisringförmige Rotorblechpaket 21 befestigt. Hierbei ergibt sich, bedingt durch die Einspannkräfte eine Deformation des kreisringförmigen Rotorblechpaketes 21 im Bereich der Stirnseiten 21 a, 21 b, sodass sich das Rotorblechpaket 21 leicht mä- anderförmig um die Flussleitbereiche 39 der Polplatinen 22,23 legt. Die Auslenkung des kreisringförmigen Rotorblechpaketes 21 gegenüber der Polplatine 22,23 muss bei dem vorgestellten System größer 0mm sein um einen Toleranzausgleich der axialen Abmessungen von Polkern 31 und Polplatinen 22,23 zu ermöglichen. Die Auslenkung s sollte aber nicht größer sein als 2mm, da hier- durch die Verbindungsstellen der Lamellen des kreisringförmigen Rotorblechpaketes 21 gestresst werden und somit die Drehzahlfestigkeit des Rotors 20 nicht mehr gewährleistet werden kann. Das kreisringförmige Rotorblechpaket 21 hat eine axiale Länge Ie, die Flussleitbereiche 39 der Polplatinen haben jeweils eine axiale Länge von Ip. Die Länge des Rotorblechpaketes 21 sollte hierbei im Be- reich von 1 ,0 bis 3,0 der doppelten Länge der Flussleitbereiche 39 sein. Das kreisringförmige Rotorblechpaket 21 wird in Umfangsrichtung abwechseln von den Flussleitbereichen 39 der Polplatinen 22,23 kontaktiert, wobei jeder Fluss- leitbereich 39 aus zwei Flussleitabschnitten 39e für einen elektrisch erregten Pol besteht, zwischen denen ein kürzerer Flussleitabschnitt 39m für einen perma- nentmagnetisch erregten Pol liegt.FIG. 6a shows a rolled-up section of the rotor 20 in plan view, in which the axial extent and the extent in the circumferential direction are seen. Between the Flußleitbereichen 39 of the two Polplatinen 22,23 the annular rotor core 21 is fixed. This results, due to the clamping forces, a deformation of the annular rotor laminated core 21 in the region of the end faces 21 a, 21 b, so that the rotor core 21 lays slightly meander around the flux-guiding regions 39 of the pole plates 22, 23. The deflection of the annular rotor laminated core 21 with respect to the pole plate 22,23 must be greater than 0mm in the proposed system to allow tolerance compensation of the axial dimensions of Polkern 31 and Polplatinen 22,23. However, the deflection s should not be greater than 2 mm, as this stresses the joints of the lamellae of the annular rotor lamination stack 21 and thus the speed resistance of the rotor 20 can no longer be guaranteed. The annular rotor core 21 has an axial length Ie, the flux guide 39 of the Polplatinen each have an axial length of Ip. The length of the rotor laminated core 21 should be in the range of 1.0 to 3.0 twice the length of the flux guide regions 39. The annular rotor core 21 is contacted alternately in the circumferential direction by the flux conducting regions 39 of the pole plates 22, 23, each flux conducting region 39 consisting of two electrically excited pole flux conducting sections 39e, between which a shorter flux conducting section 39m for a permanent magnetically excited pole is located ,
Die Figur 6b zeigt das gleiche Segment des Rotorblechpaketes 21 aus Figur 6a, allerdings in der Vorderansicht und über den Umfang abgewickelt. Das kreisringförmige Rotorblechpaket 21 weist axial verlaufende Nuten 32 im Abstand einer Polteilung pt auf. In diesen Nuten 32 ist das kreisringförmige Rotorblechpaket 21 geschweißt. Weiter sind die poltrennenden Permanentmagnete 24 dargestellt, die eine Breite von bm1 aufweisen, die hier größer als 4mm sein muss, damit sich der poltrennende Permanentmagnet 24 im Betrieb nicht durch das Gegenfeld entmagnetisiert. Sie sollte aber kleiner sein als ein drittel der Polteilung, um die Polfläche der elektrisch erregten Pole nicht zu verkleinern. Der poltrennendeFIG. 6b shows the same segment of the rotor laminated core 21 from FIG. 6a, but in the front view and unwound over the circumference. The annular rotor core 21 has axially extending grooves 32 at a pitch of a pole pitch pt. In these grooves 32, the annular rotor laminated core 21 is welded. Next, the pole-separating permanent magnets 24 are shown, which have a width of bm1, which must be greater than 4mm here, so that the pole-separating permanent magnet 24 is not demagnetized in operation by the opposing field. But it should be less than a third of the pole pitch, so as not to reduce the pole face of the electrically excited poles. The Pole separating
Permanentmagnet 24 weist eine Höhe von hm1 auf, die zwischen der Höhe he des kreisringförmigen Rotorblechpaketes 21 und der Höhe des polbildenden Permanentmagneten 25 hm2 liegt. Die polbildenden Permanentmagnete 25 weisen eine Breite von b2max auf, die zwischen dem 0,8 und 1 ,2-fachen der Poltei- lung pt sein sollte. Die Nuten 32 radial oberhalb des poltrennenden Permanentmagneten 24 weisen eine Tiefe von t1 auf. Die Nuten 32 seitlich am polbildenden Permanentmagneten 25 weisen eine Tiefe von t2 auf, die hierbei zwischen dem 1 ,5 und 0,8-fachen von t1 liegen sollte.Permanent magnet 24 has a height of hm1, which is between the height he of the annular rotor core 21 and the height of the polbildenden permanent magnet 25 hm2. The pole-forming permanent magnets 25 have a width of b2max which should be between 0.8 and 1.2 times the pole pitch pt. The grooves 32 radially above the pole-separating permanent magnet 24 have a depth of t1. The grooves 32 laterally on the pole forming Permanent magnets 25 have a depth of t2, which should be between 1, 5 and 0.8 times t1.
Die Figur 6c zeigt eine Alternative des in Figur 6b dargestellten Aufbaus. Hierbei ist eine Anfasung auf jeder ablaufenden Kante der Pole dargestellt. Die ablaufende Kante hat hierbei eine Breite ba und eine Tiefe ta. Es ist vorteilhaft, wenn die Breite ba zwischen 0.05 und 0,7 der Polteilung pt liegt und die Tiefe ta zwischen 0.01 und 0,1 der Höhe he des Rotorblechpakets 21 , wobei eine Tiefe von 2mm nicht überschritten werden sollte. Diese Anfasung der Pole ist zur Dämp- fung von Magnetgeräuschen sinnvoll für jede Art von geblechten Rotorblechpaketen 21 , egal ob Permanentmagnete 24,25 eingesetzt werden oder nicht.FIG. 6c shows an alternative of the construction shown in FIG. 6b. Here is a chamfer on each expiring edge of the poles is shown. The running edge here has a width ba and a depth ta. It is advantageous if the width ba is between 0.05 and 0.7 of the pole pitch pt and the depth ta is between 0.01 and 0.1 of the height he of the rotor laminated core 21, wherein a depth of 2 mm should not be exceeded. This chamfering of the poles makes sense for damping magnetic noises for every type of laminated rotor core 21, regardless of whether permanent magnets 24, 25 are used or not.
Die Figur 7 zeigt ein Beispiel für ein Herstellungsverfahren von kreisringförmigen Statorblechpaketen 17 mit den Nuten 19 und von kreisringförmigen Rotorblech- paketen 21 mit den Fenstern 34, 35, wobei die kreisringförmige Statorblechpaketlamelle 17a um die kreisringförmige Rotorblechpaketlamelle 21 d freigestanzt wird. Hierdurch wird der Verschnitt an dem dafür verwendeten Blechband 17b reduziert. Es ist also grundsätzlich vorteilhaft, wenn das kreisringförmige Rotorblechpaket die gleiche Blechdicke der Lamellen aufweist wie das kreisringförmi- ge Ständerblechpaket. Es ist ebenfalls sinnvoll, wenn das Blechmaterial der Rotorblechpakete identisch ist.FIG. 7 shows an example of a method of producing annular stator lamination packages 17 with the grooves 19 and annular rotor lamination packages 21 with the windows 34, 35, wherein the annular stator lamination lamella 17 a is punched free around the annular rotor lamination lamination 21 d. As a result, the waste is reduced to the sheet metal strip 17b used for it. So it is basically advantageous if the annular rotor core has the same sheet thickness of the fins as the kreisringförmi- ge stator core. It is also useful if the sheet material of the rotor laminations is identical.
Die Figur 8 zeigt eine Seitenansicht eines kreisringförmigen Rotorblechpaketes 21. Das Rotorblechpaket ist aus einer Lamelle 40 hergestellt, die spiralförmig aufgerollt wird. Der Anfang der Lamelle ist entsprechend mit 40a und das Ende mit 40b gekennzeichnet. Durch die Herstellung des kreisringförmigen Rotorblechpaketes 21 aus einer Lamelle kann der Verschnitt des Bleches weiter reduziert werden. Anfang 40a und Ende 40b der Lamelle 40 liegen einander an den axialen Enden des kreisringförmigen Rotorblechpaketes gegenüber, wobei der Abstand in Umfangsrichtung eine Polteilung nicht überschreiten sollte. Es ist vorteilhaft, wenn sich zwischen den Lamellen eine Oxidschicht oder eine Isolationsschicht befindet, um Wirbelströme auf dem Außenumfang des Rotors 20 zu reduzieren.FIG. 8 shows a side view of an annular rotor laminated core 21. The rotor laminated core is produced from a lamella 40, which is rolled up in a spiral manner. The beginning of the lamella is marked accordingly with 40a and the end with 40b. By producing the annular rotor laminated core 21 from a blade, the waste of the sheet can be further reduced. Beginning 40a and end 40b of the blade 40 are opposite to each other at the axial ends of the annular rotor laminated core, wherein the distance in the circumferential direction should not exceed a pole pitch. It is advantageous if an oxide layer or an insulating layer is located between the lamellae in order to reduce eddy currents on the outer circumference of the rotor 20.
Die Figur 9 stellt eine weitere Ausführungsform der Erfindung raumbildlich dar.FIG. 9 shows a further embodiment of the invention in a three-dimensional view.
Im kreisringförmigen Rotorblechpaket 21 sind am Innenumfang sich nach radial innen erstreckende Vorsprünge 41 angeordnet. Diese dienen dazu, eine genaue Positionierung der Teile zu erzielen und die radiale Übertrittsfläche des magnetischen Flusses aus den Polplatinen 22, 23 zu erhöhen, indem an den Polplatinen 22,23, entsprechende Nuten 42 vorgesehen sind, in denen die Vorsprünge 41 einrasten. Hierdurch kann der magnetische Kreis verbessert und somit die Abgabeleistung der Maschine erhöht werden. Durch die Vorsprünge 41 bzw. Nuten 42 wird zusätzlich das kreisringförmige Rotorblechpaket 21 gegen Verdrehung geschützt, indem eine mechanische Fixierung zwischen Polplatine 22,23 und Rotorblechpaket 21 stattfindet. Es ist vorteilhaft, die Nuten 42 auf den Polplatinen 22,23 und die Vorsprünge 41 auf dem kreisringförmigen Rotorblechpaket 21 anzuordnen, da die Vorsprünge 41 so leicht gestanzt werden können und die Nuten 42 bei der Herstellung der Passfläche auf der Polplatine 22,23 durch z.B. einen Überdrehvorgang nicht stören. Prinzipiell können aber auch die Nuten 42 auf dem kreisringförmigen Rotorblechpaket 21 und die Vorsprünge 41 auf der PoIpIa- tine 22,23 angeordnet werden. Durch unterschiedlichen Versatz der Nuten 42 bzw. Vorsprünge 41 in Umfangsrichtung oder wenn auf einer Polplatine 22 entsprechend mehr Nuten 42 angeordnet sind als auf der anderen Polplatine 23, lässt sich auch eine Montagehilfe erreichen, die sicherstellt, dass die Polplatinen 22,23 nur auf die für sie bestimmte Seite des kreisringförmigen Rotorblechpake- tes 21 montiert werden können. Die Polplatinen 22, 23 werden vorzugsweise durch einen Warmumformvorgang hergestellt, z.B. durch Schmieden, sodass auch komplizierte Geometrien ohne bzw. mit wenig mechanischer Nachbearbeitung möglich sind.In the annular rotor laminated core 21 are radially on the inner circumference arranged inside extending projections 41. These serve to achieve an accurate positioning of the parts and to increase the radial transfer surface of the magnetic flux from the Polplatinen 22, 23 by the pole plates 22,23, corresponding grooves 42 are provided in which the projections 41 engage. This can improve the magnetic circuit and thus increase the power output of the machine. By the projections 41 and grooves 42 in addition, the annular rotor core 21 is protected against rotation by a mechanical fixation between pole plate 22,23 and rotor laminated core 21 takes place. It is advantageous to arrange the grooves 42 on the pole plates 22,23 and the projections 41 on the annular rotor core 21, since the projections 41 can be punched so easily and the grooves 42 in the manufacture of the mating surface on the pole plate 22,23 by eg do not disturb an overwinding process. In principle, however, it is also possible to arrange the grooves 42 on the annular rotor core 21 and the projections 41 on the pole 22,23. By different offset of the grooves 42 and projections 41 in the circumferential direction or when a corresponding number more grooves 42 are arranged on a pole plate 22 than on the other pole plate 23, can also achieve a mounting aid, which ensures that the pole plates 22,23 only on the for them specific side of the annular Rotorblechpake- tes 21 can be mounted. The Polplatinen 22, 23 are preferably produced by a hot forming process, for example by forging, so that even complicated geometries without or with little mechanical post-processing are possible.
Eine weitere Maßnahme um das kreisringförmige Rotorblechpaket 21 zu fixieren ist, die Polplatinen 22,23 an den axialen Übertrittsflächen mit Vorsprüngen zu versehen, die in axiale Löcher oder Vertiefungen im kreisringförmigen Rotorblechpaket einrasten.Another measure to fix the annular rotor core 21 is to provide the pole plates 22,23 at the axial transfer surfaces with projections which engage in axial holes or depressions in the annular rotor core.
Die Figur 10 zeigt die Explosionszeichnung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines hybriderregten Rotors 20. Dabei werden im Folgenden die einzelnen Komponenten des Rotors 20 näher erläutert. Maschinenwelle 27, Erregerspule 29 und Polkern 31 sind dabei mit den entsprechenden Teilen des ersten Ausführungsbeispieles gemäß Figur 3 identisch. Die elektronikseitige Polplatine 23 hat in Abänderung zum ersten Ausführungsbeispieles drei Flussleitbereiche 39, die radial aus dem zylindrischen Grundkörper der Polplatine 23 hervorstehen. Jedes der hier dargestellten Flussleitbereiche 39 hat nur einen Flussleitabschnitt 39e. Er erstreckt sich jeweils über eine Poltei- lung des zwölfpoligen Rotors 20, wobei alle Flussleitbereiche 39 der Polplatine10 shows the exploded view of a second embodiment of a hybrid-excited rotor 20. In the following, the individual components of the rotor 20 are explained in more detail. Machine shaft 27, excitation coil 29 and pole core 31 are identical to the corresponding parts of the first embodiment shown in FIG. The electronics-side pole plate 23, in a modification to the first embodiment, three Flußleitbereiche 39, which protrude radially from the cylindrical base body of the pole plate 23. Each of the flux guide regions 39 shown here has only one flux guide section 39e. It extends in each case over a Poltei- ment of the twelve-pole rotor 20, wherein all Flußleitbereiche 39 of the Polplatine
23 in diesem Beispiel elektrisch erregte Pole kontaktieren. Die Feldübertragung erfolgt an jedem Flussleitbereich 39 in radialer Richtung und in axialer Richtung in das Rotorblechpaket 21.Contact 23 in this example electrically energized poles. The field transmission takes place at each flux guide region 39 in the radial direction and in the axial direction into the rotor laminated core 21.
Die antriebsseitige Polplatine 22 ist im Aufbau unterschiedlich zur elektronikseiti- gen Polplatine 23. Die antriebseitige Polplatine 22 weist drei Flussleitbereiche 39 auf, die sich jeweils über drei Polteilungen des zwölfpoligen Rotors 20 erstrecken, wobei die beiden äußeren Flussleitabschnitte 39e jeweils einen elektrisch erregten Pol des Rotors 20 kontaktieren. Der jeweils mittlere Pol P des Rotor- blechpaketes 21 wird an einer radial weiter innengelegenen Stelle unterhalb des polbildenden Permanentmagnetes 25 von dem mittleren Flussleitabschnitt 39m kontaktiert. Hierdurch wird vermieden, dass das Feld der polbildenden, radial magnetisierten Permanentmagneten 25 durch die Polplatine 22 kurzgeschlossen wird. Prinzipiell ist es auch möglich, die antriebseitige Polplatine 22 auch aus sechs Flussleitabschnitten 39e herzustellen und das Material der hier dargestellten Flussleitabschnitte 39m wegfallen zu lassen.The drive-side pole plate 22 is different in structure from the electronics side pole plate 23. The drive-side pole plate 22 has three Flußleitbereiche 39, each extending over three pole pitches of the twelve-pole rotor 20, wherein the two outer Flußleitabschnitte 39e each have an electrically excited pole of the rotor 20 contact. The respective center pole P of the rotor laminations 21 is contacted at a radially further inwardly located point below the pole-forming permanent magnet 25 of the central flux guide 39m. This avoids that the field of the pole-forming, radially magnetized permanent magnet 25 is short-circuited by the pole plate 22. In principle, it is also possible to produce the drive-side pole plate 22 also from six flux-conducting sections 39e and to omit the material of the flux-conducting sections 39m shown here.
Das kreisringförmige Rotorblechpaket 21 ist vorzugsweise in Achsrichtung laminiert. Das Rotorblechpaket 21 weißt in Achsrichtung verlaufende Nuten 32 an der Außenfläche auf, die die Rotorpole P voneinander trennen. Weiterhin sind in demThe annular rotor core 21 is preferably laminated in the axial direction. The rotor core 21 has axially extending grooves 32 on the outer surface, which separate the rotor poles P from each other. Furthermore, in the
Rotorblechpaket 21 drei axial ausgerichtete Fenster 35 vorgesehen, in den jeweils ein polbildender, radial magnetisierter Permanentmagnet 25 eingesetzt wird. Weiterhin sind zwischen den Fenstern 35 sechs axial ausgerichtete Fenster 34 vorgesehen, in die poltrennende, tangential magnetisierte Permanentmagnete 24 eingesetzt werden. Das Rotorblechpaket 21 wird vorzugsweise durchRotor laminated core 21 three axially aligned window 35 is provided, in each of which a polbildender, radially magnetized permanent magnet 25 is used. Furthermore, 35 axially aligned windows 34 are provided between the windows, are used in the pole-separating, tangentially magnetized permanent magnets 24. The rotor core 21 is preferably by
Schweißnähte innerhalb der poltrennenden Nuten 32 zusammengehalten. Das hier dargestellte Rotorblechpaket 21 weist insgesamt zwölf Pole P auf, wobei drei der Pole durch Permanentmagnete 23 gebildet und neun Pole elektrisch erregt erden. Mittels der Erregerspule 29 kann der Rotor 20 damit von zwölf nach au- ßen wirkenden Polen auf sechs nach außen wirkende Pole umgeschaltet werden. Um die Leistungsfähigkeit des Systems zu steigern, sind an den Positionen des Rotorblechpakets 21 , an denen axial die Flussleitbereiche 39 unterschiedlicher Polarität gegenüberstehen die poltrennenden Permanentmagnete 24 eingefügt. Die poltrennenden Permanentmagnete 24 weisen vorzugsweise einen rechteckförmigen Querschnitt auf. Die polbildenden Permanentmagnete 25 wei- sen vorzugsweise einen trapezförmigen Querschnitt auf. Die Übertrittstelle desWelds held together within the pole separating grooves 32. The rotor laminated core 21 shown here has a total of twelve poles P, wherein three of the poles formed by permanent magnets 23 and ground nine poles electrically grounded. By means of the excitation coil 29, the rotor 20 can thus be switched from twelve outwardly acting poles to six outward poles. To increase the efficiency of the system are at the positions of the rotor laminated core 21, against which the flux-conducting regions 39 of different polarity face each other axially, the pole-separating permanent magnets 24 are inserted. The pole-separating permanent magnets 24 preferably have a rectangular cross-section. The pole-forming permanent magnets 25 preferably have a trapezoidal cross-section. The transfer point of the
Magnetflusses von den Polplatinen 22, 23 zum Rotorblechpaket 21 ist gestuft ausgeführt, sodass an den Schultern 39a sowohl eine axiale als auch eine radiale Übertrittsfläche für das elektrisch erregte Feld entsteht.Magnet flux from the pole plates 22, 23 to the rotor laminated core 21 is stepped, so that both axial and radial crossing surfaces for the electrically excited field are formed on the shoulders 39a.
In Figur 1 1 a ist die am Umfang des Rotors 20 auftretende Polfolge dargestellt, die sich bei einem durch die Erregerspule 29 fließenden Erregerstrom Ie im zweiten Ausführungsbeispiel ergibt. Zwischen den poltrennenden Permanentmagneten 24 sind am Rotorumfang drei polbildende Permanentmagnete 25 angeordnet, die mit gleicher radialer Polarität mit dem von der Erregerspule 29 erzeugten Feld zusammenwirken. Dadurch ergeben sich bei Bestromung der Erregerspule mit einem Erregerstrom Ie am Rotorumfang zwölf Pole abwechselnder Polarität. Der Rotor 20 ist so aufgebaut, dass in Umfangsrichtung jeweils einem permanent erregten Südpol, ein elektrisch erregter Nordpol, ein poltrennender Permanentmagnet 24, ein elektrisch erregter Südpol, ein poltrennender Permanentmagnet 24, ein elektrisch erregter Nordpol, ein permanent erregter Südpol, ein elektrisch erregter Nordpol, ein poltrennender Permanentmagnet 24, ein elektrisch erregter Südpol, ein poltrennender Permanentmagnet 24, ein elektrisch erregter Nordpol, ein permanent erregter Südpol, ein elektrisch erregter Nordpol, ein poltrennender Permanentmagnet 24, ein elektrisch erregter Südpol, ein poltrennender Perma- nentmagnet 24 und zuletzt ein elektrisch erregter Nordpol folgt.FIG. 11a shows the pole sequence occurring on the circumference of the rotor 20, which results in the case of a field current Ie flowing through the field coil 29 in the second exemplary embodiment. Between the pole-separating permanent magnets 24 three pole-forming permanent magnets 25 are arranged on the rotor circumference, which cooperate with the same radial polarity with the field generated by the excitation coil 29. This results in energizing the exciter coil with an excitation current Ie on the rotor circumference twelve poles of alternating polarity. The rotor 20 is constructed such that in the circumferential direction in each case a permanently excited south pole, an electrically excited north pole, a pole-separating permanent magnet 24, an electrically excited south pole, a pole-separating permanent magnet 24, an electrically excited north pole, a permanently excited south pole, an electrically excited north pole , a pole-separating permanent magnet 24, an electrically excited south pole, a pole-separating permanent magnet 24, an electrically excited north pole, a permanently excited south pole, an electrically excited north pole, a pole-separating permanent magnet 24, an electrically excited south pole, a pole-separating permanent magnet 24 and finally one electrically excited north pole follows.
Die Figur 1 1 b zeigt den Zustand, wenn die Stromrichtung in der Erregerspule Umgekehrt wird. Hierdurch lässt sich die Polzahl des Rotors 20 umsteuern, in dem durch die Umkehrung des in Figur 1 1 a erkennbaren elektrisch erregten FeI- des Φe der Erregerspule 29 die Polarität der Polplatinen 22,23 und damit der elektrisch ausgebildeten Pole am Rotorumfang jeweils ihre Polarität wechselt. Daraus ergibt sich nunmehr am Rotorumfang eine sechspolige Anordnung mit abwechselnder symmetrischer Polarität. Die in Figur 1 1 b eingezeichneten Felder Φm der polbildenden Permanentmagnete 25 schließen sich über die Polplatinen 22, 23 bzw. über den Polkern 31. Die in Figur 1 1 a eingezeichneten Felder Φm der polbildenden Permanentmagnete schließen sich innerhalb des Rotorblechpaketes 21.FIG. 11 b shows the state when the current direction in the excitation coil is reversed. In this way, the number of poles of the rotor 20 can be reversed, in which the polarity of the Polplatinen 22,23 and thus the electrically formed poles on the rotor circumference in each case by the reversal of the electrically excited in Fig. 1 a detectable FeI- Φ e of the exciter coil 29 replaced. This results in a six-pole arrangement with alternating symmetrical polarity on the rotor circumference. The fields Φm of the pole-forming permanent magnets 25 indicated in FIG. 11b close over the pole plates 22, 23 or over the pole core 31. The fields Φm shown in FIG. 11a The pole-forming permanent magnets close within the rotor laminated core 21st
Die Figur 12 zeigt die Explosionszeichnung eines dritten Ausführungsbeispiels des hybriderregten Rotors 20. Dabei werden im Folgenden die einzelnen Komponenten des Rotors 20 näher erläutert. Maschinenwelle 27, Erregerspule 29 und Polkern 31 sind dabei mit den entsprechenden Teilen des ersten Ausführungsbeispieles gemäß Figur 3 identisch.FIG. 12 shows the exploded view of a third exemplary embodiment of the hybrid-excited rotor 20. In the following, the individual components of the rotor 20 will be explained in greater detail. Machine shaft 27, excitation coil 29 and pole core 31 are identical to the corresponding parts of the first embodiment shown in FIG.
Die hier dargestellte elektronikseitige Polplatine 23 besitzt vier FlussleitbereicheThe electronics-side pole plate 23 shown here has four flux-conducting regions
39, die radial aus dem zylindrischen Grundkörper der Polplatine 23 hervorstehen. Jedes der hier dargestellten Flussleitbereiche 39 erstreckt sich mit je einem Flussleitabschnitt 39e über eine Polteilung des zwölfpoligen Rotors 20, wobei alle Flussleitbereiche 39 in diesem Beispiel elektrisch erregte Pole kontaktieren. Die Übertrittstelle von der Polplatine 23 zum Rotorblechpaket 21 ist gestuft ausgeführt, sodass an den Schultern 39a sowohl eine axiale als auch eine radiale Ü- bertrittsfläche für das elektrisch erregte Feld entsteht. Hierbei dienen die Übertrittsflächen auch zur Fixierung und Zentrierung des Rotorblechpaketes 21 .39, which protrude radially from the cylindrical base body of the pole plate 23. Each of the flux-conducting regions 39 shown here extends, each having a flux-conducting section 39e, over a pole pitch of the twelve-pole rotor 20, with all flux conducting regions 39 contacting electrically excited poles in this example. The transfer point from the pole plate 23 to the rotor laminated core 21 is designed in a stepped manner, so that both an axial and a radial Ü bertrittsfläche for the electrically excited field is formed on the shoulders 39 a. In this case, the transfer surfaces also serve for fixing and centering the rotor laminated core 21.
Die antriebsseitige Polplatine 22 ist im Aufbau identisch zur elektronikseitigenThe drive-side pole plate 22 is identical in construction to the electronics side
Polplatine 23, allerdings ist sie um 90° mechanisch gedreht, um entsprechend die durch die elektronikseitige Polplatine 23 noch nicht kontaktierten elektrisch erregten Pole P des Rotorblechpaketes 21 zu kontaktieren.Polplatine 23, however, it is rotated by 90 ° mechanically, in order to contact the electrically energized pole P of the rotor laminated core 21 not yet contacted by the electronics-side pole plate 23.
Das kreisringförmige Rotorblechpaket 21 ist vorzugsweise in Achsrichtung laminiert. Das Rotorblechpaket 21 weißt in Achsrichtung verlaufende Nuten 32 an der Außenfläche auf, die die Rotorpole voneinander trennen. Weiterhin sind in dem Rotorblechpaket 21 vier axial ausgerichtete Fenster 35 vorgesehen, in denen zumindest ein polbildender, radial magnetisierter Permanentmagnet 25 einge- setzt wird. Weiterhin sind dort vier axial ausgerichtete Fenster 34 vorgesehen, in denen poltrennende, tangential magnetisierte Permanentmagnete 24 eingesetzt werden. Des Weiteren sind zwischen je einem Fenster 35 für einen radial mag- netisierten und einem Fenster 34 für einen tangential magnetisierten Permanentmagneten 24,25 weitere axial ausgerichtete Fenster 44 im Rotorblechpaket 21 ausgestanzt, in denen weichmagnetische Eisenkerne 43 eingesetzt werden.The annular rotor core 21 is preferably laminated in the axial direction. The rotor core 21 has axially extending grooves 32 on the outer surface, which separate the rotor poles from each other. Furthermore, four axially aligned windows 35 are provided in the rotor laminated core 21 in which at least one pole-forming, radially magnetized permanent magnet 25 is used. Furthermore, there are four axially aligned windows 34 are provided in which pole-separating, tangentially magnetized permanent magnets 24 are used. Furthermore, between each one window 35 for a radially magnetized and a window 34 for a tangentially magnetized permanent magnet 24, 25 further axially aligned windows 44 are punched out in the rotor core 21, in which soft magnetic iron cores 43 are inserted.
Die axialen Übertrittsflächen der Polplatinen 22,23 kontaktieren direkt die in den axialen Fenstern 44 des Rotorblechpaketes 21 eingesetzten Eisenkerne 43. Diese Eisenkerne 43 verbessern die Leitung des elektrisch erregten Feldes innerhalb der axial geschichteten Lamellen des Rotorblechpaketes 21 , wodurch die Leistungsabgabe verbessert werden kann. Die Eisenkerne 43 werden hierzu vorzugsweise von einem Federelement 45, das an einem der axialen Kontaktierfläche der Polplatine 22,23 gegenüberliegenden Ende des Rotorblechpaketes 21 liegt und eine axiale Kraft auf den Eisenkern 43 in Richtung Kontaktierfläche ausübt. Das Federelement 45 kann z.B. als Vorsprung in einer axialen Abschlusslamelle ausgeführt werden und entsprechend der gewünschten Federwir- kung vorgespannt werden. Hierdurch ergeben sich mindestens zwei unterschiedliche Konturen der Lamellen des Rotorblechpaketes 21. Es ist auch möglich die Federelemente 45 auch innerhalb eines Lüfters 30 oder Luftleitbleches anzubringen. Die Eisenkerne 43 müssen aufgrund der Federelemente 45 von beiden a- xialen Enden des Rotorblechpaketes 21 bestückt werden. Der Einsatz von Ei- senkernen ist bei allen beschriebenen Ausführungsformen vorstellbar. Die Feldübertragung erfolgt an jedem Flussleitbereich 39 in radialer Richtung und in axialer Richtung in das Rotorblechpaket 21 , bzw. in den Eisenkern 43.The axial transfer surfaces of the Polplatinen 22,23 contact directly in the These iron cores 43 improve the conduction of the electrically excited field within the axially laminated lamellae of the rotor lamination stack 21, whereby the power output can be improved. The iron cores 43 are for this purpose preferably by a spring element 45, which is located at one of the axial contacting surface of the pole plate 22,23 opposite end of the rotor core 21 and exerts an axial force on the iron core 43 in the direction of contacting. The spring element 45 can, for example, be designed as a projection in an axial end plate and be biased in accordance with the desired spring effect. This results in at least two different contours of the slats of the rotor core 21. It is also possible to mount the spring elements 45 also within a fan 30 or baffle. Due to the spring elements 45, the iron cores 43 must be equipped by both axial ends of the rotor core 21. The use of iron can be imagined in all described embodiments. The field transmission takes place at each flux guide region 39 in the radial direction and in the axial direction into the rotor laminated core 21, or into the iron core 43.
Das hier dargestellte Rotorblechpaket 21 weist insgesamt zwölf Pole auf, wobei vier der Pole durch Permanentmagnete 23 gebildet und acht Pole elektrisch erregt werden. Dadurch kann mittels der Erregerspule 29 von zwölf nach außen wirkenden Polen auf vier nach außen wirkende Pole umgeschaltet werden. Um die Leistungsfähigkeit des Systems zu steigern, sind an den Positionen des Rotorblechpakets 21 , an denen axial die Flussleitbereiche 39 unterschiedlicher Po- larität angrenzend gegenüberstehen, die poltrennenden Permanentmagnete 32 eingefügt. Die poltrennenden Permanentmagnete 24 weisen vorzugsweise einen rechteckförmigen Querschnitt auf. Die polbildenden Permanentmagnete 25 weisen vorzugsweise einen trapezförmigen Querschnitt auf. Die Übertrittstelle von den Polplatinen 22, 23 zum Rotorblechpaket 21 ist gestuft ausgeführt, sodass an den Schultern 39a sowohl eine axiale als auch eine radiale Übertrittsfläche für das elektrisch erregte Feld entsteht.The rotor laminated core 21 shown here has a total of twelve poles, wherein four of the poles formed by permanent magnets 23 and eight poles are electrically excited. This can be switched by means of the excitation coil 29 of twelve outwardly acting poles on four outward poles. In order to increase the efficiency of the system, the pole-separating permanent magnets 32 are inserted at the positions of the rotor lamination stack 21, on which the flux guide regions 39 of different polarity are located axially opposite each other. The pole-separating permanent magnets 24 preferably have a rectangular cross-section. The pole-forming permanent magnets 25 preferably have a trapezoidal cross-section. The transfer point from the pole plates 22, 23 to the rotor laminated core 21 is stepped, so that both axial and radial transfer surfaces for the electrically excited field are formed on the shoulders 39a.
In Figur 13a ist die am Umfang des Rotors 20 auftretende Polfolge dargestellt, die sich bei einem durch die Erregerspule 29 fließenden Erregerstrom Ie ergibt. Die vordere Polplatine 23 hat dabei die eingetragene Polarität eines Nordpols.In Figure 13a, the occurring at the periphery of the rotor 20 Pole sequence is shown, resulting in a current flowing through the exciter coil 29 excitation current Ie. The front pole plate 23 has the registered polarity of a north pole.
Zwischen den poltrennenden tangential magnetisierten Permanentmagneten 24 sind am Rotorumfang vier polbildende radial magnetisierte Permanentmagnete 25 angeordnet, die mit abwechselnder radialer Polarität mit dem von der Erregerspule 29 erzeugten Feld zusammenwirken. Dadurch ergeben sich bei Bestromung der Erregerspule mit einem Erregerstrom Ie am Rotorumfang zwölf Pole abwechselnder Polarität.Between the pole-separating tangentially magnetized permanent magnets 24 are arranged on the rotor circumference four pole-forming radially magnetized permanent magnets 25 which cooperate with alternating radial polarity with the field generated by the excitation coil 29. This results in energizing the exciter coil with an excitation current Ie on the rotor circumference twelve poles of alternating polarity.
Die Figur13b zeigt den Zustand, wenn die Stromrichtung in der Erregerspule umgekehrt wird. Hierdurch lässt sich die Polzahl des Rotors 20 umsteuern, in dem durch die Umkehrung des in Figur13a erkennbaren elektrisch erregten Feldes Φe der Erregerspule 29 die Polarität der Polplatinen 22,23 und damit der elektrisch ausgebildeten Pole am Rotorumfang wechselt, was in Figur 13b durch die in Klammern dargestellte Polarität verdeutlicht wird. Daraus ergibt sich nunmehr am Rotorumfang eine vierpolige Anordnung mit abwechselnder symmetrischer Polarität. Die in Figur 13b eingezeichneten magnetischen Felder Φm der polbil- denden Permanentmagnete 25 schließen sich über die Polplatinen, bzw. über den Polkern. Die in Figur 13a eingezeichneten magnetischen Felder Φm der polbildenden Permanentmagnete 25 schließen sich rotorseitig innerhalb des Rotorblechpaket-Segmentes, bestehend aus dem jeweiligen magnetisch erregten Pol und den beiden benachbarten elektrisch erregten Polen.Fig. 13b shows the state when the current direction in the exciting coil is reversed. In this way, the number of poles of the rotor 20 can be reversed, in which the polarity of the Polplatinen 22,23 and thus the electrically formed poles on the rotor circumference changes by reversing the detectable in Figure 13a electrically excited field Φ e of the excitation coil 29, which in Figure 13b by the in brackets illustrated polarity is clarified. This results now in the rotor circumference a four-pole arrangement with alternating symmetrical polarity. The magnetic fields Φm of the poleleting permanent magnets 25 drawn in FIG. 13b close over the pole plates, or over the pole core. The magnetic fields Φm of the pole-forming permanent magnets 25 drawn in FIG. 13a close on the rotor side within the rotor laminated core segment, comprising the respective magnetically excited pole and the two adjacent electrically excited poles.
Die Figur 13c zeigt in schematischer Darstellung die Abwicklung des Rotors aus Figur 12 mit der elektrischen Umsteuerung von 12 auf 4 Pole. Die Abwicklung erstreckt sich dabei nur über etwas mehr als 3 Polpaare, da sich die Polfolge danach über den restlichen Rotorumfang wiederholt. Die radiale Erstreckung der Teile ist durch den Pfeil R und der Umfang durch den Pfeil U dargestellt. Im oberen Teil der Darstellung ist die hintere Polplatine 22, darunter ist das Rotorblechpaket 21 und darunter die vordere Polplatine 23 dargestellt. Bei der höheren Polzahl haben die Polplatinen und die Pole am Umfang des Rotorblechpaketes 21 die jeweils dort eingetragenen Polaritäten, wogegen die in Klammern eingetrage- nen Polaritäten durch die elektrische Umsteuerung auf die kleinere Polzahl auftreten. Man erkennt dabei, dass zunächst die Polarität an den benachbarten Polen des Rotorblechpaketes 21 über den Umfang gesehen stets wechselt, sodass sich gemäß Figur 13a zwölf Pole ergeben. Durch die elektrische Polumsteuerung wechseln sich nun jeweils drei benachbarte Südpole mit drei Nordpolen ab, so- dass sich gemäß Figur 13b 4 Pole ergeben. In Figur 13c ist eine erste über dem Rotorumfang sich wiederholende Grundform der Pole erkennbar. Sie beginnt mit einem poltennenden Permanentmagneten 24, gefolgt von einem elektrisch erregten Nordpol und einem magnetisch erregten Südpol, an dem sich dann spiegelbildlich und mit entgegengesetzter Polarität ein poltennender Permanentmagnet 24, ein elektrisch erregter Südpol, ein magnetisch erregter Nordpol und ein elektrisch erregter Südpol anschließt. Dementsprechend sind auch die Flussleitbereiche 39 der Polplatinen 22,23 mit einer sich wiederholenden Grundform ausgebildet, wonach die elektrisch erregten Nordpole mit den Eisenkernen 43 von den längeren Flussleitabschnitten 39e der hinteren Polplatine 22 stirnseitig kontaktiert sind. Die Stirnseiten des RotorblechpaketesFIG. 13c shows a schematic representation of the development of the rotor from FIG. 12 with the electrical reversal from 12 to 4 poles. The development extends only over a little more than 3 pole pairs, since the pole sequence then repeats over the remaining rotor circumference. The radial extent of the parts is represented by the arrow R and the circumference by the arrow U. In the upper part of the illustration, the rear pole plate 22, including the rotor laminated core 21 and below the front pole plate 23 is shown. In the case of the higher number of poles, the pole plates and the poles on the circumference of the rotor laminated core 21 have the respectively entered polarities, whereas the polarities recorded in brackets occur due to the electrical reversal to the smaller number of poles. It can be seen that initially the polarity at the adjacent poles of the laminated rotor core 21 always changes over the circumference, resulting in twelve poles according to FIG. 13a. By means of the electric pole control, three adjacent south poles now alternate with three north poles, so that four poles result according to FIG. 13b. FIG. 13c shows a first basic shape of the poles which is repeated over the circumference of the rotor. It begins with a poltennenden permanent magnet 24, followed by an electrically excited north pole and a magnetically excited south pole, which then followed by a mirror image and opposite polarity poltennender permanent magnet 24, an electrically excited south pole, a magnetically excited north pole and an electrically excited south pole. Accordingly, the flux-conducting regions 39 of the pole plates 22, 23 are also formed with a repeating basic shape, after which the electrically excited north poles with the iron cores 43 are contacted by the longer flux-conducting sections 39e of the rear pole plate 22 on the front side. The front sides of the rotor core
21 radial unterhalb des magnetisch erregten Südpols sind außerdem im Bedarfsfall, wie gestrichelt angedeutet, von einem dazwischen liegenden kürzeren Fluss- leitabschnitt 39m kontaktiert. In gleicher weise sind die Flussleitabschnitte 39e und 39m der vorderen Polplatine 23 ausgebildet. Die beiden Polplatinen 22, 23 sind dabei mit ihren Flussleitbereichen 39 um jeweils 3 Pole gegeneinander versetzt.21 radially below the magnetically excited south pole are also in case of need, as indicated by dashed lines, contacted by an intermediate shorter flux conducting section 39m. Similarly, the flux guide portions 39e and 39m of the front pole plate 23 are formed. The two Polplatinen 22, 23 are offset with their Flußleitbereichen 39 by 3 poles each against each other.
Mit den Figuren 14 bis 20 werden weitere Alternativlösungen des erfindungsgemäß ausgebildeten Rotors 20 in der schematisch Darstellung gemäß Figur 13c erörtert. Dabei erfolgt auch dort die Abwicklung des Rotors nur über einen Teil des Umfanges mit einer Polfolge, die sich danach über den restlichen Rotorumfang in ihrer Grundform wiederholt. Durch eine entsprechende Wiederholung der Grundform in der Anordnung der elektrisch und permanentmagnetisch erregten Pole am Rotorumfang lassen sich Maschinen mit größeren oder kleineren PoI- paarzahlen des Rotors 20 darstellen.FIGS. 14 to 20 discuss further alternative solutions of the rotor 20 designed according to the invention in the schematic representation according to FIG. 13c. Here too, the unwinding of the rotor takes place only over part of the circumference with a pole sequence which then repeats itself in its basic form over the remaining rotor circumference. By a corresponding repetition of the basic form in the arrangement of the electrically and permanently magnetically excited poles on the rotor circumference can be machines with larger or smaller PoI- numbers of the rotor 20 represent.
In Figur 14 ist ein von 12 auf 6 Pole umsteuerbarer Rotor 20 nach der Ausführung aus Figur 10 und 1 1 dargestellt mit der Abänderung der Polplatinen 22, 23 in der Weise, dass hier die kürzeren Flussleitabschnitte 39m weggelassen wur- den. Hier sind folglich nur die Flussleitabschnitte 39e an den Polplatinen 22, 23 stehen geblieben. Die Grundform in der Anordnung der elektrisch und permanentmagnetisch erregten Pole am Rotorumfang besteht hier aus 4 Polen. Sie beginnt mit einem poltennenden Permanentmagneten 24, gefolgt von einem e- lektrisch erregten Nordpol, einem magnetisch erregten Südpol und einem elekt- risch erregten Nordpol, an den sich ein poltennender Permanentmagnet 24 und ein elektrisch erregter Südpol anschließt. In Figur 15 ist ein von 12 auf 6 Pole umsteuerbarer Rotor 20 mit einer aus vier Polen bestehenden Grundform dargestellt. Sie beginnt mit einem poltennenden Permanentmagneten 24, gefolgt von einem elektrisch erregten Nordpol und ei- nem magnetisch erregten Südpol, an den sich dann spiegelbildlich und mit entgegengesetzter Polarität ein poltennender Permanentmagnet 24 und ein elektrisch erregter Südpol anschließt. Dementsprechend sind auch die Flussleitberei- che 39 der Polplatinen 22,23 mit einer sich wiederholenden Grundform ausgebildet, wonach die elektrisch erregten Nordpole stirnseitig von einem längeren Flussleitabschnitten 39e der hinteren Polplatine 22 und das Rotorblechpaket 21 radial unterhalb des magnetisch erregten Südpols von einem benachbarten kürzeren Flussleitabschnitt 39m stirnseitig kontaktiert sind. In gleicher weise sind die Flussleitabschnitte 39e und 39m der vorderen Polplatine 23 ausgebildet und mit dem Rotorblechpaket 21 kontaktiert. Die beiden Polplatinen 22, 23 sind dabei mit ihren Flussleitbereichen 39 um jeweils 2 Pole gegeneinander versetzt.FIG. 14 shows a rotor 20 which can be reversed from 12 to 6 poles according to the embodiment from FIGS. 10 and 11 with the modification of the pole plates 22, 23 in such a way that the shorter flux conducting sections 39m have been omitted here. Consequently, only the flux-conducting sections 39e on the pole plates 22, 23 have stopped here. The basic form in the arrangement of the electrically and permanently magnetically excited poles on the rotor circumference here consists of 4 poles. It starts with a pole-bearing permanent magnet 24, followed by an electrically excited north pole, a magnetically excited south pole and an electrically excited north pole, which is followed by a poltennender permanent magnet 24 and an electrically excited south pole. FIG. 15 shows a rotor 20 which can be reversed from 12 to 6 poles and has a basic shape consisting of four poles. It begins with a pole-bearing permanent magnet 24, followed by an electrically excited north pole and a magnetically excited south pole, which is then followed by a polarizing permanent magnet 24 and an electrically excited south pole in mirror image and opposite polarity. Accordingly, the flux-conducting regions 39 of the pole plates 22, 23 are also formed with a repeating basic shape, whereupon the electrically excited north poles are at the front by a longer Flußleitabschnitten 39e of the rear Polplatine 22 and the rotor core 21 radially below the magnetically excited south pole of an adjacent shorter Flußleitabschnitt 39m are contacted frontally. In the same way, the flux-conducting sections 39e and 39m of the front pole plate 23 are formed and contacted with the rotor lamination packet 21. The two Polplatinen 22, 23 are offset with their Flußleitbereichen 39 by 2 poles each against each other.
In Figur 16 ist ein von 12 auf 4 Pole umsteuerbarer Rotor 20 gemäß Figur 13c dargestellt, bei dem lediglich die im Rotorblechpaket 21 eingesetzten Eisenkerne 43 weggelassen sind. Der Rotor hat eine aus sechs Polen bestehenden Grund- form. Sie beginnt mit einem poltennenden Permanentmagneten 24, gefolgt von einem elektrisch erregten Nordpol, einem magnetisch erregten Südpol und einem elektrisch erregten Nordpol, an dem sich dann spiegelbildlich und mit entgegengesetzter Polarität ein poltennender Permanentmagnet 24, ein elektrisch erregter Südpol, ein magnetisch erregter Nordpol und ein elektrisch erregter Südpol anschließt. Gegenüber der Ausführung nach Figur 15 haben hier dieFIG. 16 shows a rotor 20 which can be reversed from 12 to 4 poles according to FIG. 13 c, in which only the iron cores 43 inserted in the rotor core 21 are omitted. The rotor has a basic shape consisting of six poles. It begins with a pole-bearing permanent magnet 24, followed by an electrically excited north pole, a magnetically excited south pole and an electrically excited north pole, which is then mirrored and of opposite polarity by a pole-moving permanent magnet 24 , an electrically excited south pole, a magnetically excited north pole and an electrically excited south pole. Compared to the embodiment of Figure 15 have here
Flussleitbereiche 39 der beiden Polplatinen 22, 23 neben dem verkürzten Flussleitabschnitt 39m aus Figur 15 noch einen zweiten, längeren Flussleitabschnitt 39e für den jeweils zusätzlichen elektrisch erregten Pol der Grundform.Flussleitbereiche 39 of the two Polplatinen 22, 23 in addition to the shortened Flußleitabschnitt 39m of Figure 15 nor a second, longer Flußleitabschnitt 39e for each additional electrically excited pole of the basic shape.
In Figur 17 ist ein von 16 auf 4 Pole umsteuerbarer Rotor 20 mit einer aus achtIn FIG. 17, a rotor 20 that can be reversed from 16 to 4 poles is one with eight
Polen bestehenden Grundform dargestellt. Sie beginnt mit einem poltennenden Permanentmagneten 24, gefolgt von einem elektrisch erregten Südpol, einem magnetisch erregten Nordpol, einem elektrisch erregten Südpol und einem magnetisch erregten Nordpol, an dem sich dann spiegelbildlich und mit entgegenge- setzter Polarität ein poltennender Permanentmagnet 24, ein magnetisch erregterPoland existing basic form shown. It begins with a pole-bearing permanent magnet 24, followed by an electrically excited south pole, a magnetically excited north pole, an electrically excited south pole and a magnetically excited north pole, which is then mirrored and with opposite polarity a poltennender permanent magnet 24, a magnetically excited
Südpol, ein elektrisch erregter Nordpol, ein magnetisch erregter Südpol und ein elektrisch erregter Nordpol anschließt. Dementsprechend sind auch die Flussleit- bereiche 39 der Polplatinen 22,23 mit einer sich wiederholenden Grundform ausgebildet. Gegenüber der Ausführung nach Figur 16 haben hier die Flussleitberei- che 39 der beiden Polplatinen 22, 23 neben dem zweiten längeren Flussleitab- schnitt 39e zusätzlich noch einen verkürzten Flussleitabschnitt 39m für den jeweils zusätzlichen magnetisch erregten Pol der Grundform.South Pole, an electrically excited North Pole, a magnetically excited South Pole and a electrically excited north pole connects. Accordingly, the flux-conducting regions 39 of the pole plates 22, 23 are also formed with a repeating basic shape. In contrast to the embodiment according to FIG. 16, the flux-conducting regions 39 of the two pole-plates 22, 23 have, in addition to the second longer flux-conducting section 39e, additionally a shortened flux-conducting section 39m for the respective additional magnetically excited pole of the basic shape.
In Figur 18 ist ein von 12 auf 2 Pole umsteuerbarer Rotor 20 mit einer aus zwölf Polen bestehenden Grundform dargestellt. Sie beginnt mit einem poltennenden Permanentmagneten 24, gefolgt von einem elektrisch erregten Nordpol, einem magnetisch erregten Südpol, einem elektrisch erregten Nordpol, einem magnetisch erregten Südpol, einem elektrisch erregten Nordpol und einem magnetisch erregten Südpol, an dem sich dann spiegelbildlich und mit entgegengesetzter Polarität ein poltennender Permanentmagnet 24, ein magnetisch erregter Nord- pol, ein elektrisch erregter Südpol usw. anschließt. Dementsprechend sind auch die Flussleitbereiche 39 der Polplatinen 22,23 mit einer Grundform ausgebildet. Gegenüber der Ausführung nach Figur 17 haben hier die Flussleitbereiche 39 der beiden Polplatinen 22, 23 neben dem zweiten, kürzeren Flussleitabschnitt 39m zusätzlich noch einen weiteren längeren und kürzeren Flussleitabschnitt 39e und 39m für den jeweils zusätzlichen magnetisch und elektrisch erregten Pol derFIG. 18 shows a rotor 20 which can be reversed from 12 to 2 poles and has a basic shape consisting of twelve poles. It starts with a poltennenden permanent magnet 24, followed by an electrically excited north pole, a magnetically excited south pole, an electrically excited north pole, a magnetically excited south pole, an electrically excited north pole and a magnetically excited south pole, at which then a mirror image and with opposite polarity Poltennender permanent magnet 24, a magnetically excited north pole, an electrically excited south pole, etc. connects. Accordingly, the flux guide regions 39 of the pole plates 22, 23 are also formed with a basic shape. Compared with the embodiment according to FIG. 17, the flux-conducting regions 39 of the two pole-plates 22, 23 have, in addition to the second, shorter flux-conducting section 39m, a further longer and shorter flux-conducting section 39e and 39m for the respective additional magnetically and electrically excited pole
Grundform.Basic form.
In Figur 19 ist ein von 14 auf 2 Pole umsteuerbarer Rotor 20 dargestellt, bei dem sich im Vergleich zur Ausführung nach Figur 17 statt drei nunmehr vier elektrisch erregte Nordpole mit drei permanentmagnetisch erregten Südpolen abwechseln.FIG. 19 shows a rotor 20 that can be reversed from 14 to 2 poles, in which, in comparison to the embodiment according to FIG. 17, instead of three now four electrically excited north poles alternate with three permanent magnetically excited south poles.
Ferner sind damit die poltrennenden Permanentmagnete 24 zwischen zwei benachbarte elektrisch erregte Pole unterschiedlicher Polarität angeordnet und nicht wie in Figur 17 zwischen zwei benachbarten permanentmagnetischen Polen. Dementsprechend sind im Bereich zwischen zwei poltrennenden Perma- nentmagneten 24 an dem Flussleitbereich 39 der Polplatine 22 drei Flussleitab- schnitte 39m zwischen vier längeren Flussleitabschnitten 39e angeordnet. Der Flussleitbereich 39 der vorderen Polplatine 23 ist in gleicher weise ausgebildet, jedoch dazu um eine entsprechende Polfolge mit entgegengesetzter Polarität versetzt. In Figur 20 ist ein von 16 auf 2 Pole umsteuerbarer Rotor 20 mit einer aus 16 Polen bestehenden Grundform dargestellt, bei dem sich im Vergleich zur Ausführung nach Figur 19 statt drei nunmehr vier magnetisch erregte Südpole mit vier elektrisch erregten Nordpolen abwechseln. Ferner sind damit die poltrennenden Permanentmagnete 24 zwischen zwei benachbarten magnetisch erregten Polen unterschiedlicher Polarität angeordnet und nicht wie in Figur 17 zwischen zwei benachbarten elektrisch erregten Polen. Dementsprechend sind im Bereich zwischen zwei poltrennenden Permanentmagneten 24 an dem Flussleitbereich 39 der Polplatine 22 vier kürzere Flussleitabschnitte 39m neben vier längeren Fluss- leitabschnitten 39e angeordnet. Der Flussleitbereich 39 der vorderen PolplatineFurthermore, the pole-separating permanent magnets 24 are thus arranged between two adjacent electrically excited poles of different polarity and not, as in FIG. 17, between two adjacent permanent-magnetic poles. Accordingly, in the region between two pole-separating permanent magnets 24 on the flux-conducting region 39 of the pole plate 22, three flux-conducting sections 39m are arranged between four longer flux-conducting sections 39e. The Flußleitbereich 39 of the front pole plate 23 is formed in the same way, but added to a corresponding pole sequence with opposite polarity. FIG. 20 shows a rotor 20 which can be reversed from 16 to 2 poles and has a basic form consisting of 16 poles, in which, instead of three, four magnetically excited south poles alternate with four electrically excited north poles in comparison with the embodiment of FIG. Furthermore, the pole-separating permanent magnets 24 are thus arranged between two adjacent magnetically excited poles of different polarity and not, as in FIG. 17, between two adjacent electrically excited poles. Correspondingly, in the area between two pole-separating permanent magnets 24 at the flux-conducting region 39 of the pole plate 22, four shorter flux-conducting sections 39 m are arranged next to four longer flux-conducting sections 39 e. The flux guide region 39 of the front pole plate
23 ist spiegelbildlich in gleicher Weise ausgebildet, jedoch dazu um eine entsprechende Polfolge versetzt.23 is a mirror image formed in the same way, but added to a corresponding pole sequence.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. So können bei den Polplatinen ggf. die kürzeren Flussleitabschnitte 39m gemäß Figur 14 und 16 entfallen. Des Weiteren können die Polplatinen 22, 23 bei allen Ausführungsbeispielen an den Flussleitbereichen 39 auch mit einer Schulter 39a versehen werden, die dann jeweils an der Innenseite des Rotorblechpaketes 21 anliegt. Aus den Figuren 15 bis 17 sowie 18 bis 20 ist ferner erkennbar, dass ü- ber den Umfang des Rotorblechpaketes 20 sich die Abstände von einem poltrennenden Permanentmagneten 24 zum nächsten jeweils um einen Pol vergrößern und die Flussleitbereiche 39 der beiden Polplatinen 22,23 dementsprechend um eine Polbreite zunehmen. Folglich sind die poltrennenden Permanentmagnete 24 entweder zwischen zwei elektrisch oder zwischen zwei magnetisch erregten Po- len angeordnet. Diese Systematik gilt generell, dass heißt auch für die nicht dargestellte Anordnung von fünf Polen zwischen zwei poltrennenden Permanentmagneten 24. Ferner kann prinzipiel die Erregerspule 29 im Bedarfsfall auch in mehrere Spulen aufgeteilt werden. The invention is not limited to the illustrated embodiments. For example, the shorter flux conducting sections 39m according to FIGS. 14 and 16 may be dispensed with in the pole plates. Furthermore, in all exemplary embodiments, the pole plates 22, 23 can also be provided on the flux-conducting regions 39 with a shoulder 39a, which then bears against the inside of the rotor laminated core 21 in each case. It can also be seen from FIGS. 15 to 17 and 18 to 20 that the distances from one pole-separating permanent magnet 24 to the next in each case increase by one pole over the circumference of the rotor laminated core 20, and the flux-conducting regions 39 of the two pole-plates 22, 23 accordingly increase a pole width. Consequently, the pole-separating permanent magnets 24 are arranged either between two electrically or between two magnetically excited poles. This system is generally, that means also for the arrangement, not shown, of five poles between two pole-separating permanent magnet 24. Furthermore, in principle, the excitation coil 29 can be divided into several coils if necessary.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 09756290 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 09756290 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |