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WO2011104265A2 - Electric machine comprising a rotor device and rotor device with an optimised magnetic flux and method for operating said electric machine - Google Patents

Electric machine comprising a rotor device and rotor device with an optimised magnetic flux and method for operating said electric machine Download PDF

Info

Publication number
WO2011104265A2
WO2011104265A2 PCT/EP2011/052661 EP2011052661W WO2011104265A2 WO 2011104265 A2 WO2011104265 A2 WO 2011104265A2 EP 2011052661 W EP2011052661 W EP 2011052661W WO 2011104265 A2 WO2011104265 A2 WO 2011104265A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
rotor
magnetic flux
recesses
magnet
recess
Prior art date
Application number
PCT/EP2011/052661
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
WO2011104265A3 (en
Inventor
Juergen Fridrich
Julien Roger
Kurt Reutlinger
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2011104265A2 publication Critical patent/WO2011104265A2/en
Publication of WO2011104265A3 publication Critical patent/WO2011104265A3/en

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/02Details
    • H02K21/04Windings on magnets for additional excitation ; Windings and magnets for additional excitation
    • H02K21/042Windings on magnets for additional excitation ; Windings and magnets for additional excitation with permanent magnets and field winding both rotating
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2706Inner rotors
    • H02K1/272Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/274Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2753Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
    • H02K1/276Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM]
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2213/00Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/03Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information

Definitions

  • Electric machine with rotor device and rotor device with optimized magnetic flux and method for operating the electric machine
  • the invention relates to a rotor device, in particular a rotor plate, for a generator of a motor vehicle, in particular for a claw pole generator, according to the preamble of claim 1.
  • the invention relates to an electrical machine according to the preamble of claim 5.
  • the invention relates to a method for operating an electric machine according to the preamble of claim 8.
  • the invention relates to an electrical machine, such as a motor vehicle generator, for converting mechanical energy into electrical energy with a rotor having a rotor device, and a method for operating a motor vehicle generator according to the preamble of the independent claims.
  • the present invention relates to electrical machines such as motor vehicle generators, in particular motor vehicle generators such as AC generators with rectifiers for DC voltage supply of vehicle electrical systems.
  • alternators for motor vehicles are known.
  • Such alternators are usually designed as Klauenpolgeneratoren.
  • a field winding in the rotor is cylindrical around a core.
  • the rotor includes two, among others Claw pole, on whose outer circumference in each case extending in the axial direction Klauenpolfinger are arranged.
  • Both claw-pole plates are arranged around the rotor such that their claw-pole fingers extending in the axial direction alternate at the periphery of the rotor as north and south poles.
  • the rotors comprise rotor devices, which are designed, for example, as rotor laminations. Such rotor laminations comprise magnet pockets for accommodating permanent magnets. In addition, the rotor plate is designed to conduct a magnetic flux. Such rotor laminations are known from the prior art.
  • rotor laminations which have recesses.
  • the recesses are configured to receive fasteners to interconnect a plurality of rotor laminations into a package.
  • further recesses are formed near the rotor shaft.
  • DE 10 207 025 971 A1 also discloses electrical machines which operate as a hybrid-excited machine.
  • the hybrid-excited machine is controlled by the excitation current in the rotor winding.
  • the stator winding is designed for a higher number of poles. If an exciting current is fed, resulting in a number of poles that coincides with the stator winding, a strong voltage in the stator winding of the machine is induced and the machine can feed a power to the electrical system. If, on the other hand, the exciter current is reversed in its direction, the smaller number of poles is produced in the rotor, which in the stator winding leads to no voltage being induced and the machine outputting no power.
  • the electric machine according to the invention with the rotor device according to the invention and the inventive method for operating the electric machine with the features of the corresponding main claim or the corresponding independent claim have the advantage over the prior art that the rotor plate is adapted to the magnetic flux guide within the rotor.
  • suitable recesses of the magnetic flux at a smaller number of poles that is at a Abregulation of the generator limited.
  • the recesses in the rotor save material and weight. In this way, the total weight of the rotor is reduced.
  • the recesses serving as magnetic flux limiting means are arranged in a main flux of a magnetic flux through the rotor.
  • the main flow takes place between the magnet pockets, more precisely between the permanent magnets. Wherein the flow passes through the rotor sheet material in an area around the pockets.
  • Recesses reduce the area through which the magnetic flux passes, so that a limitation by the material recess and the associated cross-sectional constriction is realized.
  • Rotor shaft recess is arranged.
  • the electrically generated magnetic flux extends around the magnetic pockets and thus also between the magnetic pockets and a centric rotor shaft recess.
  • the recess is formed closer to the magnet pocket, since a greater influence on the magnetic flux of the permanent magnets is effected here.
  • the main magnetic flux is near the magnet pocket.
  • the formation of the recesses is to pay attention to a sufficient cross section, the one sufficient magnetic flux allows.
  • a sufficient distance between magnet pocket and recess for reasons of strength to ensure.
  • the excitation current acts field-amplifying in the permanent magnet. This directly affects the overall flow in the rotor device.
  • the recess is designed in this case to counteract the rise of the magnetic field.
  • a distance between the recess and the magnet pocket is less than or equal to a width of the magnet pocket. It has been found that this distance ensures optimum magnetic flux limitation with sufficient strength.
  • the radial distance range has been determined by means of complex finite element calculation. In particular, an advantageous distance range is about 50% to 30% of the pocket width. At the ends of the recess, the distance between the recess and the magnet pocket is less than about 30% of the width of the magnet pocket.
  • a width of the recess is smaller than or equal to the width of the magnet pocket. Also, this width has been found to be optimal with respect to a magnetic flux with sufficient strength of the rotor blade by means of finite element methods.
  • a plurality of recesses are provided in preferred embodiments.
  • the recesses are the same in further embodiments.
  • the recesses are formed differently shaped.
  • the recesses are formed adjacent to rotor grooves different from the recesses under the centrally seated magnet.
  • the rotor comprises at least one rotor device according to the invention described above.
  • a plurality of rotor devices are provided.
  • a magnetic flux between the permanent magnets to have a maximum magnetic flux through a material taper in the region of the magnetic flux is limited.
  • the material taper is realized by means of recesses. Recesses are formed as depressions or as passage openings.
  • FIG. 2 schematically shows a circuit diagram of a bridge circuit of a 5-phase stator in a configuration as a five-pointed star
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a rotor device designed as a rotor plate with recesses in a first embodiment
  • FIG. 4 shows schematically the rotor plate according to FIG. 3 with a reference stress drawn in at a load of approximately 20,000 revolutions per minute, FIG.
  • FIG. 5 schematically shows a rotor plate designed as a rotor device with recesses in a second embodiment with marked magnetic flux image at full load and positive excitation current
  • FIG. 6 shows schematically the tube sheet according to FIG. 5 with a drawn magnetic flux diagram at full load and negative exciter current
  • FIG. 7 shows schematically a further embodiment of a rotor device designed as a rotor plate
  • FIG. 8 schematically shows the rotor plate according to FIG. 7 with magnetic flux drawn in at full excitation with 5 A
  • FIG. Fig. 9 shows schematically the rotor plate of Fig. 7 with marked magnetic flux at a counter-excitation with -5 A and
  • Fig. 10 shows schematically the rotor plate of FIG. 7 with marked reference voltages at a load of about 20,000 revolutions per minute.
  • Fig. 1 is a section through an alternator 10 for motor vehicles is shown.
  • This has inter alia a two-part housing 13.
  • This consists of a first bearing plate 13.1 and a second bearing plate 13.2.
  • the bearing plate 13.1 and the bearing plate 13.2 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 surrounds with its radially inwardly facing surface electromagnetically excited rotor 20, which is designed as a hybrid-excited rotor.
  • the 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 a plurality of north poles N and south poles S, which are formed by pollagende permanent magnets 24, 25, as well as by the exciter winding 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 field winding 29.
  • the rotor 20 is constructed from a magnetically conductive body which can be formed as a laminated core with a plurality of rotor devices 1 designed as a rotor plate.
  • the rotor core 21 is preferably laminated in the axial direction with a plate thickness between 0.1 mm and 2.0 mm. Below 0.1 mm, the resistance of the laminated core 21 against
  • the axial length of the rotor laminated core 21 preferably corresponds to the axial length of the annular stator lamination 17, or is for a tolerance compensation up to 2 mm longer or shorter than the annular stator lamination 17.
  • the laminated core 21 is preferably held together by welds. It can also welds and rivets, or knobs be used.
  • the excitation winding 29 is in this case designed as a diameter coil and is located in recessed grooves 40 which are punched out of the laminated core 21.
  • the excitation winding 29 may, for. B. as a flyer wrap (double flyer) are wrapped directly into the rotor core 21 lamination. Furthermore, areas 41 are recessed in the rotor laminated core, in which permanent magnets 24, 25 can be used. According to the invention, the magnets 24, 25 are inserted into stamped (magnetic) pockets 41 in the rotor laminated core 21. This makes it possible to absorb the centrifugal forces by the geometric shape of the pockets 41 and thereby ensure a secure hold of the magnets 24, 25 on the rotor 20. As a magnetic material, a material with a remanence of greater than 1 T proves to be particularly advantageous. These magnetic properties in particular have permanent magnets 24, 25 of rare earths.
  • the magnets 24, 25 are in this case installed in the rotor 20 such that they generate a substantially radial field. This field then passes from the rotor 20 through the air gap in the stator core and thus forms upon rotation of the rotor 20, a voltage induction in the windings of the rotor 20th
  • the rotor 20 is rotatably supported in the respective end shields 13.1 and 13.2, respectively, by means of a (rotor) 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 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 13.1 and 13.2. For this purpose, the openings 48 are provided at the axial ends of the bearing plates 13.1 and 13.2, via which 30 cooling air is sucked into the interior of the electric machine 10 by means of the fan.
  • 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.
  • Minus heat sink acts the bearing plate 13.2. between the bearing plate 13.2 and the heat sink 53, a connection plate 56 is arranged, which in the bearing plate 13.2 attached minus diodes 58 and not shown in this illustration plus diodes 59 in the heat sink 53 in the form of a bridge circuit 69 interconnects.
  • FIG. 2 shows an AC generator 10 with five phase-forming winding phases 70, 71, 72, 73, 74 on the basis of a circuit diagram.
  • the totality of all winding strands 70, 71, 72, 73, 74 forms the stator or stator winding 18.
  • the five phase-forming winding strands 70, 71, 72, 73, 74 are connected to a basic circuit as a five-pointed star (Drudenfuß), wherein each in the strands of the star interconnected strands enclose an angle of about 36 ° el.
  • 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 Verschaltungsains are preferably axially on or adjacent to the electronics side winding 51 to realize the shortest possible Verschaltungswege.
  • connection point 80, 81, 82, 83, 84 which are to be interconnected, 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.
  • a voltage regulator 66 is connected in parallel, which regulates the voltage of the generator by influencing the current through the exciter winding 29.
  • the voltage regulator may additionally have a connection to the rectifier in order to measure the voltage drop across a diode and to determine therefrom the current rotational speed of the generator.
  • the electrical system is shown schematically by the vehicle battery 61 and by vehicle consumers 62. It is also possible for better control, the excitation winding 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 winding 29 and negative excitation currents. This gives advantages in Reference to the nurseabregelungs the generator, or in relation to the control speed, as well as for fast de-energizing negative voltages to the exciter winding 29 can be applied. Of course, other phase numbers and Verschaltungsart can be displayed in a known manner. Particularly noteworthy are three-phase systems in star or delta connection.
  • Fig. 3 shows schematically a rotor formed as a rotor plate 1 for a laminated core 21 with grooves 40 for the field winding according to FIG. 1 and recesses 2 in a first embodiment.
  • the rotor plate is formed as a circular disc which is formed like a tab at its peripheral edge.
  • Magnetic pockets 41 for receiving the permanent magnets 24, 25 shown in FIG. 1 are formed in the tab-like areas.
  • 14 tab-like areas are formed, wherein six magnetic pockets 41 are provided.
  • recesses 2 for limiting a main magnetic flux between the permanent magnets 24, 25 shown in FIG. 1 are formed underneath the magnetic pockets 41.
  • the two central recesses 2a in the 12 o'clock position and 6 o'clock position are trapezoidal in shape.
  • the four other recesses 2b on the left side and the right side to the trapezoidal recesses 2a are slit-like formed as a slot.
  • the recesses 2 are designed and arranged such that the magnetic flux through the permanent magnets 24, 25 is limited to a maximum value.
  • the flux guiding area under the magnetic pockets 41 is restricted by the recesses 2 so that the magnetic flux through the narrowed
  • the recesses 2a, 2b have, as described above, different geometries. This is necessary in the embodiment for reasons of strength and flow control. For this reason, the recesses 2 among the magnet pockets 41 adjacent to the tube grooves 40 are different in size from the recesses 2 among the centrally seated magnets at 6 o'clock and 12 o'clock positions, respectively.
  • FIG. 4 schematically shows the rotor plate according to FIG. 3 with a reference stress drawn in at a load of approximately 20,000 revolutions per minute.
  • the comparison voltage is indicated by the different hatching, wherein discrete reference voltage ranges are shown.
  • the recesses 2 have no significant influence on the strength of the rotor sheet at maximum load. Because the comparison stresses in the area around the recesses, which are shown here as a grid-like hatching, are essentially in a common reference voltage range.
  • the comparison stress regions around the recesses 40, in particular on the end regions of the recesses 40 arranged inside the rotor lamination, are substantially unchanged with respect to a rotor lamination without recesses 2.
  • the maximum load values that is, the maximum reference voltages thus occur at the approximately triangular recesses 40 for the coils in the 3 o'clock and 9 o'clock positions, namely at the two corner regions arranged adjacent to the rotor shaft recesses 5.
  • FIG. 5 schematically shows a rotor device 1 designed as a rotor plate with recesses 2 in a second embodiment with a drawn magnetic flux diagram at full load and positive exciter current.
  • the strains due to the magnetic flux are indicated by corresponding hatching subdivided into magnetic flux areas.
  • the recesses 2 are formed as circular passage openings.
  • the representation of the rotor device 1 according to FIG. 5 is shown rotated in relation to the illustration according to FIGS. 3 and 4 by 90 °. These are arranged in a region in which a minimal magnetic flux flows without the recesses 2. By the recess 2 thus the magnetic flux is hardly affected at full excitation.
  • Fig. 6 shows schematically the rotor plate of Fig. 5 with marked magnetic flux image at negative excitation current.
  • the strains caused by the magnetic flux are here also identified and, analogously to FIG. 5, subdivided into magnetic flux regions by corresponding hatching. Same hatching area are hatched the same.
  • Opposite a rotor plate without recesses 2 here is the
  • Magnetic flux between the magnet pocket 41 and the recess 2 is reduced, so that here an effective limitation of the magnetic flux is effected.
  • FIG. 7 shows schematically a further embodiment of a rotor device 1 designed as a rotor plate similar to FIGS. 3 and 4 in a rotation through 90 °
  • the recesses 2 are formed here as slots or slots.
  • the central recesses 2a are slightly larger than the laterally adjacent oblong holes 2b. With this embodiment, the magnetic flux image shown in Fig. 8 results.
  • Fig. 8 shows schematically the rotor plate of Fig. 7 with marked magnetic flux at a full excitation of 5 A. At full excitation with 5A results in no magnetic flux limit at the end portions of the recesses 2.
  • the magnetic flux is not limited.
  • Fig. 9 shows schematically the rotor plate of FIG. 7 with marked magnetic flux at a counter-excitation with -5 A.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
  • Permanent Field Magnets Of Synchronous Machinery (AREA)
  • Hybrid Electric Vehicles (AREA)

Abstract

The invention relates to a method for operating an electric machine (10), and to an electric machine (10) comprising a stator and a rotor (20), especially a hybrid-excited rotor (20), and a rotor device (1), especially a rotor plate, for a generator (10) of a motor vehicle, especially for a hybrid-excited generator, comprising a base body having a plurality of magnetic pockets (41) and embodied in such a way as to guide a magnetic flux induced in permanent magnets (24, 25) arranged in the magnetic pockets (41). At least one recess (2) is provided in the region of a main magnetic flux, for influencing said main magnetic flux.

Description

Beschreibung  description
Titel title
Elektrische Maschine mit Rotoreinrichtung und Rotoreinrichtung mit optimiertem Magnetfluss und Verfahren zum Betreiben der elektrischen Maschine  Electric machine with rotor device and rotor device with optimized magnetic flux and method for operating the electric machine
Die Erfindung betrifft eine Rotoreinrichtung, insbesondere ein Rotorblech, für einen Generator eines Kraftfahrzeugs, insbesondere für einen Klauenpolgenerator, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to a rotor device, in particular a rotor plate, for a generator of a motor vehicle, in particular for a claw pole generator, according to the preamble of claim 1.
Weiter betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5. Furthermore, the invention relates to an electrical machine according to the preamble of claim 5.
Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8. In addition, the invention relates to a method for operating an electric machine according to the preamble of claim 8.
Stand der Technik State of the art
Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Maschine, wie einem Kraftfahrzeuggenerator, zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie mit einem Rotor, der eine Rotoreinrichtung aufweist, und einem Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeuggenerators nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. The invention relates to an electrical machine, such as a motor vehicle generator, for converting mechanical energy into electrical energy with a rotor having a rotor device, and a method for operating a motor vehicle generator according to the preamble of the independent claims.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind elektrische Maschinen wie Kraftfahrzeuggeneratoren, insbesondere Kraftfahrzeuggeneratoren wie Wechselstromgeneratoren mit Gleichrichtern zur Gleichspannungsversorgung von Bordnetzen von Kraftfahrzeugen. The present invention relates to electrical machines such as motor vehicle generators, in particular motor vehicle generators such as AC generators with rectifiers for DC voltage supply of vehicle electrical systems.
Aus dem Stand der Technik sind Wechselstromgeneratoren für Kraftfahrzeuge bekannt. Derartige Wechselstromgeneratoren sind üblicherweise als Klauenpolgeneratoren ausgebildet. Bei diesen Generatoren liegt eine Erregerwicklung im Rotor zylindrisch um einen Kern. Der Rotor umfasst unter anderem zwei Klauenpolplatinen, an deren Außenumfang sich jeweils in axialer Richtung erstreckende Klauenpolfinger angeordnet sind. Beide Klauenpolplatinen sind um Rotor derart angeordnet, dass ihre sich in axialer Richtung erstreckenden Klauenpolfinger am Umfang des Rotors einander als Nord- und Südpole abwechseln. Es ergeben sich dadurch magnetisch erforderliche Klauenpolzwischenräume zwischen den gegensinnig magnetisierten Klauenpolfingern, welche wegen der sich zu ihren freien Enden hin verjüngenden Klauenpolfinger leicht schräg zu einer Achse der elektrischen Maschine verlaufen. From the prior art alternators for motor vehicles are known. Such alternators are usually designed as Klauenpolgeneratoren. In these generators, a field winding in the rotor is cylindrical around a core. The rotor includes two, among others Claw pole, on whose outer circumference in each case extending in the axial direction Klauenpolfinger are arranged. Both claw-pole plates are arranged around the rotor such that their claw-pole fingers extending in the axial direction alternate at the periphery of the rotor as north and south poles. This results in magnetically required Klauenpolzwischenräume between the oppositely magnetized Klauenpolfingern, which extend slightly oblique to an axis of the electric machine because of the tapering towards their free ends claw-pole fingers.
Weiter sind hybriderregte Generatoren mit entsrepchendem Rotor aus dem Stand der Technik bekannt. Die Rotoren umfassen Rotoreinrichtungen, die beispielsweise als Rotorbleche ausgebildet sind. Derartige Rotorbleche umfassen Magnettaschen zur Aufnahme von Permanentmagneten. Zudem ist das Rotorblech zur Leitung eines magnetischen Flusses ausgebildet. Derartige Rotorbleche sind aus dem Stand der Technik bekannt. Further hybrid-excited generators with entrepchendem rotor are known from the prior art. The rotors comprise rotor devices, which are designed, for example, as rotor laminations. Such rotor laminations comprise magnet pockets for accommodating permanent magnets. In addition, the rotor plate is designed to conduct a magnetic flux. Such rotor laminations are known from the prior art.
Aus der WO 2004/017496 A2 und der US 2006/0119206 sind beispielsweise Rotorbleche bekannt, die Aussparungen aufweisen. Die Aussparungen sind zur Aufnahme von Verbindungselementen ausgebildet, um mehrere Rotorbleche zu einem Paket zusammen zuverbinden. Zudem sind weitere Aussparungen in Rotorwellennähe ausgebildet. For example, WO 2004/017496 A2 and US 2006/0119206 disclose rotor laminations which have recesses. The recesses are configured to receive fasteners to interconnect a plurality of rotor laminations into a package. In addition, further recesses are formed near the rotor shaft.
Bekannt sind beispielsweise aus der DE 10 207 025 971 AI auch elektrische Maschinen, die als hybriderregte Maschine arbeiten. Die hybriderregte Maschine wird über den Erregerstrom in der Rotorwicklung geregelt. Die Ständerwicklung ist hierbei auf eine höhere Polzahl ausgelegt. Wird ein Erregerstrom eingespeist, der zu einer Polzahl führt, die mit der Ständerwicklung übereinstimmt, wird eine kräftige Spannung in der Ständerwicklung der Maschine induziert und die Maschine kann eine Leistung an das Bordnetz einspeisen. Wird dagegen der Erregerstrom in seiner Richtung umgekehrt, entsteht im Rotor die kleinere Polzahl, was in der Ständerwicklung dazu führt, dass keine Spannung induziert wird und die Maschine keine Leistung abgibt. Dies führt jedoch dazu, dass das Ständerjoch in der Maschine auf die kleinere Polzahl zu dimensionieren ist. Ein magnetischer Fluss im Ständerjoch ist bei der kleineren Polzahl deutlich größer als bei der höheren Polzahl. Somit erfordert die Maschine ein deutlich größeres Joch für eine gute Abregelung der Leistung. Für den Betrieb unter Volllast würde ein deutlich geringeres Joch ausreichen. Offenbarung der Erfindung For example, DE 10 207 025 971 A1 also discloses electrical machines which operate as a hybrid-excited machine. The hybrid-excited machine is controlled by the excitation current in the rotor winding. The stator winding is designed for a higher number of poles. If an exciting current is fed, resulting in a number of poles that coincides with the stator winding, a strong voltage in the stator winding of the machine is induced and the machine can feed a power to the electrical system. If, on the other hand, the exciter current is reversed in its direction, the smaller number of poles is produced in the rotor, which in the stator winding leads to no voltage being induced and the machine outputting no power. However, this leads to the stator yoke in the machine being dimensioned to the smaller number of poles. A magnetic flux in the stator yoke is significantly larger at the smaller number of poles than at the higher number of poles. Thus, the machine requires a significantly larger yoke for a good control of the performance. For operation under full load, a significantly lower yoke would be sufficient. Disclosure of the invention
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit der erfindungsgemäßen Rotoreinrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der elektrischen Maschine mit den Merkmalen des entsprechenden Hauptanspruches oder des entsprechenden nebengeordneten Anspruches haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass das Rotorblech an die magnetische Flussführung innerhalb des Rotors angepasst ist. Durch geeignete Aussparungen wird der magnetische Fluss bei kleinerer Polzahl, das heißt bei einer Abregelung des Generators, begrenzt. Durch die Begrenzung des Flusses im Rotor bei der kleineren Polzahl wird eine bessere Abregelung des Generators realisiert und/oder das Ständerjoch ist kleiner auslegbar. Zudem wird durch die Aussparungen im Rotor Material und Gewicht eingespart. Auf diese Weise ist das Gesamtgewicht des Rotors reduziert. Die Aussparungen, die als Magnetflussbegrenzungsmittel dienen, sind in einem Hauptfluss eines magnetischen Flusses durch den Rotor angeordnet. Der Hauptfluss erfolgt zwischen den Magnettaschen, genauer zwischen den Permanentmagneten. Wobei der Fluss in einem Bereich um die Taschen herum durch das Rotorblechmaterial verläuft. DieThe electric machine according to the invention with the rotor device according to the invention and the inventive method for operating the electric machine with the features of the corresponding main claim or the corresponding independent claim have the advantage over the prior art that the rotor plate is adapted to the magnetic flux guide within the rotor. By suitable recesses of the magnetic flux at a smaller number of poles, that is at a Abregulation of the generator limited. By limiting the flow in the rotor at the smaller number of poles, a better regulation of the generator is realized and / or the stator yoke is smaller interpretable. In addition, the recesses in the rotor save material and weight. In this way, the total weight of the rotor is reduced. The recesses serving as magnetic flux limiting means are arranged in a main flux of a magnetic flux through the rotor. The main flow takes place between the magnet pockets, more precisely between the permanent magnets. Wherein the flow passes through the rotor sheet material in an area around the pockets. The
Aussparungen verringern den Bereich, durch den der magnetische Fluss verläuft, sodass eine Begrenzung durch die Materialaussparung und der damit verbundenen Querschnittsverengung realisiert ist. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafteRecesses reduce the area through which the magnetic flux passes, so that a limitation by the material recess and the associated cross-sectional constriction is realized. The measures listed in the dependent claims are advantageous
Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen und nebengeordneten Ansprüchen vorgegebenen Vorrichtungen möglich. Further developments and improvements of the predetermined in the independent and independent claims devices possible.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Aussparung in Richtung zu einer Rotorwellenaussparung zwischen der Magnettasche und derIn an advantageous embodiment, it is provided that the recess in the direction of a rotor shaft recess between the magnet pocket and the
Rotorwellenaussparung angeordnet ist. Der elektrisch erzeugte magnetische Fluss verläuft um die Magnettaschen herum und somit auch zwischen den Magnettaschen und einer zentrischen Rotorwellenaussparung. Bevorzugt ist die Aussparung näher zu der Magnettasche hin ausgebildet, da hier ein größerer Einfluss auf den Magnetfluss der Permanentmagnete bewirkt wird. Bei einem positiven Erregerstrom verläuft der magnetische Hauptfluss in der Nähe der Magnettasche. Hinsichtlich der Ausbildung der Aussparungen ist auf einen ausreichenden Querschnitt zu achten, der einen ausreichenden Magnetfluss ermöglicht. Zudem ist ein auseichender Abstand zwischen Magnettasche und Aussparung aus Gründen der Festigkeit zu gewährleisten. Rotor shaft recess is arranged. The electrically generated magnetic flux extends around the magnetic pockets and thus also between the magnetic pockets and a centric rotor shaft recess. Preferably, the recess is formed closer to the magnet pocket, since a greater influence on the magnetic flux of the permanent magnets is effected here. With a positive excitation current, the main magnetic flux is near the magnet pocket. With regard to the formation of the recesses is to pay attention to a sufficient cross section, the one sufficient magnetic flux allows. In addition, a sufficient distance between magnet pocket and recess for reasons of strength to ensure.
Bei einem negativen Erregerstrom wirkt der Erregerstrom feldverstärkend in den Permanentmagneten. Dies wirkt sich direkt auf den Gesamtfluss in der Rotoreinrichtung aus. Die Aussparung ist in dem Fall dafür vorgesehen, dem Anstieg des magnetischen Feldes entgegen zu wirkten. In the case of a negative excitation current, the excitation current acts field-amplifying in the permanent magnet. This directly affects the overall flow in the rotor device. The recess is designed in this case to counteract the rise of the magnetic field.
Es ist vorteilhaft, dass ein Abstand zwischen der Aussparung und der Magnettasche kleiner oder gleich einer Breite der Magnettasche ist. Es hat sich herausgestellt, dass dieser Abstand eine optimale Magnetflussbegrenzung bei ausreichender Festigkeit gewährleistet. Der radiale Abstandsbereich ist mittels aufwendiger Finite- Elemente- Berechnung ermittelt worden. Insbesondere beträgt ein vorteilhafter Abstandsbereich etwa 50% bis 30% der Taschenbreite. An den Enden der Aussparung beträgt der Abstand zwischen der Aussparung und der Magnettasche weniger als etwa 30% der Breite der Magnettasche. It is advantageous that a distance between the recess and the magnet pocket is less than or equal to a width of the magnet pocket. It has been found that this distance ensures optimum magnetic flux limitation with sufficient strength. The radial distance range has been determined by means of complex finite element calculation. In particular, an advantageous distance range is about 50% to 30% of the pocket width. At the ends of the recess, the distance between the recess and the magnet pocket is less than about 30% of the width of the magnet pocket.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass eine Breite der Aussparung kleiner oder gleich der Breite der Magnettasche ist. Auch diese Breite hat sich hinsichtlich eines Magnetflusses bei ausreichender Festigkeit des Rotorblechs mittels Finite- Elemente- Methoden als optimal herausgestellt. Es sind in bevorzugten Ausführungsformen mehrere Aussparungen vorgesehen. Die Aussparungen sind in weiteren Ausführungsbeispielen gleich ausgebildet. In wiederum anderen Ausführungsbeispielen sind die Aussparungen unterschiedliche geformt ausgebildet. Bevorzugt sind die Aussparungen benachbart zu Rotornuten unterschiedlich zu den Aussparungen unter den zentral sitzenden Magneten ausgebildet. In an advantageous embodiment, it is provided that a width of the recess is smaller than or equal to the width of the magnet pocket. Also, this width has been found to be optimal with respect to a magnetic flux with sufficient strength of the rotor blade by means of finite element methods. There are provided in preferred embodiments, a plurality of recesses. The recesses are the same in further embodiments. In yet other embodiments, the recesses are formed differently shaped. Preferably, the recesses are formed adjacent to rotor grooves different from the recesses under the centrally seated magnet.
Bei einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine umfassend einen Ständer und einen Rotor, insbesondere einen hybriderregten Rotor, ist vorgesehen, dass der Rotor mindestens eine vorstehend beschriebene, erfindungsgemäße Rotoreinrichtung umfasst. Bevorzugt sind mehrere Rotoreinrichtungen vorgesehen. In an electric machine according to the invention comprising a stator and a rotor, in particular a hybrid-excited rotor, it is provided that the rotor comprises at least one rotor device according to the invention described above. Preferably, a plurality of rotor devices are provided.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine mit in Magnettaschen eines Rotors angeordnete Permanentmagneten ist insbesondere vorgesehen, dass ein Magnetfluss zwischen den Permanentmagneten auf einen maximalen Magnetfluss durch eine Materialverjüngung im Bereich des Magnetflusses begrenzt wird. Die Materialverjüngung ist mittels Aussparungen realisiert. Aussparungen sind als Vertiefungen oder als Durchgangsöffnungen ausgebildet. In a method according to the invention for operating an electrical machine with permanent magnets arranged in magnetic pockets of a rotor, provision is made in particular for a magnetic flux between the permanent magnets to have a maximum magnetic flux through a material taper in the region of the magnetic flux is limited. The material taper is realized by means of recesses. Recesses are formed as depressions or as passage openings.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description. Show it:
Fig. 1 schematisch einen Längsschnitt durch einen Wechselstromgenerator für Kraftfahrzeuge mit einem hybriderregten Rotor in Polwechselanordnung, 1 schematically shows a longitudinal section through an alternator for motor vehicles with a hybrid-excited rotor in Polwechselanordnung,
Fig. 2 schematisch ein Schaltbild einer Brückenschaltung eines 5-phasigen Stators in einer Anordnung als fünfzackiger Stern, 2 schematically shows a circuit diagram of a bridge circuit of a 5-phase stator in a configuration as a five-pointed star,
Fig. 3 schematisch eine als Rotorblech ausgebildete Rotoreinrichtung mit Aussparungen in einer ersten Ausführungsform, 3 is a schematic diagram of a rotor device designed as a rotor plate with recesses in a first embodiment,
Fig. 4 schematisch das Rotorblech nach Fig. 3 mit eingezeichneter Vergleichsspannung bei einer Belastung von etwa 20.000 Umdrehungen pro Minute, 4 shows schematically the rotor plate according to FIG. 3 with a reference stress drawn in at a load of approximately 20,000 revolutions per minute, FIG.
Fig. 5 schematisch eine als Rotorblech ausgebildete Rotoreinrichtung mit Aussparungen in einer zweiten Ausführungsform mit eingezeichnetem Magnetflussbild bei Volllast und positivem Erregerstrom, 5 schematically shows a rotor plate designed as a rotor device with recesses in a second embodiment with marked magnetic flux image at full load and positive excitation current,
Fig. 6 schematisch das Rohrblech nach Fig. 5 mit eingezeichnetem Magnetflussbild bei Volllast und negativem Erregerstrom, 6 shows schematically the tube sheet according to FIG. 5 with a drawn magnetic flux diagram at full load and negative exciter current,
Fig. 7 schematisch eine weitere Ausführungsform einer als Rotorblech ausgebildeten Rotoreinrichtung, 7 shows schematically a further embodiment of a rotor device designed as a rotor plate,
Fig. 8 schematisch das Rotorblech nach Fig. 7 mit eingezeichnetem Magnetfluss bei einer vollen Erregung mit 5 A, Fig. 9 schematisch das Rotorblech nach Fig. 7 mit eingezeichnetem Magnetfluss bei einer Gegenerregung mit -5 A und 8 schematically shows the rotor plate according to FIG. 7 with magnetic flux drawn in at full excitation with 5 A, FIG. Fig. 9 shows schematically the rotor plate of Fig. 7 with marked magnetic flux at a counter-excitation with -5 A and
Fig. 10 schematisch das Rotorblech nach Fig. 7 mit eingezeichneten Vergleichsspannungen bei einer Belastung von etwa 20.000 Umdrehungen pro Minute. Fig. 10 shows schematically the rotor plate of FIG. 7 with marked reference voltages at a load of about 20,000 revolutions per minute.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels Description of the embodiment
In Fig. 1 ist ein Schnitt durch einen Wechselstromgenerator 10 für Kraftfahrzeuge dargestellt. Dieser weist unter anderem ein zweiteiliges Gehäuse 13 auf. Das aus einem ersten Lagerschild 13.1 und einem zweiten Lagerschild 13.2 besteht. Das Lagerschild 13.1 und das Lagerschild 13.2 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 elektromagnetisch erregten Rotor 20, der als hybriderregter Rotor ausgebildet ist. Der Stator 16 wirkt hierbei über einen Arbeitsluftspalt mit dem im Stator 16 drehbar gelagerten Rotor 20 zusammen. In Fig. 1 is a section through an alternator 10 for motor vehicles is shown. This has inter alia a two-part housing 13. This consists of a first bearing plate 13.1 and a second bearing plate 13.2. The bearing plate 13.1 and the bearing plate 13.2 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 surrounds with its radially inwardly facing surface electromagnetically excited rotor 20, which is designed as a hybrid-excited rotor. The stator 16 acts in this case via a working air gap with the rotatably mounted in the stator 16 rotor 20.
Der Rotor 20 weist über seinen Umfang in einer vorgegebenen Folge mehrere Nordpole N und Südpole S auf, die durch polbildende Permanentmagnete 24, 25, sowie durch die Erregerwicklung 29 ausgebildet werden. Dabei lässt sich die Polzahl des Rotors 20 in Abhängigkeit von der Stärke und Richtung eines Erregerstromes in der Erregerwicklung 29 umsteuern. Der Rotor 20 wird aufgebaut aus einem magnetisch leitfähigen Körper, der als Blechpaket mit mehreren als Rotorblech ausgebildeten Rotoreinrichtungen 1 ausgebildet werden kann. Das Rotorblechpaket 21 ist vorzugsweise in Achsrichtung laminiert mit einer Blechstärke zwischen 0,1 mm und 2,0 mm. Unterhalb 0,1 mm ist die Widerstandsfähigkeit des Blechpakets 21 gegenThe rotor 20 has over its circumference in a predetermined sequence a plurality of north poles N and south poles S, which are formed by polbildende permanent magnets 24, 25, as well as by the exciter winding 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 field winding 29. The rotor 20 is constructed from a magnetically conductive body which can be formed as a laminated core with a plurality of rotor devices 1 designed as a rotor plate. The rotor core 21 is preferably laminated in the axial direction with a plate thickness between 0.1 mm and 2.0 mm. Below 0.1 mm, the resistance of the laminated core 21 against
Fliehkräfte zu gering. Oberhalb von 2,0 mm ist die Verringerung der Wirbelstromverluste auf der Außenfläche des Rotors 20 nicht mehr ausreichend, sodass die im Rotor eingebauten Permanentmagneten 24, 25 geschädigt bzw. entmagnetisiert werden können. Die axiale Länge des Rotorblechpaketes 21 entspricht vorzugsweise der axialen Länge des kreisringförmigen Statorblechpaketes 17, bzw. ist für einen Toleranzausgleich bis zu 2 mm länger oder kürzer als das kreisringförmige Statorblechpaket 17. Das Blechpaket 21 wird vorzugsweise durch Schweißnähte zusammengehalten. Es können statt Schweißungen auch Niete, bzw. Knöpfungen eingesetzt werden. Die Erregerwicklung 29 ist hierbei als Durchmesserspule ausgebildet und liegt in ausgesparten Nuten 40, die aus dem Blechpaket 21 ausgestanzt sind. Die Erregerwicklung 29 kann z. B. als Flyerwicklung (Doppelflyer) direkt in das Rotorblechpaket 21 eingewickelt werden. Des Weiteren sind in dem Rotorblechpaket Bereiche 41 ausgespart, in denen Permanentmagnete 24, 25 eingesetzt werden können. Erfindungsgemäß werden die Magnete 24, 25 in ausgestanzte (Magnet-)Taschen 41 im Rotorblechpaket 21 eingesetzt. Hierdurch ist es möglich die Fliehkräfte durch die geometrische Form der Taschen 41 aufzunehmen und dadurch einen sicheren Halt der Magnete 24, 25 auf dem Rotor 20 zu gewährleisten. Als Magnetmaterial erweist sich ein Material mit einer Remanenzinduktion von größer 1 T als besonders vorteilhaft. Diese magnetischen Eigenschaften weisen insbesondere Permanentmagnete 24, 25 aus Seltenerden auf. Die Magnete 24, 25 werden hierbei in den Rotor 20 derart eingebaut, dass sie ein im Wesentlichen radiales Feld erzeugen. Dieses Feld tritt dann vom Rotor 20 über den Luftspalt in das Ständerblechpaket und bildet somit bei Drehung des Rotors 20 eine Spannungsinduktion in den Wicklungen des Rotors 20. Centrifugal forces 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 preferably corresponds to the axial length of the annular stator lamination 17, or is for a tolerance compensation up to 2 mm longer or shorter than the annular stator lamination 17. The laminated core 21 is preferably held together by welds. It can also welds and rivets, or knobs be used. The excitation winding 29 is in this case designed as a diameter coil and is located in recessed grooves 40 which are punched out of the laminated core 21. The excitation winding 29 may, for. B. as a flyer wrap (double flyer) are wrapped directly into the rotor core 21 lamination. Furthermore, areas 41 are recessed in the rotor laminated core, in which permanent magnets 24, 25 can be used. According to the invention, the magnets 24, 25 are inserted into stamped (magnetic) pockets 41 in the rotor laminated core 21. This makes it possible to absorb the centrifugal forces by the geometric shape of the pockets 41 and thereby ensure a secure hold of the magnets 24, 25 on the rotor 20. As a magnetic material, a material with a remanence of greater than 1 T proves to be particularly advantageous. These magnetic properties in particular have permanent magnets 24, 25 of rare earths. The magnets 24, 25 are in this case installed in the rotor 20 such that they generate a substantially radial field. This field then passes from the rotor 20 through the air gap in the stator core and thus forms upon rotation of the rotor 20, a voltage induction in the windings of the rotor 20th
Der Rotor 20 ist mittels einer (Rotor-)Welle 27 und je einem auf je einer Rotorseite befindlichen Wälzlager 28 in den jeweiligen Lagerschilden 13.1 beziehungsweise 13.2 drehbar gelagert. Er weist zwei axiale Stirnflächen auf, an denen jeweils ein Lüfter 30 befestigt ist. Diese Lüfter 30 bestehen im Wesentlichen aus einem plattenförmigen beziehungsweise scheibenförmigen Abschnitt, von dem Lüfterschaufeln in bekannter Weise ausgehen. Diese Lüfter 30 dienen dazu, über Öffnungen 48 in den Lagerschilden 13.1 und 13.2 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 13.1 und 13.2 vorgesehen, über die mittels der Lüfter 30 Kühlluft in den Innenraum der elektrischen Maschine 10 eingesaugt wird. Diese Kühlluft wird durch die Rotation der Lüfter 30 radial nach außen beschleunigt, sodass sie durch die kühlluftdurchlässigen Wickelköpfe 50 auf der Antriebsseite und 51 auf der Elektronikseite hindurchtreten kann. Durch diesen Effekt werden die Wickelköpfe 50, 51 gekühlt. Die Kühlluft nimmt nach dem Hindurchtreten durch die Wickelköpfe 50, 51, beziehungsweise nach dem Umströmen dieser Wickelköpfe 50, 51 einen Weg radial nach außen durch in nicht dargestellten 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 eine Erregerwicklung 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 sogenannter Minuskühlkörper wirkt das Lagerschild 13.2. zwischen dem Lagerschild 13.2 und dem Kühlkörper 53 ist eine Anschlussplatte 56 angeordnet, welche im Lagerschild 13.2 befestigte Minusdioden 58 und in dieser Darstellung nicht gezeigte Plusdioden 59 im Kühlkörper 53 in Form einer Brückenschaltung 69 miteinander verbindet. The rotor 20 is rotatably supported in the respective end shields 13.1 and 13.2, respectively, by means of a (rotor) 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 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 13.1 and 13.2. For this purpose, the openings 48 are provided at the axial ends of the bearing plates 13.1 and 13.2, via which 30 cooling air is sucked into the interior of the electric machine 10 by means of the fan. This cooling air is accelerated radially outward by the rotation of the fans 30, so that they can pass through the cool 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, or after the flow around these end windings 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 a field winding 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 so-called Minus heat sink acts the bearing plate 13.2. between the bearing plate 13.2 and the heat sink 53, a connection plate 56 is arranged, which in the bearing plate 13.2 attached minus diodes 58 and not shown in this illustration plus diodes 59 in the heat sink 53 in the form of a bridge circuit 69 interconnects.
In Figur 2 ist ein Wechselstromgenerator 10 mit fünf phasenbildenden Wicklungssträngen 70, 71, 72, 73, 74 anhand eines Schaltbildes dargestellt. Die Gesamtheit aller Wicklungsstränge 70, 71, 72, 73, 74 bildet die Ständer- oder Statorwicklung 18. Die fünf phasenbildenden Wicklungsstränge 70, 71, 72, 73, 74 sind zu einer Grundschaltung als fünfzackiger Stern (Drudenfuß) verschaltet, wobei die jeweils in den Zacken des Sterns verschalteten Stränge einen Winkel von ca. 36° el. einschließen. An den Verschaltungspunkten der Zacken 80, 81, 82, 83, 84 des fünfzackigen Sterns ist die Gleichrichterbrückenschaltung 69 angeschlossen. Die Wicklungsstränge sind wie folgt verschaltet. Der Wicklungsteilstrang 70 ist am Verschaltungspunkt 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 gegenüberliegenden 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 Erregerwicklung 29 die Spannung des Generators regelt. Der Spannungsregler kann zusätzlich noch eine Verbindung zum Gleichrichter aufweisen, um den Spannungsabfall über einer Diode zu messen und hieraus die aktuelle Drehzahl des Generators zu ermitteln. Das Bordnetz ist schematisch durch die Fahrzeugbatterie 61 und durch Fahrzeugverbraucher 62 dargestellt. Es ist zur besseren Regelung auch möglich, die Erregerwicklung 29 mithilfe von vier Endstufen, die zu einer H- Brückenschaltung verbunden werden, anzusteuern. Hierdurch wird es möglich, in die Erregerwicklung 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 Erregerwicklung 29 angelegt werden können. Selbstverständlich lassen sich auch andere Phasenzahlen und Verschaltungsarten in bekannter Weise darstellen. Besonders zu erwähnen sind hierzu dreiphasige Systeme in Stern oder Dreieckschaltung. FIG. 2 shows an AC generator 10 with five phase-forming winding phases 70, 71, 72, 73, 74 on the basis of a circuit diagram. The totality of all winding strands 70, 71, 72, 73, 74 forms the stator or stator winding 18. The five phase-forming winding strands 70, 71, 72, 73, 74 are connected to a basic circuit as a five-pointed star (Drudenfuß), wherein each in the strands of the star interconnected strands enclose an angle of about 36 ° el. At the points of interconnection of the prongs 80, 81, 82, 83, 84 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 connecting wires of the winding strands 70, 71, 72, 73, 74 of a connection point 80, 81, 82, 83, 84, which are to be interconnected, 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 winding 29. The voltage regulator may additionally have a connection to the rectifier in order to measure the voltage drop across a diode and to determine therefrom the current rotational speed of the generator. The electrical system is shown schematically by the vehicle battery 61 and by vehicle consumers 62. It is also possible for better control, the excitation winding 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 winding 29 and negative excitation currents. This gives advantages in Reference to the Leistungsabregelungsverhalten the generator, or in relation to the control speed, as well as for fast de-energizing negative voltages to the exciter winding 29 can be applied. Of course, other phase numbers and Verschaltungsarten can be displayed in a known manner. Particularly noteworthy are three-phase systems in star or delta connection.
Fig. 3 zeigt schematisch eine als Rotorblech ausgebildete Rotoreinrichtung 1 für ein Blechpaket 21 mit Nuten 40 für die Erregerwicklung gemäß Fig. 1 und Aussparungen 2 in einer ersten Ausführungsform. Das Rotorblech ist als Kreisscheibe ausgebildet, die an ihrem umfänglichen Rand laschenartig ausgebildet ist. In den laschenartigen Bereichen sind Magnettaschen 41 zur Aufnahme der in Fig. 1 dargestellten Permanentmagnete 24, 25 ausgebildet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind 14 laschenartige Bereiche ausgebildet, wobei sechs Magnettaschen 41 vorgesehen sind. In radialer Richtung, das heißt zu einem Kreisscheibenmittelpunkt hin, sind unterhalb der Magnettaschen 41 Aussparungen 2 zur Begrenzung eines Hauptmagnetflusses zwischen den in Fig. 1 dargestellten Permanentmagneten 24, 25 ausgebildet. Die beiden zentralen Aussparungen 2a in 12-Uhr-Position und 6-Uhr- Position sind trapezförmig ausgebildet. Die vier anderen Aussparungen 2b linksseitig und rechtsseitig zu den trapezförmigen Aussparungen 2a sind schlitzartig als Langloch ausgebildet. Die Aussparungen 2 sind derart gestaltet und angeordnet, dass der magnetische Fluss durch die Permanentmagnete 24, 25 auf einen maximalen Wert beschränkt ist. Der flussführende Bereich unter den Magnettaschen 41 ist durch die Aussparungen 2 dermaßen eingeengt, dass der Magnetfluss durch den verengtenFig. 3 shows schematically a rotor formed as a rotor plate 1 for a laminated core 21 with grooves 40 for the field winding according to FIG. 1 and recesses 2 in a first embodiment. The rotor plate is formed as a circular disc which is formed like a tab at its peripheral edge. Magnetic pockets 41 for receiving the permanent magnets 24, 25 shown in FIG. 1 are formed in the tab-like areas. In the illustrated embodiment, 14 tab-like areas are formed, wherein six magnetic pockets 41 are provided. In the radial direction, that is to say towards a circular disk center point, recesses 2 for limiting a main magnetic flux between the permanent magnets 24, 25 shown in FIG. 1 are formed underneath the magnetic pockets 41. The two central recesses 2a in the 12 o'clock position and 6 o'clock position are trapezoidal in shape. The four other recesses 2b on the left side and the right side to the trapezoidal recesses 2a are slit-like formed as a slot. The recesses 2 are designed and arranged such that the magnetic flux through the permanent magnets 24, 25 is limited to a maximum value. The flux guiding area under the magnetic pockets 41 is restricted by the recesses 2 so that the magnetic flux through the narrowed
Querschnitt und die Sättigungsinduktion des Blechmaterials bestimmt ist. Bei voller elektrischer Erregung arbeiten die Erregerdurchflutung und der Permanentmagnet 24, 25 in entgegengesetzter Richtung. Der magnetische Fluss durch den Permanentmagneten 24, 25 wird in diesem Fall geschwächt. Die Induktion im Blechpaket seitlich der Aussparungen (Einschnürbereiche) liegt noch unter derCross section and the saturation induction of the sheet material is determined. At full electrical excitation, the exciter flux and the permanent magnet 24, 25 work in the opposite direction. The magnetic flux through the permanent magnet 24, 25 is weakened in this case. The induction in the laminated core at the side of the recesses (necking areas) is still below the
Sättigungsinduktion. Erst bei einer Gegenerregung des Generators arbeiten die Durchflutung der Erregerwicklung und die Magnete in derselben Richtung. Die Induktion im Magneten steigt an, bis die Sättigung der Einschnürbereiche erreicht wird und ein weiterer Anstieg der Induktion im Magneten bzw. des magnetischen Flusses durch den Magneten verhindert wird. Dementsprechend liegt eine Breite B derSaturation induction. Only with a counter-excitation of the generator, the flooding of the exciter winding and the magnets work in the same direction. The induction in the magnet increases until the saturation of the necking areas is achieved and a further increase of the induction in the magnet or the magnetic flux through the magnet is prevented. Accordingly, a width B is the
Aussparung 2 radial unterhalb der Magnettaschen in einem Bereich zwischen etwa 40% und 100% der Taschenbreite T der Magnettaschen 41, bevorzugt zwischen 40% und 100%. Am rechten und linken Ende der Aussparungen 2 liegt der Abstand D zwischen den Aussparungen 2 und den Magnettaschen 41 bei etwa kleiner gleich 30% der Breite der Magnete bzw. der Magnettasche 41. Die Aussparungen 2a, 2b weisen, wie zuvor beschrieben, unterschiedliche Geometrien auf. Dies ist in dem Ausführungsbeispiel aus Gründen der Festigkeit und der Flussführung erforderlich. Aus diesem Grund sind die Aussparungen 2 unter den Magnettaschen 41, die zu den Rohrnuten 40 benachbart sind, unterschiedlich groß gegenüber den Aussparungen 2 unter den zentral sitzenden Magneten auf 6-Uhr bzw. 12-Uhr-Position. Recess 2 radially below the magnetic pockets in a range between about 40% and 100% of the pocket width T of the magnet pockets 41, preferably between 40% and 100%. At the right and left end of the recesses 2 is the distance D. between the recesses 2 and the magnetic pockets 41 at approximately less than or equal to 30% of the width of the magnets or the magnetic pocket 41. The recesses 2a, 2b have, as described above, different geometries. This is necessary in the embodiment for reasons of strength and flow control. For this reason, the recesses 2 among the magnet pockets 41 adjacent to the tube grooves 40 are different in size from the recesses 2 among the centrally seated magnets at 6 o'clock and 12 o'clock positions, respectively.
Fig. 4 zeigt schematisch das Rotorblech nach Fig. 3 mit eingezeichneter Vergleichsspannung bei einer Belastung von etwa 20.000 Umdrehungen pro Minute. Die Vergleichsspannung sind anhand der unterschiedlichen Schraffuren kenntlich gemacht, wobei diskrete Vergleichsspannungsbereiche eingezeichnet sind. Anhand der Fig. 4 wird deutlich, dass die Aussparungen 2 keinen wesentlichen Einfluss auf die Festigkeit des Rotorbleches bei maximaler Belastung aufweisen. Denn die Vergleichsspannungen im Bereich um die Aussparungen, die hier als gitterartige Schraffur dargestellt sind, liegen im Wesentlichen in einem gemeinsamen Vergleichsspannungsbereich. Die Vergleichsspannungsbereiche um die Ausnehmungen 40, insbesondere an den innen in dem Rotorblech angeordneten Endbereichen der Ausnehmungen 40, sind gegenüber einem Rotorblech ohne Aussparungen 2 im Wesentlichen unverändert. Die Höchstbelastungswerte, also die maximalen Vergleichsspannungen treten somit an den etwa dreieckförmigen Ausnehmungen 40 für die Spulen in 3-Uhr und in 9-Uhr-Position auf, und zwar an den benachbart zu der Rotorwellenaussparungen 5 angeordneten beiden Eckbereichen. FIG. 4 schematically shows the rotor plate according to FIG. 3 with a reference stress drawn in at a load of approximately 20,000 revolutions per minute. The comparison voltage is indicated by the different hatching, wherein discrete reference voltage ranges are shown. It is clear from FIG. 4 that the recesses 2 have no significant influence on the strength of the rotor sheet at maximum load. Because the comparison stresses in the area around the recesses, which are shown here as a grid-like hatching, are essentially in a common reference voltage range. The comparison stress regions around the recesses 40, in particular on the end regions of the recesses 40 arranged inside the rotor lamination, are substantially unchanged with respect to a rotor lamination without recesses 2. The maximum load values, that is, the maximum reference voltages thus occur at the approximately triangular recesses 40 for the coils in the 3 o'clock and 9 o'clock positions, namely at the two corner regions arranged adjacent to the rotor shaft recesses 5.
Fig. 5 zeigt schematisch eine als Rotorblech ausgebildete Rotoreinrichtung 1 mit Aussparungen 2 in einer zweiten Ausführungsform mit eingezeichnetem Magnetflussbild bei Volllast und positivem Erregerstrom. Die Belastungen durch den Magnetfluss sind durch entsprechende Schraffuren unterteilt in Magnetflussbereiche kenntlich gemacht. Die Aussparungen 2 sind als kreisförmige Durchgangsöffnungen ausgebildet. Die Darstellung der Rotoreinrichtung 1 gemäß Fig. 5 ist gegenüber der Darstellung gemäß Fig. 3 und 4 um 90° gedreht dargestellt. Diese sind in einem Bereich angeordnet, bei dem ohne die Aussparungen 2 ein minimaler Magnetfluss fließt. Durch die Aussparung 2 wird somit der magnetische Fluss bei voller Erregung kaum beeinflusst. Der Hauptfluss der Rotoreinrichtung 1 wird bei positiver Erregung nur wenig reduziert, sodass die Leistung der Rotoreinrichtung unter Volllast erhalten bleibt. Fig. 6 zeigt schematisch das Rotorblech nach Fig. 5 mit eingezeichnetem Magnetflussbild bei negativem Erregerstrom. Die Belastungen durch den Magnetfluss sind hier ebenfalls und analog zu Fig. 5 durch entsprechende Schraffuren unterteilt in Magnetflussbereiche kenntlich gemacht. Gleiche Schraffurbereich sind gleich schraffiert. Gegenüber einem Rotorblech ohne Aussparungen 2 ist hier der5 schematically shows a rotor device 1 designed as a rotor plate with recesses 2 in a second embodiment with a drawn magnetic flux diagram at full load and positive exciter current. The strains due to the magnetic flux are indicated by corresponding hatching subdivided into magnetic flux areas. The recesses 2 are formed as circular passage openings. The representation of the rotor device 1 according to FIG. 5 is shown rotated in relation to the illustration according to FIGS. 3 and 4 by 90 °. These are arranged in a region in which a minimal magnetic flux flows without the recesses 2. By the recess 2 thus the magnetic flux is hardly affected at full excitation. The main flow of the rotor device 1 is reduced only slightly with positive excitation, so that the performance of the rotor device is maintained under full load. Fig. 6 shows schematically the rotor plate of Fig. 5 with marked magnetic flux image at negative excitation current. The strains caused by the magnetic flux are here also identified and, analogously to FIG. 5, subdivided into magnetic flux regions by corresponding hatching. Same hatching area are hatched the same. Opposite a rotor plate without recesses 2 here is the
Magnetfluss zwischen der Magnettasche 41 und der Aussparung 2 reduziert, sodass hier eine wirkungsvolle Begrenzung des Magnetflusses bewirkt ist. Magnetic flux between the magnet pocket 41 and the recess 2 is reduced, so that here an effective limitation of the magnetic flux is effected.
Fig. 7 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform einer als Rotorblech ausgebildeten Rotoreinrichtung 1 ähnlich Fig. 3 und 4 in einer um 90° gedrehtenFIG. 7 shows schematically a further embodiment of a rotor device 1 designed as a rotor plate similar to FIGS. 3 and 4 in a rotation through 90 °
Darstellung. Die Aussparungen 2 sind hier als Langlöcher oder Schlitze ausgebildet. Die zentralen Aussparungen 2a sind etwas größer ausgebildet gegenüber den seitlich benachbarten Langlöchern 2b. Mit dieser Ausführungsform ergibt sich das in Fig. 8 dargestellte Magnetflussbild. Presentation. The recesses 2 are formed here as slots or slots. The central recesses 2a are slightly larger than the laterally adjacent oblong holes 2b. With this embodiment, the magnetic flux image shown in Fig. 8 results.
Fig. 8 zeigt schematisch das Rotorblech nach Fig. 7 mit eingezeichnetem Magnetfluss bei einer vollen Erregung mit 5 A. Bei voller Erregung mit 5A ergibt sich keine Magnetflussbegrenzung an den Endbereichen der Aussparungen 2. Hier wird der Magnetfluss nicht begrenzt. Durch die Ausbildung der Aussparungen 2 als Langlöcher, wie in Fig. 8 und auch in Fig. 9, erhält man günstigere Verhältnisse als bei kreisrundenFig. 8 shows schematically the rotor plate of Fig. 7 with marked magnetic flux at a full excitation of 5 A. At full excitation with 5A results in no magnetic flux limit at the end portions of the recesses 2. Here, the magnetic flux is not limited. By forming the recesses 2 as slots, as in Fig. 8 and also in Fig. 9, one obtains more favorable conditions than in circular
Aussparungen 2 gemäß Fig. 5 und 6, wie deutlich anhand der Magnetflussbereiche zu erkennen ist. Recesses 2 according to FIGS. 5 and 6, as can be seen clearly from the magnetic flux regions.
Fig. 9 zeigt schematisch das Rotorblech nach Fig. 7 mit eingezeichnetem Magnetfluss bei einer Gegenerregung mit -5 A. Hier wird die wirkungsvolle Begrenzung desFig. 9 shows schematically the rotor plate of FIG. 7 with marked magnetic flux at a counter-excitation with -5 A. Here, the effective limitation of
Magnetflusses im Bereich der Endbereiche der Aussparungen 2 deutlich. Magnetic flux in the region of the end portions of the recesses 2 clearly.
Fig. 10 zeigt schematisch das Rotorblech nach Fig. 7 mit eingezeichneten Vergleichsspannungen bei einer Belastung von etwa 20.000 Umdrehungen pro Minute. An diesem Spannungsbild ist deutlich zu erkennen, dass durch die geeignete10 schematically shows the rotor plate according to FIG. 7 with reference stresses shown at a load of approximately 20,000 revolutions per minute. It can be clearly seen from this tension diagram that the appropriate
Ausbildung der Aussparungen 2 keine wesentliche Beeinträchtigung hinsichtlich der Festigkeit bei Volllast in dem Rotorblech entsteht. Forming the recesses 2 no significant impairment in terms of strength at full load in the rotor plate is formed.

Claims

Patentansprüche claims
1. Rotoreinrichtung (1), insbesondere ein Rotorblech, für einen Generator (10) eines Kraftfahrzeugs, insbesondere für einen hybriderregten Generator, umfassend einen Grundkörper mit mehreren Magnettaschen (41), der zur Leitung eines von in den Magnettaschen (41) angeordneten Permanentmagneten (24, 25) induzierten 1. Rotor device (1), in particular a rotor plate, for a generator (10) of a motor vehicle, in particular for a hybrid-excited generator, comprising a base body with a plurality of magnetic pockets (41) arranged to conduct one of the magnet pockets (41) permanent magnets ( 24, 25)
Magnetflusses ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass Magnet flux is formed, characterized in that
im Bereich eines Magnethauptflusses mindestens eine Aussparung (2) zur in the region of a main magnetic flux at least one recess (2) for
Beeinflussung des Magnethauptflusses vorgesehen ist. Influencing the magnetic main flux is provided.
2. Rotoreinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (2) in Richtung zu einer Rotorwellenaussparung (5) zwischen der Magnettasche (41) und der Rotorwellenaussparung (5) angeordnet ist. 2. rotor device (1) according to claim 1, characterized in that the recess (2) in the direction of a rotor shaft recess (5) between the magnet pocket (41) and the rotor shaft recess (5) is arranged.
3. Rotoreinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (D) zwischen der Aussparung (2) und der Magnettasche (41) kleiner oder gleich einer Breite (T) der Magnettasche (41) ist. 3. Rotor device (1) according to claim 1 or 2, characterized in that a distance (D) between the recess (2) and the magnet pocket (41) is less than or equal to a width (T) of the magnet pocket (41).
4. Rotoreinrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass 4. Rotor device (1) according to one of the preceding claims 1 to 3, characterized in that
eine Breite der Aussparung (2) kleiner oder gleich der Breite (T) der Magnettasche (41) ist. a width of the recess (2) is less than or equal to the width (T) of the magnet pocket (41).
5. Elektrische Maschine (10) umfassend einen Ständer und einen Rotor (20), insbesondere einen hybriderregten Rotor (20), dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (20) mindestens eine Rotoreinrichtung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 4 umfasst. 5. Electrical machine (10) comprising a stator and a rotor (20), in particular a hybrid-excited rotor (20), characterized in that the rotor (20) comprises at least one rotor device (1) according to one of the preceding claims 1 to 4.
6. Elektrische Maschine (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in den Magnettaschen (41) Permanentmagnete (24, 25) angeordnet sind, die mit korrespondierenden Erregerspulen (29) zusammenwirken. 6. Electrical machine (10) according to claim 5, characterized in that in the magnetic pockets (41) permanent magnets (24, 25) are arranged, which cooperate with corresponding excitation coils (29).
7. Elektrische Maschine (10) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass 7. Electrical machine (10) according to claim 5 or 6, characterized in that
die Permanentmagnete (24, 25) in radialer Richtung magnetisiert sind. the permanent magnets (24, 25) are magnetized in the radial direction.
8. Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine (10) mit in Magnettaschen (41) eines Rotors (20) angeordnete Permanentmagneten (24, 25), dadurch gekennzeichnet, dass 8. A method for operating an electrical machine (10) with in magnetic pockets (41) of a rotor (20) arranged permanent magnet (24, 25), characterized in that
ein Magnetfluss durch den Permanentmagneten (24, 25) auf einen maximalen Magnetfluss durch eine Materialverjüngung im Bereich des Magnetflusses begrenzt wird. a magnetic flux through the permanent magnet (24, 25) is limited to a maximum magnetic flux through a material taper in the region of the magnetic flux.
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