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Technisches Gebiet
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Diese
Patentanmeldung betrifft allgemein eine elektrische Vorrichtung
und insbesondere eine elektrische Maschine mit verbesserter Leistungsdichte,
Kühlung
und Lagerlebensdauer.
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Hintergrund der Erfindung
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In
vielen der heutzutage angetriebenen Kraftfahrzeuge kommen bürstenlose
elektrische Maschinen vor. Diese elektrischen Maschinen, die auch als
Drehstromgeneratoren bezeichnet werden, erzeugen die für die Speisung
der Nebenverbraucher des Fahrzeugs und das Laden einer Autobatterie
erforderlichen elektrischen Strom. Elektrische Maschinen müssen außerdem in
der Lage sein, elektrischen Strom in ausreichender Menge zu erzeugen,
um ein elektrisches System eines Fahrzeugs in einer Weise zu speisen,
die mit den elektrischen Komponenten des Fahrzeugs kompatibel ist.
Darüber
hinaus nehmen elektrische Lasten für Fahrzeuge kontinuierlich zu,
während
zugleich die für
die elektrische Maschine zur Verfügung stehende Gesamtbaugröße immer kleiner
wird.
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Die
Komponenten konventioneller bürstenloser
elektrischer Maschinen haben keinen ausreichenden Magnetkreis zur
Erzielung höherer
Leistungsdichten und benötigen
wegen ihres Tragsystems teure Antriebslager. Sie verfügen auch über keine
interne Kühlung,
die für
die Stromversorgung bei diesen höheren
Anforderungen notwendig ist, und haben demzufolge größere Abmessungen
bei der Baugröße. Es besteht
demzufolge Bedarf nach einem System mit höherer Leistungsdichte mit einer
robusteren Tragkonstruktion, die keine teuren Lager benötigt, und
nach einem verbesserten Magnetkreis mit internen Kühlkapazitäten, um
höhere
Leistungsdichten bei verkleinerter Baugröße zu ermöglichen.
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Kurze Zusammenfassung der
Erfindung
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Es
wird hierin eine Rotoranordnung für eine elektrische Maschine
offenbart, die eine feststehende Welle, ein erstes Lager, ein zweites
Lager, ein erstes Polsegment, ein zweites Polsegment, einen ersten
internen Lüfter
und einen zweiten internen Lüfter umfasst.
Das erste Lager ist an einem ersten Ende der Welle angeordnet. Das
zweite Lager ist an einem zweiten Ende der Welle angeordnet. Das
erste Polsegment ist vom ersten Lager getragen und um die Welle
herum drehbar. Das zweite Polsegment ist vom zweiten Lager getragen
und um die Welle herum drehbar. Der erste interne Lüfter ist
am ersten Polsegment befestigt. Ferner ist der zweite interne Lüfter am
zweiten Polsegment befestigt.
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Des
Weiteren wird hierin eine Rotoranordnung für einen Drehstromgenerator
offenbart, der eine feststehende Welle, eine Feldspule, ein erstes Polsegment,
ein zweites Polsegment, einen ersten internen Lüfter, einen zweiten internen
Lüfter
und eine Riemenscheibe umfasst. Die Feldspule umgibt die Welle.
Das erste und das zweite Polsegment sind drehbar an der Welle befestigt.
Der erste interne Lüfter
ist am ersten Polsegment befestigt. Der zweite interne Lüfter ist
am zweiten Polsegment befestigt. Ferner ist die Riemenscheibe am
ersten Polsegment befestigt.
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Es
wird hierin außerdem
eine elektrische Maschine offenbart, die eine Welle, ein erstes
Polsegment, ein zweites Polsegment, einen ersten internen Lüfter, einen
zweiten internen Lüfter,
einen Stator und ein Gehäuse
umfasst. Das erste Polsegment ist an der Welle befestigt. Das zweite
Polsegment ist an der Welle befestigt und dreht sich mit dem ersten
Polsegment. Der erste interne Lüfter
ist am ersten Polsegment befestigt. Der zweite interne Lüfter ist
am zweiten Polsegment befestigt. Der Stator umgibt das erste Polsegment
und das zweite Polsegment. Das Gehäuse hat eine erste Hälfte sowie
eine zweite Hälfte, die
den Stator umgibt. Die zweite Hälfte
des Gehäuses
ist an der ersten Hälfte
des Gehäuses
befestigt und ein Körperabschnitt
der ersten Hälfte
ist einseitig an einem Tragelementabschnitt der ersten Hälfte eingespannt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es
wird Bezug auf die Zeichnungen genommen, wobei gleiche Elemente
in den verschiedenen Figuren gleich nummeriert sind. Es zeigen:
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1:
eine Querschnittsdarstellung einer konventionellen bürstenlosen
elektrischen Maschine;
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2:
eine Querschnittsdarstellung einer beispielhaften bürstenlosen
elektrischen Maschine zur Verwendung gemäß einer Ausführung der
Erfindung; und
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3:
eine Draufsicht von vorne der bürstenlosen
elektrischen Maschine, die in 2 dargestellt
ist; und
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4:
eine Draufsicht von vorne eines nur zum Rotor gehörenden Abschnitts
der bürstenlosen elektrischen
Maschine, die in 2 dargestellt ist.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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1 zeigt
eine Querschnittsdarstellung einer konventionellen bürstenlosen
elektrischen Maschine 10a. Die konventionelle bürstenlose
elektrische Maschine 10a umfasst eine drehbare Welle 12a,
die in einem Gehäuse 14a getragen
ist; eine Feldspule 16a, die um einen am Gehäuse 14a befestigten
Spulenkörper 17 gewickelt
ist; ein erstes Polsegment 18a, das mit der Welle 12a drehbar
ist; und ein zweites Polsegment 20a (ebenfalls mit der
Wellte 12a drehbar), das einseitig am ersten Polsegment 18a angebracht
ist. Ferner ist eine Riemenscheibe 22a an einem Abschnitt
der Welle befestigt, der durch das Gehäuse 14a hindurch herausragt;
und ein Stator 24a, der am Gehäuse 14a befestigt
ist, umgibt die Polsegmente 18a und 20a.
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Bezugnehmend
auf die 2 und 3 ist eine
beispielhafte Ausführung
einer bürstenlosen elektrischen
Maschine 10b dargestellt, die beispielsweise bei einer
Ausführung
in einem Drehstromgenerator eines Kraftfahrzeugs verwendet werden
kann. Die bürstenlose
elektrische Maschine 10b umfasst eine feststehende Welle 12b,
die in einem Gehäuse 14b angebracht
ist; eine Feldspule 16b, die an der Welle 12b befestigt
ist; ein erstes Polsegment 18b und ein zweites Polsegment 20b,
die die Feldspule 16b umgeben und um die feststehende Welle 12b herum
drehbar sind; eine Riemenscheibe 22b, die das Drehmoment
auf die Polsegmente 18b und 20b überträgt; einen
Stator 24b, der am Gehäuse 14b befestigt
ist und die Polsegmente 18b und 20b umgibt; und
einen Gleichrichter 26, der den im Stator erzeugten Wechselstrom
in Gleichstrom umwandelt. Die mit feststehender Welle versehene
Konfiguration der elektrischen Maschine 10b bietet gegenüber konventionellen
Konfigurationen mit rotierenden Wellen zahlreiche signifikante Vorteile,
die verbesserte Dauerhaltbarkeit und Leistungsdichte sowie ein höheres Drehzahlvermögen umfassen.
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Die
feststehende Welle 12b hat im Wesentlichen über ihre
gesamte Axiallänge
einen einheitlichen Durchmesser und umfasst Abschnitte 28,
die einen kleineren Durchmesser aufweisen, an jedem ihrer Enden.
Obwohl 2 die Welle 12b mit einem einheitlichen
Durchmesser zeigt, ist anzumerken, dass der Durchmesser an verschiedenen
axialen Stellen entlang der Axiallänge der Welle variieren kann.
Die einen kleineren Durchmesser aufweisende Abschnitte 28 umfassen
bei einer Ausführung
(auch wie dargestellt) ferner gerändelte Enden 30, die
vom Gehäuse 14b in
einer Presspassung-Konfiguration aufgenommen sind. Es versteht sich
jedoch, dass die Rändelungen
nicht erforderlich sind. Eine alternative Konfiguration hat überhaupt
keine Rändelungen, sondern
nur einen Außendurchmesser,
der ausreicht, um einen Festsitzeingriff mit dem Gehäuse 14b zu
bewirken. Eine zweite alternative Konfiguration hat an einem Ende
der Welle 12b einen Presspassungseingriff mit dem Gehäuse 14b und
am anderen Ende der Welle 12b einen Gleitsitzeingriff mit
dem Gehäuse 14b.
Die Welle 12b kann beispielsweise auch durch Anschweißen am Gehäuse 14b befestigt sein,
so dass enge Toleranzen für
einen Festsitz flexibler ausgelegt werden können. Die Welle 12b ist ein
unbewegliches Bauteil, das sich nicht mit der Riemenscheibe 22b drehen
soll, und stellt eine Anbringungsfläche bereit, an der ein Spulenkörper 32 befestigt
ist. Die Feldspule 16b ist auf den Spulenkörper 32 aufgewickelt
und erzeugt, wenn sie gespeist wird, einen Magnetfluss, der die
Polsegmente 18b und 20b sowie die Welle 12b durchdringt.
Das Befestigen des Spulenkörpers 32 und
der Feldspule 16b an der Welle 12b, die an einem
oder beiden Enden durch Presspassung am Gehäuse 14b angebracht
ist und somit eine robustere Tragkonstruktion bereitstellt, verbessert
das Vibrati onsverhalten der elektrischen Maschine 10b gegenüber konventionellen
Konfigurationen, bei denen Spulenkörper und Feldspule einseitig
angebracht sind.
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Die
Welle 12b trägt
zudem ein Paar Lager 34, die an den einen kleineren Durchmesser
aufweisenden Abschnitten 28 der Welle 12b angrenzend
an die gerändelten
Enden 30 befestigt sind. Die Lager 34 wiederum
tragen drehbar die Polsegmente 18b und 20b, wodurch
die Polsegmente 18b und 20b um die Welle 12b herum
rotieren können.
Das erste Polsegment 18b und das zweite Polsegment 20b sind durch
einen Ring 36 aneinander befestigt, der zwischen den beiden
Polsegmenten 18b und 20b angeschweißt oder
durch Presspassung angebracht sein kann. Die Polsegmente 18b und 20b können beispielsweise
bei einer Ausführung
Klauenpolsegmente sein, die jeweils mehrere klauenförmige Finger 19 aufweisen,
die sich vom Außenrand
jedes Polsegments aus erstrecken (wie in 4 dargestellt).
Der Ring 36 besteht aus einem nicht-ferromagnetischen Material,
um einen Streufluss zwischen den Polsegmenten 18b und 20b zu
verhindern. Die Befestigung der Polsegmente 18b und 20b ermöglicht die
Drehung des zweiten Polsegments 20b, wenn ein Drehmoment
auf das erste Polsegment 18b aufgebracht wird. Dias Drehmoment
beispielsweise von einem Verbrennungsmotor wird mittels eines Riemens (nicht
dargestellt), der um den Außenrand
der Riemenscheibe 22b herumgezogen ist, die beispielsweise
durch Presspassung am ersten Polsegment 18b befestigt oder
darin integriert ist (in 2 und 4 dargestellt),
zum ersten Polsegment 18b übertragen. Das Lager 34,
das das erste Polsegment 18b trägt, ist innerhalb eines Innendurchmessers
der Riemenscheibe 22b angeordnet, was demnach zu längerer Lebensdauer
und geringerem Verschleiß des
Lagers 34 im Vergleich zu konventionellen Konstruktionen führt, bei
denen ungleiche oder einseitig angebrachte Lasten auf das Lager
wirken.
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An
den Polsegmenten 18b und 20b ist ein Paar Lüfter 38 befestigt,
um Kühlluft
in der elektrischen Maschine 10b zirkulieren zu lassen.
Die Lüfter 38 ziehen
aus der Axialrichtung Luft durch mehrere Kühlschlitze 40 (in 3 dargestellt)
im Gehäuse 14b in
die elektrische Maschine 10b und lassen die Luft in Radialrichtung
im Gehäuse 14b aus.
Die Lüfter 38 können in
die Polsegmente 18b und 20b integriert oder daran
befestigt sein. Ein Verfahren zur Befestigung des Lüfters 38 an
dem Polsegment 18b und/oder 20b kann einen Einsetzring 42 umfassen, der
zwischen dem Lüfter 38 und
dem Polsegment 18b oder 20b angeordnet ist, um
dazwischen eine Presspassung zu bilden.
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Das
Gehäuse 14b umfasst
eine erste Hälfte 44,
die ein Riemenscheibenende 46 der elektrischen Maschine 10b umgibt,
und eine zweite Hälfte 48,
die ein Gleichrichterende 50 der Maschine 10b umgibt. Die
erste Hälfte 44 des
Gehäuses 14b hat
einen zylinderförmigen
Körperabschnitt 52,
wobei der Körperabschnitt 52 ein
offenes Ende 54 und ein teilweise geschlossenes Ende 56 aufweist,
das einseitig an einem zungenförmigen
Tragelementabschnitt 58 angebracht ist. Eine Öffnung 60 im
teilweise geschlossenen Ende 56 hat einen Durchmesser,
der die Riemenscheibe 22b durch das teilweise geschlossene Ende 56 hindurch
herausragen lässt,
damit die Riemenscheibe in Bezug auf den Riemen richtig ausgerichtet
ist. Der zylindrische Körperabschnitt 52 ist vom
Tragelementabschnitt 58 in Axialrichtung versetzt, um den
Eingriff des Riemens mit der Riemenscheibe 22b zu ermöglichen.
Die zweite Hälfte 48 des
Gehäuses 14b hat
ebenfalls einen zylinderförmigen
Körperabschnitt 62,
der ein offenes Ende 64 und ein geschlossenes Ende 66 aufweist.
Die erste Hälfte 44 und
die zweite Hälfte 48 des
Gehäuses 14b sind zusammen
an ihren jeweiligen offenen Enden 44 bzw. 64 befestigt,
um das Gehäuse 14b zu
bilden. Außerdem
haben der Tragelementabschnitt 58 und das geschlossene
Ende 66 jeweils eine entlang der Mittelachse des zylindrischen
Körperabschnitts 52 und 62 verlaufende
kleine Öffnung 68,
die ein Durchmessermaß mit
enger Toleranz aufweist, um den gerändelten Abschnitt der Welle 12b in
Presspassung-Konfiguration
aufzunehmen.
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Während des
Betriebs der elektrischen Maschine 10b fließt der Magnetfluss
zuerst von der Feldspule 16b zur Welle 12b. Anschließend fließt der Magnetfluss
von der Welle 12b zum angrenzenden ersten Polsegment 18b durch
einen dazwischen definierten Luftspalt 70b. Dann fließt der Magnetfluss vom
ersten Polsegment 18b zum Stator durch einen dazwischen
definierten Luftspalt 72b. Danach fließt der Magnetfluss vom Stator
durch den Luftspalt 72b zum zweiten Polsegment 20b.
Der Magnetfluss fließt schließlich vom
zwei ten Polsegment 20b zur Welle 12b durch einen
dazwischen definierten Luftspalt 74b.
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Man
kann signifikante Vorteile bei den Leistungsdichten erzielen, indem
man die Reluktanz der Luftspalte 70b, 72b und 74b im
Magnetkreis verringert. Die Reluktanz wird durch die Gleichung R
= L/uA bestimmt, wobei R die Reluktanz, L die Luftspaltlänge, u eine
Konstante und A die Stirnfläche
des Luftspalts sind. Bezug nehmend auf 2 sind die
Luftspalte in der vorstehenden Formel als Bezugszeichen 70b, 72b und 74b dargestellt.
Dabei sind der Luftspalt 70b der Radialabstand zwischen der
Welle 12b und dem ersten Polsegment 18b; der Luftspalt 72b der
Radialabstand zwischen den Polsegmenten 18b und 20b und
dem Stator 24b; und der Luftspalt 74b der Radialabstand
zwischen dem zweiten Polsegment 20b und der Welle 12b.
Es versteht sich, dass die Luftspaltlänge (L) in der Reluktanzformel
(R = L/uA) die Radialabstände
zwischen den vorstehend erörterten
entsprechenden Komponenten darstellt. Obwohl die Stirnfläche (A)
des Luftspalts durch die Komponentenoberflächen angrenzend an den Luftspalt
(d. h. bei den Luftspalten 70b und 74b die Außenfläche der
Welle 12b und die Innenfläche der Polsegmente 18b und 20b sowie beim
Luftspalt 72b die Außenflächen der
Polsegmente 18b und 20b und der Innenfläche des
Stators 24b) definiert ist, stellt die Geometrie der elektrischen
Maschine 10b, die ein um die lange feststehende Welle 12b herum
drehbares Paar Polsegmente 18b und 20b aufweist,
große
Stirnflächen
(A) der Luftspalte 70b und 72b zwischen der Welle 12b und
den Polsegmenten 18b und 20b bereit, die eine
vielfach größere Stirnfläche des
Luftspalts im Vergleich zu konventionellen Maschinenkonfigurationen
bildet, die ein an einer rotierenden Welle befestigtes erstes Polsegment
und ein einseitig am ersten Polsegment angebrachtes zweites Polsegment
aufweisen, was relativ kleine Stirnflächen (A) der Luftspalte (in 1 als Luftspalte 70a, 72a und 74a dargestellt)
zur Folge hat. Wegen der robusten Tragkonstruktion der feststehenden
Welle 12b und der Polsegmente 18b und 20b in
der elektrischen Maschine 10b ist ein kleineres Nennspiel
zwischen rotierenden und unbeweglichen Komponenten erzielbar, wodurch
kürzere Luftspaltlängen ermöglicht werden.
Die Luftspaltlängen 70b und 72b können stark
reduziert werden, da jedes Polsegment 18b bzw. 20b an einem
Ende von einem Lager 34 getragen ist und das gegenüberliegende
Polsegment 18b bzw. 20b über den Ring 36 am
anderen Ende getragen ist, wodurch die Konfiguration konventioneller
Maschinen mit einseitig angebrachten Polen eliminiert wird. Ferner
ist wie vorstehend beschrieben das zweite Polsegment 20b besser
getragen als konventionelle bürstenlose
Polsegmente, wodurch eine kleinere Länge des Luftspalts 72b ermöglicht wird.
Die Stabilität
im Rotor verbessert das hohe Drehzahlvermögen der elektrischen Maschine 10b,
indem die während
der Drehung der elektrischen Maschine 10b durch die Zentrifugalkraft verursachte
Ablenkung der Polsegmente 18b und 20b verringert
wird. Die Reduzierung der Reluktanz führt zu verbesserter Ausgangsleistung
bei kleinerer Baugröße und verringert
demzufolge das Gesamtgewicht der elektrischen Maschine 10b.
Zusätzlich
ermöglichen
die im Gehäuse 14b enthaltenen
internen Kühllüfter 38 eine
kleine Gesamtbaugröße der elektrischen
Maschine 10b.
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Obwohl
die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführung bzw. bevorzugter Ausführungen beschrieben
wurde, versteht sich für
den Fachmann, dass verschiedene Änderungen
vorgenommen und Äquivalente
Elemente davon ersetzen können,
ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Ferner können zahlreiche
Modifikationen vorgenommen werden, um einen besonderen Zustand oder
ein besonderes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen,
ohne von deren wesentlichem Schutzbereich abzuweichen. Die Erfindung
soll demzufolge nicht auf die besondere Ausführung beschränkt sein, die
als die beste Ausführungsform
zur Durchführung dieser
Erfindung vorgesehene offenbart wurde, sondern auch alle Ausführungen
umfassen, die in den Schutzbereich der Ansprüche fallen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es
wird hierin eine Rotoranordnung für eine elektrische Maschine
offenbart, die eine feststehende Welle (12b), ein erstes
Lager (34), ein zweites Lager (34), ein erstes
Polsegment (18b), ein zweites Polsegment (20b),
einen ersten internen Lüfter
(38) und einen zweiten internen Lüfter (38) umfasst.
Das erste Lager (34) ist an einem ersten Ende der Welle (12b)
angeordnet. Das zweite Lager (34) ist an einem zweiten
Ende der Welle (12b) angeordnet. Das erste Polsegment (18b)
ist vom ersten Lager (34) getragen und um die Welle (12b)
herum drehbar. Das zweite Polsegment (20b) ist vom zweiten
Lager (34) getragen und um die Welle (12b) herum
drehbar. Der erste interne Lüfter
(38) ist am ersten Polsegment (18b) befestigt.
Ferner ist der zweite interne Lüfter
(38) am zweiten Polsegment (20b) befestigt.