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CN104871416A - 电机 - Google Patents

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CN104871416A
CN104871416A CN201380067122.6A CN201380067122A CN104871416A CN 104871416 A CN104871416 A CN 104871416A CN 201380067122 A CN201380067122 A CN 201380067122A CN 104871416 A CN104871416 A CN 104871416A
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G·韦伯
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Abstract

本发明涉及一种电机(10)，所述电机具有：定子(16)，所述定子(16)具有定子铁心(17)，所述定子铁心(17)具有基本上圆柱形的带有中央轴线(63)的孔(60)和内直径(D17i)以及外直径(D17a)，并且所述孔(60)容纳转子(20)，其中，所述定子铁心(17)具有轴向长度(L17a)，并且所述定子铁心(17)保持定子绕组(18)，所述电机(10)具有；转子(20)，所述转子(20)具有旋转轴线(66)，其中，转子(20)具有轴向的端面(69)，具有通风器叶片(72)的通风器(30)布置在该端面(69)上处，所述通风器与转子(20)不可相对旋转地连接，其中，转子(20)具有可电磁激励的路径(75)，所述路径(75)具有极芯(78)，在该极芯上在两个沿旋转轴线方向的端部(80、82)处各连接有一个极板(22、23)，其中，具有北极极性的爪极(24)始于一个极板(22)并且具有南极极性的爪极(25)始于另一极板(23)，其中，爪极(24、25)按照北极极性和南极极性在转子(20)的周边上交替，并且在极板(22、23)的两个彼此背离的侧面(69、90)之间的电磁路径(75)具有沿旋转轴线向的长度(L75)，其中，定子铁心(17)的轴向长度(L17a)和转子(20)的电磁路径(75)的沿旋转轴线向的长度(L75)的比例在0.68至1.0之间，其中，极芯(78)具有直径(D78)和沿旋转轴线方向的长度(L78)，并且极芯(78)的沿旋转轴线方向的长度(L78)和极芯(78)的直径(D78)的比例在0.21至0.36之间，并且定子铁心(17)的内直径(D17i)和定子铁心(17)的外直径(D17a)的比例大于0.788且小于0.854。

Description

电机
技术领域
本发明涉及一种电机。
背景技术
从文献EP 910155A1中已知一种电机，其实施成所谓的爪极发电机。该电机具有定子和转子，其中，在转子的周边处相邻设置的不同地极化的激励极或爪极在旋转运动时在定子的定子绕组中产生定子电压。该电机的激励极实施为所谓的爪极。
发明内容
本发明的目标是，实现显著地减小电机的铜质量。在保持效率和功率输出的情况下，不仅减小励磁绕组的重量而且减小定子绕组的重量。此外，可明显提高功率密度。
附图说明
附图中：
图1示出了电机的纵剖视图，
图2示出了定子铁心的侧视图，
图3示出了转子的展开的外周边的示意图，
图4示出了在两个爪极轮之间的间隙，在该间隙中插入永磁装置，
图4A示出了怠速电压和全负荷电流与电机的可变的结构比例相关的变化曲线，
图5示出了绕组端部及其被通风器覆盖的覆盖情况的侧视图，
图6示出了定子的槽的侧视图，
图7示出了一个图表，在该图表中看到与磁回路的长度比例和直径比例有关的在1800l/min时的标准化的输出电流，
图8示出了另一图表，在该另一图表中看到与磁回路的其他长度比例有关的在1800l/min时的标准化的输出电流，
图9以另一放大的端部视图示出了定子铁心，
图10示出了一个图表，在该图表中在1800l/min时的输出电流的比例与定子铁心几何结构的比例相关，
图11示出了一个图表，在该图表中关于定子铁心的轴向长度和电磁路径的沿旋转轴线方向的长度的比例绘制了电流和使用的铜质量的比例。
具体实施方式
在图1中示出了电机10的剖视图，在此电机实施为用于机动车辆的发电机或更具体地说交流发电机、尤其是三相发电机。但是，该电机也可通过相应的控制用作起动机发电机。该电机10尤其具有两件式的壳体13，该壳体包括第一轴承盖13.1和第二轴承盖13.2。轴承盖13.1和轴承盖13.2将所谓的定子16容纳在其中，该定子包括基本上圆环形的定子铁心17，在其朝向径向内部的轴向延伸的槽中插入定子绕组18。该环形的定子16通过其径向向内的开槽的表面(该表面为在电磁方面起作用的表面19)包围转子20，该转子在此例如构造成爪极转子。
转子20尤其包括两个极板22和23，在轴向方向上延伸的爪极指作为可电磁极化的爪极24和25分别布置在极板的外周边处。两个极板22和23布置在转子20中，使得其在轴向方向上延伸的爪极24或25在转子20的周边处彼此交替。因此，转子20同样具有在电磁方面起作用的表面26。通过在周边处交替的爪极24和25产生在磁方面所需的间隙21，所述间隙在此也被称为爪极间隙。转子20借助于轴27和在每一转子侧各设一个的滚动轴承28可旋转地支承在相应的轴承盖13.1或13.2中。
转子20总共具有两个轴向端面，在这两个轴向端面处分别固定有通风器30。通风器30基本上由板形的或盘形的区段组成，通风器叶片以已知的方式起始于该区段。该通风器30用于通过在轴承盖13.1和13.2中的孔40实现例如从电机10的轴向端侧穿过电机10的内腔到位于径向外部的环境的空气交换。为此，孔40基本上设置在轴承盖13.1和13.2的轴向端部处，通过所述孔借助于通风器30将冷却空气吸入电机10的内腔中。该冷却空气通过通风器30的旋转朝向径向外部加速，从而冷却空气可穿过对于冷却空气来说可通过的基本上环形的绕组端部45。通过该效应冷却绕组端部45。冷却空气在穿过绕组外伸段或者说绕组端部45之后或者在绕该绕组端部45环流之后通过这里在图1中未示出的孔朝向径向外部流出。
在图1中示出的并且位于发电机右侧上的保护罩47保护不同的构件免受环境影响。即，保护罩47例如覆盖所谓的滑环组件49，该滑环组件用于给励磁绕组51供给励磁电流。围绕该滑环组件49布置冷却体53，其在此用作正极冷却体。该正极冷却体之所以称为正极冷却体，是因为其与蓄电池(例如起动机电流供给装置)的正极导电连接。轴承盖13.2用作所谓的负极冷却体。在轴承盖13.2和冷却体53之间布置有接线板56，该接线板用于使布置在轴承盖13.2中的负二极管58和在此未在该视图中示出的在冷却体53中的正二极管相互连接并且由此呈现出本身已知的桥式电路。
因此，在图1中公开了一种具有定子16的电机10，该定子具有定子铁心17。定子铁心17具有基本上圆柱形的具有中央轴线63的孔60，也见图2。该孔60容纳转子20。定子铁心17具有轴向长度L17a，并且定子铁心17保持定子绕组18。此外，定子铁心17具有内直径D17i和外直径D17a。转子20也具有旋转轴线66，其在装配好的状态下与中央轴线63重合。
转子20具有轴向端面69，具有通风器叶片72的通风器30布置在该轴向端面69处。通风器与转子20不可相对旋转地(优选是直接地)连接。
转子20具有可电磁激励的路径75，该路径具有极芯78，在该极芯上在两个沿旋转轴线方向的端部80、82处各连接一个极板22、23：具有北极极性的爪极24起始于一个极板22，并且具有南极极性的爪极25起始于另一极板23，其中，爪极24和25根据北极极性和南极极性在转子20的周边处交替。径向地布置在爪极24、25之内的极芯78具有沿旋转轴线方向的长度L78。
在图3中可看到转子20的展开的外周边的示意图。可看到爪极24和25的梯形面84和85，其将电磁通量通过本身作为转子20的边界面引导到定子16的齿处的边界面，并且从该处吸收电磁通量。转子20具有已经阐述的具有纵向86的在两个相邻的极性相反的爪极24、25之间的间隙21。纵向86与在爪极24和25之间的中线重合。如果该间隙例如由爪极24和25的彼此平行延伸的侧面限定，则该中线在爪极24和25的侧面之间的中心中延伸。
如图4所示，在两个爪极24、25之间的一个间隙21中插入永磁装置88。该永磁装置88具有在间隙21的纵向86上的长度L88(除了在磁性上不活跃的区段、例如保持元件之外)。该永磁装置88用于补偿在具有北极极性的爪极24和具有南极极性的爪极25之间的电磁或磁的漏损通量。规定，永磁装置88的长度L88和极芯的沿旋转轴线方向的长度L78的比例大于1.3。也就是说，爪极24和25的尖端123和124分别伸入极性相同的爪极根部130和131的间隙89和91中。换句话说：北极的爪极124的尖端123伸入两个南极的爪极125的两个爪极根部131之间。在此，爪极根部应限制于沿轴向与爪极124、125的悬臂部分连接的体积范围。图4A示出了一个相应的图表，该图表在考虑永磁体的情况下仿真得到。一方面，关于L88/L78的比例示出了在全负荷和1800/min的转子转速的情况下所产生的电流IG的变化曲线，另一方面，该图表示出了在18000/min时在怠速运转且定子绕组18中的激励电流IE为零安培时感应电压Ui的变化曲线。所希望的为1.3的L88/L78的最小比例以感应电压Ui的变化曲线的转折点为基础。所希望的优选的大于1.6的L88/L78的比例以感应电压Ui的变化曲线的开始的剧烈下降为基础。通过选择比例L88/L78＞1.6保证，通过永磁体感应的电压小于二极管的齐纳电压。该齐纳电压通常＞＝20V。
在一种变型方案中规定，永磁装置88的长度L88和极芯78的沿旋转轴线方向的长度L78的比例大于1.6。
此外定义，定子绕组18具有绕组端部45，该绕组端部具有导线连接器93，该导线连接器在沿旋转轴线方向的长度L93上从定子铁心17引出并且又引回到该定子铁心17。如果所述导线连接器93是伸出最远的导线连接器93(图5)，则其同时是绕组端部L45的沿旋转轴线方向的长度。通风器30径向地布置在绕组端部45之内(图1和图5)。由绕组端部45和通风器30共同在沿旋转轴线的方向上覆盖的在长度L45a上的区域以及在此导线连接器93的由通风器30沿旋转轴线方向覆盖的长度L93的份额应大于0.5、优选地大于0.7。L45a相对于L45或L45a相对于L93的比例相应地应大于0.5，优选地大于0.7。
定子绕组18被插入定子铁心的径向向内打开的槽96中(图6)。在此，定义了槽96的电磁有效的面100。该面100通过齿103和槽底106在朝向磁轭109的方向上限定。不考虑在两个齿顶115之间的槽隙112中的面110，因为在该结构形式中，该空间未设置成用于布置绕组。在槽96的电磁有效的面100之内并且被槽衬116包围地，分别设有定子绕组18的电磁有效的绕组组件117，其包括例如相绕组或者说支路绕组的线圈侧118。绕组组件117包括具有电有效的导线横截面积A120的至少一个导线横截面120，其中，至少一个导线横截面积A120进而在一个槽(96)中的所有导线横截面(120)与电磁有效的面100的比例小于0.5。
图7示出了这样的图表，在其中，在x轴上示出了可计算的对于D17i和D17a的不同变量给出的比例(D17i/D17a)。极芯78具有直径D78和沿旋转轴线方向的长度L78。图7的右侧绘出的y轴给出为多种变型方案假设的L78和D78的比例。在该设计方案的范围中，不同的比例证实为适宜的：极芯78的沿旋转轴线方向的长度L78和极芯78的直径D78的比例应在0.21至0.36之间、优选地在0.225和0.348之间，且尤其优选地在0.25至0.33之间。定子铁心17的内直径D17i和定子铁心17的外直径D17a之间的比例应大于0.788并且小于0.854，优选地大于0.795并且小于0.848并且尤其优选地在0.802至0.841之间，也见图7，该图为在不考虑永磁体的情况下仿真所得。
此外规定，在极板22、23的两个彼此背离的侧面69、90之间的电磁路径75具有沿旋转轴线方向的长度L75，其中，定子铁心17的轴向长度L17a和转子20的电磁路径75的沿旋转轴线方向的长度L75的比例在0.68至1.0之间、优选地在0.70至0.95之间(图8)。该图为在未考虑永磁体的情况下仿真所得。在此，关于定子铁心17的长度L17a和电磁路径75的沿旋转轴线方向的长度L75的比例绘出了在1800l/min时输出电流IGL和最大输出电流IGL,max的比例。
在一种变型方案中规定，直径D17i和极芯78的沿旋转轴线方向的长度L78的比例大于5.0。
在图9中以另一放大的端面图示出了定子铁心17。该定子铁心17(如已经提及的那样)保持定子绕组18，该定子绕组容纳在径向向内打开的槽96中。每个槽96在两个周向上分别通过一个齿103限定，其中，齿103在周向上具有最小齿宽B103并且在径向上具有齿高H103。对于齿高H103和最小齿宽B103的比例，0.45至1.02的范围应适用。优选地，对于齿高H103和最小齿宽B103的比例，0.53至0.96的范围应适用(图10)。该图为在不考虑永磁体的情况下仿真所得。
结合最后所述的槽截面的设计方案，此外应适用的是，定子铁心17的轴向长度L17a和极芯78的沿旋转轴线方向的长度L78的比例大于1.8且小于2.68，优选地大于1.9且小于2.42(图11)。该图为在不考虑永磁体的情况下仿真所得。
可以不同的方式定义极芯78：在图1中示出的变型方案是环形圆柱形的极芯78，该极芯被推到轴27上并且与极板22、23分离。另一已知的结构形式规定了一种由两个相应的附接物实施而成的极芯78，两个附接物中的每一个都一体模制到极板22、23处。通过将两个附接物彼此面对地推到轴27上产生等同的极芯78。极芯长度L78在此是附接物的沿旋转轴线方向的长度的总和。
此外尤其优选的是，每个槽的导线横截面120的数量为刚好四个。
在永磁装置88方面应指出，间隙21根据情况应完全通过作为永磁装置88一部分的一个或多个永磁体占据或填充。该一个或多个永磁体应在旋转轴线的方向上布置在爪极24和25的尖端123和124之间的中心。此外规定，例如可在图1中看出的(优选地从尖端123和124到爪极24和25的爪极根部130和131的)用于容纳一个或多个永磁体的侧面127和128或者以非切削的方式加工或者以切削的方式加工，特别是在间隙21的纵向86上连续地加工。为了容纳一个或多个永磁体，作为在永磁体和爪极24和25之间的机械的中间件而设置有保持元件，其固定在爪极24和/或25处并且自身分别用于固定永磁体。该保持元件可在槽中单个地单件式地布置在两个爪极24和/或25之间，或者为将多个永磁体保持在不同的间隙21中的组合保持器。作为组合保持器，其可环形地或者弯弯曲曲地在径向和/或轴向上成型。永磁体自身可少于爪极24和25的数量(例如仅仅为爪极24和25的数量的一半，并且在此例如仅仅在每第二个间隙21中)，但是也可为爪极24和25的数量的两倍。永磁体可由铁氧体或者稀土制成。

Claims (8)

1.一种电机(10)，所述电机具有：定子(16)，所述定子(16)具有定子铁心(17)，所述定子铁心(17)具有基本上圆柱形的带有中央轴线(63)的孔(60)和内直径(D17i)以及外直径(D17a)，并且所述孔(60)容纳转子(20)，其中，所述定子铁心(17)具有轴向长度(L17a)，并且所述定子铁心(17)保持定子绕组(18)，所述电机具有；转子(20)，所述转子(20)具有旋转轴线(66)，其中，所述转子(20)具有轴向的端面(69)，具有通风器叶片(72)的通风器(30)布置在所述端面处，所述通风器与所述转子(20)不可相对旋转地连接，其中，所述转子(20)具有能电磁激励的路径(75)，所述路径(75)具有极芯(78)，在该极芯上在两个沿旋转轴线方向的端部(80、82)处各连接有一个极板(22、23)，其中，具有北极极性的爪极(24)始于一个极板(22)并且具有南极极性的爪极(25)始于另一极板(23)，其中，所述爪极(24、25)按照北极极性和南极极性在所述转子(20)的周边上交替，并且在所述极板(22、23)的两个彼此背离的侧面(69、90)之间的电磁路径(75)具有沿旋转轴线方向的长度(L75)，其中，所述定子铁心(17)的轴向长度(L17a)和所述转子(20)的电磁路径(75)的沿旋转轴线方向的长度(L75)的比例在0.68至1.0之间，其中，所述极芯(78)具有直径(D78)和沿旋转轴线方向的长度(L78)，并且所述极芯(78)的沿旋转轴线方向的长度(L78)和所述极芯(78)的直径(D78)的比例处于0.21至0.36之间，并且所述定子铁心(17)的内直径(D17i)和所述定子铁心(17)的外直径(D17a)的比例大于0.788且小于0.854。
2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述极芯(78)的沿旋转轴线方向的长度(L78)和所述极芯(78)的直径(D78)的比例处于0.225和0.348之间，并且，所述定子铁心(17)的内直径(D17i)和所述定子铁心(17)的外直径(D17a)的比例大于0.795且小于0.848。
3.根据权利要求2所述的电机，其特征在于，所述极芯(78)的沿旋转轴线方向的长度(L78)和所述极芯(78)的直径(D78)的比例处于0.25和0.33之间，并且，所述定子铁心(17)的内直径(D17i)和所述定子铁心(17)的外直径(D17a)的比例大于0.802且小于0.841。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其特征在于，所述定子铁心(17)的轴向长度(L17a)和所述转子(20)的电磁路径(75)的沿旋转轴线方向的长度(L75)的比例在0.68至1.0之间、优选地在0.70至0.95之间。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其特征在于，所述定子绕组(18)具有绕组端部(45)，所述绕组端部具有导线连接器(93)，所述导线连接器在沿旋转轴线方向的长度(L93)上从所述定子铁心(17)引出并且又被引回到所述定子铁心，并且在此所述通风器(30)沿径向设置在内部，并且所述导线连接器(93)的长度(L93)的由所述通风器(30)沿旋转轴线方向覆盖的份额大于0.5、优选地大于0.7。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其特征在于，所述定子铁心(17)的基本上圆柱形的孔(60)的内直径(D17i)和所述极芯(75)的沿旋转轴线方向的长度(L78)的比例大于5.0。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其特征在于，所述定子绕组(18)插入所述定子铁心(17)的沿径向向内打开的槽(96)中，其中，所述槽(17)分别具有电磁有效的面(100)，所述定子绕组(18)的电磁有效的绕组组件(117)分别位于所述电磁有效的面中，其中，所述绕组组件(117)包括具有电有效的导线横截面积(A120)的至少一个导线横截面(120)，并且其中，由所述至少一个导线横截面积(A120)组成的在一个槽(96)中的所有横截面(120)和所述电磁有效的面(100)的比例小于0.5。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其特征在于，所述转子(20)具有在两个相邻的极性相反的爪极(24、25)之间的具有纵向(86)的间隙(21)，其中，在所述两个爪极(24、25)之间的一个间隙(21)中插入永磁装置(88)，该永磁装置用于补偿在具有北极极性的爪极(24)和具有南极极性的爪极(25)之间的漏损通量。
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