JP5566386B2 - 電気機械 - Google Patents

Description

本発明は、先行する独国特許出願第１０ ２００７ ０２５ ９７１．０号明細書に記載されているような電気機械から出発している。この種のハイブリッド励磁式同期機は特に自動車の車載電源網への給電に適している。このハイブリッド励磁式同期機は発電機モードにおいて制御された誘導電圧を多層固定子巻線系において使用し、回転子の磁極は磁気的及び／又は電気的に励磁される。

発明の開示
独立請求項の特徴部分に記載された本発明による電気機械の利点は、本発明による回転子溝の形態によって、励磁巻線が、問題を引き起こすことなく、高い充填効率と、僅かな平均巻線長と、電気的に低い抵抗を実現できる点にある。その他にも本発明による溝の幾何学形態、特に回転子円周面における複数の永久磁石の配置構成によれば、永久磁石による付加的な励磁が得られ、特に有利には回転子の構成が低い電気的及び磁気的抵抗獲得のために最適化される。またそのような溝への自動巻回も何の問題もなく可能であり、またそのようにして回転子巻線を部分コイルに分割することも非常に容易である。前記部分コイルは、有利にはローターシャフトの両側で対称に配置することも可能である。これにより回転子の不平衡も最小化される。

従属請求項に記載されている手段によれば、独立請求項に記載されている電気機械の有利な構成例及び改善例が実現される。この場合有利には、回転子溝が溝基底部において両側で溝中心方向に傾斜し、特に貫通孔部方向へ円形に湾曲し、回転子軸の貫通孔部に対して同心的に構成されている。これにより一方では、巻回過程が容易となる。なぜなら励磁巻線の個々の巻線が、僅かな側方案内だけで、溝隅方向に下降する溝断面によって溝の全ての領域に到達し、高い充填効率が可能となるからである。それと同時に励磁巻線の巻回長と電気的な抵抗も最小化される。

溝側壁は有利には溝中心に向かって湾曲している。そのためこれらの溝は全体として実質的に鐘型の断面形態となる。またこの場合の回転子の溝縁部に沿った鉄心断面も特に効率的な手法でそのつどの磁束の大きさに適合化でき、さらに回転子成層鉄心と磁極間の磁気抵抗も低減され得る。

特に回転子の電気的な二極式の基本励磁の場合には、本発明による溝の形態によって達成可能な利点が顕著となる。そのようなケースでは回転子はその周面に２つの溝しか有さない。それらの溝には、回転子軸に対して対称的に配置された２つの実質的に同じ分割コイルからなる励磁巻線が特に有利な形態で収容可能である。この溝の例えば従属請求項に記載されているような適切な構成と設計仕様のもとでは、製造技術的な観点のみでなく、電気的及び磁気的抵抗の観点からも非常に良好な結果が得られる。

電気的な絶縁部分として回転子の溝内部に設けられる絶縁フィルムないし絶縁薄膜の確実でかつ永続的な固定は、次のことによって得られる。すなわちこれが、磁極の内側における溝開口部領域内へ適切な手法で固定すること、特に磁極内側のスリット内へ固定することで得られる。この場合有利には、当該絶縁フィルムの固定のためのスリットが後方区分として磁極内へ、有利には側方の溝壁部の延在方向に形成されている。絶縁フィルムは有利には剛性の高い絶縁ペーパーからなる。

本発明のさらなる個々の特徴及び構成は、従属請求項及び実施例の説明からも明らかとなる。

極性変化装置内にハイブリッド励磁式回転子を備えた自動車用交流発電機の断面図 ６つの永久磁石で励磁される磁極を有する二極励磁式で総数１４極の電気機械のための回転子成層区分を示した図 回転子軸に対して対称に配置された２つの分割コイルを備えた二極励磁式の本発明による電気機械をエンドシールドを外して示した透視図 本発明による交流発電機の回転子の一部を溝絶縁部材と共に示した部分図

図１には、自動車用交流発電機としての実施形態で電気機械１０の断面が示されている。この電気機械１０は二分割式のハウジング１３を有しており、このハウジング１３は、第１のエンドシールド１３．１と第２のエンドシールド１３．２から形成されている。前記第１及び第２のエンドシールド１３．１、１３．２は固定子１６を収容している。この固定子１６は、環状の固定子成層鉄心１７を備え、該成層鉄心の内部へ開口し軸方向に延在している溝１９内には、固定子巻線１８が挿入されている。前記環状の固定子１６の半径方向内側表面は回転子２０を取り囲んでおり、この回転子２０は、ハイブリッド励磁式回転子として構成されている。固定子１６は、作用空隙を介して、固定子１６内に回転可能に支承されている回転子２０と協働している。

回転子２０は、その周面に亘って所定の順序で複数のＮ極（Ｎ）とＳ極（Ｓ）を有しており、これらの磁極は永久磁石２４，２５並びに励磁巻線２９によって構成されている。この場合回転子２０の極数は、励磁巻線２９内の励磁電流Ｉｅの向きと強度に依存しており、さらに取付けられた永久磁石の数によって変化し得る。

回転子２０は、成層鉄心２１として構成されている導磁性体を有している。この回転子成層鉄心は、厚さ約０．１ｍｍ〜２．０ｍｍの薄板を軸方向に積み重ねたものである。前記厚みが０．１ｍｍ以下の場合には、前記成層鉄心２１の遠心力に対する抵抗力が弱すぎる。前記厚みが２．０ｍｍ以上の場合には、回転子２０の外周面における渦電流損の低減がもはや不十分となり、組込まれている永久磁石２４，２５の損傷ないし消磁作用が起こり得る。

回転子成層鉄心２１の軸方向の長さは、有利には環状の固定子成層鉄心１７の軸方向の長さに相応するか、ないしは許容誤差として固定子成層鉄心１７よりも２ｍｍまでは長くてもよいし短かくてもよい。また有利には溶接接合によって接続されていてもよい。さらに溶接の変わりにリベット留めやノブ（Knoepfungen）などが用いられてもよい。

励磁巻線２９は例えば二極型の変形例において直径方向に延在するコイルとして構成されて、前記成層鉄心２１から打抜き加工された溝４０内に挿入されていてもよい。励磁巻線２９は、例えばフライヤ巻線（ダブルフライヤ）として回転子成層鉄心２１内へ直接巻回されてもよい。さらに回転子成層鉄心内では空隙領域４１が形成され、この領域内に永久磁石２４，２５が挿入可能である。

本発明によれば有利には、打抜き加工された領域４１内に前記磁石２４，２５が挿入される。これによって、作動中に発生する遠心力を受容し、回転子上での磁石の確実な保持が保証される。磁石材料としては１Ｔ以上の残留誘導ないし残留磁気特性（Remanenzinduktion）を有する材料が有利であることがわかっている。このような磁気特性は、特に希土類元素材料からなる永久磁石が有している。この磁石は回転子に次のようにして埋込まれる。すなわち実質的に半径方向の磁界が形成されるように埋込まれる。この磁界は、回転子から空隙を介して固定子成層鉄心１７内へ入り込み、回転子の回転に伴って固定子巻線内で電圧を誘起する。

回転子２０は、軸２７とそれぞれ回転子側にある玉軸受け２８を用いて、それぞれのエンドシールド１３．１ないし１３．２内で回転可能に支承されている。回転子２０は軸方向に２つの端面を有し、該端面のそれぞれにファン３０が固定されている。このファン３０は実質的にプレート状ないしはディスク状の区分からなっており、公知形式のように複数の羽によって構成されている。このファン３０は、エンドシールド１３．１ないし１３．２内への開口部４８を介して電気機械１０の内部空間と外部との間で空気の入れ換えを可能にするために用いられている。それに対して開口部４８は、エンドシールド１３．１ないし１３．２の軸方向端部に設けられており、この開口部を介して前記ファン３０を用いて冷却空気が当該電気機械１０の内部空間に吸気される。この冷却空気はファン３０の回転によって半径方向外側に向けて加速され、それによって冷却空気は駆動側の巻線ヘッド５０と電子回路側の巻線ヘッド５１を通過することが可能となる。この効果によって前記巻線ヘッド５０，５１は冷却される。冷却空気は巻線ヘッド５０，５１を通過した後で、図には示されていない開口部を通って半径方向で外部に向けて放出される。

図１の右側には保護キャップ４７が描写されており、この保護キャップ４７は、様々な構成部材を外部の影響から保護している。それにより、この保護キャップ４７は、励磁巻線２９に励磁電流を供給するためのスリップリングユニット４９を覆っている。このスリップリングユニット４９を取り囲むように冷却体５３が設けられており、この冷却体５３はプラス側冷却体として作用し、そこにはプラス側ダイオード５９が設けられている。いわゆるマイナス側冷却体としてはエンドシールド１３．２が作用する。エンドシールド１３．２と前記冷却体５３の間には、接続プレート５６が設けられており、この接続プレート５６は、エンドシールド１３．２内に固定されているマイナス側ダイオード５８とプラス側ダイオード５９をブリッジ回路の形態で相互に接続している。

図２には、二極型の基本励磁を伴う全部で１４極の電気機械１０の回転子成層区分が示されており、これは４つのＮ極３２と、４つのＳ極３４に分割され、さらに６つの永久磁石励磁型の磁極２４，２５を有している。図中の上半部のＮ極３２と下半部のＳ極３４において生成される電気的な励起のもとで、永久磁石はそれぞれ対抗的に磁化され、それによって前記永久磁石は回転子２０の周面において上半部ではＳ極２５を、下半部ではＮ極２４を形成する。永久磁石２４，２５は、それぞれポケット４３内に保持されており、これらのポケットは電気的に励磁される磁極３２，３４間で回転子成層鉄心２１から打抜き加工されている。これらのポケット内には、永久磁石が特に機械の作動中の高い遠心力に対して確実に保持されている。

機械の高い電力密度を達成するためには、前記永久磁石２４，２５として有利には希土類元素からなる磁石が挿入される。機械の電力密度に対する要求がそれほど高くない場合には、それに代えてフェライト性の磁石が永久磁石として用いられる。機械の磁極数に関しては、代替的に、特に二極式励磁のケースでは、選択的に４つ若しくは８つの永久磁石が電気的に励磁される磁極間に装填されてもよい。これによって機械の総極数も相応に変化する。

図２に示されている回転子成層区分は、２つの鐘型の溝４０を有しており、これらの溝は溝基底部４４に関して若しくは基底部４４に向けて不均化ないし不均等に幅Ｂまで拡張されている。この幅Ｂの値は回転子軸２７の直径ｄ若しくは回転子軸２７を貫通させるための孔部４６の直径ｄよりも大である。溝４０の最大幅Ｂは、回転子直径Ｄに対応付けられ、最大でも回転子直径Ｄの４０％である。この溝の構成は、２つの分割コイルへの励磁巻線の分割を容易にさせる。前記分割コイルは、最小化された巻線ヘッドを有し、当該巻線ヘッド５０，５１内で相応に低減された電気抵抗を有し、回転子軸２７の両側で、対称的にかつ均等に分割されて配置されている。回転子成層鉄心２６内の２つの励磁溝４０の最小間隔としてここでは回転子直径Ｄの２０％〜４５％の間の値範囲が有利であることが判明している。このような狭幅箇所での回転子鉄心の寸法は、十分な磁束断面積を保証する。

回転子２０の溝４０は、さらに溝基底部４４が両側で溝中心に向けて傾斜するように、有利には円形の湾曲部となるように構成されてもよい。それにより溝基底部４４は回転子軸２７の貫通孔部４６に対して同心的に延在する。溝基底部４４の半径Ｒの値は、回転子成層鉄心２６内で均等に維持される十分な磁束断面積を保証するためにも、回転子軸２７の半径（ｄ/２）の値の２倍から４倍の値の範囲におかれている。

溝４０の鐘形の形態は、さらに次のことによっても特徴付けられる。すなわち側方の溝壁部３９が溝中心方向に湾曲していることによっても特徴付けられる。それによりこの領域における溝の直ぐ側に存在する電気的に励磁される磁極３２，３４に対する磁束に対して、十分な鉄心断面が利用されることとなる。回転子鉄心のこの領域におけるさらなるパラメータは、そこに配置されている永久磁石２４，２５の隣接する縁部から励磁溝４０の側縁までの側縁間隔ｂである。永久磁石２４，２５の角と隣接する溝縁部との間の十分な断面積を保証するために、そこにおける前記側縁間隔ｂが、電気的又は永久磁石によって励磁される回転子磁極の極ピッチτの値の２５％〜１００％の間の値におかれる。

図３には本発明による同期機のエンドシールド１３．２を外して示した透視図が示されている。この機械は、二極式の電気的な基本励磁部分を有している。この場合励磁巻線２９は２つの実質的に同じ分割コイル２９ａ、２９ｂに分割されており、これらの分割コイルは回転子軸２７を両側から取り囲み当該軸に対して対称に配置されている。回転子２０の成層鉄心１７はこの場合図２に示されている鐘側溝２を有する成層区分に対応しており、そこからは溝開口部４５のみが識別できる。励磁巻線の２つの分割コイル２９ａ、２９ｂの巻線ヘッドは、ファン３０の基準プレート６３を包括している。この場合励磁巻線２９は溝４０を完全にふさいでおり、さらに次のように構成されている。すなわち励磁溝４０内の銅質量ｍ_Nの巻線ヘッドの銅室量ｍ_Wに対する比の値が、０．４〜２．５、有利には０．５〜１となるように構成されている。溝内若しくは巻線ヘッド内の巻線部分の質量比はそれぞれのワイヤ長に対応し、前記比において励磁巻線２９の構成と固定子巻線１８の構成に関する有利な妥協を表わすものである。この場合溝ないし巻線ヘッド内の銅質量の前記比は、固定子における方が回転子における場合よりも大である。固定子１６からは図３においては固定子巻線１８の巻線ヘッド並びに成層鉄心１７しか識別できないが、それは図１の描写に対応して二分割のハウジング１３のエンドシールド１３．１内に置かれている。この場合本発明による電気機械のハイブリッド励磁式回転子２０の前述した形態は、耐久性、磁束誘導効率、製造手法、短い巻線ヘッド接続等に関する有利な妥協である。

図４には、図２に基づいて既に説明したように、溝４０を有する回転子２０の成層鉄心２１の一部が透視図で示されている。ここでは同じ部材に対しては同じ符号が用いられている。

図４中の励磁巻線２９は、陰影線のみで表わされている。この励磁巻線は回転子成層鉄心２１の薄板に対してフィルム３８を用いて絶縁されている。この絶縁フィルムは有利には絶縁ペーパーからなっている。絶縁フィルム３８は、溝開口部４５の領域において磁極３２，３４の内側３３，３５に支持されており、そこにおいて磁極３２，３４内の後方区分として構成され側方溝壁部３９の延在方向に延在するスリット３６に固定されている。この後方区分としてのスリット３６内への溝絶縁部の固定の方式は、基本的には、図示の鐘形溝に対する場合とは異なった溝形態に対しても利用可能である。但しそのような溝形態の場合には、提案された溝絶縁部の固定の利点が特に役立つ。なぜなら絶縁フィルムがそのような溝形態に基づいて、溝開口部の領域において溝内部方向へずれるように傾斜し、それによって励磁巻線２９の挿入が邪魔される可能性があるからである。

さらに溝開口部４５の領域においては、くさび形部分３７が入り込み、これは磁極３２，３４の内側３３，３５において巻線の絶縁を向上される。絶縁膜３８はその位置において固定され、励磁巻線２９は高い遠心力に対して支持される。

Claims (18)

1. 自動車の車載電源網への給電のための電気機械であって、
   多層の固定子巻線（１８）を備え成層化された固定子（１６）と、
   励磁巻線（２９）を備えた成層化された回転子（２０）と、
   を有し、
   前記励磁巻線（２９）は、回転子周面の溝（４０）内に配置されている電気機械において、
   回転子の溝（４０）の溝幅が、溝開口部（４５）から溝基底部（４４）に向けて非線形に増加し、
   側方溝壁部（３９）は、溝開口部（４５）と回転子軸（２７）とを結んだ線に向けて湾曲している、
   ことを特徴とする電気機械。
2. 前記電気機械は、発電機である、
   請求項１記載の電気機械。
3. 前記溝基底部（４４）は、溝中心に向けて傾斜している、
   請求項１記載の電気機械。
4. 前記溝基底部（４４）は、溝開口部（４５）に向けて湾曲している、
   請求項１から３いずれか１項記載の電気機械。
5. 前記溝基底部（４４）は、円形に湾曲し、回転子軸（２７）の貫通孔部（４６）に対して同心的に構成されている、
   請求項１から４いずれか１項記載の電気機械。
6. 回転子（２０）が電磁的に二極式に励磁され、回転子周面に２つの溝（４０）を有し、前記溝内に、回転子軸（２７）に対して対称に配置された２つの分割コイル（２９ａ，２９ｂ）からなる回転子巻線（２９）が挿入されている、
   請求項１から５いずれか１項記載の電気機械。
7. 前記回転子（２０）はさらにその周面に、電磁的な励磁ための４個又は６個又は８個の永久磁石（２４，２５）を有している、
   請求項６記載の電気機械。
8. 前記溝の溝基底部（４４）における溝幅（Ｂ）が、回転子軸（２７）の直径（ｄ）よりも大であり、さらに回転子直径（Ｄ）の値の４０％の値よりも小である、
   請求項６または７記載の電気機械。
9. 回転子成層鉄心（２６）における励磁用の２つの溝（４０）の最小間隔（ａ）は、回転子直径（Ｄ）の値の２０％〜４５％の値範囲にある、
   請求項６から８いずれか１項記載の電気機械。
10. 前記溝の溝基底部（４４）は、円形に湾曲されており、回転子軸（２７）の半径（ｄ/２）の値の２倍から４倍の値範囲にある半径（Ｒ）を有している、
    請求項６から９いずれか１項記載の電気機械。
11. 前記溝（４０）と隣接する永久磁石（２４，２５）縁部との間の側方間隔（ｂ）の値は、回転子磁極（２４，２５；３２，３４）の極ピッチ（τ）の値の２５％〜１００％の値範囲にある、
    請求項１から１０いずれか１項記載の電気機械。
12. 励磁用の溝（４０）を完全にふさぐ前記励磁巻線（２９）銅質量（ｍ_N）の値と、回転子（２０）におけるコイルエンドである巻線ヘッドの銅質量（ｍ_W）の値と、の比は、０．４〜２．５である、
    請求項１から１１いずれか１項記載の電気機械。
13. 回転子の溝（４０）内に絶縁フィルム（３８）が設けられており、該絶縁フィルム（３８）は磁極（３２，３４）の内側（３３，３５）における溝開口部（４５）領域に固定されている、
    請求項１から１２いずれか１項記載の電気機械。
14. 前記絶縁フィルム（３８）は溝開口部（４５）領域において磁極（３２，３４）の内側のスリット（３６）内に固定されている、
    請求項１３記載の電気機械。
15. 前記絶縁フィルム（３８）の固定用のスリット（３６）は、溝開口部（４５）側方の磁極（３２，３４）に、溝基底部（４４）から溝開口部（４５）に向かう方向に形成されている、
    請求項１３または１４記載の電気機械。
16. 前記絶縁フィルム（３８）の固定用のスリット（３６）は、側方溝壁部（３９）の延在方向に延在している、
    請求項１３から１５いずれか１項記載の電気機械。
17. 前記絶縁フィルム（３８）は、絶縁ペーパーからなっている、
    請求項１３から１６いずれか１項記載の電気機械。
18. 前記溝（４０）は、くさび形部分（３７）によって遮蔽されている、
    請求項１３から１７いずれか１項記載の電気機械。

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