Elektrische Maschine mit hybriderregtem Rotor

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem ortsfesten Ständer und einem hybriderregten Rotor nach der Gattung des Patentanspruchs 1.

Derartige Synchronmaschinen eignen sich sowohl zum Betrieb an einem festen

Netz, zum Beispiel einem ortsfesten Drehstromnetz, als auch zum Betrieb über einen elektronischen Umrichter. Des Weiteren sind derartige Maschinen im Generatorbetrieb zur Regelung der induzierten Spannung in einem mehrphasigen Ständerwicklungssystem geeignet, wie sie beispielsweise in Bordnetzen von Kraftfahrzeugen benötigt werden. Bei diesen elektrischen

Maschinen sind die Pole am Umfang des Rotors zum Teil permanent magnetisch und zum anderen Teil elektrisch erregt.

So sind aus der WO 2004/017496 polumschaltbare Synchronmaschinen bekannt, bei denen eine Polumschaltung des Rotors über eine änderung der

Stromrichtung in den Erregerspulen des Polrades erfolgt, die zur Steuerung der Ausgangsspannung einer mehrphasigen Ständerwicklung dient. Durch eine kontinuierliche Regelung des Erregerstromes kann dabei die Ausgangsspannung der für die höhere Polzahl ausgelegten mehrphasigen Ständerwicklung in weiten Bereichen beeinflusst werden. Dort werden beispielsweise gemäß Figur Ia und

Ib bei einer zwischen zwölf- und sechspolig umsteuerbaren Anordnung drei radial magnetisierte Dauermagnete sowie drei Erregerspulen benötigt, wobei die Erregerspulen mit einer Schrittweite von einer Polteilung der höheren Polzahl auf jeweils einen radial zum Umfang ausgerichteten Schenkel angeordnet sind. Nachteilig dabei ist, dass für eine symmetrische Polanordnung für jeden

Permanentmagneten eine Erregerspule für eine entsprechende Durchflutung benötigt wird. Das erfordert einen entsprechend großen Kupferquerschnitt und Platzbedarf am Rotor. Ferner ist nachteilig, dass dort die Permanentmagnete am Rotorumfang gleiche Polarität haben, weil dadurch ihre Aufmagnetisierung im eingebauten Zustand erschwert ist, indem der magnetische Rückfluss über benachbarte Pole erfolgen muss.

Weitere Ausführungsformen derartiger Synchronmaschinen sind aus der WO 99/67871 bekannt. Dort sind jedoch im Rotor die Permanentmagnete in Radialrichtung aufgestellt und sehnenartig magnetisiert. Auch hier sind zwischen den Permanentmagneten Erregerspulen auf jeweils einem radial zum Umfang verlaufenden Schenkel angeordnet, die eine Schrittweite von einer Polteilung der höheren Polzahl aufweisen. Ebenso ist hier bei einer symmetrischen Polanordnung die Anzahl der Erregerspulen gleich der Anzahl der Permanentmagnete, wobei alle Erregerspulen auf die volle Durchflutung ausgelegt sein müssen. Für eine Maschine mit zwölfpoligem Rotor werden sogar vier Erregerspulen mit entsprechend großem Kupferquerschnitt und Platzbedarf benötigt. Auch hier ist ferner nachteilig, dass eine vollständige Aufmagnetisierung der Permanentmagnete im eingebauten Zustand am Rotor praktisch nicht realisierbar ist, da mit einem Magnetisierkopf am Rotorumfang die innen liegenden Bereiche der Permanentmagnete nicht in vollem Umfang erreicht werden.

Aus der US 2007/0090713 Al ist eine mehrphasige elektrische Maschine mit einem polumschaltbaren, hybrid erregten Rotor bekannt, die in Kraftfahrzeugen sowohl im Motorbetrieb zum Starten des Fahrzeugantriebes als auch im Generatorbetrieb zur Versorgung des Fahrzeug-Bordnetzes zum Einsatz kommt. Zur Optimierung dieser Doppelfunktion ist die Ständerwicklung der Maschine mit einer Polzahl ausgelegt, die der kleineren Polzahl des polumschaltbaren Rotors entspricht. Außerdem ist zur Reduzierung der elektromagnetischen Verluste der

Maschine die Ständerwicklung in Sternschaltung mit einer Sternpunkt- Kopplung des nachgeschalteten Brückengleichrichters versehen, womit im Generatorbetrieb die Welligkeit der abgegebenen EMK verringert wird.

Offenbarung der Erfindung

Mit der vorliegenden Lösung wird angestrebt, die elektrische Maschine vorzugsweise für den Generatorbetrieb auszulegen, die elektromagnetischen Verluste ohne zusätzlichen Schaltungsaufwand gering zu halten und bei gleicher

Leistung der elektrischen Maschine den insgesamt erforderlichen Querschnitt für die Erregerspulen des Rotors zu verringern und damit die benötigte Kupfermenge sowie den Platz und den Leistungsbedarf für die elektrische Erregung zu reduzieren.

Bei elektrischen Maschinen mit einem hybriderregten Polrad ergibt sich mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 der Vorteil, dass durch das Blechpaket die elektromagnetischen Verluste, die insbesondere im Rotor durch magnetische Oberwellen auftreten, mit einfachen Mittel weitgehend vermieden werden und dass mittels einer gegenüber dem Stand der Technik mehrfachen

Schrittweite der Erregerspulen bei gleichem Spulenquerschnitt die Spulenzahl beziehungsweise bei gleicher Spulenzahl deren Querschnitt reduziert wird. Bei gleicher Leistung lässt sich dadurch der Rotor kostengünstiger mit reduzierter Kupfermenge und kompakter herstellen. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, dass nunmehr die Permanentmagnete des Rotors in einfachster Weise in eingebautem Zustand aufmagnetisierbar sind.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale.

Dabei ist zur Erzielung einer vergrößerten Schrittweite der Erregerspulen von wesentlicher Bedeutung, dass deren Wickelköpfe an den Stirnseiten des Blechpaketes jeweils sehnenartig unterhalb mindestens eines am Rotorumfang angeordneten und radial magnetisierten Permanentmagneten vorbeigeführt sind.

Zur Abführung der Verlustwärme der Maschine ist vorgesehen, dass an den beiden Stirnseiten des Blechpaketes jeweils einen Lüfter angeordnet ist. In bezug auf die Verwendung der elektrischen Maschine als mehrphasigen Wechselstromgenerator für Kraftfahrzeuge ist dabei besonders vorteilhaft, wenn die Ausgangsspannung der Ständerwicklung durch eine änderung von Stärke

- A -

und Richtung des Erregerstromes in den Erregerspulen vorzugsweise last- und temperaturabhängig zwischen einem zulässigen Maximalwert und dem Wert 0 regelbar ist. So wird zum Beispiel die Abgabeleistung dem momentanen Verbrauch angepasst, um eine konstante Netzspannung zu erhalten. In vorteilhafter Weise weist außerdem im Normalbetrieb der Maschine der Rotor die höhere Polzahl auf, wobei die Stärke und Richtung des Erregerstromes in den Erregerspulen so gewählt ist, dass im Zusammenwirken mit den Permanentmagneten am Polradumfang etwa gleichstarke Pole abwechselnder Polarität auftreten. Eine Steigerung des Erregerstromes führt zu einer Steigerung der induzierten Spannung und somit zu höherer Leistungsabgabe und umgekehrt.

Eine besonders kostengünstige Ausführungsform der elektrischen Maschine ergibt sich dadurch, dass der Rotor nur eine, in einander diametral gegenüberliegenden Nuten eingesetzte Erregerspule aufweist, die vorzugsweise an den Wickelköpfen geteilt um eine Rotorwelle herumgeführt ist und mit mindestens zwei zwischen den Nuten am Rotorumfang angeordneten, einander diametral gegenüberliegende Permanentmagneten zusammenwirkt. In vorteilhafter Weise sind dabei zwei Permanentmagnete abwechselnder radialer Polarität zu den zwei Nuten der Erregerspule um 90° versetzt angeordnet. In

Weiterbildung der Erfindung wird für eine höhere Polpaarzahl vorgeschlagen, dass vier Permanentmagnete am Rotorumfang angeordnet sind, wobei zwischen den Nuten jeweils zwei Permanentmagnete mit gleicher radialer Polarität einen etwa gleich großen Abstand zueinander und zu den Nuten haben. Eine noch größerer Polpaarzahl lässt sich in vorteilhafter Weise dadurch erreichen, dass nunmehr sechs Permanentmagnete am Rotorumfang angeordnet sind, wobei zwischen den Nuten jeweils drei Magnete mit abwechselnder Polarität einen etwa gleich großen Abstand zueinander beziehungsweise zu den Nuten haben.

Eine für Generatoren in Kraftfahrzeugen besonders vorteilhafter

Ausführungsform ergibt sich dadurch, dass der Rotor mindestens zwei, vorzugsweise vier, in vier um je 90° zueinander versetze Nuten eingesetzte Erregerspulen aufweist, welche mit mindestens vier zwischen den Nuten am Rotorumfang angeordneten Permanentmagneten abwechselnder radialer Polarität zusammenwirken. In vorteilhafter Weise haben dabei die vier

Permanentmagnete zu den benachbarten Nuten jeweils einen Umfangsabstand, welcher der Umfangsbreite der Magnete entspricht, so dass bei entsprechendem Erregerstrom in den Erregerspulen am Rotorumfang die Polzahl von vier Pole auf zwölf Pole umsteuerbar ist.

Im Hinblick auf eine Optimierung der Maschine für den Generatorbetrieb ist ferner wichtig, dass die Polzahl der mehrphasigen Ständerwicklung der höheren Polzahl des umsteuerbaren Rotors entspricht. Im einfachsten Fall ist dabei die Ständerwicklung dreiphasig ausgebildet und in einer Stern- oder Dreieckschaltung mit dem Eingang eines Brückengleichrichters verbunden. Eine bessere Auslastung des Ständers durch verringerte Welligkeit der Ausgangsspannung erzielt man, wenn die Ständerwicklung fünfphasig ausgebildet und in einer Stern-, Ring- oder Stern- Reihenschaltung mit dem Eingang eines Brückengleichrichters verbunden ist. Für Maschinen mit größerer Leistung ist es vorteilhaft, wenn die Ständerwicklung sechsphasig ausgebildet und in einer Doppel-Stern- oder Doppel-Dreieckschaltung mit dem Eingang eines Brückengleichrichters verbunden ist.

In Weiterbildung der Erfindung lässt sich die Umschaltbarkeit der Rotorpolzahl für eine Abregelung der Ausgangsspannung bis auf den Wert Null verwenden, indem der Ausgang des Brückengleichrichters mit einem Regler verbunden wird, dessen Ausgang an der mindestens einen Erregerspule (18) des Rotors (11) angeschlossen ist, wobei der Regler in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung am Brückengleichrichter die Stärke und Richtung des Erregerstromes zu ändern vermag.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine erfindungsgemäße elektrische Maschine mit hybriderregtem Rotor in schematischer Darstellung im Querschnitt,

Figur 2 zeigt die Maschine im Längsschnitt,

Figur 3 zeigt den Rotor im Querschnitt mit vier Permanentmagneten und zwei steuerbaren Erregerspulen,

Figur 4a und 4b zeigen den Schaltungsaufbau der Maschine mit Gleichrichter und Regler in zwei Varianten und

Figur 5 zeigt in einem Diagramm den Verlauf der Ausgangsspannung der

Maschine im Generatorbetrieb in Abhängigkeit vom Erregerstrom. Figur 6a und 6b zeigen den Rotor aus Figur 3 mit geteilten Erregerspulen und der elektrischen Umsteuerung zwischen zwölf und vier Polen.

Figur 7a, 7b und 7c zeigen als weitere Ausführungsform eine Maschine mit einem zwischen sechs und zwei Polen umsteuerbaren Rotor, mit zwei

Permanentmagnete und einer geteilten Erregerspule. Figur 8a, 8b und 8c zeigen als weiteres Ausführungsbeispiel eine Maschine mit einem zwischen zehn und zwei Polen umsteuerbaren Rotor, mit vier

Permanentmagnete und nur einer Erregerspule und

Figur 9a, 9b und 9c zeigen als weiteres Ausführungsbeispiel eine Maschine mit einem zwischen vierzehn und zwei Polen umsteuerbaren Rotor, mit sechs Permanentmagnete und nur einer Erregerspule.

Figur 10, 11 und 12 zeigen weitere Varianten der Ständerwicklung und deren

Verschaltung.

Ausführungsformen der Erfindung

In Figur 1 und 2 ist eine elektrische Maschine in vereinfachter Form im Querschnitt und im Längsschnitt dargestellt und mit 10 bezeichnet, die als Synchronmaschine mit einem hybriderregten Rotor 11 versehen ist. Die Maschine hat einen ortsfesten Ständer 12, der eine dreiphasige Ständerwicklung 13 trägt. Im ersten Ausführungsbeispiel nach Figur 1 bis 3 ist die elektrische

Maschine 10 ein Drehstromgenerator für Kraftfahrzeuge mit einer zwölfpoligen Ständerwicklung 13, deren drei Wicklungsstränge R, S und T in Nuten 14 eines Ständer- Blechpaketes 15 mit einer Spulenschrittweite von 3 Nuten eingesetzt und in Figur 1 über einen Teil des Umfangs dargestellt sind. Der Ständer 12 wirkt über einen Arbeitsluftspalt 16 mit dem im Ständer 12 drehbar gelagerten Rotor

11 zusammen. Der Rotor 11 weist über seinen Umfang in einer vorgegebenen Folge mehrere Nord- und Südpole N und S auf, die durch Permanentmagnete 17 sowie durch Erregerspulen 18 ausgebildet werden. Dabei lässt sich die Polzahl des Rotors 11 in Abhängigkeit von der Stärke und Richtung eines Erregerstromes in den Erregerspulen 18 umsteuern. Aus Figur 2 ist erkennbar,

dass der Eisenkern des Rotors 11 aus einem in Achsrichtung lamelliierten Blechpaket 25 besteht, das auf dem mittleren Bereich der Rotorwelle 21 befestigt ist. Zur Aufnahme der Erregerspulen 18 sind am Außenumfang des Blechpaketes 25 offene Nuten 19 ausgestanzt. Die Permanentmagnete 17 sind in ausgestanzte Taschen 26 im Blechpaket 25 eingesetzt. Die Taschen 26 können außen verschlossen sein, so dass die Magnete 17 dann axial darin eingeschoben werden (siehe Figur 6). Hierdurch ist es möglich, die Fliehkräfte durch die geometrische Form der Taschen 26 aufzunehmen und dadurch einen sicheren Halt der Magnete 17 am Rotor 11 zu gewährleisten. Das Magnetmaterial besteht bevorzugt aus Seltenen Erden. Das Blechpaket 25 wird vorzugsweise durch Schweißungen zusammengehalten. Statt dessen können aber auch Nieten, Klebungen (Backlack) oder Knöpfungen verwendet werden.

Das Gehäuse der Maschine besteht aus zwei Lagerschilden 12a und 12b, zwischen denen das Ständerblechpaket 15 eingespannt ist. Der Rotor 11 ist mit seiner Rotorwelle 21 beidseitig über Lager 27 an den Lagerschilden 12a, 12b drehbar aufgenommen. An den axialen Stirnseiten des Blechpaketes 25 ist jeweils ein Lüfter 28 befestigt. über öffnungen 29 der Lagerschilde 12a, 12b wird Kühlluft von den Lüftern 28 axial eingesaugt und an den Wickelköpfen 13a der Ständerwicklung 13 sowie am Rotor 11 und Ständer 12 entlang schließlich radial nach außen geblasen. Am hinteren Ende der Rotorwelle 21 ist hinter dem Lagerschild 12b eine Schleifringanordnung 30 als Erregerstromübertragung von Ständer 12 auf den Rotor llbefestigt, die zur Stromversorgung der Erregerspulen 18 mit einer ortsfesten Bürstenvorrichtung 31 zusammenwirkt. Die Bürstenvorrichtung 31 ist dort als Stromversorgungseinheit für den Rotor 11 gemeinsam mit einem Regler 32 sowie mit einem Brückengleichrichter 33 außen am hinteren Lagerschild 12b befestigt. Diese Bauteile sind von einer Schutzkappe 34 abgedeckt, die zum Einströmen von Kühlluft stirnseitig zahlreiche Lüftungsschlitze 35 aufweist.

In Figur 3 ist die am Umfang des Rotors 11 auftretende Polfolge dargestellt, die sich bei einem in Pfeilrichtung durch die Erregerspulen 18 fließenden Erregerstrom Ie ergibt. Dort sind zwei Erregerspulen 18 in vier Nuten 19 des Rotors 11 eingesetzt, welche um je 90° zueinander versetzt und zum Umfang des Rotors 11 ausgerichtet sind. Zwischen den Nuten 19 sind am Rotorumfang

vier Permanentmagnete 17 angeordnet, die mit abwechselnder radialer Polarität mit den Erregerspulen 18 zusammenwirken. Dadurch ergeben sich bei der in Figur 3 dargestellten Stromrichtung des Erregerstromes Ie am Rotorumfang zwölf Pole abwechselnder Polarität. Durch die Umkehr der Stromrichtung in den Erregerspulen 18 lässt sich die Polzahl des Rotors 11 umsteuern, in dem durch die Umkehrung des elektrisch erregten Feldes φe die zu beiden Seiten einer jeden Nut 19 am Rotorumfang ausgebildeten Pole jeweils ihre Polarität wechseln, was in Figur 3 durch die in Klammern dargestellte Polarität verdeutlicht wird. Daraus ergibt sich nunmehr am Rotorumfang eine vierpolige Anordnung mit abwechselnder symmetrischer Polarität.

Erfindungsgemäß wird dabei die Reduzierung der Anzahl von Erregerspulen 18 dadurch erreicht, dass die Erregerspulen 18 mit einer Schrittweite SW am Umfang des Rotors 11 angeordnet sind, die gemäß Figur 1 der Polteilung Pt der kleineren Polzahl des Rotors 11 - hier folglich der vierpoligen Ausführung - entspricht. Diese gegenüber dem Stand der Technik mehrfach so große Schrittweite wird dadurch erreicht, dass die Wickelköpfe 20 der Erregerspulen 18 an den Stirnseiten des Rotors 11 jeweils sehnenartig unterhalb eines der am Rotorumfang angeordneten und radial magnetisierten Permanentmagnete 17 vorbeigeführt sind. Im Normalbetrieb der elektrischen Maschine 10 ist die Stärke und Richtung des Erregerstromes Ie in den Erregerspulen 18 so gewählt, dass im Zusammenwirken mit den Permanentmagneten 17 der Rotor die höhere Polzahl aufweist und am Rotorumfang etwa gleichstarke Pole abwechselnder Polarität auftreten. Zu diesem Zweck ist ferner vorgesehen, dass die vier Permanentmagnete 17 zu den benachbarten Nuten 14 jeweils gemäß Figur 3 einen Umfangsabstand a haben, welcher der Umfangsbreite b der Magnete entspricht.

Figur 4a zeigt die elektrische Verschaltung der Maschine 10. Die drei Phasen R, S und T der Ständerwicklung 13 sind in Dreieckschaltung miteinander verbunden, wobei sie mit ihren drei Ausgängen a, b und c an je einen Brückeneingang 33a, 33b, 33c des Brückengleichrichters 33 angeschlossen sind. An seinem Ausgang 33d, 33e ist der Brückengleichrichter 33 mit dem Regler 32 zur Regelung der Ausgangsspannung Ua verbunden. Die Erregerspule 18 liegt mit einem Ende am Pluspotenzial des Brückengleichrichter- Ausgangs 33d und

mit ihrem anderen Ende am Ausgang 32b des Reglers 32, um den Erregerstrom in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung Ua zu beeinflussen.

Figur 4b zeigt als Variante zur Schaltung nach Figur 4a eine dreiphasige Ständerwicklung 13 in Sternschaltung sowie einen Regler 32a mit einem zweipoligen Ausgang 32b, 32c, an den die Erregerspule 18 der Maschine 10 angeschlossen ist. Mit diesem Regler 32a lässt sich sowohl die Stärke als auch die Richtung des Erregerstromes in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung Ua ändern. Der Regler 32a ist ferner mit einem Temperaturfühler 36 versehen, über den die Ausgangsspannung Ua abhängig von der Temperatur der Maschine 10 nachgeregelt werden kann. über den Ausgang 33d, 33e des Brückengleichrichters 33 wird beim Betrieb der Maschine 10 im Kraftfahrzeug ein Akkumulator 37 zur elektrischen Versorgung des Kraftfahrzeug- Bordnetzes 38 nachgeladen.

Mit Hilfe der Figur 5 wird nunmehr näher erläutert, dass mit der Schaltung nach Figur 4b die Ausgangsspannung Ua der Ständerwicklung 13 des Drehstromgenerators nach Figur 1 und 2 durch eine änderung von Stärke und Richtung des Erregerstromes Ie in den Erregerspulen 18 vorzugsweise last- und temperaturabhängig zwischen einem zulässigen Maximalwert und dem Wert 0 regelbar ist. Dabei ist über die Zeitachse t der vom Erregerstrom Ie abhängige Verlauf der Ausgangsspannung Ua einer Phase der Maschine über eine halbe Umdrehung des Rotors 11 (180° mechanisch) dargestellt. Bei der zwölfpoligen Drehstrom-Ständerwicklung 13 ergeben sich folglich bei einer halben Umdrehung des Rotors 11 drei volle Perioden.

Bei maximal zulässigem Erregerstrom Ie >> 0 wird mittels des nunmehr zwölfpoligen Rotors 11 bei vorgegebener Belastung die maximale Ausgangsspannung UaI in der Ständerwicklung 13 erzeugt, mit der die jeweilige Akkumulatorbatterie im Bordnetz eines Kraftfahrzeugs in an sich bekannter

Weise über eine Gleichrichter-Baueinheit zu versorgen ist. In ebenfalls bekannter, nicht dargestellter Weise, wird dabei die Ausgangsspannung Ua der elektrischen Maschine 10 in Abhängigkeit von der Gleichspannung im Kraftfahrzeug- Bord netz mehr oder weniger stark herunter geregelt. Für die elektrische Maschine 10 nach Figur 1 bedeutet dies, dass bei einem

entsprechend reduzierten Erregerstrom Ie > 0 an der Ständerwicklung 13 die entsprechend reduzierte Ausgangsspannung Ua 2 auftritt, indem durch die schwächere elektrische Erregung im Rotor 11 das magnetische Gesamtfeld des Rotors 11 geschwächt wird. Diese Schwächung des Gesamtfeldes setzt sich fort bis zu einem Erregerstrom Ie = 0, bei dem nun noch eine relativ kleine

Ausgangsspannung Ua3 in der Ständerwicklung 13 induziert wird.

Wird nunmehr gar die Richtung des Erregerstromes Ie < 0 in den Erregerspulen 18 gewechselt, ergibt sich gemäß Figur 2 eine Umsteuerung der Polzahl am Rotor 11 von zwölf Polen auf vier Pole. In diesem Fall werden in den einzelnen

Spulen eines Wicklungsstranges der Ständerwicklung 13 entgegen gesetzt gerichtete Spannungen induziert, die sich mehr oder weniger teilweise aufheben. Die dabei auftretende Ausgangsspannung Ua4 bewegt sich nun in einem kleinen Bereich um den Spannungswert 0. Erhöht man schließlich den Erregerstrom Ie in umkehrter Richtung auf höhere Werte Ie >> 0, so erhält man eine in Figur 5 gestrichelt dargestellte Ausgangsspannung Ua5 mit um 180° elektrisch versetzten Halbwellen der Ausgangsspannung Ua. Wird die Maschine zur Regelung der Blindleistung bei Betrieb an einem starren Netz verwendet, so ergibt sich für die Blindleistungsregelung, dass die induzierte Spannung zwischen einem Maximum und einem Minimum regelbar sein muss; sie darf nicht

0 oder negativ werden, sonst kippt die Maschine in einen instabilen Zustand.

Weitere Ausführungsbeispiele von Synchronmaschinen gemäß Figur 1 mit erfindungsgemäß ausgebildeten hybriderregten und polumschaltbaren Rotoren zeigen die Figuren 6 bis 9 in schematischer Darstellung.

In den Figuren 6a und 6b ist ein Rotor IIa im Querschnitt dargestellt, bei dem die zwei Erregerspulen 18 aus Figur 3 durch vier über dem Umfang gleichmäßig verteilte Erregerspulen 18a mit jeweils halber Windungszahl ersetzt sind. Dabei ist die Stromrichtung in den Erregerspulen 18a durch Pfeile angegeben.

Demzufolge ergibt sich gemäß Figur 6a im Zusammenwirken der Permanentmagnete 17 und der Erregerspulen 18a am Rotorumfang eine zwölfpolige Anordnung und durch den Richtungswechsel des Stromes in den Erregerwicklungen 18a gemäß Figur 6b eine vierpolige Ausbildung am Rotorumfang. Für beide Polzahlen bleibt die Polfolge über den Rotorumfang

symmetrisch, wodurch eine gleichmäßig magnetische und thermische Belastung des Rotors gewährleistet ist.

In den Figuren 7a, 7b und 7c ist eine Maschine 10a mit einem Rotor IIb schematisch im Querschnitt dargestellt, der lediglich eine an den Wickelköpfen in zwei Hälften 18a geteilte Erregerspule 18 aufweist, welche in zwei einander diametral gegenüberliegende Nuten 19 des Rotors 11 eingesetzt ist. Dabei sind die beiden Teile 18a der Erregerspule 18 an den Wickelköpfen um eine Rotorwelle 21 herumgeführt. Außerdem sind dort zwei Permanentmagnete 17 mit abwechselnder, radialer Polarität um jeweils 90° zu den zwei Nuten 19 der

Erregerspule 18 versetzt am Umfang des Rotors 12 angeordnet.

Bei dieser Ausführung hat das Ständerblechpaket 15a der Maschine 10a gemäß Figur 7a am Innenumfang 18 Nuten 14, in denen eine Ständerwicklung 13 mit drei Phasen R, S, T bei einer Lochzahl n = 1 eingesetzt ist. Daraus ergibt sich, dass bei einer Nut je Phase und Pol die Ständerwicklung 13 sechspolig ausgebildet ist. Bei der durch Pfeile dargestellten Stromrichtung in den beiden Hälften 18a der Erregerspule 18 ergibt sich für Figur 7b am Rotorumfang die Ausbildung von sechs nahezu gleichstarken Polen abwechselnder Polarität. Bei einer Stromrichtungsumkehr in der Erregerspule 18 ändert auch der dadurch elektrisch erregte Magnetfluss φ _e seine Richtung, so dass sich nunmehr gemäß Figur 7c am Rotorumfang nur noch zwei Pole ausbilden, die jeweils über den halben Umfang verteilt sind.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel nach den Figuren 8a, 8b und 8c ist wiederum nur eine in einander diametral gegenüberliegende Nuten 19 eingesetzte Erregerspule 18 am Rotor 11c dargestellt, welche beispielsweise an ihren beiden Wickelköpfen um jeweils eine Hälfte der nicht dargestellten Rotorwelle herumzuführen ist. Hier sind jedoch vier Permanentmagnete 17 am Rotorumfang angeordnet, wobei zwischen den beiden Nuten 19 jeweils zwei

Dauermagnete 17 mit gleicher radialer Polarität vorgesehen sind. Dabei haben die Permanentmagnete 17 einen etwa gleichgroßen Abstand zueinander und zu den Nuten 19 des Rotors llc.

Bei dieser Ausführung hat das Ständerblechpaket 15b der Maschine 10b gemäß Figur 8a am Innenumfang 30 Nuten 14, in denen eine Ständerwicklung 13 mit drei Phasen R, S, T bei einer Lochzahl n = 1 eingesetzt ist. Daraus ergibt sich, dass bei einer Nut je Phase und Pol die Ständerwicklung 13 zehnpolig ausgebildet ist. Bei der dargestellten Polarität der vier Permanentmagnet 17 und der durch einen Pfeil gekennzeichneten Stromrichtung in der Erregerspule 18 ergibt sich in Figur 8b am Rotorumfang eine zehnpolige Ausbildung von Nord- und Südpolen in abwechselnder Polfolge. Gemäß Figur 8c lässt sich diese Ausführung durch eine Umkehrung der Stromrichtung in der Erregerspule 18 in eine zweipolige Anordnung umsteuern, wobei die obere Hälfte des Rotorumfangs als Südpol und die untere als Nordpol ausgebildet wird.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß Figur 9a, 9b und 9c ist wiederum eine Erregerspule 18 in zwei einander diametral gegenüberliegende Nuten eines Rotors Hd eingesetzt. Dort sind jedoch nunmehr sechs Permanentmagnete 17 am Rotorumfang derart angeordnet, dass zwischen den Nuten 19 jeweils drei Permanentmagnet 17 mit gleicher radialer Polarität einen etwa gleich großen Abstand zueinander beziehungsweise zu den Nuten haben. Bei dieser Ausführung hat das Ständerblechpaket 15c der Maschine 10c gemäß Figur 9a am Innenumfang 42 Nuten 14, in denen eine Ständerwicklung 13 mit drei Phasen

R, S, T bei einer Lochzahl n = 1 eingesetzt ist. Daraus ergibt sich, dass bei einer Nut je Phase und Pol die Ständerwicklung 13 vierzehnpolig ausgebildet ist. Auch hier wird durch eine Umsteuerung der durch Pfeile dargestellten Stromrichtung in der Erregerspule 18 am Rotorumfang die Polzahl umgesteuert. Dabei ergibt sich bei der vorgegebenen Stromrichtung gemäß Figur 9b am

Rotorumfang eine vierzehnpolige Ausbildung mit etwa gleich starken Polen abwechselnder Polarität. Bei einer Stromrichtungsumkehr in der Erregerspule 18 gemäß Figur 9c werden nunmehr die elektrisch erregten Pole zu beiden Seiten der Nuten 19 umgepolt und es entsteht über den Rotorumfang eine zweipolige symmetrische Ausbildung mit einem Nordpol auf der oberen und einem Südpol auf der unteren Hälfte des Rotorumfangs.

Bei den Ausführungsbeispielen nach Figur 6 bis 9 ist die Ausbildung des magnetischen Feldes über den Rotorumfang durch einen entsprechenden Feldlinienverlauf dargestellt, wobei der Magnetfluss der Permanentmagnete 17

mit φ _m sowie der elektrisch erregte Magnetfluss mit φ _e bezeichnet ist. Ferner ist bei den Ausführungsbeispielen zur Erzielung einer möglichst gleichmäßigen Polverteilung am Rotorumfang für die höhere Polzahl des Rotors 11 von Bedeutung, dass die Permanentmagnete 17 zu den benachbarten Nuten 19 beziehungsweise zueinander jeweils einen Umfangsabstand a haben, welcher der Umfangsbreite b der Permanentmagnete 17 entspricht.

Durch die Anordnung der radial magnetisierten Permanentmagnete 17 am Umfang des Rotors 11 ist es möglich, diese in einfacher Weise im zusammengebauten Zustand des Rotors aufzumagnetisieren. Da jeweils eine gleich große Zahl von Nord- und Südpolen vorhanden ist, hebt sich beim Magnetisiervorgang mittels einer von außen auf den Rotorumfang aufgesetzten Magnetisiervorrichtung der magnetische Fluss durch die Permanentmagnete auf. Da außerdem die Nordpole zu den Südpolen einen großen Abstand besitzen, lassen sie sich auf ihrer ganzen Breite bis hin zu ihren Kanten gut aufmagnetisieren, wobei die Feldlinien beim Aufmagnetisiervorgang an den Polkanten keine störenden Streuflüsse aufweisen. Durch die Anordnung der Erregerspulen 18 radial unterhalb der Permanentmagnete 17 ist es sogar möglich, die Aufmagnetisierung der Permanentmagnete 17 mittels Stromstöße in der Erregerspule 18 vorzunehmen.

In den Figuren 10, 11 und 12 sind weitere Varianten der Ständerwicklung 13 der elektrischen Maschine 10 und deren Verschaltung mit dem Brückengleichrichter 33 dargestellt. So ist gemäß Figur 10 die Maschine 10d mit einer fünfphasigen Ständerwicklung 13b ausgestattet, deren fünf Phasenstränge zu einer sogenannten Stern- Reihenschaltung miteinander verbunden sind. Statt dessen kann auch eine echte Sternschaltung oder eine Ring- Reihenschaltung in Betracht kommen. Die fünf Ausgänge der Ständerwicklung 13b sind mit je einem Eingang der fünf Diodenbrücken des Brückengleichrichters 33a verbunden . Der Regler 32 ist auch hier zur Versorgung der Erregerspule 18 am Ausgang des

Brückengleichrichters 33a angeschlossen.

Gemäß Figur 11 und 12 ist die Ständerwicklung 13c der Maschine sechsphasig ausgebildet, wobei gemäß Figur 11 die sechs Phasenstränge Rl, Sl, Tl und R2, S2, T2 in einer Doppel-Sternschaltung verschaltet sind. Die sechs Ausgänge der

Ständerwicklung 13c sind hier mit je einem Eingang der sechs Diodenbrücken des Brückengleichrichters 33b verbunden. Gemäß Figur 12 sind die sechs Phasenstränge Rl, Sl, Tl und R2, S2, T2 in einer Doppel-Dreieckschaltung verschaltet, wobei auch hier die sechs Ausgänge der Ständerwicklung 13c mit je einem Eingang der sechs Diodenbrücken des Brückengleichrichters 33b verbunden sind.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, zumal bei größeren und leistungsstarken Maschinen mit hybriderregtem Rotor eine hohe Polzahl durch eine entsprechend höhere Anzahl von Erregerspulen 18 und Permanentmagneten 17 zu realisieren ist. Derartige Maschinen lassen sich an ortsfesten Wechselstrombeziehungsweise Drehstromnetzen sowohl zur Regelung der Blindleistung über den Erregerstrom als auch zur Drehzahlumschaltung verwenden. So ist es beispielsweise möglich, bei einer elektrischen Maschine, deren Ständerwicklung zwischen zwei und sechs Polen umschaltbar ist, durch die Umsteuerung der Rotorpole die Maschinendrehzahl auf das Dreifache zu erhöhen beziehungsweise auf ein Drittel zu reduzieren. Bei derartigen elektrischen Maschinen, die mit einem Umrichter beziehungsweise Wechselrichter im Motorbetrieb arbeiten, lässt sich ferner durch die Steuerung des Erregerstromes am Rotor 11 eine Feldschwächung realisieren, die zu einer Erhöhung der Drehzahl führt, sofern über eine Rückkopplung die Schaltfrequenz des Umrichters erhöht wird.

Die Erregerspulen 18 sind bei allen Ausführungsformen der Erfindung mit einer

Schrittweite SW am Umfang des Rotors 11 angeordnet, die der Polteilung Pt der jeweils kleineren Polzahl entspricht.

Die Permanentmagnete 17 sind dabei als Flachmagnete, Schalenmagnete oder als sogenannte Brotlaibmagnete ausgebildet und am Rotorumfang angeordnet, indem sie beispielsweise gemäß Figur 1 und 2 in entsprechende Ausnehmungen des Rotors 11 befestigt sind oder gemäß Figur 4 bis 7 in entsprechende tangential am Rotorumfang angeordnete Schlitze axial eingeschoben sind.

Eine Wiederholung der Muster im Rotor kann zur Ausbildung größerer Polzahlen realisiert werden. So ist beispielsweise die Anordnung nach Figur 6a und 6b eine Verdoppelung der Anordnung aus Figur 7b und 7c.