Электрическая машина с воздушным охлаждением

Изобретение относится к электрической машине с воздушным охлаждение, в частности к генератору переменного тока транспортного средства, а также к пусковому генератору транспортного средства. Технический результат - повышение КПД электрической машины, упрощение конструкции электрической машины с использованием автоматического устройства сцепления. Электрическая машина с воздушным охлаждением содержит ротор, в состав которого входит вал ротора и обмотка возбуждения в качестве автоматического устройства сцепления, управляемого электромагнитным способом. Электрическая машина содержит также рабочее колесо вентилятора, установленное на валу ротора с возможностью вращения и с возможностью соединения или отсоединения от ротора посредством автоматического устройства сцепления. Между рабочим колесом вентилятора и ротором установлен приводной элемент и пружинный элемент, создающий начальное напряжение для удержания рабочего колеса вентилятора и ротора на расстоянии друг от друга в невозбужденном состоянии обмотки возбуждения. Рабочее колесо вентилятора установлено на валу ротора с возможностью осевого перемещения по нему. В возбужденном состоянии обмотки возбуждения рабочее колесо вентилятора соединяется посредством приводного элемента с ротором с силовым замыканием и/или с геометрическим замыканием. 3 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к электрической машине с воздушным охлаждением. В частности, данное изобретение также относится к генератору переменного тока транспортного средства, а также к пусковому генератору транспортного средства.

Уровень техники

Электрические машины подобного типа, включая - в контексте данного изобретения - содержат как электрические двигатели, так и электрические генераторы, в частности, генераторы переменного тока и пусковые генераторы транспортного средства, широко известны. Под пусковым генератором понимается в частности электрическая машина, сочетающая в себе функции электрического двигателя - например, стартер автомобиля, - и электрического генератора - например, генератор переменного тока в качестве отдельной машины.

Электрические машины, например, оснащены вентилятором или рабочим колесом вентилятора, расположенными в их осевом направлении, и которые, как правило, соединены напрямую с валом электрической машины, то есть, без возможности поворота. Поэтому поток охлаждающего воздуха генерируется рабочим колесом вентилятора во время эксплуатации электрической машины, данный поток охлаждающего воздуха обеспечивает соответствующее количество охлаждающего воздуха для охлаждения электрической машины, таким образом, охлаждение является одной из функций электрической машины, обеспечиваемой скоростью вращения вала электрической машины. Поток воздуха, создаваемый рабочим колесом вентилятора, служит, в частности, для охлаждения электрической машины и/или кожуха электрической машины.

Для приведения в движение рабочего колеса вентилятора требуется дополнительный крутящий момент. В случае использования электрической машины в качестве электрического двигателя, дополнительный крутящий момент создается, например, электрическим двигателем, вследствие чего снижается выходная механическая мощность электрического двигателя. В случае использования электрической машины в качестве электрического генератора, дополнительный крутящий момент для приведения в движение вентилятора создается приводным двигателем генератора, и поэтому не может конвертироваться в электрическую энергию.

Современные стратегии управления электрическими машинами, в частности, электрическими генераторами, такими как генераторы переменного тока и пусковые генераторы автомобилей, которые, как правило, используются в качестве дополнительных агрегатов с ременным приводом в автомобилях, современные системы контроля аккумуляторных батарей зачастую приводят к необходимости использования электрической машины в качестве генератора, при высокой скорости вращения вала электрической машины, но без необходимой электрической энергии. В подобных случаях, рабочее колесо вентилятора соответственно приводят в действие с помощью жесткого соединения с валом ротора. Это приводит к потере механической энергии, даже в том случае, когда не требуется охлаждения электрической машины.

Из уровня техники известны различные устройства сцепления, которые могут применяться, например, для воздействия на передачу крутящего момента на дополнительный агрегат двигателя транспортного средства, который приводят в действие с помощью ременной передачи. В этом случае, устройство сцепления подобного типа устанавливают между приводным колесом или выходным приводным колесом и соответствующим валом для того, чтобы механически отделить дополнительный агрегат от приводного механизма или выходного приводного колеса, и, следовательно, от приводного двигателя.

Из заявки Германии DE 102007020867 А1 известно устройство ременного привода дополнительных агрегатов транспортного средства с разъединяющими компонентами для устранения ротационных неравномерностей, связанных с приводом или с выходным приводным колесом. Разъединяющие компоненты представляют собой многодисковую муфту сцепления, которая расположена коаксиально между приводом и выходным приводным колесом, и соответствующим валом, таким образом, передача крутящего момента зависит от воздействия жидкости гидропривода муфты сцепления.

Из патента Германии DE 202006017623 U1 известно электромагнитное сцепление с контролем скольжения, в котором крутящий момент приводного двигателя передается на дополнительный агрегат автомобиля с помощью электромагнитного сцепления. Контроль скольжения осуществляется с помощью катушки датчика, электронного устройства контроля и усилителя напряжения. Электромагнитное сцепление, главным образом, содержит компонент, который приводит его в действие и соединяется с ротором, фиксированным ротационным соединением; и неподвижный каркас магнитной катушки, в который помещается магнитная катушка. Колесо сердечника, отделенное от ротора воздушным зазором, расположено напротив ротора, когда на магнитную катушку не подается возбуждающее напряжение. Ротор и колесо сердечника отделены друг от друга с помощью пружинного элемента. Колесо сердечника крепится жестким соединением к компоненту, приводящему в движение дополнительный агрегат. При подаче тока возбуждения на магнитную катушку, колесо сердечника подается к ротору против усилия, создаваемого пружинным элементом, таким образом, передается крутящий момент. В случае если на магнитную катушку не подается возбуждающее напряжение, колесо сердечника снова открепляется от ротора за счет усилия пружинного элемента, и остается в этой позиции.

В международной заявке WO 2010/079386 А1 описывается устройство сцепления и пусковой генератор, оснащенный данным устройством сцепления. Описываемый сцепления содержит как одностороннюю муфту, так и электромагнитное сцепление, расположенные между ременным шкивом и соответствующим валом. Управление электромагнитным сцеплением осуществляют с помощью электромагнитного привода, соединенного со статором, например, катушкой, путем подачи тока для создания магнитного поля, оказывающего внешнее воздействие на катушку.

Устройства сцепления, описанные выше, имеют общий недостаток - сложность конструкции, и, следовательно, высокую стоимость ее производства. Кроме того, как правило, необходима дополнительная подача энергии активации, например, для того чтобы обеспечить подачу тока на соленоид, который выполняет функцию привода для смещения устройства сцепления; таким образом, сцепление активируется или деактивируется.

Раскрытие изобретения

Целью настоящего изобретения является описание электрической машины с воздушным охлаждением, в частности, генератора переменного тока и пускового генератора для автомобилей, в которой реализуется простая конструкция, получаемая экономичным способом, при этом обеспечивающая высокую эффективность, и, более того, характеризующаяся высокой прочностью и длительным сроком эксплуатации.

Данная цель достигается использованием электрической машины с воздушным охлаждением, генератора переменного тока для автомобилей, и пускового генератора для автомобилей согласно изобретению.

Следует отметить, что признаки, приведенные по отдельности в формуле изобретения, могут при необходимости сочетаться друг с другом любым подходящим способом, и определять дальнейшее совершенствование изобретения. В описании изобретения представлены дополнительные характеристики и спецификации изобретения, в частности, со ссылками на фигуры чертежей.

В данном изобретении представлена электрическая машина с воздушным охлаждением, в частности, электрический генератор для транспортных средств, в состав которого входит ротор, включающий в себя вал ротора и обмотку возбуждения, а также рабочее колесо вентилятора, закрепленное с возможностью вращения на вале ротора, и выполненный с возможностью отсоединения и/или соединения рабочего колеса с ротором и/или валом ротора при помощи автоматического устройства сцепления.

В состоянии соединения рабочего колеса вентилятора, то есть когда рабочее колесо вентилятора соединено с ротором и/или валом ротора, с учетом вращательного движения ротора и/или вала ротора посредством автоматического устройства сцепления, движение рабочего колеса осуществляется вслед за вращательным движением ротора или вала ротора. Автоматическое устройство сцепления для электрической машины, согласно изобретению, преимущественно обеспечивает состояние соединения, которое представляет собой в частности, соединение с силовым замыканием и/или с геометрическим замыканием в зависимости от способа соединения. В отличие от состояния соединения, рабочее колесо вентилятора не следует вращательному движению ротора или вала ротора в состоянии разъединения, в котором рабочее колесо вентилятора не соединено с ротором и/или валом ротора соединением с силовым замыканием и/или с геометрическим замыканием в отношении вращательного движения ротора и/или вала ротора, поскольку рабочее колесо вентилятора закреплено на валу ротора с возможностью вращения. Как только автоматическое устройство сцепления устанавливает соединение, в частности, с силовым замыканием и/или с геометрическим замыканием, между рабочим колесом вентилятора и ротором и/или валом ротора, рабочее колесо вентилятора за счет вращательного движения генерирует поток охлаждающего воздуха для охлаждения электрической машины.

В контексте данного изобретения, автоматическое устройство сцепления - это устройство сцепления, которое устанавливает или управляет состоянием соединения или разъединения между рабочим колесом вентилятора и ротором/валом ротора без дополнительных, явно обозначенных устройств управления. В частности, автоматическое устройство сцепления электрической машины, согласно изобретению, функционирует автономно и автоматически, как часть одного или более заранее определенных рабочих состояний электрической машины, то есть, автоматическое устройство сцепления косвенным образом действует в зависимости от рабочего состояния электрической машины, без каких-либо дополнительных устройств контроля и/или мониторинга и оценки рабочего состояния электрической машины с возможностью генерации особого, отдельного сигнала активации и/или деактивации для установления состояния соединения или разъединения между рабочим колесом вентилятора и ротором и/или валом ротора.

В частности, автоматическое устройство сцепления для электрической машины, согласно изобретению, способно действовать в зависимости от изменений энергетического состояния электрической машины во время ее эксплуатации, и использовать только эксплуатационную энергию электрической машины для активации и/или деактивации устройства сцепления. Таким образом, для автоматического устройства сцепления электрической машины, согласно изобретению, не обязательно дополнительное снабжение энергией из внешнего источника для того, чтобы установить и/или разъединить соединение между рабочим колесом вентилятора и ротором и/или валом ротора.

Это обеспечивает, в более упрощенной форме, генерацию потока охлаждающего воздуха рабочим колесом вентилятора, а также при этом приводная энергия для рабочего колеса вентилятора используется только при возникновении заранее определенного рабочего состояния электрической машины, то есть, только в том случае, когда необходимо охлаждение электрической машины. Во всех прочих случаях рабочее колесо вентилятора неактивно, что ведет к повышению КПД электрической машины, согласно заявляемому изобретению. Кроме того, уменьшено количество компонентов, и, в конечном счете, значительно упрощена общая конструкция электрической машины с использованием автоматического устройства сцепления согласно изобретению, что также ведет к значительному снижению отклонений при эксплуатации и к уменьшению количества сбоев, благодаря небольшому количеству компонентов конструкции.

В предпочтительном варианте осуществления электрической машины согласно изобретению, управление автоматическим устройством сцепления осуществляют с помощью электромагнитного устройства. То есть, автоматическое устройство сцепления действует в зависимости от электромагнитного рабочего состояния электрической машины согласно изобретению. Электромагнитное рабочее состояние включает в себя, в частности, магнитное поле, генерируемое электрической машиной, возникающее на обмотке возбуждения ротора. Автоматическое устройство сцепления соответственно устанавливает состояние соединения или разъединения между рабочим колесом вентилятора и ротором и/или валом ротора, наличием или силой магнитного поля, генерируемого обмоткой возбуждения.

Ток обмотки возбуждения эффективным образом воздействует на обмотку возбуждения, при необходимости подачи энергии на электрическую машину - механической мощности в случае использования электрического двигателя, или электрической энергии в случае использования электрического генератора. В связи с этим рабочее колесо вентилятора остается в состоянии разъединения, если обмотка возбуждения не генерирует магнитное поле. Поскольку в данном случае электрическая машина не производит выходной энергии, следовательно, нет необходимости в охлаждении машины. Однако автоматическое устройство сцепления создает состояние соединения между рабочим колесом вентилятора и ротором и/или валом ротора, в том случае если обмотка возбуждения ротора генерирует магнитное поле или сильное магнитное поле, и электрическая машина, таким образом, фактически производит выходную мощность. В целом, степень полезности электрической машины, согласно изобретению, таким образом, увеличивается, поскольку рабочее колесо генерирует поток охлаждающего воздуха для электрической машины только в тех случаях, когда электрическая машина фактически производит выходную энергию и, соответственно, нуждается в охлаждении.

Рабочее колесо содержит намагниченный или поддающийся намагничиванию материал, например, железо, сталь, никель, кобальт или сплавы этих металлов, в одном варианте осуществления электромагнитного управления автоматическим устройством сцепления электрической машины согласно изобретению. Возможно дополнительное нанесение данного материала на рабочее колесо вентилятора в подходящих местах и количествах, а также на детали рабочего колеса вентилятора или даже полностью все рабочее колесо вентилятора может быть изготовлено из данного материала. В изобретении важно учитывать то, что рабочее колесо вентилятора реагирует на наличие или на удельную силу магнитного поля, генерируемого обмоткой возбуждения, например, перемещаясь в направлении обмотки возбуждения, как только обмотка возбуждения генерирует магнитное поле или, по меньшей мере, достигается установленная сила магнитного поля.

В другом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения будет реализовано управление автоматическим устройством сцепления в зависимости от температуры. То есть, функционирование автоматического устройства сцепления зависит от температуры электрической машины согласно изобретению, состояние соединения или разъединения между рабочим колесом вентилятора и ротором и/или валом ротора зависит от фактической температуры электрической машины. Соответственно, автоматическое устройство сцепления предпочтительно расположено внутри кожуха электрической машины, для того чтобы изменения температуры электрической машины были надежно и быстро зарегистрированы, то есть, например, располагается вблизи от нагреваемых компонентов, или в воздухе, или на пути конвекционного потока от компонентов, излучающих тепловую энергию. В результате надежным и оптимальным способом достигается гарантированная активация вентилятора с целью охлаждения электрической машины, как только электрическая машина достигает эксплуатационной температуры. Поскольку рабочее колесо вентилятора активируется только в тех случаях, когда температура достигает или превышает определенное пороговое значение, то это предоставляет возможность для дальнейшего повышения КПД электрической машины согласно изобретению.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения рабочее колесо вентилятора расположено внутри кожуха электродвигателя. Поэтому рабочее колесо вентилятора защищено от контакта с прочими объектами, с которыми рабочее колесо вентилятора не должно вступать в контакт, в частности, во время вращательного движения рабочего колеса вентилятора. Соответственно, нет необходимости для организации отдельного корпуса для рабочего колеса вентилятора, в случае если рабочее колесо вентилятора помещено на вале ротора снаружи кожуха электрической машины. Следовательно, конструкция электрической машины согласно данному изобретению упрощается.

Кожух электрической машины, согласно изобретению, имеет соответствующие отверстия для впуска и выпуска воздуха, для того чтобы обеспечить прохождение потока охлаждающего воздуха через кожух и, в частности обдува компонентов электрической машины, которые требуют охлаждения. Для дальнейшего улучшения охлаждения с помощью регулирования направления потока охлаждающего воздуха возможно применение соответствующих направляющих пластин и направляющих воздуховодов, которые помещаются внутри кожуха. Кроме того, внешняя сторона кожуха может быть выполнена с охлаждающими ребрами, для того чтобы обеспечить более эффективный теплообмен между кожухом и окружающим воздухом.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения предполагается использование в автоматическом устройстве сцепления, по крайней мере, одного приводного элемента, который расположен между рабочим колесом вентилятора и ротором и/или валом ротора. Этот приводной элемент служит для создания надежного соединения с силовым замыканием и/или с геометрическим замыканием между рабочим колесом вентилятора и ротором и/или валом ротора, в частности, в состоянии соединения. Соответственно, таким образом, в состоянии соединения всегда обеспечивается надежное вращательное движение рабочего колеса вентилятора, а, следовательно, обеспечивается генерация потока охлаждающего воздуха для охлаждения электрической машины.

Согласно предпочтительному варианту осуществления электрической машины в соответствии с изобретением, приводной элемент представляет собой фрикционное колесо, помещенное между рабочим колесом вентилятора и ротором и в состоянии соединения соединяющее рабочее колесо вентилятора с ротором фрикционным соединением и/или соединением с геометрическим замыканием.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения приводной элемент представляет собой биметаллический элемент, помещенный между валом ротора и ступицей рабочего колеса вентилятора и соединяющий рабочее колесо вентилятора с валом ротора фрикционным соединением и/или соединением с геометрическим замыканием в зависимости от температуры биметаллического элемента.

В другом предпочтительном варианте осуществления электрической машины согласно изобретению, автоматическое устройство сцепления оснащено, по меньшей мере, одним пружинным элементом, который создает начальное напряжение для удержания рабочего колеса вентилятора и ротора и/или вала ротора на расстоянии друг от друга. Таким образом, обеспечивается состояние разъединения, при котором движение рабочего колеса вентилятора не следует за вращательным движением ротора или вала ротора в состоянии разъединения. В частности, рабочее колесо вентилятора закреплено на валу ротора с возможностью вращения, поэтому не расходуется энергия для приведения рабочего колеса вентилятора в движение.

Электрическая машина в соответствии с изобретением особенно подходит для применения в качестве электрического генератора для автомобилей, в частности, в качестве трехфазного генератора переменного тока, генератора переменного тока или пускового генератора.

Краткое описание чертежей

Дальнейшие предпочтительные детали и реализации изобретения описаны ниже подробно со ссылкой на варианты осуществления изобретения, представленные на фигурах, где:

На Фиг.1 показано схематичное изображение в разрезе первого варианта осуществления электрической машины в соответствии с изобретением, и

На Фиг.2 показано схематичное изображение в разрезе второго варианта осуществления электрической машины в соответствии с изобретением.

На разных фигурах идентичные детали всегда показаны с одинаковыми условными обозначениями, поэтому описание указанных деталей представлено однократно.

Осуществление изобретения

На Фиг.1 представлено схематичное изображение в разрезе первого варианта осуществления электрической машины согласно изобретению. Указанная электрическая машина, в частности, представляет собой трехфазный генератор 1 переменного тока или автомобильный генератор 1 для транспортного средства. Генератор 1 может быть приведен в действие, например, известным способом как дополнительный агрегат с помощью двигателя внутреннего сгорания (не показан на Фиг.1) транспортного средства посредством ременной передачи.

Генератор 1 содержит кожух 2, в котором расположен статор (не показан на Фиг.1), ротор 3 с обмоткой 4 возбуждения и рабочее колесо 5 вентилятора. Ротор 3 содержит вал 6 ротора, установленный с возможностью вращения в корпусе 2. С одного края находится ременной шкив 7, соединенный с валом 6 ротора без возможности поворота. Генератор 1 приводят в действие, то есть, приводят во вращение, известным способом с помощью приводного двигателя (не представлен), например, с помощью двигателя внутреннего сгорания транспортного средства, посредством ременного шкива 7 и, например, ремня (не представлен), охватывающего ременной шкив 7.

Вращение ременного шкива 7, который приводят во вращательное движение с помощью ременного привода подобного типа, ведет к возникновению вращательного движения вала 6 ротора и ротора 3, а также обмотки 4 возбуждения вокруг оси 8 вращения, которая определена валом 6 ротора. Рабочее колесо 5 вентилятора закреплено с возможностью вращения на валу 6 ротора с помощью соответствующих подшипников 9. В представленном на Фиг.1 варианте осуществления генератора 1 согласно изобретению подшипники 9 и, следовательно, рабочее колесо 5 вентилятора наряду с этим закреплены с возможностью перемещения по оси на валу 6 ротора, как показано соответствующими стрелками 10.

На Фиг.1 показано рабочее колесо 5 вентилятора в двух осевых положениях относительно оси 8 вращения, которые представляют собой два возможных рабочих состояния 11 и 12 рабочего колеса 5 вентилятора, а именно состояние 11 разъединения и состояние 12 соединения. В состоянии 11 разъединения нет рабочего соединения между рабочим колесом 5 вентилятора и ротором 3 относительно вращательного движения ротора 3. То есть, рабочее колесо 5 вентилятора вращается свободно на вале 6 ротора. Для того чтобы поддерживать состояние 11 разъединения, предпочтительно использование пружинного элемента 13, расположенного между рабочим колесом 5 вентилятора и ротором 3, указанный пружинный элемент создает начальное напряжение для удержания рабочего колеса 5 вентилятора и ротора 3 на расстоянии друг от друга. В случае возникновения вращательного движения вала 6 ротора рабочее колесо 5 вентилятора по существу не следует за вращательным движением вала 6 ротора, поскольку рабочее колесо 5 вентилятора удерживается с помощью подшипников 9 от получения импульса вращения от вала 6 ротора (не считая трения в подшипниках 9).

В противоположном состоянии возникает рабочее соединение между рабочим колесом 5 вентилятора и ротором 3 относительно вращательного движения ротора 3 в состоянии 12 соединения. Это рабочее соединение предпочтительно представляет собой соединение с силовым замыканием и/или с геометрическим замыканием между рабочим колесом 5 вентилятора и ротором 3, в частности, с использованием фрикционного колеса 14 (приводной элемент), которое помещено между рабочим колесом 5 вентилятора и ротором 3 в варианте осуществления изобретения, показанном на Фиг.1. Для обеспечения безопасного и эффективного соединения с силовым замыканием и/или с геометрическим замыканием рабочего колеса 5 вентилятора с ротором 3, фрикционное колесо 14 изготовлено из особого, подходящего для этих целей материала. Фрикционное колесо 14 может быть закреплено как на роторе 3, так и на рабочем колесе 5 вентилятора. Также возможно использование двух фрикционных колес 14, одно из которых закреплено на рабочем колесе 5 вентилятора, а второе - на роторе 3, таким образом, что состояние 12 соединения рабочего колеса 5 вентилятора с ротором 3 установлено посредством контакта между двумя фрикционными колесами 14.

В варианте осуществления изобретения, показанном на Фиг.1, в состоянии 12 соединения рабочее колесо 5 вентилятора смещается в сторону ротора 3, посредством усилия, создаваемого обмоткой 4 возбуждения преодолевая усилие, создаваемое пружинным элементом 13. Это усилие обозначено магнитным полем 15 обмотки 4 возбуждения в варианте осуществления изобретения, показанном на Фиг.1.

Обмотка 4 возбуждения представляет собой автоматическое устройство сцепления в контексте данного изобретения. Обмотка 4 возбуждения управляет или устанавливает состояние 12 соединения или состояние 11 разъединения между рабочим колесом 5 вентилятора и ротором 3 без дополнительных, явно указанных устройств управления. В частности, состояние обмотки 4 возбуждения косвенным образом зависит от изменения рабочего состояния генератора 1, в частности, от производства или не-производства электрической энергии, что определяется током возбуждения, при этом не используются дополнительные средства управления и/или мониторинга, или иные средства оценки рабочего состояния генератора 1 с возможностью генерации особого сигнала для активации и/или деактивации для установления состояния 12 соединения или состояния 11 разъединения между рабочим колесом 5 вентилятора и ротором 3.

Обмотка 4 возбуждения не генерирует магнитное поле 15, в случае если ток не проходит через обмотку 4 возбуждения, то есть, до тех пор, пока генератор 1 не начинает производить электрическую энергию. Усилие, которое генерируется пружинным элементом 13, отталкивает рабочее колесо 5 вентилятора от ротора 3, таким образом, рабочее колесо 5 находится в состоянии 11 разъединения, как показано на Фиг.1. В данном состоянии рабочее колесо 5 вентилятора не получает от ротора вращательного импульса, поскольку оно отделено от ротора подшипниками 9.

Но как только через обмотку 4 возбуждения начинает проходить ток, указанная обмотка возбуждения генерирует магнитное поле 15, линии указанного магнитного поля обозначены соответствующими стрелками на Фиг.1. Также на Фиг.1 показано магнитное поле 15, генерируемое обмоткой 4 возбуждения и проходящее через рабочее колесо 5 вентилятора, которое, соответственно, состоит из намагниченного или поддающегося намагничиванию материала, например, чугуна, стали, никеля, кобальта или сплавов этих материалов, или на рабочее колесо вентилятора нанесены эти материалы для того чтобы обеспечить движение рабочего колеса вентилятора в направлении обмотки 4 возбуждения путем воздействия магнитного поля 15. Как только усилие, направленное на рабочее колесо 5 вентилятора, вызванное воздействием магнитного поля 15, превысит силу сопротивления, генерируемую пружинным элементом 13, рабочее колесо 5 вентилятора сместится по оси, параллельной оси 8 вращения, из состояния 11 разъединения в состояние 12 соединения, в котором рабочее колесо 5 вентилятора соединяется с ротором 3 с силовым замыканием и/или с геометрическим замыканием через фрикционное колесо 14. Путем соединения с силовым замыканием и/или с геометрическим замыканием рабочего колеса 5 вентилятора с ротором 3, рабочее колесо 5 вентилятора следует за вращательным движением ротора 3 и, соответственно, генерирует поток 16 охлаждающего воздуха, который поступает в кожух 2 генератора через соответствующие отверстия. Поток 16 охлаждающего воздуха тем мощнее, чем выше скорость вращения ротора 3 генератора 1, таким образом, рабочее колесо 5 вентилятора получает импульс для вращательного движения.

Поток 16 охлаждающего воздуха, в частности, обдувает нагреваемые компоненты генератора 1, например, обмотки статора (не показаны на Фиг.1) или обмотку 4 возбуждения в кожухе 2, таким образом, эти компоненты передают тепловую энергию в поток 16 охлаждающего воздуха. Холодный поток 16 охлаждающего воздуха, который поступает с передней поверхности генератора 1, выходит из кожуха 2, после прохождения через отверстия кожуха в задней части или задней поверхности генератора 1, и представляет собой нагретый поток 17 вытяжного воздуха. Таким образом, обеспечивают достаточное охлаждение генератора 1, как только генератор начинает вырабатывать электрическую энергию.

Энергия магнитного поля 15 и, следовательно, сила тока возбуждения, проходящего через обмотку 4 возбуждения, необходимая для приведения рабочего колеса 5 вентилятора в состояние 12 соединения для генерации потока 16 охлаждающего воздуха определяется соответствующим выбором напряжения пружинного элемента 13 или соответствующим начальным напряжением пружинного элемента 13. Таким образом, возможно осуществление охлаждения генератора 1 только при довольно высокой выходной мощности, если, например, не требуется охлаждения при относительно низкой выходной мощности генератора 1.

На Фиг.2 показан схематичное изображение в разрезе второго варианта осуществления электрической машины согласно данному изобретению. В частности, изображенная на Фиг.2 электрическая машина представляет собой трехфазный генератор 20 переменного тока или автомобильный генератор 20 для транспортного средства. Генератор 20, так же как и генератор 1, показанный на Фиг.1, может быть приведен в действие, например, известным способом как дополнительный агрегат с помощью двигателя внутреннего сгорания (не показан на Фиг.2) транспортного средства посредством ременной передачи.

В генераторе 20, показанном на Фиг.2, рабочее колесо 5 вентилятора установлено с возможностью вращения на валу 6 ротора с помощью подшипников 21. По сравнению с подшипником 9 генератора 1, показанного на фиг.1, подшипник 21 не может быть размещен по оси. Вместо этого, подшипник рабочего колеса 5 вентилятора оснащен биметаллическим элементом 22, который показан в представленном на Фиг.2 варианте осуществления изобретения, например, биметаллической пружиной. Вследствие изменения температуры, биметаллический элемент 22 растягивается или сжимается в радиальном направлении 23 растяжения относительно вала 6 ротора. Радиальное направление 23 растяжения характеризуется двумя конечными позициями, из которых внутренняя позиция представляет собой состояние 24 разъединения, а внешняя радиальная позиция представляет собой состояние 25 соединения рабочего колеса 5 вентилятора с валом 6 ротора относительно вращательного движения вала 6 ротора.

В состоянии 24 разъединения нет рабочего соединения между рабочим колесом 5 вентилятора и валом 6 ротора, относительно вращательного движения вала 6 ротора. То есть, рабочее колесо 5 вентилятора свободно вращается на вале 6 ротора. При вращении вала 6 ротора рабочее колесо 5 вентилятора не следует за вращательным движением вала 6 ротора в состоянии 24 разъединения (без учета трения в подшипнике 21).

В противоположном состоянии возникает рабочее соединение между рабочим колесом 5 вентилятора и валом 6 ротора 3 относительно вращательного движения вала 6 ротора в состоянии 25 соединения. Это рабочее соединение предпочтительно представляет собой соединение с силовым замыканием и/или с геометрическим замыканием между рабочим колесом 5 вентилятора и валом 6 ротора, в частности, между внешним радиальным краем биметаллического элемента 22 и внутренней поверхностью ступицы рабочего колеса 5 вентилятора, которые находится напротив указанного внешнего края. Соответственно, рабочее колесо 5 вентилятора следует вращательному движению вала 6 ротора в состоянии 25 соединения и генерирует поток 16 охлаждающего воздуха. В данном состоянии количество генерируемого потока 16 охлаждающего воздуха зависит от скорости вращения вала 6 ротора.

Биметаллический элемент 22 представляет собой автоматическое устройство сцепления в контексте данного изобретения, в варианте осуществления генератора 20, показанного на Фиг.2. Биметаллический элемент 22 управляет или создает состояние 25 соединения или состояние 24 разъединения рабочего колеса 5 вентилятора 5 с валом ротора без дополнительных, явно указанных устройств управления. В частности, функционирование биметаллического элемента 22 косвенным образом зависит от изменения рабочего состояния генератора 20, в частности, от температуры генератора 20, изменение которой определяется выходной мощностью генератора 20. Не требуется использования дополнительного устройства управления и/или мониторинга для оценки рабочего состояния генератора 20, или устройства с возможностью генерации особого отдельного сигнала для активации и/или деактивации состояния 25 соединения или состояния 24 разъединения между рабочим колесом 5 вентилятора и валом 6 ротора.

В рабочем состоянии с низкой рабочей температурой генератора 20, то есть, до тех пор, пока генератор переменного тока 20 не производит электроэнергию или производит ее в незначительной степени, биметаллический элемент 22 находится в состоянии 24 разъединения. Рабочее колесо 5 вентилятора не соединено с валом 6 ротора соединением с силовым замыканием и/или с геометрическим замыканием относительно вращательного движения вала 6 ротора. Поэтому указанное рабочее колесо вентилятора по существу не следует за вращательным движением вала 6 ротора, поскольку оно не получает усилия для вращательного движения через подшипник 21.

Но как только эксплуатационная температура генератора 20 повышается, биметаллический элемент 22 расширяется в радиальном направлении 23 до тех пора пока не достигает состояния 25 соединения, в котором рабочее колесо 5 вентилятора соединено с валом 6 ротора соединением с силовым замыканием и/или с геометрическим замыканием относительно вращательного движения вала 6 ротора посредством биметаллического элемента 22. Таким образом, при соединении с силовым замыканием и/или с геометрическим замыканием рабочего колеса 5 вентилятора и вала 6 ротора рабочее колесо 5 вентилятора следует за вращательным движением вала 6 ротора и, соответственно, генерирует поток 16 охлаждающего воздуха, который проходит через кожух 2 генератора 20 через соответствующие отверстия.

Поток 16 охлаждающего воздуха, в частности, обдувает нагреваемые компоненты генератора 20, например, обмотки статора (не показаны на Фиг.2) или обмотку 4 возбуждения в кожухе 2, таким образом, эти компоненты передают тепловую энергию потоку 16 охлаждающего воздуха. Холодный поток 16 охлаждающего воздуха, который поступает с передней стороны генератора 20, выходит из кожуха 2, проходя через отверстия кожуха в задней части или на задней поверхности генератора 20, и удаляется как поток 17 вытяжного воздуха. Таким образом, обеспечивается охлаждение генератора 20, как только температура указанного генератора достигает установленного значения. По сравнению с вариантом осуществления изобретения, представленным на Фиг.1, генератор 20 обладает дополнительном преимуществом, которое состоит в том, что он генерирует поток 16 охлаждающего воздуха только в случае если это необходимо при определенной эксплуатационной температуре генератора 20. Генератор 1 напротив генерирует поток 16 охлаждающего воздуха сразу, как только обмотка возбуждения создает достаточно сильное магнитное поле, независимо от фактической рабочей температуры генератора 1. Поэтому в варианте осуществления изобретения с генератором 20 механические потери довольно низкие, поскольку участие рабочего колеса 5 вентилятора сведено к минимуму.

Как показано на Фиг.2, рабочее колесо 5 вентилятора, и, соответственно, биметаллический элемент 22 помещены внутри кожуха 2 генератора 20, в положении, позволяющем надежно установить рабочую температуру генератора 20. Например, вблизи от нагреваемого компонента или в задней части кожуха 2, через которую проходит нагретый поток 16 охлаждающего воздуха.

В генераторе 20, показанном на Фиг.2, биметаллический элемент 22 сочетает в себе как функции автоматического устройства сцепления, так и приводного элемента.

Величина эксплуатационной температуры генератора 20, требуемая для перемещения рабочего колеса 5 вентилятора в состояние 25 соединения, и, таким образом, требуемая для генерации потока 16 охлаждающего воздуха, определяется с помощью использования подходящего биметаллического элемента 22, и с помощью установления радиального расстояния между валом 6 ротора и рабочим колесом 5 вентилятора, которые соединены биметаллическим элементом 22.

Очевидно, что электрическая машина, выполненная в соответствии с данным изобретением, не ограничена только вариантами осуществления, описанными в данном документе и показанными на фигурах. В частности, электрическая машина, выполненная в соответствии с данным изобретением, может быть разработана в качестве электрического генератора и электрического мотора для соответствующего использования. Следовательно, данное изобретение также относится к разработке электрической машины согласно данному изобретению, представляющей собой пусковой генератор, сочетающий в себе функции электрического мотора (например, стартер) и электрического генератора (например, генератор переменного тока), которые реализованы в одной электрической машине.

В предпочтительном варианте осуществления электрическая машина согласно данному изобретению представляет собой дополнительный агрегат с воздушным охлаждением, который является электрическим трехфазным генератором для транспортных средств. Для этого генератор, в дополнение к кожуху, имеет статор, ротор, вал ротора (соединенный с ротором с возможностью вращения и вращающийся в кожухе), рабочее колесо вентилятора (установленное с возможностью вращения на вал ротора), ременной шкив (соединенный без возможности поворота с валом ротора), используя который генератор приводят в движение, например, автомобильным двигателем внутреннего сгорания с помощью стандартного ременного привода.

В этом случае рабочее колесо вентилятора соединено или отсоединено от ротора или от вала ротора с помощью автоматического устройства сцепления, в частности, с помощью устройства сцепления с электромагнитным и/или температурным контролем, например, с помощью обмотки возбуждения или биметаллического элемента, таким образом, рабочее колесо вентилятора генерирует поток охлаждающего воздуха для охлаждения генератора только в том случае, когда рабочее состояние генератора требует охлаждения, например, в том случае, когда обмотка возбуждения ротора генерирует магнитное поле и/или температура генератора превышает установленное пороговое значение. Что касается иных состояний, автоматическое устройство сцепления разъединяет рабочее колесо вентилятора и ротор (или вал ротора), таким образом, рабочее колесо вентилятора не получает импульс вращательного движения от ротора или вала ротора. Таким образом, удается избежать лишних механических потерь во время эксплуатации электрической машины, что приводит к повышению общего КПД машины.

Перечень условных обозначений:

1 Трехфазный генератор переменного тока (генератор)

2 Кожух

3 Ротор

4 Обмотка возбуждения

5 Рабочее колесо вентилятора

6 Вал ротора

7 Ременной шкив

8 Ось вращения

9 Подшипник рабочего колеса 5 вентилятора

10 Осевое направление смещения

11 Состояние разъединения с рабочим колесом 5 вентилятора

12 Состояние соединения с рабочим колесом в 5 вентилятора

13 Пружинный элемент

14 Фрикционное колесо

15 Магнитное поле обмотки 4 возбуждения

16 Поток охлаждающего воздуха

17 Поток вытяжного воздуха

20 Трехфазный генератор переменного тока (генератор)

21 Подшипник генератора 20

22 Биметаллический элемент

23 Радиальное направление растяжения

24 Состояние разъединения с биметаллическим элементом 22

25 Состояние соединения с биметаллическим элементом 22

1. Электрическая машина с воздушным охлаждением, которая содержит ротор (3), в состав которого входит вал (6) ротора и обмотка (4) возбуждения в качестве автоматического устройства сцепления, управляемого электромагнитным способом, и рабочее колесо (5) вентилятора, установленное на валу (6) ротора с возможностью вращения и с возможностью соединения или отсоединения от ротора (3) посредством автоматического устройства (4) сцепления, отличающаяся тем, что между рабочим колесом (5) вентилятора и ротором (3) содержит по меньшей мере один приводной элемент (14) и по меньшей мере один пружинный элемент (13), создающий начальное напряжение для удержания рабочего колеса (5) вентилятора и ротора (3) на расстоянии друг от друга в невозбужденном состоянии обмотки (4) возбуждения, причем рабочее колесо (5) вентилятора установлено на валу ротора с возможностью осевого перемещения по нему, и в возбужденном состоянии обмотки (4) возбуждения рабочее колесо (5) вентилятора соединяется посредством приводного (14) элемента с ротором (3) с силовым замыканием и/или с геометрическим замыканием.

2. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что рабочее колесо (5) вентилятора расположено в кожухе (2).

3. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что приводной элемент представляет собой фрикционное колесо (14).

4. Применение электрической машины п.1 в качестве генератора переменного тока для транспортных средств.

5. Применение электрической машины п.1 в качестве пускового генератора для транспортных средств.