Die vorliegende Erfindung betrifft die Statorwicklungs- und Kernkon
struktion einer Elektromaschine.
Generatoren sind in praktisch jedem heutzutage hergestellten Motorfahr
zeug zu finden. Diese Generatoren, wie beispielsweise der übliche Lundell-
Generator, erzeugen einen Wechselstrom, um den Elektrizitätsbedarf des
Fahrzeugs zu decken. Während die Antriebsmaschine des Fahrzeugs läuft,
erzeugen die Generatoren ausreichend Elektrizität, um den Elektrizitäts
anforderungen des Fahrzeugs abzuhelfen und die Batterie wieder aufzula
den.
Ein wichtiges Bauteil des Generators ist der Stator oder Ständer. Bei den
meisten Generatoren enthält der Stator die den Hauptstrom transportie
rende Wicklung, in der eine durch einen magnetischen Fluß erzeugte
elektromotorische Kraft induziert wird. Typischerweise besteht die den
Strom transportierende Wicklung aus Leitungsdraht, der gewickelt und in
die Schlitze des Stators eingesetzt ist. Jeder Schlitz ist zwischen zwei Zäh
nen angeordnet. Der Draht wird in Bündel gewickelt und in den Stator
eingesetzt. Der Stand der Technik lehrt das Wickeln und Einsetzen von
Draht mit einem gerundeten Profil. Dieser gerundete Draht hat jedoch ei
nige Nachteile, die zu seiner Verwendung in einem herkömmlichen Stator
gehören.
Erstens nehmen die Bündel aus gerundetem Draht die Statorschlitze
nicht auf eine effiziente Art und Weise ein. Typischerweise beträgt das
Verhältnis von Kupferdrahtfläche zur gesamten Schlitzfläche 50%. Diese
herkömmliche Konstruktion erzeugt einen geringeren Ausgangsstrom und
ist elektrisch weniger effizient als eine Konstruktion, bei der der Draht ein
größeres Verhältnis des Schlitzes einnimmt.
Zweitens werden bei einer herkömmlichen Statorkonstruktion zwei Merk
male dazu verwendet, den Draht in dem Schlitz zu halten: Zahnspitzen
und Keile. Die Zähne des herkömmlichen Stators sind an der Unterseite
des Schlitzes verbreitert, um den Schlitz entsprechend schmaler zu ma
chen, wie es anhand von US-Patent Nr. 4 613 780 von Fritzsche zu sehen
ist. Zusätzlich wird typischerweise ein Papierkeil in den Schlitz eingesetzt,
nachdem das Drahtbündel eingesetzt worden ist. Das Einsetzen des Keils
ist ein wesentliches Problem im Herstellungsbereich, und der Prozeß des
Einsetzens erhöht die Kosten, indem die Stillstandzeit der Ausrüstung
und die Wartung zunehmen.
Drittens erlaubt die herkömmliche Statorkonstruktion kein effizientes
Stanzen der Statorkerns. Das Stanzen eines herkömmlichen Statorkern
laminats gemäß dem Stand der Technik erzeugt eine beträchtliche Menge
Stanzabfall. Diese geringe Materialausnutzung resultiert daraus, daß die
herkömmliche Statorkonstruktion verbreiterte Zahnspitzen verwendet.
Viertens führt die Verwendung von gerundetem Draht bei der herkömmli
chen Statorkonstruktion zu schlechter Wärmeleitung, da der Draht in
dem Schlitz lose gebündelt ist. Diese schlechte Wärmeleitung führt zu hö
heren Statordrahttemperaturen. Diese höhere Temperatur verringert wie
derum die Zuverlässigkeit, das Leistungsvermögen und den Wirkungsgrad
des Drahtes.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Lösung für die oben er
wähnten Probleme bereitzustellen. Ein erfindungsgemäß aufgebauter
Stator ist durch die in Anspruch 1 beschriebenen Merkmale gekennzeich
net. Die vorliegende Erfindung ist eine Statorkonstruktion mit hohem
Füllfaktor. Diese neue Konstruktion wird durch die Tatsache unterstützt,
daß abgeflachter Magnetdraht nun weitläufig zur Verwendung bei Stato
ren erhältlich ist. Abgeflachter Magnetkupferdraht ist nun mit einem Hö
he/Breite-Verhältnis von bis zu 4 zu 1 erhältlich, wobei die Enden des
Drahtes gerundet sind. Die Verwendung abgeflachten Magnetdrahtes er
laubt eine Neukonstruktion des Stators, um die Nachteile von Draht mit
einem gerundeten Profil zu beseitigen.
Die vorliegende Erfindung verwendet abgeflachten Magnetdraht, der ge
wickelt und in die Statorschlitze eingesetzt ist. Der abgeflachte Magnet
draht ist in die Statorschlitze hinein gestapelt. Zusätzlich sind die Schlitze
der vorliegenden Erfindung abgewinkelt, so daß der abgeflachte Draht an
der Oberseite jedes Schlitzes lose sitzt, aber an der Unterseite fest sitzt.
Diese Abwinklung hält den Draht in jedem Schlitz fest.
Die Verwendung von abgeflachtem Magnetdraht und die entsprechende
neue Kernkonstruktion beseitigen die Nachteile des Standes der Technik.
Erstens nutzt der gestapelte, abgeflachte Draht nahezu 80% der Schlitz
fläche aus. Die Verwendung von abgeflachtem Draht erzeugt auch einen
entsprechend höheren Ausgangsstrom und ist effizienter als die Verwen
dung von Draht mit einem gerundeten Profil. Zweitens beseitigt die sich
selbst festhaltende Natur der Erfindung die Notwendigkeit für einen Pa
pierkeil oder Zahnspitzen, wodurch die Kosten verringert werden. Drittens
erzeugt die Geometrie der neuen Kernkonstruktion weniger Stanzabfall
während des Stanzens des Statorkernlaminats. Viertens verbessert die
Konstruktion aus dem abgeflachten Draht und dem Kern die Wärmelei
tung, was zu niedrigeren Drahttemperaturen und einer entsprechenden
Zunahme der Zuverlässigkeit, des Leistungsvermögens und des Wir
kungsgrades führt. Die neue Kernkonstruktion hat einen zusätzlichen
Vorteil. Die Verwendung von gestapeltem, abgeflachtem Draht in der neu
en Konstruktion versteift die Statorzähne in der radialen Richtung, wo
durch Vibration und Geräusch reduziert werden.
Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen be
schrieben, in diesen ist:
Fig. 1 eine vergrößerte Ansicht eines herkömmlichen Stators,
Fig. 2 eine Teilschnittansicht eines herkömmlichen Stators, gemäß
dem in Fig. 1 gezeigten, eingekreisten Abschnitt,
Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht, die die Statorkonstruktion der vor
liegenden Erfindung zeigt, und
Fig. 4 eine Teilschnittansicht, die die Statorkonstruktion der vorlie
genden Erfindung zeigt, gemäß dem in Fig. 3 gezeigten, einge
kreisten Abschnitt.
Die Fig. 1 und 2 veranschaulichen einen herkömmlichen Stator. In Fig. 1
besteht der Stator aus einem Joch 10, mehreren Zähnen 12 und mehre
ren Schlitzen 14. Nach Fig. 2 ist jeder Schlitz zwischen zwei Zähnen ange
ordnet, und die Schlitze enthalten typischerweise jeweils Schlitzausklei
dungen 16 entlang der Innenseiten der Schlitze. Jeder Zahn weist eine
Zahnspitze 18 an der Unterseite des Schlitzes auf, die breiter als der Zahn
selbst ist. Fig. 2 zeigt auch eine Querschnittsansicht eines lose gepackten
Bündels aus gerundetem Magnetdraht 20, das den Schlitz einnimmt. Der
gerundete Draht ist in dem Schlitz durch die Zahnspitzen und durch ei
nen Keil 22 festgehalten.
Die Fig. 3 und 4 veranschaulichen die Statorkonstruktion der vorliegen
den Erfindung. Wieder besteht der Stator aus einem Joch 30, mehreren
Zähnen 32 und mehreren Schlitzen 34, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Nach
Fig. 4 ist jeder Schlitz wieder zwischen zwei Zähnen angeordnet, und die
Schlitze enthalten jeweils Schlitzauskleidungen 36 entlang der Innensei
ten der Schlitze. Bei der vorliegenden Erfindung weist jedoch jeder Zahn
anders als im Stand der Technik keine Zahnspitze auf, und die Schlitze
benötigen keinen Keil. Jeder Schlitz ist derart aufgebaut, daß die Seiten
des Schlitzes nicht parallel liegen sondern stattdessen einen kleinen Win
kel bilden. Der bevorzugte Winkel beträgt 2 Grad, es kann aber jeder ge
eignete Winkel verwendet werden. Abgeflachter Draht mit gerundeten
Kanten 40 ist in jeden Schlitz gestapelt, wobei der abgeflachte oder nicht
kreisförmige Querschnitt des Drahtes die Verkeilungswirkung der vorlie
genden Erfindung erhöht. Die Oberseite des Schlitzes (wobei die Oberseite
das am nächsten bei dem Joch liegende Ende ist) ist geringfügig breiter
als die Unterseite des Schlitzes, und der Draht in der Nähe der Oberseite
des Schlitzes sitzt lockerer in dem Schlitz als der Draht in der Nähe der
Unterseite. Die geringfügige Abwinklung der Statorzähne und -schlitze er
zeugt eine Verkeilungswirkung an der Unterseite des Schlitzes, die eine
Druckkraft erzeugt, um den Draht an seiner Stelle zu halten. Bei der ge
zeigten Ausführungsform paßt aufgrund der Breite des Schlitzes nur einen
einzigen Statorwicklungsdraht oder -leiter pro Wicklungslage in den
Schlitz.
Zusammengefaßt betrifft die Erfindung eine Konstruktion aus einer steifen
Statorwicklung und einem Kern mit hohem Füllfaktor zur Verwendung bei
Generatoren. Die Statorkonstruktion besteht aus mehreren Statorzähnen
32 mit Schlitzen 34 zwischen den Zähnen 32. Abgeflachter Magnetdraht
40 mit gerundeten Kanten ist in die Schlitze 34 gestapelt. Die Schlitze 34
sind geringfügig abgewinkelt, θ, um eine Verkeilungswirkung zu erzeugen
und somit den Draht 40 in den Schlitzen zu halten.