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Die
Erfindung bezieht sich auf dynamoelektrische Maschinen mit einem
Stator und einem Rotor und insbesondere auf einen Wechselstromgenerator mit
einer Statorwicklung zur Verbesserung der Effizienz des Wechselstromgenerators.
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Die
Erfindung bezieht sich auf dynamoelektrische Maschinen, beispielsweise
einen elektrischen Wechselstromgenerator, einschließlich derer,
die insbesondere für
die Verwendung in Kraftfahrzeugen geeignet sind. Derartige Geräte werden üblicherweise
mechanisch durch einen um eine Riemenscheibe laufenden Riementrieb
angetrieben, die mit der Kurbelwelle des Motors eines Kraftfahrzeugs
verbunden ist. Der Riemen treibt eine Riemenscheibe am Wechselstromgenerator
an, die eine innen liegende Rotorbaugruppe antreibt, um einen Wechselstrom
zu erzeugen. Dieser Wechselstrom wird in einen Gleichstrom gleichgerichtet
und dem elektrischen Bus und der Speicherbatterie eines Kraftfahrzeugs
zugeführt.
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Obwohl
Wechselstromgeneratoren in Kraftfahrzeugen seit vielen Jahrzehnten
benutzt werden, haben die heutigen Anforderungen an die Konstruktion
von Fahrzeugen, die Kosten und die Leistungsfähigkeit eine erhöhte Aufmerksamkeit
auf die Konstruktion von effizienteren Wechselstromgeneratoren gelenkt.
Heutige Kraftfahrzeuge sind einer drastischen Erhöhung der
Anzahl von elektrischen Systemen und Zubehörkomponenten ausgesetzt. Derartige
elektrische Geräte
umfassen interne und externe Beleuchtungen, Klimasteuerungssysteme,
anspruchs volle Motorsteuerungssysteme, Fahrzeugstabilisationssysteme,
Traktionssteuersysteme und Antiblockiersysteme. Audio- und Telematiksysteme des
Fahrzeugs stellen weitere Anforderungen an das elektrische Fahrzeugsystem.
Weitere Anforderungen bezüglich
der Ausgangsleistung des elektrischen Wechselstromgenerators eines
Fahrzeugs entstehen mit der weit verbreiteten Einführung einer
elektrisch unterstützten
Servolenkung und eines elektrischen Fahrzeugbremssystems. Die Kombination
dieser Herausforderungen bildet den Grund, dass die Anforderungen
an das elektrische Fahrzeugsystem weit auseinander liegen, unabhängig von
der Motordrehzahl, die den Wechselstromgenerator antreibt und von Veränderungen
unter verschiedenen Fahrbedingungen.
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Zusätzlich zu
diesen Herausforderungen eine hohe elektrische Ausgangsleistung
für den Wechselstromgenerator
des Fahrzeugs bereitzustellen, besteht außerdem das Bedürfnis, die
Wechselstromgeneratorgröße bezüglich der
Packungsbeschränkungen
im Motorraum und seine sich auf den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs
niederschlagende Masse zu minimieren.
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Bezüglich der
Bereitstellung einer höheren elektrischen
Ausgangsleistung streben die Konstrukteure derartiger Geräte außerdem danach,
eine hohe Effizienz bei der Umsetzung von mechanischer Leistung
in elektrische Ausgangsleistung zu erreichen, wobei die mechanischer
Leistung von dem vom Motor getriebenen Riemen bereitgestellt wird.
Eine derartige Effizienz überträgt sich
direkt in eine höhere Gesamtwärmeeffizienz
des Fahrzeugmotors und somit in eine Erhöhung der Wirtschaftlichkeit
des Kraftstoffs. Abschließend
sind die Kosten ein entscheidender Faktor beim Anbieten von derartigen
Komponenten im Wettbewerb an Hersteller von Originalausstattungen.
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Eine
verbesserte Effizienz des Wechselstromgenerators kann mit verschiedenen
Konstruktionsansätzen
erreicht werden. Der Wechselstromgenerator verwendet eine rotierende
Rotorbaugruppe, die ein rotierendes magnetisches Feld mit alternierender
Polarität
erzeugt. Dieses rotierende magnetische Feld wirkt auf eine ringförmige Statorbaugruppe,
die die Rotorbaugruppe eng anliegend umgibt. In der Statorbaugruppe
sind elektrische Leiterwicklungen eingebettet. Aus dem Stand der
Technik ist es bekannt, diese Leiter zu kühlen, da der elektrische Widerstand
der Leiter proportional zur Temperatur der Drähte ist. Da der Leiterwi derstand
umgekehrt proportional zur Ausgangsleistung und zur Effizienz des
Wechselstromgenerators ist, ist die Kühlung der Statorwicklung ein
wichtiger Faktor bei der Verbesserung der Ausgangsleistung und der
Effizienz des Wechselstromgenerators.
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Unvorteilhafterweise
werden in vielen Statorkernbaugruppen Wicklungen verwendet, die
eine Kühlung
der Leiter nicht begünstigen.
Einige Wechselstromgeneratorkonstruktionen verwenden konventionelle
Drahtleiter mit einem runden Querschnitt, die in radial hervorstehende,
im Statorkern ausgebildete Schlitze, gewickelt sind. Diese Drähte mit
rundem Querschnitt werden gegen andere Drahtumrundungen in den Schlitzen
in einem zufälligen
Wicklungsmuster verwoben, was dazu führt, dass die Umrundungen zusammen
gebündelt
sind und keine oder sehr wenige Öffnungen
zur Durchströmung
mittels kühlender
Luft zwischen den Leitern aufweisen.
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Diese
Anordnung limitiert somit eine konvektive Kühlung der Statorwicklungen.
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Vor
diesem Hintergrund ergibt sich die Aufgabe eine Statorbaugruppe
anzugeben, bei der die Effizienz des Wechselstromgenerators durch
eine Verbesserung der Kühlung
der Statorwicklungen erhöht
ist, obwohl gleichzeitig eine unerwünschte Erhöhung der Größe und Kosten des Wechselstromgenerators
oder der dynamoelektrischen Maschine verhindert wird.
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Die
vorliegende Erfindung sieht einen Stator für eine dynamoelektrische Maschine
vor, bei dem die Kühlung
der Statorwicklungen verbessert ist, ohne die Größe der Statorwicklungen oder
des gesamten Stators zu erhöhen.
Der Stator besteht aus einer einzigartigen Vorrichtung, wobei die
Größe und insbesondere
die Querschnittsfläche
der individuellen Leiter stark reduziert sind, obwohl die Gesamtanzahl
der Leiter erhöht
ist. Zusätzlich
wird eine Multifilar- oder Mehrfachwicklungslagenkonstruktion verwendet,
um das Potenzial für
hohe Induktions- und Widerstandslevel in den Leitern zu vermeiden,
wie es im Folgenden detaillierter beschrieben wird.
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Der
Stator umfasst im Wesentlichen einen Statorkern mit einer grundsätzlich zy lindrischen Form.
Der Statorkern weist eine Vielzahl von umfänglich angeordneten und beabstandeten
Kernschlitzen zur Aufnahme von Statorwicklungen auf. Die Statorwicklungen
umfassen eine Vielzahl von Leitern. Jeder Leiter weist eine Vielzahl
von geraden Segmenten auf, die eine Vielzahl von Endschleifensegmenten
verbinden. Die Vielzahl von Leitern sind in wenigstens einer ersten
Wicklungslage (Filar) und einer zweiten Wicklungslage (Filar) organisiert.
Die Leiter der ersten Wicklungslage sind elektrisch parallel zu den
Leitern der zweiten Wicklungslage geschaltet. Die geraden Segmente
der ersten und zweiten Wicklungslage befinden sich in gemeinsamen
Schlitzen im Statorkern. Außerdem
sind die Endschleifensegmente der ersten und zweiten Wicklungslage
umlaufend und sind axial gegenüberliegend
ausgerichtet.
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Gemäß einem
detaillierten Ausführungsbeispiel
ist die Vielzahl der Leiter vorzugsweise in Phasen strukturiert,
die durch einen umlaufenden Abstand gebildet sind. Jede Phase umfasst
im Wesentlichen einen Leiter, der die erste Wicklungslage und einen
Leiter, der die zweite Wicklungslage bildet. Die einzigartige Konstruktion
des Stators ermöglicht, dass
die Anzahl von Ebenen größer als
sechs sein kann. Die Multifilar- oder Mehrfachwicklungslagenkonstruktion
ermöglicht,
die Anzahl von Umrundungen der Statorwicklungen kleiner auszubilden
als die Anzahl von Ebenen. Die Anzahl von Umrundungen entspricht
vorzugsweise der Anzahl von Ebenen geteilt durch die Anzahl von
Wicklungslagen (Filars). Die Leiter weisen vorzugsweise eine kaskadierte
und geflochtene Konstruktion auf, die in Kombination mit den Phasen
und der Form der Endschleifen dazu führen, dass die Leiter so strukturiert
sind, dass Luftstrompfade gebildet werden, um die Leiter zu kühlen. Vorzugsweise
erstrecken sich die Luftstrompfade zwischen den Ebenen der Statorwicklungen.
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Die
beigefügten
Zeichnungen bilden einen Teil der Beschreibung und zeigen verschiedene
Aspekte der vorliegenden Erfindung. Sie dienen zusammen mit der
Beschreibung der Erklärung
der Prinzipien der Erfindung. In denen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels des Stators
ist, der gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung konstruiert ist;
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2A eine
perspektivische Ansicht des Statorkerns gem. 1 ist;
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2B eine
Schnittdarstellung des in 2A gezeigten
Statorkerns zeigt;
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3 eine
perspektivische Ansicht eines einzelnen Leiters zeigt, der eine
Statorwicklung bildet;
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4 eine
perspektivische Ansicht von drei Leitern zeigt, die in Phasen unterteilt
sind;
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5 eine
perspektivische Ansicht von zwei Leitern zeigt, die eine bifilare
Beziehung bilden;
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6 eine
perspektivische Ansicht von sechs Leitern zeigt, die in drei Phasen
getrennt sind und aus zwei Wicklungslagen bestehen; und
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7 eine
perspektivische Ansicht einer kompletten Statorwicklung zeigt, die
insbesondere in 6 gezeigt ist.
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1 zeigt
eine perspektivische Ansicht des Stators 20, der gemäß der Lehre
der vorliegenden Erfindung konstruiert ist. Der Stator 20 umfasst
im Wesentlichen einen Statorkern 22 und eine Statorwicklung 24.
Es wird eine einzigartige Statorwicklung 24 verwendet,
um die Kühlung
der Statorwicklung 24 zu verbessern, ohne diese zu vergrößern. Wie
oben herausgestellt, müssen
die Statorwicklung 24 und jeder von ihren Leitern effektiv
gekühlt
werden, um die Ausgangsleistung und die Effizienz des Wechselstromgenerators
zu maximieren. Es ist auch wünschenswert,
die Temperatur der Isolierung an den Leitern zu verringern, um die
Lebenszeit der Isolierung und konsequenterweise des Wechselstromgenerators
zu verlängern.
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Die
Temperaturerhöhung
von jedem Leiter steht in direktem Bezug zur Oberfläche des
Leiters. Um die Temperaturerhöhung
zu reduzieren, ist es erstrebenswert, die Oberfläche der Leiter zu erhöhen, um
deren konvektive Kühlung
zu erhöhen.
Für einen typischen
rechtwinklig oder quadratischen Leiter mit einer Weite h und einer
Tiefe b ist die Querschnittsfläche
= 2b + 2h. Der Fachmann versteht hier, dass der Begriff rechtwinklig
oder quadratisch auch Radien von Leiterecken umfasst. Wenn dieser
Leiter jedoch hälftig
in seiner Weite aufgeteilt ist, ist die Querschnittsfläche = 2
(2b + (2 × 1/2
h)) oder 4b + 2h. Für den
Fall, bei dem der ursprüngliche
Leiterdraht quadratisch ist (b = h) und entweder b oder h in der
Hälfte aufgeschnitten
ist, entsteht eine 50%ige Erhöhung der
Oberfläche.
Grundsätzlich
liegt die größte Abmessung
der Weite h und Tiefe b eines bekann ten Leiters im Bereich von 2
mm bis 4 mm. Gemäß der vorliegenden
Erfindung liegt die größte Abmessung der
Weite h und Tiefe b nun im Bereich von 1 mm bis 2 mm, vorzugsweise
weniger als 2 mm. Somit ist die Statorwicklung 24 so konstruiert,
eine größere Anzahl
von Leitern mit einer kleineren mittleren Querschnittsfläche zu verwenden,
die um den Statorkern 22 in einer einzigartigen Art und
Weise gewickelt sind, wodurch die Effizienz des Wechselstromgenerators
verbessert wird.
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Der
Statorkern 22 kann am besten in 2A betrachtet
werden und umfasst im Wesentlichen einen zylindrischen Körper 26,
der eine Vielzahl von Schlitzen 28 zur Aufnahme von Statorwicklungen 24 bildet.
Die Schlitze 28 sind gleichmäßig beabstandet und umlaufend
um den zylindrischen Körper 26 angeordnet.
Die Schlitze 28 erstrecken sich axial durch den Körper 26 von
einer ersten axialen Seite 30 zu einer zweiten axialen
Seite (nicht gezeigt). Die Schlitze 28 sind radial nach
innen zum Inneren des Statorkern 22 geöffnet. Die radial nach innen
gerichtete Richtung ist im Wesentlichen durch die Pfeile 15 angedeutet.
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Die
Statorwicklung 24 besteht im Wesentlichen aus einer Vielzahl
von Leitern 32, die um den Statorkern 22 durch
die Vielzahl von Schlitzen 28 gewickelt sind. Jeder Leiter 32 weist
einen Start- und Endanschluss 42 auf, um die Statorwicklung 24 mit einem
Gleichrichter elektrisch zu verbinden, um eine Ring- (Dreieckschaltung
für drei
Phasen) oder eine Sternschaltung (als WYE-Typ für drei Phasen bekannt) zu bilden.
Der Fachmann versteht, dass die Vielzahl der Phasen in einer Vielzahl
von Ring- oder Sternschaltungen miteinander verbunden werden können.
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Im
Folgenden wird eine erste Beschreibung eines einzelnen Leiters angegeben.
Danach wird die Anordnung einer Vielzahl von Leitern 32 kategorisiert und
erklärt.
Gemäß 3 umfasst
ein einzelner Leiter 32 im Wesentlichen einen Draht mit
einer Anzahl von Segmenten. Ein Anschlusssegment 42 wird
zur elektrischen Verbindung des Leiters 32 verwendet, wie
oben beschrieben. Der Rest des Leiters 32 besteht im Wesentlichen
aus einer Vielzahl von geraden Segmenten 44, die eine Vielzahl
von Endschleifensegmenten 46 verbinden. Die geraden Segmente 44 bilden
den Teil des Leiters 32, der sich durch den Statorkern 22 erstreckt und
sich in den Schlitzen 28 des Statorkern 22 befindet.
Die Endschleifensegmente 46 erstrecken sich axial von dem
zylindrischen Körper 26 des
Statorkerns 22 nach außen,
wie in 1 gezeigt. Die Endschleifensegmente 46 alternieren
zwischen den axialen Seiten des Stators 20.
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Wie
gut aus 4 erkannt werden kann, umfasst
jedes Endschleifensegment 46 im Wesentlichen einen ersten
Schenkel 48 und einen zweiten Schenkel 50, die
sich an der Spitze des Endschleifensegments 46 treffen.
Der erste Schenkel 48 erstreckt sich von einem Schlitz 28 mit
einem Winkel hinweg, was als sich axial vom Statorkern 22 hinweg
erstreckend beschrieben werden kann, während er sich in Uhrzeigerrichtung
umlaufend erstreckt. Der zweite Schenkel 50 erstreckt sich
von einem Schlitz 28 mit einem Winkel hinweg, der als sich
axial von dem Statorkern 22 hinweg erstreckend beschrieben
werden kann, während
er sich entgegen der Uhrzeigerrichtung umlaufend erstreckt. Die
zwei Schenkel 48, 50 treffen sich an der Spitze
der Endschleife 46, wodurch ein umgekehrtes Dreieck gebildet
wird. Der Fachmann erkennt, dass nur einer der Schenkel 48 oder 50,
sich axial hinweg von dem Statorkern 22 erstrecken kann,
während
der andere Schenkel sich axial von dem Statorkern 22 hinweg
erstreckt und umläuft.
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An
der Spitze der Endschleife 46 ist eine radiale Verlängerung 52 gebildet,
die den ersten und den zweiten Schenkel 48, 50 miteinander
verbindet. Der zweite Schenkel 50 des Endschleifensegments 46 ist
mit dem zweiten geraden Segment 44 über eine zweite radiale Verlängerung 54 verbunden.
Die erste radiale Verlängerung 52 verschiebt
den Leiter 32 radial nach außen (die radial nach innen
gerichtete Richtung ist durch den Pfeil 15 angedeutet),
während
die zweite radiale Verlängerung 54 den
Leiter 32 radial nach innen verschiebt. Es kann somit erkannt werden,
dass jedes gerade Segment 44 eines Leiters 32 im
Wesentlichen in der gleichen radialen Position innerhalb des Schlitzes 28 des
Stators verbleibt, wodurch eine kaskadierte Konstruktion gebildet
wird. Die vorliegende Erfindung kann auch eine geflochtene Konstruktion
verwenden, wobei die zweite radiale Verlängerung 54 weggelassen
wird. Somit wird es erkannt, dass die aufeinanderfolgenden geraden
Segmente 44 in abwechselnden radialen Positionen innerhalb
der Schlitze 28 des Stators verbleiben. Obwohl sowohl die
kaskadierte als auch die geflochtene Konstruktion einen Satz von
geraden Segmenten 44 umfasst, die äquidistant an radialen Positionen
in den Schlitzen 28 des Stators angeordnet sind, umfasst nur
die kaskadierte Konstruktion eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden
geraden Segmenten 44, die in äquidistanten radialen Positionen
oder in derselben Ebene angeordnet sind, wie im Folgenden beschrieben
werden wird.
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Die
Leiter 32 sind in mehreren verschiedenen Wegen strukturiert
und organisiert. Zuerst können
die Leiter 32 darüber
charakterisiert werden, in welcher Ebene oder in welchen Ebenen
ihre geraden Segmente 44 angeordnet sind. Gemäß den 1 und 2B bildet
der Körper 26 des
Statorkerns 22 Schlitze 28, die gerade Segmente 44 des
Leiters 32 aufnehmen, wie zuvor beschrieben. Die Leiter 32 können über die
Ebene, in der sie liegen, charakterisiert werden, die sich auf die
radiale Position der geraden Segmente 44 innerhalb des
Schlitzes 28 der Leiter 32 beziehen. Wie in 2B gezeigt,
nehmen die Schlitze 28 Leiter 32 in einer ersten
Ebene 34, einer zweiten Ebene 36, einer dritten
Ebene 38 und einer vierten Ebene 40 auf, wie durch
die gestrichelten Linien angedeutet. In 2B kann
erkannt werden, dass die Leiter 32 in einer radialen Reihe
innerhalb der Schlitze 28 ausgerichtet sind und Weiten
aufweisen, die eng anliegend einschließlich Isolation in der Weite
der Schlitze 28 eingepasst werden. Es kann somit erkannt
werden, dass die entsprechend verbindlichen radialen Positionen
in jedem der Schlitze 28 die Ebenen 34 bis 40 bilden.
Anders ausgedrückt bilden
die geraden Segmente 44 der Leiter 32 von allen
Phasen in der äußersten
radialen Position die erste Ebene 34 usw., wie die geraden
Segmente 44 des Leiters 32 die radial inneren
Positionen ausfüllen. Vorzugsweise
liegen die geraden Segmente 44 der Leiter 32 in
einer gemeinsamen Ebene für
jede fast vollständige
Umrundung um den Statorkern 22. Darüber hinaus kann der Leiter 32 kontinuierlich
ausgebildet sein, in der Art und Weise, dass er eine Vielzahl von
aufeinanderfolgenden geraden Segmenten 44 umfasst, die
in einer Ebene 34 für
eine fast vollständige
Umrundung liegen und eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden geraden
Segmenten 44, die in einer anderen Ebene liegen, beispielsweise 38,
für eine andere
Umrundung usw.
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Es
kann nun erkannt werden, dass die radialen Verlängerungen 52 an der
Spitze von jeder Endschleife 46 kurzzeitig die Endschleife 46 in
einer angrenzenden oder benachbarten Ebene positionieren (und insbesondere
den zweiten Schenkel 50), während die zweite radiale Verlängerung 54 den
Leiter 32 zurück
in die ursprüngliche
Ebene verschiebt, die von den anderen geraden Segmenten 44 und
den ersten Schenkeln 48 belegt sind. Somit wird vom Fachmann erkannt,
dass bei mehreren Umrundungen (z. B. zwei Umrundungen oder mehr)
jeder Leiter 32 gerade Segmente 44 aufweist, die
in verschiedenen Ebenen angeordnet sind, z. B. eine erste Ebene
während
der ersten Umrundung, eine zweite Ebene in der zweiten Umrundung
etc.
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Zweitens
erlaubt die Struktur von jedem der Leiter 32 die Statorwicklung 24 in
Phasen zu organisieren, wie mit Bezug auf 4 beschrieben
wird. Die ersten und zweiten radialen Verlängerungen 52, 54 ermöglichen
eine Anzahl von Leitern 32, in einer kaskadierten Struktur
mit mehreren Phasen zu positionieren. In 4 sind 3
Phasen dargestellt, die von einem ersten Leiter 321 ,
einem zweiten Leiter 322 und einem dritten Leiter 323 gebildet sind. Obwohl in den 4, 6 und 7 jeweils
3 Phasen dargestellt sind, erkennt der Fachmann, dass jede beliebige
Anzahl von Phasen verwendet werden kann. Jeder der Leiter 321 , 322 , 323 ist im Wesentlichen identisch ausgebildet,
bis auf die beabstandeten umlaufende Abstände, die durch den Pfeil 16 dargestellt sind.
Dementsprechend weist nur der erste Leiter 321 detaillierte
Bezugszeichen auf, da die anderen Leiter 322 und 323 im Wesentlichen identisch ausgebildet sind.
Es kann somit erkannt werden, dass die nahe an den Endschleifensegmenten 46 angeordneten ersten
und zweiten radialen Verlängerungen 52, 54 ermöglichen,
dass sich die 3 Endschleifensegmente 46 überlappen,
obwohl auch jedes gerade Segment 44 in einer einzelnen
Ebene verbleibt, die als Ebene 34 bezeichnet ist. Jede
der drei Phasen ist elektrisch in einer Ring(Dreieck)-schaltung
oder Stern(WYE)-Schaltung zur Stromversorgung für das Fahrzeug verbunden, wie
es im Stand der Technik gut bekannt ist. Die Struktur und Phasenlage
der Leiter 32 ermöglicht
eine feste Beabstandung, um Luftstrompfade zwischen den Leitern 32 und
insbesondere zwischen den Endschleifensegmenten 46 auszubilden.
Diese Struktur der Statorwicklung 24 kann als kaskadierte
Struktur bezeichnet werden, jedoch kann die Vielzahl von Leitern 32 auch
in einer geflochtenen Struktur ausgebildet sein, wobei die geraden
Segmente 44 in abwechselnden Ebenen liegen, um ein verwobenes
oder geflochtenes Muster zu bilden.
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Letztlich
ist die Vielzahl der Leiter 32, die die Statorwicklung 24 bilden,
in Wicklungslagen (Filars) ausgebildet. Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird eine Multifilar- oder Mehrtachwicklungslagenkonstruktion verwendet,
beispielsweise eine Bi-filar- oder Trifilar- etc. Konstruktion.
Hierin wird der Begriff Mehrfachwicklungslagenkonstruktion als ein
Satz von Leitern verstanden, die elektrisch miteinander verbunden
und parallel zueinander ausgerichtet sind. Eine bifilare Konstruktion
ist in 5 gezeigt. Es sind ein erster Leiter 32a und
ein zweiter Leiter 32b dargestellt, die elektrisch miteinander
parallel verbunden sind (nicht dargestellt). Die zwei Leiter 32a, 32b sind so
ausgestaltet, das sie vom Statorkern 22 aufgenommen werden
können,
derart, dass die geraden Segmente 44a und 44b in
gemeinsamen Schlitzen 28 liegen (z.B. ausgerichtet in umfänglichen
Positionen). Außerdem
sind die Endschleifen 46a und 46b der Wicklungslagen
(Filare) axial gegenüberliegend zur
jeweils anderen Wicklungslage (Filar) angeordnet.
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Das
heißt,
dass die Endschleifen 46a der ersten Wicklungslage im Wesentlichen
den Endschleifen 46b der zweiten Wicklungslage direkt axial gegenüberliegend
angeordnet sind. Somit werden die korrekte Frequenz und die Phase
des in jedem Leiter 32a, 32b induzierten Stroms
so ausgerichtet, dass sie sich addieren und somit nicht gegenseitig durch
ihre parallele elektrische Verbindung auslöschen. Es kann auch erkannt
werden, dass die geraden Segmente 44a des Leiters 32a alle
in der Ebene 36 liegen, während die geraden Segmente 44b des anderen
Leiters 32b in Ebene 34 liegen.
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In 6 wird
eine Kombination der Ebenen, Phasen und Mehrfachwicklungslagenkonstruktionen dargestellt.
Der in 6 dargestellte Anteil der Statorwicklung 24 zeigt
eine bifilare Konstruktion. Das heißt, es gibt 2 Wicklungslagen
(Filar 32a, 32b) für jede Phase (32a, 32b)1; (32a, 32b)2;
(32a, 32b)3. Die Leiter
sind gephast, wie mit den umlaufenden Abständen zwischen jedem der Leiter 32a1 , 32a2 , 32a3 , 32b1 , 32b2 und 32b3 angedeutet.
Es kann erkannt werden, dass entsprechende Wicklungslagen in jeder
der Phasen gerade Segmente 44 aufweisen, die in gemeinsamen
Schlitzen 28 liegen. Insbesondere liegen das gerade Segment 44a1 und das gerade Segment 44b1 in demselben Schlitz 28.
In ähnlicher Weise
liegt das gerade Segment 44a2 in
demselben Schlitz 28 wie das gerade Segment 44b2 . Letztlich kann dasselbe für die geraden
Segmente 44a3 und 44b3 ausgesagt werden. In der Summe weist
der in 6 gezeigte Teil der Stator wicklung 24 eine
dreiphasige und bifilare Konstruktion auf.
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Es
wird ebenso erkannt, dass die Leiter 32a1 , 32a2 , 32a3 , 32b1 , 32b2 , 32b3 Luftströmungspfade bilden, die sich
durch die Endschleifen 46, zwischen den Phasen der Endschleifen 46,
als auch zwischen den Ebenen der Endschleifen 46 erstrecken:
Diese Luftströmungspfade
in Kombination mit der vergrößerten Oberfläche, die
sich aus der reduzierten Querschnittsfläche und der größeren Anzahl
der Leiter ergibt, ermöglichen
eine stark verbesserte Kühlung
der Statorwicklung 24. Außerdem wird die Struktur von jedem
Leiter 32 durch die oben beschriebene umgekehrte dreieckige
Form gebildet. Die umgekehrte dreieckige Form zusammen mit den Phasen
und der kaskadierten oder verschachtelten Konstruktion bildet die
Struktur, die eine feste Beanstandung bereitstellt, um Luftstrompfade
zwischen den Leitern und insbesondere zwischen den Endschleifensegmenten 46 zu
bilden.
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Eine
komplette Statorwicklung 24 ist in 7 gezeigt,
wobei diese zur besseren Darstellung an einer Stelle abgeschnitten
und als gerades Element dargestellt ist. Die Statorwicklung 24 weist
eine bifilare Konstruktion auf, wie oben beschrieben, und ist mit den
Leitern 32a1 , 32a2 , 32a3 bezeichnet, die eine erste Wicklungslage
(Filar) bilden und die Leiter 32b1 , 32b2 , 32b3 bilden
die zweite Wicklungslage (Filar). Wenn jedem dieser Leiter in Richtung
des mit 60 bezeichneten Endes gefolgt wird, setzen sich
die Leiter 32 von dem gegenüberliegenden Ende 62 zurück in Richtung
der Start- und Endanschlüsse 42 fort.
Wenn jeder Leiter 32 eine komplette Umrundung gemacht hat
(z. B. eine komplette Umrundung um den Statorkern 22),
umfasst der Leiter 32 eine zusätzliche radiale Verlängerung
(nicht dargestellt), die den Leiter über zwei Ebenen verschiebt,
um eine zweite Umrundung oder Windung auszubilden. Zum Beispiel
umfasst der erste Leiter 32a1 gerade
Segmente, die in der zweiten Ebene 36 in der gesamten ersten
Umrundung liegen. Dann verschiebt sich der Leiter 32a in die
vierte Ebene 40 und vervollständigt die zweite Umrundung.
Der Leiter 32a1 wird dann mit einem
Abschlussanschluss 42 wie dargestellt beendet.
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Entsprechend
repräsentiert
die in 7 dargestellte Statorwicklung 24 eine
zweifach gewundene, Dreiphasen-Bifilarkonstruktion oder -Wicklungslagen konstruktion.
Außerdem
umfasst die Statorwicklung 24 sechs Leiter 32a1 , 32a2 , 32a3 , 32b1 , 32b2 , 32b3 und
liegt in vier Ebenen 34, 36, 38, 40.
Aktuelle Statorkonstruktionen mit einer hohen Schlitzfüllungsdichte
verwenden typischerweise Leiter mit vier elektrischen Umrundungen
und vier Ebenen. Jedoch kann ein Stator 20 gemäß der vorliegenden
Erfindung mit einer Statorwicklung 24 mit vier elektrischen Umrundungen
und acht Ebenen ausgebildet sein. Vorzugsweise ist die Anzahl von
Ebenen größer als sechs.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist besonders hervorzuheben, dass es die Mehrfachwicklungslagenkonstruktion
ermöglicht,
kleine Leiter zu verwenden, die den gleichen Wicklungsraum ausfüllen, der
von größeren Leitern
ausgefüllt
werden würde,
ohne die Anzahl von elektrischen Umrundungen zu erhöhen, was
die Impedanz und den Widerstand der Wicklung erhöht. Das heißt, zwei elektrisch parallel
miteinander verbundene Leiter nehmen das gleiche Volumen ein wie
ein größerer Leiter,
stellen jedoch eine größere Fläche für eine konvektive
Kühlung
aufgrund der festen Beabstandung bereit, die durch, die Struktur
der Wicklung von jedem Leiter und der Statorwicklung 24 ermöglicht wird.
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Ein
anderer Vorteil wird dadurch erhalten, dass eine bifilare Konstruktion
der Leiter 32 eine kleinere radiale Tiefe und Weite eines
korrespondierenden monofilaren Leiter aufweist und somit nicht so steif
ist, wodurch das Einbringen in die Schlitze 28 des Statorkerns 22 erleichtert
wird. Ein weniger steifer Draht minimiert auch die Kraft auf die
zwischen den Leitern 32 und dem Kern 22 positionierte
Papierisolation, wodurch die Verwendung von dünnerem Isolationspapier ermöglicht wird,
beispielsweise weniger als 0,0045". Dies reduziert nicht nur die Kosten, sondern
verbessert auch den Schlitzfüllfaktor.
Letztlich nähern
die durch die radiale Verlängerungen 52 gebildeten
radialen Stöße einen
Anteil der Endschleifen 46 von jedem Leiter 32 in
der äußersten
Ebene 34 an, und erstrecken sich hinter die radiale Position der
geraden Segmente in der äußersten
Ebene 34 um ungefähr
die radiale Weite eines Drahtes. Für die bifilare Konstruktion
werden die radialen Verlängerungen 52 nicht
so weit heraus gestoßen,
wie die Drähte,
die nun in radialer Weite schmaler sind. Dies minimiert das Interferenzpotenzial
zwischen den Endschleifen 46 der Statorwicklung 24 von
einer Überlagerung
mit dem Gehäuse,
das den Stator umgibt. Es ermöglicht
auch, das Gehäuse
näher an
der Statorwicklung 24 anzuordnen und somit eine kleinere
Durchmessergröße zu verwenden,
wodurch die Leistungsdichte des Wechselstromgenerators verbessert
wird, die sich aus der Ausgangsleistung geteilt durch das Volumen
des Wechselstromgenerators ergibt.
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Die
vorstehende Beschreibung der verschiedenen Ausführungsbeispiele der Erfindung
ist nur zum Zwecke der Illustration und der Beschreibung angegeben.
Die Ausführungsbeispiele
sind nicht abschließend
und es ist nicht beabsichtigt, die Erfindung durch die genauen Ausführungsbeispiele
zu begrenzen. Verschiedene Modifikationen oder Variationen sind
im Licht der obigen Lehren möglich.
Die Ausführungsbeispiele
wurden ausgewählt
und beschrieben, um die beste Darstellung der Prinzipien der Erfindung
und seiner praktischen Anwendung anzugeben, um somit einem Fachmann
zu ermöglichen,
die Erfindung in verschiedenen Ausführungsbeispielen mit verschiedenen
Modifikationen anzuwenden, die für
die entsprechende Verwendung geeignet sind. Alle derartigen Modifikationen
und Variationen liegen innerhalb des Bereichs der Erfindung, wie
er in den beigefügten
Ansprüchen
bestimmt ist, wenn diese entsprechend ausgelegt werden.