DE102006052111A1 - Elektrische Maschine - Google Patents
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Abstract
Es wird eine elektrische Maschine, insbesondere ein elektrisch erregter Klauenpolgenerator (10) für ein Kraftfahrzeug, vorgeschlagen mit einer Ständerwicklung (18), deren Stranganschlüsse (14.1-14.5) vorzugsweise nach Art eines Drudenfußes (Pentagramm) mit einer Gleichrichteranordnung (19) verbundne sind. Die Ständerwicklung (18) ist fünfsträngig ausgebildet, wobei wenigstens einmal in benachbarten Nuten angeordnete Stranganschlüsse (14.1-14.5) verschaltbar sind. Vorzugsweise sind alle zu verschaltenden Stranganschlüsse (14.1-14.5) in benachbarten Nuten (15) angeordnet.
Description
- Stand der Technik
- Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Maschine, insbesondere einem elektrisch erregten Klauenpolgenerator für ein Kraftfahrzeug, nach der Gattung des Anspruchs 1. Hierzu ist aus der
DE 103 61 859 A1 eine elektrische Maschine bekannt, welche als Drehstromgenerator für Kraftfahrzeuge ausgebildet ist. Die Wicklungsenden sind dabei einzeln über zwischengeschaltetete Leiterelemente mit je einem elektrischen Anschluss einer Anschlussplatte sowie mit den Anschlüssen einer Gleichrichterbaugruppe verbunden, wodurch ein beachtlicher Verschaltungsaufwand bedingt ist, insbesondere bei höherphasigen Maschinen. - Offenbarung der Erfindung
- Die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat den Vorteil, dass der Aufwand für die Stranganschlüsse niedrig gehalten wird. Dies gilt insbesondere, wenn alle zu verschaltenden Stranganschlüsse in benachbarten Nuten des Ständers angeordnet werden, sodass sie direkt zusammengeschaltet und über eine gemeinsame Verbindung an den Gleichrichter angeschlossen werden können. Hierbei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die jeweils benachbarten Stranganschlüsse nach Art eines Drudenfußes (Pentagramm) verschaltet sind und der Ständer 5 Nuten je Läuferpol aufweist. Hieraus folgt eine Anordnung, bei der in einem Abstand von maximal 5 Nutteilungen von den ersten beiden verschalteten Stranganschlüssen zwei weitere verschaltete Stranganschlüsse von benachbarten Nuten folgen.
- Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die Stranganschlüsse im Bereich von 10 benachbarten Nuten liegen, wobei jeweils die Stranganschlüsse der (2n-1)-ten Nut mit der 2n-ten Nut verschaltet sind und hierbei n eine ganze Zahl zwischen 1 und 5 ist. Eine derartige konzentrierte Anordnung der Stranganschlüsse eignet sich insbesondere für die Herstellung des Ständers als Flachpaket, welches nach dem Einbringen der Ständerwicklung zum fertigen, kreisrunden Ständer gerollt wird, da sich hierbei an der Stoßstelle zwischen den beiden Enden des Ständers nur zwei Überhänge der Wicklung befinden. Außerdem ergeben sich durch diese Anordnung fertigungstechnische Vorteile, da die Anschlüsse relativ dicht beieinander liegen und der Schweißvorgang hierdurch erleichtert wird. Andererseits kann es jedoch auch vorteilhaft sein, bei einer gleichmäßigen Verteilung der Einzelelemente des Gleichrichters über dem Umfang der Maschine auch die Lage der Stranganschlüsse entsprechend gleichmäßig über alle Nuten zu verteilen, weil dann die Stranganschlüsse dicht benachbart zu den einzelnen Gleichrichterelementen liegen und nur kurze Verbindungen erfordern. Hierbei liegen zwischen den miteinander verschalteten, in benachbarten Nuten angeordneten, Stranganschlüssen jeweils mindestens 4 Nuten ohne Stranganschlüsse.
- Die Symmetrie der Ständerwicklung kann besonders vorteilhaft gestaltet werden, wenn in den Stranganschlüssen jeweils eine geradzahlige Anzahl von Leitern miteinander verschaltetet ist. Die Anzahl der Nuten im Ständer der erfindungsgemäßen Maschine liegt zweckmäßigerweise zwischen 60 und 80, wobei sich für die 5-strängige Ausführung der Ständerwicklung eine Ausführung des Läufers der Maschine mit 12, 14 oder 16 Klauenpolfingern ergibt. Diese Ausführungen liefern einerseits eine ausreichende Leistung der Maschine bei niedrigen Drehzahlen und sind auch noch bei den auftretenden Höchstdrehzahlen mechanisch ausreichend stabil.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
- Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- Es zeigen
-
1 einen Längsschnitt durch einen Wechselstromgenerator für Kraftfahrzeuge mit einem Klauenpolrotor, -
2 ein Schaltschema eines fünfsträngigen Wechselstromgenerators mit nachgeordnetem Gleichrichter, -
3 ein Wickelschema einer fünfsträngigen, als einfache Wellenwicklung ausgeführten Ständerwicklung mit auf die ersten 10 Nuten konzentrierten Anschlüssen, -
4 ein Wickelschema einer fünfsträngigen, als verteilte Wellenwicklung ausgeführten Ständerwicklung mit auf 10 Nuten konzentrierten Anschlüssen, -
5 ein Wickelschema einer fünfsträngigen, als einfache Wellenwicklung ausgeführten Ständerwicklung mit auf 30 Nuten verteilten Anschlüssen, -
6 ein Wickelschema einer fünfsträngigen, als verteilte Wellenwicklung ausgeführten Ständerwicklung mit auf 30 Nuten verteilten Anschlüssen, -
7 einen Schnitt durch den Ständer einer erfindungsgemäßen Maschine und -
8 und8A schematische Darstellungen eines Stranganschlusses der erfindungsgemäßen Ständerwicklung. - Ausführungsformen der Erfindung
- In
1 ist ein Schnitt durch einen Wechselstromgenerator10 für Kraftfahrzeuge dargestellt. Dieser weist unter anderem ein zweiteiliges Gehäuse13 auf, das aus einem ersten Lagerschild13.1 und einem zweiten Lagerschild13.2 besteht. Das Lagerschild13.1 und das Lagerschild13.2 nehmen in sich einen Ständer16 auf, mit einem kreisringförmigen Blechpaket17 , in dessen nach innen offene und sich axial erstreckende Nuten15 eine Ständerwicklung18 eingelegt ist. Der ringförmige Ständer16 umgibt mit seiner radial nach innen gerichteten Oberfläche einen elektromagnetisch erregten Läufer20 , der als Klauenpolläufer ausgebildet ist. Der Läufer20 besteht unter anderem aus zwei Klauenpolplatinen22 und23 , an deren Außenumfang sich jeweils in axialer Richtung erstreckende Klauenpolfinger24 und25 angeordnet sind. Beide Klauenpolplatinen22 und23 sind im Läufer20 derart angeordnet, dass ihre sich in axialer Richtung erstreckenden Klauenpolfinger24 ,25 am Umfang des Rotors20 einander als N-und S-Pole abwechseln. Es ergeben sich dadurch magnetisch erforderliche Klauenpolzwischenräume zwischen den gegensinnig magnetisierten Klauenpolfingern24 und25 , welche wegen der sich zu ihrem freien Enden hin verjüngenden Klauenpolfinger24 und25 leicht schräg zur Maschinenachse verlaufen. Für die folgende Beschreibung der Erfindung und ist dieser Verlauf vereinfacht als axial bezeichnet. - Der Läufer
20 ist mittels einer Welle27 und je einem auf je einer Seite befindlichen Wälzlager28 in den jeweiligen Lagerschilden13.1 beziehungsweise13.2 drehbar gelagert. Er weist zwei axiale Stirnflächen auf, an denen jeweils ein Lüfter30 befestigt ist. Diese Lüfter30 bestehen im Wesentlichen aus einem plattenförmigen beziehungsweise scheibenförmigen Abschnitt, von dem Lüfterschaufeln in bekannter Weise ausgehen. Diese Lüfter30 dienen dazu, über Öffnungen40 in den Lagerschilden13.1 und13.2 einen Luftaustausch zwischen der Außenseite und dem Innenraum der elektrischen Maschine10 zu ermöglichen. Dazu sind die Öffnungen40 an den axialen Enden der Lagerschilde13.1 und13.2 vorgesehen, über die mittels der Lüfter30 Kühlluft in den Innenraum der elektrischen Maschine10 eingesaugt wird. Diese Kühlluft wird durch die Rotation der Lüfter30 radial nach außen beschleunigt, so dass sie auch durch die kühlluftdurchlässigen Wickelköpfe45 auf der Antriebsseite und46 auf der Elektronikseite hindurchtreten kann. Durch diesen Effekt werden die Wickelköpfe gekühlt. Die Kühlluft nimmt nach dem Hindurchtreten durch die Wickelköpfe, beziehungsweise nach dem Umströmen dieser Wickelköpfe einen Weg radial nach außen durch nicht dargestellte Öffnungen. - In
1 auf der rechten Seite befindet sich eine Schutzkappe47 , die verschiedene Bauteile vor Umgebungseinflüssen schützt. So deckt diese Schutzkappe47 beispielsweise eine Schleifringbaugruppe49 ab, die eine Erregerwicklung51 mit Erregerstrom versorgt. Um diese Schleifringbaugruppe49 herum ist ein Kühlkörper53 angeordnet, der hier als Pluskühlkörper wirkt. Als sogenannter Minuskühlkörper wirkt das Lagerschild13.2 . Zwischen dem Lagerschild13.2 und dem Kühlkörper53 ist eine Anschlussplatte56 angeordnet, welche im Lagerschild13.2 befestigte Minusdioden58 und in dieser Darstellung nicht gezeigte Plusdioden eines Gleichrichters19 im Kühlkörper53 in Form einer Brückenschaltung miteinander verbindet. - In
2 ist ein fünfsträngiger Generator10 anhand eines Schaltbildes dargestellt. Die fünf Wickelstränge schließen jeweils paarweise an den Verbindungspunkten14.1 -14.5 den elektrischen Winkel α ein. Der Generator10 liefert eine Spannung U am Ausgang eines (B10-)Gleichrichters19 mit fünf Brückenzweigen19.1 -19.5 . Die Zuordnung zwischen den Verschaltungspunkten14 und Brückenzweigen19 stellt sich wie folgt dar:14.1 auf19.1 ,14.2 auf19.2 ,14.3 auf19.3 ,14.4 auf19.4 und14.5 auf19.5 . Der elektrische Winkel α zwischen zwei Wicklungssträngen an jedem Verschaltungspunkt14 beträgt 36°. - Die
3 bis6 zeigen verschiedene Wickelschemen einer Ständerwicklung18 mit 30 Nuten dargestellt ist, was einer Ausführung des Läufers20 mit 6 Klauenpolfingern24 entspricht. In der Praxis wählt man für den Generator eines Kraftfahrzeuges üblicherweise eine höhere Nutzahl und eine höhere Zahl von Klauenpolfingern im Läufer20 , vorzugsweise eine Anzahl von 60-80 Nuten, was bei 5 Nuten je Läuferpol eine Anzahl von 12, 14 oder 16 Klauenpolfingern24 entspricht. Die erfindungsgemäße fünfsträngige Ständerwicklung18 wird vorzugsweise in der Form eines Drudenfußes (Pentagramm) verschaltet, wie dies in2 dargestellt und dort bereits näher erläutert ist. Die Verbindung der einzelnen Stränge14 ergibt sich dann in der Form, wie sie in den3 bis6 dargestellt ist, wobei alle zu verschaltenden Stranganschlüsse14.1 -14.5 in benachbarten Nuten angeordnet sind. Dies ist nicht zwingend, jedoch ergibt die Verschaltung ausschließlich benachbarter Stränge14 die größtmöglichste Rationalisierung. -
3 zeigt das Wickelschema einer Ständerwicklung18 in der Ausführung als einfache Wellenwicklung mit auf die ersten 10 Nuten15 konzentrierten Stranganschlüssen14.1 -14-5 . Hierbei sind die Wicklungsteile a bis e in3 separat dargestellt und die einzelnen Wicklungsanschlüsse durch gestrichelte Linien nach oben verlängert und dort entsprechend den Bezeichnungen in2 zusammengeführt. Die Ständerwicklung ist fünfsträngig ausgeführt, wodurch sich eine optimale Verschaltungsmöglichkeit ergibt. Gleichzeitig sind bei dieser Ausführung der Wicklung die Geräuschentwicklung und die Welligkeit der erzeugten Generatorspannung U gering. Die zu verschaltenden Stranganschlüsse liegen alle in benachbarten Nuten und sind in besonders vorteilhafter Weise nach Art eines Drudenfußes (Pentagramm) verschaltet, wie dies anhand von2 bereits dargestellt und erläutert ist. Eine derartige Verschaltung der Strangwicklungen bewirkt weiterhin eine sehr gute Ausnutzung der Maschine, insbesondere entstehen niedrigere Blindströme als bei einer Stern- oder Pentagonschaltung. - Entsprechend der fünfsträngigen Ausbildung der Ständerwicklung
18 ist die Anzahl der Ständernuten15 jeweils ein Vielfaches von 10, die Anzahl der Klauenpole entspricht einem Fünftel der Nutenzahl. Die in den3 bis6 dargestellten Wickelschemen mit 30 Nuten bedingen somit 6 Klauenpolfinger24 im Läufer20 . Diese Nutzahl ist jedoch nur zur vereinfachten Darstellung der Wicklung gewählt, da ein Läufer20 mit nur 6 Klauenpolfingern erst ab einer relativ hohen Drehzahl die benötigte Ausgangsleistung erreicht. In der Praxis besitzen die in Kraftfahrzeugen als Generatoren eingesetzten elektrischen Maschinen in Klauenpolbauweise insbesondere 12 oder 16 Klauenpolfinger24 , sodass sich im üblichen Drehzahlbereich von Kraftfahrzeugen zwischen etwa 800 und 7000 U/min bei einer Übersetzung zum Generator von 1:2,5-1:3 bei Drehzahlen der elektrischen Maschine ab etwa 1800 U/min im Leerlauf bereits eine ausreichende Ausgangsleistung ergibt, ohne dass die Maschine bei Höchstdrehzahlen des antreibenden Verbrennungsmotors mechanisch überbeansprucht wird. - Das in
3 dargestellte Wickelschema zeigt eine einfache Wellenwicklung mit auf die ersten 10 Nuten am Ständerumfang konzentrierten Stranganschlüssen14.1 -14.5 . Eine derartige Anordnung der Stranganschlüsse bietet insbesondere Vorteile bei einer ebenfalls konzentrierten Anordnung der Gleichrichter19 auf der Anschlussplatte56 , weil sich hierdurch kurze Verbindungen zu den Gleichrichteranschlüssen und eine räumlich kompakte Anordnung der Schweißverbindungen ergibt. Die Verschaltung der einzelnen Leiter L der Stränge a bis e ergibt sich entsprechend2 derart, dass im Stranganschluss14.1 die Wicklung a mit der Wicklung b, im Stranganschluss14.2 die Wicklung c mit der Wicklung d, im Stranganschluss14.3 die Wicklung e mit der Wicklung a, im Stranganschluss14.4 die Wicklung b mit der Wicklung c und im Stranganschluss14.5 die Wicklung d mit der Wicklung e verbunden wird. Entsprechende Verbindungen der Wicklungen a bis e ergeben sich bei dem Wickelschema gemäß4 , wobei die Wicklung jedoch als verteilte Wellenwicklung ausgeführt ist. -
5 zeigt ein Wickelschema mit als einfache Wellenwicklung ausgeführten Strängen a bis e, wobei die Stranganschlüsse14.1 -14.5 jedoch auf alle 30 Nuten gleichmäßig verteilt sind. Hierbei ist im Stranganschluss14.1 der Strang a mit dem Strang e, im Stranganschluss14.2 der Strang c mit dem Strang d, im Stranganschluss14.3 der Strang a mit dem Strang b, im Stranganschluss14.4 der Strang d mit dem Strang e und im Stranganschluss14.5 der Strang b mit dem Strang c verbunden. - Die gleichmäßige Verteilung der Stranganschlüsse
14.1 -14.5 über den gesamten Umfang des Ständers16 bietet insbesondere dann Vorteile, wenn auch die Dioden des Gleichrichters19 entsprechend gleichmäßig auf der Anschlussplatte56 verteilt sind, wodurch sich einerseits günstige Kühlungsverhältnisse für die Gleichrichter und andererseits kurze und direkte Verbindungen von den Stranganschlüssen zu den Gleichrichtern ergeben. - Das Wickelschema gemäß
6 entspricht hinsichtlich der Verteilung der Stranganschlüsse14.1 -14.5 dem Wickelschema in5 , jedoch ist hierbei die Ständerwicklung18 entsprechend dem Schema in4 wiederum als verteilte Wellenwicklung ausgebildet. Die Wellenwicklung entsprechend den4 bis6 hat gegenüber einer grundsätzlich ebenfalls verwendbaren Schleifenwicklung kürzere Leiterlängen und somit bei gleichem Leiterquerschnitt einen geringeren elektrischen Widerstand. Insbesondere bei der Ausführung der elektrischen Maschine als Klauenpolgenerator für Kraftfahrzeuge bietet die Wellenwicklung weiterhin fertigungstechnische Vorteile und es lässt sich eine günstige Gestaltung der Wickelköpfe mit hoher Luftdurchlässigkeit und entsprechend guter Kühlung der Wicklung einfach realisieren. -
7 zeigt in vergrößerter Darstellung die Gestaltung einer Nut15 im Blechpaket17 des Ständers16 . Hierin bezeichnet der Pfeil32 den Ständeraußendurchmesser und der Pfeil33 den Ständerinnendurchmesser, beziehungsweise den Bohrungsdurchmesser für die Aufnahme des Läufers20 . Mit 34 ist eine Nutöffnung bezeichnet, deren Schlitzbreite S kleiner ist als das Zweifache des Leiterdurchmessers D einschließlich der Leiterisolation. Die Nut15 ist durch einen Nutverschluss35 zum Ständerinneren33 hin abgeschlossen. Die Leiter L sind zusätzlich durch eine Nutisolation36 in der Nut15 isoliert angeordnet. Hierbei ist die größte Nutbreite B größer als das Zweifache des Leiterdurchmessers D einschließlich der Leiterisolation. Die Anzahl der Leiter L in einer Nut15 ist größer als 7, wodurch sich günstige Fertigungsverhältnisse mit höherer Nutfüllung bei ausreichender Kühlung der Wicklung ergeben. - In den
8 und8A ist die Gestaltung der Stranganschlüsse14.1 -14.5 detailliert dargestellt für die Ausführung mit jeweils einem Leiter L in benachbarten Nuten. Die Leiterenden sind miteinander verdrillt und im Bereich37 außerhalb einer Bündelungshülse38 abisoliert und durch eine Verbindungsklammer39 zusammengehalten. Innerhalb der Klammer39 im Bereich41 sind die Leiterenden37 verlötet und mit einem Gleichrichteranschluss42 versehen, wie dies8a zeigt. Von dem Gleichrichteranschluss42 führt jeweils eine Verbindung zu jeweils einem der Gleichrichteranschlüsse19.1 bis19.5 des Gleichrichters19 , wie dies in2 dargestellt ist.
Claims (12)
- Elektrische Maschine, insbesondere elektrisch erregter Klauenpolgenerator (
10 ) für ein Kraftfahrzeug, mit einer Ständerwicklung (18 ), deren Stranganschlüsse (14.1 -14.5 ) mit einer Gleichrichteranordnung (19 ) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Ständerwicklung (18 ) fünfsträngig ausgebildet ist und dabei wenigstens einmal die Stranganschlüsse (14.1 -14.5 ) in benachbarten Nuten (15 ) angeordnet sind. - Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle zu verschaltenden Stranganschlüsse (
14.1 -14.5 ) in benachbarten Nuten (15 ) angeordnet sind. - Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsstränge (a bis e) der Ständerwicklung (
18 ) nach Art eines Drudenfußes (Pentagramm) verschaltet sind (2 ). - Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ständer (
16 ) fünf Nuten (15 ) je Läuferpol (24 ) aufweist. - Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Nuten (
15 ) 60 bis 80 und die Anzahl der Klauenpolfinger (24 ) 12, 14 oder 16 beträgt - Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Abstand von maximal 5 Nutteilungen von den ersten beiden verschalteten Stranganschlüssen (
14.1 ) zwei weitere verschaltete Stranganschlüsse (14.2 -14.5 ) von benachbarten Nuten (15 ) folgen. - Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stranganschlüsse (
14.1 -14.5 ) im Bereich von 10 benachbarten Nuten (15 ) liegen, wobei jeweils die Stranganschlüsse der (2n-1)-ten Nut mit der 2n-ten Nut verschaltet sind und n eine ganze Zahl zwischen 1 und 5 ist (3 ,4 ). - Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei in benachbarten Nuten (
15 ) liegenden, miteinander verschalteten Stranganschlüssen (14.1 -14.5 ) mindestens 4 Nuten (15 ) ohne Stranganschlüsse liegen (5 ,6 ). - Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Stranganschlüssen (
14.1 -14.5 ) jeweils eine geradzahlige Anzahl von Leitern (L) miteinander verschaltet ist. - Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutschlitzbreite (
5 ) kleiner ist als das Zweifache des Leiterdurchmessers (D) einschließlich der der Leiterisolation. - Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutbreite (B) größer ist als das Zweifache des Leiterdurchmessers (D) einschließlich der Leiterisolation.
- Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Leiter (L) in einer Nut (
15 ) größer als 7 ist.
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