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Die
Erfindung betrifft einen Generator, insbesondere einen Wechselstrom-Synchrongenerator, mit
einem eine Drehachse aufweisenden Läufer und mit einem Ständer, der
ein Lamellen aufweisendes Lamellenpaket mit umfänglich beabstandet angeordneten
Nuten besitzt, die jeweils einen sich über eine Axialausdehnung des
Lamellenpaketes erstreckenden Gesamtverlauf aufweisen.
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Stand der Technik
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Ein
derartiger Generator ist zum Beispiel als Wechselstrom-Synchrongenerator
eines Kraftfahrzeuges bekannt. Dieser Wechselstromgenerator weist
ein Lamellenpaket mit umfänglich
beabstandet angeordneten Nuten auf, in dessen Nuten Wicklungsstränge eingesetzt
sind, die jeweils einer Phase eines generierten Wechselstroms zugeordnet
sind. Beim Betrieb derartiger Generatoren entstehen neben störenden Strömungsgeräuschen,
die vom Kontakt der Kühlluft
mit stehenden und bewegten Teilen des Generators herrühren, im
Betrieb auch Magnetgeräusche,
die beim Abriss eines Magnetfeldes an Bauteilkanten des Läufers beziehungsweise
des Ständers
entstehen. Als besonders störend
werden akustische Resonanzeffekte der Strömungs- und der Magnetgeräusche empfunden.
Zur Reduzierung der Strömungsgeräusche, insbesondere
der akustischen Resonanzeffekte, weisen die Generatoren zum Beispiel
Lüfter
mit einer unregelmäßigen Schaufelteilung
auf. Die Resonanzeffekte der Magnetgeräusche rühren von gleichmäßigen Teilungen
der kritischen Bauteilkanten, zum Beispiel von Polschuhen des Läufers und/oder
der Nuten des Ständers,
her. Zur Reduzierung des Magnetgeräusches bei Klauenpolgeneratoren,
deren Läufer
Klauenpole aufweisen, werden die Klauenpole angefast. Durch die
Fasen wird ein „weicher" Abriss des Magnetfeldes
erreicht, der über
einen durch die umfängliche
Ausdehnung der Fase bestimmten Winkelbereich verteilt ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Zur
Verringerung beziehungsweise weiteren Verringerung des Magnetgeräusches und
entsprechender Resonanzen ist vorgesehen, dass zumindest ein Abschnitt
jeder Nut einen gegenüber
der Drehachse des Läufers
schrägen
Verlauf aufweist. Unter dem schrägen
Verlauf einer Nut ist zu verstehen, dass – in axialer Richtung betrachtet – Anfang und
Ende des Abschnitts in Umfangsrichtung versetzt zu einander liegen.
Das Lamellenpaket weist umfänglich
beabstandet angeordnete Zähne
auf, zwischen denen die Nuten ausgebildet sind. Dreht sich der vom
Ständer
umgebene Läufer
im Betrieb um die Drehachse, so kommt es zum Abriss des Magnetfeldes
an Kanten von Polen beziehungsweise Polschuhen des Läufers und
von Zahnkanten der Zähne
des Ständers.
Durch den schrägen
Verlauf der Nuten weisen auch die die Nuten begrenzenden Zahnkanten
einen schrägen
Verlauf auf. Die Kanten der Pole beziehungsweise Polschuhe des Läufers weisen
hingegen vorzugsweise einen axial geraden Verlauf auf, sodass sich
zwischen dem Verlauf der Kanten der Pole beziehungsweise Polschuhe
und der Zahnkanten ein Versatzwinkel bildet. Durch diesen Versatzwinkel
ergibt sich ein sich über
einen entsprechenden Zeitraum verteilendes, kontinuierliches Abreißen des
Magnetfeldes an den schrägen
Zahnkanten der Zähne
des Ständers.
Durch dieses kontinuierliche Abreißen wird das Magnetgeräusch deutlich
verringert. Zur Ausbildung dieses kontinuierlichen Abreißens können die
Kanten der Pole beziehungsweise Polschuhe des Läufers – zumindest in einem axialen
Bereich der Pole – ebenfalls
schräg verlaufen,
dieser schräge
Verlauf darf jedoch nicht dem schrägen Verlauf der Nuten entsprechen.
Die Erfindung ist prinzipiell für
alle Wicklungsarten geeignet (Wellenwicklung, verteilte Wellenwicklung, Schleifenwicklung,
verteilte Schleifenwicklung).
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Bei
einer Wellenwicklung folgt periodisch aufeinander jeweils ein aktiv
in einer zugeordneten Nut einliegender Wicklungsabschnitt (aktiver
Leiter) auf eine Wickelkopfverbindung, sodass eine wellenförmige Wicklung
entsteht. Die Schleifenwicklung ist ein Wicklungstyp, bei dem zwei
aufeinanderfolgende zugeordnete Nuten jeweils im Wechsel mit einliegenden
Wicklungsabschnitten befüllt
werde. Dadurch entstehen im Wesentlichen schleifenförmige Elemente der
Wicklung. Bei einer einfach ausgeführten Wicklung verlaufen alle
Wickelkopfverbindungen einer Nut im Wickelkopf in die gleiche Richtung
(im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn). Bei einer verteilt
ausgeführten
Wicklung verlaufen die Wickelkopfverbindungen einer Nut im Wickelkopf
in beide Richtungen (im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn).
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Weiterhin
ist mit Vorteil vorgesehen, dass der schräge Verlauf ein kontinuierlich
schräger
Verlauf und/oder ein gestuft schräger Verlauf ist. Bei einem kontinuierlich
schrägen
Verlauf ergibt sich eine kontinuierlich schräg verlaufende Zahnkante, bei
einem gestuft schrägen
Verlauf ergeben sich gestufte Zahnkanten, die für jede einzelne Stufe einen
axial geraden Verlauf aufweisen kann. Die einzelnen Stufen sind
jedoch gegeneinander versetzt, sodass sich der gestuft schräge Verlauf
ergibt.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass der gestuft schräge
Verlauf von gegeneinander umfänglich
verdrehten Lamellen gebildet ist. Dabei ist insbesondere vorgesehen,
dass jede der Lamellen im Abschnitt gegenüber ihren benachbarten Lamellen
umfänglich
verdreht ist. Dabei ergibt sich eine Stufenbreite, die der Dicke
einer Lamelle entspricht.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass der schräge
Verlauf einen Schrägungswinkel
gegenüber
der Drehachse des Läufers
aufweist, dessen Betrag in einem Bereich von 1° bis 20° liegt. Ein schräger Verlauf
mit einem derartigen Schrägungswinkel
ist durch umfängliches
Verdrehen der Lamellen einfach erreichbar. Insbesondere ist vorgesehen,
dass das Lamellenpaket sechzig Nuten aufweist und der Betrag des Schrägungswinkels
in einem Bereich von 1° bis
9° liegt.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass der schräge
Verlauf einen umfänglichen
Versatz über
der Axialausdehnung des Lamellenpakets bildet, der maximal einer
Nutteilung entspricht. Eine Nutteilung ist der Abschnitt von einer
Nut zu einer benachbarten Nut, also einem Abstand der Nuten. Entspricht
der Versatz genau einer Nutteilung, so wird das störende Resonanzgeräusch verhindert
oder zumindest reduziert, was besonders vorteilhaft ist.
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Weiterhin
ist mit Vorteil vorgesehen, dass jede der Nuten einen Mittelbereich
und sich an dem Mittelbereich beiderseits anschließende Endbereiche aufweist.
Somit ist jede der Nuten in drei axiale Bereiche aufgeteilt.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Mittelbereich
den Abschnitt mit schrägem
Verlauf bildet und dass die Endbereiche jeweils einen axial geraden
Verlauf aufweisen. Im Mittelbereich ergibt sich damit das kontinuierliche
Abreißen
des Magnetfeldes über
dem Winkelbereich des Versatzes, während die axial gerade verlaufenden Endbereiche
eine herkömmliche
Ausbildung von sich an die Endbereiche anschließende Wickelköpfe der in
den Nuten einliegenden Wicklungen ermöglicht.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass alle Nuten
gleich ausgebildet sind. Ein entsprechender Ständer ist besonders einfach herstellbar.
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Schließlich ist
mit Vorteil vorgesehen, dass das Lamellenpaket ein Rundlamellenpaket
oder ein hochkantgerolltes Lamellenpaket ist. Beim Rundlamellenpaket
liegen die einzelnen Lamellen als Rundlamellen vor. Beim hochkantgerollten
Lamellenpaket wird zunächst
ein quaderförmiges,
ebenes Lamellenpaket erstellt, vorzugsweise mit einer Isolierschicht und
den Wicklungen versehen und anschließend durch Rundbiegen zu einem
hochkantgerollten Lamellenpaket geformt.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines
Ständers
eines Generators, insbesondere eines vorstehend genannten Generators,
mit einem aus Lamellen bestehenden Lamellenpaket, das umfänglich beabstandet
angeordnete Nuten aufweist, in die mindestens ein Wicklungsstrang zur
Ausbildung einer Ständerwicklung
eingebracht wird. Zur Verringerung beziehungsweise weiteren Verringerung
des Magnetgeräusches
und entsprechender Resonanzen ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumindest
die Lamellen eines axialen Abschnitts des Lamellenpakets nach dem
Einbringen des Wicklungsstranges in die Nuten zur Ausbildung eines
schrägen
Verlaufs der Nuten in einer jeweiligen Lamellenebene der Lamellen
gegeneinander umfänglich
verdreht und anschließend
fixiert werden. Die Lamellen sind in Lamellenebenen ausgerichtet, die
bei dem Ständer
des Generators vorzugsweise senkrecht zu einer Drehachse eines Läufers des
Generators angeordnet sind. Unter dem schrägen Verlauf einer Nut ist zu
verstehen, dass – in
axialer Richtung betrachtet – Anfang
und Ende des Abschnitts in Umfangsrichtung versetzt zu einander
liegen. Mit Vorteil werden die Lamellen so verdreht, dass der Versatz
von Anfang zu Ende maximal einer Nutteilung, also einem Nutabstand,
entspricht. Insbesondere ist vorgesehen, dass vor dem Einbringen
des Wicklungsstranges eine den Wicklungsstrang von dem Lamellenpaket
elektrisch isolierende Isolation in die Nuten eingebracht wird.
Die Lamellen werden vorzugsweise durch Verschweißen zur Bildung des Lamellenpakets
fixiert. Bei einem als hochkantgerolltes Lamellenpaket ausgebildeten
Lamellenpaket ist vorgesehen, dass dieses zunächst gerollt wird und anschließend der
Wicklungsstrang eingebracht wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachfolgend in mehreren Ausführungsbeispielen anhand der
zugehörigen Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigt:
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1 ein
als Klauenpolgenerator ausgebildeter Generator mit einem Läufer und
einem Ständer,
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2 einen
Ständer
mit einem Lamellenpaket, das geschrägte Nuten aufweist und
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3 einen
Ständer,
dessen Lamellenpaket Nuten aufweist, die in einem axialen Mittelbereich
geschrägt
und in den sich beidseitig anschließenden Endbereichen axial gerade
ausgeführt
sind.
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Ausführungsformen)
der Erfindung.
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Die 1 zeigt
einen Längsschnitt
durch einen Generator 1 in vereinfachter Darstellung. Der Generator 1 ist
als Wechselstrom-Synchrongenerator mit einem Läufer 2, der als Klauenpolläufer mit
einer mit geregelter elektrischer Erregung eines Polrads 3 ausgebildet
und um eine Drehachse 4 drehbar gelagert ist. Ein derartig
ausgebildeter Generator wird kurz als Klauenpolgenerator bezeichnet
und in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Der Generator 1 weist weiterhin
einen den Läufer 2 bezüglich der
Drehachse 4 umfänglich
umgebenden Ständer 5 und
zwei an axialen Stirnseiten 6, 7 des Ständers 5 angeordnete Lagerschilde 8, 9 (Antriebs-Lagerschild 8 an
einer Antriebsseite und Schleifring-Lagerschild 9 an einer Schleifring-Seite
des Generators 1) auf. Die Lagerschilde 8, 9 sind
topfförmig
ausgebildet und mit stirn- und umfangseitigen Öffnungen für die Kühlluftführung versehen.
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Der
axial zwischen den beiden Lagerschilden 8, 9 befestigte
Ständer 5 besteht
aus einem zylinderförmigen
Lamellenpaket 10 und einer darin angeordneten mehrphasigen
Ständerwicklung 11.
Das Lamellenpaket 10 besteht aus einer Vielzahl von als Blechlammellen
ausgebildeten Lamellen 12 und ist in bekannter Weise aus
diesen Lamellen 12 hergestellt. Die Lamellen 12 sind
in Lamellenebenen senkrecht zur Drehachse 4 des Läufers 2 ausgerichtet,
sodass sich eine Stapelrichtung in Richtung der Drehachse 4 ergibt.
Die Ständerwicklung 11 ist
in nicht explizit dargestellte Wicklungsstränge gegliedert, welche in axial
zueinander parallel verlaufenden, radial nach innen offenen Nuten 13 des
Lamellenpakets 10 eingelegt sind. Diese Nuten sind – zumindest
teilweise – in den 2 und 3 abgebildet.
In 1 sind lediglich einander axial gegenüberliegend
angeordnete Wickelköpfe 14, 15 der
Ständerwicklung 11 dargestellt.
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Innerhalb
des Lamellenpakets 10 ist der Läufer 2 angeordnet
und mittels Lager 16, 17 der Lagerschilde 8, 9 um
die Drehachse 4 drehbar gelagert. Eine Läuferwelle 18 trägt das aus
zwei gegensätzlich gepolten
Polradhälften 19, 20 bestehende
Polrad 3. Jede der Polradhälften 19, 20 besteht
aus Eisen, ist massiv ausgebildet und weist entlang des Umfangs eine
Vielzahl von sich in Achsrichtung erstreckenden Klauen 21, 22 auf,
die im Wesentlichen trapezförmig geformt
und mit gleichmäßiger Winkelteilung
in Umfangsrichtung angeordnet sind. Beide Polradhälften 19, 20 sind
auf der Welle 18 so angeordnet, dass sie sich einander
gegenüberstehen
und ihre klauenartig ausgebildeten Polfinger wechselseitig als Nordpole 23 und
Südpole 24 ineinander
greifen. Sie überdecken
eine ringspulenförmige
Erregerwicklung 25, die sich auf einem Polkern 26 befindet,
der die beiden Polradhälften 19, 20 auf
Abstand hält.
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An
den axialen Endflächen 27, 28 der
Polradhälften 19, 20 sind
Lüfter 29, 30 angeordnet
und an ihnen befestigt. Zwei von den Lüftern 29, 30 generierten
Luftströme
treten axial durch die stirnseitigen Öffnungen 31, 32 in
den Lagerschilden 8, 9 ein. Sie werden durch die
beiden Lüfter 29, 30 angesaugt
und treten radial durch die Öffnungen 33 am
Umfang der Lagerschilde 8, 9 wieder aus, sodass
die Wickelköpfe 14, 15 der
Ständerwicklung 11 in
einem radialen Kühlluftstrom
liegen.
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An
einem der Antriebsseite gegenüberliegenden
Wellenende 34 ist ein Schleifringpaar 35 zur Stromversorgung
der Erregerwicklung 25 angeordnet. Der Gleichstrom der
Erregerwicklung 25 erzeugt ein relativ zum Läufer 2 stillstehendes
Magnetfeld. Durch die Drehung des Läufers 2 entsteht aber
für den
Ständer 5 ein
magnetisches Drehfeld. Dieses Drehfeld rotiert mit synchroner Drehzahl
wie das Polrad 3 und induziert in jedem Strang der Ständerwicklung 11 eine
Wechselspannung. Die einzelnen Strangwechselspannungen sind um den
gleichen Winkel (Phasenverschiebungswinkel) zeitlich gegeneinander
verschoben, wie die Stränge
räumlich
zueinander versetzt entlang des Ständerumfangs angeordnet sind.
Beispielsweise sind für
eine symmetrische dreisträngige
Ständerwicklung 11 die
drei sinusförmigen
Wechselspannungen um 120° zeitlich
zueinander verschoben. Gleiches gilt für die Wechselströme.
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Kohlebürsten, die
gegen die Schleifringoberflächen
der Schleifringe des Schleifringpaars 35 gedrückt werden,
sind in einem Bürstenhalter
gelagert, der zusammen mit einem Regler, der die in den Wicklungen
induzierten Wechselspannungen auf eine von Drehzahl und Last unabhängige, konstante
Spannung regelt, eine Einheit 36 bildet. Der von der Ständerwicklung 11 abgegebene
Wechselstrom wird über eine
Gleichrichterschaltung einem Bordnetz des Kraftfahrzeugs zugeführt, wobei
die Gleichrichteranordnung außen
am Schleifring-Lagerschild 9 angeordnet ist. Die Gleichrichteranordnung
sowie ein Regler sind von einer Schutzkappe 37 an der hinteren
Stirnseite des Generators 1 abgedeckt.
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Die 2 zeigt
eine erste Ausführungsform des
Ständers 5 des
in 1 gezeigten Generators 1 in einer Schnittdarstellung
durch die Drehachse 4. Der Ständer 5 besteht aus
dem zylinderförmigen
Lamellenpaket 10 und der darin angeordneten mehrphasigen
Ständerwicklung 11.
Das Lamellenpaket 10 selbst besteht aus mehreren parallel
angeordneten Lamellen 12. Die Ständerwicklung 11 ist
in nicht explizit dargestellte Wicklungsstränge gegliedert, welche in axial
zueinander parallel verlaufende, radial nach innen offene Nuten 13 des
Lamellenpakets 10 eingelegt sind. Die Nuten weisen eine
regelmäßige Nutteilung
N auf. Die Nuten 13 werden durch radial nach innen weisende
Zähne 38 des
Ständers 5 gebildet,
wobei die Zähne 38 gegenüber den
Nuten 13 mit Zahnkanten 39 abschließen. Alle
Nuten 13 sind gleich ausgebildet und die Ausrichtung der
Zahnkanten 39 bestimmt die Ausrichtung der Nuten 13.
Jede der Zahnkanten 39 und somit auch jede der Nuten 13 weist
einen gegenüber
der Drehachse 4 des Läufers 2 schrägen Verlauf
auf, der sich bei dem in 2 gezeigten Ständer 5 über die
komplette Axialausdehnung des Lamellenpaketes 10 erstreckt.
Unter einem schrägen
Verlauf der Nuten 13 in einem axialen Abschnitt A – hier der
kompletten Axialausdehnung – des
Lamellenpaketes 10 ist dabei zu verstehen, dass jede der
Nuten 13 in einem axialen Anfang 40 des Abschnitts
A in Umfangsrichtung versetzt zu ihrer Lage in einem zugehörigen axialen
Ende 41 des Abschnitts A liegt. Somit ergibt sich ein Schrägungswinkel
W der Nut 13 gegenüber
der Drehachse 4 des Läufers 2 und
ein Versatz S. Entsprechend dieses Schrägungswinkels W stellt sich
auch ein Winkel gegenüber
nicht dargestellten Kanten der Pole 23, 24 des
Läufers 2 ein.
Der in den 2 und 3 gezeigte
schräge
Verlauf ist ein gestufter schräger
Verlauf, wobei jede der Lamellen 12 des Abschnitts A eine
Stufe bildet.
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Die 3 zeigt
eine zweite Ausführungsform des
Ständers 5 des
in 1 gezeigten Generators 1 in einer Schnittdarstellung
durch die Drehachse 4. Da diese zweite Ausführungsform
des Ständers 5 im Wesentlichen
der ersten Ausführungsform
entspricht, soll hier nur auf die Unterschiede eingegangen werden.
Bei der zweiten Ausführungsform
des Ständers 5 weist
jede der Zahnkanten 39 und damit jede der Nuten 13 des
Lamellenpaket 10 in dem als Mittelbereich M ausgebildeten
Abschnitt A einen gegenüber
der Drehachse 4 des Läufers 2 schrägen Verlauf
mit einem Schrägungswinkel
W auf. Dieser Abschnitt A besitzt den axialen Anfang 40 und
das zugehörige
axiale Ende 41. Dabei liegt jede der Nuten 13 in
dem axialen Anfang 40 des Abschnitts A in Umfangsrichtung
versetzt (Versatz S) zu ihrer Lage in dem zugehörigen axialen Ende 41 des
Abschnitts, hier also des Mittelbereichs M. An den Mittelbereich M
schließt
sich beiderseits axial ein Endbereich E an, in dem jede der Nuten 13 jeweils
einen axial geraden Verlauf aufweist.
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Es
ergeben sich folgende Vorteile des erfindungsgemäßen Generators 1:
- – Durch
die – relativ
zur Drehachse 4 – schräg verlaufenden
Zahnkanten 39 ergibt sich im Betrieb des Generators 1 ein
gleichmäßiger Abriss
des Magnetfeldes. Bei einem umfänglichen
Versatz S von einer Nutteilung N werden störende Resonanzgeräusche verhindert
beziehungsweise unterdrückt.
- – Die
Unterdrückung
von Magnetgeräuschen
erfolgt auch bei Ständern 5,
deren Lamellenpakete 10 Nuten 13 aufweisen, die
in den Endbereichen E axial gerade ausgebildet sind (3).
- – Fasen
an den Polen 23, 24 können entfallen, wodurch die
Fertigung des Generators 3 vereinfacht wird.
- – Die
Richtung des schrägen
Verlaufs hat keinen Einfluss auf die erreichbare Geräuschminderung.
- – Die
Erfindung ist für
alle Wicklungsarten des Ständers 5,
insbesondere Wellenwicklung, verteilte Wellenwicklung, Schleifenwicklung,
verteilte Schleifenwicklung, 2-Schichtwicklung und Wicklungen der
Halbphasentechnik geeignet. Weiterhin ist die Erfindung für alle Nutzahlen,
insbesondere Ständer 5 mit
sechzig oder achtzig Nuten 13, alle Polpaarzahlen, insbesondere
sechs oder acht Pole, alle Drahtzahlen, insbesondere ein bis vier in
den Nuten 13 vorzugsweise parallel geführte Drähte pro Wicklungsstrang, alle
Drahtprofile der Drähte,
insbesondere Rund-, Profil- beziehungsweise geprägte Formdrähte, alle Paketherstelltechniken,
insbesondere für
Lamellenpakete 10 aus Rundlamellen oder für hochkantgerollte
Lamellenpakete 10, und für alle Ständerspanntechniken, insbesondere
für axial
zwischen den Lagerschilden 8, 9 gespannte Ständer 5 und
mittels einer bekannten Mittellamelle gespannten Ständer 5,
besonders geeignet. Vorzugsweise eignet sich der erfindungsgemäße Generator 1 als
Generator 1 eines Kraftfahrzeugs, insbesondere mit innerhalb
der Lagerschilde 8, 9 angeordneten radialen Lüftern 29, 30.
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Vorzugsweise
liegt der Schrägungswinkel
W der Nuten 13 beziehungsweise der Zahnkanten 39 zur
Drehachse 4 des Läufers 2 richtungsunabhängig zwischen
10 und 20°.
Mit besonderem Vorteil liegt der Schrägungswinkel W bei einem Ständer 5 mit sechzig
Nuten 13 richtungsunabhängig
zwischen 1° und
9°.