DE10356613A1 - Hochleistungs-Feldpule einer Drehstromlichtmaschine - Google Patents
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Abstract
Description
- GEGENSTAND DER ERFINDUNG
- Die gegenwärtige Erfindung bezieht sich allgemein auf Drehstromlichtmaschinen für Kraftfahrzeuge und im Besonderen auf Läufer, die in solchen Drehstromlichtmaschinen verwendet werden.
- HINTERGRUND DER ERFINDUNG
- Die Mehrzahl von allen derzeit gefahrenen Fahrzeugen benutzt Drehstromlichtmaschinen, die einen Lundell-Läufer verwenden, auch bekannt als Klauenpol-Läufer. Der Läufer erzeugt das magnetische Feld der Drehstromlichtmaschine und dreht sich innerhalb der Maschine. Der Läufer umfasst eine Spulenanordnung mit einer Feldspule aus isoliertem Kupferdraht oder aus isolierten Kupferdrähten, die auf einen, elektrisch isolierenden, Spulenkörper gewickelt sind. Der Spulenkörper sitzt auf einer Stahlnabe und isoliert die Feldspule von den stählernen Polschuhen, in welche die Feldspule zwischen Nordpol und Südpol eingeschoben ist. Das magnetische Feld wird erzeugt, wenn ein Strom durch die Kupferdrähte fließt und die Feldspule da durch erregt wird.
- Ein Problem mit herkömmlichen Läufern ist das Verhindern der Bewegung der Feldspule innerhalb der Läuferanordnung während der Drehung. Der Läufer wird vom Motor des Fahrzeugs über einen Riemen angetrieben. Der Motor ändert während des Betriebes ständig seine Drehzahl, was zu Vergrößerung und Verminderung der Läuferdrehzahl führt. In Fahrzeugen kommt es zu einer Rate der Vergrößerung und Verminderung mit Werten von 15.000 Umdrehungen pro Minute, mit Spitzen bis 30.000 Umdrehungen pro Minute. Eine Bewegung der Drähte der Feldspule führt zu einer Vielzahl von Spulenfehlern, einschließlich Ermüdungsbruch des Drahtes, Abrieb der Isolierung und Abnutzung des Isolators des Spulenkörpers.
- Die Gestaltung des Läufers ist deshalb kritisch, um die Bewegung der Feldspule innerhalb der Läuferanordnung zu verhindern. Herkömmliche Lösungen dieses Problems umfassen sowohl Blockierlösungen zwischen der Spulenanordnung und den Polschuhen als auch die Verwendung von Epoxydharzen oder anderen Klebstoffen, um die Spulenanordnung mit den Polschuhen zu verbinden. Zum Beispiel können Vorsprünge in die Außenseite des Spulenkörpers eingeformt sein, die mit den Gegenstücken in den Polen zusammen passen, um beim Blockieren des Spulenkörpers und damit der Spulenanordnung zu helfen.
- Durch diese Blockiermechanismen wird leider etwas an Stahl von den Polschuhen entfernt, was zu einer großen magnetischen Sättigung in den Polstücken und verminderter Energiedichte führt. Zusätzlich sind die dicken Blockiervorsprünge am Spulenkörper aus dem Kunststoff des Spulenkörpers, der ein schlechter Wärmeleiter ist, hergestellt, was einen guten Wärmetransport von der Spule zu den kühleren Polen verhindert und zu einem Anstieg der Feldspulen-Temperatur führt. Ebenso beansprucht das Verwenden von Epoxydharz Raum, der sonst von der Feldspule ausgefüllt werden könn te und verhindert guten Wärmetransport, womit beides die Energiedichte der Drehstromlichtmaschine verringert. In der Summe erzeugen die gegenwärtigen Verfahren zum Halten der Feldspule in ihrer Position unerwünschte Kompromisse bei der Leistung.
- Es existiert dementsprechend ein Bedarf für einen Läufer einer Drehstromlichtmaschine, der die Bewegung der Feldspule innerhalb der Läuferanordnung verhindert, während der verfügbare Raum für die Feldspule maximiert und der Wärmetransport gesteigert wird, um die Energiedichte der Drehstromlichtmaschine zu steigern. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Läuferanordnung anzugeben, bei der eine relative Bewegung der Feldspule, insbesondere in Umfangsrichtung, besser als bisher blockiert ist und Wärmetransport sowie Energiedichte gesteigert sind. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.
- KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
- Die gegenwärtige Erfindung stellt einen Läufer einer Drehstromlichtmaschine zur Verfügung, der eine Bewegung der Feldspule innerhalb der Läuferanordnung in einer Weise verhindert, welche die Energiedichte der Drehstromlichtmaschine vergrößert. Die Form und Struktur maximiert den verfügbaren Raum für die Feldspule und ermöglicht verbesserten Wärmetransport, wobei beides sich gegenseitig steigert. Kurz gesagt ist der äußere Durchmesser der Feldspule bevorzugt größer oder gleich dem inneren Durchmesser des ersten und des zweiten Polschuhs; um so eine reibschlüssige Verbindung der Spulenanordnung mit dem ersten und dem zweiten Polschuh zu erreichen. Dies verhindert die relative Drehung der Feldspule. Auf andere Weise ausgedrückt definiert die Feldspule Vertiefungen, die den Polfingern des ersten und des zweiten Polschuhs entsprechen. Die Polfinger sind innerhalb der Vertiefungen angeordnet, um die Drehung der Spulenanordnung, relativ zum ersten und zweiten Polschuh, zu verhindern.
- Der erste und zweite Polschuh drücken bevorzugt die Feldspule der Spulenanordnung zusammen. Die Feldspule kann durch den ersten und zweiten Polschuh radial und/oder axial zusammen gedrückt werden. Der erste und zweite Polschuh umfassen im Allgemeinen Polfinger und eine Nabe, die Polfinger umfassen einen ersten Bereich, der sich radial von der Nabe ausdehnt, und einen zweiten Bereich, der sich axial, relativ zur Nabe, ausdehnt. Der erste Bereich und/oder der zweite Bereich der Polfinger können innerhalb der Vertiefungen angeordnet sein, wodurch Rotation verhindert wird.
- Das Fehlen jeglicher zusätzlicher Befestigung und die Vertiefungen in der Feldspule vergrößert die Menge an Kupferdraht innerhalb des Läufers und verbessert den Wärmetransport von der Feldspule zu den Polschuhen. Dieser verbesserte Wärmetransport ist ein Ergebnis von beiden, dem vergrößerten Kontaktdruck und der vergrößerten Kontaktfläche zwischen der Spulenanordnung und den Polschuhen. Alle diese Eigenschaften verbessern die Energiedichte der Drehstromlichtmaschine, während zur gleichen Zeit die sichere Befestigung der Feldspule mit den Polschuhen unerwünschte Bewegungen der Feldspule innerhalb der Läuferanordnung verhindert.
- KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
- Die begleitende Zeichnung, die eingeschlossen ist in die Beschreibung und ein Teil dieser ist, verdeutlicht mehrere Aspekte der gegenwärtigen Erfindung und dient dazu, zusammen mit der restlichen Beschreibung, die Prinzipien der Erfindung zu erklären, ohne einschränkend zu wirken. Die Zeichnungen zeigt in:
-
1 eine perspektivische Ansicht einer Realisierung eines Läufers, entsprechend den Lehren der gegenwärtigen Erfindung konstruiert; -
2 eine Explosionsansicht, aus der die Konstruktion des Läufers, dargestellt in1 , ersichtlich ist; -
3 eine perspektivische Ansicht der Spulenanordnung; -
4 eine perspektivische Ansicht der Spulenanordnung aus3 , auf einem Polschuh angebracht; und -
5 eine vergrößerte Draufsicht auf den Läufer, dargestellt in1 . - Während die Erfindung in Verbindung mit bestimmten bevorzugten Realisierungen beschrieben wird, ist es nicht Absicht, sie auf diese Realisierungen zu beschränken. Es ist, im Gegenteil, die Absicht, alle Alternativen, Modifikationen und Äquivalente abzudecken, die innerhalb des Geistes und des Geltungsbereiches der Erfindung, definiert in den anhängenden Ansprüchen, eingeschlossen sind.
- AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
1 und2 zeigen einen Läufer oder eine Läuferanordnung20 , konstruiert entsprechend den Lehren der Erfindung. Der Läufer weist allgemein eine Welle22 , die eine zentrale Achse durch den Mittelpunkt des Läufers definiert, und eine Schleifring-Anordnung24 auf, um den Läufer20 mit Energie zu versorgen. Der Läufer20 hat weiterhin einen ersten oder vorderen Polschuh26 und einen zweiten oder hinteren Polschuh28 . Diese einander gegenüber liegenden Polschuhe26 ,28 weisen jeweils eine Vielzahl von Polfingern27 ,29 auf, die unter gleichem Abstand auf dem Umfang der Pole26 ,28 angeordnet sind. Die Welle22 verläuft durch das Zentrum der Polschuhe26 ,28 . Eine Stoppscheibe21 und ein Haltering23 werden in Kombination verwendet, um die Polschuhe26 ,28 mit der Welle22 zu verbinden, wobei auch andere Verbindungstechniken, in der Technik bekannt, angewendet werden können. - Die Pole
26 ,28 werden so eingesetzt, dass die eine Spulenanordnung25 zwischen sich einschließen und sie umgeben. Die Spulenanordnung ist am Besten aus den3 und4 zu ersehen. Die Spulenanordnung25 weist allgemein eine Feldspule30 , gewickelt auf einen Spulenkörper50 , auf. Die Feldspule hat zwei Anschlussenden32 , die in einem Schlitz, entlang der äußeren Fläche des hinteren Polschuhs28 , verlaufen; zur internen Verbindung mit der Schleifring-Anordnung24 . Die Anschlussenden32 weisen einen Leiter31 (dargestellt in den2 und3 ) auf, der von einer Isolierung33 umgeben ist, um Kurzschlüsse zwischen den Anschlussenden32 und den Stahlteilen der Polschuhe26 ,28 (nur Polschuh28 ) usw. zu verhindern. Wird die Feldspule30 über die Schleifring-Anordnung24 und die Anschlussenden32 mit Energie versorgt, entsteht ein magnetisches Feld, das durch die Polschuhe26 ,28 fließt, gleichzeitig wird die Läuferanordnung20 auf der Welle22 innerhalb der Drehstromlichtmaschine gedreht. - Der Spulenkörper
50 isoliert die Feldspule30 elektrisch von den Polschuhen26 ,28 . Eine Konstruktion aus einem Stück kann verwendet werden, obgleich auch eine Konstruktion aus mehreren Teilen bevorzugt wird. Die Konstruktion des Spulenkörpers50 wird hier nicht in Einzelheiten beschrieben. Ein exemplarischer Spulenkörper ist jedoch in der mitangemeldeten U.S. Anmeldung Nummer 10/264,778, angemeldet am 04. Oktober 2002, beschrieben. Diese Veröffentlichung soll hiermit vollständig zur Offenbarung der vorliegenden Anmeldung gehören. Es genügt, und dies mit Bezug auf die3 und4 , zu sagen, dass der Spulenkörper50 eine erste Endkappe52 und eine zweite Endkappe54 aufweist, die an den gegenüber liegenden Enden eines Zylinders60 befestigt sind. Jede der Endkappen52 ,54 hat eine Vielzahl von Laschen53 ,55 , die radial nach außen weisen und unter gleichem Abstand auf den Endkappen52 ,54 angeordnet sind. Die Laschen53 ,54 sind in Anzahl und Größe so angeordnet, dass sie mit den Polfingern27 ,29 der Polschuhe26 ,28 korrespondieren. Jede der Laschen53 ,55 wird über die äußere Fläche der Feldspule30 gebogen und mit einer Lage Klebeband40 befestigt, wie in3 dargestellt. Mindestens eine der Endkappen52 ,54 weist einen kleinen Schlitz36 auf, um die Anschlussenden32 der Feldspule30 zu führen. - Die Spulenanordnung
25 wird auf die zentrale Nabe46 eines Pols gepresst, in4 auf z.B. den Pol26 . Der gegenüberliegende Pol28 und seine Nabe (nicht dargestellt) werden dann auf das gegenüber liegende Ende der Spulenanordnung25 in der Weise gepresst, dass die Flächen jeder Polnabe46 einander berühren. Die Welle22 sitzt in Presspassung in den Bohrungen der Pole26 ,28 und hält sie so miteinander in Kontakt, wie in1 dargestellt. Es sei daran erinnert, dass die Nabe bei einigen Läufern ein separates Teil sein kann und nicht integral mit den Polstücken gebildet wird, und daher die Läuferanordnung25 mit der Nabe in einer Art und Weise verbunden wird, die von der besonderen Rotor-Struktur bestimmt wird. - In Übereinstimmung mit der gegenwärtigen Erfindung sind die Spulenanordnung
25 und die Polstücke26 ,28 strukturiert, dass eine unerwünschte Bewegung der Spulenanordnung25 innerhalb des Läufers20 verhindert wird. Zuerst wird der Querschnittsbereich der Tasche berechnet, die die Feldspule30 am Läufer20 aufnimmt. Im Besonderen, und am Besten in4 zu sehen, schließt jeder der Finger27 ,29 einen ersten Bereich61 ein, der sich radial von der Nabe46 des Pols erweitert. Die Finger27 ,29 schließen weiterhin einen zweiten Bereich62 ein, der sich vom ersten Bereich61 und relativ zur Nabe46 axial erweitert. Die zweiten Bereiche62 haben eine innere Fläche64 , die einen inneren Durchmesser jedes Polschuhs26 ,28 definiert. Dieser, durch die Finger27 ,29 definierte, innere Durchmesser, bestimmt im Verhältnis zum Durchmesser der Nabe46 , die Größe und damit die Fläche der Tasche, welche die Feldspule30 aufnimmt. Wie in den Fig. dargestellt, ändert sich der innere Durchmesser von einem Minimal- zu ei nem Maximalwert, da die inneren Oberflächen64 radial (nach außen) geneigt sind, wenn sich die Finger27 ,29 axial, relativ zur Nabe46 , ausdehnen. - Ist der innere Durchmesser und damit die Fläche der Tasche bestimmt, wird der Bereich des Spulendrahtes in der Weise festgelegt, dass der äußere Durchmesser der Feldspule
30 größer als oder gleich dem inneren Durchmesser des ersten und zweiten Polschuhs26 ,28 ist. Zusätzlich kann die Fläche der Feldspule größer sein als die Tasche, die durch den ersten und zweiten Polschuh gebildet wird. Das Übermaß der Spulenfläche, d.h. der Bereich der Spule, der sich über den Taschenbereich erweitern würde, ist sowohl axial als auch radial gegen die Polschuhe26 ,28 versetzt. Dies erzeugt eine reibschlüssige Verbindung zwischen der Spulenanordnung30 und dem ersten und zweiten Polschuh, die ausreicht, eine relative Drehung der Feldspule25 zu verhindern. Die Polfinger27 ,29 werden bevorzugt die Feldspule30 während der Montage deutlich verformen. Wird die Feldspule30 zusammen gedrückt, bildet sie um die Polfinger27 ,29 im Allgemeinen ein Zickzack-Muster. Werden, wie dargestellt, die inneren Flächen der Finger27 ,29 geneigt, wird der Außendurchmesser der Feldspule30 größer als der kleinste oder gleich dem kleinsten inneren Durchmesser des ersten und zweiten Polschuhs26 ,28 gewählt. In Übereinstimmung mit diesen Prinzipien wird die Feldspule mit einem festgelegten äußeren Durchmesser, oder einer festgelegten Spulenfläche, auf den Spulenkörper50 gewickelt. Die Laschen53 ,55 des Spulenkörpers werden über die Feldspule30 gebogen und mit dem Klebeband40 am äußeren Durchmesser befestigt, wie in3 dargestellt. Wie bekannt ist, kann das Klebeband40 weggelassen werden. - Wie am Besten in der vergrößerten Ansicht der
5 (mit dem Klebeband40 entfernt) gesehen werden kann, wird die Spulenanordnung25 durch Anlegen einer geeigneten Kraft an jedem Pol26 ,28 in der Weise montiert, dass die Feldspule30 um die Polfinger27 ,29 verformt wird und die Naben46 der Pole miteinander in Kontakt sind. Die Feldspule30 wird zickzackförmig um jeden der Polfinger27 ,29 in axialer und radialer Richtung verformt. Anders ausgedrückt werden auf der Feldspule30 Vertiefungen66 erzeugt, die in Größe und Struktur den Polfingern27 ,29 der Polschuhe26 ,28 entsprechen. Die Vertiefungen erweitern sich axial und radial und entsprechen den ersten Bereichen61 und den zweiten Bereichen62 der Polfinger27 ,29 . Die Polfinger27 ,29 des ersten und zweiten Polschuhs26 ,28 sind innerhalb der Vertiefungen66 angeordnet und verhindern die Drehung der Feldspule30 der Spulenanordnung25 , relativ zum ersten und zweiten Polschuh26 ,28 . - Wie vorher ausgeführt, wird die Welle
22 durch die beiden Polschuhe26 ,28 , während sie zusammen gehalten sind, geführt, um zu verhindern, dass sie sich wegen der Federkraft der verformten Feldspule30 trennen. Ein metallener Splint (nicht dargestellt) kann, falls notwendig, eingesetzt werden, um den ersten und zweiten Polschuh26 ,28 auf der Welle22 in der richtigen Position zu sichern. Der Splint kann Material von der Oberfläche der Polschuhe26 ,28 , die um die Welle22 angeordnet sind, in Nuten verdrängen, die auf der Welle ausgebildet sind. - Das Zickzack-Muster um die Polfinger
27 ,29 sichert, zusammen mit den Polen26 ,28 , die Feldspule30 und verhindert unerwünschtes Drehen der Spulenanordnung25 . Der Kontakt unter hohem Druck und der vergrößerte Kontaktbereich zwischen der Feldspule30 (an ihrem Außendurchmesser und den Endflächen) und den Polfingern27 ,29 verbessern den Wärmetransport von der Spule30 zu den Polschuhen26 ,28 . Die kühlere Feldspule30 hat einen niedrigeren elektrischen Widerstand, was zu einem verbesserten Feldstrom und damit zu einer größeren magnetischen Feldstärke und Leistungsdichte der Drehstromlichtmaschine führt. Das Zusammenpressen der Feldspule30 erlaubt weiterhin mehr Windungen auf der Spule, was die Energiedichte ebenfalls erhöht. Gleichzeitig ist die Feldspule30 der Spulenanordnung25 mit den Polschuhen26 ,28 sicher verbunden, wodurch uner wünschte Drehung verhindert wird. - Die vorangegangene Beschreibung der verschiedenen Realisierungen der Erfindung ist zum Zweck der Illustration und der Beschreibung vorgestellt worden. Es ist nicht beabsichtigt, die Erfindung auf die genau gezeigten Ausführungsbeispiele zu erschöpfen oder zu beschränken. Zahlreiche Modifikationen oder Variationen sind, mit Blick auf die obigen Lehren, möglich. Die diskutierten Realisierungen wurden ausgewählt und beschrieben, um die beste Beschreibung der Prinzipien der Erfindung und ihre praktische Anwendung zur Verfügung zu stellen und es dadurch einem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in verschiedenen Realisierungen und mit verschiedenen Modifizierungen, die als geeignet für bestimmte Anwendung erwogen werden, anzuwenden. Alle diese Modifizierungen und Variationen sind innerhalb des Geltungsbereiches der Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen festgelegt, wenn diese gemäß des Umfangs, auf das sie fair, legal und gerecht einen Anspruch haben, interpretiert werden.
Claims (12)
- Ein Läufer für eine Drehstromlichtmaschine, der aufweist: – eine Spulenanordnung (
25 ), die ihrerseits einen Spulenkörper (50 ) und eine Feldspule (30 ) aufweist; die Spulenanordnung (25 ) hat ein erstes und ein zweites Ende; – wobei der Spulenkörper (50 ) einen Zylinder und einander gegenüber liegende, erste und zweite Endkappen (52 ,54 ) hat, die das erste und das zweite Ende der Spulenanordnung (25 ) darstellen; – wobei die Feldspule (30 ), zwischen der ersten und der zweiten Endkappe auf den Spulenkörper (50 ) gewickelt ist und einen äußeren Durchmesser definiert; – einen ersten Polschuh (26 ) und einen zweiten Polschuh (28 ), die am ersten und zweiten Ende der Spulenanordnung (25 ) angeordnet sind und die zwischen sich die Spulenanordnung (25 ) einschließen; dabei haben der erste und der zweite Polschuh (26 ,28 ) jeweils Polfinger (27 ,29 ), die axial verlaufen und einen inneren Durchmesser definieren; und – eine Welle (22 ), die axial durch den ersten und den zweiten Polschuh (26 ,28 ) geführt und mit ihnen verbunden ist, um die Position des ersten und des zweiten Polschuhs (26 ,28 ) relativ zur Spulenanordnung (25 ) sicher zu stellen; – dabei ist der äußere Durchmesser der Feldspule (30 ) größer als der innere Durchmesser des ersten und des zweiten Polschuhs (26 ;28 ), wodurch ein reibschlüssiger Halt der Spulenanordnung (25 ) an dem ersten und dem zweiten Polschuh (26 ,28 ) erreicht wird. - Der Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Polschuh (
26 ,28 ) in einem Abstand voneinander angeordnet sind, dass die Feldspule (30 ) der Spulenanordnung (25 ) zusammenpresst wird. - Der Läufer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldspule (
30 ) durch den ersten und den zweiten Polschuh (26 ,28 ) radial zusammen gepresst wird. - Der Läufer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldspule (
30 ) durch den ersten und den zweiten Polschuh (26 ,28 ) axial zusammen gepresst wird. - Der Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldspule (
30 ) Vertiefungen (66 ) aufweist, die den Polfingern (27 ,29 ) des ersten und des zweiten Polschuhs (26 ,28 ) entsprechen. - Der Läufer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Vertiefungen (
66 ) radial erstrecken, insbesondere radial erweitern. - Der Läufer nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Vertiefungen (
66 ) axial erstrecken, insbesondere axial erweitern. - Der Läufer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Polfinger des ersten und des zweiten Polschuhs (
26 ,28 ) innerhalb der Vertiefungen (66 ) angeordnet sind. - Der Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die reibschlüssige Verbindung der Spulenanordnung (
25 ) mit dem ersten und dem zweiten Polschuh (26 ,28 ) eine Drehbewegung der Spulenanordnung (25 ), relativ zum ersten und zweiten Polschuh (26 ,28 ), verhindert. - Der Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Polfinger eine innere Fläche haben, die den inneren Durchmesser des ersten und des zweiten Polschuhs (
26 ,28 ) definiert, dass die innere Fläche radial geneigt ist und in dem Maße, in dem sich die Polfinger axial von ihrem Körper entfernen, einen sich vergrößernden inneren Durchmesser definiert, und das der größte Außendurchmesser der Feldspule (30 ) größer ist als der mittlere Durchmesser des ersten und des zweiten Polschuhs (26 ,28 ). - Der Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser der Feldspule (
30 ) größer als der Innendurchmesser des ersten und des zweiten Polschuhs (26 ,28 ) an den jeweiligen axialen Positionen ist. - Der Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polfinger einen sich ändernden Durchmesser definieren, und dass der Außendurchmesser der Feldspule (
30 ) größer oder gleich dem Innendurchmesser des ersten und des zweiten Polschuhs (26 ,28 ), in der Nähe der axialen Mitte der Feldspule (30 ), ist.
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