DE2830883C2

DE2830883C2 - Dreiphasen-Wechselstromgenerator

Info

Publication number: DE2830883C2
Application number: DE2830883A
Authority: DE
Inventors: Yoshiyuki Toyoake Hattori; Mitsuo Okazaki Inagaki; Masahiro Nishio Taguchi
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1977-07-15
Filing date: 1978-07-13
Publication date: 1982-09-16
Also published as: DE2830883A1; US4201930A; JPS6111066B2; JPS5420310A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Dreiphasen-Wechselstromgenerator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE-AS 12 91 012 ist ein Dreiphasen-Wechselstromgenerator dieser Art bekannt, der zwei axial voneinander beabstandete Klauenpolplatten aufweist, deren Klauenfoie gegenseitig ineinandergreifend angeordnet sind. Um bei der Drehung der Klauenpolplatten auftretende, durch iiigensciiwingung der Statorlamellen verursachte störende Geräusche zu verringern, sind die Klauenpole in besondert. Weise geformt, und zwar dergestalt, daß jeder der symmetrisch aufgebauten Klauenpole an seinen Seitenrändern Abschrägungen aufweist, so daß sich der Luftspalt zwischen Statorlamellen und Klauenpol zum Klauenpolrang hin zunehmend vergrößert Aufgrund dieser randseitigen Vergrößerung des Luftspalts ergibt sich jedoch eine Erhöhung des magnetischen Widerstands, so daß die vom bekannten Dreiphasen-Wechselstromgenerator abgebbare Leistung erheblich verringert ist

Aus der DE-OS 21 09 617 ist ein Wechselstromgenerator bekannt, bei dem zur Verringerung der im Betrieb auftretenden Geräusche die Seitenränder der einzelnen Polschuhe derart abgeschrägt sind, daß diejenigen der jeweils einander zugewandten Seitenränder der Polschuhe, die den größten radialen Abstand zur Läuferdrehachse aufweisen, im wesentlichen parallel zueinander verlaufen, wobei die der Ankerwicklung zugewandte, zylindrische Außenfläche der Polschuhe jeweils die Form eines regelmäßigen Trapezes besitzt. Aufgrund der 7tir Geräuschverringerung vorhandenen seitlichen Abmhrägung der Polschuhe ist allerdings auch hier die vom Generator maximal abgebbare Leistung verringert.

Weiterhin ist aus der US-PS 34 50 913 ein Wechsel stromgenerator mit zwei Klauenpolläufern bekannt, deren Polschuhe zur Erzielung einer zusätzlichen Ventilatorwlrküng derart asymmetrisch ausgebildet sind, daß sämtliche Pölschühe eines der beiden Klauenpolläufer entgegen der Generatordrehrichtung verschoben sind, während alle Polschuhe des anderen Klauenpolläufer in Generatordrehrichtung Verdreht sind, so daß bei einer Bewegung der Klauenpolläufer ' eine Sogwirkung entsteht. Die beim Betrieb des 'bekannten Generators auftretenden Geräuschprobleme sind hier nicht angesprochen.

Ferner ist aus der GB-PS 11 07 006 ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors für dynamoelektrische Geräte bekannt, bei dem eine flache Scheibe zur Erzielung seitlicner Vorsprünge formgestanzt wird, wonach die seitlichen Vorsprünge aus der Scheibenebene verbogen und anschließend derart verdreht werden, daß sie in Axialrichtung verlaufende, auf einer zylindrischen Umfangsbahn liegende Polschuhe darstellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Dreiphasen-Wechselstromgenerator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart auszugestalten, daß ■5 die im Betrieb auftretenden magnetischen Geräusche drastisch verringert sind, ohne daß seine Ausgangsleistung beeinträchtigt ist.

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß die beim Lastbstrreb des Dreiphasen-Wcchsclstromgenerators auftretenden störenden Geräusche im wesentlichen durch eine aufgrund der Ankerrückwirkung auftretende Überlagerung der sinusförmigen Leerlauferregerkurve mit einer Harmonischen der dreifachen Frequenz verursacht werden. Mit der erfindung^gemäßen Ausgestaltung der Polsci.uhe wird eine derartige Verzerrung der Leerlauferregerkurve durch eine Harmonische der dreifachen Frequenz erzielt, daß sich die beiden Harmonischen im Lastbetrieb im wesentlichen auslöschen, so daß das hierdurch bedingte magnetische Geräusch insgesamt drastisch verringert ist Dieser Effekt wird dabei erzielt, ohne daß die Luftspaltbreite über den Polschuhen vergrößert werden muß, so daß der erfindungsgemäße Dreiphasen-Wechselstromgenerator bei sehr großer Laufruhe eine sehr hohe Leistung abgeben kann.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist ■to Gegenstand des Unteranspruchs.

Nachstehend werden zur Verdeutlichung der Erfindung eine den Ausgangspunkt der Erfindung darstellende Ausführungsform eines Dreiphasen-Wechselstromgenerators sowie ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Dreiphasen-Wechselstromgenerators unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch einen in Anlehnung an bekannte Dreiphasen-Wechselstromgeneratoren versuchsweise aufgebauten Dreiphasen Wechselstromgenerator,

Fig. 2 eine Abwicklung der Oberfläche der Klauenpole des in Fig. I dargestellten Dreiphasen-Wechsel-Stromgenerators,

F i g. 3 und 4 graphische Darstellungen des bei dem in F i g. 1 dargestellten Dreiphasen-Wechselstromgenerator auftretenden Magnetflußverlaufes,

F ι g. 5 in graphischer Darstellung einen Vergleich - 60 zwischen den bei dem in F ι g. 1 dargestellten Dreipha sen-Wechselstromgenerator und dem erfindungsgernä ßen Dreiphasen^Wechseistromgenerator auftretenden Magnetflußverläufern,

F i g, 6 eine der F ί g. 2 entsprechende Abwicklung der Oberfläche der Klauenpoifinger eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Dreiphasen-Wechselströmgenerators,
F i g. 7 schematisch die Abmessungen der KJäüenpole

des in F i g. 6 dargestellten Ausführungsbeispiels,

Fig.8 in graphischer Darstellung die Abhängigkeit der Ausgangsleistung und des Erregerstroms von der Größe der Verschiebung der Klaueripole, .

Fig.9 in graphischer Darstellung die Abhängigkeit der im Betrieb entstehenden Geräusche von der jeweiligen Drehzahl mit der Größe der Verschiebung der KJauenpoIe als Parameter und

F i g. 10 eine Gegenüberstellung der bei dem in F i g. 1 dargestellten Dreiphasen-Wechselstromgenerator und dem erfindungsgemäßen Dreiphasen-Wechselstromgenerator in Abhängigkeit von der jeweiligen Drehzahl auftretenden Gesamtgeräusche.

Bei dem in F i g. 1 dargestellten Versuchsaufbau eines Dreiphasen-Wechselstromgenerators ohne Verschiebung der KJauenpoIe bezeichnen 1 einen zylinderförmigen Ankerkern und 2 eins um den Ankerkern 1 gewickelte Dreiphasenwicklung. Der aus diesen Bestandteile» gebildete Anker ist zwischen zwei Gehäuseteilen H gehalten. 3 bezeichnet eine in einem der Gehäuseteile H untergebrachte Dreiphasen-Vollweggleichrichtereinheit zum Gleichrichteil des Ausgangsstroms der Dreiphasenwicklung Z Ein Lundell-¹ .äufer R ist drehbar an einer Welle innerhalb der Gehäuseteile H angebracht und wird über einen nicht dargestellten Riemen und eine Riemenscheibe Q von einer nicht gezeigten Kurbelwelle einer Antriebsmaschine angetrieben. Der Läufer R weist eine Mehrzahl von Paaren aus als Magnetpole wirkenden fingerförmigen Klauenpolen 4/V, 45 auf, die dem Ankerkern 1 unter Ausbildung eines engen Spalts G beabstandet gegenüberliegen, sowie eine zylindrische Erregerspule 5. die von den Klauenpolen derart umgeben ist, daß sie diese in Gegenpolarität erregt W bezeichnet Kühllüfterflügel.

Fließt durch die Erregerspule 5 ein Erregerstrom, so werden die Klauenpole 4Λ/ und 45 in zueinander entgegengesetzten Polaritäten erregt (wie es durch die Zusätze N bzw. 5 angedeutet ist), so daß über den Ankerkern 1 ein Magnetfluß Φ fließt.

Die den Ankerkern 1 zugewandte Fläche der Klauenpole 4Vund45besitzt hierbei in der Abwicklung jeweils die Form eines gleichschenkligen symmetrischen Trapezes, wie es in F i g. 2 gezeigt ist. Bei der in F i g. 2 gezeigten Darstellung bezeichnet 11 Zähne des Ankerkerns 1. Die Länge L der Basis des gleichschenkligen Trapezes ist dabei geringfügig kleiner als die Polteilung und die Länge /der der Eisis gegenüberliegenden Seite des Trapezes gleich der Breite eines Zahns 11 des Ankerkerns 1 gewählt, so daß die Seitenränder der Klauenpole schräg zu den Ankerzähnen verlaufen, womit sich eine leichte Vc-ringerung der magnetischen Vibratior.sgeräusche erzielen läßt. Bei dieser Ausfüh rungsform Teten jedoch, vie bereits eingangs ausgeführt, auch in Bereichen verhältnismäßig niedriger Drehzahl im Lastbetriebszustand magnetische Geräusche auf. die darauf zurückzuführen sind, daß die auf den durch die Ankergegenwirkung verursachten Magnetflußschwankungen beruhende Lorenusche Kraft ah Erregerkraft zwischen den fingerförmigen Klauenpolen und dem Ankerkern wirkt und dabei ein Schwingen des Ankerkerns, der Gehäuseteil usw. hervorruft.

Eine Frequenzanalyse der bei Betrieb dieser Ausführungsform auftretenden magnetischen Geräusche er* gab, daß die Frequenz der störenden Geräuschkomponenten dem. öP-fachen der Generatordrehzahl entspricht (d. ta normalerweise dem 36fachen, da für den Dreiphasen^Wechselstromgenerator üblicherweise P = 6 ist), wobei P rts Polzahl der Klauenpole bezeichnet.

Diese während des Lastbetriebs auftretenden magnetischen Geräusche wurden sorgfältig untersucht und sollen in ihren Ursachen nachstehend näher erläuter. werden.

Fließt bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform durch die Erregerspule 5 ein Erregerstrom, so wird hierdurch ein durch die Zähne 11 des Ankerkerns 1 hindurchtretender Magnetfluß Φ hervorgerufen. Drehen sich nun in diesem Zustand der Läufer R und damit die fingerförmigen Klauenpole 4N und 45 in Richtung des in Fig.2 dargestellten Pfeils, so ergibt sich eine sinusförmige Veränderung des über die Zähne 11 des Ankerkerns 1 fließenden Magnetflusses dergestalt, wie es in Fi g. 3 mit der durchgezogenen Linie A dargestellt ist (dieser Zustand wird nachstehend als [erregter] Leerlaufzustand bezeichnet). Wird dann ein Lastwiderstand an die Ausgangsanschlüsse des Generators angeschlossen (was nachstehend als Lastzustand be-

jo zeichnet wird), so fließe durch die um den Ankerkern 1 gewickelte Dreiphasen-Wicklung 2 ein Strom, der eine Gegen-EMK hervorruft, die ihrerseits bewirkt, daß sich der über die Zähne 11 des Ankerkern.. 1 fließende Magnetfluß entsprechend der in Fig. 3 gezeigten unterbrochenen Linie B verändert. In Fig.4 stellen die durchgezogenen Linien I und die unterbrochenen Linien II und III jeweils Kurvenformen dar, die durch Fouriertransformation der den Leerlaufzustand darstellenden Linie A und der dem Lastzustand entsprechen-

jn den Linie B erzielt werden. Wie aus F i g. 4 ersichtlich ist, wird im Lastzustand der Wert gemäß der den (erregten) Leerlaufzustand darstellenden durchgezogenen Linie I auf den der unterbrochenen Linie II entsprechenden Wert verringert, während zusätzlich eine weitere

j-, Frequenzkomponente entsprechend der Linie III erzeugt wird, deren Frequenz dreimal so groß wie die der Linien I und II ist. Hierbei beträgt die Frequenz der dem Leerlaufzustand entsprechenden Magnetflußveränderung gemäß der Linie I und der Linie II den Wert /VxP, was dem Produkt aus der Drehzahl /V des Dreiphasen-Wechselstromgenerators und der Polzahl P der Klauenpole 4/V (die gleich der Polzahl der Magnetpole 45 ist) entspricht. Die Frequenz der Magnetflußveränderung gemäß der Linie III beträgt folglich 3 χ NP

Die vom Magnetfluß Φ abhängige, au^f die Zähne 11 des Ankerkerns 1 in Richtung der Klauenpole einwirkende Lorentzsche Kraft F unterliegt allgemein der Beziehung F ~ Φ² und ist beispielsweise bei einem die Frequenzkomponenten NP und 3NP enthaltenden Magnetfluß

Φ - A sin 2π ■ NPt + ßsin 2π ■ 3 NPt

proportional dem folgenden Ausdruck:
ί»

Φ \ I I ^f#") (4" -4ß)cos2.T· 2 VP /.

H'

AH cos : - 4 \ Pi — cos 2,-6 NPt.

so daß die sich ergebende Erregungskraft F
Frequenzkomponenten iftfi,4NP\iiia 6A/Pen3halt

Während bislang angenommen wurde, daß die Frequenzkoriiponente 6NP durch die natürliche Generatorfrequenz beding' ist und dadurch die magnetischen Geräusche verursacht sind, ist aus den vorstehenden Gleichungen ersichtlich, daß diese Frequenzkomponen-

te 6NP der Erregungskraft F' durch die Komponente 3NP der MagnetfluDänderung verursacht wird. Daraus ergibt sich, daß eine Verringerung der Komponente 3NP der MagnetfluDänderung eine Verringerung der Komponente 6NP der Erregungskrafl F' und damit der hierdurch hervorgerufenen magnetischen Geräusche bewirkt.

Diese Verringerung der Komponente 3NP der Magnetfiußänderung im Lastzustand kann nun dadurch erreicht werden, daß der Magnetflußvcrlauf im (erreg- to ten) Leerlaufzustand auf eine bestimmte Kurvenform gebracht wird, wie sie in F ι g. 5 mit der durchgezogenen Linie Cdargestellt ist. Die Kurvenform gemäß der Linie C ist gegenüber der bisherigen sinusförmigen Kurvenform gemäß der Linie I in F i g. 5 derart verzerrt, daß sie bereits im Leerlaufzustand eine (durch die gestrichelte Linie IV dargestellte) Frequenzkomponente ZNP aufweist, die in Gegenphase zu der im Lastbetrieb nnftretpnden (durch die gestrichelte linie III dargesiell te) Frequenzkomponente 3NP liegt, so daß die Magnetfiußänderung im Lastzustand sinusförmig verläuft, womit die im Lastzustand auftretenden magnetischen Geräusch beträchtlich verringert sind, ohne daß eine Verringerung der abgebbaren Ausgangsleistung erfolgt.

Diese Verzerrung der Leerlauferregerkurve durch Oberlagerung einer Komponente der dreifachen Frequenz wird bei dem nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel des Dreiphasen-Wechselstromgenerators nun dadurch erzielt, daß die dem Ankerkern zugewandte Fläche der fingerförmigen Klauenpole grundsätzlich trapezförmig ist. jedoch die Form eines ungleichschenklichen Trapezes besitzt, dessen der Grundlinie bzw. Basis gegenüberliegende Seite in bezug auf die Basis in der in F ι g. 6 durch einen Pfeil angedeuteten Drehrichtung des Läufers verschoben ist.

Bei einem konstruktiven Aufbau des Dreiphasen-Wechselstromgenerators mit einem Ankerkern-Innendurchmesser von 97 mm. einer Nutteilung von 8,5 mm. einem Läufer-Außendurchmesser (Außendurchmesser der Klauenpole 4N und 4S) von 96.44 mm und 6 Klauenpolen 4N und 4S (Polzahl P - 6), die die in F i g. 7 gezeigten Abmessungen aufweisen, d. h. eine Höhe Γ des Trapezes von 24 mm (die im wesentlichen der axialen* Breite des Ankerkerns 1 entspricht), eine -»5 Basislänge L von 23 mm und eine Seitenlänge / (Länge der der Basis gegenüberliegenden Seite) von 5 mm besitzen, so ist bei dem nun beschriebenen Ausführungsbeispiel des Dreiphasen-Wechselstromgenerators die der Basis gegenüberliegende Seite jeweils um eine Strecke D in Pfeilrichtung, d. h. in Läuferdrehrichtung verschoben, wie es mit den durchgezogenen Linien in F i g. 7 dargestellt ist. Durch durchbrochene Linien ist die Draufsicht auf die Klauenpole gemäß dem anhand der Fig. 1 beschriebenen Dreiphasen-Wechselstromgenerator wiedergegeben.

F i g. 8 zeigt in graphischer Darstellung die Abhängigkeit der Dreiphasen-Wechselstromgenerator-Ausgangsleistung und der Erregungskraft F'von der Größe der Verschiebung der der Basis gegenüberliegenden Trapezseite in bezug auf diese. Die in Fig.8 dargestellten Kennlinien wurden bei Vollastbetrieb mit einer Drehzahl N — 3000.U/min erhalten. Auf den Ordinaten sind der Ausgangsstrom (A) bzw. die prozentuale Größe der Erregungskraft, bezogen auf die bei einem Drciphascn-Wechseistrcnngenerätor nrit nicht verschobenen Klauenpolen auftretende Erregungskraft, aufgetragen, während die Abszisse die Verschiebungsgröße Dm mm wiedergibt

Wie aus F i g. 8 ersichtlich, nimmt die Erregungskraft im Bereich zwischen D= 1 bis 9 mm beträchtlich ab, nämlich von 75% auf 20%, während sich der Ausgangsstrom nur geringfügig von 60 A auf 52 A verringert. Insbesondere in dem Bereich von D = 2 bis 6 mm, d. h. in dem Bereich, in dem das Verhältnis der Verschiebung Dzur Nutteilung von 8,5 mm zwischen 0,2 und 0,7 liegt, ist der Äusgangsström praktisch nicht verringert, während die Erregungskraft beträchtlich vermindert ist. Damit ist ersichtlich, daß speziell in diesem Bereich eine beachtliche Wirkung erzielbar ist In F i g. 9 ist die durch die somit verringerte Erregungskraft erzielte zwangsläufige Verringerung des Schalldruckpegels dB (A) der Frequenzkomponen ten 6NPder störenden magnetischen Geräusche mit der Größe der Versetzung D als Parameter graphisch darEestellt. Hierbei stellt die stark ausgezogene Kurve mit D = 0mm den bei dem in Fig. 1 dargestellten Dreiphasen-Wechselstromgenerator auftretenden Schalldruckpegel dar, wogegen der Schalldruckpegel im Bereich niedriger Drehzahlen von 2000 bis 4000 U/min beim erfindungsgemäßen Dreiphasen-Wechselstromgenerator um bis zu \0dB(A) geringer ist. wie es anhand zweier Beispiele mit D = 3 mm (mit gestrichelten Linien dargestellt) und mit D = 6 mm (mit strichfinktierten Linien dargestellt) gezeigt ist. Die magnetischen Geräusche lassen sich somit ohne merkliche Beeinträchtigung der Ausgangsleistung beträchtlich verringern, wobei es wesentlich ist. daß die abgeänderte Klaucnpolform keinerlei neue magnetische Geräusche hervorruft

Fig. 10 zeigt einen Vergleich der bei Vollastbetrieb durch den erfindungsgemäßen Dreiphasen-Wechselstromgenerator (mit einer Verschiebung D = 6 mm) erzeugten Gesamtgeräusche mit denjenigen, die bei dem anhand F i g. 1 beschriebenen Dreiphasen-Wechselstromgenerator (D = 0 mm) auftreten. Wie ersieht-Hch, sind die vom erfindungsgemäßen Dreiphasen-Wechselstromgenerator erzeugten Gesamtgeräusche erheblich geringer, was wiederum zeigt, daß die Verschiebung bzw. Scherung der Klauenpole eine beträchtliche Verringerung der magnetischen Geräusche verursacht ohne daß irgendwelche anderen neuen magnetischen Geräusche entstehen wurden.

Obgleich bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel des Dreiphasen-Wechselstromgenerators die Klauenpole jeweils als ideale ungleichschenklige Trapeze ausgebildet sind, sind selbstverständlich Abwandlungen dieser Form, die wahlweise vorgekommen werden können, wie z. B. eine Abrundung der Ecken, eine Wölbung der parallel verlaufenden Seiten, eine Krümmung der die parallel verlaufenden Seiten verbindenden geneigten Seiten usw. möglich.

Der beschriebene Dreiphasen-Wechselstromgenerator ist darüber hinaus auch aus dem folgenden Grund zweckmäßig, da der die Klauenpole tragende Läufer auch mit herkömmlichen Wechselstromgeneratoren kompatibel ist da die Klauenpole lediglich in ihrer Form verändert sind. Ferner ist die Herstellung der Klauenpole aufgrund ihrer im wesentlichen trapezförmigen Form auf einfache Weise durch Warmverformung möglich. Der sich somit durch einfache Herstellung und problemlosen Zusammenbau auszeichnende Dreiphasen-Wechselstromgenerator ist insbesondere für die Verwendung in Kraftfahrzeugen geeignet

Hierzu 6 Blatt Zeichnunsen

Claims

Patentansprüche:

1. Dreiphasen-Wechselstromgenerator mit einem genuteten, eine Dreiphasenwicklung tragenden Ankerkern und einem Läufer mit mindestens einem KJauenpoIpaar, wobei die Klauenpole in Form eines Trapezes ausgebildet sind, dessen Basis etwa dem Dreifachen der Nutteilung des Ankerkerns entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß die im wesentlichen zylindrische, dem Ankerkern (1) zugewandte Fläche jedes Klauenpols (4N, 4S) die Form eines unregelmäßigen Trapezes hat, dessen der Basis gegenüberliegende Seite (I) in bezug auf die Basis in Drehrichtung des Läufers verschoben ist, wobei das Verhältnis dieser Verschiebung (D) zur Nutteilung im Bereich von 0,2 bis 0,7 liegt.

2. Dreiphasen-Wechselstromgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der der Basis (L) gegenüberliegenden Seite [I) der Ankerzai.i breite entspricht.