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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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1. Gebiet
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Generator, der beispielsweise
von einer Brennkraftmaschine angetrieben wird, und betrifft insbesondere eine
Statorkonstruktion für
einen Kraftfahrzeuggenerator, der bei einem Kraftfahrzeug, etwa
einem Personenkraftwagen oder einem Lastkraftwagen, eingesetzt wird.
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2. Beschreibung des Stands
der Technik
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18 ist
eine Seitenansicht, die einen Teil eines Stators eines herkömmlichen
Kraftfahrzeuggenerators zeigt, wie beispielsweise im japanischen
Patent Nr. 2927288 beschrieben, 19 ist
eine Perspektivansicht, die ein Leitersegment zeigt, das in dem Stator
des in 18 gezeigten, herkömmlichen Kraftfahrzeuggenerators
verwendet wird, und die 20 und 21 sind
eine Perspektivansicht vom Vorderende bzw. Hinterende aus eines
Teils des Stators des in 18 gezeigten,
herkömmlichen
Kraftfahrzeuggenerators.
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Ähnliche
Alternativen sind in der
EP
0 881 752 A1 und in der US-A-5,982,068 beschrieben.
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In
den 18 bis 21 weist
der Stator 50 auf: einen Statorkern 51; eine Statorwicklung 52,
die in den Statorkern 51 gewickelt ist; und Isolatoren 53, die
im Inneren von Nuten 51a angebracht sind, wobei die Isolatoren 53 die
Statorwicklung 52 gegenüber dem
Statorkern 51 isolieren. Der Statorkern 51 ist
ein zylindrischer, zusammenlaminierter Kern, der durch Laminieren
aufeinander gestapelter, dünner
Stahlplatten hergestellt wird, und weist eine Anzahl an Nuten 51a auf,
die sich in Axialrichtung erstrecken, und mit gleichem Abstand in
Umfangsrichtung so angeordnet sind, dass sie zur Innenumfangsseite
hin offen sind. Die Statorwicklung 52 ist so ausgebildet,
dass eine Anzahl kurzer Leitersegmente 54 in zwei Dreiphasenwicklungen
verbunden wird. In diesem Fall sind 96 Nuten 51a vorgesehen,
um zwei Dreiphasenwicklungen aufzunehmen, so dass die Anzahl an
Nuten, welche jede Phase der Wickelabschnitte aufnehmen, der Anzahl
an Magnetpolen (16) in einem (nicht dargestellten) Rotor entspricht.
Die beiden Dreiphasenwicklungen weisen gegeneinander eine Phasenverschiebung
von 30 ° (elektrischer
Winkel) auf.
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Die
Leitersegmente 54 werden im Wesentlichen U-förmig aus
einem isolierten Kupferdrahtmaterial mit rechteckigem Querschnitt
hergestellt, und werden jeweils zu zweit von einem axialen, hinteren Ende
in Paare von Nuten 51a sechs Nuten getrennt (ein Abstand
von einem Magnetpol) eingeführt.
Dann werden Endabschnitte der Leitersegmente 54, die sich
am Vorderende nach außen
erstrecken, miteinander verbunden, um die Statorwicklung 52 auszubilden.
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Im
einzelnen werden in Paaren von Nuten 15a sechs Nuten getrennt
erste Leitersegmente 54 vom hinteren Ende in erste Positionen
von der Außenumfangsseite
in erste Nuten 51a und in zweite Positionen von der Außenumfangsseite
innerhalb zweiter Nuten 51a eingeführt, und werden zweite Leitersegmente 54 vom
hinteren Ende in dritte Positionen von der Außenumfangsseite in die ersten
Nuten 51a und in vierte Positionen von der Außenumfangsseite
innerhalb der zweiten Nuten 51a eingeführt. Innerhalb jeder Nut 15a sind
daher vier gerade Abschnitte 54a der Leitersegmente 54 so
angeordnet, dass sie in einer Reihe in Radialrichtung ausgerichtet sind.
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Dann
werden Endabschnitte 54b der Leitersegmente 54,
die sich nach außen
am Vorderende von den ersten Positionen von der Außenumfangsseite
innerhalb der ersten Nuten 51a erstrecken, und Endabschnitte 54b der
Leitersegmente 54, die sich nach außen am Vorderende von den zweiten
Positionen von der Außenumfangsseite
innerhalb der zweiten Nuten 51a sechs Nuten entfernt in
Uhrzeigerrichtung gegenüber
den ersten Nuten 51a erstrecken, verbunden, um einen Außenschichtwickel
auszubilden, der zwei Windungen aufweist. Weiterhin werden Endabschnitte 54b der
Leitersegmente 54, die sich nach außen am Vorderende von den dritten
Positionen von der Außenumfangsseite
innerhalb der ersten Nuten 51a erstrecken, und Endabschnitte 54b der Leitersegmente 54,
die sich nach außen
am Vorderende von den vierten Positionen von der Außenumfangsseite
innerhalb der zweiten Nuten 51a sechs Nuten entfernt in
Uhrzeigerrichtung von den ersten Nuten 51a erstrecken,
verbunden, um einen Innenschichtwickel auszubilden, der zwei Windungen
aufweist.
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Weiterhin
werden der Innenschichtwickel und der Außenschichtwickel, die durch
die Leitersegmente 54 gebildet werden, die in die Paare
von Nuten 51a sechs Nuten entfernt eingeführt sind,
in Reihe geschaltet, um eine Wicklungsphase zu bilden, die vier
Windungen aufweist.
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Insgesamt
sechs Wicklungsphasen, die jeweils vier Windungen aufweisen, werden
auf diese Weise hergestellt. Die zwei Dreiphasenwicklungen, welche
die Statorwicklung 52 bilden, werden durch Verbinden von
drei Wicklungsphasen jeweils in Wechselstromschaltungen ausgebildet.
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Bei
dem herkömmlichen
Stator 50, der auf die geschilderte Art und Weise ausgebildet
ist, sind am hinteren Ende des Statorkerns 51 Windungsabschnitte 54c der
Paare der Leitersegmente 54, die in dieselben Paare von
Nuten 15a eingeführt
sind, in Reihen in Radialrichtung ausgerichtet. Dies führt dazu,
dass die Windungsabschnitte 54c in zwei Reihen in Umfangsrichtung
angeordnet sind, um eine Wicklungsendgruppe am hinteren Ende auszubilden.
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Am
vorderen Ende des Statorkerns 51 sind andererseits Verbindungsabschnitte,
die durch Verbinden der Endabschnitte 54b der Leitersegmente 54,
die sich nach außen
am Vorderende von den ersten Positionen von der Außenumfangsseite
innerhalb der ersten Nuten 51a erstrecken, mit den Endabschnitten 54b der
Leitersegmente 54 gebildet werden, die sich nach außen am Vorderende
von den zweiten Positionen von der Außenumfangsseite innerhalb der
zweiten Nuten 51a sechs Nuten entfernt erstrecken, und
von Verbindungsabschnitten, die durch verbindende Endabschnitte 54b der
Leitersegmente 54, die sich nach außen vom Vorderende von den
dritten Positionen von der Außenumfangsseite innerhalb
der ersten Nuten 51a erstrecken, und der Endabschnitte 54b der
Leitersegmente 54 gebildet werden, die sich nach außen am Vorderende
von den vierten Positionen von der Außenumfangsseite innerhalb der
zweiten Nuten 51a sechs Nuten entfernt gebildet werden,
so angeordnet, dass sie in Radialrichtung ausgerichtet sind. Dies
führt dazu,
dass Verbindungsabschnitte, die durch Verbinden von Endabschnitten 54b miteinander
ausgebildet werden, in zwei Reihen in Umfangsrichtung angeordnet
sind, so dass eine Wicklungsendgruppe am Vorderende ausgebildet
wird.
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Bei
dem Stator 50 des herkömmlichen
Kraftfahrzeuggenerators ist, wie voranstehend erläutert, die
Statorwicklung 52 so aufgebaut, dass kurze Leitersegmente 54,
die im wesentlichen U-förmig
sind, in die Nuten 51a des Statorkerns 51 von
dem hinteren Ende aus eingeführt
werden, und Endabschnitte 54b der Leitersegmente 54 verbunden
werden, die sich nach außen
am vorderen Ende erstrecken. Die Endabschnitte 54b der
Leitersegmente 54 werden miteinander dadurch verbunden,
dass ein Abschnitt von ihnen in eine Spannvorrichtung eingeklemmt wird,
und ihre Spitzen verlötet
oder verschweißt
werden.
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Die
Wicklungsende-Streureaktanz infolge des austretenden magnetischen
Flusses, der durch die Wicklungsenden hindurchgeht, ist proportional zur
Höhe der
Wicklungsenden. Bei der herkömmlichen
Statorwicklung 52 traten infolge der Tatsache, dass ein
Klemmbereich für
die Spannvorrichtung benötigt
wird, wodurch die Wicklungsenden hoch werden, das Problem einer
erhöhten
Wicklungsende-Streureaktanz auf, was die Ausgangsleistung beeinträchtigte.
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Weiterhin
sind, wenn die Anzahl an klauenförmigen
Magnetpolen und die Anzahl an Nuten erhöht werden, die Wicklungen in
den Wicklungsenden näher
aneinander, und wenn die Verbindungsabschnitte der Leitersegmente
vergrößert werden,
gibt es infolge der Tatsache, dass der Raum zwischen den Wicklungen
in den Wicklungsenden extrem eng wird, und die Höhe der Wicklungsenden vergrößert ist,
eine gegenseitige Störung
zwischen den Wicklungen in den Wicklungsenden, und bestand das Problem
einer Beeinträchtigung
der Ausgangsleistung.
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Weiterhin
muss bei dem herkömmlichen
Stator 50 eine große
Anzahl der kurzen Leitersegmente 54 in den Statorkern 51 eingeführt werden,
und müssen
deren Endabschnitte 54b durch Schweißen, Löten, usw. verbunden werden,
was zu dem Problem einer signifikant beeinträchtigten Funktionsfähigkeit geführt hat.
Weiterhin trat beim Verbinden der Endabschnitte 54b häufig das
Problem auf, dass häufig ein
Kurzschluss zwischen den Verbindungsabschnitten infolge übergelaufenen
Lotes oder der Schweißschmelze
auftrat, was die Massenproduktion signifikant beeinträchtigte.
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Weiterhin
war es bei der herkömmlichen
Statorkonstruktion schwierig, welche Leitersegmente 54 verwendet,
da häufiger
ein Verbiegen beim Einführen der
Leitersegmente 54 in den Nuten auftrat, wenn die Anzahl
an Nuten zunimmt, diese Konstruktion bei einem Generator einzusetzen,
der kompakt sein soll und eine hohe Ausgangsleistung aufweisen soll, durch
Erhöhung
der Anzahl klauenförmiger
Magnetpole und der Anzahl an Nuten.
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Weiterhin
trat das Problem einer beeinträchtigten
Verlässlichkeit
des herkömmlichen
Stators 50 auf, der auf diese Art und Weise ausgebildet
war, infolge der nachstehend angegebenen Probleme.
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Da
die Wicklungsendgruppen am Vorderende so ausgebildet sind, dass
die Verbindungsabschnitte zwischen den Endabschnitten 54b,
bei denen die Isolierbeschichtung infolge von Schweißen oder
Löten entfernt
wurde, in Reihen in Umfangsrichtung angeordnet sind, kann die Wicklungsendkonstruktion
dadurch korrodieren, dass sie Feuchtigkeit ausgesetzt wird, und
ist die Korrosionsbeständigkeit extrem
niedrig.
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Da
die Wicklungsenden durch 96 Verbindungsabschnitte in zwei Reihen
gebildet werden, also durch 192 Verbindungsabschnitte, kann bei
der Konstruktion ein Kurzschluss auftreten, und treten leicht Kurzschlussausfälle auf.
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Weiterhin
wird leicht, da die Länge
der Leitersegmente 54, die durch die Nuten 51a gedrückt werden
muss, größer sein
muss als die Axiallänge
des Statorkerns 51, die Isolierbeschichtung der Leitersegmente 54 beschädigt.
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Weiterhin
wird bei dem herkömmlichen
Stator 50 angestrebt, magnetisches Rauschen dadurch zu
verringern, dass sich gegenseitig magnetische Polarisationskräfte ausgleichen,
durch Wickeln in die Nuten von zwei Dreiphasenwicklungen, die versetzt an
Positionen angeordnet sind, die eine elektrische Phasenverschiebung
von 30 ° aufweisen.
Obwohl bei dieser Konstruktion die fünften und siebten magnetomotorischen
harmonischen Frequenzen des Stators verringert werden können, trat
ein Problem in der Hinsicht auf, dass die elften und dreizehnten
magnetomotorischen harmonischen Frequenzen des Stators, die einen
großen
Anteil an der Magnetflusspolarisation haben, die in dem Generator
auftritt, verstärkt werden,
was eine effektive Verringerung des magnetischen Rauschens verschlechtert.
Da die Endabschnitte 54b der Leitersegmente 54 verschweißt werden,
tritt eine Erweichung in den Leitersegmenten 54 infolge
des Temperaturanstiegs beim Schweißen auf, was die Steifigkeit
des Stators verringert, und die effektive Verringerung des magnetischen
Rauschens verringert.
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Wenn
die Anzahl an klauenförmigen
Magnetpolen und die Anzahl an Nuten erhöht werden, um einen kompakten
Aufbau und hohe Ausgangsleistung zu erzielen, nehmen Polarisationen
des Magnetflusses zu, der zwischen den Zähnen und den klauenförmigen Magnetpolen
auftritt, und nimmt gleichzeitig das magnetische Rauschen zu, da
die Steifigkeit des Stators durch die Verringerung der Breite der
Zähne verringert
wird. Bei den magnetischen Gegenmaßnahmen, bei welchen zwei Dreiphasenwicklungen
in die Nuten so gewickelt sind, dass ihre Positionen um eine elektrische
Phasenverschiebung von 30 ° versetzt
sind, trat daher ein weiteres Problem in der Hinsicht auf, dass
es nicht möglich
ist, ausreichend magnetisches Rauschen in einem Generator zu verringern,
der kompakt ausgebildet ist, und eine hohe Ausgangsleistung aufweist.
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Weiterhin
beschreiben die US-A-3,453,468 und die US-A-5,994,813 die Verwendung
durchgehender Leiterdrähte
bei der Statorwicklung.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Mit
der vorliegenden Erfindung sollen die voranstehend geschilderten
Probleme gelöst
werden, und ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines Generators, welcher es ermöglicht,
eine hohe Ausgangsleistung zu erzielen, eine erhöhte Verlässlichkeit, und einen verbesserten
Herstellungswirkungsgrad, durch Aufbau einer Anzahl von Wickelunterabschnitten,
die aus einem durchgehenden Draht bestehen, wodurch die Höhe am Wicklungsende
verringert wird, und die Anzahl an Verbindungsabschnitten am Wicklungsende
verringert wird.
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Ein
zusätzliches
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines
Generators, der einen verringerten Geräuschpegel erzielen kann, durch
Wahl des Abstandes zwischen den Luftspaltzentren in Umfangsrichtung
benachbarter Nutöffnungsabschnitte
so, dass dieser ungleichmäßig ist, wodurch
Komponenten höherer
Ordnung der harmonischen Frequenzen der magnetomotorischen Kraft des
Stators verringert werden, welche elektromagnetisches Rauschen verursachen.
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Das
voranstehende Ziel wird durch einen Generator erreicht, wie er im
Patentanspruch 1 angegeben ist. Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Generator zur Verfügung gestellt, welcher aufweist:
einen
Stator mit einem ringförmigen
Statorkern, der mit einer Anzahl an Nuten versehen ist, die sich
in Axialrichtung erstrecken, und entlang Linien in Umfangsrichtung
so angeordnet sind, dass sie sich zu einer inneren Umfangsseite
hin öffnen,
sowie einer Statorwicklung, die so auf dem Statorkern angeordnet
ist, dass sie in die Nuten installiert ist;
einen Rotor, der
eine Anzahl klauenförmiger
Magnetpole aufweist, die abwechselnd nordsuchende (N) und südsuchende
(S) Pole um einen Drehumfang ausbilden, wobei der Stator drehbar
auf der Innenumfangsseite des Statorkerns angeordnet ist;
eine
Stütze,
welche den Rotor und den Stator haltert; und einen Gleichrichter,
der an einem ersten Axialende des Stators angeordnet ist, und mit
Endabschnitten der Statorwicklung verbunden ist, wobei der Gleichrichter
Wechselstrom von der Statorwicklung in Gleichstrom umwandelt,
wobei
eine Anzahl der Nuten zwei pro Phase pro Pol beträgt; und
die
Statorwicklung eine Anzahl an Wickelunterabschnitten aufweist, bei
denen jeweils ein langer Leitungsstrang so gewickelt ist, dass abwechselnd
eine innere Schicht und eine äußere Schicht
in Richtung der Nuttiefe innerhalb der Nuten in Abständen von
einer vorbestimmten Anzahl an Nuten eingenommen werden, durch Umlegen
des Leitungsstrangs außerhalb
der Nuten an axialen Endoberflächen
des Statorkerns.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Querschnitt, der die Konstruktion eines Kraftfahrzeuggenerators
gemäß Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ist
eine Perspektivansicht eines Stators des Kraftfahrzeuggenerators
gemäß Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung;
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3 ist
eine Endansicht, welche Verbindungen in einem Statorwicklungsphasenabschnitt bei
dem Kraftfahrzeuggenerator gemäß Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung erläutert;
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4 ist
ein Schaltbild für
den Kraftfahrzeuggenerator gemäß Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung;
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5 ist
eine Darstellung zur Erläuterung des
Herstellungsvorgangs für
Wickelstranggruppen, die einen Teil der Statorwicklung bilden, die
bei dem Kraftfahrzeuggenerator gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden
Erfindung eingesetzt wird;
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6 ist
eine Darstellung zur Erläuterung des
Herstellungsvorgangs für
Leitungsstranggruppen, die einen Teil der Statorwicklung bilden,
die bei dem Kraftfahrzeuggenerator gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden
Erfindung eingesetzt wird;
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7A und 7B sind
eine Endansicht bzw. eine Aufsicht, die eine Innenschicht-Leitungsstranggruppe
zeigen, die einen Teil der Statorwicklung bildet, die bei dem Kraftfahrzeuggenerator
gemäß Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
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8A und 8B sind
eine Endansicht bzw. eine Aufsicht, die eine Außenschicht-Leitungsstranggruppe
zeigen, die einen Teil der Statorwicklung bildet, die bei dem Kraftfahrzeuggenerator
gemäß Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
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9 ist
eine Perspektivansicht, die ein Teil eines Leitungsstrangs zeigt,
der einen Teil der Statorwicklung bildet, die bei dem Kraftfahrzeuggenerator gemäß Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
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10 ist
eine Darstellung zur Erläuterung der
Anordnung von Leitungssträngen,
welche einen Teil der Statorwicklung bilden, die bei dem Kraftfahrzeuggenerator
gemäß Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
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11 ist
eine Darstellung zur Erläuterung der
Konstruktion eines Statorkerns, der bei dem Kraftfahrzeuggenerator
gemäß Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
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die 12A, 12B und 12C sind Querschnitte, welche den Herstellungsvorgang
für den
Stator erläutern,
der bei dem Kraftfahrzeuggenerator gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden
Erfindung verwendet wird;
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13 ist
eine Aufsicht, die eine Leitungsstranggruppe zeigt, die einen Teil
des Statorwickels bildet, der in den Kern des Kraftfahrzeuggenerators gemäß Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung eingebaut ist;
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14 ist
eine vordere Teilansicht, welche die Konstruktion eines Statorkerns
erläutert,
der bei einem Kraftfahrzeuggenerator gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden
Erfindung verwendet wird;
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15 ist
ein Schaltbild des Kraftfahrzeuggenerators gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden
Erfindung;
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16 ist
ein Diagramm von Eigenschaften, welches Änderungen der magnetomotorischen
harmonischen Frequenz des Stators in Abhängigkeit von verschiedenen
Abständen
von Nutöffnungsabschnitten
zeigt, die bei dem Kraftfahrzeuggenerator gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden
Erfindung verwendet werden;
-
17 ist
eine vordere Teilansicht zur Erläuterung
der Konstruktion eines Statorkerns, der bei einem Kraftfahrzeuggenerator
gemäß Ausführungsform
3 der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
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18 ist
eine Seitenansicht, die einen Teil eines Stators eines herkömmlichen
Kraftfahrzeuggenerators zeigt;
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19 ist
eine Perspektivansicht, die ein Leitersegment zeigt, das bei dem
Stator des herkömmlichen
Kraftfahrzeuggenerators verwendet wird;
-
20 ist
eine Perspektivansicht eines Teils des Stators des herkömmlichen
Kraftfahrzeuggenerators vom Vorderende aus; und
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21 ist
eine Perspektivansicht eines Teils des Stators des herkömmlichen
Kraftfahrzeuggenerators vom hinteren Ende aus.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf
die Zeichnungen erläutert.
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Ausführungsform 1
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1 ist
ein Querschnitt, der die Konstruktion eines Kraftfahrzeuggenerators
gemäß Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung zeigt, 2 ist eine
Perspektivansicht eines Stators dieses Kraftfahrzeuggenerators, 3 ist
eine Endansicht zur Erläuterung
von Verbindungen in einem Statorwicklungsphasenabschnitt bei diesem
Kraftfahrzeuggenerator, 4 ist ein Schaltbild dieses
Kraftfahrzeuggenerators, 5 und 6 sind Darstellungen
zur Erläuterung
des Herstellungsvorgangs zu Leitungsstranggruppen, die einen Teil
der Statorwicklung bilden, die bei diesem Kraftfahrzeuggenerator
verwendet wird, 7A und 7B sind
eine Endansicht bzw. eine Aufsicht, welche einen Innenschicht-Leitungsstranggruppe
zeigen, die einen Teil der Statorwicklung bildet, die bei diesem
Kraftfahrzeuggenerator eingesetzt wird, 8A und 8B sind
eine Endansicht bzw. eine Aufsicht, die eine Außenschicht-Leitungsstranggruppe zeigen, die einen
Teil der Statorwicklung bildet, die bei diesem Kraftfahrzeuggenerator
verwendet wird, 9 ist eine Perspektivansicht,
die einen Teil eines Leitungsstrangs zeigt, der einen Teil der Statorwicklung
bildet, die bei diesem Kraftfahrzeuggenerator verwendet wird, 10 ist
eine Darstellung zur Erläuterung
der Anordnung der Leitungsstränge,
welche einen Teil der Statorwicklung bilden, die bei diesem Kraftfahrzeuggenerator
verwendet wird, 11 ist eine Perspektivansicht
zur Erläuterung
der Konstruktion eines Statorkerns, der bei diesem Kraftfahrzeuggenerator
eingesetzt wird, 12A bis 12C sind
Querschnitte zur Erläuterung
des Herstellungsvorgangs für
den Stator, der bei diesem Kraftfahrzeuggenerator eingesetzt wird,
und 13 ist eine Aufsicht, die eine Leitungsstranggruppe
zeigt, die einen Teil der Statorwicklung bildet, die bei diesem
Kraftfahrzeuggenerator verwendet wird, angebracht in dem Kern. Weiterhin
sind in 2 Ausgangsleitungen und Überkreuzungsverbindungen
weggelassen.
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In 1 ist
der Kraftfahrzeuggenerator so ausgebildet, dass drehbar ein Rotor 7 des
Lundell-Typs innerhalb eines Gehäuses 3 angebracht
ist, das aus einer vorderen Stütze 1 aus
Aluminium und einer hinteren Stütze 2 aus
Aluminium besteht, mit Hilfe einer Welle 6, und ein Stator 8 an
einer Innenwand des Gehäuses 3 so
befestigt ist, dass die Außenumfangsseite
des Rotors 7 abgedeckt wird.
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Die
Welle 6 wird drehbar in der vorderen Stütze 1 und der hinteren
Stütze 2 gehaltert.
Eine Riemenscheibe 4 ist an einem ersten Ende dieser Welle 6 so
befestigt, dass das Drehmoment von einer Brennkraftmaschine auf
die Welle 6 mit Hilfe eines Riemens (nicht gezeigt) übertragen
werden kann.
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Schleifringe 9 zum
Liefern elektrischen Stroms an den Rotor 7 sind an einem
zweiten Ende der Welle 6 befestigt, und zwei Bürsten 10 sind
in einem Bürstenhalter 11 aufgenommen,
der innerhalb des Gehäuses 3 angeordnet
ist, so dass die beiden Bürsten 10 in
Berührung
mit den Schleifringen 9 gleiten. Ein Regler 18 zur
Einstellung der Größe der Wechselspannung,
die in dem Stator 8 erzeugt wird, ist mittels Kleber an
einem Kühlkörper 17 befestigt, der
auf den Bürstenhalter 11 aufgepasst
ist. Gleichrichter 12, die elektrisch mit dem Stator 8 verbunden sind,
und in dem Stator 8 erzeugten Wechselstrom in Gleichstrom
umwandeln, sind im Inneren des Gehäuses 3 angebracht.
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Der
Rotor 7 weist eine Rotorwicklung 13 zur Erzeugung
eines Magnetflusses beim Durchgang elektrischen Stroms auf, und
ein Paar von Polkernen 20 und 21, die so angeordnet
sind, dass sie die Rotorwicklung 13 abdecken, wobei Magnetpole
in den Polkernen 20 und 21 durch den Magnetfluss
erzeugt werden, der in der Rotorwicklung 13 erzeugt wird. Das
Paar der Polkerne 20 und 21 besteht aus Eisen, wobei
jeder Polkern acht klauenförmige
Magnetpole 22 und 23 aufweist, die auf einem Außenumfang
in gleichen Abständen
in Umfangsrichtung so angeordnet sind, dass sie in Axialrichtung
vorspringen, wobei die Polkerne 20 und 21 einander
zugewandt so an der Welle 6 befestigt sind, dass die klauenförmigen Magnetpole 22 und 23 ineinander
greifen. Weiterhin sind Gebläse 5 am
ersten und zweiten Ende in Axialrichtung des Rotors 7 angebracht.
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Lufteinlassöffnungen 1a und 2a sind
in axialen Endoberflächen
der vorderen Stütze 1 und
der hinteren Stütze 2 vorgesehen,
und Luftauslassöffnungen 1b und 2b sind
in zwei Außenumfangsschulterabschnitten
der vorderen Stütze 1 und
der hinteren Stütze
angeordnet, gegenüberliegend
der radialen Außenseite
der Wicklungsenden 16a und 16b am vorderen Ende
bzw. hinteren Ende der Statorwicklung 16.
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Wie
in 2 gezeigt, weist der Stator 8 auf: einen
zylindrischen Statorkern 15, der als laminierter Kern ausgebildet
ist, und eine Anzahl an Nuten 15a aufweist, die sich in
Axialrichtung in einem vorbestimmten Abstand in Umfangsrichtung
erstrecken; eine Statorwicklung 16, die auf den Statorkern 15 gewickelt
ist; und Isolatoren 19, die in jeder der Nuten 15a angebracht
sind, um die Statorwicklung 16 elektrisch gegenüber dem
Statorkern 15 zu isolieren. Die Statorwicklung 16 weist
eine Anzahl an Wicklungen auf, bei denen jeweils ein Leitungsstrang 30 außerhalb
der Nuten 15a an Endoberflächen des Statorkerns 15 zurückgebogen
ist, und wellenförmig
gewickelt ist, so dass abwechselnd eine innere Schicht und eine äußere Schicht
in Nuttiefenrichtung in Nuten 15a eingenommen werden, die
um eine vorbestimmte Anzahl an Nuten beabstandet sind. In diesem
Fall ist der Statorkern 15 mit 96 Nuten 15a in
gleichem Abstand versehen, um so zwei Dreiphasenwicklungen aufzunehmen,
dass die Anzahl an Nuten, die jede Phase der Wickelabschnitte aufnehmen,
der Anzahl an Magnetpolen (16) in dem Rotor 7 entspricht. Weiterhin
entspricht das Luftspaltzentrum in Umfangsrichtung der Nut 15a den
Luftspaltzentren in Umfangsrichtung der Öffnungsabschnitte 15b,
wobei die Luftspaltzentren in Umfangsrichtung in einem Abstand entsprechend
einem elektrischen Winkel von 30 ° vorgesehen
sind. Auf diese Weise weisen die beiden Dreiphasenwicklungen eine
Phasenverschiebung zueinander entsprechend einem elektrischen Winkel
von 30 ° auf.
Die Anzahl an Nuten beträgt zwei
pro Phase pro Pol.
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Langes,
isoliertes Kupferdrahtmaterial, das beispielsweise einen rechteckigen
Querschnitt aufweist, wird bei den Leitungssträngen 30 eingesetzt.
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Als
nächstes
wird die Wickelkonstruktion eines Wicklungsphasenabschnitts 161 im
Einzelnen unter Bezugnahme auf 3 erläutert.
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Ein
Wicklungsphasenabschnitt 161 besteht aus einem ersten bis
vierten Wickelunterabschnitt 31 bis 34, die jeweils
aus einem Leitungsstrang 30 bestehen. Der erste Wickelunterabschnitt 31 wird
durch wellenförmiges
Wickeln eines Leitungsstrangs 30 in jede sechste Nut von
den Nuten der Nummern 1 bis 91 so hergestellt, dass abwechselnd
eine erste Position von einer Außenumfangsseite und eine zweite Position
von der Außenumfangsseite
innerhalb der Nuten 15a eingenommen werden. Der zweite
Wickelunterabschnitt 32 wird durch wellenförmiges Wickeln eines
Leitungsstrangs 30 in jede sechste Nut von den Nuten mit
den Nummern 1 bis 91 so hergestellt, dass abwechselnd die zweite
Position von der Außenumfangsseite
und die erste Position von der Außenumfangsseite innerhalb der
Nuten 15a eingenommen werden. Der dritte Wickelunterabschnitt 33 wird durch
wellenförmiges
Wickeln eines Leitungsstrangs 30 in jede sechste Nut von
den Nuten mit den Nummern 1 bis 91 so hergestellt, dass abwechselnd
eine dritte Position von der Außenumfangsseite
und eine vierte Position von der Außenumfangsseite innerhalb der
Nuten 15a eingenommen werden. Der vierte Wickelunterabschnitt 32 wird
durch wellenförmiges
Wickeln eines Leitungsstrangs 30 in jede sechste Nut von
den Nuten mit den Nummern 1 bis 91 so hergestellt, dass abwechselnd
die vierte Position von der Außenumfangsseite
und die dritte Position von der Außenumfangsseite innerhalb der
Nuten 15a eingenommen werden. Die Leitungsstränge 30 werden
so angeordnet, dass sie in einer Reihe von vier Strängen innerhalb
jeder Nut 15a ausgerichtet sind, wobei die Längsrichtung
ihrer rechteckigen Querschnitte in Radialrichtung ausgerichtet ist.
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An
einem ersten Ende des Statorkerns 15 werden ein erster
Endabschnitt 31a des ersten Wickelunterabschnitts 31,
der sich aus der Nut Nummer 1 nach außen erstreckt, und ein zweiter
Endabschnitt 33b des dritten Wickelunterabschnitts 33 verbunden, der
sich nach außen
von der Nut Nummer 91 erstreckt, und weiterhin werden ein erster
Endabschnitt 33a des dritten Wickelunterabschnitts 33,
der sich aus der Nut Nummer 1 nach außen erstreckt, und ein zweiter
Endabschnitt 31b des ersten Wickelunterabschnitts 31 verbunden,
der sich von der Nut Nummer 91 nach außen erstreckt, um zwei Windungen
des Wickels zu bilden.
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An
einem zweiten Ende des Statorkerns 15 werden ein erster
Endabschnitt 32a des zweiten Wickelunterabschnitts 32,
der sich von der Nut Nummer 1 nach außen erstreckt, und ein zweiter
Endabschnitt 34b des vierten Wickelunterabschnitts 34 verbunden, der
sich aus der Nut Nummer 91 nach außen erstreckt, und weiterhin
werden ein erster Endabschnitt 34a des vierten Wickelunterabschnitts 34,
der sich von der Nut Nummer 1 nach außen erstreckt, und ein zweiter
Endabschnitt 32b des zweiten Wickelunterabschnitts 32,
der sich aus der Nut Nummer 91 nach außen erstreckt, verbunden, um
zwei Windungen des Wickels zu bilden.
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Weiterhin
wird ein Abschnitt des Leitungsstrangs 30 des zweiten Wickelunterabschnitts 32,
der sich nach außen
am ersten Ende des Statorkerns 15 von den Nuten mit den
Nummern 61 und 67 erstreckt, durchgeschnitten,
und wird auch ein Abschnitt des Leitungsstrangs 30 des
ersten Wickelunterabschnitts 31 durchgeschnitten, der sich
nach außen
am ersten Ende des Statorkerns 50 aus den Nuten mit den Nummern 67 und 73 erstreckt.
Ein erstes abgeschnittenes Ende 31c des ersten Wickelunterabschnitts 31 und
ein erstes abgeschnittenes Ende 32c des zweiten Wickelunterabschnitts 32 werden
verbunden, um einen Wicklungsphasenabschnitt 161 auszubilden, der
vier Windungen aufweist, wobei der erste bis vierte Wickelunterabschnitt 31 bis 34 in
Reihe geschaltet sind.
-
Weiterhin
wird der Verbindungsabschnitt zwischen dem ersten abgeschnittenen
Ende 31c des ersten Wickelunterabschnitts 31 und
dem ersten abgeschnittenen Ende 32c des zweiten Wickelunterabschnitts 32 ein Überkreuzungsverbindungs-Verbindungsabschnitt,
und wird ein zweites abgeschnittenes Ende 31d des ersten
Wickelunterabschnitts 31 bzw. ein zweites abgeschnittenes
Ende 32d des zweiten Wickelunterabschnitts 32 eine
Ausgangsleitung (O) bzw. ein Sternpunkt (N).
-
Insgesamt
sechs Wicklungsphasenabschnitte 161 werden entsprechend
hergestellt, durch Versetzen der Nuten 15a, in welche die
Leitungsstränge 30 gewickelt
werden, um jeweils eine Nut. Dann werden, wie in 4 gezeigt,
drei Wicklungsphasenabschnitte 161 jeweils als zwei Sternschaltungen
geschaltet, um die zwei Dreiphasenwicklungen 160 auszubilden,
und wird jede der Dreiphasenwicklungen 160 an ihren eigenen
Gleichrichter 12 angeschlossen. Die Gleichrichter 12 sind
parallel geschaltet, so dass von jedem Gleichstrom abgegeben wird. Weiterhin
sind die Sternpunkte (N) der Dreiphasenwicklungen 160 an
die Gleichstromausgangsklemmen der Gleichrichter 12 über Dioden 29 angeschlossen.
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Die
Leitungsstränge 30,
welche die ersten bis vierten Wickelunterabschnitte 31 bis 34 bilden, werden
daher jeweils wellenförmig
so gewickelt, dass sie sich aus ersten Nuten 15a an Endoberflächen des
Statorkerns 50 heraus erstrecken, umgelegt sind, und in
zweite Nuten 15a sechs Nuten entfernt eintreten. Jeder
der Leitungsstränge 30 ist
weiterhin so gewickelt, dass abwechselnd die innere Schicht und
die äußere Schicht
relativ zur Nuttiefenrichtung (Radialrichtung) in jeder sechsten
Nut eingenommen wird.
-
Windungsabschnitte 30a der
Leitungsstränge 30 erstrecken
sich aus dem Statorkern 15 und sind umgelegt, um Wicklungsenden
zu bilden. Die Windungsabschnitte 30a, die eine im wesentlichen identische
Form an beiden Axialenden des Statorkerns 15 aufweisen,
sind voneinander in Umfangsrichtung und Radialrichtung beabstandet
angeordnet, und ordentlich in zwei Reihen in Umfangsrichtung angeordnet,
um Wicklungsendgruppen 16a und 16b auszubilden.
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Als
nächstes
wird der Zusammenbau des Stators 8 unter Bezugnahme auf
die 5 bis 13 erläutert.
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Zuerst
werden, wie in 5 gezeigt, zwölf lange
Leitungsstränge 30 gleichzeitig
in derselben Ebene zur Ausbildung einer Blitzform gebogen. Dann wird
eine Leitungsstranggruppe 35A, gezeigt in den 7A und 7B,
so ausgebildet, dass aufeinander folgend die Stränge in rechtem Winkel abgebogen
werden, wie durch den Pfeil in 6 gezeigt,
unter Verwendung einer Einspannvorrichtung. Weiterhin wird eine
Leitungsstranggruppe 35B, die Überkreuzungsverbindungen und
Ausgangsleitungen aufweist, wie in den 8A und 8B gezeigt,
auf entsprechende Weise hergestellt. Weiterhin entsprechen in den 8A und 8B jene
Abschnitte, die sich von beiden Enden der Leitungsstranggruppe 35B nach
außen
erstrecken, den Überkreuzungsverbindungsabschnitten
und den Ausgangsleitungsabschnitten.
-
Die
Leitungsstranggruppen 35A und 35B werden dann
10 Minuten lang bei 300 °C
angelassen, so dass ein quaderförmiger
Kern 36, der die Leitungsstranggruppen 35A und 35B aufweist,
leicht mit ringförmiger
Form ausgebildet werden kann.
-
Weiterhin
wird, wie in 9 gezeigt, jeder Leitungsstrang 30 so
hergestellt, dass er zu einem ebenen Muster gebogen wird, bei welchem
geradlinige Abschnitte 30b, verbunden durch Windungsabschnitte 30a,
in einem Abstand von sechs Nuten (6P) ausgerichtet sind. Benachbarte,
gerade Abschnitte 30b sind durch eine Entfernung gleich
einer Breite (W) der Leitungsstränge 30 mit
Hilfe der Windungsabschnitte 30a versetzt. Die Leitungsstranggruppen 35A und 35B werden
so ausgebildet, dass sechs Leitungsstrangpaare so angeordnet werden,
dass sie um einen Abstand von einer Nut gegeneinander versetzt sind,
wobei jedes Leitungsstrangpaar aus zwei Leitungsstränge 30 besteht,
die das voranstehende Muster aufweisen, um einen Abstand von sechs
Nuten versetzt sind, und so angeordnet sind, dass sich gerade Abschnitte 30b überlappen,
wie in 10 gezeigt ist. Sechs Endabschnitte
der Leitungsstränge 30 erstrecken
sich jeweils nach außen
von einer ersten und einer zweiten Seite am ersten und zweiten Ende
der Leitungsstranggruppen 35A und 35B. Weiterhin
sind die Windungsabschnitte 30a so angeordnet, dass sie
in Reihen auf ersten und zweiten Seitenabschnitten der Leitungsstranggruppen 35A und 35B ausgerichtet
sind.
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Der
quaderförmige
Kern 36 wird, wie in den 11A und 11B gezeigt, durch Zusammenlaminieren einer
vorbestimmten Anzahl an Platten aus SPCC-Material hergestellt, welches
ein magnetisches Material darstellt, versehen mit trapezförmigen Nuten 36a in
einem vorbestimmten Abstand (einem elektrischen Winkel von 30 °), und durch
Laserschweißen
seines äußeren Abschnitts.
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Wie
in 12A gezeigt, sind die Isolatoren 19 in
den Nuten 36a des quaderförmigen Kerns 36 angebracht,
und sind die geraden Abschnitte der beiden Leitungsstranggruppen 35A und 35B so
in die Nuten eingeführt,
dass sie innerhalb jeder der Nuten aufeinander gestapelt angeordnet
sind. Auf diese Art und Weise sind die beiden Leitungsstranggruppen 35A und 35B in
dem quaderförmigen
Kern 36 angeordnet, wie dies in 12B gezeigt
ist. Hierbei sind geradlinige Abschnitte 30b der Leitungsstränge 30 in vierfachen
Linien in Radialrichtung innerhalb der Nuten 36a aufgenommen,
und sind durch die Isolatoren 19 elektrisch gegenüber dem
quaderförmigen
Kern 36 isoliert. Die beiden Leitungsstranggruppen 35A und 35B sind
aufeinander gestapelt angeordnet, wenn sie in dem quaderförmigen Kern 36 angeordnet sind,
wie dies in 13 gezeigt ist.
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Als
nächstes
wird der quaderförmige
Kern 36 aufgerollt, werden seine Enden aneinander angelegt, und
miteinander verschweißt,
um einen zylindrischen Statorkern 15 zu erhalten, wie dies
in 12C gezeigt ist. Durch Aufrollen des quaderförmigen Kerns 36 nehmen
die Nuten 36a (entsprechend den Nuten 15a in dem
Statorkern) eine im Wesentlichen rechteckige Querschnittsform ein,
und werden Öffnungsabschnitte 36b der
Nuten 36a (entsprechend den Öffnungsabschnitten 15b der
Nuten 15a) kleiner als die Abmessungen in Richtung der
Breite der Nuten der geraden Abschnitte 30b. Dann werden
die Endabschnitte jedes der Leitungsstränge 30 miteinander
verbunden, auf Grundlage des in 3 gezeigten
Schaltungsschemas, um die Wicklungsphasenabschnitte 161 auszubilden,
und werden drei Wicklungsphasenabschnitte 161 jeweils zweifach
in Sternschaltung geschaltet, um die Dreiphasenwicklungen 160 auszubilden.
Auf diese Art und Weise wird die Statorwicklung 16 in den
Statorkern 15 hineingewickelt, damit man den Stator 8 erhält.
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Bei
dem Kraftfahrzeuggenerator mit der voranstehend geschilderten Konstruktion
wird elektrischer Strom von einer Batterie (nicht dargestellt) über die
Bürsten 10 und
die Schleifringe 9 der Rotorwicklung 13 zugeführt, wodurch
ein Magnetfluss erzeugt wird. Die klauenförmigen Magnetpole 22 des
ersten Polkerns 20 werden mit nordsuchenden (N) Polen durch
diesen Magnetfluss magnetisiert, und die klauenförmigen Magnetpole 23 des
ersten Polkerns 21 werden mit südsuchenden (S) Polen magnetisiert. Hierbei
wird Drehmoment von der Brennkraftmaschine über den Riemen und die Riemenscheibe 4 auf die
Welle 6 übertragen,
so dass sich der Rotor 7 dreht. Daher wird ein Drehmagnetfeld
an die Statorwicklung 16 angelegt, was eine elektromotorische Kraft
in der Statorwicklung 16 erzeugt. Diese elektromotorische
Wechselkraft geht durch die Gleichrichter 12 hindurch,
und wird in Gleichstrom umgewandelt, die Größe der Spannung wird durch
den Regler 18 eingestellt, und die Batterie wird wieder
aufgeladen.
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Am
hinteren Ende wird Außenluft
durch die Lufteinlassöffnungen 2a angesaugt,
die gegenüberliegend
den Kühlkörpern der
Gleichrichter 12 bzw. dem Kühlkörper 17 des Reglers 18 angeordnet
sind, durch Drehung der Gebläse 5,
so dass die Luft entlang der Achse der Welle 6 fließt, die
Gleichrichter 12 und den Regler 18 kühlt, und
dann in Zentrifugalrichtung durch die Gebläse 5 abgelenkt wird,
wodurch die Wicklungsendgruppe 16b am rückwärtigen Ende der Statorwicklung 16 gekühlt wird,
bis die Luft nach außen über die
Luftauslassöffnungen 2b ausgestoßen wird.
Gleichzeitig wird am Vorderende Außenluft in Axialrichtung durch
die Lufteinlassöffnungen 1a infolge
der Drehung der Gebläse 5 angesogen,
und wird dann in Zentrifugalrichtung durch die Gebläse 5 abgelenkt,
wodurch die Wicklungsendgruppe 16a am Vorderende der Statorwicklung 16 gekühlt wird,
bevor die Luft nach außen über die
Luftauslassöffnungen 1b abgegeben
wird.
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Hierbei
weist gemäß der Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung die Statorwicklung 16 zwei
Dreiphasenwicklungen 160 auf, wobei jede der Dreiphasenwicklungen 160 so
ausgebildet ist, dass drei Wicklungsphasenabschnitte 161 in
einer Wechselstromverbindung miteinander vereinigt sind. Weiterhin
sind die Wicklungsphasenabschnitte 161 so ausgebildet,
dass der erste bis vierte Wickelunterabschnitt 31 bis 34 in
Reihe geschaltet ist. Der erste Wickelunterabschnitt 31 ist
so ausgebildet, dass wellenförmig
ein Leitungsstrang 30 so gewickelt wird, dass abwechselnd
die erste und die zweite Position gegenüber der Außenumfangsseite jeder sechsten
Nut 15a eingenommen wird. Anders ausgedrückt, ist
der erste Wickelunterabschnitt 31 so ausgebildet, dass wellenförmig ein
Leitungsstrang 30 für
eine Schleife so gewickelt wird, dass abwechselnd die innere Schicht
und die äußere Schicht
in Nuttiefenrichtung eingenommen werden. Entsprechend sind auch
der zweite, dritte, und der vierte Wickelunterabschnitt 32, 33 bzw. 34 so
ausgebildet, dass wellenförmig
einzelne Leitungsstränge 30 für eine Schleife
so gewickelt werden, dass abwechselnd eine innere und eine äußere Schicht
in Nuttiefenrichtung eingenommen werden.
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Da
der erste bis vierte Wickelunterabschnitt 31 bis 34,
welche die Statorwicklung 16 bilden, jeweils aus einem
Leitungsstrang 30 (einem durchgehenden Draht) bestehen,
wurde der komplizierte Vorgang des Einführens einer großen Anzahl
kurzer Leitersegmente 54 in den Statorkern 51 und
das Verbinden der Endabschnitte 54b miteinander durch Schweißen, Löten, usw.
ausgeschaltet, wie dies bei dem herkömmlichen Stator 50 erforderlich
war, und darüber
hinaus wird ermöglicht,
die Produktivität
des Stators 8 zu verbessern, da keine Kurschlussausfälle infolge
verstreuten Lots oder Schmelze beim Schweißen auftreten, wenn die Endabschnitte 54b miteinander
verbunden werden, wie dies beim herkömmlichen Stator 50 der
Fall war.
-
Da
der Vorgang des Biegens der Leiter, nachdem sie in den Statorkern
eingeführt
wurden, der bei dem herkömmlichen
Stator 50 durchgeführt wurde,
nicht mehr erforderlich ist, kann darüber hinaus die Statorwicklung 16 ohne
Beschädigung
der Zähne
gewickelt werden, selbst bei einem Statorkern 15, der 96
Zähne aufweist,
wodurch sonst die Breite der Zähne
schmal wurde, und die Steifigkeit abnahm.
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Da
die Wicklungsenden durch die Windungsabschnitte 30a gebildet
werden, kann darüber
hinaus die Höhe
des Vorstehens nach außen
gegenüber
der Endoberfläche
des Statorkerns 15 verringert werden, im Vergleich zu den
herkömmlichen
Wicklungsenden, bei denen die Endabschnitte 54b der Leitersegmente 54 miteinander
verbunden wurden. Da die Streureaktanz am Wicklungsende verringert
werden kann, kann daher ein Abfall der Streureaktanz verringert
werden, und kann die Ausgangsleistung verbessert werden.
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Da
die Wicklungsenden durch die Windungsabschnitte 30a gebildet
werden, ist es darüber
hinaus nicht mehr erforderlich, die Endabschnitte der Leitersegmente
zu verbinden, wie dies herkömmlich
erforderlich war, so dass keine Vergrößerung der Leitersegmente auftritt,
und selbst dann, wenn die Anzahl an klauenförmigen Magnetpolen und die
Anzahl an Nuten zunehmen, der Abstand zwischen den Wicklungen der
Wicklungsenden nicht übermäßig verkleinert
wird, wobei gleichzeitig die Höhe
der Wicklungsenden verkleinert werden kann. Wenn ein elektrischer
Strom mit einer Phasenverschiebung durch die Wicklungen hindurchgeht,
wird daher eine gegenseitige Störung
der Wicklungen in den Wicklungsenden unterdrückt, und eine Beeinträchtigung
der Ausgangsleistung verhindert.
-
Die
Anzahl an Nuten, welche die Statorwicklung 16 aufnehmen,
beträgt
zwei pro Pol pro Phase, und da zwei Dreiphasenwicklungen 160 so
angeordnet sind, dass zwischen ihnen eine Phasenverschiebung vorhanden
ist, kann die magnetomotorische Signalform so ausgebildet werden,
dass sie sich an ein sinusförmiges
Signal annähert,
wodurch höhere
harmonische Signalkomponenten verringert werden, und eine stabile
Ausgangsleistung sichergestellt wird. Da die Luftspaltzentren in
Umfangsrichtung der Nuten 15a und der Nutöffnungsabschnitte 15b in
einem gleichmäßigen Abstand
entsprechend einem elektrischen Winkel von 30 ° angeordnet sind, kann darüber hinaus
eine magnetische Polarisation verringert werden, welche Erregerkräfte für magnetisches Rauschen
verursacht.
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Darüber hinaus
tritt keine Erweichung infolge des Schweißens auf, so dass der Stator
steifer ist, und das magnetische Rauschen verringert werden kann.
-
Darüber hinaus
kann die Verlässlichkeit
verbessert werden, da der erste bis vierte Wickelunterabschnitt 31 bis 34,
welche die Statorwicklung 16 bilden, jeweils aus einem
Leitungsstrang 30 (einem durchgehenden Draht) bestehen.
-
Da
die Wicklungsenden durch die Windungsabschnitte 30a der
Leitungsstränge 30 gebildet
werden, sind die einzigen Verbindungsstellen in den Wicklungsendgruppen 16a und 16b zwischen
den Endabschnitten der ersten bis vierten Wickelunterabschnitte 31 bis 34 und
den Überkreuzungsverbindungs-Verbindungsabschnitten
vorhanden, wodurch die Anzahl an Verbindungsstellen signifikant verringert
wird. Auf diese Weise wird das Auftreten von Kurschlussausfällen unterdrückt, die
durch den Wegfall der Isolierung infolge des Verbindungsvorgangs auftreten,
und wird die Korrosionsbeständigkeit
verbessert. Darüber
hinaus wird eine Beschädigung
der Isolierbeschichtung verhindert, die infolge des Eindrückens der
Leitersegmente 52 in Axialrichtung in die Nuten 51a beim
herkömmlichen
Stator 50 auftrat.
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Weiterhin
sind vier Leitungsstränge 30 in
einer Reihe in Radialrichtung innerhalb der Nuten 15a angeordnet,
und sind die Windungsabschnitte 30a in zwei Reihen in Umfangsrichtung
ausgerichtet. Auf diese Weise kann, da die Windungsabschnitte 30a, welche
die Wicklungsendgruppen 16a und 16b bilden, jeweils
in Radialrichtung auf zwei Reihen verteilt sind, die Höhe der Wicklungsendgruppen 16a und 16b verringert
werden, die sich nach außen
von beiden Endoberflächen
des Statorkerns 15 aus erstrecken. Demzufolge wird der
Gebläsewiderstand
verringert, und können
Gebläsewindgeräusche verringert
werden, die infolge der Drehung des Rotors 7 auftreten,
wobei gleichzeitig die Streureaktanz der Wicklung verringert werden
kann.
-
Darüber hinaus
kann jeder der Windungsabschnitte 30a einfach auf die gleiche
Form gebracht werden. Da Unregelmäßigkeiten in Umfangsrichtung auf
radial inneren Endoberflächen
der Wicklungsendgruppen 16a und 16b dadurch ausgeschaltet
werden können,
dass jeder der Windungsabschnitte 30 auf dieselbe allgemeine
Form gebracht wird, also durch Ausbildung der Windungsabschnitte 30a,
welche die Wicklungsendgruppen 16a und 16b bilden,
in derselben allgemeinen Form in Umfangsrichtung, können Gebläsewindgeräusche verringert
werden, die zwischen dem Rotor 7 und den Wicklungsendgruppen 16a und 16b auftreten.
Weiterhin sind Windungsabschnitte 30a in Umfangsrichtung
getrennt, und da die räume
zwischen Windungsabschnitten 30a so ausgebildet sind, dass
sie in Umfangsrichtung im wesentlichen gleich sind, kann die Kühlung verbessert werden,
und wird gleichzeitig die Geräuschentwicklung
infolge einer gegenseitigen Störung
zwischen der Kühlluft
und den Wicklungsenden verringert.
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Da
die geraden Abschnitte 30b einen rechteckigen Querschnitt
aufweisen, passt die Querschnittsform der geraden Abschnitte 30b ordnungsgemäß in die
Form der Nuten 15a, wenn die geraden Abschnitte 30b im
Inneren der Nuten 15a aufgenommen werden. Auf diese Weise
wird der Raumfaktor der Leitungsstränge 30 innerhalb der
Nuten 15a einfach verbessert, was eine verbesserte Wärmeübertragung
von den Leitungssträngen 30 auf
den Statorkern 15 ermöglicht.
Bei der Ausführungsform
1 sind hierbei die geraden Abschnitte 30b mit rechteckigem Querschnitt
versehen, jedoch kann die Querschnittsform der geraden Abschnitte 30b im
allgemeinen jede im wesentlichen rechteckige Form sein, die ordnungsgemäß in die
im wesentlichen rechteckige Form der Nuten passt. Diese im wesentlichen
rechteckige Form ist nicht auf eine exakt rechteckige Form beschränkt, und
kann eine quadratische Form sein, eine Form, die aus vier ebenen
Oberflächen
mit abgerundeten Ecken besteht, oder eine länglich-elliptische Form, bei
welcher die kurzen Seiten des Rechtecks als Bögen ausgebildet sind, usw.
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Dann
werden, wie in 4 gezeigt, drei Wicklungsphasenabschnitte 161,
die durch Reihenschaltung der ersten bis vierten Wickelunterabschnitte 31 bis 34 gebildet
werden, als zwei Sternschaltungen geschaltet, um die zwei Dreiphasenwicklungen 160 auszubilden,
wird jede der Dreiphasenwicklungen 160 mit ihrem eigenen
Gleichrichter 12 verbunden, und werden die beiden Gleichrichter 12 parallel geschaltet.
Auf diese Weise kann der Ausgangsstrom der Gleichrichter, die an
die zwei Dreiphasenwicklungen 160 angeschlossen sind, vereinigt
und abgezogen werden, was es ermöglicht,
Beeinträchtigungen
der Energieerzeugung im Bereich niedriger Drehzahlen auszuschalten.
Da kein elektrischer Strom von einer Phase des Wickelabschnitts
zu einer anderen fließt,
tritt keine Beeinträchtigung
der Temperatur in dem Wickel auf. Auf diese Weise wird die Temperatur
der Statorwicklung 16 verringert, wird eine Beeinträchtigung
der Isolierbeschichtung unterdrückt,
und werden die Isoliereigenschaften signifikant verbessert.
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Im
Allgemeinen schwankt, wenn die Drehzahl 2000 Umdrehungen pro Minute
bei einem Kraftfahrzeuggenerator übersteigt, und insbesondere dann,
wenn sie größer ist
als 2500 Umdrehungen pro Minute, die Sternpunktspannung so, dass
sie größer wird
als die Ausgangsspannung, und kleiner als Massepotential. Da die
Sternpunkte (N) der Dreiphasenwicklungen 160 an die Ausgangsklemmen
der Gleichrichter 12 über
Dioden 29 angeschlossen sind, können starke Schwankungen der
Sternpunktspannung wirksam dazu verwendet werden, verbesserte Ausgangsleistungsbereiche
zu ermöglichen,
wenn die Drehzahl 2000 Umdrehungen pro Minute überschreitet,
und insbesondere dann, wenn sie 2500 Umdrehungen pro Minute übersteigt.
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Da
die beiden Leitungsstranggruppen 35A und 35B,
die aus durchgehendem Draht bestehen, in zwei Reihen ausgerichtet
und in die Nuten 15a des Statorkerns 15 eingeführt werden
können,
kann darüber
hinaus die Funktionsfähigkeit
signifikant verbessert werden, verglichen mit dem Stand der Technik, bei
welchem eine große
Anzahl an Leitersegmenten 54 in jede der Nuten eingeführt wird.
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Weiterhin
können
Erhöhungen
der Anzahl an Windungen in der Statorwicklung 16 einfach
dadurch angepasst werden, dass die Leitungsstranggruppen 35 (35A und 35B),
die aus durchgehendem Draht bestehen, gestapelt angebracht werden,
so dass deren gerade Abschnitte 30b übereinander liegen.
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Ausführungsform 2
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Bei
der Ausführungsform
2 der vorliegenden Erfindung sind, wie in 14 gezeigt,
durch Einstellung der Länge
des Verlaufs in Umfangsrichtung von Flanschen 15d, die
auf Endabschnitten von Zähnen 15c angeordnet
sind, Luftspaltzentren in Umfangsrichtung benachbarter Nutöffnungsabschnitte 15b in einem
nicht gleichmäßigen Abstand
so angeordnet, dass sie sich zwischen einem elektrischen Winkel von α ° und einem
elektrischen Winkel von (60–α) ° abwechseln.
Die Luftspaltzentren in Umfangsrichtung der Nuten 15a sind
in einem gleichmäßigen Abstand
entsprechend einem elektrischen Winkel von 30 ° angeordnet. Weiterhin sind,
wie in 15 gezeigt, die beiden Dreiphasenwicklungen 160,
welche die Statorwicklung 16 bilden, so angeordnet, dass
sie eine gegenseitige Phasenverschiebung von (6–α) ° aufweisen. Hierbei ist α nicht gleich
30 (α≠30).
-
Im Übrigen ist
die Konstruktion ebenso ausgebildet wie bei der voranstehend geschilderten
Ausführungsform
1.
-
Bei
der Ausführungsform
2 der vorliegenden Erfindung tritt, da die Phasenverschiebung zwischen den
Phasen in jeder der Dreiphasenwicklungen 160 sich nicht ändert, keine
Verringerung der Ausgangsleistung auf. Da die beiden Dreiphasenwicklungen 160 so
angeordnet sind, dass sie eine gegenseitige Phasenverschiebung entsprechend
einem elektrischen Winkel von (60–α) ° aufweisen, und die Luftspaltzentren
in Umfangsrichtung der benachbarten Nutöffnungsabschnitte 15b einen
nicht gleichmäßigen Abstand
aufweisen, so dass sie sich zwischen einem elektrischen Winkel von α ° und einem
elektrischen Winkel von (60–α) ° abwechseln,
können
höhere
harmonische Komponenten der magnetomotorischen Kraft verringert
werden, welche die Ursache für
elektromagnetisches Rauschen sind. Durch Einsatz der Konstruktion
gemäß Ausführungsform
2 der vorliegenden Erfindung kann daher ein ausreichendes Niveau
der Rauschverringerung selbst bei einem Kraftfahrzeuggenerator erzielt
werden, der kompakt ausgebildet ist und eine hohe Ausgangsleistung
aufweist, wenn magnetisches Rauschen durch eine erhöhte Anzahl
an klauenförmigen
Magnetpolen und Nuten erhöht
wird.
-
Durch Änderung
der Länge
des Verlaufs in Umfangsrichtung der Flansche 15d, die auf
den Endabschnitten der Zähne 15c angeordnet
sind, kann darüber
hinaus einfach der Abstand zwischen den Luftspaltzentren in Umfangsrichtung
benachbarter Nutöffnungsabschnitte 15b eingestellt
werden.
-
Es
wurden Statoren hergestellt, unter Verwendung von Statorkernen,
bei welchen der Abstand zwischen den Luftspaltzentren in Umfangsrichtung der
benachbarten Nutöffnungsabschnitte
ungleichmäßig war,
durch Änderung
der Länge
des Verlaufs in Umfangsrichtung der Flansche 15d, die auf
den Endabschnitten der Zähne 15c angeordnet
sind, dann wurde die Änderung
der harmonischen Frequenzen der magnetomotorischen Kraft des Stators relativ
zu α ° gemessen,
was den Umfang zwischen den Luftspaltzentren in Umfangsrichtung
der benachbarten Nutöffnungsabschnitte
darstellt, und die Ergebnisse sind in 16 dargestellt.
-
Aus 16 sieht
man, dass dann, wenn der Abstand zwischen den Luftspaltzentren in
Umfangsrichtung der benachbarten Nutöffnungsabschnitte innerhalb
eines Bereiches zwischen einem ungleichförmigen Abstand, der zwischen
16 ° und
44 ° abwechselt,
und einem ungleichförmigen
Abstand, der zwischen 29 ° und
3 ° abwechselt,
die fünfte,
siebte, elfte, und dreizehnte magnetomotorische harmonische Frequenz
des Stators unterhalb eines Maximalwertes von 13 Prozent gehalten
werden können.
-
Weiterhin
sieht man, dass dann, wenn der Abstand zwischen den Luftspaltzentren
in Umfangsrichtung der benachbarten Nutöffnungsabschnitte innerhalb
eines Bereiches zwischen einem ungleichförmigen Abstand, der zwischen
22 ° und
38 ° wechselt,
und einem ungleichförmigen
Abstand, der zwischen 24 ° und
36 ° abwechselt,
liegt, die fünfte,
siebte, elfte, und dreizehnte magnetomotorische harmonische Frequenz
des Stators unterhalb eines Maximalwertes von 8 Prozent gehalten
werden können, so
dass die fünfte,
siebte, elfte, und dreizehnte magnetomotorische harmonische Frequenz
des Stators in ausgeglichener Weise verringert werden können.
-
Weiterhin
sieht man, dass der geeignetste Abstand zwischen den Luftspaltzentren
in Umfangsrichtung der benachbarten Nutöffnungsabschnitte zur Verringerung
der siebten und elften magnetomotorischen harmonischen Frequenz
des Stators ein ungleichförmiger
Abstand ist, der zwischen 22 ° und 38 ° abwechselt.
-
Weiterhin
sieht man, dass der geeignetste Abstand zwischen den Luftspaltzentren
in Umfangsrichtung der benachbarten Nutöffnungsabschnitte zum Verringern
der fünften
und dreizehnten magnetomotorischen harmonischen Frequenzen des Stators
ein ungleichförmiger
Abstand ist, der zwischen 24 ° und
36 ° abwechselt.
-
Ausführungsform 3
-
Bei
der Ausführungsform
sind, wie in 17 gezeigt, durch Einstellen
der Breite in Umfangsrichtung der Zähne 15c, Luftspaltzentren
in Umfangsrichtung benachbarter Nutöffnungsabschnitte 15b in einem
ungleichförmigen
Abstand so angeordnet, dass sie zwischen einem elektrischen Winkel
von α ° und einem
elektrischen Winkel (60–α) ° wechseln. Die
Luftspaltzentren in Umfangsrichtung der Nuten 15a sind
daher so angeordnet, dass sie zwischen einem elektrischen Winkel
von α ° und einem
elektrischen Winkel von (60–α) ° wechseln.
Daher gilt: α≠30.
-
Im Übrigen ist
die Konstruktion ebenso wie bei der voranstehenden Ausführungsform
2.
-
Bei
der Ausführungsform
3 ändert
sich die Phasenverschiebung zwischen den Phasen in jeder der Dreiphasenwicklungen 160 nicht,
da der Abstand zwischen den Luftspaltzentren in Umfangsrichtung der
benachbarten Nuten 15a so gewählt ist, dass er zwischen einem
elektrischen Winkel von α ° und (60–α) ° wechselt.
Weiterhin sind die beiden Dreiphasenwicklungen 160 so angeordnet,
dass sie eine gegenseitige Phasenverschiebung entsprechend einem
elektrischen Winkel von (60–α) ° aufweisen,
und ist der Abstand zwischen den Luftspaltzentren in Umfangsrichtung
der benachbarten Nutöffnungsabschnitte 15b so
ungleichförmig
gewählt,
dass er zwischen einem elektrischen Winkel von α ° und einem elektrischen Winkel
von (60–α) ° wechselt.
Die Auswirkungen der Ausführungsform
2 können
daher auch bei der Ausführungsform
3 erhalten werden.
-
Weiterhin
nimmt, da die Breite der Zähne 15c ungleichmäßig ist,
der magnetische Fluss zu, der durch die schmalen Zähne 15c hindurchgeht,
was die magnetische Sättigung
fördert,
jedoch wird bei benachbarten, breiten Zähnen 15c die magnetische Sättigung
stattdessen abgeschwächt,
so dass keine Verringerung der Ausgangsleistung auftritt.
-
Weiterhin
wurde jede der voranstehenden Ausführungsformen für vier Windungen
erläutert,
jedoch können,
wenn eine Ausgangsleistung bei noch niedrigerer Drehzahl erforderlich
ist, sechs Windungen oder acht Windungen eingesetzt werden. Eine Anpassung
an solche Fälle
kann einfach dadurch erfolgen, dass Leitungsstranggruppen 35 so
in den Statorkern eingeführt
werden, dass sie in Radialrichtung aufeinander gestapelt sind. Selbstverständlich kann auch
eine ungeradzahlige Anzahl an Windungen verwendet werden.
-
Weiterhin
betrug bei jeder der voranstehenden Ausführungsformen die Anzahl an
Nuten im Stator 96 Nuten für sechzehn Magnetpole, jedoch
lassen sich dieselben Auswirkungen auch erzielen, wenn ein Statorkern
mit drei Phasen und 72 Nuten für
zwölf Magnetpole
eingesetzt wird, oder ein Statorkern mit 120 Nuten für zwanzig
Pole.
-
Weiterhin
ist bei jeder der voranstehenden Ausführungsformen eine Feldwicklung
(Rotorwicklung 13) in dem Rotor vorgesehen, jedoch lässt sich die
vorliegende Erfindung auch bei Generatoren jener Art einsetzen,
bei welchem eine Feldwicklung an einer Stütze befestigt ist, und Magnetpole durch
Zuführen
eines Magnetflusses zum Rotorkern des Rotors über einen Luftspalt vorgesehen
sind.
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Weiterhin
wird bei jeder der voranstehenden Ausführungsformen Kupferdrahtmaterial
mit rechteckigem Querschnitt bei den Leitungsstränge eingesetzt, jedoch sind
die Leitungsstränge
nicht auf Kupferdrahtmaterial mit einem rechteckigen Querschnitt beschränkt, sondern
kann beispielsweise auch Kupferdrahtmaterial mit kreisförmigem Querschnitt
verwendet werden. Darüber
hinaus sind die Leitungsstränge
nicht auf Kupferdrahtmaterial beschränkt, und können beispielsweise auch aus
Aluminiumdrahtmaterial bestehen.
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Die
vorliegende Erfindung ist wie voranstehend geschildert ausgebildet,
und zeigt die nachstehend angegebenen Auswirkungen.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Generator zur Verfügung gestellt, welcher
aufweist:
einen Stator, der einen ringförmigen Statorkern aufweist,
der mit einer Anzahl an Nuten versehen ist, die sich in Axialrichtung
erstrecken, und entlang Linien in Umfangsrichtung so angeordnet
sind, dass sie auf einer Innenumfangsseite geöffnet sind, und eine Statorwicklung,
die so in den Statorkern gewickelt ist, dass sie in den Nuten aufgenommen
ist;
einen Rotor, der eine Anzahl klauenförmiger Magnetpole aufweist,
um abwechselnd nordsuchende (N) und südsuchende (S) Pole um einen
Umfang in Drehrichtung auszubilden, wobei der Rotor drehbar auf der
Innenumfangsseite des Statorkerns angeordnet ist;
eine Stütze, welche
den Rotor und den Stator haltert; und einen Gleichrichter, der an
einem ersten Ende in Axialrichtung des Stators angeordnet ist, und
an Endabschnitte der Statorwicklung angeschlossen ist, wobei der
Gleichrichter Wechselstrom von der Statorwicklung in Gleichstrom
umwandelt,
wobei eine Anzahl an Nuten zwei pro Phase pro Pol beträgt; und
die
Statorwicklung eine Anzahl von Wickelunterabschnitten aufweist,
bei denen jeweils ein langer Leitungsstrang so gewickelt ist, dass
er abwechselnd eine innere Schicht und eine äußere Schicht in Nuttiefenrichtung
innerhalb der Nuten in Abständen
einer vorbestimmten Anzahl an Nuten einnimmt, durch Umlegen des
Leitungsstrangs außerhalb
der Nuten an axialen Endoberflächen
des Statorkerns, wodurch die Höhe
der Wicklungsenden verringert wird, und die Anzahl benachbarter
Abschnitte verringert wird, was eine hohe Ausgangsleistung ermöglicht,
eine hohe Verlässlichkeit,
und eine hohe Produktivität.
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Weiterhin
können
die Komponenten höherer Ordnung
der harmonischen Frequenzen der magnetomotorischen Kraft verringert
werden, die eine Ursache für
elektromagnetisches Rauschen sind, da die Statorwicklung auch so
ausgebildet sein kann, dass zwei Dreiphasenwicklungen mit gegenseitiger
Phasenverschiebung vorgesehen werden, die Dreiphasenwicklungen durch
Verbinden der Wickelunterabschnitte gebildet werden, und der Abstand
zwischen Luftspaltzentren in Umfangsrichtung benachbarter Nutöffnungsabschnitte
so gewählt
sein kann, dass er nicht gleichmäßig ist.
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Da
der Abstand zwischen den Luftspaltzentren in Umfangsrichtung der
benachbarten Nutöffnungsabschnitte
so gewählt
sein kann, dass er zwischen einem elektrischen Winkel von α ° und einem elektrischen
Winkel (60–α) ° wechselt,
wobei α ° im Bereich
von 16 ° bis
29 ° liegt,
können
darüber
hinaus die fünfte,
siebte, elfte und dreizehnte magnetomotorische harmonische Frequenz
in ausgeglichener Weise verringert werden.
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Da
der Abstand zwischen den Luftspaltzentren in Umfangsrichtung der
benachbarten Nutöffnungsabschnitte
auch so gewählt
sein kann, dass er zwischen einem elektrischen Winkel von α ° und einem
elektrischen Winkel von (60–α) ° wechselt,
wobei α ° im Bereich
von 22 ° bis
24 ° liegt,
können
darüber
hinaus die fünfte,
siebte, elfte und dreizehnte magnetomotorische harmonische Frequenz
in ausgeglichener Weise verringert werden.
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Da
ein Zahnabschnitt, welcher die Nuten des Statorkerns festlegt, auch
mit einem Flansch versehen sein kann, der sich in Umfangsrichtung
von einem Endabschnitt des Zahnabschnitts erstreckt, kann darüber hinaus
der Abstand zwischen den Luftspaltzentren in Umfangsrichtung der
benachbarten Nutöffnungsabschnitte
so eingestellt werden, dass er ungleichförmig ist, um die Länge des
Verlaufs des Flansches, was eine einfache Konstruktion des Stators
ermöglicht.
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Da
der Abstand zwischen den Luftspaltzentren in Umfangsrichtung der
benachbarten Nutöffnungsabschnitte
auch so gewählt
sein kann, dass er ungleichförmig
ist, mit Hilfe der Breite des Zahnabschnitts, welcher die Nuten
des Statorkerns festlegt, nimmt darüber hinaus der Magnetfluss zu,
der durch die schmalen Zahnabschnitte hindurchgeht, wodurch die
magnetische Sättigung
gefördert
wird, wobei jedoch in den benachbarten, breiten Zahnabschnitten die
magnetische Sättigung
stattdessen geringer ist, was eine Verbesserung der Ausgangsleistung
ermöglicht.