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TECHNISCHER BEREICH DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Wechselstromgenerator für Kraftfahrzeuge.
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STAND DER TECHNIK
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Die
Erfindung betrifft im einzelnen einen Wechselstromgenerator der
in der FR-A-2.807.889 beschriebenen und dargestellten Art, der Mittel
zur Unterdrückung
der statischen Elektrizität
umfasst.
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Diese
Druckschrift schlägt
insbesondere einen Wechselstromgenerator für Kraftfahrzeuge vor, der folgendes
umfasst:
- – ein
Gehäuse,
das einen Ständer
trägt;
- – einen
Läufer,
dessen mittige Welle drehbar im Ständer gelagert ist und der aus
einem sogenannten magnetischen Teil besteht, der zumindest die Läuferwelle
und Polstücke
sowie wenigstens eine Erregerwicklung umfasst;
- – und
Mittel, deren Aufgabe darin besteht, die elektrostatischen Aufladungen
des Wechselstromgenerators zu beseitigen, indem sie eine dauerhafte
elektrische Widerstandsverbindung zwischen dem magnetischen Teil
und seiner Wicklung herbeiführen.
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Um
die Ableitung der elektrostatischen Aufladungen zu begünstigen,
ist jedoch in der französischen
Patentanmeldung Nr. 03.06553 vom 30. Mai 2003 vorgeschlagen worden,
eine dauerhafte elektrische Verbindung zwischen der Läuferwelle
und dem Gehäuse,
das den Ständer
trägt,
mit seinen seitlichen Lagerschilden und somit mit der elektrischen Masse
des Fahrzeugs herbeizuführen.
Denn der eigentliche Ständer
und sein Gehäuse,
das ihn trägt, sind
mit der elektrischen Masse des Fahrzeugs verbunden. Wie in der
EP240644 beschrieben, kann
der Ständer über ein
Dämpferelement,
wie etwa Kautschuk, im Gehäuse
gelagert sein. In diesem Fall können
die elektrischen Potentiale des Gehäuses und des Ständers unterschiedlich
ausfallen, wobei das Potential des Gehäuses jedoch mit der Masse des Fahrzeugs
verbunden ist.
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Dazu
ist eine aus Metall ausgeführte
Antriebsscheibe, die an der Welle befestigt ist, mit der sie sich
durch ihre Innenbohrung in einer dauerhaften elektrischen Verbindung
befindet, mit dem seitlichen Lagerschild dauerhaft elektrisch verbunden.
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Diese
Verbindung erfolgt über
einen leitenden Schleifkontakt, der am hinteren Lagerschild angebracht
ist und der ständig
an einem gegenüberliegenden
Abschnitt der vorderen Seitenfläche
der Antriebsscheibe und/oder am Riemen schleift.
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Als
Variante dieser Gestaltung kann der Schleifkontakt, da es sich um
ein verschleißanfälliges Teil
handelt, zum Riemen selbst gehören
und an der äußeren Seitenfläche des
hinteren Lagerschilds schleifen.
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Diese
Gestaltungen ermöglichen
außerdem die
Ableitung der elektrischen Aufladungen, die am Riemen aufgrund der
mit hohen Geschwindigkeiten auftretenden Reibungen des Riemens auf
den verschiedenen Antriebsscheiben, auf denen er läuft, entstehen,
sowie der Ladungen, die diese dabei aufnehmen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einfach anzuwendende Mittel
vorzuschlagen, um diese elektrische Verbindung herbeizuführen, ohne
die verschiedenen Nachteile, die mit der ständigen Reibung zusammenhängen, in
Kauf nehmen zu müssen.
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DARLEGUNG DER ERFINDUNG
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Dazu
schlägt
die Erfindung einen Wechselstromgenerator für Kraftfahrzeuge vor, umfassend:
- – ein
Gehäuse,
das einen Ständer
trägt;
- – einen
Läufer,
dessen mittige Welle drehbar im Ständer gelagert ist, wobei ein
hinteres axiales Ende der Welle des Läufers, das sich axial außerhalb
des Ständers
erstreckt, eine Antriebsscheibe für den drehenden Antrieb der
Welle trägt,
die durch ein biegsames Antriebselement, insbesondere durch einen
Riemen oder eine Kette, drehend angetrieben wird;
- – und
Mittel, deren Aufgabe darin besteht, die elektrostatischen Aufladungen
des Wechselstromgenerators zu beseitigen,
dadurch gekennzeichnet,
dass die besagten Mittel eine kontaktfreie elektrische Verbindung
entlang einer kontrollierten Bahn zwischen dem Gehäuse, das den
Ständer
trägt,
einerseits und der Antriebsscheibe und/oder dem biegsamen Antriebselement
andererseits herbeiführen.
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Die
kontrollierte Entladungsbahn befindet sich daher außerhalb
des Wechselstromgenerators.
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Nach
anderen Merkmalen der Erfindung ist folgendes vorgesehen:
- – Diese
Mittel umfassen wenigstens eine Konzentrationsspitze der elektrischen
Ladungen, die auf einer Außenfläche des
Gehäuses
ausgebildet ist und die sich vorstehend in Richtung eines gegenüberliegenden
Abschnitts der Antriebsscheibe und/oder des biegsamen Antriebselements
erstreckt, um die elektrostatischen Aufladungen durch Bildung von
Lichtbögen
zwischen der Spitze und dem besagten Abschnitt zu beseitigen.
- – Die
besagten Mittel umfassen eine Reihe von Konzentrationsspitzen der
elektrischen Ladungen.
- – Die
Spitzen der besagten Reihe sind benachbart angeordnet, um einen
radial und/oder axial vorspringenden Kragen zu bilden, der einen
freien Abschlussumfangsrand mit spitzem Profil umfasst.
- – Wenigstens
eine Spitze ist einstückig
mit dem entsprechenden Teil des Gehäuses ausgeführt.
- – Wenigstens
eine Spitze erstreckt sich axial von einem Abschnitt einer äußeren Querseitenfläche des
Gehäuses
aus.
- – Wenigstens
eine Spitze erstreckt sich radial von einem Abschnitt einer äußeren Querseitenfläche des
Gehäuses
aus.
- – Wenigstens
eine Spitze erstreckt sich gegenüber
einem gegenüberliegenden
Abschnitt einer Querseitenfläche
des biegsamen Antriebselements.
- – Wenigstens
eine Spitze erstreckt sich gegenüber
einem gegenüberliegenden
Abschnitt einer Querseitenfläche
der Antriebsscheibe.
- – Wenigstens
eine Spitze erstreckt sich gegenüber
einem gegenüberliegenden
Abschnitt einer zylindrischen Seitenfläche der Antriebsscheibe.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
detaillierten Beschreibung, zu deren Verständnis auf die beigefügten Zeichnungen
verwiesen wird. Darin zeigen im einzelnen:
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1 eine
als Teilaxialschnitt ausgeführte Ansicht
eines Wechselstromgenerators nach dem Stand der Technik;
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2 eine
vergrößerte Ansicht
des Details D2 der Figur zur schematischen Veranschaulichung einer
bevorzugten ersten Ausführungsart
der Erfindung;
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3 eine ähnliche
schematische Ansicht wie 2 zur Veranschaulichung einer
zweiten Ausführungsart
der Erfindung;
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4 eine ähnliche
schematische Ansicht wie 2 zur Veranschaulichung einer
dritten Ausführungsart
der Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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In
der nachfolgenden Beschreibung wird ohne einschränkende Wirkung eine Ausrichtung vorn-hinten
von links nach rechts mit Blick auf die Figuren zugrunde gelegt.
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In 1 ist
ein Wechselstromgenerator 10 dargestellt worden, der im
wesentlichen einen Läufer 12 umfasst,
der drehend um seine Achse X-X
im Innern eines in etwa ringförmigen
Ständers 14 angetrieben
wird, der seinerseits im Innern eines in etwa zylindrischen Gehäuses 15 des
Wechselstromgenerators 10 befestigt ist, bei dem es sich
hier um die Bauart handelt, die in der EP-A-0.515.259 beschrieben
und dargestellt ist, auf deren Inhalt zu weiteren Details und Einzelheiten
verwiesen werden kann.
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Das
Gehäuse 15 ist
an seinen beiden axialen Enden durch quer angeordnete vordere 16 und
hintere 18 Lagerschilde 18 abgeschlossen, durch
die eine Welle 21 des Läufers
drehbar gelagert ist. Die Welle 21 und die Lagerschilde 16 und 18 sind
aus einem elektrisch leitenden Werkstoff, insbesondere aus Metall
ausgeführt.
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An
ihrem hinteren axialen Ende trägt
die Welle 21, die außerhalb
des quer angeordneten hinteren Lagerschilds 18 vorsteht,
eine Antriebsscheibe 22 aus Metall, die dazu bestimmt ist,
einen (in 1 nicht dargestellten) Antriebsriemen
für den
drehenden Antrieb des Läufers 12 aufzunehmen.
In einer nicht dargestellten Variante wird der Riemen durch eine
biegsame Antriebskette ersetzt.
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Auf
einer Außenfläche 24 des
gegenüberliegenden
quer angeordneten vorderen Lagerschilds 16 bedeckt eine
Schutzkappe 26 Mittel zur Regelung und Aufbereitung des
durch den Wechselstromgenerator erzeugten elektrischen Stroms, die
insbesondere eine Gleichrichterbrücke (hier mit in 1 nicht durch
Bezugsnummern bezeichneten Dioden), einen Spannungsregler sowie
Anschlussklemmen für
die Verbindung mit einem Stromkreis des Fahrzeugs umfassen.
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Bekannterweise
umfasst der Ständer 14 einen
Körper 32 in
Form eines Blechpakets 28 aus Blechen, die sich in etwa
radial erstrecken und die jeweils mit Nuten für den Durchgang von Wicklungen oder
Spulen aus leitenden Drähten 30 versehen
sind, die den Anker des Wechselstromgenerators bilden. In einer
nicht dargestellten Variante werden die gewickelten leitenden Drähte durch
haarnadelförmige
Leiter ersetzt.
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Der
Ständerkörper 32 umfasst
eine zylindrische Innenfläche 38 in
vollkommen zylindrischer Ausführung,
die einen Raum begrenzt, in dessen Innern der Läufer 12 drehbar gelagert
ist.
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Der
als Klauenpolläufer
ausgeführte
Läufer 12 besteht
im wesentlichen aus zwei identischen Polrädern 40A, 40B,
die auf dem genuteten Mittelteil 23 der Welle 21 des
Läufers 12 für ihren
drehenden Antrieb angebracht sind, und aus einer Wicklung oder Spule 42,
die zwischen den aus Metall ausgeführten Polrädern 40A, 40B angeordnet
ist, die jeweils einen inneren Lüfter
zum Kühlen
des Wechselstromgenerators tragen.
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Die
Läuferwelle 21 ist
drehbar in den Lagerschilden 16 und 18 mittels
eines vorderen Kugellagers 44A und eines hinteren Kugellagers 44B gelagert,
die jeweils einen Lagerinnenring 46A, 46B und einen
Lageraußenring 48A, 48B unter
Einfügung
von Kugeln 50A bzw. 50B umfassen.
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Jeder
Bestandteil eines Kugellagers ist aus elektrisch leitendem Material
ausgeführt.
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Jeder
Innenring 46A, 46B befindet sich in engem Kontakt
mit der konvexen zylindrischen Fläche der Welle 21 des
Läufers 12,
mit der er sich daher ebenfalls in elektrischem Kontakt befindet.
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Wie
in 1 veranschaulicht, ist der Außenring 48B des hinteren
Kugellagers 44B direkt in einer entsprechenden Aufnahme 49B des
aus Metall ausgeführten
hinteren Lagerschilds 18 angebracht, mit dem er sich ebenfalls
in elektrischem Kontakt befindet.
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Der
Außenring 48A des
vorderen Kugellagers 44A ist hingegen in einer entsprechenden
Aufnahme 49A des vorderen Lagerschilds 16 unter
Einfügung
eines Dämpfungsrings 52 zur
Dämpfung
der Erschütterungen
angebracht, der im allgemeinen aus einem elektrisch nichtleitenden
Kunststoff ausgeführt ist.
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Bekannterweise
trägt das
vordere axiale Ende der Welle 21 zwei Schleifringe, einen
vorderen 54 und einen hinteren Schleifring 56,
die benachbart angeordnet und durch einen axialen Zwischenraum getrennt
sind, der hier in Form einer Trennauskehlung 58 ausgeführt ist.
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Jeder
der Schleifringe 54 und 56 ist elektrisch leitend
und vorgesehen, um mit den zugehörigen
Kohlebürsten
eines in der Schutzkappe 26 angeordneten Bürstenhalters 60 zusammenzuwirken.
Die Schleifringe sind durch nicht dargestellte Verbindungsdrähte mit
den Enden der Spule 42 verbunden.
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Der
vordere Schleifring 54 liegt herkömmlicherweise am sogenannten "Nullpotential", das heißt in etwa
am Potential der elektrischen Masse des Fahrzeugs, an die insbesondere
der Ständer über die Befestigungsmittel
zur Befestigung des Wechselstromgenerators an der (nicht dargestellten)
Metallstruktur des Fahrzeugs angeschlossen ist.
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Der
dem vorderen Kugellager 44A zugekehrte hintere Schleifring 56 liegt
am Potential der Wicklung oder Spule 42 des Läufers, das
beispielsweise in der Größenordnung
von 14 Volt liegt.
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Um
die Ableitung der elektrostatischen Aufladungen zu begünstigen,
ist es wünschenswert, eine
elektrische Verbindung zwischen der Welle 21 des Läufers 12 und
dem Gehäuse
mit seinen seitlichen Lagerschilden und somit mit der elektrischen Masse
des Fahrzeugs herbeizuführen.
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Die
aus Metall ausgeführte
Antriebsscheibe 22 ist an der Welle 21 befestigt,
mit der sie sich durch ihre Innenbohrung 70 in dauerhaftem
elektrischem Kontakt befindet.
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Wie
dies in 2 zu erkennen ist, umfasst gemäß den Lehren
der Erfindung die Seitenfläche 19 des
hinteren Lagerschilds 18 des Gehäuses 15, das den Ständer 14 trägt, hier
eine vorstehende Erhebung oder Spitze, die sich axial nach hinten
in Richtung des Riemens 82 erstreckt, der hier schematisch einen
genuteten rechteckigen Querschnitt aufweist, wobei sich seine quer
verlaufende vordere Seitenfläche
oder Seitenkante 84 in der gleichen Ebene erstreckt wie
die vordere Seitenfläche 86 des
Flansches 88 der Antriebsscheibe 22.
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Die
elektrischen Ladungen 90, die sich auf der durch die Antriebs-
oder Riemenscheibe 22 und den Riemen 82 gebildeten
Baueinheit ansammeln, sind schematisch durch "Funken" dargestellt worden.
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Wenn
eine ausreichende Spannungsschwelle erreicht ist, die als Durchschlagspannung
bezeichnet wird, bildet sich ein Lichtbogen 92, der durch
einen Blitz zwischen dem Rand 84 des Riemens 82 und
der Spitze 80 angedeutet ist, wobei die elektrische Entladungsbahn
dann in vorbestimmter Weise und in Richtung des Lagerschilds, der
mit der elektrischen Masse des Fahrzeugs verbunden ist, ausgerichtet
ist.
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Diese
ausgerichtete und bevorzugte elektrische Entladung bzw. dieser "Spitzen"-Effekt geht darauf
zurück,
dass das elektrische Feld in der Nähe einer aufgeladenen leitenden
Erhebung (oder Spitze) stärker
ausfällt.
Alle Ionisierungserscheinungen (durch ein starkes elektrisches Feld
bedingte Ionisierung) fallen daher in der Nähe einer Erhebung stärker aus.
Das hängt
damit zusammen, dass sich das Potential um 1/r verändert, während sich
das elektrische Feld um 1/r2 verändert.
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Gegeben
seien zwei Kugeln mit den Radien "r" und "R"=2r, die auf das gleiche Potential gebracht wurden.
Da sich die beiden Kugeln auf dem gleichen Potential befinden, bedeutet
das, dass an der großen Kugel
(R) zweimal mehr Aufladungen vorliegen als an der kleinen Kugel
mit dem Radius "r", wobei sich das
Potential umgekehrt zum Radius der Kugel verändert.
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Die
Fläche
oder Oberfläche
der "großen" Kugel ist nun aber
nicht zweimal größer, sondern
viermal größer als
die der "kleinen" Kugel. Die Oberflächenladungsdichte
ist zweimal größer als
bei der kleinen Kugel.
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Das
erklärt
nicht, warum das Feld in der Nähe
der kleinen Kugel stärker
ist. Denn bei der kleinen Kugel ist die Ladung gleich q, während die
Ladung bei der großen
Kugel Q = 2q ist.
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Wenn
man das Feld in zwei Punkten misst, die jeweils um einen Abstand
R vom Mittelpunkt jeder der beiden Kugeln entfernt sind, dann ist
das Feld in der Nähe
der großen
Kugel stärker.
Denn in einem Fall ist der Wert des Felds gleich Kq/R für die kleine Kugel,
während
er gleich 2Kq/R für
die große
Kugel ist.
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Demzufolge
ist bei gleichem Abstand das elektrische Feld der kleinen Kugel
zweimal schwächer.
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Man
kann sich hingegen möglichst
nahe dem Mittelpunkt der kleinen Kugel nähern, was bei der großen Kugel
nicht möglich
ist, da ihr Radius R ist.
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Weil
wir uns dem Mittelpunkt der kleinen Kugel zweimal näher annähern können als
dem der großen
Kugel, müsste
das Feld viermal stärker
sein (da sich das Feld um 1/r2 verändert und
da wir zweimal näher
sind).
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Fazit:
Da zweimal weniger Ladungen vorliegen, müsste das Feld zweimal schwächer sein.
Weil andererseits die Oberfläche
der kleinen Kugel zweimal näher
an ihrem Mittelpunkt liegt, müsste
das Feld hier viermal stärker
sein. Schließlich
ist das Feld nur zweimal stärker
an der Oberfläche
der kleinen Kugel.
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Aufgrund
der Stärke
des elektrischen Felds in der Nähe
einer Erhebung ionisiert sich die Luft leichter. Die Luft ist daher
ein besserer elektrischer Leiter in der Nähe einer aufgeladenen Erhebung
als in der Nähe
einer aufgeladenen Fläche
mit größerem Krümmungsradius.
Aus diesem Grund trifft der Blitz oder Entspannungslichtbogen vorzugsweise
eine Erhebung oder Spitze.
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Analog
dazu bildet die Riemenscheibe 22 und/oder der Riemen 82 die "große Kugel", während eine
Ausstülpung
in Form einer Spitze 80 oder ähnliches die "kleine Kugel" bildet.
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Es
ist natürlich
möglich,
mehrere Spitzen vorzusehen, die beispielsweise in einem um die Achse
X-X zentrierten Kreisbogen angeordnet sind.
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Die
Spitzen oder Erhebungen 80 ermöglichen es, eine Konzentration
von elektrischen Ladungen zu erzielen, und bestimmen sehr kurz Kriechwege
mit einem deutlich niedrigeren Widerstand als beispielsweise zwischen
der Welle und einem Kommutator oder zwischen der Welle und einem äußeren Lagerkäfig.
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Die
elektrischen Ladungen gehen weder durch den Läufer noch durch die Kugellager
hindurch, wodurch jedes Risiko vor allem einer Beschädigung oder
von inneren elektrischen Überlastungen ausgeschlossen
ist.
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Wenn
die Spitzen 80 direkt durch Anformen an den hinteren Lagerschild
ausgeführt
sind, erfolgt die Umsetzung der Erfindung kostenneutral, das heißt ohne
zusätzliche
Teile- oder Lohnkosten, indem lediglich kleinere Änderungen
in der Gießerei
vorgenommen werden. Als Variante können die Spitzen 80 aus
angefügten
Metallteilen bestehen, die zum Beispiel durch Schrauben am hinteren
Lagerschild befestigt werden. Außerdem ist es möglich, eine
Kombination von angeformten Spitzen 80 und angefügten Spitzen
vorzusehen, wobei sich jede dieser Spitzen entweder axial oder radial
erstrecken kann, wie dies nachfolgend beschrieben wird.
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Ohne
den Rahmen der Erfindung zu verlassen, kann als nicht dargestellte
Variante dieser Ausführungsart
der Riemen 82 (bzw. das an seiner Stelle verwendete biegsame
Antriebselement) in seinem vorderen seitlichen Rand 84 Spitzen
oder Ausstülpungen ähnlich wie die
Spitzen 80 aufweisen, von denen aus sich die Entladungslichtbögen in Richtung der
Spitzen 80 des Lagerschilds bilden, wobei dadurch wiederum
die "Führung" der elektrischen
Entladungen beim Vorbeilaufen des Riemens gegenüber den Spitzen 80 stärker gefördert wird.
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Dank
der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsart ermöglichen
die Erhebungen oder Spitzen 80, die sich gegenüber dem
quer angeordneten vorderen seitlichen Rand 84 des Riemens
befinden, eine Ableitung der am Riemen angesammelten elektrischen
Ladungen, bevor sie die eigentliche Riemenscheibe und den durch
die Läufereinheit
gebildeten magnetischen Teil erreichen.
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Nach
der in 3 veranschaulichten zweiten Ausführungsart
sind die Spitzen 80 gegenüber der vorderen Seitenfläche 86 der
Riemenscheibe 22 angeordnet, und zwar gegenüber einem
Abschnitt einer ringförmigen
Seitenfläche 94,
die zu einer Ausstülpung 96 gehört, was
es ermöglicht,
den Vorgang, insbesondere den Abstand zwischen den Spitzen und der
Riemenscheibe, der beispielsweise in einer Größenordnung von 0,5 mm liegt,
präzise
zu beherrschen, wobei dieser Wert insbesondere kleiner als der Abstand
zwischen dem Schleifring und der Welle ausfällt, der sich in einer Größenordnung
von 2 bis 3 mm bewegt.
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Die
Oberflächenladungsdichte
ist auf der Riemenscheibe örtlich
verstärkt,
das elektrische Feld ist örtlich
ausgeprägter,
die Luft ionisiert sich mehr und wird stärker leitend, und die Effizienz
des erfindungsgemäßen Prinzips
wird weiter verbessert.
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Nach
der in 4 veranschaulichten dritten Ausführungsart
erstrecken sich die Spitzen oder Ausstülpungen 80 radial
nach innen in Richtung der äußeren konvexen
zylindrischen Seitenfläche 98 einer vorderen
rohrförmigen
axialen Muffe 100 der Nabe der Riemenscheibe 22.
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Die
Spitzen 80 können
winklig gleichmäßig verteilt
sein oder aus einem durchgehenden inneren radialen Kragen bestehen,
der einer Vielzahl benachbarter Spitzen entspricht und von dem ein
spitzer innerer radialer Rand 81 einen durchgehenden Erhebungs-
oder Spitzenrand bildet.
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Um
den Vorgang noch weiter zu beherrschen, kann die Muffe 100 einen äußeren radialen Kragen 102 umfassen,
dessen spitzer äußerer radialer
Rand 104 sich gegenüber
den Erhebungen 80 oder dem Rand 81 des durchgehenden
Kragens 80 erstreckt.
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Der
Kragen kann einstückig
mit dem Flansch ausgeführt
oder daran angefügt
sein, wobei er dann jedoch als Teil des Ständers im Sinne der Erfindung betrachtet
wird.
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Die
verschiedenen Ausführungsarten
und Varianten können
natürlich
miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu
verlassen. Der Wechselstromgenerator ist natürlich reversibel ausgeführt und
ermöglicht
das Anlassen des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs.