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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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1. Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung ist auf rotierende elektrische Maschinen mit
einem Rotor und speziell auf einen Wechselstromgenerator der Art
gerichtet, die im Oberbegriff des Anspruchs 1 definiert ist.
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2. Beschreibung der verwandten
Technik
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Diese
Erfindung betrifft einen Wechselstromgenerator vom Lundelltyp, der
ein Paar von Rotorsegmenten mit ineinander verschränkten Polzähnen oder
-fingern und einen Rotorkern aufweist, der eine Feldspule trägt. In einer üblichen,
herkömmlichen Konfiguration
mit 36 Statorzähnen,
12 Rotorpolen und 3 Phasen ist ein Rotorzahn 10 so gestaltet,
dass er eine allgemein trapezförmige
Gestalt aufweist mit einer Basis 12, einer Spitzenseite 14,
die der Basis 12 gegenüberliegt,
und vorauseilenden und nachfolgenden Flanken 16 und 18,
wie in 1 gezeigt ist. Die Bewegungsrichtung der Rotorzähne 12 relativ
zu den Statorzähnen 20 ist
durch den Pfeil 22 gezeigt. In einer solchen Konfiguration
weist die Basis 12 eine Länge von etwa drei Statorspaltabständen auf,
wobei die vorauseilende und nachfolgende Flanke jeweils um etwa
einen Spaltabstand geneigt sind. Jedoch weist ein AC-Generator des
Typs mit Zähnen 10 ein magnetisches
Geräusch
auf, das während
des Betriebs erzeugt wird, was unter Umständen als störend empfunden wird.
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Ein
Ansatz aus dem Stand der Technik zur Verminderung von magnetischem
Geräusch
verwendet ein Schrägstellen
der vorauseilenden Flanke in Richtung der Bewegung, wie ebenfalls
in 1 gezeigt ist, so dass der Rotorzahn nun die vorauseilenden
und nachfolgenden Flanken 24 und 26 aufweist. Anstatt
dass die Mittellinie des Zahns die Basis und die Spitze in etwa
gleiche Hälften
teilt, wird sie zur vorauseilenden Flanke des Rotorzahns bewegt.
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Ein
weiterer Ansatz aus dem Stand der Technik zur Verminderung von magnetischem
Geräusch wird
unter Bezug auf US Patent Nr. 4,201,930 von Inagaki et al. gesehen.
Inagaki et al. offenbart einen Klauenzahnrotor, der Zähne mit
unregelmäßiger trapezförmiger Gestalt
aufweist, wobei die Spitze in Richtung der Rotation des Rotors verschoben
ist.
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Ein
Wechselstromgenerator der Art, die im Oberbegriff von Anspruch 1
definiert ist, ist in FR-A-2 432 795 offenbart. Bei diesem bekannten
Wechselstromgenerator weist auch die nachfolgende Seite zwei Abschnitte
auf, die sich mit verschiedenen Raten in Bezug auf die Rotorachse
neigen.
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Es
besteht aber ein Bedarf für
andauernde Verminderungen des Magnetgeräuschpegels, der von AC-Generatoren
erzeugt wird, besonders bei solchen, die in einem Automobil verwendet
werden, während
der elektrische Wirkungsgrad des Generators beibehalten oder verbessert
werden soll.
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Es
besteht daher ein Bedarf für
einen verbesserten Wechselstromgenerator und/oder Teile davon, die
eines oder mehrere der oben angeführten Probleme minimieren oder
beseitigen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lösung für ein oder
mehrere Probleme zu schaffen, die im Hintergrund dargelegt wurden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des
Anspruchs 1 gelöst.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine verbesserte
Rotorpolgestalt, die für
die Verwendung in einem AC-Generator geeignet ist, während des
Betriebs das magnetische Geräusch
vermindert und die Leistung verbessert. Ein anderer Vorteil besteht
bei einer bevorzugten Ausführungsform
darin, dass das magnetische Geräusch
vermindert wird, wobei nur sechs Dioden in einem Gleichrichterabschnitt
eines AC-Generators benötigt
werden, der einen 12-poligen Rotor und einen 72-spaltigen Stator
mit einer verteilten 3-Phasenwicklung umfasst, anstelle von 12 Dioden
für einen ähnlichen
Generator mit zwei Wicklungssätzen.
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Erfindungsgemäß wird ein
Wechselstrom-(AC)-Generator geschaffen, der einen Ankerkern mit
einer Vielzahl von Zähnen
aufweist, die durch dazwischen liegende, gemäß einem Spaltabstand angeordnete,
Spalten getrennt sind. Der Generator umfasst mindestens eine Mehrphasenwicklung, die
auf dem Ankerkern angeordnet ist, und einen, in dem Anker angebrachten
Rotor mit einer Vielzahl von Paaren von Rotorpolen, wobei jedes
Paar jeweils zur Anregung mit gegensätzlicher magnetischer Polarität konfiguriert
ist, wobei die Pole eine trapezförmige Gestalt
mit einer Basis, einer vorauseilenden Seite, einer nachfolgenden
Seite, und einer Spitzenseite umfassen und wobei die vorauseilende
Seite mehrere Abschnitte umfasst. Die vorauseilende Seite weist einen
ersten Abschnitt, der sich von der Spitze aus (in Richtung der Basis)
erstreckt und mit einer ersten Rate geneigt ist, und einen zweiten
Abschnitt auf, der sich von dem ersten Abschnitt weg erstreckt (ebenso in
Richtung der Basis) und mit einer zweiten Rate geneigt ist, die
geringer als die erste Rate ist. Bevorzugterweise ist der erste
Abschnitt über
zwischen etwa einem und zwei Spaltabständen geneigt und der zweite
Abschnitt zwischen etwa einem halben bis eineinhalb Spaltabständen geneigt.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beispielhaft beschrieben, in denen:
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1 eine
Draufsicht auf einen herkömmlichen
Rotorpol vom Klauentyp mit Bezug auf die Statorzähne ist;
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2 eine
Schnittansicht eines AC-Generators ist, in dem die erfindungsgemäße Rotorkonfiguration
verwendet werden kann;
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3 eine
Draufsicht auf erfindungsgemäße Rotorpolzähne ist;
und
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4 ein Diagramm ist, das erfindungsgemäße Verminderungen
des magnetischen Geräusches
zeigt.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bezug
nehmend auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche
Bauteile in den verschiedenen Ansichten bezeichnen, stellt 2 eine
vereinfachte Querschnittsansicht eines AC-Generators 30 dar,
in welchem ein Rotorabschnitt mit einer verbesserten Rotorzahnform
passend verwendet werden kann. Die folgende Beschreibung des Generators 30 ist
nur beispielhaft und stellt keine Einschränkung dar. Andere Konfigurationen
können
verwendet werden und verbleiben innerhalb des Umfangs der vorliegenden
Erfindung, wie sie in den Ansprüchen
definiert ist. Der Generator 30 wird im Folgenden manchmal
als Wechselstromgenerator bezeichnet.
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Der
Wechselstromgenerator 30 weist eine Rotoranordnung, die
allgemein mit dem Bezugszeichen 32 bezeichnet ist, und
eine Statoranordnung auf, die allgemein mit dem Bezugszeichen 34 bezeichnet
ist. Die Rotoranordnung 32 weist eine Welle 36 auf,
die alle drehenden magnetischen Schaltungsstrukturen davon trägt, einschließlich von
Polelementen 38A und 38B, eines Rotorkerns 40 und
einer Feldspule 42, die auf einen Spulenkörper 44 gewickelt
ist. Jedes Polelement umfasst mehrere Rotorpole mit einer allgemein
trapezförmigen
Gestalt (in der Vorderseitenansicht gesehen). Zusätzlich werden
dadurch auch alle anderen drehenden nicht magnetischen Strukturen
getragen, einschließlich
von Lüftern 46 und 48,
die an axial entgegengesetzten Seiten der Polelemente gelegen sind,
und eine Gleitringanordnung 50, die sich an einem äußersten
Ende der Welle befindet. Der Lüfter 48 kann
aus Blech geformt und an das Polelement 38B punktgeschweißt sein,
während
der Lüfter 46 aus
einem geeigneten thermoplastischen Material gebildet und an Stützerweiterungen
(nicht dargestellt) von dem Feldspulenspulenkörper 44 befestigt
sein kann. Die Welle 36 wiederum ist mittels eines Lagerpaars 54 und 56 in einem
Gehäuse 52 drehbar
gelagert. Das Lager 54 befindet sich zwischen der Gleitringanordnung 50 und
dem Lüfter 46.
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Spulenleitungen 42A der
Feldspule 42 sind um jeweilige Pfosten 44A des
Spulenkörpers 44 gewickelt
und führen
durch Löcher 58 im
Lüfter 46.
Die Gleitringanordnung 50 wird aus einem Paar von Kupferringen 60 hergestellt,
von denen jeder eine Gleitringleitung 62 aufweist, die
durch z.B. Anschweißen angebunden
werden. Die Kupferringe und Drähte werden
in ein wärmehärtendes
Material eingegossen, um die Gleitringanordnung zu vervollständigen. Die
Gleitringanordnung 50 wird auf das Ende der Rotorwelle 36 aufgepresst,
und die Gleitringleitungen 62 werden in Kanäle entlang
der Welle 36 verlegt, wo sie über eine Verbindungsstelle 64,
z.B. durch Verdrillen und Schweißen, mit den Spulenleitungen 42A der Feldspule 42 verbunden
werden. Die Verbindung 64 wird dann zu der Oberfläche des
Lüfters 46 umgebogen
und in einer pyramidenförmigen
Schlaufenstruktur 66 aufgenommen. Die Verbindungsstelle 64 wird anschließend durch
Ultraschallschweißen
des Plastikmaterials der Schlaufe 66 an dem Lüfter 46 befestigt.
Das Lager 54 wird so zusammengebaut, dass es über die
Gleitringanordnung 50 geschoben wird, um die Leitungsdrähte 62 sicher
in den Wellenkanälen
zu halten.
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Desweiteren
umfasst die Statoranordnung 34 bei einer Ausführungsform
mindestens eine Mehrphasenwicklung, beispielsweise eine 3-Phasenwicklung,
die, wie bekannt, durch und zwischen den Statorspalten verteilt
ist. Bei einer derartigen Konfiguration umfasst eine Gleichrichterschaltung
(nicht dargestellt) herkömmlicherweise
sechs (6) Dioden in einer Brückenkonfiguration,
um den dreiphasigen AC-Ausgang in einen DC-Ausgang gleichzurichten, der
in Kraftfahrzeugen bevorzugt wird. Bei einer anderen Ausführungsform
kann die Statoranordnung 34 zwei Sätze von Dreiphasenwicklungen
umfassen, die ebenfalls in bekannter Weise zueinander versetzt sind.
Bei dieser zweiten Ausführungsform
werden im Allgemeinen aber zwölf
(12) Dioden benötigt,
um den AC-Ausgang von den zwei Sätzen
der dreiphasigen Windungen gleichzurichten. Natürlich sind andere Wick lungsanordnungen
und Statorspaltanzahlen möglich,
die noch unter den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen, wie
sie in den Ansprüchen
definiert ist.
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3 ist
eine vereinfachte Draufsicht auf ein Paar von erfindungsgemäßen Rotorpolen
oder Zähnen
relativ zur Statoranordnung 34. Die Statoranordnung 34 ist
bezüglich 2 genauer
gezeigt und umfasst einen Kern (hier manchmal auch als Ankerkern bezeichnet)
mit einer Vielzahl von einzelnen Statorzähnen 68, die durch
dazwischen liegende Spalten 70 getrennt sind. Ein Statorzahn
und -spalt definieren wie gezeigt zusammen einen Spaltabstand 72.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst der AC-Generator 30 eine Statoranordnung 34 mit
72 Spalten, wobei die Rotoranordnung 32 12 Pole umfasst
(d.h. 6 Polpaare – 6
N Pole und 6 S Pole auf den Abschnitten 38A, 38B).
Vorzugsweise ist der 72-spaltige Stator mit einer verteilten 3-Phasen-Statorwicklung
ausgebildet, obwohl auch zwei dreiphasige Statorwicklungen, die
zueinander versetzt sind, verwendet werden können.
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Wie
ferner in 3 gezeigt ist, umfasst jedes Polelement/-segment 38A, 38B mehrere
Pole, die durch jeweilige Zähne 74 definiert
sind. Jeder Zahn 74 weist eine Basis 76, eine
Spitzenseite 80 mit einer Spitzenbreite 82, eine
vorauseilende Flankenseite, die einen ersten Abschnitt 84A und
einen zweiten Abschnitt 84B umfasst, und eine nachfolgende
Flankenseite 86 auf. Der erste Abschnitt 84A erstreckt
sich allgemein über
eine erste Distanz 88, während sich der zweite Abschnitt 84B über eine
zweite Distanz 90 erstreckt. Eine Dicke 92 beschreibt
die Dicke der Rotorelemente/-segmente 38A, 38B.
Ein Merkmal des Zahns 74 besteht darin, dass der Zahn allgemein
in Richtung der Rotation der Rotoranordnung 32 versetzt
ist, wobei die Richtung durch den Pfeil 22 gekennzeichnet
ist. Wie in 3 gezeigt ist, ist eine Mittellinie
der Spitze 80, bezeichnet als CLTIP, zu
der Mittellinie der Basis 76, bezeichnet als CLBASE, in Rotationsrichtung 22 versetzt.
Erfindungsgemäß ermöglicht die
Erhöhung
der Anzahl der Statorspalten von 36 (d.h. der Anzahl von Spalten
in einem herkömmlichen
Standard-l2-Polrotor, 3-Phasengenerator, wo die Spalten pro Pol
pro Phase, SPP = 1, oder 1 Spalt pro Pol pro Phase) auf 72 eine
Veränderung
der Rotorpolgestalt, um das magnetische Geräusch zu verringern und die
Leistung zu verbessern. Die höhere Anzahl
von Statorzähnen
verändert
bezeichnenderweise die Spaltabstandsbeziehung und beeinflusst den
Leckverlust des Stators über
der Vorderseite (stator cross face leakage). Die erfinderische Rotorpolgestalt
gemäß der Erfindung
nützt den
Stator mit der höheren
Spaltzahl aus, um den Pegel des magnetischen Geräusches zu senken und um die
Leistung zu verbessern. Der Zahn 74 umfasst allgemein eine
vorauseilende Flanke 84, die verändert wird, um mit dem Spaltabstand
(d.h. einem Spaltabstand) des Stators genau übereinzustimmen oder diesen
zu überschreiten.
Die Rotorzahnspitze 80 wird abweichend von der standardgemäßen, herkömmlichen Gestalt
allgemein weiter vergrößert, ohne
dass Verluste aufgrund von Leckverlusten über die Vorderseite (cross
face leakages) auftreten. Allgemein gesprochen wird die vorauseilende
Flanke 84 des Zahns in mehrere Abschnitte unterteilt, aber
nahe der Spitze so beschnitten, dass der Abstand zwischen dem benachbarten
magnetisch gegensätzlichen
Pol nicht so weit reduziert wird, dass deutliche Verluste auftreten. Der
Abschnitt 84B der vorauseilenden Flanke beginnt am Startpunkt 94 der
Basis und erstreckt sich bis zu einem Übergangspunkt 96 mit
einer Neigungsrate, die andernfalls etwa einen Spaltabstand umfassen
würde,
wenn es dem Abschnitt erlaubt wäre, ganz
bis hinauf zu der Spitze 80 zu gehen. Der Abschnitt 84B erstreckt
sich aber nur bis zum Übergangspunkt 96,
bis eine Lückenbreite,
bezeichnet mit dem Bezugszeichen 98, zwischen dem benachbarten,
aber magnetisch gegensätzlichen
Rotorpol einander so nahe kommt wie der kleinste Abstand zwischen
Standardzähnen
in einer abgeschrägten
Rotor anordnung einer 36-Spalt-Maschine (wie z.B. in 1 gezeigt).
Abschnitt 84A der vorauseilenden Flanke neigt sich dann
mit einer zweiten Rate, die parallel zur nachfolgenden Flanke 86 des
benachbarten Zahns ist. Der Abschnitt 84A neigt sich mit
einer Rate, die größer ist
als die Neigungsrate des Abschnitts 84B. Die nachfolgende
Flanke 86 des Zahns 74 bleibt unverändert in
Bezug auf die nachfolgende Flanke 26, wie in 1 gezeigt
ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
neigt sich der erste Abschnitt 84A um zwischen etwa einem
und zwei Spaltabständen,
und bevorzugt neigt er sich um etwa einen Spaltabstand. Der zweite
Abschnitt 84B neigt sich um zwischen etwa einem halben
Spaltabstand bis zu eineinhalb Spaltabständen, und bevorzugt neigt er
sich um etwa drei Viertel eines Spaltabstands (es wird daran erinnert,
dass der Abschnitt 84B sich über etwa einen Spaltabstand
neigen würde,
wenn zugelassen würde,
dass er sich bis hinauf zur Spitze 80 fortsetzt; diese
Entwicklung wird aber abgebrochen, wenn der obere Abschnitt in der
Nähe der
Spitze – der
erste Abschnitt 84A – vom
Zahn 74 abgeschnitten wird.)
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Ein
Rotorzahn 74 gemäß der Erfindung
bietet einen breiteren Zahnquerschnitt, wodurch die Flussdichte
in dem Luftspalt verringert wird und eine optimale vorauseilende
Flanke für
eine 72-Spalt-Maschine geschaffen wird. Es versteht sich, dass die vorhergehenden
Prinzipien auf andere Maschinen angewendet werden können, z.B.
eine 96-Spalt-Maschine, wie z.B. einen AC-Generator. Außerdem versteht
sich, dass die Anzahl der mehreren Abschnitte der vorauseilenden
Flanke erhöht
werden kann, so dass ein Bogen oder mehrere Bögen daraus wird bzw. werden.
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4 zeigt Verbesserungen, die durch die vorliegende
Erfindung verursacht sind. Insbesondere stellt eine Wellenform 100 einen
Geräuschpegel (dbA)
eines herkömmlichen
36-Spalt, 12-Pol, 3-Phasen-AC-Generators dar, während eine Wellenform 102 den
Magnetgeräuschpegel
eines AC- Generators darstellt,
der den verbesserten Rotor gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst (beide Wellenformen 100 und 102 sind
mit Bezug auf ein Mikrofon nahe der Fahrerseite aufgenommen). Gleichermaßen stellt eine
Wellenform 104 einen Geräuschpegel auf der Beifahrerseite
für einen
herkömmlichen
36-Spalt, 12-Pol, 3-Phasen-AC-Generator dar, während eine Wellenform 106 einen
verringerten Geräuschpegel eines
AC-Generators 30 zeigt,
der gemäß der Erfindung
eine verbesserte Rotorzahngestalt aufweist. Die in 4 gezeigten
Pegel sind Geräuschpegel
für die
36. Ordnung.
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Erfindungsgemäß ist die
Dezibelpegelerhöhung
eines magnetischen Geräusches
bei elektrischer Generatorbelastung in etwa halb so groß wie die
eines herkömmlichen
Generators, und sie kann herkömmliche
Wicklungstechniken verwenden. Bezeichnenderweise liefert die vorliegende
Erfindung gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
ein verringertes magnetisches Geräusch in einem AC-Generator,
der eine einzelne verteilte 3-Phasen-Statorwicklung
verwendet, wodurch nur sechs Dioden für eine Gleichrichterbrücke erforderlich
sind. Andere bekannte Ansätze
zur Geräuschverminderung
erfordern ein Paar von 3-Phasenwicklungen, die zueinander versetzt
sind und die bezeichnenderweise 12 Dioden in ihrem Gleichrichterabschnitt
erfordern (6 Dioden für
jeden Wicklungssatz). Bei vielen Kraftfahrzeuganwendungen ist die
oben erwähnte
50 %-ige Verringerung ausreichend, um Geräusche vom AC-Generator für z.B. die
Fahrzeuginsassen unhörbar
zu machen.