DE69801259T2

DE69801259T2 - Kraftfahrzeuggenerator

Info

Publication number: DE69801259T2
Application number: DE69801259T
Authority: DE
Inventors: Shin Kusase; Tsutomu Shiga; Atsushi Umeda
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-05-26
Filing date: 1998-05-07
Publication date: 2002-06-13
Anticipated expiration: 2018-05-08
Also published as: EP0881756A1; DE69801259D1; EP0881756B1; CN1085430C; US6097130A; CN1208277A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Technisches Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf einen Wechselstromgenerator für ein Fahrzeug, wie z. B. ein Personenkraftfahrzeug oder ein Lastkraftwagen.

Stand der Technik

Um den aerodynamischen Widerstand beim Fahren zu verringern, besteht die Neigung, ein Fahrzeug mit einer schräg ausgeformten Frontpartie auszuformen. Es wird auch ernstlich gefordert, dass ein ausreichender restlicher Raum für eine Fahrgastzelle sichergestellt ist. Um diese Anforderungen zu erfüllen, sind Motorräume von Kraftfahrzeugen seit kurzem so eng und überfüllt geworden, dass zum Anbringen eines Wechselstromgenerators nur ein begrenzter Raum zur Verfügung steht. Außerdem war die Temperatur in einem Bereich um den Wechselstromgenerator hoch. Um die Kraftstoffersparnis zu verbessern, neigt man mittlerweile dazu, die Motordrehzahl während eines Lehrlaufs zu verringern. Die Drehzahl des Wechselstromgenerators verringert sich gemäß der Verringerung der Motordrehzahl. Andererseits besteht die Notwendigkeit, elektrische Belastungen auf Sicherheitssteuerungsvorrichtungen oder andere Vorrichtungen zu erhöhen. Somit ist die Leistungserzeugungsfähigkeit des Wechselstromgenerators sehr notwendig. Mit anderen Worten, es wird ein kompakter Hochleistungs- Wechselstromgenerator für ein Fahrzeug notwendig. Es ist auch ein preisgünstiger Wechselstromgenerator für ein Fahrzeug erwünscht.
Bei einem herkömmlichen wechselstromgenerator (einem Wechselstromgenerator aus dem Stand der Technik) für ein Fahrzeug, wie er in Fig. 2 gezeigt ist, weist ein Läufer einen Lundel-Eisenkern (welcher im Folgenden als Polkern bezeichnet wird) mit einem zylindrischen Abschnitt, einem Jochabschnitt und einem klauenähnlichen Magnetpolabschnitt auf. Die Gesamtlänge des herkömmlichen Wechselstromgenerators wird durch die Länge in Axialrichtung (welche im Folgenden als axiale Länge bezeichnet wird) des Läufers bestimmt. Demgemäß ist für eine kompakte Wechselstromgenerator-Ausgestaltung eine Verringerung in der axialen Länge des Läufers erwünscht.
Bei dem in Fig. 2 gezeigten herkömmlichen Wechselstromgenerator strömt von dem zylindrischen Abschnitt zu dem Jochabschnitt und dem klauenähnlichen Magnetpolabschnitt ein magnetischer Fluss Φ, welcher allmählich von dem klauenähnlichen Magnetpolabschnitt zu einem Ständereisenkern strömt. Der von dem Läufer erzeugte magnetische Fluss Φ ergibt sich wie folgt.
Φ = AT/G
worin "A" einen in der Feldwicklung fließenden Strom, "T" die Anzahl der Wicklungen der Feldwicklung und "G" die Summe der magnetischen Widerstände von jeweiligen Abschnitten bedeuten. Der Ausdruck "AT" bezeichnet das Produkt aus dem Strom "A" und der Wicklungsanzahl "T", welches zu der Quadratwurzel des Querschnittsbereichs der Feldwicklung proportional ist. Das Produkt "AT" wird auch als die Wicklung "AT" bezeichnet. Jeder magnetische Widerstand ist zur Länge eines Magnetwegs proportional, welcher durch den Querschnittsbereich des Magnetwegs geteilt ist.
Bei dem Aufbau aus dem Stand der Technik von Fig. 2 sind die Querschnittsbereiche S1, S2 und S3 des Magnetwegs bei verschiedenen Abschnitten des Polkerns zueinander im Wesentlichen gleich festgelegt, um zu verhindern, dass eine lokale magnetische Sättigung auftritt. Die Abmessungen der Abschnitte des Polkerns sind derart ausgewählt, dass für die Feldwicklung ein angemessener Raum vorgesehen wird. Der Querschnittsbereich eines Magnetwegs bei dem Ständereisenkern ist gemäß dem durch den Läufer erzeugten magnetischen Fluss im Wesentlichen gleichmäßig hergestellt. Der Querschnittsbereich von jedem Schlitz in dem Ständereisenkern wird auf der Grundlage des Widerstands einer Wicklung bestimmt. Als ein Ergebnis hieraus wird auch die axiale Länge des Ständers bestimmt.
Bei einem magnetischen Schaltkreis aus dem Stand der Technik, welcher auf diese Art und Weise ausgestaltet ist, ist die axiale Länge L2 des zylindrischen Abschnitts des Polkerns im Wesentlichen oder ungefähr gleich der axialen Länge L1 des Ständereisenkerns, wie es in Fig. 2 gezeigt ist.
Bei dem Aufbau aus dem Stand der Technik von Fig. 2 nimmt der durch den Läufer erzeugte magnetische Fluss zu, wenn eine erhöhte Wechselstromgenerator-Ausgangsleistung notwendig ist. Um die Erzeugung eines erhöhten magnetischen Flusses durchzuführen, ist es notwendig, die Wicklung "AT" zu erhöhen (d. h., die Feldwicklung zu vergrößern) oder den magnetischen Widerstand zu verringern.
Wenn bei dem Aufbau aus dem Stand der Technik von Fig. 2 der erzeugte magnetische Fluss erhöht wird, ohne dass die Größe des Läufers geändert wird, müssen die Querschnittsbereiche der jeweiligen Abschnitte des Läufers verringert werden, damit der Querschnittsbereich der Feldwicklung erhöht werden kann, um die Wicklung "AT" zu vergrößern. Wenn zum Verringern des magnetischen Widerstandes ein größerer Querschnittsbereich des Magnetweges notwendig ist, ist es notwendig, den Querschnittsbereich der Feldwicklung zu verringern. Somit muss bei dem Aufbau aus dem Stand der Technik von Fig. 2 eine Einbuße bei den zwei Anforderungen berücksichtigt werden.
Fig. 3 zeigt einen anderen Aufbau aus dem Stand der Technik, bei welchem die Abmessungen eines Läufers gleich denen des Läufers aus dem Aufbau von Fig. 2 aus dem Stand der Technik sind und bei welchem die axiale Länge L1 eines Ständereisenkerns so eingestellt ist, dass sie länger ist als die axiale Länge L2 eines zylindrischen Abschnittes eines Polkerns, um den magnetischen Widerstand des Ständereisenkerns und den Luftspalt zwischen dem Läufer und dem Ständer zu verringern. Wenn der magnetische Widerstand der Ständerseite verringert ist, um den magnetischen Fluss zu erhöhen, ist nur eine geringe Erhöhung des magnetischen Flusses erhältlich, weil die Menge des magnetischen Flusses durch magnetische Sättigungen in den jeweiligen Abschnitten des Läufers begrenzt ist. In diesem Fall tritt kaum eine Verbesserung der Wechselstromgenerator-Ausgangsleistung pro Gewichtseinheit bzw. Masseeinheit auf, weil eine Erhöhung des Gewichtes des Ständers als ein Ausgleichsfaktor dient.
Fig. 4 zeigt einen weiteren Aufbau aus dem Stand der Technik, bei welchem der Querschnittsbereich S3 einer Grundfläche eines klauenähnlichen Magnetpolabschnittes so eingestellt ist, dass er geringer ist als der Querschnittsbereich S1 eines zylindrischen Abschnittes und der Querschnittsbereich S2 eines Jochabschnitts, so dass ein großer Querschnittsbereich einer Feldwicklung gestattet ist. Bei dem Aufbau aus dem Stand der Technik von Fig. 4 neigt die Grundfläche des klauenähnlichen Magnetpolabschnitts dazu, dass sie magnetisch gesättigt ist. Obwohl der zylindrische Abschnitt und der Jochabschnitt ausreichende magnetische Kapazitäten aufweisen, neigt daher der magnetische Widerstand der Grundfläche des klauenähnlichen Magnetpolabschnittes dazu, abrupt anzusteigen, so dass die Menge an magnetischem Fluss beträchtlich eingeschränkt ist.
Bei dem Aufbau aus dem Stand der Technik von Fig. 4 ist der magnetische Fluss durch den klauenähnlichen Magnetpolabschnitt derart blockiert, dass der magnetische Fluss entlang einer axialen Richtung entweicht. Das Entweichen des magnetischen Flusses führt zu einer Verringerung des magnetischen Flusses, welcher einen Ständereisenkern erreicht. Der verringerte magnetische Fluss in dem Ständereisenkern verringert eine Wechselstromgenerator-Ausgangsleistung.
Bei einer bekannten Feldwicklung, welche einen schmäleren Raum einnimmt, sind der Widerstand der Wicklung verringert und ein Feldstrom vergrößert, um eine geeignete Wicklung "AT" bereit zu stellen. In diesem Fall nimmt die durch die Feldwicklung erzeugte Wärmemenge derart zum, dass bei deren Kühlung ein Problem auftritt. Es treten auch die Probleme auf, dass der Erregerverlust ansteigt und die Leistungserzeugungseffizienz abfällt.
Die japanische veröffentlichte ungeprüfte Patenanmeldung 61-85045 offenbart, dass in einen Bereich zwischen klauenähnlichen Magnetpolabschnitten ein Magnet eingefügt ist, um ein Entweichen des magnetischen Flusses zu verhindern und um dadurch die Menge des magnetischen Flusses in einem Läufer zu erhöhen. In diesem Fall tritt aufgrund des Magneten ein Kostenproblem auf. Außerdem ist es notwendig, eine Vorrichtung zum Halten des Magneten vorzusehen. Haltevorrichtung erhöht die Kosten. Ferner besteht die Möglichkeit, dass sich der Magnet aufgrund einer Zentrifugalkraft von einer Normalposition entfernt. Es ist daher schwierig, den Aufbau aus dem Stand der Technik der japanischen Anmeldung 61-85045 in der Praxis zu verwenden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Erfinder haben die folgende Tatsache herausgefunden. Die oben erwähnten Probleme werden durch eine Ausgestaltung verursacht, bei welcher ein magnetischer Fluss, welcher in einem Magnetweg in einem Polkern strömt, so gesehen wird, dass er immer gleichmäßig ist, und bei welcher Querschnittsbereiche von verschiedenen Abschnitten des Magnetwegs als gleich angenommen werden.
Bei den Aufbauten aus dem Stand der Technik von Fig. 2 und Fig. 4 sind die axialen Längen L1 und L2 zueinander gleich und der magnetische Fluss neigt zu einer gleichmäßigen Strömung. Somit müssen die Aufbauten aus dem Stand der Technik von Fig. 2 und Fig. 4 unter gleichen Querschnittsbereichen eines Magnetwegs ausgestaltet werden. Demgemäß ist es notwendig, dass der Querschnittsbereich eines Läufers im Wesentlichen gleichmäßig ist. Da bei den Aufbauten aus dem Stand der Technik von Fig. 2 und Fig. 4 der Querschnittsbereich des Magnetweges erweitert ist, muss der Querschnittsbereich einer Feldwicklung verringert werden. Somit nimmt die Fähigkeit der Feldwicklung ab.
Bei dem Aufbau aus dem Stand der Technik von Fig. 3 ist die axiale Länge L1 größer als die axiale Länge L2 und der Jochabschnitt liegt dem Ständereisenkern gegenüber. Somit strömt in diesem Fall ein magnetischer Fluss direkt von dem Jochabschnitt zu dem Ständer.
Demgemäß verringert sich die Menge des magnetischen Flusses in dem klauenähnlichen Magnetpolabschnitt und daher kann ein engerer Querschnittsbereich der Grundfläche des klauenähnlichen Magnetpolabschnittes ausreichend sein.
Die Erfinder haben den neuen Aufbau von Fig. 5 geschaffen und die Vorteile entdeckt, welche durch den neuen Aufbau von Fig. 5 geschaffen werden. Bei dem neuen Aufbau von Fig. 5 sind die Querschnittsbereiche S1 und S2 eines zylindrischen Abschnittes und eines Jochabschnittes so eingestellt. dass sie groß sind, während der Querschnittsbereich S3 der Grundfläche eines klauenähnlichen Magnetpolabschnitts so eingestellt ist, dass er gering ist. In diesem Fall kann ein Teil eines magnetischen Flusses, welcher gemäß den größeren Querschnittsbereichen S1 und S2 erhöht ist, direkt von dem Jochabschnitt zu einem Ständer strömen, während sein Rest durch den klauenähnlichen Magnetpolabschnitt strömen kann, bevor er in den Ständer strömt. Als ein Ergebnis hieraus kann der Querschnittsbereich des Magnetweges erweitert werden, und daher kann die Menge des magnetischen Flusses, vergrößert werden, während ein gewünschter Querschnittsbereich einer Feldwicklung beibehalten werden kann.
Bei dem neuen Aufbau von Fig. 5 liegt der Jochabschnitt dem Ständereisenkern gegenüber. Die Ausgestaltung bedeutet, dass die Menge an magnetischem Fluss, welche aus dem Jochabschnitt zur Außenseite entweicht, minimiert ist. Somit kann die Effizienz einer Verwendung des durch den Läufer erzeugten magnetischen Flusses erhöht werden.
Fig. 6 zeigt einen magnetischen Ersatzschaltkreis der Aufbauten von Fig. 2 und Fig. 4 aus dem Stand der Technik. Fig. 7 zeigt einen magnetischen Ersatzschaltkreis des neuen Aufbaus von Fig. 5. Gemäß Fig. 7 sind dem magnetischen Ersatzschaltkreis in Fig. 6 magnetische widerstände r6 und r7 parallel hinzugefügt. Ein magnetischer Widerstand r0, welcher einem magnetischen Entweichen von dem Jochabschnitt zur Außenseite entspricht, ist durch den magnetischen Widerstand r7 ersetzt. Hinsichtlich des magnetischen Ersatzschaltkreises in Fig. 7 ist man somit der Meinung, dass ein magnetischer Fluss Φ0', welcher zur Außenseite entweicht, im wesentlichen nicht vorhanden ist.
Bei dem magnetischen Ersatzschaltkreis von Fig. 6 strömt in dem Polkern ein magnetischer Fluss Φ0 gleichförmig, wenn der klauenähnliche Magnetpolabschnitt magnetisch ungesättigt bleibt. Bei dem magnetischen Ersatzschaltkreis von Fig. 7 trennt sich ein magnetischer Fluss Φ0 in einen magnetischen Fluss Φ1, welcher in den klauenähnlichen Magnetpolabschnitt strömt, und in einen magnetischen Fluss Φ2, welcher direkt in den Ständereisenkern strömt. Der magnetische Fluss Φ1, welcher in den klauenähnlichen Magnetpolabschnitt strömt, ist geringer als der magnetische Fluss Φ0, wie es in der folgenden Verhältnisgleichung angezeigt ist.
Φ1 = {(r6 + r7)Φ0}/(r3 + r4 + r6 + r7)
In dem Fall, wo der Querschnittsbereich des Magnetweges in dem klauenähnlichen Magnetpolabschnitt auf dieses Verhältnis verringert ist, bleibt demgemäß die magnetische Sättigung weg und die Menge des gesamten magnetischen Flusses Φ0 verringert sich nicht.
In dem magnetischen Ersatzschaltkreis von Fig. 6 entweicht dann, wenn eine magnetische Sättigung derart auftritt, dass der Widerstand des magnetischen Widerstands r3 groß wird, von dem Jochabschnitt über den magnetischen widerstand r0 ein magnetischer Fluss nach Außen. Andererseits kann bei dem magnetischen Ersatzschaltkreis von Fig. 7 sogar dann, wenn eine Sättigung derart auftritt, dass der Widerstand des magnetischen Widerstands r3 groß wird, ein magnetischer Fluss über den magnetischer Widerstand r7 in den Ständereisenkern strömen. Somit ist es gemäß dem magnetischen Ersatzschaltkreis von Fig. 7 möglich, den klauenähnlichen Magnetpolabschnitt zu miniaturisieren.
Eine Verringerung des Querschnittsbereich von dem klauenähnlichen Magnetpolabschnitt erhöht den verwendbaren Raum in dem Polkern. Wenn die Vergrößerung des verwendbaren Raums optimal auf eine Vergrößerung des Querschnittsbereichs des Magnetweges und auf eine Vergrößerung des Bereichs der Feldwicklung verteilt ist, kann die Wechselstromgenerator-Ausgangsleistung gegenüber der, welche bei dem Aufbau aus dem Stand der Technik erhältlich ist, beachtlich verbessert werden.
Bei dem magnetischen Ersatzschaltkreis von Fig. 7 hängen die Widerstände der magnetischen Widerstände r6 und r7, welche parallel hinzugefügt sind, von dem Unterschied zwischen der axialen Länge L1 des Ständereisenkerns und der axialen Länge L2 des zylindrischen Abschnitts ab. Wenn sich dieser Unterschied vergrößert, kann somit der Querschnittsbereich des klauenähnlichen Magnetpolabschnitts verringert werden, so dass die Wechselstromgenerator-Ausgangsleistung weiter verbessert werden kann. Andererseits erhöht sich das Gewicht des Ständers proportional zur axialen Länge L1 des Ständereisenkerns. Daher wird die Wechselstromgenerator-Ausgangsleistung pro Gewichtseinheit unter bestimmten Bedingungen maximiert.
Diese Erfindung ist hinsichtlich der oben erwähnten Idee durchgeführt worden. Diese Erfindung verwendet eine Ausführung, bei welcher die axiale Länge L1 eines Ständereisenkerns so ausgestaltet ist, dass sie größer ist als die axiale Länge L2 eines zylindrischen Abschnitts. Diese Erfindung verwendet auch eine Ausführung, bei welcher die Abmessungen von Abschnitten geeignet bestimmt sind. Diese Ausführungen schaffen einen Synergieeffekt. Diese Erfindung verwendet den Synergieeffekt und hat die Aufgabe, einen kompakten Hochleistungs-Wechselstromgenerator für ein Fahrzeug zu schaffen, welcher hinsichtlich der Kühlleistung, der Effizienz und der Kosten gut ist, ohne dass sich ein Wicklungswiderstand verringert oder dass ein Magnet verwendet wird.
Gemäß der Erfindung nach Anspruch 1 weist ein Wechselstromgenerator für ein Fahrzeug einen Feldläufer und einen Ständer auf. Der Feldläufer weist einen Lundel- Eisenkern und eine Feldwicklung auf, welche auf dem Lundel-Eisenkern angeordnet ist. Der Lundel-Eisenkern hat einen zylindrischen Abschnitt, einen Jochabschnitt und einen klauenähnlichen Magnetpolabschnitt. Die Feldwicklung ist auf dem zylindrischen Abschnitt angeordnet. Der Jochabschnitt erstreckt sich von dem zylindrischen Abschnitt radial nach Außen. Der klauenähnliche Magnetpolabschnitt ist derart ausgeformt, dass er die Feldwicklung umgibt. Der Ständer ist radial außerhalb des klauenähnlichen Magnetpolabschnitts angeordnet. Der Ständer liegt dem klauenähnlichen Magnetpolabschnitt des Läufers gegenüber. Der Ständer beinhaltet einen mehrschichtigen Eisenkern und eine Ankerwicklung, welche auf dem mehrschichtigen Eisenkern angeordnet ist. Ein Verhältnis einer axialen Länge L1 des mehrschichtigen Eisenkerns von dem Ständer zu einer axialen Länge L2 des zylindrischen Abschnitts des Lundel- Eisenkerns, d. h., der Wert "L1/L2", befindet sich in einem Bereich von 1,25 bis 1,75. Ein Verhältnis eines Außendurchmessers R2 des zylindrischen Abschnitts des Lundel-Eisenkerns zu einem Außendurchmesser R1 des klauenähnlichen Magnetpolabschnittes des Lundel-Eisenkerns, d. h., der Wert "R2/R1", befindet sich in einem Bericht von 0,54 bis 0,60.
Bei der Erfindung nach Anspruch 1 befindet sich das Verhältnis der axialen Länge L1 des mehrschichtigen Eisenkerns des Ständers zur axialen Länge L2 des zylindrischen Abschnitts des Lundel-Eisenkerns, d. h., der Wert "L1/L2", in dem Bereich von 1,25 bis 1,75. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, kann daher der Jochabschnitt eines Polkerns so hergestellt sein, dass er dem Ständereisenkern gegenüberliegt, und ein magnetischer Fluss kann von dem Jochabschnitt direkt in den Ständereisenkern strömen. Somit kann der magnetische Fluss, welcher von dem klauenähnlichen Magnetpolabschnitt kommt, verringert werden und der Querschnittsbereich des klauenähnlichen Magnetpolabschnitts kann im Verhältnis dazu verringert werden. Demgemäß ist ein verwendbarer Raum in dem Polkern mit einem Überschuss vorgesehen, so dass das Verhältnis aus dem Außendurchmesser R2 des zylindrischen Abschnitts des Lundel-Eisenkerns zu dem Außendurchmesser R1 des klauenähnlichen Magnetpolabschnitts des Lundel-Eisenkerns, d. h., der Wert "R2/R1" angemessen eingestellt werden kann, wobei ein Querschnittsbereich eines Magnetweges größer ist als der bei dem Aufbau aus dem Stand der Technik, während ein geeigneter Wicklungsquerschnittsbereich vorgesehen ist. Insbesondere ist der Wert "R2/R1' in den Bereich von 0,54 bis 0,60 eingestellt. Dadurch ist es möglich, einen kompakten, äußerst effizienten und hochleistenden Wechselstromgenerator vorzusehen, ohne dass ein Feldstrom ansteigt.
Bei der Erfindung nach Anspruch 2 befindet sich ein Verhältnis einer Radialrichtungsdicke X1 einer Grundfläche des klauenähnlichen Magnetpolabschnitts zu einer Axialrichtungsdicke X2 des Jochabschnitts, d. h., der Wert "X1/X2" in einem Bereich von 0,5 bis 0,9. Weil das Verhältnis "X1/X2" in dem vorher angegebenen Bereich eingestellt ist, kann die magnetische Flussdichte in dem klauenähnlichen Magnetpolabschnitt ohne Überbrückungen und Kurzschlüsse auf einen geeigneten Wert eingestellt werden. Demgemäß kann verhindert werden, dass die Radialrichtungsdicke X1 der Grundfläche des klauenähnlichen Magnetpolabschnitts so groß ist, dass sich der Wicklungsquerschnittsbereich verschlechtert. Es ist auch möglich, zu verhindern, dass die Radialrichtungsdicke X1 der Grundfläche des klauenähnlichen Magnetpolabschnitts so gering ist, dass die Wechselstromgenerator-Ausgangsleistung verringert wird.
Bei der Erfindung nach Anspruch 3 ist ein Axialrichtungsquerschnitt der Feldwicklung bezüglich einer Axialrichtungsmitte im Wesentlichen symmetrisch und weist eine derartige bergähnliche Form auf, dass ein Außendurchmesser eines Teils der Feldwicklung größer ist, wenn der Teil der Feldwicklung näher bei der Radialrichtungsmitte liegt. Dadurch kann eine Wicklungsbelegung verbessert werden und die Wechselstromgenerator- Ausgangsleistung kann weiter erhöht werden.
Bei der Erfindung nach Anspruch 4 umgibt die Feldwicklung eine mit Harz impregnierte Lage, und die Feldwicklung steht über die mit Harz impregnierte Lage mit einer Innenumfangsoberfläche des klauenähnlichen Magnetpolabschnitts in Eingriff. Weil sich die Feldwicklung mit der Innenumfangsfläche des klauenähnlichen Magnetpolabschnitts in Eingriff befindet, kann verhindert werden, dass durch einen Magnetkraftwiderstand des klauenähnlichen Magnetpolabschnitts ein Rauschen verursacht wird. Der klauenähnliche Magnetpolabschnitt ist dünner als der bei dem Aufbau aus dem Stand der Technik und seine Steifigkeit ist kleiner als die bei dem Aufbau aus dem Stand der Technik. Demgemäß ist ein großer Vorteil geschaffen. Bei der Erfindung nach Anspruch 4 ist die Feldwicklung von der mit Harz impregnierten Lage umgeben. Somit ist zwischen dem klauenähnliche Magnetpolabschnitt und der Feldwicklung eine ausreichende elektrische Isolierung vorgesehen, der Raum in dem Polkern kann bis zu seinem Maximum verwendet werden und die Wechselstromgenerator- Ausgangsleistung kann weiter erhöht werden. Weil die mit Harz impregnierte Lage verwendet wird, kann die Feldwicklung ohne ein Klebemittel fest angebracht werden.
Gemäß der Erfindung nach Anspruch 5 weist ein Wechselstromgenerator für ein Fahrzeug eine Feldstrom-Einstellvorrichtung auf. Die Feldstrom-Einstellvorrichtung weist einen Transistor auf, welcher mit einer Seite einer hohen Spannung der Feldwicklung verbunden ist. Somit ist die Feldwicklung keiner Spannung unterworfen, wenn das Fahrzeug außer Betrieb bleibt. Demgemäß ist es möglich, das Auftreten einer galvanischen Korrosion zwischen der Feldwicklung und dem Polkern, insbesondere zwischen der Feldwicklung und dem klauenähnlichen Magnetpolabschnitt zu verhindern. Daher reicht ein minimaler Spalt zwischen der Feldwicklung und dem Polkern aus, und eine Belegung kann erhöht werden. Somit kann die Wechselstromgenerator- Ausgangsleistung erhöht werden.
Bei der Erfindung nach Anspruch 6 weisen der mehrschichtige Eisenkern Schlitze und die Ankerwicklung eine Mehrzahl von elektrischen Leitern auf. Mindestens ein Paar der elektrischen Leiter ist vorgesehen, welche bezüglich Tiefenrichtungen der Schlitze elektrisch voneinander isoliert sind und welche in äußere Schichten, die in Tiefenbereichen der Schlitze angeordnet sind, und innere Schichten, die in Öffnungsseiten der Schlitze angeordnet sind, getrennt sind. Die elektrischen Leiter in den äußeren Schichten und den inneren Schichten in unterschiedlichen Schlitzen sind in Reihe geschaltet.
Bei der Erfindung nach Anspruch 6 sind die Wicklungsenden der Ankerwicklung ausgerichtet und werden daran gehindert, dass sie einander in radialen Richtungen überlappen. Demgemäß können die Wicklungsenden der Ankerwicklung miniaturisiert werden und die Gesamtlänge in Axialrichtung des Ständers kann kürzer sein. Somit kann die axiale Länge L1 des Ständereisenkerns größer sein als die axiale Länge L2 des zylindrischen Abschnitts des Polkerns, während das Gehäuse des Wechselstromgenerators unverändert bleibt. Daher können die Parameter des Wechselstromgenerators in die vorher erwähnten optimalen Bereiche ohne Einschränkung durch das Gehäuse des Wechselstromgenerators eingestellt werden. Als ein Ergebnis hieraus ist es möglich, einen kompakten Aufbau und eine hohe Ausgangsleistung des Wechselstromgenerators zu schaffen. Gleichzeitig kann die Wicklungslänge kürzer sein und die axiale Länge L1 des Ständereisenkerns kann vergrößert werden, ohne das der Widerstand der Ankerwicklung erhöht wird. Dadurch wird ein Anstieg des Kupferverlustes vermieden lind daher werden eine hohe Effizienz und eine hohe Kühlleistung des Wechselstromgenerators erreicht.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Hauptabschnittes eines Wechselstromgenerators für ein Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung.
Fig. 2 ist ein Diagramm eines magnetischen Flusses, welcher in einem Läufer und einem Ständer bei einem Aufbau aus dem Stand der Technik strömt, in welchem die Querschnittsbereiche von Magnetwegen in jeweiligen Abschnitten eines Polkerns im Wesentlichen oder ungefähr gleich eingestellt sind.
Fig. 3 ist ein Diagramm eines magnetischen Flusses, welcher in einem Läufer und einem Ständer bei einem Aufbau aus dem Stand der Technik strömt, bei welchem die axiale Länge eines Ständereisenkerns so eingestellt ist, dass sie größer ist als die axiale Länge eines zylindrischen Abschnitts eines Polkerns.
Fig. 4 ist ein Diagramm eines magnetischen Flusses, welcher in einem Läufer und einem Ständer bei einem Aufbau aus dem Stand der Technik strömt, bei welchem der Querschnittsbereich einer Grundfläche eines klauenähnlichen Magnetpolabschnittes eines Polkerns so eingestellt ist, dass er schmäler ist als die Querschnittsbereiche von dessen zylindrischem Abschnitt und dessen Jochabschnitt, und bei welchem der Querschnittsbereich einer Wicklung so eingestellt ist, dass er groß ist.
Fig. 5 ist ein Diagramm eines magnetischen Flusses, welcher in einem Läufer und einem Ständer bei einem erfindungsgemäßen Aufbau strömt, bei welchem der Querschnittsbereich einer Grundfläche eines klauenähnlichen Magnetpolabschnittes eines Polkerns so eingestellt ist, dass er schmäler ist als die Querschnittsbereiche seines zylindrischen Abschnittes und seines Jochabschnittes, und bei welchem die axiale Länge eines Ständereisenkerns so eingestellt ist, dass sie größer ist als die axiale Länge eines zylindrischen Abschnitts eines Polkerns.
Fig. 6 ist ein Diagramm eines magnetischen Ersatzschaltkreises von einem Aufbau aus dem Stand der Technik.
Fig. 7 ist ein Diagramm eines magnetischen Ersatzschaltkreises von einem erfindungsgemäßen Aufbau.
Fig. 8 ist eine Schnittansicht eines Läufers, welcher in dem Wechselstromgenerator für das Fahrzeug gemäß der Ausführungsform dieser Erfindung enthalten ist.
Fig. 9 ist eine Draufsicht in der Richtung von dem zylindrischen Abschnitt des Läufers, welcher in dem Wechselstromgenerator für das Fahrzeug gemäß der Ausführungsform dieser Erfindung enthalten ist.
Fig. 10 ist ein Diagramm hinsichtlich der Beziehung zwischen einer Wechselstromgenerator-Ausgangsleistung pro Gewichtseinheit bzw. Masseeinheit, einem Verhältnis "L1/L2" und einem Verhältnis "R2/R1".
Fig. 11 ist ein Diagramm hinsichtlich der Beziehung zwischen einer Wechselstromgenerator-Ausgangsleistung pro Gewichtseinheit bzw. Masseeinheit und einem Verhältnis "R2/R1".
Fig. 12 ist ein Diagramm hinsichtlich der Beziehung zwischen einer Wechselstromgenerator-Ausgangsleistung pro Gewichtseinheit bzw. Masseeinheit und einem Verhältnis "L1/L2".
Fig. 13 ist ein Diagramm hinsichtlich der Beziehung zwischen einer Wechselstromgenerator-Ausgangsleistung pro Gewichtseinheit bzw. Masseeinheit, einem Verhältnis "L1/L2" und einem Verhältnis "X1/X2".
Fig. 14 ist ein Diagramm hinsichtlich der Beziehung zwischen einer Wechselstrom-Ausgangangsleistung pro Gewichtseinheit bzw. Masseeinheit und einem Verhältnis "X1/X2".
Fig. 15 ist ein Diagramm hinsichtlich der Beziehung zwischen einer Wechselstromgenerator-Ausgangsleistung pro Gewichtseinheit und einem Verhältnis "L1/L2".
Fig. 16 ist ein perspektivische Ansicht eines U-förmigen Ankerwicklungssegments bei der Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 17 ist eine perspektivische Ansicht von Ankerwicklungsenden an dem Ständer bei der Ausführungsform dieser Erfindung.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

In Bezug auf Fig. 1 weist ein Wechselstromgenerator 1 für ein Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung einen Ständer 2, einen Läufer 3, ein Gehäuse 4, einen Gleichrichter 5 und eine Spannungs-Einstellvorrichtung 11 auf. Der Ständer 2 dient als Anker. Der Läufer 3 dient dazu, ein Magnetfeld zu erzeugen. Das Gehäuse 4 hält den Ständer 2 und den Läufer 3. Der Gleichrichter 5 ist direkt mit dem Ständer 2 verbunden. Der Gleichrichter 5 wandelt Wechselstrom in Gleichstrom um. Die Spannungs- Einstellvorrichtung 11 stellt einen Feldstrom ein, um eine erzeugte elektrische Leistung zu steuern. Somit dient die Spannungs-Einstellvorrichtung 11 als eine Feldstrom- Einstellvorrichtung. Ein Transistor in der Spannungs-Einstellvorrichtung 11 ist mit einer Seite einer hohen Spannung (einer heißen Seite) einer Feldwicklung derart verbunden, dass verhindert werden kann, dass die Feldwicklung einer Spannung unterworfen ist, wenn der Wechselstromgenerator 1 außer Betrieb bleibt.
Der Läufer 3 dreht sich zusammen mit einer Welle 6. Der Läufer 3 beinhaltet ein Paar von Lundel-Polkernen 7, Kühlflügeln 12, eine Feldwicklung 8 und Gleitringe 9 und 10. Die Welle 6 ist mit einer Riemenscheibe 20 verbunden und wird durch eine (nicht gezeigte) Brennkraftmaschine zum Antreiben des Fahrzeugs gedreht und angetrieben.
Gemäß den Fig. 1, 8 und 9 weist jeder Polkern 7 des Läufers 3 einen zylindrischen Abschnitt 71, einen Jochabschnitt 72 und einen klauenähnlichen Magnetpolabschnitt 73 auf. Die Feldwicklung 8 weist eine derartige bergähnliche Form auf, dass ein mittiger Abschnitt der Feldwicklung 8 bei Betrachtung in axialer Richtung einen großen Außendurchmesser hat und dass sich der Außendurchmesser eines Abschnittes der Feldwicklung 8 verringert, wenn der Abschnitt näher an einem Ende liegt. Die Umrisse der Feldwicklung 8 entsprechen Formen der klauenähnlichen Magnetpolabschnitte 73. Die Feldwicklung 8 befindet sich über ein Isolierpapier 81 und unter einer geeigneten Druckkraft mit Innenflächen der klauenähnlichen Magnetpolabschnitte 73 in Eingriff. Das Isolierpapier 81 verwendet eine mit Harz imprägnierte Lage und umgibt die Feldwicklung 8. Das Isolierpapier 81 hält als ein Ergebnis dessen, dass es einem Heizvorgang ausgesetzt war, die Feldwicklung 8 auf stabile Art und Weise. Beispielsweise ist um die Feldwicklung 8 eine riemenähnliche Lage spiralförmig gewickelt, um ein Gehäuse zu vervollständigen. Die Feldwicklung 8 kann zwischen blütenblattähnlichen Lagen, welche ein Gehäuse ausformen, angeordnet sein.
Der Ständer 2 weist einen Eisenkern 32, eine Ankerwicklung 33 und einen Isolator 34 auf. Die Ankerwicklung 33 ist auf dem Eisenkern 32 vorgesehen. Der Isolator 34 schafft zwischen dem Eisenkern 32 und der Ankerwicklung 33 eine elektrische Isolierung. Wie vorher angegeben, wird der Ständer 2 durch das Gehäuse 4 gehalten. Der Eisenkern 32 weist ein Laminat aus dünnen Stahlplatten auf. Somit ist der Eisenkern 32 mehrschichtig.
Die Polkerne 7 entsprechen einem Lundel-Eisenkern. Der Eisenkern 32 des Ständers 2 entspricht einem mehrschichtigen Eisenkern.
In Bezug auf die Fig. 8 und 9 wird ein Magnetschaltkreis im Detail erklärt. Die axiale Länge L2 der zylindrischen Abschnitte 71 der Polkerne 7 ist so eingestellt, dass sie geringer ist als die axiale Länge L1 des Ständereisenkerns 32. Das Verhältnis der axialen Länge L1 zur axialen Länge L2, d. h., der Wert "L1/L2", ist in den Bereich von 1,25 bis 1,75 eingestellt. Die Axialrichtungsdicke der Jochabschnitte 72 wird durch X2 bezeichnet. Der Querschnittsbereich von jedem der Jochabschnitte 72 ist im Wesentlichen oder ungefähr gleich (in dem Bereich von ± 10%) zu dem Querschnittsbereich von jedem der zylindrischen Abschnitte 71 eingestellt, welche durch die Anzahl von Magnetpolpaaren (bei der Ausführungsform dieser Erfindung sind es sechs) geteilt sind. Die Radialrichtungsdicke der Grundflächen der klauenähnlichen Magnetpolabschnitte 73 ist mit X1 bezeichnet. Das Verhältnis von dem Wert X1 zu dem Wert X2, d. h., der Wert "X1/X2", ist in den Bereich von 0,5 bis 0,9 eingestellt. Der Außendurchmesser der zylindrischen Abschnitte 71 ist mit R2 bezeichnet. Der Außendurchmesser der klauenähnlichen Magnetpolabschnitte 73 ist mit R1 bezeichnet. Das Verhältnis aus dem Außendurchmesser R2 zu dem Außendurchmesser R1, d. h., der Wert "R2/R1", ist in den Bereich von 0,54 bis 0,60 eingestellt.
Ein Bezugsquerschnittsbereich 51 ist wie folgt definiert.
S1 = {4π/(4P)}(R2²-R3²)
worin "P" die Anzahl an Magnetpolpaaren in den Polkernen 7 und "R3" den Durchmesser der Welle 6 (welcher gleich 18% des Außendurchmessers der klauenähnlichen Magnetpolabschnitte 73 ist) bedeuten.
Die Magnetpolweite W der klauenähnlichen Magnetpolabschnitte 73 ist wie folgt eingestellt.
W = πR1/(2P)
Der Querschnittsbereich S2 der Jochabschnitte 72 ist wie folgt eingestellt.
S2 ÷ S1 = W·X2
Die axiale Länge L0 der Polkerne 7 ist so eingestellt, dass sie gleich 55% des Außendurchmessers R1 ist.
Der Wicklungsdurchmesser und ändere Abmessungen der Feldwicklung 8 sind derart ausgewählt, dass sie die folgenden Bedingungen erfüllen. Ein verwendbarer Raum, welcher durch die Innenoberflächen der zylindrischen Abschnitte 71, der Jochabschnitte 72 und der klauenähnlichen Magnetpolabschnitte 73 gebildet wird, ist durch die Feldwicklung 8 mit einer Belegung von 68% besetzt. Die Feldwicklung 8 weist einen Widerstand von 2,3 Ω auf. Der Außendurchmesser R4 des Ständers 2 ist so eingestellt, dass er gleich 129% des Außendurchmessers R1 der klauenähnlichen Magnetpolabschnitte 73 der Polkerne 7 ist. Die Abmessungen der Abschnitte des Ständereisenkerns 32 sind derart ausgewählt, dass der Querschnittsbereich in Bezug auf den Bezugsquerschnittsbereich 51 ein Verhältnis von 66% hat. Ein Verhältnis von 6% wird im Allgemeinen als ein Ergebnis dahingehend verwendet, dass das Entweichen eines magnetischen Flusses berücktsichtigt wird. Der Wicklungsdurchmesser der Ankerwicklung 33 ist derart ausgewählt, dass hinsichtlich eines Schlitzbereiches, welcher durch die vorher erwähnten Abmessungen bestimmt wird, eine Belegung von 44% geschaffen wird.
Ein Luftspalt δ in dem Wechselstromgenerator 1 (ein Luftspalt zwischen dem Ständer 2 und dem Läufer 3) ist auf einen im Allgemeinen verwendeten Wert, d. h., auf 0,35 mm eingestellt. Der Außendurchmesser F der klauenähnlichen Magnetpolabschnitte 73 ist auf 92 mm eingestellt. Die Dicke von entfernten Enden der klauenähnlichen Magnetpolabschnitte 73 und andere Abmessungen sind derart ausgewählt, dass sie einem Verhältnis entsprechen, welches dem Verhältnis eines Aufbaus aus dem Stand der Technik entspricht.
Die Ankerwicklung 33 wird durch U-förmige elektrische Leiter 232 ausgeformt, von welchen jeder zwei geradlinige Abschnitte 232 und einen gekrümmten Abschnitt 233 aufweist, welcher Enden der geradlinigen Abschnitte 232 verbindet, wie es in Fig. 16 gezeigt ist. Gemäß Fig. 17 sind die U-förmigen elektrischen Leiter 231 in Schlitze in dem Ständereisenkern 32 derart eingefügt, dass die einen der geradlinigen Abschnitte 232 der U-förmigen elektrischen Leiter 231 in inneren radialen Bereichen der Schlitze (d. h., in Öffnungsseiten der Schlitze in radialen Richtungen) angeordnet sind, um innere Schichten auszuformen, während die anderen in äußeren radialen Bereichen der Schlitze (d. h., in tiefen Bereichen der Schlitze) angeordnet sind, um äußere Schichten auszuformen. Außerdem bilden die gekrümmten Abschnitte 233 der U- förmigen elektrischen Leiter 231, welche die Enden der geradlinigen Abschnitte 232 davon verbinden, Wicklungsenden, welche sich aus den Schlitzen erstrecken. Während der Ausbildung der Ankerwicklung 33 an dem Ständereisenkern 32 sind die U-förmigen elektrischen Leiter 231 als Stapel angeordnet, wobei sie über Enden der Schlitze in einer Seite in die Schlitze derart eingefügt werden, dass die Wicklungsenden ausgerichtet sind. Die geradlinigen Abschnitte 232 der inneren Schichten und der äußeren Schichten der U-förmigen elektrischen Leiter 231, welche von den Endden der Schlitze in der anderen Seite hervorstehen, sind zu Umfangsrichtungen des Ständereisenkerns 32 gebogen. Anschließend ist jeder der geradlinigen Abschnitte 232, welcher sich aus den Schlitzen erstreckt, mit dem anderen der geradlinigen Abschnitte 232, welcher von dem ersteren geradlinigen Abschnitt 232 durch einen Pol getrennt ist und welcher sich in einer Lage befindet, welche sich von der Lage des ersteren geradlinigen Abschnittes 232 unterscheidet, verbunden. Die elektrischen Leiter 231 in den äußeren und inneren Schichten in unterschiedlichen Schlitzen sind in Reihe geschaltet, um die Ankerwicklung 33 zu vervollständigen.
Es werden die Vorteile erklärt, welche durch die Ausführungsform dieser Erfindung geschaffen werden. Wie vorher aufgezeigt, ist das Verhältnis der axialen Länge L1 des Ständereisenkerns 32 zur axialen Länge L2 der zylindrischen Abschnitte 71 der Polkerne 7, d. h., der Wert "L1/L2", in den Bereich von 1,25 bis 1,75 eingestellt. Daher können die Jochabschnitte 72 der Polkerne 7 so hergestellt sein, dass sie dem Ständereisenkern 32 gegenüberliegen, und ein magnetischer Fluss kann direkt von den Jochabschnitten 72 in den Ständereisenkern 32 strömen. Somit kann der magnetische Fluss, welcher von den klauenähnlichen Magnetpolabschnitten 73 kommt, verringert werden und der Querschnittsbereich der klauenähnlichen Magnetpolabschnitte 73 kann im Verhältnis dazu verringert werden. Demgemäß ist der verwendbare Raum in den Polkernen 7 mit einem Überschuß vorgesehen, so dass das Verhältnis von dem Außendurchmesser R2 der zylindrischen Abschnitte 71 zu dem Außendurchmesser R1 der klauenähnlichen Magnetpolabschnitte 73, d. h. eißt, der Wert "R2/R1", angemessen eingestellt werden kann, wobei ein Magnetweg- Querschnittsbereich größer ist als der bei einem Aufbau aus dem Stand der Technik, während ein geeigneter Wicklungsquerschnittsbereich geschaffen ist. Der Wert "R2/R1" ist in einen bevorzugten Bereich, d. h., in den Bereich von 0,54 bis 0,60 eingestellt. Daher kann die Ausgangsleistung des Wechselstromgenerators über die Ausgangsleistung hinaus verbessert werden, welche bei einem Aufbali aus dem Stand der Technik erhältlich ist.
Wie vorher angegeben, ist das Verhältnis der Radialrichtungsdicke X1 der Grundflächen der klauenähnlichen Magnetpolabschnitte 73 zu der Radialrichtungsdicke X2 der Jochabschnitte 72, d. h., der Wert "X1/X2" in den Bereich von 0,5 bis 0,9 eingestellt. Somit kann die magnetische Flussdichte in den klauenähnlichen Magnetpolabschnitten 73 ohne Überbrückungen und Kurzschlüsse auf einen geeigneten Wert eingestellt werden. Demgemäß ist es möglich, zu verhindern, dass die klauenähnlichen Magnetpolabschnitte 73 so dick sind, dass sich der Wicklungsquerschnittsbereich verschlechtert. Auch ist es möglich, zu verhindern, dass die klauenähnlichen Magnetpolabschnitte 73 so dünn sind, dass sich die Ausgangsleistung des Wechselstromgenerators verringert.
Die Vorteile der Ausführungsform dieser Erfindung wurden durch Versuche bestätigt. Fig. 10 zeigt die Ergebnisse von Versuchen, während welcher die Wechselstromgenerator-Ausgangsleistung pro Gewichtseinheit bzw. Masseeinheit gemessen wurde, während die Verhältnisse "L1/L2" und "R2/R1" als Parameter verändert wurden. Wie vorher angegeben, ist der Wert "L1/L2" gleich dem Verhältnis von der axialen Länge L1 des Ständereisenkerns 32 zur axialen Länge L2 der zylindrischen Abschnitte 71 der Polkerne 7. Der Wert "R2/R1" ist gleich dem Verhältnis von dem Außendurchmesser R2 der zylindrischen Abschnitte 71 zu dem Außendurchmesser R1 der klauenähnlichen Magnetpolabschnitte 73.
In Fig. 10 bezeichnet die Ordinate den Wert "L1/L2', d. h., das Verhältnis aus der axialen Länge L1 des Ständereisenkerns 32 zu der axialen Länge L2 der zylindrischen Abschnitte 71 der Polkerne 7, während die Abszisse den Wert "R2/R1" bezeichnet, d. h., das Verhältnis von dem Außendurchmesser R2 der zylindrischen Abschnitte 71 zu dem Außendurchmesser R1 der klauenähnlichen Magnetpolabschnitte 73. In Fig. 10 ist die Wechselstromgenerator-Ausgangsleistung pro Gewichtseinheit bzw. Masseeinheit durch die Umrisslinien gekennzeichnet. Während der Versuche wurde die maximale Ausgangsleistung des Wechselstromgenerators dann gemessen, wenn der Wechselstromgenerator mit einer Drehzahl von 2000 Umdrehungen pro Minute, einer Wechselstromgenerator- Spannung von 13,5 V und unter Vorhandensein einer thermalen Sättigung betrieben wurde. Die Wechselstromgenerator-Ausgangsleistung pro Gewichtseinheit bzw. Masseeinheit in Fig. 10 war gleich der maximalen wechselstromgenerator-Ausgangsleistung geteilt durch die Summe der Gewichte des Läufers und des Ständers.
Fig. 11 zeigt Zustände von einem Bereich in der Nähe des maximalen Punktes in Fig. 10. Insbesondere zeigt Fig. 11 die wechselstromgenerator-Ausgangsleistung pro Gewichtseinheit bzw. Masseeinheit, welche in dem Fall erhältlich war, wo das Verhältnis "R2/R1" geändert wurde, während das Verhältnis "L1/L2" auf 1,50 fest eingestellt war.
Fig. 12 zeigt Zustände von einem Bereich in der Nähe des maximalen Punktes in Fig. 10. Insbesondere zeigt Fig. 12 die wechselstromgenerator-Ausgangsleistung pro Gewichtseinheit bzw. Masseeinheit, welche in dem Fall erhältlich war, wo das Verhältnis "L1/L2" geändert wurde, während das Verhältnis "R2/R1" auf 0,56 fest eingestellt war.
In Fig. 10 erstreckt sich ein Bereich aus dem Stand der Technik nahe zu der Linie, auf welcher das Verhältnis "L1/L2" gleich "1" ist. Gemäß Fig. 10 steigt das Wechselstromgenerator-Ausgangsverhältnis pro Gewichtseinheit bzw. Masseeinheit in einem Bereich an; wo beide Verhältnisse "LT/L2" und "R2/R1" gegenüber den Verhältnissen erhöht sind, welche in dem Bereich aus dem Stand der Technik erhältlich sind. Insbesondere ist die Wechselstromgenerator-Ausgangsleistung pro Gewichtseinheit bzw. Masseeinheit maximiert, wenn das Verhältnis "L1/L2" gleich ungefähr 1,5 ist, während das Verhältnis "R2/R1" gleich ungefähr 0,56 ist. Der optimale Bereich des Verhältnisses "R2/R1" verschiebt sich gemäß einer Änderung des Verhältnisses "L1/L2" hinsichtlich des Bereichs aus dem Stand der Technik. In dem Fall, wo der Magnetweg-Querschnittsbereich größer ist als der, der bei dem Aufbau aus dem Stand der Technik erhältlich ist, oder in dem Fall, wo der Außendurchmesser R2 der zylindrischen Abschnitte 71 relativ groß ist, ist der optimale Punkt erhältlich und die maximale Ausgangsleistung des Wechselstromgenerators wird weiter erhöht. Andererseits nimmt das Gewicht des Ständers 2 übermäßig stark zu, wenn der Anstieg bei dem Verhältnis "L1/L2 " einen bestimmten Wert überschreitet. Es wurde herausgefunden, dass die wechselstromgenerator-Ausgangsleistung pro Gewichtseinheit bzw. Masseeinheit gegenüber der bei dem Aufbau aus dem Stand der Technik verbessert ist, wenn sich das Verhältnis "L1/L2" in dem Bereich von 1,25 bis 1,75 und das Verhältnis "R2/R1" in dem Bereich von 0,54 bis 0,60 befinden.
Es ist in Fig. 10 gezeigt, dass nur eine Änderung bei dem Verhältnis "L1/L2" oder nur eine Änderung bei dem Verhältnis "R2/R1" kaum eine Wirkung schafft und dass eine derartige Änderung dazu neigt, die Ausgangsleistung des wechselstromgenerators zu verringern. Bei der Ausführungsform dieser Erfindung sind die Verhältnisse "L1/L2" und "R2/R1" geeignet eingestellt und dadurch wird ein Synergieeffekt geschaffen, welcher gute Ausgangseigenschaften des Wechselstromgenerators bewirkt, die bei einem Aufbau aus dem Stand der Technik nicht erhältlich sind.
Fig. 13 zeigt graphisch dargestellte Werte der Wechselstromgenerator-Ausgangsleistung pro Gewichtseinheit bzw. Masseeinheit, welche sich in dem Fall ergaben, wo das Verhältnis "L1/L2 als ein Parameter verwendet wurde, der Außendurchmesser R1 der klauenähnlichen Magnetpolabschnitte 73 gleich 92 mm war und der Außendurchmesser R2 der zylindrischen Abschnitte 71 unter Bezugnahme auf Fig. 10 auf den optimalen Wert eingestellt war, und wo die Radialrichtungsdicke X1 der Gruhdflächen der klauenähnlichen Magnetpolabschnitte verändert wurden. In Fig. 13 bezeichnet die Ordinate den Wert "L1/L2", d. h., das Verhältnis aus der axialen Länge L1 des Ständereisenkerns 32 zur axialen Länge L2 der zylindrischen Abschnitte 71 der Polkerne 7, während die Abszisse den Wert "X1/X2" bezeichnet, d. h., das Verhältnis aus der Radialrichtungsdicke X1 der Grundflächen der klauenähnlichen Magnetpolabschnitte 72 zur Axialrichtungsdicke X2 der Jochabschnitte 72. In Fig. 13 ist die wechselstromgenerator-Ausgangsleistung pro Gewichtseinheit bzw. Masseeinheit durch die Umrisslinien gekennzeichnet.
Fig. 14 zeigt Zustände von einem Bereich in der Nähe des maximalen Punktes in Fig. 13. Insbesondere zeigt Fig. 14 die wechselstromgenerator-Ausgangsleistung pro Gewichtseinheit bzw. Masseeinheit, welche in dem Fall erhältlich war, wo das Verhältnis "X1, X2" verändert wurde, während das Verhältnis "L1/L2" auf 1,50 eingestellt war.
Fig. 15 zeigt Zustände von einem Bereich in der Nähe des maximalen Punktes in Fig. 13. Insbesondere zeigt Fig. 15 die Wechselstromgenerator-Ausgangsleistung pro Gewichtseinheit bzw. Masseeinheit, welche in dem Fall erhältlich war, wo das Verhältnis "L1/L2" verändert wurde, während das Verhältnis "X1/X2" auf 0,65 eingestellt war.
Aus Fig. 13 ist ersichtlich, dass sich der optimale Bereich von dem Verhältnis "X1/X2" gemäß einer Änderung des Verhältnisses "L1/L2" verschiebt. In dem Fall, wo der Querschnittsbereich der Grundflächen der klauenähnlichen Magnetpolabschnitte 73 oder die Radialrichtungsdicke X1 der Grundflächen der klauenähnlichen Magnetpolabschnitte 73 geringer ist als der bzw. die bei dem Aufbau aus dem Stand der Technik, ist der optimale Punkt erhältlich und die maximale Ausgangsleistung des Wechselstromgenerators wird weiter erhöht. Andererseits nimmt das Gewicht des Ständers 2 übermäßig stark zu, wenn die Zunahme bei dem Verhältnis "L1/L2" einen bestimmten Wert überschreitet. Es wurde herausgefunden, dass die Wechselstromgenerator- Ausgangsleistung pro Gewichtseinheit bzw. Masseeinheit gegenüber der bei dem Aufbau aus dem Stand der Technik verbessert ist, wenn sich das Verhältnis "L1/L2" in dem Bereich von 1,25 bis 1,75 und das Verhältnis "X1/X2" in dem Bereich von 0,5 bis 0,85 befinden. Unter diesen Einstellungen kann die magnetische Flussdichte in den klauenähnlichen Magnetpolabschnitten 72 ohne Überbrückungen und Kurzschlüsse auf einen geeigneten Wert eingestellt werden. Demgemäß ist es möglich, zu verhindern, dass die klauenähnlichen Magnetpolabschnitte 73 so dick werden, dass sich der Wicklungsquerschnittsbereich verschlechtert. Auch ist es möglich zu verhindern, dass die klauenähnlichen Magnetpolabschnitte 73 so dünn werden, dass das Ausgangsverhältnis des Wechselstromgenerators verringert wird.
In Fig. 13 ist gezeigt, dass nur eine Änderung des Verhältnisses "L1/L2" oder nur eine Änderung des Verhältnisses "X1/X2" kaum eine Wirkung schafft und dass eine derartige Änderung dazu neigt, die Ausgangsleitung des Wechselstromgenerators zu verringern. Bei der Ausführungsform dieser Erfindung sind das Verhältnis "L1/L2" und "X1/X2" geeignet eingestellt und daher wird ein Synergieeffekt geschaffen, welcher gute Ausgangsleistungen des Wechselstromgenerators schafft, welche bei einem Aufbau aus dem Stand der Technik nicht erhältlich sind.
Bei der Ausführungsform dieser Erfindung sind die Parameter in die optimalen Bereiche eingestellt, wie es oben erläutert wurde. Daher ist es möglich, einen geeigneten Kernquerschnittsbereich und einen geeigneten wicklungsquerschnittsbereich zu schaffen, welche bei einem Aufbau aus dem Stand der Technik nicht eingestellt werden können, ohne dass der Läufer 3 vergrößert wird. Außerdem ist es möglich, einen kompakten Aufbau und eine Hochleistungsausgabe des Wechselstromgenerators 1 zu erlangen weil die Wärmemenge, welche durch die Feldwicklung 8 erzeugt wird, mit der bei dem Aufbau aus dem Stand der Technik verglichen werden kann, kann das Auftreten des Problems, dass die Feldwicklung 8 überhitzt wird, verhindert werden. Die Wicklungsendabschnitte an dem Ständer 2 dienen als Kühlrippen. Weil bei der Ausführungsform dieser Erfindung der Bereich, über welchen die Wicklungsendabschnitte an dem Ständer 2 den Kühlflügeln 12 gegenüberliegen, relativ weit ist, kann die Ankerwicklung 33 effektiv gekühlt werden.
Weil bei der Ausführungsform dieser Erfindung die Feldwicklung 8 eine bergähnliche Form aufweist, nimmt der. Bereich, welcher durch die Feldwicklung 8 belegt ist, zu, so dass eine höhere Ausgangsleistung des Wechselstromgenerators erhältlich ist. Weil die Feldwicklung 8 unter einer geeigneten Druckkraft mit den Innenumfangsflächen der klauenähnlichen Magnetpolabschnitte 73 in Eingriff steht, ist es möglich, zu verhindern, dass durch einen Magnetkraftwiderstand der klauenähnlichen Magnetpolabschnitte 73 ein Rauschen verursacht wird. Somit kann die Dicke der Grundflächen der klauenähnlichen Magnetpolabschnitte 73 gering gemacht werden, ohne dass auf deren Steifigkeit achtgegeben wird, und es wird ohne Einschränkung durch ein Rauschen die maximale Ausgangsleistung des Wechselstromgenerators erzielt.
Bei der Ausführungsform dieser Erfindung ist die Feldwicklung 8 von dem Isolierpapier 81 umgeben, welches die mit Harz impregnierte Lage verwendet. Somit ist zwischen den klauenähnlichen Magnetpolabschnitten 73 und der Feldwicklung 8 eine ausreichende elektrische Isolierung geschaffen, der Raum in den Polkernen 7 kann bis zu seinem Maximum verwendet werden und die Ausgangsleistung des Wechselstromgenerators kann weiter erhöht werden. Es ist unnötig, zum Befestigen der Feldwicklung 8 ein Klebemittel zu verwenden. Dies ist für einen vereinfachten Aufbau des Wechselstromgenerators von Vorteil.
Bei der Ausführungsform dieser Erfindung ist der Transistor in der Spannungs-Einstellvorrichtung 11 mit der Seite einer hohen Spannung der Feldwicklung 8 verbunden. Somit ist die Feldwicklung 8 keiner Spannung unterworfen, wenn das Fahrzeug außer Betrieb bleibt. Demgemäß ist es möglich, zu verhindern, dass zwischen der Feldwicklung 8 und den Polkernen 7 eine galvanische Korrosion auftritt. Die Feldwicklung 8, welche eine bergähnliche Form aufweist, verschlechtert die Umgebungseigenschaften nicht und die betreffende Belegung wird verbessert.
Gemäß Fig. 17 ist die Ankerwicklung 33 durch eine gleichmäßige Anordnung der U-förmigen elektrischen Leiter 231 ausgeformt. Die Ankerwicklung 33 weist eine derartige Struktur auf, dass die elektrischen Leiter 231, welche die Wicklungsendabschnitte ausformen, in gleichmäßigen Abständen in der Umfangsrichtung des Ständereisenkerns 32 beabstandet sind.
Bei dem Aufbau aus dem Stand der Technik überlappen Wicklungsenden einer Ankerwicklung an dem Ständer, welche unterschiedliche Phasen aufweisen, einander in Radialrichtungen teilweise und die Radialrichtungsdicke der Wicklungsenden muss gering sein, um den Ständer mit der Ankerwicklung in einem Wechselstromgenerator-Gehäuse anzuordnen. Demgemäß ist bei dem Aufbau aus dem Stand der Technik die Axialrichtungshöhe der Wicklungsenden gewöhnlich derart eingestellt, dass sie groß ist, die wicklungsenden sind daher in flacher Form hergestellt und deren Radialrichtungsdicke ist so eingestellt, dass sie gering ist. Somit ist es bei dem Aufbau aus dem Stand der Technik notwendig, dass die Höhe der Wicklungsenden gleich oder größer als ein bestimmter Wert ist. Als ein Ergebnis hieraus nimmt bei dem Aufbau aus dem Stand der Technik die Axialrichtungslänge des Ständers zu, wenn die axiale Länge des Ständereisenkerns zunimmt, und es ist schwierig, den Ständer anzuordnen, ohne dass ein Axialrichtungsraum in dem Wechselstromgenerator-Gehäuse geändert wird.
Gemäß Fig. 17 ist andererseits bei der Ausführungsform dieser Erfindung die Axialrichtungsdicke der Wicklungsenden gleich und die Höhe der Wicklungsenden kann geringer sein als die bei dem Aufbau aus dem Stand der Technik. Demgemäß kann die axiale Länge L1 des Ständereisenkerns 32 größer sein als die bei dem Aufbau aus dem Stand der Technik, während das Gehäuse 4 des Wechselstromgenerators 1 unverändert bleibt. Daher können die Parameter des Wechselstromgenerators 1 in den vorher erwähnten optimalen Bereichen ohne Einschränkung durch das Gehäuse 4 des Wechselstromgenerators 1 eingestellt werden. Als ein Ergebnis hieraus ist es möglich, einen kompakten Aufbau und eine hohe Ausgangsleistung des Wechselstromgenerators zu schaffen. Gleichzeitig kann die Wicklungslänge kürzer sein und die axiale Länge L1 des Ständereisenkerns kann erhöht werden, ohne dass der Widerstand der Ankerwicklung erhöht wird. Dadurch kann ein Anstieg des Kupferverlustes vermieden werden, und daher werden eine hohe Effizienz und eine hohe Kühlleistung des Wechselstromgenerators 1 erzielt.
Bei der Ausführungsform dieser Erfindung ist das Verhältnis der axialen Länge L1 des Ständereisenkerns 32 zur axialen Länge L2 der zylindrischen Abschnitte 71 der Polkerne 7, d. h., der Wert "L1 /L2 " in den Bereich von 1,25 bis 1,75 eingestellt. Darüber hinaus ist das Verhältnis aus dem Außendurchmesser R2 der zylindrischen Abschnitte 71 zu dem Außendurchmesser R1 der klauenähnlichen Magnetpolabschnitte 73, d. h., der Wert "R2/R1" in den Bereich von 0,54 bis 0,60 eingestellt. Außerdem ist das Verhältnis aus der Dicke X1 der Grundfläche der klauenähnlichen Magnetpolabschnitte 73 zur Dicke X2 der Jochabschnitte 72, d. h., der Wert "X1/X2" in den Bereich von 0,5 bis 0,9 eingestellt. Um eine stabile und hohe Wechselstromgeneratof-Ausgangsleistung pro Gewichtseinheit bzw. Masseeinheit zu schaffen, werden gemäß den Fig. 10 und 13 das Verhältnis "L1/L2" in den Bereich von 1,45 bis 1,55, das Verhältnis "R2/R1" in den Bereich von 0,54 bis 0,58 und das Verhältnis "X1/X2" in den Bereich von 0,6 bis 0,87 eingestellt.
Bei der Ausführungsform dieser Erfindung hat die Feldwicklung 8 einen Widerstand von 2,3 Ω. Sogar in dem Fall, wo sich der Widerstand der Feldwicklung 8 von 2,3 Ω unterscheidet, ist das Prinzip das gleiche, und es sind gleiche Ergebnisse erhältlich, während sich nur die Wicklung "AT" ändert (d. h., während sich nur die Abmessung der Feldwicklung 8 ändert).
Durch Begrenzung der Kühlfähigkeit eines luftgekühlten Wechselstromgenerators für ein Fahrzeug wird ein allgemeiner Bereich für den Widerstand einer Feldwicklung bestimmt. Der allgemeine Bereich erstreckt sich für einen Wechselstromgenerator, der so ausgestaltet wurde, dass er bei einer Spannung von 12 V arbeitet, von 1,2 Ω bis 3,6 2. Der allgemeine Bereich erstreckt sich für einen Wechselstromgenerator, der so ausgestaltet wurde, dass er bei einer Spannung von 24 V arbeitet, von 4,8 Ω bis 14,4 Ω. Die Parametereinstellbereiche bei der Ausführungsform dieser Erfindung sind wirksam, wenn sich der Widerstand der Feldwicklung 8 in dem oben erwähnten allgemeinen Bereich befindet.
Bei der Ausführungsform dieser Erfindung beträgt der Außendurchmesser R1 der klauenähnlichen Magnetpolabschnitte 73 gleich 92 mm. Gleiche vorteilhafte Ergebnisse können sogar dann erzielt werden, wenn die Größe der klauenähnlichen Magnetpolabschnitte 73 geändert wird. Die Parametereinstellbereiche bei der Ausführungsform dieser Erfindung sind wirksam, wenn der Außendurchmesser R1 der klauenähnlichen Magnetpolabschnitte 73 in den Bereich von 70 mm bis 110 mm eingestellt ist.
Bei der Ausführungsform dieser Erfindung beträgt die Anzahl an Polen in dem Läufer 3 zwölf. Gleiche Vorteile können sogar dann erzielt werden, wenn die Anzahl an Polen in dem Läufer 3 gleich einem anderen Wert ist, beispielsweise vierzehn oder sechzehn.

Claims

1. Wechselstromgenerator für ein Fahrzeug, der aufweist:

einen Feldläufer (3), der einen Lundel-Eisenkern (7) und eine Feldwicklung (8) beinhaltet, die auf dem Lundel- Eisenkern (7) angeordnet ist, wobei der Lundel-Eisenkern (7) einen zylindrischen Abschnitt (71), einen Jochabschnitt (72) und einen klauenähnlichen Magnetpolabschnitt (73) aufweist, wobei die Feldwicklung (8) auf dem zylindrischen Abschnitt (71) angeordnet ist, wobei sich der Jochabschnitt (72) in einer radial nach außen gehenden Richtung von dem zylindrischen Abschnitt (73) ausdehnt, wobei der klauenähnliche Magnetpolabschnitt (73) mit dem Jochabschnitt (72) verbunden ist und derart ausgebildet ist, daß er die Feldwicklung (8) umgibt; und

einen Ständer (2), der radial außerhalb des klauenähnlichen Magnetpolabschnitts (73) angeordnet ist und dem klauenähnlichen Magnetpolabschnitt (73) gegenüberliegt, wobei der Ständer einen mehrschichtigen Eisenkern (32) und eine Ankerwicklung (33) beinhaltet, die auf dem mehrschichtigen Eisenkern (32) angeordnet ist,

wobei sich ein Verhältnis einer Axialrichtungslänge L1 des mehrschichtigen Eisenkerns (32) des Ständers (2) zu einer Axialrichtungslänge L2 des zylindrischen Abschnitts (71) des Lundel-Eisenkerns (7) in einem Bereich von 1,25 bis 1,75 befindet und sich ein Verhältnis eines Außendurchmessers R2 des zylindrischen Abschnitts (71) des Lundel-Eisenkerns (7) zu einem Außendurchmesser R1 des klauenähnlichen Magnetpolabschnitts (73) des Lundel- Eisenkerns (7) in einem Bereich von 0,54 bis 0,60 befindet.

2. Wechselstromgenerator nach Anspruch 1, wobei sich ein Verhältnis einer Radialrichtungsdicke X1 einer Grundfläche des klauenähnlichen Magnetpolabschnitts (73) zu einer Axialrichtungsdicke X2 des Jochabschnitts (72) in einem Bereich von 0,5 bis 0,9 befindet.

3. Wechselstromgenerator nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Axialrichtungsquerschnitt der Feldwicklung (8) im wesentlichen symmetrisch bezüglich einer Axialrichtungsmitte ist und eine derartige bergähnliche Form aufweist, daß ein Außendurchmesser eines Teils der Feldwicklung (8) größer ist, wenn der Teil der Feldwicklung näher bei der Radialrichtungsmitte ist.

4. Wechselstromgenerator nach Anspruch 3, der weiterhin eine mit Harz imprägnierte Lage aufweist, die die Feldwicklung (8) umgibt, wobei die Feldwicklung über die mit Harz imprägnierte Lage mit einer Innenumfangsoberfläche des klauenähnlichen Magnetpolabschnitts (73) in Eingriff steht.

5. Wechselstromgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, der weiterhin eine Feldstrom-Einstellvorrichtung (11) aufweist, die einen Transistor beinhaltet, welcher mit einer Seite einer hohen Spannung der Feldwicklung (8) verbunden ist.

6. Wechselstromgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der mehrschichtige Eisenkern (32) Schlitze aufweist und die Ankerwicklung (33) eine Mehrzahl von elektrischen Leitern (231) aufweist, wobei mindestens ein Paar der elektrischen Leiter vorgesehen ist, welche bezüglich Tiefenrichtungen der Schlitze elektrisch voneinander isoliert sind und welche in äußere Schichten, die in tiefen Bereichen der Schlitze angeordnet sind, und innere Schichten getrennt sind, die in Öffnungsseiten der Schlitze angeordnet sind, und wobei die elektrischen Leiter in den äußeren Schichten und inneren Schichten in unterschiedliechen Schlitzen in Reihe geschaltet sind.