DE69803745T2

DE69803745T2 - Wechselstromgenerator für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE69803745T2
Application number: DE69803745T
Authority: DE
Inventors: Shin Kusase; Tsutomu Shiga; Atsushi Umeda
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-12-10
Filing date: 1998-12-04
Publication date: 2002-09-26
Anticipated expiration: 2018-12-05
Also published as: EP0923187B1; EP0923187B2; DE69803745T3; EP0923187A3; DE69803745D1; EP0923187A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator eines Generators für ein Fahrzeug.
Ein in der JP-A-3-235644 geoffenbarter Generator weist ein Paar von Kühllüftern auf, die an einander gegenüberliegenden Seiten eines Rotors befestigt sind. Das Paar von inneren Kühllüftern kann Kühlluft in Gehäuseteile ziehen und die Kühlluft aus Fenstern abgeben, die in der Umfangsfläche der Gehäuseteile gebildet sind, wodurch die Statorwicklung gekühlt wird.
Die US-PS 1,822,261 und die WO92/06527 offenbaren eine Mehrzahl von U- förmigen Leitersegmenten, welche zur Bildung einer Statorwicklung verschweißt sind. An den verschweißten Teilen können jedoch scharfe Kanten entstehen. Solche Kanten können eine Konzentration mechanischer Spannungen und elektrochemischer Beanspruchung bewirken und resultieren daher in mechanischen Brüchen oder elektrochemischer Korrosion. Darüber hinaus kann Staub oder können Fremdkörper, welcher bzw. welche mit der Kühlluft eingeführt wurde bzw. wurden, sich an den Kanten ansammeln, wenn eine solche Statorwicklung durch derartige innere Kühllüfter gekühlt wird. Wird von den inneren Kühllüftern Salzwasser eingeführt, können Isolierteile, die sich im Stator befinden, beschädigt werden.
Die vorliegende Erfindung soll solche mechanische und elektrochemische Schwierigkeiten an den Verbindungsbereichen von Leitersegmenten verhindern, welche eine Statorwicklung bilden.
In einem Stator eines Generators für ein Fahrzeug gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung ist die Statorwicklung aus einer Mehrzahl von Leitersegmenten zusammengesetzt, welche Endbereiche aufweisen, die relativ zu einander in entgegengesetzter Richtung wegragen, und es ist eine Anzahl von kugelförmigen Verbindungsabschnitten zwischen den Leitersegmenten vorgesehen, um kontinuierlich verbundene Spulen zu bilden. Jeder der kugelförmigen Verbindungsabschnitte enthält ein Ende eines Leitersegmentes und das andere Ende eines anderen Leitersegmentes.
Vorzugsweise liegen die kugeligen Verbindungsabschnitte auf der selben Seite des Statorkerns. Jedes der Leitersegmente kann einen U-förmigen Abschnitt aufweisen.
Die Leitersegmente sind vorzugsweise durch eine berührungsfrei arbeitende Schweißeinrichtung, beispielsweise eine Wolfram-Inertgas-Schweißeinrichtung (TIG) verschweißt, um die Verbindungsabschnitte in kugeliger Gestalt zu erzeugen. Die Ziele, Merkmale und charakteristischen Eigenschaften der vorliegenden Erfindung sowie die Funktion der entsprechenden Teile nach der vorliegenden Erfindung ergeben sich deutlich aus dem Studium der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, der anliegenden Ansprüche und der Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittansicht, die den gesamten Aufbau eines Generators für ein Fahrzeug mit einem Stator gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung erkennen läßt;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Leitersegmentes des Stators gemäß der ersten Ausführungsform;
Fig. 3 eine ausschnittsweise schematische Querschnittsdarstellung des Stators gemäß der ersten Ausführungsform;
Fig. 4 eine ausschnittsweise Seitenansicht des Stators gemäß der ersten Ausfühungsform;
Fig. 5A eine perspektivische Darstellung eines Verbindungsabschnittes vor dem Verschweißen der Leitersegmente gemäß Fig. 2;
Fig. 5B eine perspektivische Ansicht des Verbindungsabschnittes nach dem Verschweißen;
Fig. 5C eine schematische Querschnittsansicht des Verbindungsabschnittes;
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht, welche die Spulenenden oder Spulenköpfe des Stators gemäß der ersten Ausführungsform erkennen läßt;
Fig. 7 eine ausschnittsweise Querschnittsansicht des Stators gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 8 eine ausschnittsweise perspektivische Ansicht des Stators gemäß der zweiten Ausführungsform;
Fig. 9 eine perspektivische Ansicht eines Leitersegmentes eines Stators gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung und
Fig. 10 eine ausschnittsweise Seitenansicht des Stators gemäß der dritten Ausführungsform.

(Erste Ausführungsform)

Ein Stator eines Generators für ein Fahrzeug gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 6 beschrieben.
In Fig. 1 ist zu sehen, daß der Generator 1 für das Fahrzeug aus einem Stator 2, einem Rotor 3, einem Paar von Gestellteilen oder Gehäusehälften 4, einem Gleichrichter 5 und weiteren Teilen zusammengesetzt ist.
Der Stator 2 besteht aus einem Statorkern 32, einer Anzahl von Leitersegmenten 33, welche eine Statorwicklung bilden, sowie einer Isolation 34, die zwischen den Statorkern 32 und den Leitersegmenten 33 angeordnet ist. Der Statorkern 32 ist aus zylindrischen dünnen Stahlblechen laminiert und besitzt eine Mehrzahl von Nuten an seinem Innenumfang. Leitersegmente 33 erstrecken sich von dem Statorkern 32 weg und bilden Spulenenden oder Spulenköpfe 31.
Der Rotor 3 ist aus einer zylindrisch gewickelten und isolierten Feldspule 8, einem Paar von Polkernen 7, welche jeweils sechs klauenartige Pole aufweisen und zwischen sich die Feldspule einschließen, und einer Welle 6 zusammengesetzt, die durch Treibsitz mit dem Paar von Polkernen 7 verbunden ist. Der Rotor 3 weist an seinem Frontende einen Kühllüfter 11 der Mischströmungsart auf, um Kühlluft von den Frontbereichen des Rotors in axialer und radialer Richtung zu fördern und weiter weist der Rotor an seinem rückwärtigen Ende eine Kühllüfter 12 der Zentrifugalbauart auf, um Kühlluft von den rückwärtigen Bereichen des Rotors in radialer Richtung zu fördern.
Das Paar von Gestellteilen oder Gehäuseteilen 4 nimmt den Stator und den Rotor 3 auf und lagert diese Teile gegeneinander, so daß der Rotor 3 sich um die Welle 6 drehen kann und der Statorkern 2 über einen bestimmten Luftspalt den Umfang des Rotors 3 umgibt. Das Paar von Gestellteilen oder Gehäuseteilen 4 hat Luftaustrittsfenster 42 an denjenigen Stellen, welche den Spulenenden oder Spulenköpfen 31 des Stators 2 gegenüberliegen, sowie Lufteintrittsfenster 41 an den axial gegenüberliegenden Oberflächenbereichen der Gehäuseteile.
Der Generator 1 für ein Kraftfahrzeug wird durch einen Motor oder eine Maschine (nicht dargestellt) über eine Riemenscheibe 20 und einen Treibriemen angetrieben. Wenn die Feldspule 8 mit Erregerstrom beaufschlagt wird, dann werden die klauenartigen Pole des Paars von Polkernen 7 erregt und induzieren in der Statorwicklung eine dreiphasige Wechselspannung, und es wird Gleichstromleistung von den Ausgangsklemmen des Gleichrichters 5 geliefert.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, hat jedes der U-förmigen Kupfer-Leitersegmente 33 einen U-förmigen Abschnitt 33c, einen inneren Abschnitt 33a, der in einer der Nuten 35 auf einem Umfang innerhalb desjenigen des U-förmigen Abschnittes 33c anzuordnen ist, sowie einen äußeren Abschnitt 33b, der in einer anderen der Nuten 35 auf einem Umfang außerhalb desjenigen des U-förmig gebogenen Abschnittes 33c anzuordnen ist. Sowohl der innere Abschnitt 33a als auch der äußere Abschnitt 33b weisen einen geraden Abschnitt auf, der in eine der Nuten 35 einzusetzen ist, sowie einen Teil, der sich außerhalb der betreffenden der Nuten 35 erstreckt.
Wenn die Statorwicklung hergestellt wird, werden zwei Leitersegmente 33 in jede der Nuten 35 eingesetzt und jeder Endabschnitt 33d wird mit einem unterschiedlichen Endabschnitt 33d verbunden, der aus einer anderen der Nuten 35 hervorsteht. Wie in Fig. 3 gezeigt ist haben sowohl der innere Abschnitt 33a als auch der äußere Abschnitt 33b rechteckigen Querschnitt, wobei die radialen Seiten länger als die umfangsmäßigen Seiten sind. Da die Leitersegmente 33 nicht mit Isolierwerkstoff beschichtet sind, ist ein S-förmiger Isolator 34 in jede der Nuten 35 eingesetzt, um die beiden Leitersegmente voneinander zu isolieren.
Wie in Fig. 4 gezeigt ist, befinden sich die U-förmig gebogenen Abschnitte 33c auf derselben Seite des Statorkerns 32. Geneigte oder schräg verlaufende Abschnitte 33e, welche nach links vorstehen, sind aus den äußeren Abschnitten 33b gebildet, und geneigt oder schräg verlaufende Abschnitte 33e, die nach rechts vorstehen, sind aus den inneren Abschnitten 33a gebildet, um gleichförmige Spulenenden oder Spulenköpfe 31 auszubilden. Jeder der Verbindungsabschnitte 33f ist so ausgebildet, daß er sich an einen weiteren anschließt, wie aus Fig. 5A ersichtlich ist. Die verbindenden Endabschnitte 33d werden durch eine berührungsfreie Schweißeinrichtung miteinander verschweißt, beispielsweise eine Wolfram-Inertgas-Schweißeinrichtung (nachfolgend als TIG-Schweißeinrichtung bezeichnet), so daß nur ein begrenzter Bereich der Endabschnitte schmelzen kann, um kugelige oder tropfenförmige Verbindungsabschnitte 33f zu erzeugen. Die TIG-Schweißeinrichtung bewirkt eine Stromentladung zwischen einer Wolframelektrode und einem Bauteil aus Basismetall in einer Inertgasatmosphäre, um das Bauteil aus Basismaterial und ein Bauteil aus Füllermetall für die Schweißung aufzuschmelzen. Die TIG-Schweißeinrichtung kann die Menge der Wärme und die Menge an Füllmaterial gesondert steuern.
Die Endabschnitte 33d benachbarter Leitersegmente 33 werden Seite an Seite gebracht, und eine Düse mit einer Wolframelektrode wird nahe an die Endabschnitte 33d positioniert, die durch die TIG-Schweißeinrichtung verschweißt werden sollen.
Da die Leitersegmente 33, die aus Kupfer gefertigt sind, in hohem Maße wärmeleitend sind, wird jeder der Verbindungsabschnitte 33f weit genug aufgeschmolzen, um die Form einer regentropfenartigen Kugel anzunehmen, ohne daß Kanten entstehen, was auf der Oberflächenspannung beruht, wie man aus Fig. 5B ersieht. Jeder der Verbindungsabschnitte 33f wird größer als die Teile des Leitersegmentes 33 sowohl bezüglich Dicke (T > t) als auch bezüglich der Breite (W > 2w). An den Verbindungsabschnitten 33f kann daher eine ausreichende mechanische Widerstandsfähigkeit und ausreichende elektrische Leitung vorgesehen werden. Die kantenfreien, kugelförmigen Bereiche sind frei von Spannungskonzentration und Korrosionsneigung. Die kugelförmige Oberfläche der Verbindungsabschnitte 33f wird gleichmäßig mit einem Harzfilm 33g für den Schutz und für die Isolation beschichtet, wie in Fig. 6C dargestellt ist.
Die Statorwicklung wird folgendermaßen hergestellt. U-förmige Leitersegmente 33 werden in jeweilige Nuten 35 des Stators 2 so eingesetzt, daß die U-förmig abgebogenen Abschnitte 33c an demselben axialen Ende des Statorkerns 32 gelegen sind, derart, daß die äußeren Abschnitte 33b in den inneren Bereichen der Nuten 35 (oder auf einem äußeren Umfangsbereich des Statorkerns 32) liegen, während die inneren Abschnitte 33a an den Öffnungsbereichen der Nuten 35 (oder auf einem inneren Umfangskreis des Statorkerns 32) liegen, wie man aus Fig. 3 entnimmt.
Jedes der Leitersegmente 33 wird folgendermaßen hergestellt. Eine Kupferplatte wird abgebogen und durch Pressformung in U-förmige Gestalt gebracht, so daß einander gegenüberliegende Seiten der äußeren Abschnitte 33b und der inneren Abschnitte 33a in eine der Nuten 35 eingesetzt werden können, so daß sie sich über die Isolation 34 an die parallelen Seitenwände einer der Nuten 35 anlegen.
Wie aus Fig. 6 zu erkennen ist, wird jeder von zwei Endabschnitten 33d eines der Leitersegmente 33 in Umfangsrichtung entgegengesetzt zu dem jeweils anderen Endabschnitt abgebogen, so daß der äußere Abschnitt 33b des einen der Leitersegmente 33 mit dem inneren Abschnitt 33a des anderen der Leitersegmente, das von einer anderen der Nuten 35 wegragt, verbunden werden kann, und der innere Abschnitt 33a des erstgenannten Leitersegmentes mit dem äußeren Abschnitt 33b eines anderen der Leitersegmente 33 verbunden werden kann, das wiederum von einer anderen der Nuten 35 wegsteht, wobei die Verbindung an den Endabschnitten 33d erfolgt, derart, daß ein Ring von Verbindungsabschnitten 33f in einer bestimmten Höhe über dem Statorkern 32 entsteht. Dann werden die Verbindungsabschnitte 33f in einen Behälter flüssigen Isolationsmaterials getaucht und dem Behälter wieder herausgenommen, um einen gleichförmigen Isolationsfilm auf den Verbindungsbereichen 33f auszubilden.
Da sich sämtliche Endabschnitte 33d auf derselben Seite des Statorkerns 32 befinden, kann die Verbindung durch eine TIG-Schweißeinrichtung vorgenommen werden, ohne daß der Statorkern 32 gewendet werden muß. Da alle Leitersegmente 33 nahezu gleiche Gestalt haben und die Verbindungsabschnitte 33f auf derselben Höhe gelegen sind, kann der Tauchprozess zur Isolation sämtlicher Verbindungsabschnitte 33f gleichzeitig durchgeführt werden. Der Isoliervorgang wird dadurch vereinfacht und die Produktionskosten können herabgesetzt werden.

(Zweite Ausführungsform)

Die Anzahl von Leiterelementen je Nut kann auf mehr als zwei erhöht werden. Wie in Fig. 7 gezeigt ist, hat ein Stator gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung vier Leitersegmente 133, die in radialer Richtung in einer der Nuten 135 liegen. Die Leitersegmente 133 haben eine Isolationsbeschichtung und ein Isolator 134 ist zwischen den Leitersegmenten 133 und der Innenwand der Nut 135 angeordnet. Die Verbindungsabschnitte sind in Fig. 8 dargestellt. Vier Leitersegmente 133 in einer der Nuten 135 erstrecken sich abwechselnd in entgegensetzte Umfangsrichtungen. Das bedeutet, die äußersten Segmente erstrecken sich im Uhrzeigersinn und die innersten Segmente erstrecken sich mit Bezug auf die Darstellung von Fig. 8 im Gegenuhrzeigersinn. Die Endabschnitte 133d der Leitersegmente 133, die aus einer der Nuten 135 hervorstehen, sind jeweils mit den Endabschnitten 133d verbunden, die sich aus anderen der Nuten 135 in einem Abstand entsprechend einer bestimmten Teilung erstrecken. Mit anderen Worten, die ersten Leitersegmente 133 sind jeweils mit den nächst inneren Leitersegmenten 133 verbunden und die gleichsam dritt innersten Leitersegmente 133 sind jeweils mit den äußersten Leitersegmenten 133 verbunden. Demgemäß wird eine Mehrzahl von Verbindungsabschnitten 133f in zwei Ringen gebildet, so daß jeder der Verbindungsabschnitte 133f von einem anderen Verbindungsabschnitt sowohl in Radialrichtung als auch in Umfangsrichtung beabstandet ist. Sämtliche der Verbindungsabschnitte 133f sind durch eine TIG- Schweißeinrichtung verschweißt, so daß sie kantenlose, regentropfenförmige Gestalt haben, was in der selben Weise geschieht wie bei dem Stator gemäß der ersten Ausführungsform.
Die obige Struktur ist in der Weise wirksam, daß sich ein kleinerer Generator für Fahrzeuge ergibt, welcher dieselbe Anzahl von Nuten 35 hat, wobei der Abstand zwischen den Verbindungsabschnitten kleiner ist.

(Dritte Ausführungsform)

Die Leitersegmente 33, welche in Fig. 2 dargestellt sind, können, wie in Fig. 9 dargestellt ist, in der Mitte des U-förmig gebogenen Abschnittes getrennt werden. Solche Leitersegmente 233 können in einem Stator gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung verwendet werden. Gemäß Fig. 9 setzt sich ein Leitersegment 233 aus einem geraden inneren Abschnitt 233h und äußeren Abschnitten 233i zusammen, die sich axial von gegenüberliegenden Enden des inneren Abschnittes 233h nach außen erstrecken. Die äußeren Abschnitte 233i sind unter einem bestimmten Winkel gegenüber der Axialrichtung geneigt, so daß die Endabschnitte 233d, die aus einer der Nuten hervorstehen, mit den Endabschnitten 233d verschweißt werden können, die sich aus einer anderen Nut heraus erstrecken, so daß die Statorwicklung erzeugt werden kann. Verbindungsabschnitte 233f sind an beiden Enden des Statorkerns ausgebildet und werden durch ein Paar von Kühllüftern 11, 12 (Fig. 1) gekühlt. Die Verbindungsabschnitte 233f werden ebenfalls, wie zuvor beschrieben wurde, in eine kantenfreie regentropfenförmige Gestalt gebracht.
Es ist außerdem möglich, einen einzigen Zentrifugal-Kühllüfter vorzusehen, um die Verbindungsabschnitte 33f anstatt mit einem Paar von Kühllüftern zu kühlen. Der Kühllüfter kann auch ein Axialstrom-Lüfter sein. Die kugelförmigen Verbindungsabschnitte können auch auf irgendeine Art einer elektrischen Maschine mit einer Wasserkühlung angewendet werden. Der Querschnitt der Leitersegmente 33 kann kreisförmig, elliptisch oder vieleckig sein. Eine berührungsfreie Lichtbogen- Schweißeinrichtung von anderer Art als die TIG-Schweißeinrichtung kann verwendet werden, um die Endabschnitte 33d der Leitersegmente 33 zu verbinden.
In der vorstehenden Beschreibung der vorliegenden Erfindung wurde diese unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Es ist jedoch offensichtlich, daß vielerlei Modifikationen und Änderungen an den spezifischen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne daß dadurch der grundsätzliche Gedanke und der Umfang der Erfindung verlassen werden, wie sie durch die anliegenden Ansprüche definiert sind. Demgemäß ist die Beschreibung der Erfindung in den vorliegenden Unterlagen nur als beispielshaft und zur Illustration dienend anzusehen, und nicht in einem beschränkenden Sinne.

Claims

1. Stator (2) eines Generators (1) für ein Fahrzeug, mit einem Statorkern (32), der eine Mehrzahl von Nuten (35), sowie in der Mehrzahl von Nuten (35) untergebrachte Statorwicklungen (33) aufweist, wobei die Statorwicklung (33) eine Anzahl von Leitersegmenten (33) und eine Anzahl kugeliger oder tropfenförmiger Verbindungsabschnitte (33f) zwischen den Leitersegmenten (33) aufweist, wodurch kontinuierlich zusammengeschlossene Spulen gebildet sind, und jeder der kugeligen Verbindungsabschnitte (33f) ein Ende (33d) eines der Leitersegmente (33) und ein Ende (33d) eines anderen der Leitersegmente (33) enthält.

2. Stator (2) nach Anspruch 1, bei welchem die kugeligen Verbindungsabschnitte (33f) auf derselben Seite des Statorkerns (32) angeordnet sind.

3. Stator nach Anspruch 2, bei welchem jedes der Leitersegmente (33) einen U- förmigen Abschnitt (33c) aufweist.

4. Stator (2) nach Anspruch 1, bei welchem jeder der Verbindungsabschnitte (33f) so angeordnet ist, daß er Kühlluft von der Innenseite des Stators (2) her erhält.

5. Stator (2) nach Anspruch 1, bei welchem jedes der Leitersegmente (33) durch eine berührungsfrei arbeitende Schweißeinrichtung verschweißt ist.

6. Stator (2) nach Anspruch 5, bei welchem die berührungsfrei arbeitende Schweißeinrichtung eine TIG-Schweißeinrichtung (Wolfram-Inertgas- Schweißeinrichtung) ist.

7. Stator (2) nach Anspruch 1, bei welchem jeweils zwei der genannten Leitersegmente (33) in einer der Nuten (35) untergebracht sind.

8. Stator (2) nach Anspruch 1, bei welchem die kugeligen Verbindungsabschnitte (33f) von dem Statorkern (32) aus auf gleicher Höhe angeordnet sind.

9. Stator (2) nach Anspruch 1, bei welchem jedes der Leitersegmente einen rechteckigen Querschnitt an beiden Enden hat, wobei die Rechteck-Querschnittsseiten in Radialrichtung länger als in Umfangsrichtung sind, und ein Ende eines der Leitersegmente und eine Ende eines anderen der Leitersegmente Seite an Seite angeordnet sind.

10. Stator (2) nach Anspruch 9, bei welchem jeder der Verbindungsabschnitte (33f) sowohl in der Dicke als auch in der Breite größer als irgendeines der Enden (33d) der Leitersegmente (33) ist.

11. Stator (2) nach Anspruch 10, bei welchem jeder der Verbindungsabschnitte (33f) eine Form hat, bei der die radiale Abmessung länger als die umfangsmäßige Abmessung ist.

12. Stator (2) nach Anspruch 11, bei welchem die Verbindungsabschnitte (33f) auf einer Umfangslinie angeordnet sind.

13. Stator (2) nach Anspruch 11, bei welchem die Verbindungsabschnitte (33f) auf einer Mehrzahl von Umfangslinien angeordnet sind.