DE69825216T2 - Wechselstromgenerator für Kraftfahrzeuge - Google Patents

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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • 1. Technisches Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Wechselstromgenerator für Fahrzeuge, der in PKWs, LKWs und Ähnlichem montiert ist.
  • 2. Stand der Technik
  • In letzter Zeit kommen der Motor und die ganzen elektrischen Geräte aufgrund der zur Reduzierung des Fahrzeugfahrwiderstands und zur Verbesserung der Sicht geneigten Fahrzeugnase dicht an die Straßenoberfläche heran, wodurch die Spritzwasserproblematik aufgrund des während der Fahrt von den Reifen aufspritzenden Wassers ernst wird. Ferner wird in kalten Gegenden eine große Menge an Salzen, wie z.B. Calcium- und Natriumchloride, gestreut, um im Winter die Straße am Gefrieren zu hindern. Die Salze verbleiben als elektrolytische Lösungen auf der Straßenoberfläche, welche während der Fahrt eingezogen werden, was zu einer raueren korrosiven Umgebung des Motors führt. Da der an dem Motor befestigte Fahrzeuggenerator der oben beschriebenen rauhen Umgebung ausgesetzt ist, treten manchmal aufgrund des Spritzwassers und der Salze Korrosionsprobleme auf.
  • Andererseits gibt es mit dem Trend hin zu einem engeren Motorraum keinen Platz für einen Einbauraum für den Fahrzeuggenerator. Ferner sind Gewichtsreduzierung zur Verbesserung der Kraftstoffkosten und bedingt durch ein Ansteigen der elektrischen Last, wie z.B. der Sicherheitssteuermimik und dergleichen, eine Verbesserung des Generatorverhaltens eingefordert worden. Natürlich werden geringere Kosten verlangt.
  • Das heißt, ein Wechselstromgenerator für Fahrzeuge ist notwendig geworden, der eine hervorragende Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion, eine kleine Größe, ein geringes Gewicht und geringe Kosten aufweist. Unter diesen Umständen läßt sich der Ausfall der Erzeugung von elektrischer Energie aufgrund von Korrosion hauptsächlich darauf zurückführen, dass bei dem Schritt, bei dem eine Statorspule in einen Schlitz eines Statorkerns montiert wird, eine Isolierbeschichtung auf der Oberfläche der Statorspule durch mechanische Reibung oder Ähnlichem beschädigt wird. Wenn insbesondere Salzwasser, welches eine elektrolytische Lösung darstellt, auf den beschädigten Abschnitt spritzt, reagiert dieses mit dem Kupfer, das einen elektrischen Leiter der Spule zur Erzeugung einer leitenden Verbindung darstellt. Wenn diese Reaktion fortschreitet, wird die Abtrennung zwischen der Beschichtung und dem Kupfer weiter beschleunigt, und es tritt ein Kurzschluss zwischen dem Statorkern und der Spule und zwischen den Spulen auf, was zu einer Leistungsabnahme und einer rasanten lokalen Wärmeentwicklung und schließlich zu einem Bruchschaden der Statorspule führt.
  • Zur Lösung des Problems ist vorgeschlagen worden, dass die Beschichtung der Statorspule in ihrer Dicke erhöht und die Schadenswiderstandsfähigkeit verbessert wird. Ferner wird beim Imprägnierungsvorgang mit Harz, welcher im allgemeinen zum Widerstand gegen Vibration und Umwelteinflüssen durchgeführt wird, nachdem die Statorspule gewickelt worden ist, im Allgemeinen ein dicker Überzug aus Imprägnierharz benutzt. Ferner wird, wie in der japanischen Offenlegungsschrift HEI 3-235644 offenbart, eine tröpfchendichte Abdeckung auf der Seite des Kühllufteinlasses befestigt, um den Weg für das direkt von der Außenseite eintretende Wasser abzuschneiden.
  • Wenn die Beschichtung der Statorspule in ihrer Dicke erhöht wird, erhöhen sich nicht nur die Materialkosten der Beschichtung, sondern auch die Anzahl der Beschichtungen. Deshalb erhöht sich die Anzahl der Herstellungsschritte des Spulenmaterials, so dass sich die Kosten der Statorspule beträchtlich erhöhen. Da sich ferner das Flächenbesetzungsverhältnis bzw. das Verhältnis des beanspruchten Raums im Schlitz durch den Anteil erhöht, in welchem die Beschichtung dicker wird, erhöht sich die Häufigkeit der Beschädigung der Beschichtung, wenn die Statorspule eingesetzt und befestigt wird, so dass es nicht geschafft wird, das Antikorrosionsverhalten wie gewünscht zu verbessern. Wenn die Beschichtung bei Gewährleistung des gleichen Füllfaktors in ihrer Dicke erhöht wird, wird ferner die Querschnittsfläche des Kupfers so schmall, dass der elektrische widerstandswert der Statorspule ansteigt, wodurch die Leistung vermindert wird. Es treten auch Probleme eines Temperaturanstiegs auf, welcher von der Verschlechterung der Wärmestrahlung der Statorspule selbst herrührt und deren Leistungsabgabe verringert. Wenn zum Ausgleich der Leistungsminderung die Schlitzfläche vergrößert wird, um den gleichen Füllfaktor bereitzustellen, kann der Aufbau sich nur vergrößern, um einen magnetischen Wegabschnitt in jedem Teil des Statorkerns in Form eines magnetischen Kreises sicherzustellen, wodurch die Forderung nach Verkleinerung nicht erreichen werden kann.
  • Natürlich erhöhen sich die Kosten, wenn eine ausgezeichnete, gegen Schaden widerstandsfähige Beschichtung vorgesehen wird. Jedoch wird der Generator, bei dem die Kosten der Statorspule einen hohen Anteil an den Kosten des gesamten Produktes darstellen, im Vergleich zu anderen Produktbestandteilen stark durch den Kostenanstieg der Statorspule beeinflusst. Wenn der Wärmewiderstand zur Beschichtung in Bezug auf den Temperaturanstieg verbessert und die Beschichtung in ihrer Dicke erhöht wird, erhöhen sich weiter die Kosten.
  • Auch in dem Fall, bei dem das Imprägnierharz dick überzogen wird, gibt es die auftretenden Probleme des Materialkostenanstiegs, des Herstellungskostenanstiegs aufgrund der Erhöhung der Schritte und der Leistungsminderung aufgrund des Temperaturanstiegs.
  • Aus F.Yeaple: "New designs for an aluminium motors include fool-proof connectors", Product Engineering, Vol. 45, No. 12, Dezember 1974, Seiten 19 bis 22, ist bekannt, Statorwicklungen aus Aluminium herzustellen. Aluminium bildet ein zähes Oxid, das höchst stabil und schützend, aber nicht immer erwünscht ist. Zum Beispiel ist Aluminium weniger leitfähig als Kupfer und es benötigt mehr Platz in den Schlitzen.
  • Ferner ist bei der in JP 3-235644 offenbarten Methode in einem neuen, kleinen Hochleistungsfahrzeuggenerator ein Gebläse auf der Seite eines Rotors vorgesehen, durch dessen Rotation Kühlluft darin eingebracht wird und eine Statorspule unter Verwendung der Luft gekühlt wird, welche dann durch ein Fenster 41, welches am Durchmesser eines Gehäuses vorgesehen ist, abgeführt wird, wie in der in 13 gezeigten Ausführungsform beschrieben ist. Das heißt, Wasser oder Salzwasser kann von der Durchmesseraußenseite des Generators auf einfache weise das Umfeld des Stators erreichen, da die Statorspule nahe dem Belüftungsfenster positioniert ist, welches am Durchmesser des Gehäuses vorgesehen ist. Deshalb wird auch eine tröpfchendichte Abdeckung außerhalb des Fensters befestigt, welches am Durchmesser des Gehäuses vorgesehen ist, oder es werden diejenigen Fenster, welche am Durchmesser des Gehäuses vorgesehen und wasserbedeckt sind, wie in den 4a und 4b gezeigt, abgesperrt. Auf jeden Fall jedoch erhöht sich der Belüftungswiderstand und es vermindert sich die Menge an Kühlluft, wobei ein Ausströmen der heißen Luft hinter den Hitze erzeugenden Teilen, wie z.B. einer Statorspule oder einem Gleichrichter, behindert wird, was zu einer beträchtlichen Temperaturerhöhung des gesamten Generators führt. Ferner erhöht das Hinzufügen der tröpfchendichten Abdeckung aufgrund einer Erhöhung der Teileanzahl die Material- und Herstellungskosten.
  • Die vorliegende Erfindung löst die oben beschriebenen Probleme. Ausgehend von JP 3-235644 ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Wechselstromgenerator für Fahrzeuge zu schaffen, welcher zur Erreichung einer lange Betriebsdauer eine Korrosion aufgrund von Spritzwasser von außen verhindert, der ausgezeichnet in Bezug auf Kosten ist, der frei von einem neuen Problem, wie z.B. einem Temperaturanstieg, ist und eine Verkleinerung und eine Gewichtsreduzierung realisiert.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Wechselstromgenerator vorgesehen, in welchem ein elektrischer Leiter einer Statorspule aus Aluminium hergestellt wird, wobei keine leitende Verbindung hergestellt wird, auch wenn Salzwasser oder Ähnliches auf den Generator gespritzt wird, und in dem die Überbrückungs-Teile des elektrischen Leiters voneinander räumlich getrennt sind, um Kühlluftdurchgänge zu bilden, welche Kühlluft von einem Innenumfang des Stators erhalten, wobei eine ausreichende Kühlbelüftung sichergestellt wird, um die Leistung nicht zu vermindern, und eine Gewichtsreduzierung erreicht wird.
  • Mit der oben beschriebenen Anordnung wird in dem Fall, bei dem elektrolytische Wassertröpfchen, die Salz oder Ähnliches enthalten, die Statorspule erreichen, keine leitende Verbindung herbeigeführt und hergestellt, auch wenn der elektrische Leiter durch Korrosion angegriffen ist, weil der elektrische Leiter der Statorspule aus Aluminium besteht. Deshalb ist es möglich, einen Kurzschluss zwischen der Spule und dem Statorkern und zwischen den Spulen zu verhindern, auch wenn die Korrosion der Statorspule aufgrund von Spritzwasser auf die Statorspule fortschreitet. Dabei ist es möglich, eine Querschnittsfläche des elektrischen Leiters zu vergrößern, d.h. das Flächenbesetzungsverhältnis zu erhöhen. Ferner ist es nicht notwendig, das Gehäusefenster in der Richtung des Spritzwassers zu versperren, und es ist keine tröpfchendichte Abdeckung erforderlich. Da die Vielzahl der Fenster im wesentlichen über den gesamten Umfang in Richtung Außendurchmesser des Überbrückungs-Teils der Statorspule vorgesehen sein kann, so dass der Belüftungsweg der Kühlluft ausreichend sichergestellt werden kann, tritt kein beträchtlicher Temperaturanstieg des gesamten Generators auf, und die Statorspule kann ausreichend gekühlt werden. Daher kann die Statorspule stark gekühlt und die Querschnittsfläche des elektrischen Leiters vergrößert werden. Folglich wird die Verwendung von Aluminium ermöglicht, welches verglichen mit Kupfer einen höheren elektrischen Eigenwiderstand hat. Ferner ist es nicht notwendig, den Aufbau zu vergrößern, um die Leistung sicherzustellen, und die Gewichtsreduzierung kann aufgrund eines Unterschieds im spezifischen Gewicht zwischen Kupfer und Aluminium erreicht werden. Außerdem wird Kupfer durch Aluminium ersetzt, womit die Materialkosten beträchtlich reduziert werden können. Es ist nicht erforderlich, die Dicke der Beschichtung zu erhöhen, das Imprägnierharz dick aufzutragen und die tröpfchendichte Abdeckung hinzuzufügen. Folglich wird eine beträchtliche Kostenreduzierung ermöglicht.
  • Das Überbrückungs-Teil der Statorspule ist so angeordnet, dass er Kühlluft vom Innenumfang des Stators erhält. Da das Trocknen des Spritzwassers auf den Überbrückungs-Teil des Stators beschleunigt wird, ergibt sich der Effekt, dass das Fortschreiten der Korrosion unterdrückt wird. Ferner wird aufgrund der Temperaturabsenkung der Statorwicklung durch Beaufschlagung des Überbrückungs-Teils mit Luft eine Leistungserhöhung ermöglicht.
  • Indem das Gebläse zumindest an einem axialen Ende des Rotors dem Stator gegenüberliegend angeordnet wird, kann die Luftmenge zum Ausströmen der axial von außen angesaugten Kühlluft in Durchmesserrichtung bzw. in radial nach außen wiesender Richtung erhöht werden, um die Kühlung der Statorspule, welche zur Erhöhung der Leistung aus Aluminiummaterial hergestellt ist, weiter zu verbessern.
  • In einer Ausführungsform des Wechselstromgenerators gemäß Anspruch 1 liegt das Flächenbesetzungsverhältnis einer Querschnittsfläche des elektrischen Leiters, welcher in dem Schlitz untergebracht ist, zur Querschnittsfläche des Statorschlitzes nicht unter 50%, aber unter 80%.
  • Herkömmlicherweise liegt das Flächenbesetzungsverhältnis bei ungefähr 40%. Jedoch ist, wie in 3a gezeigt, bei der vorliegenden Erfindung, bei welcher der elektrische Leiter aus Aluminium besteht, der elektrische Eigenwiderstand höher als der von Kupfer. Jedoch wird, wie zuvor erwähnt, die Kühleigenschaft des elektrischen Leiters durch die Reduzierung des Widerstandes, welche sich aus der Vergrößerung der Leiterquerschnittsfläche ergibt, durch die beträchtliche Verbesserung des Kühlverhaltens, welche sich aus der Sicherstellung eines Kühlbelüftungsweges ergibt, und durch die gute Wärmeübertragung von der Statorspule zum Statorkern, welche aus der Verbesserung des Flächenbesetzungsverhältnis resultiert, weiter verbessert. Deshalb wird, wenn das Flächenbesetzungsverhältnis nicht kleiner als 50% festgesetzt wird, die gleiche Leistung erreicht wie bei der Verwendung von Kupfer.
  • Ferner erhöht sich bei einem herkömmlichen elektrischen Leiter aus Kupfer, wenn das Flächenbesetzungsverhältnis weiter erhöht wird, bei der Lebensdauerprüfung unter Wasserzerstäubungsverhältnisse die Schadenshäufigkeit. Denn an der Isolierungsbeschichtung wird beim Einsetzen und Montieren in den Statorschlitz eine Beschädigung hervorgerufen. An dieser Stelle wird aufgrund von Korrosion eine leitende Verbindung hergestellt, was die Lebensdauer verkürzt. Demgegenüber besteht der elektrische Leiter erfindungsgemäß aus Aluminium, so dass keine elektrische Verbindung aufgrund von Korrosion hergestellt und somit eine lange Lebensdauer sichergestellt wird. 3a zeigt die Anzahl der Zyklen bis eine Anomalie beim Test auftritt, bei welchem eine Statorspule unter Salzwasserzerstäubungsverhältnissen gemäß JIS-Z-2371 mit einer Spannung beaufschlagt wird. Die Anomalie beim herkömmlichen Stator, welcher für den elektrischen Leiter Kupfer verwendet, beruht auf den durch den Kurzschluss verursachten schlechten Druckwiderstand, wohingegen die Anomalie der vorliegenden Erfindung, welche für den elektrischen Leiter Aluminium verwendet, von der Tatsache herrührt, dass sich das Aluminium aufgelöst hat, demzufolge der elektrische Leiter schmäler wird und der elektrische Widerstand des Stators ansteigt. In dem Fall der 3a, bei dem der herkömmliche elektrische Leiter aus Kupfer besteht und das Flächenbesetzungsverhältnis bei 40% liegt, ist die durchschnittliche Zyklenzahl bis zum Auftreten des Fehlers zwanzig, aber in dem Fall, bei dem der elektrische Leiter aus Aluminium besteht, liegt das Flächenbesetzungsverhältnis, bei dem der Fehler bei zwanzig Zyklen auftritt, bei 80%.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Flächenbesetzungsverhältnis nicht kleiner als 50%, aber kleiner als 80%, um einen Generator bereitstellen zu können, welcher sich verglichen mit dem Stand der Technik sowohl hinsichtlich Leistung als auch hinsichtlich Widerstandsfähigkeit gegenüber Umwelteinflüssen auszeichnet.
  • Der elektrische Leiter kann zumindest teilweise eine im Wesentlichen rechtwinklige Form längs der Schlitzform haben. Dadurch wird das Flächenbesetzungsverhältnis angehoben, um die Querschnittsfläche einer Windung zu erhöhen. Demzufolge kann der Widerstand der Wicklung reduziert werden, um eine höhere Leistung zu ermöglichen. Auch wenn das Flächenbesetzungsverhältnis nicht weniger als 50% ist, ist die Fertigung einfach, und es können die Fertigungskosten reduziert werden.
  • Der elektrische Leiter kann in zwei Schichten geteilt werden, d.h. eine äußere Schicht wird an einem inneren Abschnitt des Schicht und eine innere Schicht an einem Einlass positioniert, wobei die Leiter der inneren und äußeren Schichten von verschiedenen Schlitzen in Reihe geschaltet sind. Da dabei die Interferenz zwischen verschiedenen Phasen im Überbrückungs-Teil des elektrischen Leiters vermieden werden kann, kann der elektrische Leiter auf einfache Weise in dem inneren Teil des Schlitzes angeordnet werden, um aufgrund des höheren Füllfaktors eine höhere Leistung zu erreichen.
  • Der elektrische Leiter kann ein unisolierter Leiter sein, und in den Innen-Schlitz-Teilen in den Schlitzen kann ein elektrisches Isolierungsteil zwischen der Kontaktfläche und dem Statorkern vorgesehen sein, um diese voneinander zu isolieren, wohingegen in dem Überbrückungs-Teil außerhalb der Schlitze die elektrischen Leiter voneinander beabstandet und isoliert sind. Die elektrischen Leiter in dem Überbrückungs-Teil sind so beabstandet, dass Kühlluft hindurch passt. Dadurch ergibt sich, dass das Trocknen beim Spritzen von Wasser beschleunigt wird, um den Korrosionsablauf zu unterdrücken, und dass die Wärmestrahlung der elektrischen Leiter ohne Beschichtung verbessert und die Temperatur der Statorspule weiter verringert wird, da die elektrischen Leiter mit Kühlluft beaufschlagt werden. Ferner können die Materialkosten weiter reduziert werden, da keine Beschichtung vorhanden ist. Zusätzlich kann der Herstellungsschritt der Fertigung der Leiter durch eine Presse beträchtlich vereinfacht werden, wodurch niedrigere Kosten erzielbar sind.
  • Der elektrische Leiter kann eine Vielzahl von im Wesentlichen U-förmigen Leiterabschnitten mit in die Schlitze eingesetzten geradlinigen Abschnitten aufweisen, wobei eine Seite des Statorkerns aus einem Wendeabschnitt des U-förmigen Leiterabschnitts bestehen kann und die anderen geradlinigen Abschnitte in den Schlitzen angeordnet und darin untergebracht sein können. Mit dieser Ausführungsform können die elektrischen Verbindungsabschnitte auf einer Seite angeordnet werden, so dass der Schritt, die Form einer Wicklung herzustellen, einfach wird.
  • Der elektrische Leiter der inneren und äußeren Beschichtung kann einen Innenleiter, welcher ein in den Schlitz eingesetzten Innen-Schlitz-Teil darstellt, und einen Außenleiter aufweisen, welcher sich zu beiden Seiten des Innenleiters erstreckt, wobei die geradlinigen Abschnitte des Innenleiters in den Schlitzen angeordnet und darin untergebracht sind. Mit dieser Anordnung wird die Form der Leiterabschnitte weiter vereinfacht, wodurch die Fertigung des Abschnitts selbst vereinfacht und eine kostengünstige Fertigungsvorrichtung verwendet werden kann.
  • Ein Ende der Riemenscheibe, welches in einer axialen Richtung des Rotors dem Stator gegenüberliegt, und eine Innenwandoberfläche eines Außenumfangsabschnitts eines riemenscheibenseitigen Gehäuseeinlasses können einander nahe gegenüber liegen. Da die Innenwandoberfläche die Rolle eines Deckbandes des Gebläses spielt, wird mit dieser Anordnung die Gebläseleistung eines Polkernscheibenabschnitts erhöht, und es kann die gleiche Kühlleistung erreicht werden. Dabei können die Kosten reduziert werden, ohne dabei im Vergleich zu dem Fall, bei dem auf beiden Seiten Kühlgebläse vorgesehen sind, die Anzahl der Teile und der Verfahrensschritte zu erhöhen.
  • Jeder der elektrischen Leiterabschnitte kann Verbindungsabschnitte an den entgegengesetzten Enden der einander benachbarten Leiter haben, wobei der Verbindungsabschnitt nach dem Schweißen sowohl in radialer als auch in Umfangsrichtung ungefähr die gleiche Dicke wie vor dem Schweißen hat.
  • Die einander benachbarten Verbindungsabschnitte können unisoliert sein.
  • Wie oben beschrieben, ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, einen Wechselstromgenerator für Fahrzeuge bereitzustellen, der Korrosion aufgrund von Spritzwasser von Außen verhindern kann, der kein neues Problem, wie z.B. ein Ansteigen der Temperatur, hervorruft, der ausgezeichnet in Bezug auf die Kosten ist und der eine Verkleinerung und Gewichtsreduzierung realisieren kann.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Andere Ziele, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung sowie die Funktionen der zugehörigen Teile der vorliegenden Erfindung werden beim Studium der folgenden detaillierten Beschreibung, der beigefügten Ansprüche und Zeichnungen klar.
  • Es zeigen:
  • 1 eine Querschnittsansicht der Hauptteile eines Wechselstromgenerators für Fahrzeuge gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine Teilquerschnittsansicht eines Stators gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 3a die Ergebnisse eines Salzwasserzerstäubungstests in Abhängigkeit des Flächenbesetzungsverhältnisses, und
  • 3b ein Diagramm, welches die Ergebnisse im Verhältnis der Leistung zum Flächenbesetzungsverhältnis zeigt;
  • 4a und 4b ein Beispiel eines Gehäuses mit versperrten Fenstern zur Abschirmung von Spritzwasser nach dem Stand der Technik, wobei 4a eine Frontansicht und 4b eine Seitenansicht ist;
  • 5 eine Teilquerschnittsansicht eines Stators in dem Fall, bei dem ein innerhalb eines Schlitzes positionierter Abschnitt einer Statorspule eine im Wesentlichen rechtwinklige Form entlang der Schlitzform hat;
  • 6 eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts in dem Fall, bei dem die Statorspule nicht ein kontinuierlicher Streckenabschnitt, sondern ein im Wesentlichen U-förmiger Leiterabschnitt mit einem Wendeabschnitt ist;
  • 7 eine schematische Darstellung eines Verbindungsabschnitts der Leiterabschnitte;
  • 8 eine Seitenansicht eines Stators eines mit den darin eingebauten im Wesentlichen U-förmigen Leiterabschnitten;
  • 9 eine perspektivische Ansicht eines Stators mit darin eingebauten Leiterabschnitten;
  • 10 eine perspektivische Ansicht eines Beispiels eines anderen Leiterabschnitts;
  • 11 eine Teilquerschnittsansicht eines Stators in dem Fall, bei dem der elektrische Leiter ein unisolierter Leiter ist;
  • 12 eine Teilquerschnittsansicht eines Wechselstromgenerators für Fahrzeuge, bei dem ein Polkernscheibenabschnitt ein Kühlgebläse ist; und
  • 13 eine Querschnittsansicht, welche einen Wechselstromgenerator für Fahrzeuge mit einer herkömmlichen tröpfchendichten Abdeckung zeigt.
  • Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
  • Der Wechselstromgenerator für Fahrzeuge gemäß der vorliegenden Erfindung wird auf der Basis der in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen beschrieben.
  • (Erste Ausführungsform)
  • 1 und 2 zeigen eine erste Ausführungsform. 1 zeigt die Hauptteile eines Wechselstromgenerators für Fahrzeuge, hier für PKWs, und 2 ist eine Teilquerschnittsansicht eines Stators in der vorliegenden Ausführungsform.
  • Ein Wechselstromgenerator 1 für Fahrzeuge weist einen Stator 2 als Anker, einen Rotor 3 als Feld und ein Gehäuse 4 zum Tragen des Rotors 3 und des Stators 2 auf.
  • Der Rotor 3 dreht sich als Einheit mit einer Welle 31 und ist aus zwei Sätzen von Polkernen 32 des Typs Lundell, einem Kühlgebläse 33, einer Feldspule 34, eines Schleifrings 35, usw. aufgebaut. Die Welle 31 ist mit einer Riemenscheibe 5 verbunden und wird so durch den im Auto montierten Motor (nicht gezeigt) rotierend angetrieben.
  • Das Gehäuse 4 ist mit einer Auslassmündung 41 für die Kühlluft, welche im Außenumfang gegenüber eines Überbrückungs-Teils 21b einer Spule 21 von Stator 2 positioniert ist, und mit einem Einlass 42 an dessen axialen Ende davon versehen. Der Stator 2 wird durch einen Statorkern 22, eine Wicklung bildende Statorspule 21 und einen Isolator 23 zur elektrischen Isolierung des Statorkerns 22 und der Statorspule 21 aufgebaut und wird durch das Gehäuse 4 getragen. Der Statorkern 22 wird aus einem Verbund von dünnen Stahlbeschichtungen gebildet und ist an seiner inneren Umfangsfläche mit einer Vielzahl von Schlitzen 24 mit einer Öffnung ausgebildet. Eine radial innere Endöffnung des Schlitzes 24 wird so festgelegt, dass sie schmäler ist als der Abstand zwischen den Seiten des Schlitzes 24 in Umfangsrichtung.
  • Die Wicklung der Statorspule 21 weist ein Innen-Schlitz-Teil 21a, das in einem Schlitz 24 untergebracht ist, und ein Überbrückungs-Teil 21b zur Verbindung der Innen-Schlitz-Teile auf. Das für den elektrischen Leiter benutzte Material ist Aluminium, und das Flächenbesetzungsverhältnis wird auf nicht weniger als 50%, aber auch nicht mehr als 80% festgesetzt.
  • 3a zeigt die Ergebnisse eines Salzwasserzerstäubungstests, bei dem der Stator 2 des gleichen Aufbaus bezüglich seines Füllfaktors verändert wird. Der Test wird in einem Verfahren durchgeführt, so dass unter Salzwasserbedingung gemäß JIS-Z-2371 eine Spannung von 12V zwischen der Statorspule 21 und dem Statorkern 22 für eine vorbestimmte Zeitdauer angelegt wird. Danach werden diese getrocknet und das Isolierungsverhalten zwischen der Statorspule 21 und dem Statorkern 22 und der elektrische Widerstand der Statorspule 21. gemessen. Dieser Vorgang stellt einen Zyklus dar, der solange wiederholt wird, bis eine Anomalie auftritt. Hinsichtlich des Isolierungsverhaltens wird zwischen der Statorspule 21 und dem Statorkern 22 und zwischen den Spulen für fünf Sekunden eine 800V Wechselspannung angelegt, um das Auftreten bzw. Nichtauftreten eines Kurzschlusses zu überprüfen. Ferner wird bezüglich des elektrischen Widerstands der Statorspule 21 festgestellt, dass eine Anomalie aufgetreten ist, wenn sich der Widerstand nach dem Test gegenüber den Widerstand vor dem Test nicht weniger als 5% verändert hat. Da sich das Flächenbesetzungsverhältnis erhöht, erhöht sich demzufolge die Beschädigung der Wicklung. Deshalb wird der herkömmliche Generator nach durchschnittlich zwanzig Zyklen anomal, wohingegen bei der vorliegenden Ausführungsform, auch wenn sich die Beschädigung der Wicklung erhöht, keine leitende Verbindung hervorgerufen wird. Deshalb tritt keine Anomalie in Form eines Kurzschlusses zwischen dem Leiter und dem Statorkern 22 und zwischen den Leitern nach der gleichen Anzahl an Zyklen auf. Der anomale Zustand, bei dem sich der elektrische Widerstand erhöht, da sich der Querschnitt aufgrund des Fortschreitens der Korrosion des Aluminiums selbst verkleinert, tritt nach vierzig Zyklen auf. Es ist herausgefunden worden, dass das Flächenbesetzungsverhältnis zur Bereitstellung einer Lebensdauer von mehr als zwanzig Zyklen auf mehr als 80% im Vergleich zu den 40% der herkömmlichen Produkte erhöht werden kann. 3b zeigt das Leistungsverhältnis für den Fall eines Wechselstromgenerators für Fahrzeuge gleichen Aufbaus und bei einer Drehzahl von 4000 Umdrehungen pro Minute, bei welcher die Temperatur der Statorspule 21 im allgemeinen aus dem Verhältnis zwischen Leistung und Kühlverhalten des Gebläses am höchsten ist, und den Sättigungsleistungswert für den Fall, bei dem ein herkömmlicher Kupferdraht bei einem Flächenbesetzungsverhältnis von 40% als 1 angenommen wird. Dabei wird das Flächenbesetzungsverhältnis verändert und der Leiter aus Aluminium hergestellt. Wenn der elektrische Leiter aus Kupfer hergestellt ist, hat das Gehäuse über einen Umfangsbereich von ungefähr 120° kein Fenster, wie in den 4a und 4b gezeigt, um das Eindringen von Spritzwasser von außen zu verhindern. Besteht dagegen der elektrische Leiter wie bei der vorliegenden Erfindung aus Aluminium, so wird ein Gehäuse verwendet, bei dem alle Fenster 41 offen sind. Wie aus der 3b bei der vorliegenden Ausführungsform ersichtlich ist, kann gegenüber dem Stand der Technik eine ähnliche Leistung erreicht werden, wenn das Flächenbesetzungsverhältnis nicht unter 50% liegt.
  • Wenn das Gebläse 33 am Rotor 3 befestigt ist, können die Überbrückungs-Teile 21b mit einer großen Menge an Luft beaufschlagt werden. Deshalb kann das Fortschreiten der Korrosion unterdrückt werden, da das Trocknen des auf das Überbrückungs-Teil 21b spritzenden Wassers beschleunigt wird. Ferner ist es möglich, die Temperatur der Statorspule 21 zu senken, da das Beaufschlagen des Überbrückungs-Teiles 21b mit Luft die Kühlung beschleunigt.
  • (Zweite Ausführungsform)
  • In der ersten Ausführungsform ist die Statorspule 21 mit Kreisquerschnitten dargestellt (2). Jedoch ist es einfacher, das Flächenbesetzungsverhältnis auf nicht weniger als 50% zu erhöhen, wenn mindestens ein innerhalb des Schlitzes 24 positionierter Abschnitt eine im Wesentlichen rechteckige Form entlang der Schlitzform, wie in 5 gezeigt, hat.
  • Ferner ist die Statorspule 21 kein durchgehender Draht, sondern es wird, wie in 6 gezeigt, ein im Wesentlichen U-förmiger Leiterabschnitt 61 mit einem Wendeabschnitt 61c verwendet. Der Leiterabschnitt 61 weist ein Innen-Schlitz-Teil 61a, das im Schlitz 24 untergebracht ist, und ein Überbrückungs-Teil 61b auf, um die Innen-Schlitz-Teile zu verbinden. Bei der Herstellung wird ein Abstand P2 des Leiterabschnitts 61 im Voraus einem vorgegebenen magnetischen Polabstand P1 des Statorschlitzes 24 angepasst, in welchen der Abschnitt 61 eingesetzt wird. Die geradlinigen Abschnitte 61a werden in die Schlitze 24 des Statorkerns 22 eingesetzt. Dann werden die Abschnitte des Leiterabschnitts außerhalb der Schlitze 24 auf der dem Wendeabschnitt 61c gegenüberliegenden Seite so gebogen, dass ein Ende 61d eines der Leiterabschnitte 61 mit einem Ende 61d des anderen der Leiterabschnitte 61 verbunden wird, um eine gesamte Wicklung zu schaffen. Die Verbindung der Enden 61d der Leiterabschnitte 61 kann durch elektrische Verbindungsverfahren, wie z.B. Überschallbeschichten, Lichtbogenschweißen und Hartlöten, oder durch mechanische Verfahren, wie z.B. Stemmen, bewerkstelligt werden. Da der Schmelzpunkt und auch die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium niedriger sind als von Kupfer, wird beim Lichtbogenschweißen der Verbindungsabschnitt speziell so geschweißt, dass die umgebenden Abschnitte nicht beeinträchtigt werden. Wie in 7 gezeigt, sind die beiden Enden 61d der zwei Leiterabschnitte 61 parallel zueinander ausgebildet, und der geschweißte Abschnitt 61e ist an deren aneinanderliegendem Abschnitt ausgebildet. Somit behalten die Enden 61d nach dem Schweißen die ursprüngliche Form wie vor dem Schweißen, d.h die Enden haben scharfe Ecken. Deshalb läßt sich auf einfache Weise der Abstand zwischen den Verbindungsabschnitten aufrechterhalten. Zusätzlich ist die Oberfläche des Aluminiumverbindungsabschnitts auf die gleiche Weise wie die anderen Aluminiumabschnitte mit Aluminiumoxid bedeckt. Das Aluminiumoxid ist ein isolierendes Material, so dass kein bestimmter Isolierstoff mehr erforderlich ist. Ferner ist der elektrische Leiter in zwei Schichten geteilt, d.h. eine äußere Schicht, welche in dem inneren Teil des Schlitzes 24 positioniert ist, und eine innere Schicht, welche am Einlass positioniert ist, wovon mindestens ein Paar angeordnet ist, und wobei die Leiter der inneren und äußeren Schichten der verschiedenen Schlitze in Reihe geschaltet sind. Die Interferenz zwischen den verschiedenen Phasen am Überbrückungs-Teil des elektrischen Leiters kann, wie in 10 gezeigt, vermieden werden.
  • Da der Leiterabschnitt 61, wie oben beschrieben, auf einfache Weise im inneren Teil des Schlitzes 24 angeordnet werden kann, kann das Flächenbesetzungsverhältnis innerhalb des Schlitzes 24 erhöht werden. 9 zeigt den Fall, bei dem die Leiter pro Schlitz vier Wicklungen haben, d.h. die äußeren und inneren Schichten sind zwei Paare, so dass die Verbindungsabschnitte einander nah sind. Um den einen vom anderen zu isolieren, ist Aluminiumschweißen vorzuziehen. Auch wenn, wie in 9 gezeigt, die Anzahl der Paare verändert wird, kann auf ähnliche Weise die Interferenz zwischen verschiedenen Phasen vermieden werden. Ferner ist die Wicklung in Leiterabschnitte 61 geteilt, wodurch der Leiterquerschnitt auf einfache Weise in eine Rechteckform gebracht wird. Da der Leiter durch eine Presse oder Ähnlichem angefertigt werden kann, können Material- und Verfahrenskosten reduziert werden.
  • Da das spezifische Gewicht von Eisen, welches das Material des Statorkerns ist, und das von Kupfer, welches das Material der Statorspule ist, fast gleich sind, ist es schwierig, diese zu trennen, wenn sie geschmolzen werden. Das spezifische Gewicht von Aluminium jedoch ist etwa ein Drittel dessen von Eisen, so dass die Trennung von Aluminium und Eisen einfach ist, wenn diese geschmolzen werden. Dies ist insbesondere für das Materialrecycling vorteilhaft.
  • (Varianten)
  • Während in der zweiten Ausführungsform der Wendeabschnitt 61c des Leiterabschnitts 61 auf einer Seite des Stators vorgesehen ist, muß erwähnt werden, dass dieser zweigeteilt werden kann und beide Seiten durch Schweißen oder Ähnlichem verbunden werden können. Ein Leiterabschnitt 62 für diesen Fall ist in 10 gezeigt. Der Leiterabschnitt 62 weist ein Innen-Schlitz-Teil 62a, welches ein in den Schlitz 24 einzusetzender im wesentlichen geradliniger Abschnitt ist, und ein Überbrückungs-Teil 62b auf, welches ein im Wesentlichen geradliniger Abschnitt ist, der sich auf beide axialen Seiten des Statorkerns 22 an beiden Seiten des innenliegenden Leiters erstreckt. Dabei hat das Überbrückungs-Teil 62b einen Winkel und eine Länge etwa des halben magnetischen Polabstandes. Auch in diesem Fall kann das Flächenbesetzungsverhältnis innerhalb des Schlitzes 24 auf einfache Weise erhöht und verglichen mit dem im Wesentlichen U-förmigen Form des Leiterabschnitts 61 vereinfacht werden, wodurch der Herstellungsschritt des Abschnitts selbst vereinfacht und die Fertigung mit einer kostengünstigen Anlage ermöglicht wird.
  • Alternativ kann ein unisolierter Leiter ohne Beschichtung als elektrischer Leiter benutzt werden. Wie in 11 gezeigt, ist in dem Innen-Schlitz-Teil 21a innerhalb des Schlitzes 24 ein elektrisches Isolierungsteil zwischen der Kontaktfläche des elektrischen Leiters und dem Statorkern 22 angeordnet, um diese zu isolieren. Am Überbrückungs-Teil außerhalb des Schlitzes 24 sind die elektrischen Leiter beabstandet, um zwischen den Leitern zu isolieren. Da die Kühlluft durch den Raum des Überbrückungs-Teils hindurchströmt, wird dabei das Trocknen im Fall von Spritzwasser weiter beschleunigt, um das Fortschreiten der Korrosion zu unterdrücken. Da der elektrische Leiter mit Kühlluft beaufschlagt wird, wird die Wärmestrahlung der elektrischen Leiter ohne der Beschichtung sowie die Kühleigenschaften der elektrischen Leiter weiter verbessert. Da keine Beschichtung vorgesehen ist, lassen sich ferner die Materialkosten weiter reduzieren. Der Leiter kann natürlich durch eine Presse hergestellt werden. Da die Beschichtung nicht verkratzt bzw. eingerissen wird, kann der Produktionsschritt beträchtlich vereinfacht und somit Kosten gesenkt werden.
  • Außerdem kann der elektrische Leiter aus einem zusammengesetzten Leiter aus einem rechtwinkligen Leiter und einem runden Draht sein. Wenn zum Beispiel der Abschnitt innerhalb des Schlitzes 24 ein rechtwinkliger Leiter und der Abschnitt außerhalb des Schlitzes eine runder Draht ist, wird ein Verbesserungseffekt im Kühlverhalten aufgrund des höheren Füllfaktors im Schlitz 24 und eine Verbesserung der Wärmeübertragung zum Statorkern 22 in gleicher Weise erreicht. Umgekehrt, wenn der Abschnitt innerhalb des Schlitzes 24 ein runder Draht und der Abschnitt außerhalb des Schlitzes 24 ein rechtwinkliger und ein im wesentlichen flacher Leiter ist, kann ein Abstand zwischen den Leitern in den Spulenenden ausreichend sichergestellt werden. Ferner kann somit der Belüftungswiderstand gegenüber der Kühlluft reduziert werden, um das Kühlverhalten zu verbessern.
  • Wie in 12 gezeigt, wird alternativ die Innenwandoberfläche 43 im Außenumfangsabschnitt des Gehäuseeinlasses 42 nahe an und gegenüberliegend demjenigen Ende des Rotors angeordnet, an welchem kein Kühlgebläse des Rotors eingerichtet ist. Da die Innenwandoberfläche 43 des Gehäuses die Rolle eines Deckbands eines Gebläses spielt, wird das Gebläseverhalten des Polkernscheibenabschnitts 32 verbessert. Verglichen mit dem Fall, bei dem auf beiden Seiten Kühlgebläse vorgesehen sind, kann dadurch die Kühlleistung auf gleiche Weise erreicht werden, ohne die Anzahl der Teile und der Verfahrensschritte zu erhöhen, wobei der Generator weiter verkleinert werden kann.
  • Gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen ist es möglich, einen Wechselstromgenerator für Fahrzeuge zu schaffen, der Korrosion aufgrund von Spritzwasser von außen verhindern kann, kein neues Problem, wie z.B. ein Anstieg der Temperatur, hervorruft, der ausgezeichnet hinsichtlich der Kosten ist und der eine Verkleinerung und Gewichtsreduzierung realisieren kann.
  • In der vorangegangenen Beschreibung der vorliegenden Erfindung wurde die Erfindung mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen hiervon offenbart. Es ist jedoch offenkundig, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen an den bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gemacht werden können, ohne dabei vom Schutzumfang der Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen ausgeführt, abzuweichen. Entsprechend ist die Beschreibung der vorliegenden Erfindung mehr in einem veranschaulichenden als einem einschränkenden Sinne zu betrachten.

Claims (10)

  1. Ein Wechselstrom-Generator (1) für Fahrzeuge umfassend einen Feld-Rotor (3), der an seinem einen axialen Ende einen Kühl-Ventilator (33) aufweist; einen Stator (2), der einen laminierten Kern (22) mit einer Mehrzahl von Schlitzen (24), eine Mehrzahl elektrischer Leiter-Abschnitte (61, 62), die in die Schlitze (24) und einen elektrischen Isolator (23) eingesetzt sind und die um den Feld-Rotor (3) angeordnet sind; und einen Rahmen (4), um den Rotor (3) und den Stator (2) zu halten, wobei jeder der elektrischen Leiter-Abschnitte (61, 62) zusammengesetzt ist aus einem Innen-Schlitz-Teil (21a), der in einem der Schlitze (24) angeordnet ist, und einem Überbrückungs-Teil (21b), um das Innen-Schlitz-Teil (21a) mit einem anderen Innen-Schlitz-Teil (21a) der Leiter-Abschnitte (61, 62), der in einem anderen Schlitz (24) angeordnet ist, zu verbinden, um so insgesamt eine Wicklung zu bilden, der Rahmen (4) den Überbrückungs-Teil (21b) der elektrischen Leiter-Abschnitte (61, 62) umgibt, und Teile des Rahmens (4), die in Richtung des Außendurchmessers dem Überbrückungs-Teil (21b) im Wesentlichen gegenüber liegen, im Wesentlichen in ihrem Gesamtumfang eine Mehrzahl von Fenstern aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der elektrischen Leiter-Abschnitte (61, 62) aus Aluminium besteht, und die Überbrückungs-Teile (21b) räumlich voneinander getrennt sind, um Kühlluft-Passagen zu bilden, die von einem Innenumfang des Stators (2) Kühlluft aufnehmen.
  2. Ein Wechselstrom-Generator (1) für Fahrzeuge nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis des beanspruchten Raums einer Querschnittsfläche jedes der Innen-Schlitz-Teile (21a) der elektrischen Leiter-Abschnitte (61, 62) zu der Querschnittsfläche der Schlitze (24) weniger als 80%, aber nicht weniger als 50% beträgt.
  3. Ein Wechselstrom-Generator (1) für Fahrzeuge nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Innen-Schlitz-Teile (21a) der elektrischen Leiter-Abschnitte (61, 62) jeweils eine im Wesentlichen rechtwinklige Form haben, die zur Form der Schlitze (24) passt.
  4. Ein Wechselstrom-Generator (1) für Fahrzeuge nach einem der Ansprüche 1–3, wobei die elektrischen Leiter-Abschnitte (61, 62) in zwei Schichten geteilt sind, äußere Schichten, die im Innenteil der Schlitze (24) angeordnet sind, und innere Schichten, die an Einlässen der Schlitze (24) angeordnet sind, wobei jeder der Leiter-Abschnitte im Innenteil eines Schlitzes (24) mit einem der Leiter-Abschnitte (61, 62) an den Einlässen eines anderen Schlitzes (24) verbunden ist, um eine serielle Spulenwicklung zu bilden.
  5. Ein Wechselstrom-Generator (1) für Fahrzeuge nach einem der Ansprüche 1–4, wobei jeder der elektrischen Leiter-Abschnitte (61, 62) einen freiliegenden Leiter aufweist, und ein elektrisches Isolier-Element (23), das sowohl zwischen den Leiter-Abschnitten (61, 62) in den Innen-Schlitz-Teilen (21a), als auch zwischen inneren Wänden des Schlitzes (24) und den elektrischen Leiter-Abschnitten (61, 62) angeordnet ist.
  6. Ein Wechselstrom-Generator (1) für Fahrzeuge nach einem der Ansprüche 3–5, wobei jeder der elektrischen Leiter-Abschnitte (61, 62) einen U-förmigen Leiter-Abschnitt aufweist, und die Innen-Schlitz-Teile (21a) teilweise parallel erstreckende gerade Abschnitte aufweisen.
  7. Ein Wechselstrom-Generator (1) für Fahrzeuge nach einem der Ansprüche 3–5, wobei jeder der elektrischen Leiter-Abschnitte (61, 62), der an den inneren und äußeren Schichten angeordnet ist, innere Leiter aufweist, die in den Schlitzen (24) angeordnet sind, und externe Leiter, die sich von beiden Seiten der inneren Leiter erstrecken.
  8. Ein Wechselstrom-Generator (1) für Fahrzeuge nach einem der Ansprüche 4–7, wobei der Riemenscheiben-seitige Teil des Rotors (3) und ein Umfangsteil (43) des Rahmens (4) Lufteinlässe (42) aufweisen, die nahe aneinander liegen.
  9. Ein Wechselstrom-Generator (1) für Fahrzeuge nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei jeder der elektrischen Leiter-Abschnitte (61, 62) Verbindungsabschnitte an gegenüberliegenden Enden der benachbarten Leiter aufweist, und die Dicke nach dem Schweißen des Verbindungsabschnitts in radialen- als auch Umfangs- Richtungen die ungefähr gleiche Dicke aufweist wie vor dem Schweißen.
  10. Ein Wechselstrom-Generator (1) für Fahrzeuge nach Anspruch 9, wobei die einander benachbarten Verbindungsabschnitte unbedeckt sind.
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