DE69835123T2

DE69835123T2 - Wechselstromgenrator mit verbesserten Mitteln zur Kühlung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE69835123T2
Application number: DE69835123T
Authority: DE
Inventors: Pascal Couvert; Michel Pernin
Original assignee: Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Current assignee: Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Priority date: 1997-06-19
Filing date: 1998-06-17
Publication date: 2006-11-23
Anticipated expiration: 2018-06-18
Also published as: EP0886366A1; KR19990007079A; US6087746A; DE69835123D1; FR2765042A1; KR100511580B1; BR9801999A; EP0886366B1; FR2765042B1; ES2268757T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Kühlung der Wechselstromgeneratoren von Kraftfahrzeugen.
Herkömmlicherweise erfolgt die Kühlung der verschiedenen mechanischen und elektronischen Elemente eines Wechselstromgenerators (insbesondere Lager, Wicklungen, Regler- und Gleichrichterkomponenten usw.) anhand eines oder mehrerer zusammen mit dem Rotor umlaufenden Lüfter, die mit Lufteinlass- oder Luftauslassöffnungen zusammenwirken, die in das Gehäuse des Wechselstromgenerators eingearbeitet sind, das in der Regel um einen sogenannten vorderen Lagerschild (riemenscheibenseitig) und einen sogenannten hinteren Lagerschild (gleichrichter- und reglerseitig) ausgebildet ist.
So sind bereits seit vielen Jahren verschiedene, innere oder äußere, als Axial- oder Zentrifugallüfter ausgeführte Lüfterarten sowie unterschiedliche Kombinationen dieser Lüfterarten bekannt. In diesem Zusammenhang ist insbesondere auf die US 4,584,496 A zu verweisen, in der ein Wechselstromgenerator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben ist.
Es liegt jedoch auf der Hand, dass diese Lüfter in einem signifikanten Ausmaß zu den Herstellungskosten und zum axialen Bauraumbedarf des Wechselstromgenerators beitragen und dass sie während des Betriebs einen relativ hohen Geräuschpegel erzeugen.
Im übrigen hat man versucht, dem Rotor, indem man ihm eine besondere Form gibt, die Funktion eines Lüfters zu übertragen, indem ein Luftstrom zwischen den in das Gehäuse eingearbeiteten Ein- und Auslassöffnungen geschaffen wird, um einen wirtschaftlicheren und kompakteren Wechselstromgenerator mit einem geräuschärmeren Betrieb zu erhalten.
Diese Lösung, die insbesondere darin besteht, dem Rotor eine besondere Form zu geben (siehe vor allem die EPO 0 104 450 A) ist jedoch insofern nachteilig, als sie erhebliche Mehrkosten bei der Konstruktion und Herstellung des Rotors zur Folge hat und der Lüftungseffekt trotzdem begrenzt bleibt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Begrenzungen des Stands der Technik zu beseitigen und einen Wechselstromgenerator auszuführen, bei dem ein symmetrischer Rotor in der Lage ist, durch seine Drehung zu einem zufriedenstellenden Lüftungseffekt beizutragen.
Im einzelnen geht die vorliegende Erfindung von der Feststellung aus, dass insbesondere durch eine entsprechende Veränderung der Geometrie der Lufteinlass- und Luftauslassöffnungen bewirkt werden kann, dass ein Klauenpolrotor, einschließlich eines herkömmlichen symmetrischen Rotors, selbst bei seiner Drehung einen signifikanten Innenluftstrom erzeugt.
In einem ersten Fall kann dieser Luftstrom den im übrigen durch einen oder mehrere Lüfter erzeugten Luftstrom verstärken.
In einem zweiten Fall kann dieser Luftstrom allein ausreichen, um die Kühlung sämtlicher Bauteile des Wechselstromgenerators sicherzustellen, wobei der Wechselstromgenerator in diesem Fall ohne spezifischen Lüfter ausgeführt sein kann.
Die vorliegende Erfindung schlägt daher einen Wechselstromgenerator, insbesondere für Kraftfahrzeuge, gemäß seiner Definition in Anspruch 1 vor.
Bevorzugte, aber nicht ausschließliche Aspekte des erfindungsgemäßen Wechselstromgenerators sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Andere Aspekte, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich deutlicher aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die als Beispiel und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung angeführt wird, in der die einzige Figur eine Axialschnittansicht eines Wechselstromgenerators nach der vorliegenden Erfindung zeigt.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung ist ein Wechselstromgenerator eines Kraftfahrzeugs dargestellt worden, der in an sich herkömmlicher Weise einen vorderen Lagerschild 20, einen Rotor 30, der auf einer Welle 40 gelagert ist, die ihrerseits über zwei Lager 11, 21 drehbar in den beiden Lagerschilden 10, 20 gelagert ist, eine außen am vorderen Lagerschild 10 am vorderen Ende der Welle 40 befestigte Riemenscheibe 41, einen Stator 50, der so am hinteren Lagerschild befestigt ist, dass er um den Rotor herum angeordnet ist, und eine Baugruppe 60 aus Kohlebürsten und Gleichrichter- und Reglerbauteilen umfasst, die außen am hinteren Lagerschild 20 angebracht und durch eine Abdeckkappe 70 geschützt ist.
Im vorliegenden Beispiel ist dieser Wechselstromgenerator zwar ohne jeden inneren oder äußeren Lüfter ausgeführt; die Erfindung, wie sie im folgenden beschrieben wird, gilt jedoch auch für den Fall, in dem Lüftungsmittel mit Drehflügeln weiterhin vorgesehen sind.
An dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, dass der in der Figur dargestellte Wechselstromgenerator in der Bauart mit Hilfslüftungsmitteln durch Flüssigkeitsumlauf ausgeführt ist. Dazu umfasst der hintere Lagerschild 20 an seiner insgesamt zylindrischen Wand 22, die sich an den vorderen Lagerschild 10 anschließt, einen ringförmigen Durchgang 23 für die Kühlflüssigkeit, angrenzend an den Stator, wobei dieser Durchgang 23 mit einem Flüssigkeitseinlassanschluss 24 und einem nicht dargestellten Flüssigkeitsauslassanschluss in Verbindung steht.
Die Erfindung ist jedoch keineswegs auf einen derartigen Wechselstromgenerator mit Flüssigkeitshilfskühlung beschränkt.
Der Rotor 30 umfasst in an sich herkömmlicher Weise zwei Klauenpolbaugruppen 31 bzw. 32, die jeweils eine Reihe von Klauen 31a, 32a umfassen, die ineinander verzahnt sind und eine Rotorwicklung 33 umschließen.
Der Stator 50 ist seinerseits an der Innenseite der insgesamt zylindrischen Wand 22 des hinteren Lagerschilds 20 aufgeschrumpft.
Die Klauen 31a, 32a weisen an ihren Außenflächen umfangsmäßig ausgerichtete Riefen auf, die dazu bestimmt sind, die Wirbelströme zu reduzieren, den Temperaturanstieg des Rotors zu verringern und den Wirkungsgrad des Wechselstromgenerators zu erhöhen.
Der hintere Lagerschild 20 und der vordere Lagerschild 10 enthalten Kühllufteinlassschlitze 25 bzw. Kühlluftauslassschlitze 15, wobei diese Schlitze in an sich bekannter Weise in zwei auf die Drehachse A zentrierten Kränzen verteilt sind.
Um die Zirkulation eines Kühlluftstroms im Innenraum des Wechselstromgenerators allein aufgrund der Drehung des vorstehend beschriebenen Rotors herbeizuführen, befinden sich nach einem wesentlichen Aspekt der Erfindung die Lufteinlassschlitze 25 in einem mittleren Ab stand R2 von der Drehachse A, der kürzer als der mittlere Abstand R1 der Luftauslassschlitze 15 bezogen auf ebendiese Achse ist, während die Einlass- 25 und Auslassschlitze 15 in etwa die gleiche Abmessung in radialer Richtung aufweisen. Auf diese Weise wird eine Fliehkraftwirkung des Rotors auf die Luft genutzt, die daher durch die am nächsten an der Achse befindlichen Schlitze einströmt, um durch die am weitesten davon entfernten Schlitze auszuströmen.
Der Wert von R2 ist vorteilhafterweise ungefähr gleich der Hälfte des mittleren Radius des Stators, während der Wert von R1 nahe dem mittleren Radius des Stators und vorzugsweise ungefähr gleich dem Außenradius des Rotors ist.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, eine gewisse Anzahl von Anordnungen vorzusehen, durch die sich der Widerstand gegen den Kühlluftstrom verringern lässt, insbesondere indem dieser Luftstrom in kritischen Bereichen kanalisiert wird.
Die erste dieser Anordnungen besteht darin, den Luftauslassschlitzen 15 ein schräge Ausrichtung in der Wanddicke des vorderen Lagerschilds 10 zu geben. So zeigt die Figur, dass diese Öffnungen Innenwände 15a (in radialer Richtung) und Außenwände 15b (in radialer Richtung) besitzen, die in etwa kegelstumpfförmig ausgebildet sind, mit einem gleichen Winkel von etwa 45° bezogen auf die Achse, um dadurch die Luftzirkulation durch Fliehkraftwirkung zu fördern. Die Ränder dieser Wände 15a und 15b in ihrem Übergangsbereich zu den Innen- und Außenflächen des vorderen Lagerschilds 10 sind abgerundet, um den Widerstand gegen die Luftzirkulation ebenfalls zu verringern.
Eine zweite Anordnung, die ergänzend zur vorstehend beschriebenen Anordnung vorgesehen ist, besteht darin, die radial innere Wand 15a der Schlitze 15 bis in unmittelbare Nähe der entsprechenden Flanke des Rotors 30 zu verlängern.
Dazu wird vorteilhafterweise der Haltering 80 des vorderen Lagers 11 verwendet, dessen Gestaltung entsprechend angepasst wird.
Dieser Haltering 80 umfasst daher eine Außenfläche 81, die dazu bestimmt ist, das Lager 11 in an sich herkömmlicher Weise in axialer Richtung zu sichern, und eine Außenfläche 82, die sich entlang und in unmittelbarer Nähe der Flanke des Rotors 30 erstreckt.
Außerdem umfasst der Haltering 80 eine radial äußere Fläche 83 mit kegelstumpfartiger Form, so dass sie sich im wesentlichen in der inneren Verlängerung der Wände 15a der Schlitze 15, zwischen diesen und dem Rotor 30, erstreckt.
Darüber hinaus enthält der Haltering eine Mehrzahl von Öffnungen 84 für Bolzen für seine Befestigung am vorderen Lagerschild 10 unmittelbar außen am Lager 11 in radialer Richtung.
Eine dritte Anordnung, die ergänzend zu den beiden ersten Anordnungen vorgesehen ist, besteht darin, die Form des Stators entsprechend anzupassen, wenn sich die Luftauslassschlitze in radialer Richtung in seiner Nähe erstrecken. Diese Anpassung besteht wiederum darin, die den Außenwänden 15b der Schlitze 15 zugekehrte kreisförmige Kante des Stators so abzurunden, dass eine gewisse Durchgängigkeit zwischen dieser Abrundung und den Wänden 15b besteht. Dieses Merkmal lässt sich besonders einfach herbeiführen, wenn, wie im ersten Beispiel, der Stator durch Aufformen von Kunststoff 54 auf dem Gehäuse 52 und den Phasenwicklungen 53 des Stators ausgeführt ist.
Nach einer anderen vorteilhaften Anordnung der Erfindung sind im Bereich der Lufteinlassschlitze 25 Mittel vorgesehen, um die Luftströmung an ihrem Eintritt in den Hohlraum des Wechselstromgenerators zu begünstigen.
Diese Mittel bestehen aus einer kegelstumpfförmigen Wand 26, die sich zwischen den zylindrischen Außenwänden 25b der Lufteinlassschlitze 25 und dem Stator erstreckt, wobei sich diese kegelstumpfförmige Wand, wie veranschaulicht, in etwa in der Ebene der rückseitigen Flanke des Rotor anschließt.
Bei dieser Wand 26 handelt es sich vorteilhafterweise um die Wand einer vorstehenden Ausbildung 27, die am hinteren Lagerschild 20 vorgesehen ist, um die Anzahl der für die Montage erforderlichen Teile nicht zu vergrößern.
In diesem Zusammenhang ist festzustellen, dass die kegelstumpfförmige Wand 26 insgesamt vollwandig ausgeführt ist, mit Ausnahme einer begrenzten Anzahl von Stellen, durch die der Schnitt der Figur verläuft, in denen Öffnungen 28 für Schrauben 100 zur Anbringung der Gleichrichterschaltung und der Abdeckkappe 70 des Wechselstromgenerators eingearbeitet sind.
Es dürfte verständlich sein, dass die kegelstumpfförmige Wand 26 bewirkt, dass eine Ansammlung von für die Kühlung ineffizienten Luftwirbeln in dem ruhigen Bereich vermieden wird, der ansonsten in dem durch den Stator 50 und die radiale Wand des hinteren Lagerschilds gebildeten ringförmigen Winkelbereich definiert wäre.
Die Ausbildung 27 ermöglicht es außerdem in der dargestellten Gestaltung, andere Luftdurchlässe 29 zu verschließen, die radial außerhalb der Schlitze 25 angeordnet und insbesondere für den Durchgang der elektrischen Anschlüsse des Stators zum Gleichrichter bestimmt sind, wobei diese Durchgänge ansonsten als zusätzliche Lufteinlässe dienen und die mit der vorerwähnten Fliehkraftwirkung zusammenhängende Durchflussmenge des Luftstroms verringern würden.
Auf diese Weise entsteht dank der vorliegenden Erfindung ein Wechselstromgenerator ohne Lüfter, in dem eine effizienten Lüftung allein durch die Wirkung des Rotors dank der beschriebenen Anordnungen sichergestellt wird.
In diesem Zusammenhang ist festzustellen, dass der Rotor natürlich entsprechend angepasst werden kann, um den Luftstrom zu verstärken, beispielsweise durch gezielte Änderungen an der Form der Zwischenräume zwischen benachbarten Klauen.
Die vorliegende Erfindung ist natürlich keineswegs auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt.

Claims

Wechselstromgenerator, insbesondere für Kraftfahrzeuge, umfassend ein Gehäuse (10, 20), das einen Stator (50) trägt und in dem ein Rotor mit ineinander verzahnten Klauen (31a, 32a) drehbar gelagert ist, wobei das Gehäuse Ein- und Auslassschlitze für Kühlluft enthält, wobei diese Schlitze aus Kühllufteinlassschlitzen (25), die sich auf einer ersten axialen Seite des Gehäuses befinden, und aus Kühlluftauslassschlitzen (15) bestehen, die sich auf einer gegenüberliegenden axialen Seite des Gehäuses befinden, wobei diese Schlitze gleichmäßig in zwei auf die Drehachse (A) des Rotors zentrierten Kränzen verteilt sind, wobei sich die Lufteinlassschlitze (25) in größerer Nähe zur Drehachse des Rotors als die Luftauslassschlitze (15) befinden, wobei der Wechselstromgenerator dadurch gekennzeichnet ist, dass die Luftauslassschlitze (15) schräg ausgerichtete radial innere Wände (15a) aufweisen, indem sie sich von der Drehachse (A) vom Inneren des Gehäuses nach außen entfernen, so daß eine Luftzirkulation durch Fliehkraftwirkung durch die Drehung des Rotors (30) begünstigt wird.
Wechselstromgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftauslassschlitze (15) schräg ausgerichtete radial äußere Wände (15b) aufweisen, indem sie sich von der Drehachse (A) vom Inneren des Gehäuses nach außen entfernen.
Wechselstromgenerator nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung der besagten radial inneren Wände etwa 45° bezogen auf die Achse des Wechselstromgenerators beträgt.
Wechselstromgenerator nach Anspruch 2 oder nach Anspruch 3 in Abhängigkeit von Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die radial inneren Wände (15a) und die radial äußeren Wände (15b) in etwa die gleiche Ausrichtung aufweisen.
Wechselstromgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass er außerdem eine schräg ausgerichtete Wand (83) aufweist, die sich in etwa in der Verlängerung der radial inneren Wände (15a) der Luftauslassschlitze (15) befindet und sich zwischen einer Wand (10) des Gehäuses, in welcher die besagten Luftauslassschlitze ausgebildet sind, und einer benachbarten Flanke des Rotors (30) erstreckt.
Wechselstromgenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die schräg ausgerichtete Wand (83) durch einen Haltering (80) eines Lagers (11) definiert ist, das zwischen einer Rotorwelle (40) und der Gehäusewand (10) vorgesehen ist, in der die Luftauslassschlitze (15) ausgebildet sind.
Wechselstromgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die radial inneren (15a) und radial äußeren Wände (15b) der Luftauslassschlitze (15) in einem kürzeren bzw. größeren Abstand von der Drehachse (A) als eine Innenfläche des Stators (50) erstrecken und dass der Stator den besagten Luftauslassschlitzen zugekehrt eine Wand (51) umfasst, die sich insgesamt in der Verlängerung der radial äußeren Wände (15b) der besagten Schlitze erstreckt.
Wechselstromgenerator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die besagte Wand des Stators aus einer Abrundung (51) besteht, die an einer insgesamt kreisförmigen Kante des besagten Stators (50) ausgebildet ist.
Wechselstromgenerator nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator durch Aufformen von Kunststoff (54) auf Phasenwicklungen (53) und einem Gehäuse (52) ausgeführt ist und dass die besagte Wand (51) des Stators einstückig angeformt ist.
Wechselstromgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass er außerdem eine schräg ausgerichtete Wand (26) umfasst, die sich zwischen den radial äußeren Wänden (25b) der Luftauslassschlitze (25) und einer benachbarten Flanke des Rotors (30) erstreckt.
Wechselstromgenerator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die besagte schräg ausgerichtete Wand (26) durch einen vorstehenden Teil (27) gebildet wird, der einstückig mit dem Gehäuseteil (20) ausgeführt ist, in dem die Lufteinlassschlitze (25) ausgebildet sind.
Wechselstromgenerator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der besagte vorstehende Teil (27) andere Luftdurchlässe (29) verschließt, die radial außerhalb der Lufteinlassschlitze (25) vorgesehen sind.
Wechselstromgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass, insoweit der Wechselstromgenerator durch eine Riemenscheibe angetrieben wird, die Lufteinlassschlitze (25) auf einer der Riemenscheibe gegenüberliegenden Seite des Wechselstromgenerators vorgesehen sind und die Luftauslassschlitze (15) auf einer der Riemenscheibe zugekehrten Seite des Wechselstromgenerators vorgesehen sind.
Wechselstromgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Lufteinlassschlitze (25) in einem mittleren Abstand (R2) von der Drehachse (A) ungefähr gleich der Hälfte des mittleren Radius des Stators (50) befinden und dass sich die Luftauslassschlitze (15) in einem mittleren Abstand (R1) von der Drehachse nahe dem mittleren Radius des Stators (50) befinden.
Wechselstromgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass er ohne Lüfter ausgeführt ist.