DE69905314T2

DE69905314T2 - Wechselstromgenerator mit Klauenpolrotor

Info

Publication number: DE69905314T2
Application number: DE69905314T
Authority: DE
Inventors: Shigenobu Nakamura; Hiroshi Shibata
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1998-07-29
Filing date: 1999-05-27
Publication date: 2003-11-27
Anticipated expiration: 2019-05-28
Also published as: JP3186703B2; DE69905314D1; EP0977342A1; US6127763A; JP2000050588A; EP0977342B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Generator für ein Fahrzeug.
Die Verminderung des Kraftstoffverbrauchs von Fahrzeugen ist von vielerlei Vorschriften gefordert worden, einschließlich CAFE entsprechend dem Erd-Umweltschutz. Demgemäß sind die Größe und das Gewicht von Wechselstromgeneratoren durch Vermindern verschiedener Verluste des Wechselstromgenerators reduziert worden, wodurch der Wirkungsgrad des Generators verbessert wird.
Die wesentlichen Verluste des Wechselstromgenerators sind Kupferverluste der Statorwicklung und der Feldwicklung, Gleichrichterverluste, welche während der Umwandlung von Wechselstromleistung in Gleichstromleistung erzeugt werden, Kernverluste einschließlich Wirbelstromverluste und Hysteresisverluste, sowie mechanische Verluste einschließlich der Verluste durch Kühllüfter und durch die Bürsten. Die Kupferverluste, Gleichrichterverluste, Kernverluste und Bürstenverluste können durch traditionelle Maßnahmen der Auswahl von Materialien, welche eingesetzt werden, sowie der Konstruktionsformen, vermindert werden. Es ist jedoch schwierig, den Kühlungswirkungsdraht des Generators zu verbessern.
Ein in der JP-U-5-11769 offenbarter Rotor ist so konstruiert, das er flach ist, um die Oberflächengröße der Feldspule in Kontakt mit dem Polkern zu vergrößern und dadurch die Wärmeabgabe zu verbessern. Obwohl die verbesserte Wärmeabgabe den Wirkungsgrad des Wechselstromgenerators verbessert, nimmt die radiale Größe des Wechselstromgenerators notwendigerweise zu, was in Schwierigkeiten resultiert, einen radial größeren Raum für den Generator in dem Motorraum des Fahrzeugs zu schaffen.
hin in der JP-B2-59-42456 offenbarter Wechselstromgenerator hat einen Axialstrom-Kühllüfter zur Verbesserung des Kühleffektes. Es ist jedoch schwierig, die Menge von Kühlluft zu vergrößern, wenn die Größe des Generators geringer wird. Die US-A-5,343,105 offenbart einen Generator für Fahrzeuge, enthaltend einen Stator mit einem Statorkern, der eine Anzahl von Zahnstirnrändern aufweist, sowie einer Statorwicklung. Der Stator umgibt einen Rotor, der aus einem Polkern mit einem zylindrischen zentrischen Kern, einer Mehrzahl von Klauen-Polstücken, welche sich abwechselnd von einander gegenüberliegenden Axialenden des Polkerns in axialen Richtungen erstrecken, einem Paar von scheibenförmigen Jochen, welche zwischen dem genannten Kern und den Klauen-Polstücken angeordnet sind, und einer am zentrischen Kern befestigten Welle zusammengesetzt ist. Ein Paar von Kühllüftern ist an einander gegenüberliegenden Axialenden des Polkernes befestigt und eine Feldspule befindet sich zwischen dem zentrischen Kern, dem Paar von scheibenförmigen Jochen und den Klauen-Polstücken. Die Klauen-Polstücke erstrecken sich von den scheibenförmigen Jochen in axialer Richtung und haben eine sich verjüngende Gestalt. Die genannten Klauen-Polstücke befinden sich in einem zylindrischen Raum, der axial, zur Welle ist und ein Verhältnis seines inneren Durchmessers zu dem Außendurchmesser von 0,75 aufweist, soweit Fig. 1 der genannten US-Patentschrift betrachtet wird, und von 0,79 aufweist, soweit man Fig. 2 des genannten US-Patentes in Betracht zieht. Es befindet sich in der US-1-5343 105 keine technische Lehre mit Bezug auf den Einfluss, welchen dieses Durchmesserverhältnis auf die thermischen Eigenschaften eines Generators haben könnte.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines leistungsfähigen Wechselstromgenerators mit einer verbesserten Kühlungskonstruktion für die Feldwicklung. Dieses Ziel wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch einen Generator erreicht, der die Merkmale von Anspruch 1 aufweist.
Demgemäß liegt ein Verhältnis des umfangsmäßigen Abstandes Y zwischen den Klauen-Polstücken und der umfangsmäßigen Breite X eines Zahnstirnrandes zwischen 2 und 3,3, und das Verhältnis des Innendurchmessers r1 eines zylindrischen Raumes, in welchem die Klauen-Polstücke angeordnet sind, zu dem Außendurchmesser R1 dieses Raumes liegt zwischen 0,78 und 0,8.
Andere Ziele, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung sowie die Funktionen der zugehörigen Teile der vorliegenden Erfindung ergeben sich noch deutlicher aus einem Studium der folgenden detailierten Beschreibung, der anliegenden Ansprüche und der Zeichnungen. In den Zeichnungen stellen dar:
Fig. 1 eine teilweise im Schnitt gezeichnete Seitenansicht, welche einen Hauptteil eines Fahrzeug-Wechselstrom-Generators gemäß einer bevorzugen Ausführungsform der Erfindung verdeutlicht;
Fig. 2 eine schematische Darstellung von Zaunstirnrändern relativ zu Klauen-Polstücken des Wechselstromgenerators;
Fig. 3 eine schematische Darstellung der magnetischen Flußwege des Wechselstromgenerators;
Fig. 4 eine schematische Darstellung des Rotors gemäß der bevorzugten Ausführungsform; und
Fig. 5 ein Diagramm, das die spezifische Beziehung zwischen dem Wirkungsgrad des Wechselstromgenerators und den Abmessungsverhältnissen von Hauptteilen des Wechselstromgenerators darstellt.
Ein Wechselstromgenerator für ein Fahrzeug gemäß der bevorzugen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben.
Der Wechselstromgenerator 1 ist aus einem Stator 2, einem Rotor 3, einem Gehäuse 4, welches den Rotor 3 und den Stator 2 abstützt, Gleichrichter 5, welche die Wechselstromspannung der Generator-Ausgangsleistung in eine Gleichspannung umformen und einem Spannungsregler zusammengesetzt, welcher die Ausgangspannung durch Steuerung der Feldstromes reguliert.
Der Rotor 3 hat eine Welle 6, welche an ihm zur Drehung zusammen mit dem Rotor befestigt ist, ferner einen Polkern 7 mit einer axialen Länge Lr, einen vorderen Kühllüfter 12, der an das axiale Stirnende des Polkerns 7 angeschweißt ist, einen hinteren Kühllüfter 13, der das gegenüberliegende Ende des Polkern 7 angeschweißt ist, eine Feldwicklung 8 sowie Bürsten- und Schleifringeinheiten 9 und 10. Die Welle 6 trägt an ihrem einen Ende eine Riemenscheibe 20, um von einem (nicht dargestellten) Motor angetrieben zu werden. Der Polkern 7 ist aus einem zylindrischen zentrischen Kern 71, einem Paar scheibenförmiger Joche 72, die sich von gegenüberliegenden axialen Enden des zentrischen Kerns 71 radial noch außen erstrecken, und einer Mehrzahl von Klauen-Polstücken 73 zusammengesetzt.
Wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist, erstrecken sich die mehreren Klauen- Polstücke 73 abwechselnd von dem Paar scheibenförmiger Joche 72 in axialer Richtung von diesen mit einem umfangsmäßigen Abstand Y voneinander und sind in einem zylindrischen Raum gelegen, der einen äußeren Durchmesser R1 und einen inneren Durchmesser r1 aufweist.
Das Verhältnis des inneren Durchmessers r1 des zylindrischen Raumes zu dem Außendurchmesser dieses Raumes liegt zwischen 0,78 und 0,80.
Die Feldwicklung 8 hat einen Presssitz auf dem Außendurchmesser des zentrischen Kernes 71 über einen Isolationsspulenkörper 81 und wird durch die Mehrzahl von Klauen-Polstücken 73 eingeschlossen. Die Feldwicklung 8 und der Spulenkörper 81 sind an dem Polkern 7 durch Harz oder dergleichen befestigt. Der vordere Kühllüfter 12 und der hintere Kühllüfter 13 sind thermisch mit dem Polkern 7 verbunden, so daß Wärme von den scheibenförmigen Jochen 72 zu den Flügeln der Kühllüfter 12 und 13 übertragen werden kann.
Der Stator 2 ist aus dem Statorkern 32, der Statorwicklung 33 und den Isolatoren 34 zusammengesetzt. Der Statorkern 32 besteht aus einer Vielzahl laminierter Stahlbleche. Die Dicke jedes Stahlbleches beträgt etwa 0,6 mm. Der Statorkern 32 weist eine Mehrzahl von Zahnstirnrändern 35 an seinem Innenumfang und die entspechenden Nuten auf, die zwischen den Zahnstirnrändern 35 gebildet sind. Die Statorwicklung 33 setzt sich aus den in die Nuten eingelegten und in den Nuten befindlichen Anteilen und Spulenkopfteilen zusammen, die aus den Nuten hervorstehen.
Jeder der Zahnstirnränder 35 eine umfangsmäßige Breite X und eine axiale Länge Z, welche dazu ausreicht, um die radial äußere Oberflächen der gegenüberliegenden scheibenförmigen Joche 72 in axialen Richtung zu überdecken. Ein Verhältnis des Abstandes Y zwischen den benachbarten Klauen-Polstücken 73 und der umfangsmäßigen Breite X ist so gewählt, daß es zwischen 2 und 3, 3 liegt. Demgemäß liegen die gegenüberliegenden Enden der Zahnstirnränder 35 nahe den Kühllüftern 12 und 13 an ihren gegenüberliegenden Enden, so daß Wärme von den Zahnstirnrändern 35 leichter zu den Kühllüftern 12 und 13 hin übertragen werden kann.
Das Verhältnis der axialen Länge Z des Statorkerns 32 zur axialen Länge Lr des Polkerns 7 liegt zwischen 0,75 und 0,95.
In Fig. 4 ist die Querschnittsfläche der Welle, deren Durchmesser R3 etwa 18% des Außendurchmessers des Polkerns 7 ausmacht, von der Querschnittsfläche des zylindrischen Teils 71 abgezogen, welches einen Außendurchmesser R2 aufweist.
Aus diesem Grunde ist die Querschnittsfläche S3 je Polpaar folgendermaßen anzugeben: S3 = (π/4P)·(R2² - R3³). Die Querschnittsfläche des Jochteiles 72 je Polpaar ist so ausgelegt, das sie gleich S3 ist.
Die in dem Stator 2 erzeugte Wärme wird so effektiv von den Zahnstirnrändern des Statorkern 32 zu dem Polkern 7 abgestrahlt.
Die relative Lage zwischen den Polkernen 7 und den Zahnstirnrändern 35 ist schematisch in Fig. 2 wiedergegeben. Die axiale Länge Z der Zahnstirnränder 35 ist so ausgelegt, daß der Zahnstirnrand das scheibenförmige Joch 72 auf gegenüberliegenden Rotorenden des Rotors 3 überbrückt oder in Längsrichtung abdeckt, und die umfangsmäßige Breite X ist so ausgelegt, daß die Fläche SL des Zahnstirnrandes dem Klauen-Polstück 73 in der selben Weise gegenübersteht wie diejenigen eines normalen Wechslestromgenerators. Wenn das Klauen-Polstück 73 in Gestalt und Größe nicht von denjenigen eines herkömmlichen Wechselstromgenerators verschieden ist, wird die Fläche ST des Zahnstirnrandes 35, welche der Feldwicklung 8 unmittelbar zugewandt ist, kleiner als die Fläche ST' eines normalen Wechselstromgenerators und der Rest SL wird größer als die Fläche 83 desselben wie in Fig. 2 dargestellt ist.
Aus diesem Grunde kann Wärme, die von den Zahnstirnrändern 35 abgestrahlt wird, leicht an die Kühllüfter 12 und 13 abgegeben werden. Da die Fläche ST des Zahnstirnrandes 35, welche der Feldspule oder der Feldwicklung 8 zugewandt ist, verkleinert ist, kann die Wärme, die von den Zahnstirnrändern 35 sich auf die Feldspule 8 hin abgestrahlt wird, reduziert werden.
Wie in Fig. 5 gezeigt verändert sich der Wirkungsgrad eines 12poligen Wechselstromgeneators mit dem Verhältins Y/X des umfangsmäßigen Abstandes zwischen benachbarten Klauen-Polstücken 73 und der umfangsmäßigen Breite des Zahnstirnrandes 35 und mit dem Verhältnis r1/R1 des Innendurchmessers des zylindrischen Raumes, in welchem sich die Klauen-Polstücke 73 befinden, und dem Außendurchmesser dieses Raumes.
Der Außendurchmesser R1 des zylindrischen Raumes, welcher dem Außendurchmesser des Rotors 3 des Prüflings entspricht, misst 92 mm und der Außendurchmesser der Feldspule oder Feldwicklung 8 ist so ausgelegt, das der Füllfaktor der Feldspule oder Feldwicklung 8 etwa 68% sein kann und der elektrische Widerstand etwa 2,3 Ω beträgt. Der Füllfaktor der Statorwicklung 33 ist etwa 60% des Nutraumes des Statorkerns 32. Der Zwischenraum δ zwischen dem Außendurchmesser des Motors 3 und dem Innendurchmesser des Stators 2 ist 0,35 mm.
Es bestätigt sich, das derselbe Effekt erreicht werden kann, auch wenn die Anzahl der magnetischen Pole sich auf 14 oder 16 ändert. Wenn die Dicke jedes Stahlbleches weniger als 0,4 mm beträgt, dann erhöht sich der Wirkungsgrad des Generators.
In der obigen Beschreibung der vorliegenden Erfindung wurde diese unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen offenbart. Es versteht sich jedoch, daß Abänderungen innerhalb des Umfangs der Erfindung möglich sind, welcher durch die anliegenden Ansprüche definiert ist.

Claims

1. Generator (1) für Kraftfahrzeuge, enthaltend einen Stator (2), welcher aus einem Statorkern (32) mit einer Anzahl von Zahnstirnrändern (35), von denen jeder eine umfangsmäßige Breite von X hat, und einer Statorwicklung (33) zusammengesetzt ist, sowie einen Rotor (3), der aus einem Polkern (7) mit einem zylindrischen zentrischen Kern (71), einer Mehrzahl von Klauen-Polstücken (73), welche sich von einander gegenüberliegenden Axialenden des Polkerns (7) in axialen Richtungen erstrecken, einem Paar von scheibenförmigen Jochen (72), welche zwischen dem zentrischen Kern (71) und den Klauen-Polstücken (73) angeordnet sind, und einer Welle (6) zusammengesetzt ist, welche an dem zentrischen Kern (71) befestigt ist, fernerhin ein Paar von Kühllüftern (12, 13), welche an den einander gegenüberliegenden Axialenden des Polkerns (7) befestigt sind, sowie schließlich eine Feldwicklung (8), die zwischen dem zentrischen Kern (71), dem Paar von scheibenförmigen Jochen (72) und den Klauen-Polstücken (73) gelegen ist,

wobei sich die Anzahl von Klauen-Polstücken (73) in einem zylindrischen Raum befindet, der einen Außendurchmesser R1 und einen Innendurchmesser r1 aufweist, und von einander durch gleiche Intervalle mit einem umfangsmäßigen Abstand von Y getrennt sind,

wobei das Verhältnis Y/X des umfangsmäßigen Abstandes zur umfangsmäßigen Breite im Bereich von 2 und 3,3 liegt, und

das Verhältnis r1/R1 des Innendurchmessers zum Außendurchmesser im Bereich zwischen 0,78 und 0,8 liegt.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Statorkern (32) eine Anzahl von laminierten Stahlblechen aufweist, von denen jedes eine Dicke von 0,6 mm oder weniger hat.

3. Generator nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem jeder der Zahnstirnränder (35) eine axiale Länge Z hat und das Verhältnis der axialen Länge zur Axiallänge Lr des Polkerns zwischen 0,75 und 0,95 liegt.