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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Wechselstromgenerator und insbesondere
einen Wechselstromgenerator, der als eine in einem Kraftfahrzeug
eingesetzte Stromerzeugungsvorrichtung geeignet ist.
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Eine
Vorrichtung, die mit einem Harzmaterial in einem Schlitz einer Statorwicklung
versehen ist, um Magnetismusgeräusche
zu reduzieren, ist in der japanischen offengelegten Patentschrift
Nr. 7-255140 offenbart.
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Da
jedoch im vorgenannten Stand der Technik das Harz nur in dem Schlitzteil
angeordnet ist, wird zwar das elektromagnetische Geräusch im Schlitzteil
verringert, aber es hat keinen Einfluss auf das elektromagnetische
Geräusch,
das an einer Endspule auftritt.
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Da
weiterhin ein Luftkühlungsmittel
zum Kühlen
verwendet wird, wenn die Endspule mit dem Harz ausgeformt ist, ergibt
sich das Problem, dass sich die Wärmestrahlung verschlechtert.
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Die
US 5 329 199 offenbart einen
Rotoraufbau mit geformten Schaufeln. In diesem Fall wird das Formmaterial
mit hohem Druck in offene Räume
zwischen Polstücken
und einer Gussform spritzgegossen.
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Die
US 5 313 698 offenbart ein
Verfahren zur Herstellung des Stators einer elektrischen Maschine. In
diesem Fall werden zwei vormontierte Statorblechstapel axial voneinander
beabstandet gehalten und durch einen thermisch leitenden Kunststoff
zusammen geformt. Diese Statorkonstruktionseinheit wird dann aus
der Pressform entfernt und in ein erhitztes topfförmiges Metallgehäuse eingefügt, das
wiederum – während des
Gebrauchs – von
der Außenseite
her gekühlt
wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Das
erste Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, das elektromagnetische
Geräusch
im Wechselstromgenerator zu verringern.
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Ferner
ist es das zweite Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Verbesserung
der Kühlung
der Feldwicklung und der Statorwicklung zu realisieren.
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Um
die beiden vorgenannten Ziele zu erreichen, wird in der vorliegenden
Erfindung ein Flüssigkühlsystem,
das ein flüssiges
Kühlmittel
verwendet, als Kühlvorrichtung übernommen
und klauenförmige Magnetpole
und eine Feldwicklung des Rotors werden mit einem Harz mit guter
thermischer Leitfähigkeit
geformt, wodurch gleichzeitig die Steifigkeit des Rotors gesteigert
wird.
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Des
Weiteren werden ein Schlitzteil des Statorkerns und eine ganze Endspule
durch das Harz mit guter thermischer Leitfähigkeit gehärtet, wodurch die Gesamtsteifigkeit
des Stators ebenso wie beim Rotor gesteigert und die Erzeugung des
elektromagnetischen Geräusches
verringert wird. Weiterhin wird Wärme von einer Wärmeerzeugungsquelle
durch das Harz mit guter thermischer Leitfähigkeit thermisch geleitet,
wodurch die Verbesserung der Kühlung
angestrebt wird.
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Ferner
ist ein Spalt zwischen der Klammer und dem Rotor so konstruiert,
dass er in der vorliegenden Erfindung verschmälert ist.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Gesamtkonstruktionsansicht des Kraftfahrzeugs, die die Beziehung
zwischen dem Wechselstromgenerator für das Kraftfahrzeug und dem
Motor als erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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2 ist
eine Längsschnittansicht
der Gesamtkonstruktion des Wechselstromgenerators für das Kraftfahrzeug
als erster Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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3 ist
eine teilweise vergrößerte Ansicht des
Wechselstromgenerators für
das Kraftfahrzeug als erster Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
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4 ist
eine teilweise vergrößerte Ansicht des
Wechselstromgenerators für
das Kraftfahrzeug als zweiter Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Die
erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 erläutert.
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1 ist
ein Gesamtblockdiagramm, das die Beziehung zwischen dem Wechselstromgenerator und
einem im Motorraum eines Kraftfahrzeugs 100 eingebauten
Motor zeigt.
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In 1 ist
ein Wechselstromgenerator 1 mit einer Scheibe 102,
die an einem Wellenende des Wechselstromgenerators 1 für einen
Motor 2 angeordnet ist, und einer Scheibe 31,
die an einem Wellenende des Motors 2 angeordnet ist, durch
den Riemen 32 verbunden. Das Scheibenverhältnis dieser Scheibe 102 und
der Scheibe 31 beträgt
2:3 und der Wechselstromgenerator dreht sich mit höherer Geschwindigkeit
als der Motor.
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Weiterhin
wird das Kühlwasser
des Wechselstromgenerators 1 in zwei Kühlwasserschläuche 4 eingeleitet,
die mit einem Kühler 5 zu
dessen Wärmeaustausch
verbunden sind, und eine Kühlwasserpumpe 6 zum
Zirkulieren des Kühlwassers
ist an der Auslassöffnungsseite
des Kühlers 5 angeordnet.
Obwohl dies in den Figuren nicht gezeigt ist, ist diese Kühlwasserpumpe 6 gewöhnlich mit
der Scheibe 31 des Motors 2 verbunden und die
Kühlwasserpumpe 6 kann
eine Wassermenge zum Wechselstromgenerator 1 übertragen,
die proportional zur Drehzahl des Motors 2 ist.
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Des
Weiteren wird das aus dem Kühler 5 durch
die Kühlwasserpumpe 6 geleitete
Wasser auch zum Kühlen
des Motors 2 genutzt. Der Kühlwasserschlauch 4 ist
mit der Auslassöffnungsseite
des Wechselstromgenerators 1 verbunden und als Kühlschaft
aufgebaut, um eine parallele Verbindung herzustellen. Daher wird
der Ausgleich einer Wassermenge, die in den parallel verbundenen
Kühlschaft geleitet
wird, durch den Druckverlust in der Rohranordnung jedes Kühlschafts
bestimmt.
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Im
Wechselstromgenerator 1 sind Kühlmitteltemperatursensoren
in den jeweiligen Kühlwasserschläuchen eingebaut,
um die Temperatur des Kühlmittels
zu erfassen, und die Signale der erfassten Temperatur werden in
eine Motorsteuereinheit als Steuereinheit für den Motor 2 eingegeben,
um mit ihnen den erzeugten elektrischen Strom des Wechselstromgenerators 1 für das Kraftfahrzeug 100 zu
steuern.
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In 2 ist
eine Längsschnittansicht
gezeigt, die den Gesamtaufbau des Wechselstromgenerators für das Kraftfahrzeug
veranschaulicht. Der Wechselstromgenerator 1 besitzt zwei
Klammern, eine auf der Scheibenseite angeordnete Klammer 103 und
eine auf der Gegenscheibenseite angeordnete hintere Klammer 104.
Eine Welle 101 ist durch ein Lager im Mittelteil beider
Klammern gelagert, eine Scheibe 102 ist an einem Ende der
Welle 101 eingebaut und ein Schleifring 110 ist
an ihrem anderen Ende eingebaut. Die Scheibe 102 ist mit
der an der Ausgangswelle des Motors angeordneten Scheibe 31 durch
den in 1 gezeigten Riemen 32 verbunden und dreht
sich proportional zur Drehzahl des Motors 2. Eine Bürste 111 ist
am Schleifring 110 angebracht und von der Bürste 111 wird
einer Feldwicklung 107, die später erläutert wird, elektrische Energie
zugeführt.
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Ferner
ist in einem Mittelteil der Welle 101 ein Rotor eingebaut
und ein klauenförmiges
Magnetpolpaar 108 ist in einem Randteil des Rotors angeordnet.
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Weiterhin
ist die Feldwicklung 107 in einem Mittelteil des Rotors
gewickelt und die klauenförmigen
Magnetpole 108 werden magnetisiert, indem ein Gleichstrom
aus dem Schleifring 110 in die Feldwicklung 107 geleitet
wird.
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Ein
Harz 116 mit guter thermischer Leitfähigkeit ist in einem Teil zwischen
dem klauenförmigen Magnetpol 108 und
der Feldwicklung 107 angeordnet und eine Streuverhinderungsabdeckung 117 zum Verhindern,
dass das Harz 116 mit guter thermischer Leitfähigkeit
herausspringt, ist am äußersten
Randteil des klauenförmigen
Magnetpols 108 des Rotors angeordnet.
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Ein
Gehäuse 115,
das einen Statorkern 105 umschließt, ist zwischen der scheibenseitigen/antriebsseitigen
Lagerklammer 103 und der ge genscheibenseitigen hinteren
Klammer 104 angeordnet, und der Innenumfang des Statorkerns 105 ist
getrennt angeordnet, wobei er einen sehr kleinen Abstand von der
Streuverhinderungsabdeckung 117 hält, die an dem klauenförmigen Magnetpol 108 des Rotors
angeordnet ist. Dieser Abstand wird zuvor basierend auf der Beziehung
notweniger mechanischer Eigenschaften bestimmt und beträgt im Allgemeinen um
die 0,4 mm.
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Mehrere
Zähne und
Schlitze sind im Statorkern 105 angeordnet, die Drehstrom-Statorwicklungen 106 sind
in den Schlitzen gebunden, die einen konkaven Teil dieses Statorkerns 105 bilden,
und die Drehstromspannung wird in die Statorwicklung 106 induziert,
wenn sich der klauenförmige
Magnetpol 108 dreht und magnetisiert wird, indem er mit
dem Motor angetrieben wird. Der Statorkern 105 ist im Inneren
des Gehäuses 115 durch
ein Schrumpfsitzverfahren befestigt und das Harz 116 mit
guter thermischer Leitfähigkeit
ist in einem Freiraum rund um den Endspulenteil der Statorwicklung 106 und
in den Schlitz des Statorkerns 105 gefüllt, so dass als Ergebnis der
Statorkern 105, die Statorwicklung 106 und das
Gehäuse 115 mit
dem Harz 116 von guter thermischer Leitfähigkeit
als ein Körper
ausgebildet sind, so dass sie thermal verbunden sind.
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Das
hier beschriebene Harz mit guter thermischer Leitfähigkeit
ist beispielsweise das Material eines Silikongummi- bzw. -kautschuksystems
mit einer thermalen Leitfähigkeit,
die über
1,5 W/mK liegt, oder ein Epoxidharz mit hoher thermischer Leitfähigkeit.
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Innerhalb
der hinteren Klammer 104 auf der Gegenscheibenseite sind
eine Plus-Finne 109a von Dioden, die ein Modul der eine
Gleichrichterschaltung bildenden Dioden ist, und eine Minus-Finne 109b der
Dioden an einer hinteren Platte 112 befestigt, die einen
Kühlwasserkanal 114 fest
abdichtet.
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Des
Weiteren ist ein integrierter Schaltungsregulator 113 zum
Einstellen der Energieerzeugungsspannung so befestigt, dass er die
vorgenannte hintere Klammer 104 berührt.
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Die
Plus-Finne 109a der Dioden ist mit einer Plus-Elektrode
der Batterie, welche nicht gezeigt ist, verbunden und die Minus-Finne 109b der
Dioden, die dasselbe elektrische Potenzial wie der Wechselstromgeneratorkörper hat,
ist elektrisch mit der Minus-Anschlussseite der Batterie, die nicht
gezeigt ist, verbunden. Diese Dioden führen eine Zweiweg-Gleichrichtung
an der Wechselstromspannung aus, die in die Statorwicklung 106 induziert
wird, um sie in Gleichstromspannung umzuwandeln.
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Der
integrierte Schaltungsregulator 113 steuert den Feldwicklungsstrom,
so dass der Gleichstrom, der durch die Dioden gleichgerichtet wird,
um die Batterie zu laden, auf einer festen Spannung von etwa 14,3
V gehalten wird.
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In
dem Wechselstromgenerator für
das Kraftfahrzeug, der wie vorstehend angegeben aufgebaut ist, dreht
sich die Welle 101 zusammen mit dem Schleifring 110 und
dem Rotor, wenn sich die Scheibe 102 dreht, indem sie von
dem Motor 2 angetrieben wird, der aus der Bürste 111 fließende Gleichstrom wird
in die im Rotor angeordnete Feldwicklung 107 eingespeist
und die Feldwicklung 107 arbeitet, so dass sie einen N-Pol
und einen S-Pol in jedem der klauenförmigen Magnetpole 108 erzeugt.
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Der
in der Feldwicklung 107 erzeugte Magnetfluss bildet eine
Magnetschaltung, so das die aus dem Klauenteil, der den N-Pol des
klauenförmigen Magnetpols
darstellt, ausgehende Fluss durch den Statorkern 105 hindurchgeht
und zu dem Klauenteil, das den S-Pol des klauenförmigen Magnetpols darstellt,
zurückkehrt.
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Der
Magnetfluss dieser Magnetschaltung kreuzt die Statorwicklung 106,
wodurch eine induzierte Drehstromspannung in der Statorwicklung 106 auftritt.
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An
der induzierten Drehstromspannung erfolgt eine Zweiweg-Gleichrichtung
durch die Diodengruppen, die an der Plus-Finne 109a und
der Minus-Finne 109b angeordnet sind, und sie wird in eine Gleichstromspannung
umgewandelt, und die gleichgerichtete Gleichstromspannung wird durch
den integrierten Schaltungsregulator 113 eingestellt, so
dass sie eine feste Spannung von etwa 14,3 V hält. Um den Energieerzeugungsstrom
vorliegend stark zu erhöhen,
können
zwischen den Klauen-Magnetpolen Dauermagnete in einer solchen Richtung
angeordnet werden, dass sich gleiche Pole gegenüberliegen.
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Obwohl
durch die Figuren in der vorliegenden Ausführungsform nicht gezeigt, wird
ein Wasserkühlen
als Kühlsystem
angenommen und es ist eine gute Kühlwirkung zu erwarten, selbst
wenn Elektrizität
mit geringer Geschwindigkeit erzeugt wird; als Dauermagnete, die
zwischen den Polen angeordnet sind, werden hochwiderstandsfähige Neodym-Magnete
eingesetzt.
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Als
nächstes
wird das Kühlverfahren
für die Wärme, die
durch Kupferverlust in der Statorwicklung 106 erzeugt wird,
erläutert.
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Wie
vorstehend beschrieben ist, ist der Statorkern 105 mit
der darin befindlichen Statorwicklung 106 an der Innenseite
des Gehäuses 115 durch
ein Schrumpfsitzverfahren befestigt, wodurch eine Konstruktion zur
Verfügung
gestellt wird, die die Wärme leicht
in das Gehäuse 115 leiten
kann.
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Wie
ferner vorstehend beschrieben ist, ist ein Wärmestrahlungsweg mit einem
Harz 116 mit guter thermischer Leitfähigkeit versehen, so dass das
Gehäuse 115 mit
der Innenseite der Statorwicklung 106 thermisch in Berührung kommt,
damit die Wärmestrahlung
der Statorwicklung 106 verbessert wird.
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Mehrere
Kanäle
sind am Umfang des Gehäuses 115 in
einer zur Welle parallelen Richtung vorgesehen und durch die antriebsseitige
Lagerklammer 103 und die hintere Platte 112 dicht
verschlossen, so dass sie einen Wasserkanal in einer Zickzackstufe
ergeben. Das Kühlwasser
fließt
durch den in einer Zickzackstufe bestehenden Wasserkanal rund um
den Umfang des Gehäuses 115 und
beginnt den Statorkern 105 von seinem Umfang her zu kühlen.
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Des
Weiteren wird die durch den Kupferverlust der Feldwicklung 107 im
Rotor erzeugte Wärme in
Richtung der Innenseite der antriebsseitigen Lagerklammer 103 und
eines Teils des Gehäuses 115 gegenüber der
Scheibenseite und der Oberfläche des
Rotors mit einem kleinen Spalt zugewandt abgestrahlt.
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Die
End- und Umfangsflächen
des Rotors, die auf diese Weise in Beziehung zum Kühlen des Rotors
stehen, sind so angeordnet, dass sie indirekt mit den Wasserkanälen 114,
durch die das Kühlmittel fließt, in Berührung kommen,
und die Konstruktion fördert
wirksam die Kühlung
des Rotors.
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Weiterhin
sind in der vorliegenden Erfindung, obwohl dies nicht in den Figuren
gezeigt ist, acht Wasserkanäle
innerhalb des Gehäuses 115 angeordnet
und das Kühlwasser
fließt
von der Seite der Gegenscheibe aus herein und wendet an der antriebsseitigen
Lagerklammer 103, fließt
wieder in Richtung der Gegenscheibenseite und kehrt zur Scheibenseite zurück, so dass
es, nachdem das Kühlwasser
vier Mal herumgeflossen ist, es aus der Gegenscheibenseite herausfließt.
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Auf
diese Weise ist eine gerade Anzahl von Wasserkanälen vorgesehen, eine Rohrlegung
für die Wasserzufuhr
und -abfuhr kann in derselben Richtung ausgeführt werden und die Verwendung
eines Kühlwasserschlauchs
vereinfacht sich. Indem weiterhin eine Schlauchverbindung der Wasserzufuhr
und -abfuhr auf der Gegenscheibenseite angeordnet wird, kann die
Möglichkeit,
dass sich der Schlauch um den Riemen wickelt, stark verringert werden.
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3 ist
eine teilweise vergrößerte Ansicht des
Wechselstromgenerators für
das Kraftfahrzeug und zeigt einen Wärmestrahlungsweg des in 2 gezeigten
Stators und Rotors.
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Ein
Pfeil in den Figuren gibt den Wärmestrahlungsweg
an, und da die sich auf die Komponenten beziehende Erläuterung
dieselbe wie in 2 ist, wird auf sie verzichtet.
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Die
Feldwicklung 107 ist in einem Mittelteil des Rotors aufgewickelt
und die auf Kupferverlust beruhende Wärme tritt in dieser Feldwicklung 107 auf.
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Wenn
diese Wärme
nicht vollständig
abgestrahlt wird, wird der Feldwicklungswiderstand groß und der
Feldstrom nimmt ab. Wenn der Feldstrom abnimmt, sinkt auch der Energieerzeugungsstrom.
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Da
in der vorliegenden Erfindung eine Wasserkühlkonstruktion verwendet wird,
bestimmt die Art und Weise, wie die Wärme zum Kühlmittel geleitet wird, die
Leistung des Wechselstromgenerators.
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Dann
werden die Umfangsfläche
und der klauenförmige
Magnetpol 108 der Feldwicklung 107 mit dem Harz
mit guter thermischer Leitfähigkeit,
zum Beispiel einem Silikongummi bzw. -kautschuk mit guter thermischer
Leitfähigkeit,
thermisch verbunden, wodurch die in der Feldwicklung 107 erzeugte
Wärme zur
Oberfläche
des Rotors geleitet wird. Die Wärme
wird durch das Harz 116 mit guter thermaler Leitfähigkeit,
das den Statorkern 105 und die Statorwicklung 106 füllt, in
den Wasserkanal 114 geleitet, in dem das Kühlmittel
zirkuliert.
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Des
Weiteren wird, wie der andere Weg der zu übertragenden Wärme durch
Pfeile in der Figur gezeigt ist, die Wärme in den Kühlmittelweg 114 durch
die antriebsseitige Lagerklammer 103 oder das Gehäuse 115 geleitet,
das an der Scheibenseite und gegenüber der Oberfläche des
Rotors angeordnet ist. Der integrierte Schaltungsregulator 113 zum
Einstellen der Energieerzeugungsspannung ist an der hinteren Klammer 104 angeordnet;
er kann jedoch auch an der hinteren Platte 112 angeordnet
sein, die den Kühlwasserkanal 114 verschließt.
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Unter
Bezugnahme auf 4 wird die zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erläutert.
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4 ist
eine teilweise vergrößerte Ansicht des
Wechselstromgenerators für
das Kraftfahrzeug und die Statorwicklung 106 ist so angeordnet,
dass sie zur Seite des Kühlwegs 116 zu
gebogen ist; auf eine detaillierte Erläuterung in Bezug auf die Konstruktion
wird verzichtet, da sie 2 ähnlich ist.
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Wie
in 4 gezeigt ist, wird es, da der Wärmewiderstandswert
der Statorwicklung 106 und des Gehäuses 115 gesenkt werden
kann, indem die Statorwicklung 106 nahe an den Wasserkanal 114 gebracht
wird, möglich,
die Statorwicklung 106 gut abzukühlen. Dadurch wird die Temperaturerhöhung der Statorwicklung 106 gesenkt,
der von dem Temperaturanstiegswert abhängige ohmsche Wert steigt nicht an
und die Auswirkung des Kupferverlustes auf die Erzeugungsleistung
kann verringert werden.
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Um
weiterhin den Bereich der Oberflächen des
Rotors gegenüber
der antriebsseitigen Lagerklammer 103 und dem Gehäuse 115 zu
vergrößern, kann
ein Bereich mit thermischer Leitfähigkeit vergrößert werden,
indem ein konvexer Teil 118 an der antriebsseitigen Lagerklammerseite
und dem Gehäuse 115 vorgesehen
wird.
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Obwohl
erfindungsgemäß die Statorwicklung 106 sowie
die Feldwicklung 107 mit dem Harz 116 mit guter
thermischer Leitfähigkeit
geformt sind, ist es in der vorgenannten Erläuterung in einem Fall auch
effektiv, wenn nur eine der Statorwicklung 106 oder der Feldwicklung 107 mit
dem Harz 116 mit guter thermaler Leitfähigkeit geformt ist.
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Des
Weiteren werden der klauenförmige
Magnetpol und die Feldwicklung des Rotors mit dem Harz mit guter
thermischer Leitfähigkeit
gehärtet,
wodurch die elektromagnetische Oszillation verhindert und das Geräusch wirksam
reduziert werden kann.
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Ferner
sind die Statorwicklung im Schlitz des Statorkerns, das Spulenende
und das Gehäuse
auf die gleiche Wiese mit dem Harz mit guter thermischer Leitfähigkeit
gehärtet,
wodurch die elektromagnetische Oszillation verringert werden kann,
und die Senkung unerwünschter
Geräusche
kann wirksam sein.
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In
der vorgenannten Beschreibung ist der Kühler zum Kühlen mit dem Kühler zum
Kühlen
des Motors verbunden; jedoch ist es ebenso wirksam, einen Kühler zu
verwenden, der ausschließlich
für den Wechselstromgenerator
eingesetzt wird.
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In
der vorliegenden Erfindung wird der Wechselstromgenerator für das Kraftfahrzeug
mittels flüssigem
Kühlmittel
gekühlt,
ein Harz mit guter thermischer Leitfähigkeit, dessen thermische
Leitfähigkeit
hoch ist, ist zwischen dem klauenförmigen Magnetpol und der Feldwicklung
des Rotors angeordnet und ein Harz mit guter thermischer Leitfähigkeit,
dessen thermische Leitfähigkeit ähnlich hoch
ist, ist in dem Schlitz angeordnet, in den die Statorwicklung des
Stators eingefügt
ist, und das Spulenende und das Gehäuse sind mit dem guten thermischen
Leiter geformt. Dadurch ist die Kühlwirkung des Rotors und des
Stators verbessert. Des Weiteren besitzt sie eine Geräuschreduzierungswirkung,
da es möglich
wird, die elektromagnetische Vibration des Rotors und Stators zu
senken.
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In
der vorliegenden Erfindung, wie sie vorstehend angegeben ist, wird
die Reduzierung des elektromagnetisch erzeugten akustischen Geräusches im
Wechselstromgenerator möglich
und es kann eine Verbesserung der Kühlwirkung der Feldwicklung
und der Statorwicklung realisiert werden.