JP2009505614A - ５相ジェネレータ - Google Patents

Abstract

５つの異なる相に対して５つの電気的なストランド（１２）を有する５相発電機（１）であって、とりわけ自動車用の５相発電機であり、相は結線点（１４）において電気的に接続されており、該結線点（１４）における電気角（α）は２５°〜３６°の間であることを特徴とする、５相発電機。

Description

本発明は、５つの異なる相に対して５つの電気的なストランドを有する、とりわけ自動車用の５相発電機に関する。この５相発電機では、相は結線点で電気的に接続されている。

従来技術
発電機は従来の技術から公知である。このような発電機の開発は、単相、３相および６相のジェネレータに集中している。６相ジェネレータはとりわけ、単相および３相のジェネレータと比較してより良好な磁気ノイズ特性と、より小さい電圧リプルとが必要とされる場合に使用される。しかし、６相ジェネレータの製造は格段に高コストである。また５相ジェネレータも公知であるが、これは磁気ノイズ特性に関しては、６相のジェネレータより劣っている。したがって、６相ジェネレータに相応する磁気ノイズ特性を有する次のようなジェネレータを提供する要望が残る。すなわち、製造がより有利になり簡便化されるジェネレータを提供する要望が残る。

発明の利点
本発明による５相ジェネレータでは、結線点における電気角が２５°〜３６°の間になるように構成される。このような構成により、磁気ノイズ特性が３相ジェネレータより格段に低減され、とりわけ、近似的または実際的に、６相ジェネレータの磁気ノイズ特性が実現される。さらに、多岐にわたる点で構造的な簡略化が実現される。本発明によるジェネレータの駆動制御回路において、６相ジェネレータと比較して２つのダイオードを削減することができる。さらに結線もより容易になる。というのも、１２個の端子を有する６相を構成する代わりに、１０個の端子を有する５相を構成するだけでよいからである。総じて、頑強性が向上されたジェネレータも実現される。このことは、必要なスロット数が低減されることに拠る。たとえば８つの極対の場合、必要なスロットは９６個ではなく、その代わりに８０個となる。このことによりスロットにおいて、同じ絶縁厚さで、絶縁パーセンテージ割合が低減される。さらに、構成がより安定的になる。というのも、歯幅が６相ジェネレータより拡大されるからである。最後に、本発明によるジェネレータでは銅充填率を高くすることができる。これらの実施形態の後の方でも、所望の電気角を実現する手段を示す。ここで、本文献で挙げられた範囲記載はそれぞれ、記載された限界も含むことに留意されたい。

有利には、電気角は３１°〜３６°の間であり、とりわけ３４°〜３６°の間であり、有利には約３６°である。電気角が小さくなっても、３相ジェネレータと比較して磁気ノイズ特性が改善されるが、上記の電気角では、測定結果の改善が確認されている。より小さい角度でも本発明の利点が得られることが実証されているが、同出願人の認識によれば、約３６°または可能な限りちょうど３６°でノイズが最小になると考えられる。

有利な実施形態では、固定子取出しワイヤの結線はジェネレータの巻回端部で行われる。このことにより、製造はさらに簡略化される。というのも、ジェネレータの固定子に設けられる端子はなおも５つのみになり、１０個ではなくなるからである。

さらに有利には、ジェネレータは整流器に接続され、とりわけＢ１０整流器に接続される。ここで「Ｂ１０」という表現は、１０個のハーフブリッジを有する（すなわち５つのブリッジ分岐を有する）ブリッジ整流器であることを意味する。このような整流器は、ここで提案されるジェネレータに特に適している。

有利には固定子取出しワイヤの接続は、整流器に配属された結線プレート内で行われる。このことによっても、製造はさらに簡略化される。というのも、ジェネレータの固定子に必要とされる端子はなおも５つのみになり、１０個ではなくなるからである。

本発明の１つの実施形態では、ジェネレータの固定子巻線は各相ごとに一続きの導体の巻回によって形成されており、とりわけ１つのワイヤの巻回によって形成されている。このことにより、製造時のコストが低減される。というのも、一続きの導体を加工するのは、差込巻線を使用するより低コストであるからだ。

特に有利なのは、ジェネレータの固定子の銅充填率が５０％以上であることだ。銅充填率とは固定子スロットの導体充填率を指す。すなわち、スロット内に存在する導体の銅断面積すべての、スロット全断面積に対する比率を指す。銅充填率を５０％以上に選択すると、ジェネレータの効率が特に良好になる。

有利には、とりわけ以下の図１に示されたジェネレータの構成では、電圧レベルが１４Ｖである場合、ジェネレータの固定子のスロットあたり５〜１１個の電気導体が装入され、とりわけ８つの導体が装入される。導体数の選択は常に、低い回転数領域で高い出力電力を実現するか（導体数を多くする）、高い回転数領域で高い出力電力を実現するか（導体数を少なくする）の選択と関連する。導体数の最適化は通常、甚大な手間に繋がる。本出願人は、導体数に関して提案した前記領域が有利であることを認識している。

さらに有利には、とりわけ以下の図１に示されたジェネレータの構成では、電圧レベルが２８Ｖである場合、ジェネレータの固定子のスロットあたり１０〜１８個の電気導体が装入される。

本発明の１つの実施形態では、とりわけ以下の図１に示されたジェネレータの構成において、電圧レベルが４２Ｖである場合、ジェネレータの固定子のスロットあたり１９〜３０個の電気導体が装入される。

本発明の別の構成では、巻線ストランドの部分ストランドが付加的に、結線点で相互に接続されている。このことはジェネレータの特性および／またはジェネレータの構成に関して有利である。

有利には、ジェネレータの固定子巻線は短節巻を有する。短節巻という概念はここでは、ジェネレータの少なくとも部分ストランドが少なくとも部分的に、通常の固定子巻線とは異なるスロット、すなわち、とりわけすぐ隣のスロット内または次に隣のスロットにわたって装入されることを意味する。このような短節巻の一般的な側面に関する詳細については、ＤＥ１０３４７４８６およびＷＯ２００５０３４３０８を本願の開示内容に引用する。具体的には短節巻は、ここで提案される５相ジェネレータに関しては次のことを意味する。すなわち、たとえば通常はスロット１からスロット６に行われるスロットステップは、全ストランド内で少なくとも一度は別のステップ数によって置き換えられることを意味する。すなわち、スロット６に行われるのではなくスロット５または７に行われることを意味する。このようにして、磁気ノイズ特性は改善される。

有利にはジェネレータのストランドは、それぞれ少なくとも２つの部分ストランドを有し、これらの部分ストランドはそれぞれ、結線点で相互に接続されており、部分ストランドは個々に巻回されて、巻回端部または結線プレート上にまとめて接続される。このことにより、ジェネレータの製造が簡略化される。

さらに有利には、各ストランドはそれぞれ、ジェネレータの固定子の２つの隣接するスロットに半分ずつ分布される。すなわち、この分布はそれぞれ約５０％ずつで行われる。

本発明の有利な実施形態では、ジェネレータ全体の結線はスター結線で実施される。

有利にはジェネレータの構成において、とりわけ以下の図２に示されたジェネレータの構成の場合、１４Ｖの電圧レベルでは、該ジェネレータの固定子のスロットごとに２〜５つの電気導体が装入され、とりわけ４つの導体が装入される。本出願人は、導体数に関して提案された領域が有利であることを認識している。

さらに有利には、ジェネレータの構成において、とりわけ以下の図２に示されたジェネレータの構成の場合、２８Ｖの電圧レベルでは、該ジェネレータの固定子のスロットごとに５〜９つの電気導体が装入される。

本発明の１つの実施形態では、ジェネレータの構成において、とりわけ以下の図２に示されたジェネレータの構成の場合、４２Ｖの電圧レベルでは、該ジェネレータの固定子のスロットごとに１０〜１５個の電気導体が装入される。

上記の実施例の利点、すなわち高い出力密度の実現およびノイズ低減は、特に、可動子がいわゆるクローポール可動子であるジェネレータによって実現される。

特に有利には、等しい極対数でスロット数が３相ジェネレータより増大されることが判明した。というのも、これによって巻回端部４５の冷却表面が拡大され、さらに有利には、この冷却表面の周辺で半径方向に流れるからである。

図面
ここで本発明を、複数の実施例に基づいて詳細に説明する。

図１ 多相ジェネレータの構成の電気機器の縦断面を示す。

図２ 第１の実施例による５相ジェネレータを示す。

図３ 第１の実施例による相ワイヤと、スロットにおける該相ワイヤの位置とを示す図である。

図４ 第２の実施例による５相ジェネレータを示す。

図５ 第３の実施例による５相ジェネレータを示す。

図６ 第３の実施例による相ワイヤと、スロットにおける該相ワイヤの位置とを示す図である。

図７ 固定子および巻回端部の断面図と、該巻回端部における２つのストランドの結線図である。

実施例の説明
図１に電気機器１０の縦断面が示されており、ここではこの電気機器１０は、自動車用のジェネレータないしは多相ジェネレータとして構成されている。この電気機器１０はとりわけ、２つの部分から成るケーシング１３を有し、ケーシング１３は第１の終端シールド１３．１と第２の終端シールド１３．２とから成る。終端シールド１３．１および終端シールド１３．２はいわゆるステータ１６を収容し、ステータ１６は、実質的に円環状の固定子鉄心１７から成り、半径方向に内側に向いて軸方向に延在する該固定子鉄心１７のスロットに固定子巻線１９が装入されている。この環状のステータ１６は、半径方向に内側に向いている表面でロータ２０を包囲し、このロータ２０はクローポール可動子として形成されている。ロータ２０はとりわけ２つのクローポールプレート２２および２３から成り、これらのクローポールプレート２２および２３の外周にはそれぞれ軸方向に延在するクローポールフィンガ２４および２５が配置されている。両クローポールプレート２２および２３は、該クローポールプレート２２および２３の軸方向に延在するクローポールフィンガ２４ないしは２５がロータ２０の周面において交互になるように、該ロータ２０に配置される。このようにして、逆方向に磁化されるクローポールフィンガ２４および２５間に磁気的に必要なスペースが得られ、このスペースをクローポールスペースと称する。ロータ２０は、シャフト２７と、各ロータ側に１つずつ設けられた転がり軸受２８とによって、各終端シールド１３．１ないしは１３．２に回動可能に支承される。

ロータ２０は総じて、軸方向の端面を２つ有し、これら端面にはそれぞれファン３０が固定されている。このファン３０は基本的に、プレート形ないしはディスク形の部分から成り、この部分からファンブレードが公知のように出ている。ファン３０は、終端シールド１３．１および１３．２の開口４０を介して、電気機器１０の外側と該電気機器１０の内側との間で空気交換を行うために使用される。こうするために、開口４０は基本的に、終端シールド１３．１および１３．２の軸方向の端面に設けられており、終端シールド１３．１および１３．２を介してファン３０によって冷気が電気機器１０の内側空間に吸入される。この冷気はファン３０の回転によって、半径方向に外側に向かって加速され、冷気透過型の巻線突出部ないしは巻回端部４５を通過する。このような作用によって、巻線突出部４５は冷却される。冷気は巻線突出部４５を通過した後、ないしは巻線突出部４５周辺を流れた後、ここで図１には示されていない開口を通って、半径方向に外側に向かう。巻回端部４５は、半径方向の冷気流によって冷却される。

図２は、第１の実施例による５相ジェネレータ１０を示す。ジェネレータ１０の電気的な結線を強調して示しているので、ジェネレータ１０はここでは結線図によって示されている。ステータ１６のスロットに配置された５つの巻線ストランド１２の方向はそれぞれ、該巻線ストランド１２相互間の電気角を示しており、とりわけ、結線点１４（１４．１〜１４．５）に現れる電気角αを示すことに留意されたい。ジェネレータ１０は、電圧源Ｕと、５つのブリッジ分岐１８（１８．１〜１８．５）を有する（Ｂ１０）整流器１６とに接続されている。「Ｂ１０」は、ブリッジあたりそれぞれ２つの整流ダイオードを有するブリッジ整流器であることを意味し、ここでは５つのブリッジが並列接続されている。したがって、ブリッジ整流器に１０個のダイオードが設けられる。結線点１４とブリッジ分岐１８との対応付けは、詳細には以下のようになる：１４．１と１８．３、１４．２と１８．２、１４．３と１８．１、１４．４と１８．５、１４．５と１８．４。結線点１４における２つの巻線ストランド１２間の電気角αはそれぞれ３６°である。しかしこの電気角αは、本願においてすでに詳細に説明したように、より小さく選択することもできる。

固定子巻線１９ひいては５つの巻線ストランド１２の電気的に有効な巻線部分は、巻線ストランド１２の接続に相応して、電気的に有効に２回巻回された後に終了する。ここで図２も参照されたい。 図２のジェネレータ１０はとりわけ、高電力出力に適している。

図３は、第１の実施例による相ワイヤと、スロットにおける該相ワイヤの位置とを示す図である。ここでは５相ジェネレータ１０の固定子ないしはステータ１６を図示しているが、いわゆるスロットステップは５スロットである。すなわち、第１のストランド１２のワイヤは結線点１４．１から第１のスロット１に入り、ここから次のスロットであるスロット６に入る。ここで図３ａも参照されたい。次に巻回されるスロットはスロット１１であり、この所定のスキームないしはスロットステップでは次にスロット１６が続き、その次はスロット２１であり、最後にスロット２６が続く。スロット２６の後、ワイヤは結線点１４．３で終了する。

これと同様に、第２のストランド１２のワイヤも延在する。ここで図３ｂも参照されたい。すなわち、第２のストランド１２のワイヤは結線点１４．４から第１のスロット８に入り、ここから次のスロットであるスロット１３に入る。次に巻回されるスロットはスロット１８であり、この所定のスキームないしはスロットステップでは次にスロット２３が続き、その次はスロット２８であり、最後にスロット３が続く。スロット３の後、ワイヤは結線点１４．２で終了する。

これと同様に、第３のストランド１２のワイヤも延在する。ここで図３ｃも参照されたい。すなわち、第３のストランド１２のワイヤは結線点１４．３から第１のスロット１５に入り、ここから次のスロットであるスロット２０に入る。次に巻回されるスロットはスロット２５であり、この所定のスキームないしはスロットステップでは次にスロット３０が続き、その次はスロット５であり、最後にスロット１０が続く。スロット１０の後、ワイヤは結線点１４．５で終了する。

これと同様に、第４のストランド１２のワイヤも延在する。ここで図３ｄも参照されたい。すなわち、第４のストランド１２のワイヤは結線点１４．１から第１のスロット２２に入り、ここから次のスロットであるスロット２７に入る。次に巻回されるスロットはスロット２であり、この所定のスキームないしはスロットステップでは次にスロット７が続き、その次はスロット１２であり、最後にスロット１７が続く。スロット１７の後、ワイヤは結線点１４．４で終了する。

これと同様に、第５のストランド１２のワイヤも延在する。ここで図３ｅも参照されたい。すなわち、第５のストランド１２のワイヤは結線点１４．５から第１のスロット２９に入り、ここから次のスロットであるスロット４に入る。次に巻回されるスロットはスロット９であり、この所定のスキームないしはスロットステップでは次にスロット１４が続き、その次はスロット１９であり、最後にスロット２４が続く。スロット２４の後、ワイヤは結線点１４．２で終了する。

ステータ１６が３０個のみより多くのスロットを有する場合、すなわちたとえば４０個または５０個またはそれより相応に多数のスロットを有する場合、相応に巻数を多くしなければならない。

図４は、第２の実施例による５相ジェネレータを示す。第１の実施例と異なる点は、個々の巻線ストランド１２が各巻線ストランド１２において２つの接続点２１を有し、（結線点１４．１〜１４．５を介して）ブリッジ接続され、かつ該接続点２１を介して、巻線ストランド２１の中間の部分がリング接続で相互に接続されていることである。それぞれ２つの隣接する接続点２１を介して、３つの異なるストランド１２の３つの部分巻線が３角形をなし、すべての巻線ストランド１２の部分ストランドから成る５角形に接続されている（図４）。

結線点１４．１〜１４．５から接続導体が整流ブリッジ１８．１〜１８．５に接続されている。ここで図４を参照されたい。

図５は、第３の実施例による５相ジェネレータ１を示す。ここでもジェネレータ１０は結線図で示されており、ステータ１６のスロット内に設けられそれぞれ第１の部分ストランド２２および第２の部分ストランド２４を有する５つの巻線ストランド１２の方向はそれぞれ、巻線ストランド１２における部分ストランド２２，２４相互間の電気角を表す。ジェネレータ１は、電圧源Ｕと、５つのブリッジ分岐１８（１８．１〜１８．５）を有する（Ｂ１０）整流器１６とに接続され、スター結線で構成されており、付加的に短節巻が設けられている。この短節巻により、結線点１４において第１の部分ストランド２２と第２の部分ストランド２４との間に、ここでは３６°である電気角αが得られる。ここでは短節巻を形成するために、第２の部分ストランド２４は、５相ジェネレータ１において慣用される大きさ５のスロットステップ（たとえばスロット１からスロット６まで）では装入されず、その代わりに隣接するスロットに装入された。図５に示されたジェネレータ１はとりわけ、動作中は静かであり、必要な巻線を簡単に製造することができる。

図６は、個々の部分ストランド２２および２４がステータ１６および該ステータ１６のスロットにどのように配置されているかを示す。部分図６ａ，６ｃ，６ｅ，６ｇおよび６ｉは部分ストランド２２の位置を示し、部分図６ｂ，６ｄ，６ｆ，６ｈおよび６ｊは部分ストランド２４の位置を示す。「０」は、図５に示された中性点を表す。

ここに挙げられた５相ジェネレータは、特に良好な磁気ノイズ特性を有し、この磁気ノイズ特性は６相ジェネレータに比類し、しかも５相ジェネレータをより低コストで製造することができる。

固定子１６のスロット数は１０の倍数であり、有利には極対数×１０の積に相応し、極対数は６〜８の間である。

多相ジェネレータの構成の電気機器の縦断面を示す。 第１の実施例による５相ジェネレータを示す。 第１の実施例による相ワイヤと、スロットにおける該相ワイヤの位置とを示す図である。 第２の実施例による５相ジェネレータを示す。 第３の実施例による５相ジェネレータを示す。 第３の実施例による相ワイヤと、スロットにおける該相ワイヤの位置とを示す図である。 固定子および巻回端部の断面図と、該巻回端部における２つのストランドの結線図である。

Claims (22)

1. ５つの異なる相に対して５つの電気的なストランド（１２）を有する５相発電機（１）であって、
   とりわけ自動車用の５相発電機であり、
   相は結線点（１４）において電気的に接続されている形式のものにおいて、
   該結線点（１４）における電気角（α）は２５°〜３６°の間であることを特徴とする、５相発電機。
2. 前記電気角（α）は３１°〜３６°の間であり、とりわけ３４°〜３６°の間であり、有利には約３６°である、請求項１記載の５相発電機。
3. 固定子引出しワイヤの結線は、前記５相発電機（１）の巻回端部で行われている、請求項１または２記載の５相発電機。
4. 前記５相発電機（１）は整流器（１６）に接続されており、とりわけＢ１０整流器に接続されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の５相発電機。
5. 固定子引出しワイヤの結線は、整流器（１６）に所属する結線プレートにおいて行われている、請求項１から４までのいずれか１項記載の５相発電機。
6. 前記５相発電機（１）の固定子巻線は、各相ごとに一続きの導体を巻回することによって形成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の５相発電機。
7. 前記５相発電機の固定子の銅充填率は５０％以上である、請求項１から６までのいずれか１項記載の５相発電機。
8. 前記固定子巻線（１９）ひいては５つの巻線ストランド（１２）の電気的に有効な巻線部分は、該巻線ストランド（１２）の接続に相応して、電気的に有効に２回巻回された後に終了されている（図２）、請求項１から７までのいずれか１項記載の５相発電機。
9. ５相発電機（１）の構成において、とりわけ図１に示された結線での５相発電機（１）の構成において、電圧レベルが１４Ｖである場合、該５相発電機（１）の固定子のスロットあたり５〜１１個の電気的な導体が装入され、とりわけ８つの導体が装入されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の５相発電機。
10. ５相発電機（１）の構成において、とりわけ図１に示された結線での５相発電機（１）の構成において、電圧レベルが２８Ｖである場合、該５相発電機（１）の固定子のスロットあたり１０〜１８個の電気的な導体が装入されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の５相発電機。
11. ５相発電機（１）の構成において、とりわけ図１に示された結線での５相発電機（１）の構成において、電圧レベルが４２Ｖである場合、該５相発電機（１）の固定子のスロットあたり１９〜３０個の電気的な導体が装入されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の５相発電機。
12. 付加的に、前記巻線ストランド（１２）の部分巻線ストランドが結線点（２０）において相互に接続されている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の５相発電機。
13. 前記５相発電機（１）の固定子巻線は短節巻を有する、請求項１から１２までのいずれか１項記載の５相発電機。
14. 前記５相発電機（１）のストランド（１２）はそれぞれ少なくとも２つの部分ストランド（２２，２４）を有し、
    該部分ストランド（２２，２４）はそれぞれ前記結線点（１４）において相互に接続されており、
    該部分ストランド（２２，２４）は個別に巻回されて形成されており、巻回端部または結線プレートにおいて相互に接続されている、請求項１３記載の５相発電機。
15. 各ストランド（１２）は、前記５相発電機（１）の固定子の２つの隣接するスロットにそれぞれ半分ずつ分布されている、請求項１３または１４記載の５相発電機。
16. 前記５相発電機（１）の全体の結線はスター結線で構成されている、請求項１３から１５までのいずれか１項記載の５相発電機。
17. ５相発電機（１）の構成において、とりわけ図２に示された結線での５相発電機（１）の構成において、電圧レベルが１４Ｖである場合、該５相発電機（１）の固定子のスロットあたり２〜５個の電気的な導体が装入され、とりわけ４つの導体が装入されている、請求項１３から１６までのいずれか１項記載の５相発電機。
18. ５相発電機（１）の構成において、とりわけ図２に示された結線での５相発電機（１）の構成において、電圧レベルが２８Ｖである場合、該５相発電機（１）の固定子のスロットあたり５〜９個の電気的な導体が装入されている、請求項１３から１７までのいずれか１項記載の５相発電機。
19. ５相発電機（１）の構成において、とりわけ図２に示された結線での５相発電機（１）の構成において、電圧レベルが４２Ｖである場合、該５相発電機（１）の固定子のスロットあたり１０〜１５個の電気的な導体が装入されている、請求項１３から１７までのいずれか１項記載の５相発電機。
20. クローポールロータであるロータ（２０）が設けられている、請求項１から１９までのいずれか１項記載の５相発電機。
21. 前記巻回端部（４５）は、半径方向の冷気流によって冷却される、請求項１から２０までのいずれか１項記載の５相発電機。
22. 前記固定子（１６）のスロット数は１０の倍数であり、有利には極対数×１０の積に相応し、極対数は６〜８の間である、請求項１から２１までのいずれか１項記載の５相発電機。

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