JP5232158B2 - 電気機器 - Google Patents

Description

従来技術
本発明は、請求項１記載の電気機器、とりわけ電磁的に励磁される自動車用クローポール（爪形磁極）型発電機から出発する。これに関してDE 103 61 859 A1から、自動車用三相交流発電機として構成された電気機器が公知である。ここでは巻線端部は、相互連結された導体エレメントを介して、接続プレートのそれぞれ１つの電気端子ならびに整流器ユニットの端子と接続されている。これによって、とりわけ比較的多相の機器においては著しい接続コストが生じる。

独立請求項記載の特徴を備える本発明の電気機器の利点は、ストランド端子のためのコストが低く抑えられることである。とりわけ全ての接続すべきストランド端子を、隣接するステータスロットに配置し、これらのストランド端子を直接相互連結し、１つの共通の接続部を介して整流器に接続することができると、コストを低く抑えることができる。それぞれ隣接するストランド端子を五芒星形（Pentagram）に接続し、ステータがロータポール１つにつき５個のスロットを有するようにすると、とりわけ有利である。このことから以下のような配置が導かれる。すなわち、第１の２つの接続されたストランド端子から最大５個のスロット部分の間隔を置いて、別の２つの、接続されかつ隣接するスロットに配置されたストランド端子が後続する配置が導かれるのである。

さらに、ストランド端子が１０個の隣接するスロットに配置されていると有利であり、ここではそれぞれ（２ｎ−１）番目のスロットのストランド端子は、それぞれ２ｎ番目のスロットのストランド端子と接続される。このときｎは、１から５の整数である。ストランド端子を集中させたこのような配置は、とりわけステータを、ステータ巻線を設けた後に丸めて完全な円形のステータにされる平面積層体（Flachpaket）として製造するのに適している。なぜならこの場合、ステータの２つの端部の間の衝突箇所において、ただ２つの巻線突出部のみが存在することとなるからである。さらに、このような配置によって製造技術的な利点が生じる。なぜなら、これらの端子は、比較的互いに密接して配置されているので、溶接工程が簡単になるからである。しかしその一方で、整流器の個々のエレメントを機器の周囲に均等に分布する場合には、ストランド端子の位置を相応にして全てのスロットに均等に分布することもまた有利であろう。なぜなら、ストランド端子は整流器の個々のエレメントに対して密接に隣接するので、短い接続しか必要としないからである。その場合、隣接するスロットに配置されかつ互いに接続されたストランド端子の間には、それぞれストランド端子を有しない４つのスロットが設けられている。

ステータ巻線の対称性は、ストランド端子において偶数個の導体が互いに接続されていると特に有利に形成することができる。本発明の機器のステータにおけるスロットの数は用途に応じて６０〜８０個であり、ステータ巻線が５ストランドで構成されている場合には、機器のロータは、１２，１４または１６個のクローポールフィンガを備えるように構成される。このような構成は、回転数が低い場合において機器の充分な出力を提供し、他方で、回転数が非常に高くなる場合においても機械的に充分に安定している。

本発明の実施例を図面に示し、以下の記述において詳細に説明する。

図１は、クローポール型ロータを有する自動車用の交流発電機の縦断面図である。 図２は、後置された整流器を備える、５ストランドの交流発電機の回路概略図である。 図３は、単重波巻巻線として構成された５ストランドのステータ巻線の巻線構成を示し、このステータ巻線は、最初の１０個のスロットに集められた端子を備える。 図４は、分布波巻巻線として構成された５ストランドのステータ巻線の巻線構成を示し、このステータ巻線は、１０個のスロットに集められた端子を備える。 図５は、単重波巻巻線として構成された５ストランドのステータ巻線の巻線構成を示し、このステータ巻線は、３０個のスロットに分布された端子を備える。 図６は、分布波巻巻線として構成された５ストランドのステータ巻線の巻線構成を示し、このステータ巻線は、３０個のスロットに分布された端子を備える。 図７は、本発明の機器のステータの断面図である。 図８および８Ａは、本発明のステータ巻線のストランド端子の概略図である。

本発明の実施形態
図１に、自動車用の交流発電機１０の断面が示されている。この交流発電機１０は、とりわけ２つの部分から成るケーシング１３を有する。このケーシング１３は、第１のベアリングシールド１３．１と、第２のベアリングシールド１３．２とからなる。ベアリングシールド１３．１およびベアリングシールド１３．２は、ステータ１６を収容する。このステータ１６は円環形の薄板積層体１７を有し、この薄板積層体１７のスロット１５にはステータ巻線１８が嵌め込まれており、このスロット１５は、内側に向かって開放されており、かつ軸方向に延在している。環状のステータ１６の半径方向に内側を向いた表面は、電磁的に励磁されるロータ２０を包囲しており、該ロータ２０は、クローポールロータ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から構成されており、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。これら２つの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Ｎ極およびＳ極として交互になるように、ロータ２０に配置される。このことにより、磁化方向が逆のクローポールフィンガ２４と２５との間において、磁気的に必要なクローポールスペースが得られる。これらのクローポールフィンガ２４，２５は、自身の自由端部に向かって先細りになっているので、機器軸に対して軽く傾斜している。本発明の以下の説明では、この軽い傾斜を簡略的に軸方向と称する。ロータ２０は、シャフト２７と、ロータの１つの側につき１つずつ設けられた転がり軸受２８とによって、それぞれベアリングシールド１３．１ないしは１３．２に、回動可能に支承される。

ロータ２０は、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ディスク形の部分から構成されており、この部分からファンブレードが従来通りに突出している。ファン３０は、ベアリングシールド１３．１および１３．２の開口部４０を介して、電気機器１０の外側と内側空間との間で空気交換を行うために使用される。このために開口部４０は、ベアリングシールド１３．１および１３．２の軸方向の端面に設けられており、このベアリングシールド１３．１および１３．２を介してファン３０によって冷却空気が電気機器１０の内側空間に吸入される。この冷却空気は、ファン３０の回転によって半径方向に外側に加速され、駆動側に設けられた冷却空気透過性の巻線端部４５と電子回路側に設けられた冷却空気透過性の巻線端部４６とを透過することができる。このような作用により、巻線端部が冷却される。冷却空気は、巻線端部を透過した後、ないしは該巻線端部の周囲を流れた後に、半径方向に外側に向かって、図中に示されていない開口部を通る。

図１の右側に、種々異なる部品を周辺の影響から保護する保護キャップ４７が設けられている。この保護キャップ４７は例えば、励磁巻線５１に励磁電流を供給するスリップリングモジュール４９を被覆する。このスリップリングモジュール４９の周囲に冷却体５３が配置されており、この冷却体は、ここでは正極冷却体として作用する。ベアリングシールド１３．２が、いわゆる負極冷却体として機能する。ベアリングシールド１３．２と冷却体５３との間には、接続プレート５６が配置されている。この接続プレートは、ベアリングシールド１３．２に固定された負極ダイオード５８と、図示していない整流器１９の正極ダイオードとを、冷却体５３において、ブリッジ回路の形態で相互に接続する。

図２には、５ストランドの発電機１０が、回路図によって示されている。５つの巻線ストランドは、接続点１４．１〜１４．５において、それぞれ２つ一組になっており、電気角αを形成している。発電機１０は、ブリッジ分岐１９．１〜１９．５を備える（Ｂ１０−）整流器１９の出力側において、電圧Ｕを供給する。結線点１４とブリッジ分岐１９との対応付けは、以下のようになる：１４．１と１９．１、１４．２と１９．２、１４．３と１９．３、１４．４と１９．４、１４．５と１９．５。各結線点１４における２つの巻線ストランドの間の電気角αは３６°である。

図３〜６は、３０個のスロットを備えるステータ巻線１８の種々異なる巻線構成を示し、このことは、６個のクローポールフィンガ２４を備えるロータ２０の実施例に相応する。実際には自動車の発電機のために、スロットの数、およびロータ２０のクローポールフィンガの数は、通常これよりも多く選択される。とりわけスロットは６０〜８０個であり、クローポールフィンガ１つにつきスロットが５個である場合には、クローポールフィンガ２４の数は１２個、１４個または１６個となる。本発明の５ストランドのステータ巻線１８は、とりわけ五芒星形状に接続される。このことは図２に示されており、既に詳細に説明されている。個々のストランド１４の接続部は、図３〜６に示されるような形態で形成され、ここでは、全ての接続すべきストランド端子１４．１〜１４．５が、隣接するスロットに配置されている。このことは必須ではないが、専ら隣接するストランド１４を接続するのが最も合理的である。

図３は、最初の１０個のスロット１５に集められたストランド端子１４．１〜１４．５を備えるステータ巻線１８の巻線構成を示す。ここで巻線部分ａ〜ｅは、図３に別個に図示されている。個々の巻線端子は、破線によって上方へと延長しており、そこで図２の図示に相応して結びつけられる。ステータ巻線は５ストランドで構成されており、これによって接続手段は最適となる。同時に、この巻線の実施例では、ノイズ形成および形成される発電機の電圧Ｕのリップルが少なくなる。全ての接続すべきストランド端子は、隣接するスロットに配置されており、特に有利には、図２において図示、説明したように五芒星形状に接続される。ストランド巻線をこのように接続することにより、機器を非常に良好に使用し尽くすことができる。とりわけスター形または五角形に接続する場合よりも、生じる無効電流が少なくなる。

ステータ巻線１８の５ストランドの構成に相応して、ステータスロット１５の数はそれぞれ１０の倍数であり、クローポールの数はこのスロットの数の５分の１に相応する。したがって、図３〜６に示す３０個のスロットを備える巻線構成は、ロータ２０のクローポールフィンガ２４を６個必要とする。しかしながらこのスロットの数は、巻線を簡単に図示するためだけに選択されている。なぜなら、６個のクローポールフィンガしか有さないロータ２０は、比較的高い回転数を超えてようやく所要の出力に到達するからである。実際には、自動車において発電機として使用される電気機器は、クローポール型構造方式ではとりわけ１２個または１６個のクローポールフィンガ２４を有しており、自動車の通常の回転数範囲、すなわち約８００〜７０００回転／分において、発電機への変圧比が１：２．５〜１：３である場合には、電気機器の回転数がアイドリング中に約１８００回転／分を超えれば既に充分な出力が形成される。この場合電気機器は、駆動される内燃機関の最高回転数にて機械的に酷使されることはない。

図３に示す巻線構成は、ステータの周面において最初の１０個のスロットに集められたストランド端子１４．１〜１４．５の単重波巻巻線を示す。このようなストランド端子の配置は、整流器１９も同様に接続プレート５６に集まるように配置されている場合にとりわけ有利である。なぜなら、これによって整流器の端子への接続が短くなるので、溶接接合の配置が空間的にコンパクトになるからである。ストランドａ〜ｅの個々の導体Ｌの結線は、図２に相応して、以下のように形成される。すなわち、ストランド端子１４．１において巻線ａが巻線ｂに接続されており、ストランド端子１４．２において巻線ｃが巻線ｄに接続されており、ストランド端子１４．３において巻線ｅが巻線ａに接続されており、ストランド端子１４．４において巻線ｂが巻線ｃに接続されており、ストランド端子１４．５において巻線ｄが巻線ｅに接続されているように形成するのである。巻線ａ〜ｅの相応の接続が図４による巻線構成において形成される。しかしここでは、巻線は、分布波巻巻線として構成されている。

図５は、単重波巻巻線として構成されたストランドa〜ｂを備える巻線構成を示す。しかしここでは、ストランド端子１４．1〜１４．５が、３０個のスロットすべてに均等に分布されている。ここでは、ストランド端子１４．１においてストランドａがストランドｅに接続されており、ストランド端子１４．２においてストランドｃがストランドｄに接続されており、ストランド端子１４．３においてストランドａがストランドｂに接続されており、ストランド端子１４．４においてストランドｄがストランドｅに接続されており、ストランド端子１４．５においてストランドｂがストランドｃに接続されている。

ステータ１６の周面全体にわたるストランド端子１４．１〜１４．５の均等な分布は、整流器１９のダイオードも接続プレート５６に相応に均等に分布されている場合にとりわけ有利である。これによって一方では整流器のための冷却比率が有利になり、他方ではストランド端子から整流器への直接かつ短い接続が形成されるからである。

図６による巻線構成は、ストランド端子１４．１〜１４．５の分布に関しては図５の巻線構成に相応している。しかしここでステータ巻線１８は、図４の巻線構成に相応して再び分布波巻巻線として構成されている。図４〜６に相応する波巻巻線は、重ね巻巻線（重ね巻巻線も、基本的に使用可能である）に比べてより短い導体を有しているので、導体の断面積が等しい場合には電気抵抗はより小さくなる。とりわけ電気機器が自動車用クローポール型発電機として構成されているこの実施例では、波巻巻線は製造技術的に一層有利である。巻線端部の有利な構成、すなわち通風性が高く、したがって巻線を良好に冷却できるような有利な構成を、簡単に実現することができるのである。

図７は、ステータ１６の薄板積層体１７にあるスロット１５の構造を拡大して示す。ここでは、矢印３２はステータ外径を表しており、矢印３３はステータ内径、ないしロータ２０を収容するための孔の直径を表している。参照符号３４によりスロット開口部が示されており、このスロット開口部のスリット幅Ｓは、導体用絶縁体を含む導体の直径Ｄの２倍よりも小さい。スロット１５は、スロット栓部３５によってステータ内部へ向かって閉鎖されている。導体Ｌは、付加的にスロット絶縁体３６によって、スロット１５内で絶縁性に配置されている。ここでは、最大スロット幅Ｂは、導体絶縁体を含む導体の直径Ｄの２倍よりも大きい。１つのスロット１５内の導体Ｌの数は７よりも多い。これによって、巻線の充分な冷却において比較的高いスロット充填を備える有利な製造比率が得られる。

図８および８Ａは、ストランド端子１４．１〜１４．５の構造を、隣接するスロットにおいてそれぞれ１つの導体Ｌを備える実施例に関して詳細に図示している。これらの導体端部は、互いに縒り合わされており、バンドルスリーブ３８の外側の領域３７において絶縁除去されており、接続クリップ３９によって結束されている。図８Ａに示すように、クリップ３９内部の領域４１には導体端部３７がはんだ付けされており、整流器端子４２が設けられている。図２に示すように、整流器端子４２からそれぞれ１つの接続部が、整流器１９の各整流器端子１９．１〜１９．５へと通じている。

Claims (13)

1. ステータ巻線（１８）を備えており、該ステータ巻線のストランド端子（１４．１−１４．５）が整流器装置（１９）と接続されている、電気機器において、
   前記ステータ巻線（１８）は５ストランドで形成されており、
   前記ストランド端子（１４．１−１４．５）は、直接隣接するスロット（１５）に少なくとも一度配置されている、
   ことを特徴とする電気機器。
2. 全ての互いに接続すべき前記ストランド端子（１４．１−１４．５）は、直接隣接するスロット（１５）に配置されている、
   ことを特徴とする請求項１記載の電気機器。
3. 前記ステータ巻線（１８）の巻線ストランド（ａ〜ｅ）は五芒星形状に互いに接続されている、
   ことを特徴とする請求項１または２記載の電気機器。
4. ステータ（１６）は、ロータポール（２４）１つにつき５個のスロット（１５）を有する、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の電気機器。
5. 前記スロット（１５）の数は、６０〜８０個であり、クローポールフィンガ（２４）の数は１２，１４，または１６個である、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の電気機器。
6. 最大５個のスロット部分の間隔を置いて、第１の互いに接続された２つのストランド端子から、隣接するスロットに配置された別の互いに接続された２つのストランド端子が後続している、
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の電気機器。
7. 前記ストランド端子（１４．１−１４．５）が１０個の隣接するスロット（１５）に配置されており、
   （２ｎ−１）番目のスロットのストランド端子は、それぞれ２ｎ番目のスロットのストランド端子と互いに接続され、
   ただしｎは、１から５の整数である、
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の電気機器。
8. 隣接するスロット（１５）に配置されかつ互いに接続された前記ストランド端子（１４．１−１４．５）の間には、それぞれストランド端子を有しない４つのスロット（１５）が設けられている、
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の電気機器。
9. 前記ストランド端子（１４．１−１４．５）においてそれぞれ偶数個の導体（Ｌ）が互いに接続されている、
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項記載の電気機器。
10. 前記スロットのスリット幅（Ｓ）は、導体用絶縁体を含む導体の直径（Ｄ）の２倍よりも小さい、
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項記載の電気機器。
11. 前記スロットの幅（Ｂ）は、導体用絶縁体を含む導体の直径（Ｄ）の２倍よりも大きい、
    ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項記載の電気機器。
12. １つのスロット（１５）内の導体Ｌの数は７よりも多い、
    ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項記載の電気機器。
13. 前記電気機器は、電磁的に励磁される自動車用クローポール型発電機（１０）である、
    ことを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項記載の電気機器。

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