DE10005781A1

DE10005781A1 - Elektrische Maschine

Info

Publication number: DE10005781A1
Application number: DE10005781A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Pflueger; Hans-Peter Groeter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-02-10
Filing date: 2000-02-10
Publication date: 2001-08-16
Also published as: US20020153803A1; JP2003525006A; WO2001059906A1; MXPA01010235A; EP1169766A1; BR0009668A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere Drehstromgenerator, mit einem in einem Gehäuse angeordneten, eine Statorwicklung tragenden Stator und mit einem auf einer Welle gelagerten Klauenpolläufersystem mit zwei als Polradhälften ausgebildeten Polringen, die in gegenseitig ineinandergreifenden Klauen auslaufen, sowie einer von dem Klauenpolläufersystem umschlossenen, insbesondere auf der Welle angeordneten Erregerwicklung. DOLLAR A Es wird vorgesehen, daß die Klauenpole (15, 15') durch ein ringförmiges, wellenseitig angeordnetes, aus einem aus nichtmagnetischem Blech einteilig gefertigtes Klauenverschlußband (30) fest miteinander verbunden sind, wobei das Klauenverschlußband mit ausgeformten Verbindungselementen (31) ausgestaltet ist, welche die Klauenzwischenräume (19) ausfüllen.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere einen Drehstromgenerator für Kraftfahr zeuge.

Stand der Technik

Es ist bekannt, in Kraftfahrzeugen für die Aufladung der Starterbatterie sowie für die Stromversorgung der elektrischen Verbraucher des Bordnetzes Generatoren, insbesondere Drehstromgeneratoren, einzusetzen. Zen trales Bauelement von Drehstromgeneratoren ist ein auf einer Läuferwelle angeordnetes und mit hoher Drehzahl rotierendes Klauenpolläufersystem, das eine ebenfalls auf der Welle angeordnete Erregerwicklung umschließt. Das Klauenpolläufersystem ist aus zwei gegenpoligen Klauenpolrädern aufgebaut, deren Pole (Klauen) wechselseitig ineinandergreifen. Die Klauen pole müssen dabei magnetisch voneinander getrennt und gleichzeitig drehfest auf der Läuferwelle angeordnet sein.

Bei Betrieb des Drehstromgenerators kommt es zu uner wünschten Geräuschentwicklungen, wobei zwei ursächliche Geräuschquellen unterschieden werden. Als soge nanntes "magnetisches Geräusch" wird die Geräuschab strahlung bezeichnet, die eine Folge des durch elek tromagnetische Kräfte angeregten Schwingens der Klau enpole ist. Ferner führt die die Klauenzwischenräume durchströmende Luft beziehungsweise die in den Klau enzwischenräumen entstehenden Luftturbulenzen zu ei ner aerodynamischen Geräuschquelle, dem Strömungsge räusch.

Bekannt ist, durch ein in den Klauenpolläufer erre gerspulenseitig eingelegtes Dämpfungsband, das bei spielsweise durch Schweißnähte mit den Klauenpolen verbunden ist, das Schwingen der Klauenpole zu ver hindern und somit die magnetische Geräuschentwicklung zu reduzieren. Das Strömungsgeräusch wird mit diesem Verfahren jedoch nicht abgesenkt.

Weiterhin ist bekannt, den Klauenzwischenraum zweier benachbarter Klauen durch ein eingefügtes, unmagne tisches Element zu schließen und somit das Strömungs geräusch abzusenken. Nachteilig an dieser Lösung ist eine mangelnde Schleuderfestigkeit bei hohen Drehzah len. Ferner vermag diese Methode das Schwingen der Klauenpole nur ungenügend zu dämpfen.

Die US Re. 36,038 beschreibt Klauenpolkeile zum Ver schluß von Klauenzwischenräumen aus einem nichtmagne tischen Material, vorzugsweise einem Kunststoff, oder aus einem nichtmagnetischen Metall, wie Aluminium oder Edelstahl. Bei Ausführung der Klauenpolkeile aus einem nichtmagnetischen Metall werden diese durch Druckguß, Verpressen oder Kaltschmieden gefertigt und in den Klauenzwischenraum eingepaßt und mechanisch an ihrem Ort gehalten. In der gleichen Schrift wird auch eine einteilige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Klauenpolkeile als Ring offenbart. Diese Ausführung vermag zwar, das Strömungsgeräusch abzusenken, ist jedoch, mangels einer wirklichen Befestigung der Klauenpolkeile an den Polring beziehungsweise den Polklauen, nicht in der Lage, das Schwingen der Klau en und somit die magnetische Geräuschabstrahlung zu unterdrücken. Nachteilig an der beschriebenen Technik ist ferner der erhebliche Fertigungsaufwand, da die Klauenpolkeile mit einer sehr geringen Toleranz be züglich ihrer Paßgenauigkeit hergestellt werden müs sen, um ohne weitere Befestigungsvorrichtung an den Polringen fixiert werden zu können. Die Verwendung von Kunststoff führt darüber hinaus zu einem hohen Verschleiß, während die Verarbeitungskosten bei Ver wendung eines nichtmagnetischen Metalls durch Druck guß, Verpressen oder Kaltschmieden sehr hoch sind.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Maschine mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vorteil, daß ein Klauenpolläufer mit einem Klauenverschlußband eingesetzt ist, welches sowohl das Strömungsgeräusch als auch das magnetische Geräusch eliminiert, wobei das Klauenverschlußband in einfacher und kostengün stiger Weise in Schweißtechnik herstellbar ist.

Es wurde ein Klauenverschlußband entwickelt, das in einteiliger Ausführung aus einem Blech aus einem nichtmagnetischen Metall hergestellt werden kann. Das erfindungsgemäße Klauenverschlußband wird bei der Montage des Klauenpolläufersystems wellenseitig zwi schen Erregerwicklung und den Polrädern eingelegt. Dabei ist das Klauenverschlußband derart gestaltet, daß es eine Vielzahl von aus dem Blech ausgeformten Verbindungselementen enthält, die den Zwischenraum zweier benachbarter Klauenpole ausfüllen, wobei der Blechrücken auf der Klauenpolrückseite, das heißt zwischen Klauenpol und Erregerwicklung, verläuft.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Klauen verschlußband aus einem austenitischen Material her gestellt.

Es ist ferner vorgesehen, die feste Verbindung zwi schen Klauenverschlußband und Klauenpolen durch Schweißtechnik, vorzugsweise Laserschweißtechnik, herzustellen. Ein besonders geeigneter Ort für das Anbringen der Schweißnähte findet sich zwischen den Klauenflanken der Klauenpole und den Verbindungsele menten des Klauenverschlußbandes, da hier eine rela tiv große Kontaktfläche ausgebildet wird.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht die beidseitige Ausgestaltung des Klauenverschlußbandes mit einer Vielzahl von abgekanteten Laschen vor, die sich im vollmontierten Zustand radial zwischen den Klauenwurzeln des einen Polrades und den Klauenspit zen des zweiten Polrades befinden, wobei die Laschen vorzugsweise mit den Klauenwurzeln abschließen. Zum Erreichen einer noch höheren Schleuderfestigkeit kann optional in diesem Bereich, das heißt zwischen den Laschen des Klauenverschlußbandes und den Klauenwur zeln der Polräder, zusätzlich verschweißt werden.

Das erfindungsgemäße Klauenverschlußband erfüllt gleichzeitig die Funktion eines Klauenverschlusses und eines Dämpfungsbandes, indem es einerseits die Klauenzwischenräume durch die Verbindungselemente ausfüllt und andererseits eine feste Verbindung der Klauenpole untereinander herstellt. Damit senkt das erfindungsgemäße Klauenverschlußband sowohl die ma gnetische Geräuschabstrahlung als auch das Strömungs geräusch wirksam ab.

Darüber hinaus wird durch die stabile Verbindung der Klauenpole das drehzahlabhängige radiale Aufbiegen der Klauenpole stark reduziert, das in kürzester Zeit zur Beschädigung oder gar Zerstörung des gesamten Ge nerators führen kann. Dadurch wird nicht nur die Le bensdauer des Drehstromgenerators erheblich verlän gert. Vielmehr läßt sich dieser Effekt auch konstruk tiv ausnutzen, indem der Arbeitsluftspalt zwischen Ständerbohrung und Polräder verringert wird und somit höhere Leistungen erreicht werden können.

Die Ausführung des erfindungsgemäßen Klauenverschluß bandes aus nichtmagnetischem Blech hat gegenüber den genannten Ausführungen gemäß dem Stand der Technik den Vorteil einer einfachen und kostengünstigen Her stellung, da aufwendige und kostenintensive Verarbeitungstechniken, wie Druckguß oder Kaltschmieden, bei spielsweise durch das kostengünstigere Laserschweißen ersetzt werden. Die einteilige Ausführung reduziert zudem den Montageaufwand erheblich. Ferner läßt die Ausführung in Blech in einem gewissen Umfang die Her stellung eines Toleranzausgleiches beim Anbringen der Schweißnähte zu, wodurch sich die Anforderungen an die Präzision sowohl des Klauenverschlußbandes als auch der Polräder reduzieren und gleichzeitig eine hervorragende Paßgenauigkeit erreicht werden kann.

Ferner wird erwartet, daß über die vergrößerte Läu feroberfläche eine effektivere Wärmeabfuhr und damit eine bessere Kühlung des Läufers erreicht werden kann.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispie len anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläu tert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Teilschnitt eines Drehstromgenerators mit einem herkömmlichen Klauenpolläufersy stem;

Fig. 2 eine Seitenteilansicht des herkömmlichen Klauenpolläufersystems aus Fig. 1;

Fig. 3 einen Teilschnitt eines Drehstromgenerators mit einem Klauenpolläufersystem mit einem Klauenverschlußband gemäß einer Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 eine Seitenteilansicht des Klauenpolläufer systems aus Fig. 3 mit einem Klauenver schlußband gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 die Stufen des Herstellungsverfahrens eines Klauenverschlußbandes gemäß einer Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung, wobei A) eine Draufsicht und B) eine Seitenan sicht eines zu einem Klauenverschlußband zu verarbeitenden Bleches in den verschiedenen Fertigungsstufen darstellt und

Fig. 6 ein fertiges Klauenverschlußband gemäß ei ner Ausführungsform der Erfindung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der in Fig. 1 dargestellte Drehstromgenerator weist einen in seiner Grundstruktur bekannten Aufbau auf. Es sind nur die für die Erfindung relevanten Genera torteile, das heißt im wesentlichen die Komponenten des Rotors, gezeigt. Der Generator umfaßt eine Läu ferwelle 10 mit einem hierauf montierten Kern 11, auf den eine Erregerwicklung 12 koaxial und drehfest ge wickelt ist. Der Kern 11 und die Erregerwicklung 12 werden von zwei, ebenfalls auf der Läuferwelle 10 montierten, gegenpoligen Polrädern 13 und 13' um schlossen. Die Polräder 13 und 13' weisen jeweils einen Polring 14 und 14' auf, der mit fingerförmigen, axial verlaufenden Klauenpolen 15 und 15' ausgestal tet ist. Die Polräder 13 und 13' sind derart angeord net, daß die auf den Polringen 14 und 14' äquidistant verteilten Klauenpole 15 und 15' wechselseitig inein andergreifen. Nicht gezeigt in dieser Teildarstellung ist das das Klauenpolläufersystem umschließende Stän derblechpaket, das die Statorwicklung trägt.

In Fig. 2 ist ein Ausschnitt eines konventionellen Klauenpolläufersystems ohne Klauenverschlußband in Seitenansicht dargestellt. Zu sehen sind zwei Klauen pole 15 des von der Antriebsseite abgewandt angeord neten Polrades 13 und ein Klauenpol 15' des antriebs seitigen Polrades 13', welcher berührungsfrei in die Lücke der Klauenpole 15 greift. Dabei weist die Klau enspitze 17' des Klauenpols 15' des antriebsseitigen Polrades 13' auf die Klauenwurzel 16 des von der An triebsseite abgewandten Polrades 13 und umgekehrt. Zwischen zwei benachbarten Klauenpolen 15 und 15' be findet sich ein Klauenzwischenraum 19, der von je weils zwei parallel zueinander verlaufenden Klauen flanken 18 und 18' begrenzt wird. Die Klauenflanken 18 und 18' sind bezüglich der Läuferwelle 10 axial um einen Winkel α beziehungsweise α' geneigt.

In diesem herkömmlichen Aufbau kommt es, wie oben er läutert, infolge der die Klauenzwischenräume 19 durchströmenden Luft zu einer aerodynamischen Ge räuschentwicklung, dem Strömungsgeräusch. Eine weite re Ursache für die unerwünschte Geräuschentwicklung stellt das Schwingen der Klauenpole 15 und 15' dar, welches aufgrund elektromagnetischer Wechselwirkungen entsteht und deshalb auch als "magnetisches Geräusch" bezeichnet wird. Beide Geräuschabstahlungen nehmen mit höher werdenden Drehzahlen, die bei dem gattungs gemäßen Drehstromgenerator angestrebt werden, zu.

Ein weiteres Problem stellt das unter dem Einfluß ho her Drehzahlen auftretende radiale Aufbiegen (Aufwei ten) der Klauenpole dar, das innerhalb kurzer Zeit zur Zerstörung des gesamten Generators führen kann.

Beide Geräuschursachen sowie das Aufbiegen der Klau enpole werden durch ein Klauenverschlußband gemäß der vorliegenden Erfindung eliminiert. Fig. 3 zeigt ei nen Drehstromgenerator mit einem Klauenpolläufersy stem, der ein erfindungsgemäßes Klauenverschlußband 30 trägt. Gleiche Bauteile sind mit identischen Be zugszeichen wie in Fig. 1 gekennzeichnet. Ein Groß teil der Strukturen des Klauenverschlußbandes 30 wird in dieser Ansicht von dem Klauenpol 15 verdeckt. Le diglich der rückseitige Blechrücken 33 des Klauenver schlußbandes 30, der zwischen Klauenpol 15 und Erre gerwicklung 12 angeordnet ist, ist zu erkennen.

Fig. 4 zeigt einen Seitenteilausschnitt eines Klau enpolsystems mit eingelegtem Klauenverschlußband 30 gemäß der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausfüh rungsvariante sind die von den Klauenflanken 18 und 18' begrenzten Klauenzwischenräume 19 durch einge legte, aus einem austenitischen Blech ausgearbeitete Verbindungselemente 31 ausgefüllt. Dabei schließen die langen Seiten 32 der in diesem Beispiel quaderförmig gestalteten Verbindungselemente 31 mit den Klauenflanken 18 und 18' der Klauenpole 15 und 15' ab. Die Verbindungselemente 31 des Klauenverschluß bandes 30 werden durch den Blechrücken 33, der zwi schen der Rückseite der Klauenpole 15 und 15' und der Erregerspule 12 verläuft, miteinander verbunden. In axialer Richtung weist das Klauenverschlußband 30 auf beiden Seiten abgekantete Laschen 34 auf, die an die Klauenwurzeln 16 und 16' der Polräder 13 und 13' grenzen. Das Klauenverschlußband wird vorzugsweise durch Laserschweißen mit den Polrädern 13 und 13' verbunden, wobei die Schweißnähte vorzugsweise zwi schen den Klauenflanken 18 und 18' und den langen Seiten 32 der Verbindungselemente 31 angebracht wer den. Zusätzlich kann zwischen den Laschen 34 und den Klauenwurzeln 16 und 16' verschweißt werden.

Die in Fig. 4 dargestellte Seitenansicht zeigt deut lich, daß das erfindungsgemäße Klauenverschlußband jegliche Öffnung im vollmontierten Klauenpolläufer system abdichtet, so daß bei rotierendem Läufer keine Luft die Klauenzwischenräume durchströmen kann. Fer ner bildet das Klauenpolläufersystem zusammen mit dem Klauenverschlußband 30 im Bereich der Klauenpole 15 und 15' und der Verbindungselemente 31 eine annähernd glatte Oberfläche aus, so daß Luftturbulenzen zwi schen diesem Bereich und dem Stator erheblich redu ziert werden. Auf diese Weise wird das aerodynamische Strömungsgeräusch wirkungsvoll unterdrückt. Darüber hinaus weisen die Verbindungselemente 31 und die Klauenflanken 18 und 18' eine relativ große gemein same Berührungsfläche auf, so daß durch Verschweißen in diesem Bereich eine äußerst stabile Verbindung der Klauenpole 15 und 15' erreicht wird. Somit kann das Schwingen der Klauenpole 15 und 15' und damit die ma gnetische Geräuschabstrahlung effektiv verhindert werden. Die abgekanteten Laschen 34 sorgen für eine zusätzliche mechanische Festigkeit des Läufers unter Fliehkrafteinfluß.

Fig. 5 erläutert die Herstellung des erfindungsge mäßen Klauenverschlußbandes 30, wobei A die Drauf sicht und B eine Seitenansicht des Klauenverschluß bandes 30 in verschiedenen Stadien des Herstellungs prozesses darstellt. Ausgehend von einem Blechstrei fen 35 aus einem austenitischen Material werden zu nächst die Verbindungselemente 31 mit einem geeigne ten Werkzeug vorgeformt. Dabei richtet sich die Aus gestaltung der Form der Verbindungselemente 31, wie auch deren Positionierung auf dem Blechstreifen 35, nach der gegebenen Gestalt der Klauenpole 15 und 15'. Im aktuellen Beispiel haben die Verbindungselemente eine quaderförmige Gestalt, wobei die langen Seiten 32 der Quader alternierend um einen Winkel von +α und -α zur Blechkante geneigt angeordnet sind. Die Winkel entsprechen den axialen Neigungswinkeln der Klauen flanken 18 und 18' zur Läuferwelle 10 (vergleiche Fig. 2 und 4). Im nächsten Schritt erfolgt eine beidseitige Beschneidung des Blechstreifens 35, wobei jeweils in dem offenen Winkel, der durch zwei benach barte Verbindungselemente 31 gebildet wird, eine Aus sparung 36 geschnitten wird. Die Aussparungen 36 haben im vorliegenden Beispiel eine annähernd halbrunde Gestalt. Die Aussparungen 36 dienen bei der Montage der Polradhälften der Aufnahme der abge schrägten Rückseiten der Klauenpole 15 und 15'. Seit lich der geschlossenen Winkel, die durch zwei benach barte quaderförmige Verbindungselemente 31 gebildet werden, werden beim Ausschneiden der Aussparungen 36 auf beiden Seiten des Blechstreifens 35 die Laschen 34 stehengelassen, welche im nächsten Schritt des Herstellungsprozesses rechtwinklig auf die den Ver bindungselementen 31 zugewandten Blechseite abge kantet werden. Im gleichen Schritt erfolgt die Rollierung des Bandes über ein geeignetes Formwerk zeug, wobei der Blechrücken 33 innenliegend und die Verbindungselemente 31 und die Laschen 34 nach außen gerichtet angeordnet sind. Die Enden des Klauen verschlußbandes werden dann durch Schweißen oder Hartlöten miteinander verbunden und der Ring somit geschlossen. Ein fertiges Klauenverschlußband 30 ist in einer Seitenansicht in Fig. 6 gezeigt.

Bei der Montage des Klauenpolläufers wird das Klauen verschlußband 30 zwischen die zwei Polradhälften ein gelegt und im Bereich der Klauenflanken 18 und 18' verschweißt. Dabei läßt sich an den Schweißfugen in einem gewissen Umfang ein Toleranzausgleich herstel len, so daß an die Präzision der Herstellung des Klauenverschlußbandes 30 relativ geringe Ansprüche zu stellen sind. Zudem können aber auch Unregelmäßigkei ten im Bereich der Klauenpole 15 und 15' der Polräder 13 und 13' gut ausgeglichen werden. Optional können zusätzliche Schweißverbindungen zwischen den Klauen wurzeln 16 und den Laschen 34 des Klauenverschlußban des 30 hergestellt werden.

Insgesamt stellt die vorliegende Erfindung also ein einteiliges Klauenverschlußband bereit, das in einfa cher und kostengünstiger Weise aus Blech herstellbar ist. Das erfindungsgemäße Klauenverschlußband senkt sowohl das magnetische Geräusch als auch das Strö mungsgeräusch wirksam ab und reduziert gleichzeitig das drehzehlabhängige Aufweiten der Klauenpole.

Claims

1. Elektrische Maschine, insbesondere Drehstromgene rator, mit einem, in einem Gehäuse angeordneten, eine Statorwicklung tragenden Stator und mit einem, auf einer Welle gelagerten Klauenpolläufersystem mit zwei als Polradhälften ausgebildeten Polringen, die in ge genseitig ineinandergreifenden Klauen auslaufen, so wie einer von dem Klauenpolläufersystem umschlos senen, insbesondere auf der Welle angeordneten Er regerwicklung, dadurch gekennzeichnet, daß die Klauenpole (15, 15') durch ein ringförmiges, wellen seitig angeordnetes, aus einem aus nichtmagnetischem Blech einteilig gefertigtes Klauenverschlußband (30) fest miteinander verbunden sind, wobei das Klauenver schlußband mit ausgeformten Verbindungselementen (31) ausgestaltet ist, welche die Klauenzwischenräume (19) ausfüllen.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das Klauenverschlußband aus einem austenitischen Material besteht.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß das Klauenverschlußband in Schweißtechnik, vorzugsweise Laserschweißtechnik, mit den Klauenpolen (15, 15') verbunden ist.

4. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Klauen verschlußband (30) im Bereich der Verbindungselemente (31) mit den Klauenflanken (18) der Klauenpole (15) verschweißt ist.

5. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Klauen verschlußband (30) seitlich abgekantete Laschen (34) umfaßt, welche mit den Klauenwurzeln (16) der Polrad hälften (13) abschließen.

6. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Klauen verschlußband (30) im Bereich der Laschen (34) mit den Klauenwurzeln (16) verschweißt ist.