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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer elektrischen Maschine nach der Gattung
des unabhängigen Anspruchs, wie sie beispielsweise aus
der
EP 1 244 194 B1 bekannt
geworden ist. Diese Schrift offenbart ein Verfahren zum Herstellen
eines Wechselstromgenerators für Fahrzeuge mit einem Multipolrotor
und einem Stator, dessen dreiphasige Wicklung in Teilwicklungen
unterteilt ist, welche wahlweise zu einer Stern-Dreieckanordnung
verbunden werden können, um anwendungsabhängig,
insbesondere drehzahlabhängig eine Leistungsoptimierung
der Maschine zu erreichen. Eine derartige dreiphasige Verschaltung
erzeugt ein beachtliches magnetisches Geräusch und der
Oberwellenanteil im Luftspaltfeld verursacht erhöhte Wirbelstromverluste,
welche zu höheren Wicklungstemperaturen in der Läuferwicklung führen
und bei einer elektrisch erregten Maschine den Erregerstrom und
damit die Abgabeleistung verringern. Außerdem wird die
Welligkeit in der Ausgangsspannung einer als Generator arbeitenden
Maschine erhöht.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße elektrische Maschine mit den
Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber
den Vorteil, dass bei einer Vielzahl von Verschaltungsmöglichkeiten
in Reihe, im Stern oder in gemischter Schaltung durch den fünfphasigen
Aufbau der Maschine gegenüber einer dreiphasigen Maschine
die vorgenannte Nachteile weitestgehend vermieden werden. Außerdem
hat die Aufteilung der Wicklungsstränge des Stators in
wenigstens zehn Teilwicklungen den Vorteil, dass eine Grundausführung
der Ständerwicklung zur Verfügung steht, welche
immer die gleiche Leiterzahl pro Nut aufweist, unabhängig
von der Baugröße der Maschine und zum Beispiel
der Streuflusskompensation. Die gewünschte Leistungskennlinie
wird dann über das Verhältnis der sternförmigen
Wicklungsanteile zu den in Reihe geschalteten Wicklungsteilen eingestellt.
Auch das magnetische Geräusch der Maschine kann dabei nochmals
reduziert werden durch eine höhere Anzahl von Teilwicklungen
mit unterschiedlicher Phasenlage.
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Durch
die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten
Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen
der im unabhängigen Anspruch angegebenen Anordnung möglich.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn eine möglichst große
Zahl von Teilwicklungen der Ständerwicklung in gemischter
Schaltung teils in Reihenschaltung und teils in Sternschaltung mit
Teilwicklungen anderer Stränge betrieben werden, weil sich hierdurch
mit derselben Grundschaltung viele Variationsmöglichkeiten
hinsichtlich der Optimierung der Leistungsabgabe bei unterschiedlichen
Baugrößen und unterschiedlichen Betriebsbedingungen
ergeben. Bezüglich des Fertigungsaufwandes ist es dabei jedoch
zweckmäßig, wenn die Anzahl der Teilwicklung begrenzt
wird auf die Anzahl der Teilstränge. Hierbei werden vorzugsweise
fünf innere und fünf äußere
Teilstränge ausgebildet, wobei die fünf inneren Teilstränge
in Reihe geschaltet sind und die fünf äußeren
Teilstränge in Sternschaltung an die Verbindungspunkte
der inneren Teilstränge angeschlossen werden. Ein derartiger
symmetrischer Aufbau verursacht dabei weniger Oberwellen und reduziert
so das magnetische Geräusch der Maschine. Die Aufteilung in
fünf innere und fünf äußere
Teilstränge lässt ausreichend viele Gestaltungsmöglichkeiten
hinsichtlich der Leistungsanpassung der Maschine an den jeweiligen
Verwendungszweck offen, indem die Windungszahlen, beziehungsweise
die Anzahl der Leitersegmente pro Nut, der inneren und äußeren
Teilstränge stärker in Richtung Reihenschaltung
oder Sternschaltung variiert werden.
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Als
besonders vorteilhafte Verschaltungsart für die inneren
Teilstränge hat sich eine Verschaltung nach Art eines Drudenfußes
(Pentagramm) bewährt, weil hierbei im Bereich höherer
Drehzahlen die Leistungssteigerung deutlich ausgeprägt
ist und gleichzeitig durch die in Sternschaltung betriebenen äußeren
Teilstränge auch bei niedrigen Drehzahlen ausreichend Leistung
zur Verfügung steht. Andererseits bietet die Verschaltung
der inneren Teilstränge als Fünfeck den Vorteil
einer höheren Leistungsbereitstellung im Bereich niedriger
Drehzahlen bei gleichzeitig befriedigender Leistungsabgabe bei hohen Drehzahlen.
Das Verhältnis der Windungszahlen der inneren Teilstränge
und der äußeren Teilstränge liegt bei
beiden Schaltungsvarianten vorzugsweise im Bereich zwischen 0,5
und 2, insbesondere bei 1.
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Weitere
Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung
und der Darstellung der Ausführungsbeispiele.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 einen
Längsschnitt durch einen Wechselstromgenerator mit Klauenpolrotor
für Kraftfahrzeuge,
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2 ein
Schaltbild eines fünfphasigen Stators mit einer Wicklungsanordnung
der inneren Teilstränge als Drudenfuß mit sternförmigen äußeren Wicklungssträngen,
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3 ein
Schaltbild eines fünfphasigen Stators in einer Anordnung
als fünfsträngiger innerer Ring mit sternförmigen äußeren
Wicklungsteilsträngen
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4 einen
Querschnitt durch zwei Ständernuten mit in den Nuten einliegenden
geraden Abschnitten der Leitersegmente,
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5 einen
Ausschnitt eines Ständers einer elektrischen Maschine mit
Leitersegmenten in einem als Abwicklung dargestellten ringförmigen
Blechpaket,
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6 eine
Darstellung der Abgabeleistung einer elektrischen Maschine mit unterschiedlichen Windungszahlen
der als Drudenfuß, beziehungsweise als Stern verschalteten
Teilstränge und
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7 eine
Darstellung der Abgabeleistung einer elektrischen Maschine mit unterschiedlichen Windungszahlen
der im Fünfeck, beziehungsweise im Stern verschalteten
Teilstränge.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In 1 ist
ein Schnitt durch einen Wechselstromgenerator 10 für
Kraftfahrzeuge dargestellt. Dieser weist unter anderem ein zweiteiliges
Gehäuse 13 auf, das aus einem ersten Lagerschild 13.1 und
einem zweiten Lagerschild 13.2 besteht. Das Lagerschild 13.1 und
das Lagerschild 13.2 nehmen in sich einen Ständer 16 auf,
mit einem kreisringförmigen Blechpaket 17, in
dessen nach innen offene und sich axial erstreckende Nuten 15 eine
Ständerwicklung 18 eingelegt ist. Der ringförmige
Ständer 16 umgibt mit seiner radial nach innen
gerichteten Oberfläche einen elektromagnetisch erregten
Läufer 20, der als Klauenpolläufer ausgebildet
ist. Der Läufer 20 besteht unter anderem aus zwei
Klauenpolplatinen 22 und 23, an deren Außenumfang
sich jeweils in axialer Richtung erstreckende Klauenpolfinger 24 und 25 angeordnet
sind. Beide Klauenpolplatinen 22 und 23 sind im
Läufer 20 derart angeordnet, dass ihre sich in axialer
Richtung erstreckenden Klauenpolfinger 24, 25 am
Umfang des Rotors 20 einander als N-und S-Pole abwechseln.
Es ergeben sich dadurch magnetisch erforderliche Klauenpolzwischenräume
zwischen den gegensinnig magnetisierten Klauenpolfingern 24 und 25, welche
wegen der sich zu ihrem freien Enden hin verjüngenden Klauenpolfinger 24 und 25 leicht
schräg zur Maschinenachse verlaufen.
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Der
Läufer 20 ist mittels einer Welle 27 und je
einem auf je einer Seite befindlichen Wälzlager 28 in
den jeweiligen Lagerschilden 13.1 beziehungsweise 13.2 drehbar
gelagert. Er weist zwei axiale Stirnflächen auf, an denen
jeweils ein Lüfter 30 befestigt ist. Diese Lüfter 30 bestehen
im Wesentlichen aus einem plattenförmigen beziehungsweise
scheibenförmigen Abschnitt, von dem Lüfterschaufeln
in bekannter Weise ausgehen. Diese Lüfter 30 dienen
dazu, über Öffnungen 40 in den Lagerschilden 13.1 und 13.2 einen
Luftaustausch zwischen der Außenseite und dem Innenraum
der elektrischen Maschine zu ermöglichen. Dazu sind die Öffnungen 40 an
den axialen Enden der Lagerschilde 13.1 und 13.2 vorgesehen, über
die mittels der Lüfter 30 Kühlluft in
den Innenraum der elektrischen Maschine eingesaugt wird. Diese Kühlluft
wird durch die Rotation der Lüfter 30 radial nach
außen beschleunigt, so dass sie auch durch die kühlluftdurchlässigen
Wickelköpfe 45 auf der Antriebsseite und 46 auf
der Elektronikseite hindurchtreten kann. Durch diesen Effekt werden
die Wickelköpfe gekühlt. Die Kühlluft
nimmt nach dem Hindurchtreten durch die Wickelköpfe, beziehungsweise nach
dem Umströmen dieser Wickelköpfe einen Weg radial
nach außen durch nicht dargestellte Öffnungen.
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In 1 auf
der rechten Seite befindet sich eine Schutzkappe 47, die
verschiedene Bauteile vor Umgebungseinflüssen schützt.
So deckt diese Schutzkappe 47 beispielsweise eine Schleifringbaugruppe 49 ab,
die eine Erregerwicklung 51 mit Erregerstrom versorgt.
Um diese Schleifringbaugruppe 49 herum ist ein Kühlkörper 53 angeordnet,
der hier als Pluskühlkörper wirkt. Als sogenannter
Minuskühlkörper wirkt das Lagerschild 13.2.
Zwischen dem Lagerschild 13.2 und dem Kühlkörper 53 ist
eine Anschlussplatte 56 angeordnet, welche im Lagerschild 13.2 befestigte
Minusdioden 58 und in dieser Darstellung nicht gezeigte
Plusdioden eines Gleichrichters 19 im Kühlkörper 53 in
Form einer Brückenschaltung miteinander verbindet.
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In 2 ist
ein fünfphasiger Klauenpolgenerator 10 anhand
seines Schaltbildes dargestellt. Die Ständerwicklung 18 ist
aus zehn Teilwicklungen aufgebaut, welche fünf innere Phasen
bildende Teilstränge 70i bis 74i und
fünf äußere Phasen bildende Teilstränge 70a bis 74a bilden.
Die fünf inneren Teilstränge 70i bis 74i sind
zu einer Grundschaltung als fünfzackiger Drudenfuß (Pentagramm)
verschaltet, wobei die jeweils in den Verbindungspunkten 80 bis 84 verschalteten
inneren Teilstränge einen Winkel α von cirka 36° einschließen
und eine Leiterzahl X pro Nut aufweisen. An den Verbindungspunkten 80 bis 84 des
Drudenfußes schließt sich jeweils ein äußerer phasenbildender
Teilstrang 70a bis 74a sternförmig an,
wobei jeweils der äußere Teilstrang 70a bis 74a die
gleiche Phasenlage aufweist wie eine der mit ihm direkt an einem
Verbindungspunkt 80 bis 84 verbundenen inneren
Teilstränge 70i bis 74i. Im dargestellten
Ausführungsbeispiel besitzen jeweils die Teilstränge
mit der gleichen Bezugszahl die gleiche Phasenlage, also beispielsweise 70a wie 70i.
Diese Teilstränge mit der gleichen elektrischen Phasenlage
liegen jeweils in den gleichen Nuten 15 des Ständers 16.
Die Gesamtzahl Z der Leiter in einer Nut ergibt sich aus der Leiterzahl
X des inneren Teilstrangs und der Leiterzahl Y des gleichphasigen äußeren
Teilstrangs. Das Verhältnis der Leiterzahlen X/Y soll im Bereich
zwischen 0,5 und 2 liegen, wobei vorzugsweise die Leiterzahlen des
inneren Teilstrangs und des gleichphasigen äußeren
Teilstrangs gleich sind und diese auch gleiche Leiterzahlen besitzen
wie jeder einzelne der restlichen Teilstränge.
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Im
Einzelnen sind die Teilstränge der Ständerwicklung 18 wie
folgt verschaltet: Der innere Teilstrang 70i ist am Verbindungspunkt 80 mit
dem äußeren Teilstrang 70a und dem inneren
Teilstrang 71i verbunden. Der innere Teilstrang 71i ist
an seinem gegenüber liegenden Ende am Verbindungspunkt 81 mit
dem äußeren Teilstrang 71a und dem inneren Teilstrang 72i verbunden.
Der innere Teilstrang 72i ist an seinem gegenüber
liegenden Ende am Verbindungspunkt 82 mit dem äußeren
Teilstrang 72a und dem inneren Teilstrang 73i verbunden.
Der innere Teilstrang 73i ist an seinem gegenüber
liegenden Ende am Verbindungspunkt 83 mit dem äußeren
Teilstrang 73a und inneren Teilstrang 74i verbunden.
Der innere Teilstrang 74i ist an seinem gegenüber
liegenden Ende am Verbindungspunkt 84 mit dem äußeren Teilstrang 74a und
dem inneren Teilstrang 70i verbunden. Die inneren Teilstränge 70i bis 74i bilden
somit eine Reihenschaltung als Drudenfuß.
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Die
Verbindungspunkte 80 bis 84 der inneren Teilstränge 70i bis 74i liegen
vorzugsweise axial auf oder neben dem elektronikseitigen Wickelkopf 46 des
Ständers 26, um möglichst kurze Verschaltungswege
zu realisieren. Hierzu treten die jeweils zu verschaltenden Anschlussdrähte
der inneren Teilstränge eines Verbindungspunktes aus in
Umfangsrichtung direkt benachbarter Nuten 15 aus. Die äußeren
Wicklungsenden der äußeren Teilstränge 70a bis 74a sind mit
einem B10-Brückengleichrichter 19 verbunden, der
aus fünf Minusdioden 58 und fünf Plusdioden 59 aufgebaut
ist. Gleichspannungsseitig ist dem Brückengleichrichter 19 ein
Spannungsregler 26 parallel geschaltet, der durch Beeinflussung
des Stromes durch die Erregerwicklung 51 die Spannung des Klauenpolgenerators 10 regelt.
Das Bordnetz der Maschine ist schematisch durch eine Batterie 31 und einen
Verbraucher 32 dargestellt.
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3 zeigt
das Schaltbild eines fünfphasig ausgebildeten Klauenpolgenerator 10,
dessen fünf innere phasenbildende Teilwicklungen, welche gleichzeitig
die inneren fünf Teilstränge 70i' bis 74i' bilden,
zu einer Grundschaltung als fünfphasiger Ring, beziehungsweise
als Fünfeck verschaltet sind. Die in den Verbindungspunkten 80' bis 84' zusammentreffenden
Teilwicklungen bilden einen Winkel α von etwa 108°el
und sind dort mit fünf äußeren sternförmigen
Teilsträngen 70a' bis 74a' verbunden.
Die Gesamtheit der inneren und äußeren Teilstränge
bildet die Statorwicklung 18, wobei die äußeren
Teilstränge nicht die gleiche Phasenlage besitzen wie die mit
ihnen in den Verbindungspunkten 80' bis 84' verschalteten
inneren Teilstränge. Die Bezeichnungen der einzelnen Teilstränge
sind jedoch so gewählt, dass auch bei dieser Verschaltung
innere und äußere Teilstränge mit der
gleichen Nummer phasengleich sind und in der gleichen Nut liegen,
beispielsweise also der innere Teilstrang 70i' und der äußere
Teilstrang 70a'. Die inneren Teilstränge besitzen
wiederum eine Leiterzahl X, die äußeren Teilstränge
eine Leiterzahl Y und die Gesamtleiterzahl Z einer Phase in einer
Nut entspricht wiederum der Summe der Leiterzahlen X und Y der phasengleichen
Teilstränge, wobei das Verhältnis der Leiterzahlen
X/Y wiederum zwischen 0,5 und 2, vorzugsweise bei 1 liegen soll.
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Im
Einzelnen sind die Teilstränge der Ausführungsform
in 3 wie folgt verschaltet: Der innere Teilstrang 70i' ist
am Verbindungspunkt 82' mit dem äußeren
Teilstrang 72a' und dem inneren Teilstrang 73i' verbunden.
Der innere, Teilstrang 73i' ist an seinem gegenüber
liegenden Ende am Verbindungspunkt 80' mit dem äußeren
Teilstrang 70a' und dem inneren Teilstrang 71i' verbunden.
Der innere Teilstrang 71i' ist an seinem gegenüber
liegenden Ende am Verschaltungspunkt 83' mit dem äußeren
Teilstrang 73a' und dem inneren Teilstrang 74i' verbunden.
Der innere Teilstrang 74i' ist an seinem gegenüberliegenden
Ende am Verschaltungspunkt 81' mit dem äußeren
Teilstrang 71a' und dem inneren Teilstrang 72i' verbunden.
Der innere Teilstrang 72i' ist an seinem gegenüberliegenden
Ende am Verschaltungspunkt 84' mit dem äußeren
Teilstrang 74a' und dem inneren Teilstrang 70i' verbunden.
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Die
Verbindungspunkte 80' bis 84' befinden sich axial
wiederum auf oder neben dem elektronikseitigen Wickelkopf 46 zur
Realisierung kurzer Verschaltungswege. Hierzu treten bei der Verschaltung
gemäß 3 die jeweils zu verschaltenden
Leiter der inneren Teilstränge eines Verbindungspunktes
aus in Umfangsrichtung um drei Nutteilungen beabstandeten Nuten
aus. Die äußeren Wicklungsenden der äußeren
Teilstränge 70a' bis 74a' sind an den Brückengleichrichter 19 angeschlossen,
welcher wiederum aus fünf Minusdioden 58 und fünf
Plusdioden 59 aufgebaut ist. Gleichspannungsseitig ist
dem Brückengleichrichter wiederum ein Spannungsregler 26 parallel
geschaltet für die Regelung des Stromes durch die Erregerwicklung 51 des
Generators 10 und das an den Generator angeschlossene Bordnetz
eines Kraftfahrzeuges ist durch eine Fahrzeugbatterie 31 und
einen Verbraucher 32 dargestellt.
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In
beiden Schaltungsvarianten entsprechend den 2 und 3 ist
es grundsätzlich auch möglich, nicht ganzzahlige
Leiterzahlen X und Y pro Nut zu realisieren, wenn die inneren und äußeren
Wicklungsteilstränge keine vollen Umläufe um das
kreisringförmige Blechpaket 17 des Ständers 16 umfassen,
sondern zum Beispiel die inneren Wicklungsteilstränge zweieinhalb
mal und die äußeren Wicklungsteilstränge
eineinhalb mal umlaufen. Die Gesamtzahl Z der Leiter pro Nut der
inneren und äußeren Wicklungsteilstränge,
die einer elektrischen Phasenlage zugeordnet sind, ist auch hierbei
jeweils 4. Dies erlaubt eine deutlich feinere Auflösung
bei der Anpassung der Ständerverschaltung an die gewünschte Abgabeleistungskurve.
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4 zeigt
einen Teilschnitt durch das Blechpaket 17 des Ständers
eines Klauenpolgenerators im Bereich zweier Nuten 15. Die
dargestellte Ständerwicklung weist 4 Leiter 60 in
jeder Nut 15 auf, wobei die Nutlagen von radial außen
nach radial innen mit 1 bis 4 bezeichnet sind. Die Schmalseiten
der Leiter 60c und 60g, deren Verschaltung anhand
von 5 noch näher erläutert wird,
sind mit ihren Schmalseiten einander gegenüberliegend und
mit ihren breiteren Seiten jeweils gegenüber den Wänden der
Nut 15 angeordnet. Die Nuten sind ausgekleidet mit einer
Isolation 29, die üblicherweise aus einem rechteckförmigen,
meist mehrschichtigen Isolationsmaterial besteht. Durch den mehrschichtigen
Aufbau lässt sich eine möglichst große
Haftung gegenüber dem kreisringförmigen Blechpaket 17 und
eine möglichst geringe Haftung gegenüber den benachbarten Leitersegmenten 60 erzielen,
so dass diese leichter in die Nut eingebracht werden können.
Die Enden der Isolation 29 sind im Bereich der Nutöffnung
leicht beabstandet, bei anderen Ausführungsformen können diese
Enden jedoch auch einander überlappen.
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5 zeigt
einen Ausschnitt des Ständers 16 mit dem Blechpaket 17 und
der aus Leitersegmenten 60 aufgebauten Ständerwicklung 18.
Bei der Verwendung von derartigen Leitersegmenten bilden jeweils
zwei volle Segmente eine Windung der Ständerwicklung 18,
so dass sich gerade Gesamtleiterzahlen Z pro Nut ergeben, also z.
B. 2, 4, 6, usw. Im vorliegenden Fall liegen jeweils vier Leitersegmente in
einer Nut 15. Die Gesamtverschaltung der die Teilwicklungen,
beziehungsweise die Teilstränge bildenden Leitersegmente
ist bereits anhand der 2 und 3 erörtert
worden, wobei die Gesamtzahl der Teilwicklungen und die Gesamtzahl
der Teilstränge jeweils 10 beträgt. Die Zahl der
Teilwicklungen kann auch größer gewählt
werden, wobei dann jeweils mehrere Teilwicklungen entsprechend dem
gewünschten Windungsverhältnis zwischen den inneren
und äußeren Teilsträngen zu einem Teilstrang
zusammengeschaltet werden.
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In
der Abbildung sind die in den Nuten 15 einliegenden Seitenabschnitte
mit 60c und 60g bezeichnet. Diese sind entsprechend
der Darstellung in 4 in vier radialen Nutlagen
axial angeordnet, so dass bei der in 5 dargestellten
wellenförmigen Ständerwicklung 18 nur
die zwei äußeren Wicklungslagen sichtbar sind.
Die inneren, nicht sichtbaren Wicklungslagen 3 und 4 sind identisch
aufgebaut und jeweils um zwei Radiallagen nach innen versetzt. Jedes
Leitersegment 60 besteht aus mehreren Abschnitten, welche
mit 60a bis 60i bezeichnet sind. Hierbei erstreckt
sich ein kürzerer Verbindungsabschnitt 60a oder 60i radial
nach außen und dient zur Kontaktierung radial benachbarter
Abschnitte aufeinander folgender Leitersegmente. Der erste Verbindungsabschnitt 60a geht über
in einen ersten geneigten Abschnitt 60b, welcher den Verbindungsabschnitt 60a mit
einem ersten axial ausgerichteten, in einer Nut 15 einliegenden
Abschnitt 60c des Leitersegmentes 60 verbindet.
Der Abschnitt 60c geht dann über in einen zweiten
geneigten Abschnitt 60d und dieser wiederum in einen Biegeabschnitt 60e,
welcher über einen weiteren geneigten Abschnitt 60f und den
axial ausgerichteten, in einer um fünf Nutteilungen beabstandeten
Nut 15 einliegenden Abschnitt 60g sowie einen
weiteren geneigten Abschnitt 60h zum Verbindungsabschnitt 60i führt,
der wiederum hinter einem Verbindungsabschnitt 60a liegt.
Grundsätzlich kann jedoch auch jedes Leitersegment 60 aus
mehreren Windungen bestehen.
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Jedes
Leitersegment 60 ist in zwei radiale Lagen unterteilt,
wobei der erste Verbindungsabschnitt 60a, der erste geneigte
Abschnitt 60b, der erste gerade, in der Nut 15 einliegende
Abschnitt 60c und der zweite geneigte Abschnitt 60d in
derselben radialen Schicht liegen. Die Abschnitte 60f, 60g, 60h und 60i liegen
in einer zweiten radialen Schicht, welche über den Biegeabschnitt 60e mit
der ersten radialen Schicht verbunden ist. Bei der in den 4 und 5 dargestellten
Anordnung liegen die Leitersegmente in den Nutlagen 1 und 2, beziehungsweise
3 und 4. Alternativ ist es möglich, die Ständerwicklung 18 aus
Leitersegmenten aufzubauen, welche die Nutlagen 1 und 3, beziehungsweise
2 und 4 verbinden oder wahlweise auch die Nutlagen 1 und 4, beziehungsweise
2 und 3. Der Abstand von fünf Nutteilungen zwischen den
Leitern 60c und 60g entspricht der gewählten
fünfphasigen Ausführung.
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Auf
dem elektronikseitigen Wickelkopf 46 umschließt
jeweils ein äußeres Leitersegment ein inneres
Leitersegment. Das äußere Leitersegment 60 liegt
dabei in den Nutlagen 1 und 4. Entsprechend allgemein bekannten
Wickelschemen werden alle Nuten 15 des Ständers 16 jeweils
mit Wicklungsabschnitten 60 elektrisch phasengleicher Teilstränge 70i bis 74i und 70a bis 74a,
beziehungsweise 70i' bis 74i' und 70a' bis 74a' bestückt.
Die Teilstränge ergeben sich durch Aufspaltung eines Leitersegmentes 60 oder
durch spezielle Leitersegmente mit nur einem axial ausgerichteten
Abschnitt 60c beziehungsweise 60g in der Nut 15,
die dann auf der Biegeseite des Wickelkopfes 45 Anschlüsse
der Teilstränge realisieren. Durch die Position der Anschlüsse
der elektrisch phasengleichen Wicklungen ergibt sich automatisch
die Leiterzahl des inneren Teilstrangs und des äußeren
Teilstrangs und durch die Abfolge der Leitersegmente 60 wird
eine wellenförmige Ständerwicklung 18 ausgebildet.
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In 5 ist
ein Abschnitt einer Wellenwicklung dargestellt, stattdessen kann
die Ständerwicklung 18 jedoch auch als Schleifenwicklung
ausgebildet werden, beispielsweise in der Form, dass Leitersegmente 60 die
Nutlagen 1 und 4, beziehungsweise 2 und 3 einnehmen. Alternativ
können die Leitersegmente bei einer Schleifenwicklung die
Nutlagen 1 und 3, beziehungsweise 2 und 4 verbinden.
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In
der Abbildung ist ein Ausschnitt einer Ständerwicklung 18 für
einen Ständer 16 mit 80 Nuten und 10 phasenbildenden
Teilsträngen für einen elektrisch erregten Läufer 20 mit 16 Klauenpolfingern 24 dargestellt.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform
beschränkt. Stattdessen könnte der Ständer 16 beispielsweise
auch mit 60 Nuten und 10 phasenbildenden Teilsträngen für
einen elektrisch erregten Läufer 20 mit 12 Polen
ausgeführt werden.
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Zur
Herstellung der Leitersegmente 60 wird von einem Runddraht
oder von einem Profildraht ausgegangen, der zuerst in eine U- oder
V-förmige Gestalt gebracht wird. Bei dieser Vorform sind
die radialen Abstände der beiden später in den
Nuten 15 einliegenden Abschnitte 60c und 60g der
Leitersegmente 60 bereits gegeben, allerdings haben diese Abschnitte
keinen Abstand in Umfangsrichtung. Dieser wird durch nutlagenweises
Verdrehen der Abschnitte 60c und 60g in Umfangsrichtung
hergestellt. Die hieraus gewonnene zweite Vorstufe bei der Herstellung
der Leitersegmente 60 wird in ein kreisringförmiges
Blechpaket 17 axial in die Nuten 15 eingeschoben.
Um die Teilstränge zu vervollständigen werden
die Verbindungsabschnitte 60a und 60i lagenweise
in Umfangsrichtung aufeinander zugebogen und dann durch Löten
oder Schweißen elektrisch miteinander verbunden. Die Biegeabschnitte 60e sowie
die Verbindungsabschnitte 60a und 60i werden durch
ein geeignetes Werkzeug geformt.
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6 zeigt
als Diagramm die Abgabeleistung des Klauenpolgenerators eines Kraftfahrzeuges,
im vorliegenden Fall bei einer Nennspannung von 12 Volt den Abgabestrom
I in Ampere in Abhängigkeit von der Generatordrehzahl n
in Umdrehungen pro Minute, wobei die fünfphasige Ständerwicklung
in der Kurve A mit allen Teilwicklungen als Drudenfuß geschaltet
ist, in der Kurve E mit allen Teilwicklungen als Stern und in den
dazwischen liegenden Kurven B, C und D in gemischter Schaltung.
Dabei sind in der Schaltung B drei von vier Leitersegmenten 60 jeder Nut 15 der
Drudenfußschaltung der inneren Teilstränge 70i bis 74i zugeordnet,
in der Kurve C sind die Leitersegmente gleichmäßig
verteilt mit jeweils zwei Segmenten und in der Kurve D ist nur ein
Leitersegment in den inneren Teilsträngen als Drudenfuß verschaltet
und 3 von insgesamt 4 Leitersegmenten in den äußeren
Teilsträngen 70a bis 74a in Stern geschaltet.
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Aus
dem Diagramm ist ersichtlich, dass die Drudenfußschaltung
bei hohen Drehzahlen deutliche Leistungsvorteile bringt, während
bei niedrigen Drehzahlen die Sternschaltung bereits bei deutlich
geringeren Drehzahlen als die Drudenfußschaltung eine Leistungsabnahme ermöglicht.
Die Aufteilung der Gesamtzahl Z der Leitersegmente pro Nut 15 kann also
dem Anwendungsfall entsprechend variiert werden um eine optimale
Leistungsabgabe zu erzielen, indem die Leiterzahlen der inneren
Teilstränge und der äußeren Teilstränge
jeweils zwischen 0 und 4 variiert werden. Die Darstellung gilt dabei
für einen Klauenpolgenerator 10 eines Kraftfahrzeuges,
welcher im Leerlauf des Verbrennungsmotors eine Generatordrehzahl
von cirka 1800 U/min aufweist, so dass die darunter liegenden Generatordrehzahlen praktisch
nicht von Bedeutung sind.
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7 zeigt
in analoger Weise zur 6 die Leistungsabgabe als Abgabestrom
I in Ampere in Abhängigkeit wiederum von der Generatordrehzahl
n in U/min für einen Generator, dessen Teilwicklungen und
Teilstränge wahlweise als Fünfeck, als Stern oder
in gemischter Schaltung betrieben werden. Analog zu der Darstellung
in 6 sind auch in 7 die Leiter
in den Kurven A, B, C, D und E aufgeteilt, und zwar in Kurve A mit
allen vier Leitersegmenten in den inneren Teilsträngen 70i' bis 74i',
in Kurve B mit drei Leitersegmenten in den inneren und einem Leitersegment
in den äußeren Teilsträngen, in Kurve
C mit jeweils zwei Leitersegmenten in den inneren und äußeren
Teilsträngen, in Kurve D mit einem Leitersegment in den
inneren Teilsträngen und drei Leitersegmenten in den äußeren
Teilsträngen und schließlich in Kurve E mit allen
vier Leitersegmenten jeder Nut 15 in den äußeren,
in Stern geschalteten Leitersegmenten 70a' bis 74a'.
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Die
Leistungskurven zeigen, dass sich die Abgabeleistung zwischen der
Nenndrehzahl des Generators von 6000 U/min und dem Leerlauf des
Verbrennungsmotors mit einer Generatordrehzahl von cirka 1800 U/min
in weitem Rahmen dem Einsatz des Generators anpassen und somit auch
bei dieser Schaltungsvariante eine Flexibilität der Abgabekennlinien
trotz identischer Gesamtleiterzahl Z von vier Leitern pro Nut herstellen
lässt. Auch bei dieser Schaltungsvariante spielt der Kennlinienverlauf
im Drehzahlbereich unter 1800 U/min keine Rolle. Gegenüber
der Kurve in 6 ist jedoch ein deutlich flacherer
Verlauf aller Kurven im oberen Drehzahlbereich erkennbar, was bedeutet,
dass die Abgabeleistung über einen großen Drehzahlbereich
sehr gleichmäßig ist und im Leerlauf des Verbrennungsmotors bei
cirka 1800 U/min des Generators nahezu kein Unterschied zwischen
den Schaltungsvarianten besteht.
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Bei
allen in den 6 und 7 dargestellten
Schaltungsvarianten ist zu erkennen, dass die reine Sternschaltung
gegenüber den Reihenschaltungen Leistungsnachteile aufweist.
Außerdem hat sie Geräuschnachteile. Ihr Vorteil
liegt in der geringeren benötigten Leiterzahl pro Nut,
um ein bestimmte Leistungskennlinie zu realisieren. Durch die Wahl
der Schaltungsvariante kann die jeweils gewünschte Betriebsart
realisiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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