DE10209054A1 - Kraftfahrzeug-Lichtmaschine mit verringertem magnetischen Rauschen und verringerter Stromwelligkeit - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Rotationsmaschine (20) mit einem Statorkern (54), der Schlitze (80) aufweist, und mit einem Satz von Wicklungen (58), die in den Schlitzen (80) angeordnet sind. Die Wicklungen (58) sind in 2N+1 Phasen konfiguriert, wobei N eine ganze Zahl größer als 1 ist. Eine derartige Maschine ist besonders nützlich für Kraftfahrzeug-Lichtmaschinen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein elektrische Ro­ tationsmaschinen und insbesondere eine Statorstruktur, die so konfiguriert ist, dass sie weniger Geräusch erzeugt.

Bei Lichtmaschinen handelt es sich um elektrische Rotations­ maschinen, die in (Kraft)fahrzeugen verwendet werden, um elektrischen Strom zum Laden der Fahrzeugbatterie zu erzeu­ gen, wenn der Rotor der Lichtmaschine sich mit ausreichender Drehzahl dreht. Dem Fachmann ist geläufig, dass Lichtmaschi­ nen auch als Generatoren bezeichnet werden. Bei der Konstruk­ tion von Kraftfahrzeugen versuchen Hersteller fortgesetzt, Geräusch zu verringern, das durch verschiedene Komponenten des Fahrzeugs erzeugt wird. Lichtmaschinen erzeugen Geräusche aufgrund der Magnetkräfte in der Lichtmaschine sowie aufgrund anderer Faktoren, wie etwa Lüftergeräusch.

Stromwelligkeit im Ausgangsstrom ist ebenfalls unerwünscht. Stromwelligkeit tritt auf, wenn der Wechselstrom der von der Lichtmaschine angegeben wird, gleichgerichtet ist. Bei der Gleichrichtung handelt es sich um eine Summierung der Aus­ gangsströme von verschiedenen Phasen der Maschine. Der Gleichstrom ist deshalb mit einer bestimmten Schwankung be­ haftet. Drei-Phasen-Lichtmaschinen werden üblicherweise ver­ wendet. In einer Drei-Phasen-Lichtmaschine treten im Lauf ei­ nes elektrischen Zyklus sechs Maxima und Minima auf, wobei dieser Zyklus festgelegt ist als Rotordrehung über ein Paar von Magnetpolen. Es wurde herausgefunden, dass Stromwellig­ keit auch zu Geräusch beiträgt. Wenn der Ausgangsstrom Wel­ ligkeit besitzt, weist auch das Eingangsdrehmoment Welligkei­ ten auf. Das Eingangsdrehmoment ist mit Welligkeiten anspre­ chend auf die Aufrechterhaltung einer relativ konstanten Drehzahl der Rotationsmaschine behaftet. Dieses Phänomen ruft ebenfalls Geräusche hervor.

Es besteht deshalb ein Bedarf an einer Lichtmaschinen- Statorkonfiguration, die wenige Stromwelligkeit und damit Ge­ räusch erzeugt.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb dar­ in, eine elektrische Maschine, insbesondere eine Lichtmaschi­ ne zu schaffen, die weniger Geräusche abgibt.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine verringer­ te Oszillation des magnetischen Flusses zu einer Lichtmaschi­ ne mit verringertem Geräusch und gleichmäßigerem Ausgangs­ strom führt.

In Übereinstimmung mit einem Aspekt der Erfindung umfasst ei­ ne elektrische Maschine einen Statorkern mit Schlitzen und einem Satz von Wicklungen, die in den Schlitzen angeordnet sind. Die Wicklungen sind als 2N + 1 Phasen konfiguriert, wobei N eine ganze Zahl größer als 1 ist. Eine derartige Maschine ist besonders nützlich für einen Einsatz in Kraftfahrzeug- Lichtmaschinen.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass, weil ein glatteres Ausgangssignal erzeugt wird, weniger elektromagnetische Interferenz erzeugt wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispiel­ haft näher erläutert; in dieser zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine,

Fig. 2 eine teilweise weggeschnittene perspektivische An­ sicht eines Statorkerns in Übereinstimmung mit einer Sieben-Phasen-(N=3)-Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3 eine Draufsicht eines Statorkerns in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,

Fig. 4 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungs­ form einer Wicklungsschaltung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,

Fig. 5 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungs­ form einer Wicklungsschaltung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,

Fig. 6 eine Kurvendarstellung des Stroms als Funktion der Zeit einer Drei-Phasen-Lichtmaschine gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 7 eine Kurvendarstellung des Stroms als Funktion der Zeit einer Sieben-Phasen-(N=3)-Lichtmaschine in Über­ einstimmung mit der vorliegenden Erfindung, und

Fig. 8 eine Kurvendarstellung des Geräusches als Funktion der Drehzahl einer Wicklung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu existie­ renden Wicklungen.

In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugsziffern dieselben Bestandteile in den verschiedenen Ansichten. Obwohl in einer Ausführungsform eine Lichtmaschine dargestellt ist, können die nachfolgend erläuterten Ausführungsformen der Stator­ wicklungsschaltung für eine Vielzahl unterschiedlicher elek­ trischer Rotationsmaschinen verwendet werden, einschließlich flüssigkeitsgekühlten Lichtmaschinen, luftgekühlten Lichtma­ schinen und verschiedenen Konfigurationen von Lichtmaschinen, einschließlich Mehrfach-Rotor-Lichtmaschinen und dergleichen.

Wie in Fig. 1 gezeigt, umfasst eine Lichtmaschine 20 einen vorderen Gehäuseabschnitt 22 und einen hinteren Gehäuseab­ schnitt 24, welche Abschnitte in geeigneter Weise verschraubt oder anderweitig miteinander verbunden sind. Der vordere Ge­ häuseabschnitt 22 und der hintere Gehäuseabschnitt 24 beste­ hen bevorzugt aus Metall. Die Gehäuseabschnitte 22 und 24 können mit Öffnungen zur Luftkühlung oder mit Fluiddurchläs­ sen zur Flüssigkeitskühlung erstellt sein, wie dem Fachmann an sich bekannt. Ein Rotor 26 ist im vorderen Gehäuseab­ schnitt 22 und im hinteren Gehäuseabschnitt 24 enthalten. Dem Fachmann erschließt sich, dass der Rotor 26 üblicherweise vom "Klauenpol"-Typ ist. Mehrere Permanentmagneten 28 können in dem Rotor 26 angeordnet sein, um die elektrische Leistungs­ ausgabe bzw. Stromabgabe der Lichtmaschine 20 zu verbessern.

Der Rotor 26 enthält eine Welle 29 mit zwei Schleifringen 30 und 32, bei denen es sich um Mittel zum Bereitstellen von elektrischem Strom von einem Spannungsregler (nicht gezeigt in der speziellen Schnittansicht gemäß Fig. 3) zu einer Feld­ wicklung 34 handelt, die in dem Rotor 26 angeordnet ist. Ebenfalls mit der Welle 29 verbunden ist eine Riemenscheibe 36 oder ein anderes Mittel zum Drehen des Rotors 26. Die Wel­ le 29 ist durch ein vorderes Lager 50 drehbar getragen, das seinerseits durch den vorderen Gehäuseabschnitt 22 getragen ist, und durch ein hinteres Lager 52, das seinerseits durch den hinteren Gehäuseabschnitt 24 getragen ist.

Ein Stator 54 ist in Gegenüberlage zum Rotor 26 vorgesehen. Der Stator 54 umfasst einen ferromagnetischen Statorkern 56, auf welchen Statorwicklungen 58 gewickelt sind.

Ein Gleichrichter 70, der mit den Statorwicklungen 58 verbun­ den ist, um den Wechselausgangsstrom gleichzurichten, der in den Statorwicklungen 58 durch den Betrieb der Lichtmaschine 20 erzeugt wird, ist am hinteren Gehäuse 24 angebracht. Der Gleichrichter 70 ist aus mehreren gleichrichtenden Elementen gebildet, bei denen es sich bevorzugt um Dioden handelt. An­ dere gleichrichtende Elemente, wie etwa Transistoren können jedoch ebenfalls verwendet werden. Der Gleichrichter 70 um­ fasst eine Negativ-Gleichrichterplatte 72, die den gemeinsa­ men Anschluss für die Kathoden der "negativen" Dioden 72A bildet. Der Gleichrichter 70 umfasst außerdem eine Positiv- Gleichrichterplatte 74, welche den gemeinsamen Anschluss für die Anoden der "positiven" Dioden 74A bildet. Die negative Gleichrichterplatte 72 und die positive Gleichrichterplatte 74 sind voneinander elektrisch isoliert. Eine Kunststoffabde­ ckung 76 deckt die Rückseite der Lichtmaschine 20 ab, ein­ schließlich dem Gleichrichter 70. Elektrische Verbinder 77 und 78 stellen die erforderlichen elektrischen Verbindungen zu und von der Lichtmaschine 20 bereit. Da diese Verbinder bzw. Anschlusselemente von herkömmlichem Aufbau sind, werden sie vorliegende nicht näher erläutert.

In Fig. 2 und 3 ist eine jeweilige teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht eines Stators 54 gezeigt. Die Wick­ lungen 58 mit Endwindungen 60, die sich ausgehend von ihnen erstrecken, kommen in Schlitzen 80 des Statorkerns 56 in her­ kömmlicher Weise zu liegen. In der dargestellten Ausführungs­ form sind 84 Schlitze 80 verwendet. Bevorzugt werden Wicklun­ gen mit voller Ganghöhe verwendet, d. h., gegenüberliegende Pole sind elektrisch um 180° beabstandet. Bruchteile der (vollen) Ganghöhe mit weniger als 180° können jedoch eben­ falls verwendet werden.

In Fig. 4 ist eine schematische Ansicht einer ersten Ausfüh­ rungsform einer Statorschaltung 300 gezeigt, die mit einer Gleichrichterschaltung 302 verbunden ist. Die Statorschaltung 300 weist 2N + 1 Phasen oder Wicklungen auf. In den folgenden Beispielen beträgt N 3, weshalb sieben Wicklungen vorliegen. Die vorliegende Erfindung trifft gleichermaßen auf andere Schaltungen zu, bei denen N eine ganze Zahl größer als 1 ist. Systeme gemäß dem Stand der Technik nutzen typischerweise N = 1 in einer Drei-Phasen-Implementation. In diesem Beispiel sind Wicklungen A, B, C, D, E, F und G schematisch in ein Mehreck geschaltet. Das heißt, jedes Ende jeder der Wicklungen A bis G ist mit einem Ende der anderen der Wicklungen verbunden. Wie gezeigt, ist das Wicklungsende A₁ mit dem Wicklungsende G₂ verbunden; das Wicklungsende A₂ ist mit dem Wicklungsende B₁ verbunden; das Wicklungsende B₂ ist mit dem Wicklungsende C₁ verbunden; das Wicklungsende C₂ ist mit dem Wicklungsende D₁ verbunden; das Wicklungsende D₂ ist mit dem Wicklungsende E₁ verbunden; das Wicklungsende E₂ ist mit dem Wicklungsende F₁ verbunden und das Wicklungsende F₂ ist mit dem Wicklung­ sende G₁ verbunden.

Bei der Gleichrichterschaltung 302 handelt es sich um eine übliche Vollwellengleichrichterschaltung, wie dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik bekannt, die erweitert wurde, um die Anzahl von Phasen der elektrischen Maschine aufzuneh­ men. Das heißt, bevorzugt ist ein Paar von Dioden für jede Phase vorgesehen und deshalb beträgt die Anzahl von Dioden 2(2N + 1) oder 14 für den Fall von N = 3. Dem Fachmann erschließt sich jedoch ohne weiteres, dass eine größere Anzahl von Dio­ den verwendet werden kann. Die dargestellte Gleichrichter­ schaltung 302 weist vierzehn Dioden 304 bis 317 auf. Jede Di­ ode besitzt eine Anode und eine Kathode. Die Kathoden der Di­ oden 305, 307, 309, 311, 313, 315 und 317 sind miteinander verbunden. Die Anoden der Dioden 304, 306, 308, 310, 312, 314 und 316 sind miteinander verbunden. Die Kathode der Diode 304 ist mit der Anode der Diode 305 verbunden. Die Kathode der Diode 306 ist mit der Anode der Diode 307 verbunden. Die Ka­ thode der Diode 308 ist mit der Anode der Diode 309 verbun­ den. Die Kathode der Diode 310 ist mit der Anode der Diode 311 verbunden. Die Kathode der Diode 312 ist mit der Anode der Diode 313 verbunden. Die Kathode der Diode 314 ist mit der Anode der Diode 315 verbunden. Die Kathode der Diode 316 ist mit der Anode der Diode 317 verbunden. Die Knoten (N₁-N₇) zwischen jeweiligen Diodenpaaren 304 und 305, 306 und 307, 308 und 309, 310 und 311, 312 und 313, 314 und 315 und 316 und 317 empfangen das Ausgangssignal von einem der Wicklungs­ schnittstellen (z. B. A2 : B1, B2 : C1).

In Fig. 5 ist eine modifizierte Wicklungsschaltung 300' ge­ zeigt. In dieser Ausführungsform sind die Phasen A bis 6 in Sternkonfiguration mit einem gemeinsamen Knoten N₈ verbunden.

Das heißt, die Wicklungsenden A₁'-G₁' sind mit dem gemeinsa­ men Knoten N₈ verbunden.

Die Gleichrichterschaltung 302 ist identisch zu derjenigen in Fig. 4 konfiguriert, mit Ausnahme der Stelle, von welcher ausgehend sie mit der Statorschaltung 300' verbunden ist. Je­ de Phase weist ein Ende auf, das mit der Statorschaltung 302 verbunden ist. Das heißt, das Wicklungsende A₂', B₂' . . . G₂' sind mit den Knoten N₁-N₇ verbunden. Optionale Dioden können bei N₈ enthalten sein.

In Fig. 6 ist eine Kurvendarstellung der Stromwelligkeit als Funktion des elektrischen Winkels für eine Drei-Phasen- Lichtmaschine gemäß dem Stand der Technik gezeigt. Die Strom­ welligkeit weist eine Höhe bzw. Größe auf, die beim Stand der Technik 0,13 A entspricht.

In Fig. 7 ist ein Sieben-Phasengleichgerichtetes Ausgangs­ signal einer Lichtmaschine gezeigt, wie der in Fig. 4 gezeig­ ten Lichtmaschine. In diesem Beispiel weist der Welligkeits­ strom T₂ einen Spitzenstromwert von 0,025 A auf. Demnach han­ delt es sich hier um eine deutliche Verringerung ausgehend von einer üblichen Drei-Phasen-Lichtmaschine.

In Fig. 8 sind die Schalldruckpegel der in Fig. 4 gezeigten neuen (neuartigen) Wicklungskonfiguration relativ zu einer bisherigen Wicklungskonfiguration gezeigt. Demnach sind die Gesamtschalldruckpegel in der erfindungsgemäßen Wicklungskon­ figuration geringer.

Während spezielle Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und erläutert wurden, erschließen sich dem Fachmann zahlrei­ che Abwandlungen und alternative Ausführungsformen. Obwohl eine Stern- und eine Mehreckkonfiguration dargestellt sind, können verschiedene Kombinationen dieser zwei Konfigurationen das 2N + 1-Kriterium erfüllen. Die Erfindung ist deshalb nicht auf die dargestellten und erläuterten Ausführungsformen be­ schränkt, sondern durch die anliegenden Patentansprüche fest­ gelegt.

Claims (21)

1. Elektrische Maschine, aufweisend:
einen Statorkern mit Schlitzen,
einen Satz von Wicklungen, die in den Schlitzen angeord­ net sind, wobei der Satz von Wicklungen 2N + 1 Phasen auf­ weist und wobei N eine ganze Zahl größer als 1 ist.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei der Satz von Wicklungen mit einem gemeinsamen Knoten verbunden ist.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei der Satz von Wicklungen in Mehreckkonfiguration geschaltet ist.

4. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, außerdem aufweisend eine Umschaltschaltung, die mit dem Satz von Wicklungen verbunden ist und zumindest 2(2N + 1) Schaltelemente um­ fasst.

5. Elektrische Maschine nach Anspruch 4, außerdem aufweisend einen Vollwellengleichrichter.

6. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei N = 2.

7. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei N = 3.

8. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei die elektri­ sche Maschine einen Generator umfasst.

9. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei der Satz von Wicklungen voll Steighöhe hat.

10. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei der Satz von Wicklungen einen Bruchteil der vollen Steighöhe hat.

11. Lichtmaschine für ein Kraftfahrzeug, aufweisend:
ein Gehäuse,
einen Rotor, der in dem Gehäuse drehbar angeordnet ist,
einen Statorkern, der in dem Gehäuse benachbart zum Rotor angeordnet ist und der Schlitze aufweist, und
einen Satz von Wicklungen, die in den Schlitzen angeord­ net sind, wobei der Satz von Wicklungen 2N + 1 Phasen auf­ weist, wobei N eine ganze Zahl größer als 1 ist.

12. Lichtmaschine nach Anspruch 11, außerdem aufweisend einen Vollwellengleichrichter.

13. Lichtmaschine nach Anspruch 11, wobei der Satz von Wick­ lungen mit einem gemeinsamen Knoten verbunden ist.

14. Lichtmaschine nach Anspruch 11, wobei der Satz von Wick­ lungen schematisch in ein Mehreck geschaltet ist.

15. Lichtmaschine nach Anspruch 14, wobei das Mehreck 2N + 1 Seiten aufweist.

16. Lichtmaschine nach Anspruch 11, außerdem aufweisend eine Gleichrichterschaltung, die mit dem ersten Satz von Wick­ lungen verbunden ist und zumindest 2(2N + 1) Gleichrichter­ elemente aufweist.

17. Lichtmaschine nach Anspruch 11, wobei N = 2.

18. Lichtmaschine nach Anspruch 11, wobei N = 3.

19. Lichtmaschine für ein Kraftfahrzeug, aufweisend:
ein Gehäuse,
einen Rotor, der in dem Gehäuse drehbar angeordnet ist,
einen Statorkern, der in dem Gehäuse benachbart zu dem Rotor angeordnet ist und Schlitze aufweist,
einen Satz von Wicklungen, die in den Schlitzen angeord­ net sind, wobei der Satz von Wicklungen 2N + 1 Phasen auf­ weist, wobei N eine ganze Zahl größer als 1 ist, und
eine Vollwellengleichrichterschaltung, die mit dem Satz von Wicklungen verbunden ist und zumindest 2(2N + 1) Gleichrichterelemente aufweist.

20. Lichtmaschine nach Anspruch 19, wobei der Satz von Wick­ lungen mit einem gemeinsamen Knoten verbunden ist.

21. Lichtmaschine nach Anspruch 19, wobei der Satz von Wick­ lungen schematisch in ein Mehreck geschaltet ist.