DE69122801T2

DE69122801T2 - Eine Mehrzahl unabhängiger Dreiphasenwicklungen aufweisender Wechselstromgenerator

Info

Publication number: DE69122801T2
Application number: DE69122801T
Authority: DE
Inventors: Keiichiro Banzai; Seiji Hayashi; Sin Kusase
Original assignee: NipponDenso Co Ltd
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1990-04-24
Filing date: 1991-04-23
Publication date: 1997-03-20
Anticipated expiration: 2011-04-24
Also published as: EP0454039A1; EP0454039B1; US5122705A; DE69122801D1

Description

GRUNDLAGEN DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wechselstromgenerator mit einer Vielzahl von Sätzen von Ständerwicklungen. Insbesondere ist der Wechselstromgenerator gemäß der vorliegenden Erfindung zur Verwendung in einem Fahrzeug geeignet.
Es werden Wechselstromgeneratoren für Fahrzeuge verwendet, bei welchen ein Rotor mit Feld- bzw. Erregerwicklungen innerhalb eines mit Dreiphasenwicklungen ausgestatteten Ständers (Stator) angeordnet ist.
Zur Vergrößerung der Anzahl der Pole ist in diesem Fall ein Rotor im Außenbereich mit einer Vielzahl von klauenförmigen Polen, die auf einem Paar von magnetischen Kernen angeordnet sind, ausgebildet. Der Anker des Ständers ist mit drei P-Nutschlitzen (Nuten) (eine Nut pro Phase und Pol) entsprechend der Anzahl der Phasen der Wicklungen (drei) und der Anzahl der Pole (P) vorgesehen. Die vorstehend angegebenen Dreiphasenwicklungen sind in diese Nuten eingesetzt und ein zahnförmiger Kern ist zwischen einem Paar benachbarter Nuten oder Schlitze ausgebildet.
Da jedoch der Wechselstromgenerator für ein Fahrzeug mit Klauenpolen einen Satz von Dreiphasenwicklungen und drei P- Nuten (insbesondere eine Nut pro Phase und Pol) aufweist, erfolgt eine Streuung eines magnetischen Flusses 104, der zwischen Polen 101 und 102 ausgebildet wird, über einen zahnförmigen Kern 103 zwischen Wicklungen A, wie es in Fig. 9a gezeigt ist, wenn die Pole 101 und 102 des Rotors und der zahnförmige Kern 103 des Ständers die in Fig. 8 gezeigte relative Stellung zueinander einnehmen.
Eine derartige Streuung des magnetischen Flusses vermindert nicht nur den wirksamen magnetischen Fluß, der zur Erzeugung einer elektrischen Leistung beiträgt, sondern erzeugt ferner auch einen pulsierenden magnetischen Fluß.
Hierdurch wird die Entstehung von magnetischen Geräuschen vergrößert, die erzeugte Spannung wird veränderlich und der Signalverlauf der Ausgangsspannung wird verzerrt, so daß im Falle des Gleichrichtens einer erzeugten Ausgangsspannung in einen Gleichstrom eine Welligkeit in Form eines Wechselanteils entsteht.
Es wird im allgemeinen gefordert, daß derartige magnetische Geräusche insbesondere bei einer Leistungsquelle für ein Kraftfahrzeug, die eine Vielzahl elektrischer Einrichtungen mit elektronischen Bauelementen und integrierten Schaltkreisen versorgt, vermindert werden müssen.
Desweiteren wird eine Leistungsquelle mit qualitativ sauberem Gleichstrom bei geringer Geräuschentwicklung und geringer Spannungsänderung in Form von Welligkeiten gefordert
Die Druckschrift DE-A-22 34 070 offenbart einen Wechselstrom-Schweißgenerator, der eine Mehrphasenwicklung und einen damit verbundenen Gleichrichter aufweist. Die Mehrphasenwicklung umfaßt zwei Mehrphasenwicklungssysteme mit jeweils einer Phasenversetzung, die in Nutschlitzen der Ständerwicklung eingesetzt sind. Die Phasenanschlüsse der jeweiligen Wicklungen der entsprechenden Phasen sind miteinander und mit den zugeordneten Gleichrichterelementen dieser Phase verbunden. Dieser Stand der Technik bezieht sich auf zwei parallele Wicklungen für dieselbe Phase, wobei die Anschlüsse sämtlicher vorliegender Phasen in Sternform geschaltet und mit dem Stempunkt (neutraler Punkt) verbunden sind. Somit wird bei diesem Stand der Technik die parallele Anordnung zweier sternformig geschalteter Dreiphasenwicklungssysteme verwendet, die zusätzlich mit ihrem jeweiligen Stempunkt verbunden sind. Daher werden in diesem Fall magnetische Geräusche infolge der durch die Dreiphasenwicklungssysteme fließenden verzerrten Ströme auftreten.
Desweiteren offenbart die Druckschrift DE-B-12 91 012 eine elektrische Leistungsgeneratoreinheit für ein Kraftfahrzeug mit einem Läufer mit Klauenpolen, wobei die Klauenpole in einer bestimmten Weise ausgebildet sind, so daß mechanische Schwingungen der Rotorpolteile vermindert werden, wodurch ein geräuscharmer Betrieb des Wechselstromgenerators erzielt werden kann. Die Dreiphasenwicklungen sind in Dreieckschaltung vorgesehen.

KURZZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wechselstromgenerator bereitzustellen, bei welchem durch Vermindern des magnetischen Streuflusses im Wechselstromgenerator die magnetischen Geräusche vermindert sind und bei dem ein erzeugter und gleichgerichteter Ausgangsgleichstrom mit einer stabilisierten Spannung abgegeben wird.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Lüftergeräusche (Windgeräusche), die durch die Spulenenden der Ständerwicklung erzeugt werden, zu vermindern und eine enge Anordnung der Spulenenden wirksam zu unterdrücken.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, magnetische Geräusche zu unterdrücken und ferner den Wechselanteil in dem durch Gleichrichten einer Wechselspannung gebildeten Gleichstrom zu vermindern.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die elektromagnetischen Geräusche und die Anzahl der Gleichrichter durch Verschieben der Verteilung einer resultierenden elektromotorischen Kraft jeder Phase der Ständerwicklungen mit der Drehbewegung des Rotors zu vermindern.
Diese Aufgaben werden gemäß der vorliegenden Erfindung durch einen Wechselstromgenerator gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Die Erfinder haben erkannt, daß es zweckmäßig ist, den magnetischen Widerstand eines magnetischen Pfads für den magnetischen Streufluß 104 zur Verminderung des magnetischen Streuflusses zu vergrößern, und daß es ferner zweckmäßig ist, den zahnförmigen Kern 103 zwischen den Nuten in der in Fig. 9b gezeigten Weise aufzuteilen. Die Erfinder haben ferner erkannt, daß der magnetische Streufluß 104' als wirksamer, mit den Wicklungen verbundener Magnetfluß verwendet werden kann durch Einsetzen getrennter Ständerwicklungen A' in die mittels der aufgeteilten zahnförmigen Kerne gebildeten Nuten (Schlitze), wie es in Fig. 9c gezeigt ist, und daß ein resultierendes gleichgerichtetes Ausgangssignal stabilisiert werden kann.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist jeder der Klauenpole ein trapezförmige äußere Form auf, wobei P=12 und n=2 gilt, so daß der Ständerkern zweiundsiebzig Nuten und erste und zweite Sätze von Dreiphasenwicklungen, die darin angeordnet sind, aufweist.
Entsprechend der Ausführung der vorliegenden Erfindung fließt ein geringerer magnetischer Fluß zwischen benachbarten Feldpolen über denselben zahnförmigen Kern, und eine Zeitdauer, während der magnetischer Fluß über den zahnförmigen Kern gestreut wird, wird verkürzt. Somit kann der Rückgang des wirksamen magnetischen Flusses für die Wicklungen eines Ständers infolge der Streuung des magnetischen Flusses vermindert werden, wodurch bisher schwierige pulsierende magnetische Flüsse entstanden sind. Somit werden die Schwankungen der erzeugten Spannung und die Verzerrung der Ausgangssignalform vermindert, wodurch eine Stabilisierung der gleichgerichteten Spannung erzielt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind erste und zweite Sätze von Dreiphasenwicklungen jeweils in ungeradzahligen und geradzahligen Nuten der Ständerwicklung eingesetzt, und mittlere Bereiche der Spulenenden jeder Phase der ersten und zweiten Sätze von Dreiphasenwicklungen treten an beiden Seiten des Ständerkerns hervor und sind mit einem Teilungsmuster von 1, 2, 2, 3, 2, 2 mal der Länge einer Teilungseinheit in einer Außenrichtung des Ständerkerns angeordnet.
Bei einer derartigen Anordnung kann eine übergroße Ansammlung von Spulenenden vermieden werden, so daß das Erfordernis erzwungener Biegungen oder eines radialen oder axialen Überhangs der Spulenenden zur Verminderung einer übergroßen Ansammlung der Spulenenden vermindert werden kann. Da die Ausbreitung der Spulenenden in Außenrichtung vereinheitlicht ist, kann der Geräuschpegel (eines Lüftergeräuschs) bei einer bestimmten hörbaren Frequenz vermindert werden. Da die Spulenenden mit ungleichen Teilungsabständen in Außenrichtung des Ständerkerns angeordnet sind, wird das Frequenzspektrum des Lüftergeräuschs breiter im Vergleich zu dem Fall, daß die Spulenenden jeweils mit gleichen Teilungsabständen angeordnet sind, und da ferner die Hörempfindlichkeit der Bezugsfrequenz zu einem niedrigen Frequenzbereich verschoben ist, wird es möglich, den Pegel des akustischen Geräuschs zu vermindern.
Desweiteren sind beide Sätze von Dreiphasenwicklungen, die in die vorstehend angegebenen 3nP-Nuten eingesetzt sind, in Sternform geschaltet, wobei jeder Satz von Dreiphasenwicklungen mit jedem unabhängigen Dreiphasengleichrichter verbunden ist, und es sind ferner Gleichstromausgangsanschlüsse der jeweiligen Dreiphasengleichrichter zueinander parallel geschaltet.
Mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau ist es möglich, in wirksamer Weise den magnetischen Streufluß zu vermindern und ferner den Wechselanteil des Ausgangsgleichstroms mittels einer Phasenverschiebung zwischen den Ausgangsspannungen jeweiliger Sätze von Dreiphasenwicklungen um einen vorbestimmten Betrag zu vermindern.
Desweiteren werden zwei Sätze von Dreiphasenwicklungen verwendet, einschließlich eines Satzes von Wicklungen in Sternschaltung und eines Satzes von Wicklungen in Dreieckschaltung. Die Anzahl der Windungen der Wicklungen in Dreieckschaltung beträgt das 1.5- bis 2.5-fache der Windungen der Wicklungen in Sternschaltung. Die zwei Sätze von Dreiphasenschaltungen sind zueinander parallel geschaltet und mit einem gemeinsamen Dreiphasen gleichrichter verbunden.
Mit einer derartigen Anordnung kann die Verteilung einer resultierenden elektromotorischen Kraft (EMK) jeder Phase der Ständerwicklungen unter Aufrechterhaltung der Form verschoben werden, so daß keine große pulsierende Vibrationskraft zwischen dem Rotor und dem Ständer gebildet wird. Somit können elektromagnetische Geräusche vermindert werden, ohne daß Abstriche an der Leistungsfähigkeit des Wechselstromgenerators vorzunehmen sind und ohne daß die Abmessungen und die Kosten des Produkts ansteigen.
Desweiteren wird kein unsymetrischer umlaufender Strom zwischen den beiden Sätzen von Dreiphasenwicklungen erzeugt, so daß beide Sätze von Dreiphasenwicklungen zueinander parallel geschaltet und ferner mit einem gemeinsamen Dreiphasengleichrichter verbunden werden können.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

Fig. 1 ist eine Schnittansicht zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels eines Wechselstromgenerators der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Rotors gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 zeigt eine Queransicht (Abwicklung) zur Veranschaulichung eines Ständerkerns gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung eines Ständers;
Fig. 5 ist ebene Draufsicht (Abwicklung) zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen dem Ständer und den Magnetpolen;
Fig. 6 ist eine Schaltungsanordnung einer Leistungsversorgungsschaltung für ein Fahrzeug unter Verwendung eines Wechselstromgenerators gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel;
Fig. 7 ist eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung der Signalverläufe von Ausgangsspannungen des Wechselstromgenerators gemäß dem Ausführungsbeispiel;
Fig. 8 ist eine ebene Draufsicht (Abwicklung) zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen einem Ständer und Magnetpolen gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 9a, 9b und 9c sind beispielhafte Darstellungen zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung;
Fig. 10 ist eine Abwickungsansicht von Hauptteilen zur Veranschaulichung eines weiteren Wicklungssystems;
Fig. 11 ist ein Wicklungsschema zur Veranschaulichung der Ständerwicklungen gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 12 ist eine Schaltungsanordnung zur Veranschaulichung der Verbindung der Ständerwicklungen;
Fig. 13 ist eine Schnittansicht von Hauptteilen des Wechselstromgenerators;
Fig. 14 ist ein Wicklungsschema der Ständerwicklungen zur Veranschaulichung eines Zustands der Ansammlung der Spulenenden gemäß dem Wicklungssystem des zweiten Ausführungsbeispiels;
Fig. 15 ist ein Wicklungsschema der Ständerwicklungen zur Veranschaulichung eines Zustands von übergroßen Ansammlungen von Spulenenden entsprechend einem Wicklungssystem in einem vergleichbaren Beispiel;
Fig. 16 ist ein Wicklungsschema zur Veranschaulichung der Ständerwicklungen gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;
Fig. 17 bis 20 sind Schaltungsanordnungen zur Veranschaulichung eines vierten Ausführungsbeispiels;
Fig. 17 ist eine Schaltungsanordnung zur Veranschaulichung der Verbindung der Ständerwicklungen gemäß dem dritten und vierten Ausführungsbeispiel;
Fig. 18 ist ein Wicklungsschema zur Veranschaulichung einer Abwicklung der Ständerwicklungen jeder Phase;
Fig. 19 ist eine Seitenansicht der magnetischen Pole eines Rotors;
Fig. 20 zeigt beispielhaft die Verteilung der elektromotorischen Kraft im Luftspalt der Ständerwicklung jeder Phase;
Fig. 21 ist eine Schaltungsanordnung der elektrischen Schaltung eines Dreiphasen-Wechselstromgenerators gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 22 zeigt beispielhaft die Verteilung der elektromotorischen Kraft im Luftspalt der Ständerwicklungen jeder Phase bei einem Dreiphasen-Wechselstromgenerator gemäß dem Stand der Technik.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Nachstehend wird ein für ein Fahrzeug vorgeschlagener Wechselstromgenerator unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Fig. 1 zeigt einen Wechselstromgenerator 1 des vorliegenden Ausführungsbeispiels Ein Rotor 10 wird innerhalb eines Rahmens 2 mittels Lager 3 und 4 drehbar gelagert, so daß er relativ zum Rahmen 2 drehbar ist. Ein im wesentlichen zylindrischer Ständer (Anker, Stator) 20 ist außerhalb des Rotors 10 derart angeordnet, daß der Rotor 10 umschlossen wird.
Gemäß Fig. 2 umfaßt der Rotor 10 eine Welle 11, die mittels eines (nicht gezeigten) Motors über einen (nicht gezeigten) Treibriemen drehend angetrieben wird, Rotorkerne 12 und 13, in welche die Welle 11 eingesetzt ist, und eine Rotorspule 14, die um die Rotorkerne 12 und 13 gewickelt ist und als magnetische Feldspule (Erregerspule) dient. Die Rotorkerne 12 und 13 sind jeweils im Außenbereich derselben mit integral ausgebildeten klauenförmigen Magnetpolen 12a und 13a (mit trapezförmiger äußerer Ausgestaltung, in Kreisumfangsrichtung gesehen) ausgestattet. Die Rotorkerne 12 und 13 umfassen jeweils sechs Magnetpole 12a und 13a, wobei die Magnetpole 12a und 13a entlang dem Außenbereich des Rotors 10 wechselweise angeordnet sind.
Der Ständer 20 umfaßt einen Ständerkern 20a, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, der in einer im wesentlichen zylindrischen Form mittels geschichteter Kerne ausgeführt ist, die durch Stanzen von zahnförmigen Kernen 21a bis 26a und dazwischen angeordnete Nuten 21 bis 26 erhalten werden, und Ständerspulen 30, von denen jeweils eine in die Nuten 21 bis 26 eingesetzt ist.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Ständerkern 20a mit zweiundsiebzig Nuten und zweiundsiebzig zahnförmigen Kernen ausgestattet, so daß zwei Sätze von Dreiphasen-Wechselströmen mittels zwölf Magnetpolen des Rotors 10 erhalten werden. Gemäß Fig. 4 sind die Ständerspule 30, die Dreiphasen-Primärspulen 31, 32 und 33 und die Dreiphasen-Hilfsspulen 34, 35 und 36 jeweils in den Nuten 21, 23 und 25 und den Nuten 22, 24 und 26 zur Bildung einer Phasendifferenz mit einem elektrischen Winkel von 60º zueinander angeordnet. Jede der Hilfsspulen 34, 35 und 36 ist relativ zu jeder Primärspule 31, 32 und 33 zur Bildung einer Phasendifferenz mit einem elektrischen Winkel von 30º angeordnet.
Fig. 5 zeigt eine ebene Abwicklungsansicht zur Veranschaulichung der relativen Positionen der zahnförmigen Kerne 21a und der Magnetpole 12a und 13a des Rotors 10.
Bei einer derartigen Anordnung ist die Überlappung der zahnförmigen Kerne 21a mit jedem der Magnetpole 12a und 13a sehr klein, auch wenn der zahnförmige Kern 21a gemäß Fig. 5 gleichzeitig eine Überlappung mit den Magnetpolen 12a und 13a des Rotors 10 aufweist. Zur Verminderung des Überlappungsbereichs ist es wünschenswert, die Länge L der Grundseite jedes trapezoidförmigen Magnetpols 12a und 13a kleiner als 7τ-A auszuführen, wobei τ eine Nutteilung und A die äußere Länge eines Endes des zahnförmigen Kerns bezeichnet.
Somit wird der zwischen den Polen 12a und 13a über den zahnförmigen Kern 21a gebildete Magnetfluß zu diesem Zeitpunkt sehr klein, so daß der magnetische Streufluß unterdrückt werden kann.
Im Ergebnis kann eine Störung des magnetischen Flusses, der jede der Primärspulen 31 bis 33 schneidet, unterdrückt werden. Da ein derartiger magnetischer Streufluß in jedem der anderen zahnförmigen Kerne 22a bis 26a in gleicher Weise vermindert wird, kann die Störung im magnetischen Fluß, der die Hilfswicklungen 34 bis 36 schneidet, unterdrückt werden.
Bei dem Wechselstromgenerator gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau sind die Primärspulen 31 bis 33 und die Hilfsspulen 34 bis 36 der Ständerspule 30 jeweils in sternform geschaltet und mit Gleichrichtern 5 und 6 verbunden. Die Ausgangssignale der Gleichrichter werden einer Fahrzeugbatterie 7 und einem Fahrzeugverbraucher 8 sowie einem Spannungsregler 9 zugeführt, der zur Regelung der Fahrzeugbatterie auf einer konstanten Anschlußspannung dient, wobei eine Steuerung der Rotorspule 14 in Abhängigkeit von der Anschlußspannung der Fahrzeugbatterie durchgeführt wird.
Der in dieser Weise aufgebaute Wechselstromgenerator 1 erzeugt eine elektrische Leistung in Abhängigkeit von dem Fahrzeugverbraucher 8, wenn der Rotor 10 mittels der sich drehenden Fahrzeugmaschine angetrieben wird.
Zu diesem Zeitpunkt erzeugen die Primärspulen 31 bis 33 und die Hilfsspulen 34 bis 36 in der Ständerspule 30 Ausgangsspannungen mit Signalformen, die jeweils mittels einer durchgezogenen Linie A und einer gestrichelten Linie B in Fig. 7 dargestellt sind. Da die Hilfsspulen 34 bis 36 in Bezug zu den Primärspulen 31 bis 33 mit einer Phasendifferenz entsprechend einem elektrischen Winkel 30º angeordnet sind, ergibt die durch eine Dreiphasen- Vollwellengleichrichtung durch die Gleichrichter 5 und 6 erhaltene resultierende Spannung V eine Signalform, die mittels einer durchgezogenen Linie C in Fig. 7 dargestellt ist.
Die durch die durchgezogene Linie C dargestellte resultierende Spannung V weist eine Differenz zwischen einer maximalen und einer minimalen Spannung auf, der sogenannten Welligkeit, die kleiner ist als diejenige einer einzelnen Spannungssignalform, die mittels einer punktierten Linie D dargestellt wird und die durch Gleichrichten der von lediglich der Primärspulen 31 bis 33 erzeugten Spannung erhalten wird.
Die Differenz Veq (= Vmax - Vmin) zwischen der maximalen Spannung Vmax und der minimalen Spannung Vmin wird wie folgt dargestellt:
wobei E einem maximalen Wert einer sinusförmigen, durch die Ständerspule 30 erzeugen Welle entspricht.
Der Durchschnittswert der resultierenden Spannung V wird wie folgt dargestellt:
Der Welligkeitsfaktor Veq/ wird gemäß dem nachfolgenden Ausdruck bestimmt:
Veg/ = 0.034
Im Gegensatz dazu bildet ein konventioneller Wechselstromgenerator für ein Fahrzeug, der keine Hilfsspulen aufweist, die mit einer Nut pro Phase und Pol angeordnet ist und der lediglich mit einem Satz von Dreiphasenspulen als Ständerspule ausgerüstet ist, eine resultierende Spannung V, die in Fig. 7 mittels einer punktierten Linie D dargestellt ist. In diesem Fall wird die Differenz Veq zwischen dem maximalen Wert vmax und dem minimalen Wert vmin (= vmax - vmin) wie folgt dargestellt:
wobei E einen maximalen Wert einer mittels der Ständerspule 30 gebildeten sinusförmigen Welle bezeichnet.
Der Mittelwert der resultierenden Spannung v wird wie folgt dargestellt:
Der Welligkeitsfaktor veq/ wird wie folgt bestimmt:
veq/ = 0.14
Somit ist erkennbar, daß der Welligkeitsfaktor im Vergleich zu demjenigen beim konventionellen Wechselstromgenerator gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erheblich vermindert werden kann.
Im Ergebnis kann eine gute Gleichstromleistungsversorgung mit geringer Spannungsänderung erhalten werden, da der Wechselanteil in der gleichgerichteten Ausgangsspannung vermindert ist.
Obwohl die Ständerwicklungen gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in Sternform geschaltet sind, können sie auch in Dreieckschaltung ausgeführt sein.
Wie es ferner in Fig. 10 gezeigt ist, kann eine Vielzahl von Ständerwicklungen gruppenförmig in einem Bündel zusammengefaßt werden, und die Ständerwicklungen können als Wellenwicklung ausgeführt und in zwei separaten Lagen gewickelt sein. In diesem Fall wird der Wicklungsherstellungsablauf vereinfacht.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 11 bis 13 wird nachstehend ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Ein Wechselstromgenerator umfaßt im allgemeinen einen radial innerhalb der Spulenenden der Ständerwicklungen auf beiden Seiten des Ständerkerns (d. h. radial innerhalb der Bereiche der Dreiphasen-Ständerwicklungen, die aus den Nuten des Ständerkerns hervortreten) hervorstehenden Lüfter, so daß die Spulenenden zwangsweise mittels des durch den Lüfter gebildeten Luftstroms gekühlt werden.
Der Raum zwischen dem Lüfter und den Spulenenden ist jedoch sehr klein, so daß die Bewegung infolge des Luftströmungsdrucks, der vom Lüfter in dem engen Bereich erzeugt wird, zu Lüftergeräuschen führt. Da im einzelnen die Spulenenden der Ständerwicklungen konkave und konvexe Formen mit einer vorbestimmten Teilung aufweisen, wird ein Geräusch mit einer vorgegebenen hörbaren Frequenz erzeugt.
Bei einem derartigen Dreiphasen-Wechselstromgenerator ist es wünschenswert, eine erhöhte Ansammlung von Spulenenden so weit wie möglich zu vermeiden und eine konstante Dichte der Anordnung der Spulenenden in Kreisumfangsrichtung zu erreichen, so daß erzwungene Biegungen und erhebliches Herausragen, beispielsweise in radialer oder axialer Richtung vermieden werden kann.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel hat die Lösung dieser Probleme zur Aufgabe und bewirkt eine Verminderung der Lüftergeräusche und der erhöhten Ansammlung von Spulenenden.
Zu diesem Zweck werden jeweils ein erster Satz von Dreiphasen-Ständerwicklungen (Phasen X, Y und Z) und ein zweiter Satz von Dreiphasen-Ständerwicklungen (Phasen u, v und w) in ungeradzahlige und geradzahlige Nuten eingesetzt. Die Abstände zwischen den Mitten benachbarter Spulenenden in Außenrichtung werden mit einem Teilungsmuster von 1, 2, 2, 3, 2, 2 mal der Länge einer Teilungseinheit angeordnet.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist in den Fig. 11 bis 13 gezeigt. Dabei zeigt Fig. 11 ein Wicklungsschema zur Veranschaulichung der Wicklungen eines Ständers 20. Fig. 12 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Veranschaulichung der Verbindungen der Ständerwicklungen, und Fig. 13 ist eine Schnittansicht der wesentlichen Teile des Generators.
Der Dreiphasen-Wechselstromgenerator für ein Fahrzeug umfaßt Rotorkerne 12 und 13 mit insgesamt zwölf Klauenpolen, die auf einer Welle 11 angeordnet sind. Die Rotorkerne 12 und 13 weisen Zentrifugalgebläse 17 und 18 auf, die an entgegengesetzten Teilen der Rotorkerne 12 und 13 angeordnet sind. Die Rotorkerne 12 und 13 sind innerhalb des Ständerkerns 20a drehbar gelagert. Spulenenden der Dreiphasen-Ständerwicklungen 30 treten in axialer Richtung aus dem Ständerkern 20a hervor. Der Ständerkern 20a umfaßt zweiundsiebzig Nuten (die mittels der Bezugszeichen SLN 1 bis 72 bezeichnet sind). Somit entspricht ein Nutabstand zwischen benachbarten Nuten einem elektrischen Winkel von 30º.
Gemäß Fig. 12 umfassen die Dreiphasen-Ständerwicklungen 30 einen ersten Satz von Dreiphasen-Ständerwicklungen (X, Y, Z) und einen zweiten Satz von Dreiphasen-Ständerwicklungen (u, v, w), die jeweils in Sternschaltung geschaltet und mit unabhängigen Dreiphasen-Vollwellengleichrichtern 5 und 6 verbunden sind.
Die Dreiphasen-Ständerwicklungen (X, Y, Z) und (u, v, w) sind mit einer vollen Teilung entsprechend der Reihenfolge X, -u, Z, -w, Y, -v, -X, u, -Z, w, -Y und v gewickelt, wie es in Fig. 11 dargestellt ist. Das Symbol "-" bezeichnet eine Richtung der Windung von unten nach oben entsprechend der Darstellung in der Figur. Die Bezugszeichen M, M' und N, N' bezeichnen jeweils Gruppen von Wicklungsanfangs- und Wicklungsendanschlüssen.
Somit weist eine in jeder Phasenwicklung des zweiten Satzes von Dreiphasen-Ständerwicklungen (u, v, w), die in geradzahligen Nuten (auch ungeradzahlige Nuten in Abhängigkeit von der Durchnummerierung der Nuten) eingesetzt sind, induzierte Spannung eine Phasenverschiebung mit einem elektrischen Winkel von 30º bezüglich der bestimmten Phasenwicklung des ersten Satzes von Dreiphasen-Ständerwicklungen (X, Y, Z) auf, die in ungeradzahligen Nuten eingesetzt sind (wobei die geraden Zahlen und die ungeraden Zahlen in Abhängigkeit von der Auswahl der Durchnummerierung der Nuten ausgetauscht werden kann)
Sind die Wicklungen in dieser Weise verteilt, dann sind die Abstände zwischen den Mitten m und m zweier Spulenenden, die in Außenrichtung zueinander benachbart angeordnet sind, mit einem Teilungsmuster von 1, 2, 2, 3, 2, 2 mal der Länge der Teilungseinheit angeordnet. In diesem Fall wird eine Teilungseinheit als eine Nutteilung angesehen.
Gemäß der vorstehenden Beschreibung sind in dem Dreiphasen- Wechselstromgenerator des vorliegenden Ausführungsbeispiels, wie es in den Fig. 11 und 14 gezeigt ist, die jeweiligen Phasenwicklungen (X, Y, Z, u, v, w) in der Reihenfolge gemäß X, -u, Z, -w, Y, -v, -X, u, -Z, w, -Y und v angeordnet.
Somit kann eine erhöhte Anhäufung von Spulenenden vermieden werden im Vergleich zu einem in Fig. 15 dargestellten Beispiel, bei dem die Phasenwicklungen in der Reihenfolge X, u, -Z, -w, Y, v, -X, -u, Z, w, -Y und -v angeordnet sind.
Gemäß Fig. 14 erstreckt sich ein Paar von Spulenenden zur rechten Seite, nachdem sie aus den Nuten 71 und 1 nach oben verlaufen und mit einem Paar von Spulenenden kreuzen, die sich zur linken Seite erstrecken, nachdem sie aus den Nuten 2 und 4 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel des Dreiphasen-Wechselstromgenerators gemäß Fig. 14 nach oben verlaufen. Da die von den Nuten 2 und 4 wegverlaufenden Spulenenden voneinander durch den Abstand zweier Nuten getrennt sind, kann eine erhöhte Ansammlung von Spulenenden im Vergleich zu dem in Fig. 15 gezeigten Beispiel nicht so leicht auftreten, so daß die Behandlung der Spulenenden vereinfacht ist.
Da im Rahmen des vorliegenden Ausführungsbeispiels eine Kühleinrichtung vorgesehen ist, bei der Zentrifugalgebläse 17 und 18 unter den Spulenenden zum Ausrichten einer zentrifugalen Luftströmung zu den Spulenenden gemäß Fig. 13 angeordnet sind, kann eine hohe Kühlungswirkung insbesondere der Spulenenden aufrecht erhalten werden, während Luftströmungs- bzw. Windgeräusche in erheblichem Umfang vermindert werden, die unvermeidlich durch die Spulenenden erzeugt werden. Mit anderen Worten, da die Anordnungsteilung der Wicklungen entsprechend der vorstehenden Angaben ungleich ausgeführt sind, sind die konvexen und konkaven Teile der Spulenenden ebenfalls mit den vorstehenden Teilungen ungleich ausgeführt. Somit sind die Frequenzkomponenten eines durch die konkaven und konvexen Bereiche erzeugten Geräuschs verteilt und im Pegel über einen Bereich von einer niedrigen Frequenz zu einer hohen Frequenz vermindert, so daß für das Ohr kein unerwünschter Höreindruck entsteht.
Nachstehend wird nun ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den Fig. 16 und 17 beschrieben. Fig. 16 zeigt ein Wicklungsschema zur Veranschaulichung der Ständerwicklungen, und Fig. 17 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Veranschaulichung der Verbindungen der Ständerwicklungen.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein erster Satz von Dreiphasen-Ständerwicklungen (X, Y, Z) in Sternschaltung ausgeführt, und ein zweiter Satz von Dreiphasen-Ständerwicklungen (u, v, w) ist in Dreieckschaltung ausgeführt. Entsprechende Ausgangsanschlüsse beider Sätze von Ständerwicklungen sind miteinander verbunden und sind zusammen mit Eingangsanschlüssen eines Dreiphasen-Vollwellengleichrichters 50 verbunden.
Selbstverständlich ist das Verhältnis der Anzahl der Windungen des ersten Satzes von Dreiphasen- Ständerwicklungen (X, Y, Z) zu derjenigen des zweiten Satzes von Dreiphasen-Ständerwicklungen (u, v, w) entsprechend einem vorbestimmten Verhältnis gewählt.
Die Phasenwicklungen (X, Y, Z, u, v, w) sind in gleicher Weise wie beim zweiten Ausführungsbeispiel in der Reihenfolge X, -u, Z, -w, Y, -v, -X, u, -Z, w, -Y und v angeordnet.
Die Anfangsanschlußgruppen M und M' (X1, Y1, Z2, u2, v2, w1) und die Endanschlußgruppen N und N' (X2, Y2, Z1, u1, v1, w2) der beiden Sätze von Dreiphasen-Ständerwicklungen sind in der Weise angeordnet, daß der Endanschluß Z1 aus der Nut 13 verläuft, die am nächsten zu den Anschlüssen u2 und w1 liegt, mit denen der Endanschluß Z1 zum Zwecke einer vereinfachten Verbindungsschaltung verbunden wird.
Ein viertes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachstehend beschrieben.
Im allgemeinen umfassen Dreiphasen-Wechselstromgeneratoren Dreiphasen-Ständerwicklungen, die in Sternform oder Dreieckform geschaltet sind und die mit voller Teilung zusammengeführt auf den Ständerkern mit drei Nuten für eine Polteilung gewickelt sind. Bei einem derartigen Typ eines Dreiphasen-Wechselstromgenerators verändert sich die Verteilung der elektromotorischen Kraft im Luftspalt in erheblichem Maß entlang des Kreisumfangs des Rotors infolge des Einflusses eines Stroms mit der dritten Harmonischen, der im Ständerstrom enthalten ist, auch wenn ein durch jede Phasen-Ständerwicklung X, Y und Z fließender Phasenstrom sinusförmig ist. Somit wird die Verteilung der elektromagnetischen Kraft im Luftspalt sehr stark mit der Bewegung eines Rotors in dessen Drehrichtung verzerrt, wobei gleichzeitig die Verteilung der elektromotorischen Kraft im Luftspalt relativ zu den Magnetpolen des Rotors schwankt. Hierdurch ist das Problem entstanden, daß durch auftretende magnetische Reaktionskräfte zwischen der Luftspaltverteilung der elektromotorischen Kraft des Ständers und der Verteilung der elektromotorischen Erregerkraft des Rotors Geräusche erzeugt werden.
Die Gründe hierfür werden nachstehend analysiert.
Fig. 22(a) zeigt zeitliche Veränderungen der elektromotorischen Kräfte (EMK, magnetic motive forces MMF) jeweiliger Wicklungen AX, AY und AZ, die jeweils das Produkt der Phasenströme jeder der Ständerwicklungen X, Y, Z und der Anzahl der Windungen jeder Ständerwicklung X, Y, Z sind.
In Fig. 22(a) bezeichnen die Symbole t&sub2; und t&sub3; die Zeitpunkte, die über einen elektrischen Winkel von π/6 rad jeweils von den Zeitpunkten t&sub1; und t&sub2; abgelaufen sind.
Die Verteilungen der elektromotorischen Kraft im Luftspalt jeweiliger Wicklungen zu den Zeitpunkten t&sub1;, t&sub2; und t&sub3;, die unter Berücksichtigung der Anordnung der Ständerwicklungen X, Y und Z gemäß Fig. 22(b) erhalten werden, sind jeweils in den Fig. 22(c), 22(e) und 22(g) dargestellt.
Sodann sind die resultierenden Verteilungen der elektromotorischen Kraft zu den Zeitpunkten t&sub1;, t&sub2; und t&sub3;, die durch Synthese der Verteilungen der elektromotorischen Kraft im Luftspalt der jeweiligen Wicklungen erhalten werden, jeweils in den Fig. 22(d), 22(f) und 22(h) dargestellt.
Wie es aus den Fig. 22(d) und 22(h) erkennbar ist, ist die resultierende Verteilung der elektromotorischen Kraft zum Zeitpunkt t&sub1; identisch mit derjenigen zum Zeitpunkt t&sub3;, lediglich mit der Ausnahme, daß die identische resultierende elektromotorische Kraftverteilung in Drehrichtung des Rotors über eine Drehversetzung des Rotors (entsprechend dem elektrischen Winkel von π/3) versetzt ist. Die resultierende elektromotorische Kraftverteilung zum Zeitpunt t&sub2; ist jedoch erheblich unterschiedlich zu den Verteilungen bei den Zeitpunkten t&sub1; und t&sub3;.
Es wird daher angenommen, daß ein elektromagnetisches Geräusch in dem vorstehend angegebenen Dreiphasen- Wechselstromgenerator infolge der Tatsache gebildet wird, daß die durch die Luftspaltverteilung der elektromotorischen Kraft der Ständerwicklungen bewirkte interaktive Magnetkraft zur Einwirkung auf die Verteilung der elektromagnetischen Erregerkraft der Magnetpole des Rotors entlang dem Kreisumfang des Rotors mit der Bewegung des Rotors in seiner Drehrichtung veränderlich ist.
Zur Verminderung eines elektromagnetischen Geräuschs in einem bekannten Dreiphasen-Wechselstromgenerator werden die folgenden Lösungsversuche angenommen.
Eine Schallisolationswand ist an der Außenseite des Generators vorgesehen zur Erzielung einer vollständigen Geräuschisolation. Das Aussehen bzw. die Form der Magnetpole des Rotors wird geändert durch Ausbilden der Magnetpole des Rotors mit konvexen Bereichen, so daß der Luftspalt ungleichförmig wird. Die Ständerwicklungen des Ständers sind verteilt angeordnet und in vielen Nuten eingesetzt zur Erzielung einer sinusförmigen Luftspaltverteilung der elektromotorischen Kraft der Ständerwicklungen. Die Magnetpole werden abgeschrägt oder die Positionen der N- und S-Pole werden um eine halbe Wellenlänge versetzt, so daß die pulsierenden Kräfte der Magnetpole oder des Ständerkerns einander auslöschen.
Diese Lösungsansätze führen jedoch zu Problemen wie einer Verschlechterung der Ausgangsleistung infolge einer Vergrößerung des magnetischen Widerstands des Luftspalts, u. s. w., einem Anstieg der Kosten infolge eines erhöhten Montageaufwands, und einer Vergrößerung der Abmessungen des Produkts durch die Bereitstellung einer Schallisolationswand an der Außenseite eines Gehäuses eines Dreiphasen- Wechselstromgenerators
Zur Lösung dieser Probleme haben die Erfinder erkannt, daß ein elektromagnetisches Geräusch vermindert werden kann, falls die Schwankungen einer relativen elektromagnetischen Kraft, die mittels des Ständers auf den Rotor einwirkt, vermindert werden kann durch Verhindern, daß eine magnetische interaktive Kraft zwischen der elektromotorischen Erregerkraft und der Luftspaltverteilung der elektromotorischen Kraft mit der Bewegung des Rotors in dessen Drehrichtung veränderlich ist, und wobei sich die Erfinder gleichzeitig einen Aufbau eines Generators ausgedacht haben, der in der Lage ist, die Anzahl der zu verwendenden Gleichrichter zu vermindern.
Bei einem derartigen Aufbau eines Generators sind eine in Sternschaltung ausgeführte Dreiphasenschaltung mit drei ersten, in Sternschaltung geschalteten Wicklungen und eine in Dreieckschaltung ausgeführte und parallel zur sternförmig geschalteten Dreiphasenschaltung angeordnete Dreiphasenschaltung mit drei zweiten Wicklungen, bei welchen die Anzahl der Windungen von 1.5 bis 2.2 mal diejenigen der drei ersten Wicklungen sind, in einer Vielzahl von Nuten eingesetzt, wobei eine Phasenverschiebung entsprechend einem elektrischen Winkel von π/6 rad zwischen ihnen vorgesehen ist.
Der Grund, warum die Anzahl der Wicklungen der zweiten Wicklungen 1.5 bis 2.2 mal der Anzahl der ersten Wicklungen entspricht, ist derjenige, daß ein Problem auftritt infolge eines generierten umlaufenden Stroms durch eine unsymetrische elektromotorische Kraft, wobei ein erhöhter Leistungsverlust auftreten kann, falls eine unterschiedliche Anzahl von Windungen im Vergleich zu der vorstehend angegebenen Anzahl angenommen wird.
Im Ergebnis stimmen die dritten harmonischen Ströme, die jeweils in den ersten drei Wicklungen fließen, und die dritten harmonischen Ströme, die jeweils in den drei zweiten Wicklungen fließen, miteinander in der Phase überein, da die ersten und zweiten Wicklungen mit der Anzahl der Windungen der zweiten Wicklungen von 1.5 bis 2.2 mal derjenigen der ersten Wicklungen in einer Vielzahl von Nuten eingesetzt sind.
Da die ersten und zweiten Wicklungen in der Vielzahl von Nuten mit einer Phasenverschiebung entsprechend einem elektrischen Winkel von π/6 rad zwischen ihnen eingesetzt sind, weisen die durch die ersten und zweiten Wicklungen fließenden Ströme ebenfalls eine Phasendifferenz entsprechend einem elektrischen Winkel von π/6 rad dazwischen auf.
Somit zeigt ein Vergleich der resultierenden elektromotorischen Kraftverteilung zu einem vorgegebenen Zeitpunkt mit derjenigen zu einem anderen Zeitpunkt, der während einer entsprechenden Zeit von π/6 rad abgelaufen ist, daß sich die resultierende elektromotorische Kraftverteilung mit ein und derselben Form um einen elektrischen Winkel von π/6 rad in Drehrichtung des Rotors 10 bewegt hat.
Da somit die interaktive magnetische Kraft zwischen der Verteilung der elektromotorischen Erregerkraft und der Luftspaltverteilung der elektromotorischen Kraft unabhängig von der Stellung des Rotors in seiner Drehrichtung konstant ist, können keine großen pulsierenden Kräfte zwischen dem Rotor 10 und dem Ständer 20 erzeugt werden. Somit werden keine großen pulsierenden Vibrationskräfte zwischen dem Rotor 10 und dem Ständer 20 erzeugt.
Die Fig. 17 und 20 zeigen im einzelnen ein viertes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Fig. 17 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Veranschaulichung einer Ständerspule (Ständerwicklung), Fig. 18 zeigt eine Abwicklungsansicht der Ständerwicklungen jeder Phase, und Fig. 19 zeigt die magnetischen Pole des Rotors 10.
Die Dreiphasen-Sternschaltung 51 besteht aus drei ersten Ständerwicklungen X, Y und Z, die in Sternschaltung angeordnet sind, wodurch die elektromotorischen Kräfte der Wicklungen zueinander jeweils eine Phasendifferenz von 2π/3 aufweisen. Der Anfangsbereich der ersten Ständerwicklung X ist mit dem Anfangsbereich der ersten Ständerwicklungen Y und Z verbunden. Die ersten Ständerwicklungen X, Y und Z haben im wesentlichen die gleiche Anzahl von Windungen und sind mit voller Teilung in drei Phasen gewickelt und in die Nuten des Ständerkerns 20a eingesetzt.
Die in Dreieckschaltung ausgeführte Dreiphasenschaltung 52 ist parallel zur in Sternschaltung ausgeführten Dreiphasenschaltung 51 geschaltet und umfaßt drei zweite Ständerwicklungen u, v und w, so daß deren elektromotorische Kräfte jeweils zueinander eine Phasendifferenz von 2π/3 aufweisen. Die zweiten Ständerwicklungen u, v und w sind mit voller Teilung zusammen in drei Phasen gewickelt und sind in gleicher Weise wie die ersten Ständerwicklungen X, Y und Z in die Nuten des Ständerkerns 20a eingesetzt.
Die Endbereiche der ersten und zweiten Ständerwicklungen X und u und die Anfangsbereiche der zweiten Ständerwicklung v sind miteinander an einem Punkt verbunden zur Bildung eines ersten Anschlusses 53 für die beiden Sätze von Dreiphasenwicklungen. Die Endbereiche der ersten und zweiten Ständerwicklungen Y und v und der Anfangsbereich der zweiten Ständerwicklung w sind miteinander an einem Punkt verbunden zur Bildung eines zweiten Anschlusses 54 der beiden Sätze von Dreiphasenwicklungen. Die Endbereiche der ersten und zweiten Wicklungen Z und w und der Anfangsbereich der zweiten Ständerwicklung u sind miteinander an einem Punkt verbunden zur Bildung eines dritten Anschlusses 55 der zwei Sätze von Dreiphasenwicklungen.
Die zweiten Ständerwicklungen u, v und w weisen im wesentlichen dieselbe Anzahl von Windungen auf, wobei die Anzahl 3 mal derjenigen der ersten Ständerwicklungen X, Y und Z entspricht. Der Leitungsdurchmesser der zweiten Ständerwicklungen u, v und w ist im wesentlichen 1/ 3 mal so groß wie derjenige der ersten Ständerwicklungen X, Y und Z. Somit sind die gesamten Querschnittsflächen der in jeder Nut des Ständerkerns 20a eingesetzten Wicklungen im wesentlichen einander gleich.
Gemäß Fig. 18 umfaßt der Ständerkern 20a zwölf Nuten pro Polteilung an der inneren Oberfläche gegenüber dem Rotor 10. Dies bedeutet, daß der Ständerkern 20a des vorliegenden Ausführungsbeispiels doppelt so viele Nuten aufweist wie der Ständerkern eines bekannten Wechselstromgenerators mit konzentrierten Dreiphasenwicklungen mit voller Teilung. Die beiden Polteilungen bilden einen Quotienten der Division der inneren Oberfläche des Ständerkerns 20a durch die Anzahl der Magnetpole, wobei der Quotient einem elektrischen Winkel von 2π rad entspricht.
Wie vorstehend erwähnt, sind die ersten und zweiten Ständerwicklungen X, Y und Z sowie u, v und w in Nuten eingesetzt, so daß die zweiten Ständerwicklungen gegenüber den ersten Ständerwicklungen in Drehrichtung des Rotors um einen elektrischen Winkel von π/6 rad (= 30º) versetzt sind.
In Fig. 19 umfassen die Rotorkerne 12 und 13 im wesentlichen trapezoidförmige Klauenpole (Lundell Typ) und sind innerhalb des Ständerkerns 20a gegenüber der inneren Oberfläche des Ständerkerns 20a gelagert und sind entsprechend einem Luftspalt von beispielsweise 0.35 mm vom Ständerkern 20a getrennt. Wird die Feldwicklung 14 (Erregerwicklung) erregt, dann werden alle Klauenpole 12a zu N-Polen und alle Klauenpole 13a zu S-Polen. Da jeder der Klauenpole 12a zwischen den anderen beiden Klauenpolen 13a angeordnet ist, sind zwölf N- und S-Pole im Wechsel entlang dem Außenbereich der Rotorkerne 12 und 13 angeordnet.
In Fig. 17 besteht die Dreiphasen-Vollwellengleichrichterschaltung 40 aus sechs Dioden 41 bis 46 und ist mit dem ersten Anschluß 53, dem zweiten Anschluß 54 und dem dritten Anschluß 55 bei den Anschlußpunkten der beiden Sätze von Dreiphasenwicklungen zur Gleichrichtung der in der Dreiphasen-Sternschaltung 51 und der Dreiphasen- Dreieckschaltung 52 erzeugten Wechselströme verbunden. Das Ausgangssignal der Dreiphasen-Vollwellengleichrichterschaltung 40 wird elektrischen Geräten und einer Leistungsversorgungsbatterie über einen Ausgangsanschluß 50 zugeführt.
Die Wirkungsweise des Dreiphasen-Wechselstromgenerators gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird unter Bezugnahme auf Fig. 20 beschrieben. Fig. 20 ist eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung der Luftspaltverteilungen der jeweiligen elektromotorischen w Kraft der ersten und zweiten Ständerwicklungen X, Y, Z und
Fig. 20(a) zeigt die zeitliche Änderung der elektromotorischen Kräfte (EMK) AX, AY, AZ, Au, Av und Aw der jeweiligen Wicklungen, wobei jede ein Produkt des Phasenstroms jeder der Ständerwicklungen X, Y, Z, u, v, w und der Anzahl der Wicklungen in jeder Ständerwicklungen X, Y, Z, u, v, w ist.
Durch eine gemeinsame Betrachtung der elektromotorischen Luftspaltkräfte jeweiliger Wicklungen zu den Zeitpunkten t&sub1;, t&sub2; und t&sub3; gemäß Fig. 20(a) und der Anordnung der Ständerwicklungen X, Y, Z, u, v, w gemäß Fig. 20(b), werden die Luftspaltverteilungen der elektromotorischen Kraft der jeweiligen Sätze von Wicklungen zu den Zeitpunkten t&sub1;, t&sub2; und t&sub3; gemäß den Fig. 20(c), 20(e) und 20(g) erhalten. Die durch Synthese der Luftspaltverteilungen der elektromotorischen Kraft der jeweiligen Sätze von Wicklungen erhaltenen Verteilungen der resultierenden elektromotorischen Kraft weisen dieselbe Wellenform zu den Zeitpunkten t&sub1;, t&sub2; und t&sub3; gemäß den Fig. 20(d), 20(f) und 20(h) auf, so daß sie eine feststehende (stationäre) Wellenbeziehung bezüglich der Magnetpole 12a und 13a des Rotors 10 aufweisen.
Wird somit das Reaktionssystem der ersten und zweiten Ständerwicklungen X, Y, Z und u, v, w um einen elektrischen Winkel von π/6 rad versetzt und drehen sich die Magnetpole 12a und 13a des Rotors 10 in einer Drehrichtung mit demselben elektrischen Winkel, dann wird die resultierende Verteilung der elektromotorischen Kraft immer durch Synthese der in den Fig. 20(d) und 20(f) gezeigten Verteilungen erhalten. Auch wenn der Rotor 10 und die resultierende Verteilung der elektromotorischen Kraft in Drehrichtung bewegt werden und die Zeitpunkte t&sub1;, t&sub2; und t&sub3; durchlaufen, ändert sich die resultierende Verteilung der elektromotorischen Kraft auch dann nicht, nachdem die elektromotorische Luftspaltkraft des Ständers 20 einer Reaktion durch die elektromotorische Erregerkraft des Rotors 10 unterworfen wird, so daß die resultierende Verteilung der elektromotorischen Kraft lediglich mit der Bewegung des Rotors 10 in dessen Drehrichtung versetzt wird.
Da die interaktive elektromotorische Kraft, die zwischen der Verteilung der elektromotorischen Erregerkraft und der Luftspaltverteilung der elektromotorischen Kraft unabhängig von der Drehstellung der Magnetpole 12a und 13a des Rotors konstant bleibt, werden keine anderen erkennbaren pulsierenden Kräfte als die pulsierenden Magnetkräfte erzeugt, die als leichte Nutwelligkeit infolge der Nutöffnungen auftreten.
Da somit keine großen pulsierenden Kräfte zwischen dem Ständer 20 und dem Rotor 10 erzeugt werden, können elektromagnetische Geräusche ohne Erfordernis einer großen Schallisolationswand oder weiterer besonderer Gegenmaßnahmen und ohne Verschlechterung der Ausgangsleistung des Generators in Verbindung mit einer Erhöhung der Kosten und der Abmessungen des Produkts vermindert werden.
Da die Schwankungen des magnetischen Flusses an der Oberfläche der Magnetpole 12a und 13a des Rotors 10 vermindert werden können, kann die Leistungsfähigkeit des Wechselstromgenerators infolge einer erheblichen Verminderung des magnetischen Widerstands angehoben werden.
Ferner kann eine Verminderung der Wärmeerzeugung durch die magnetischen Pole 12a und 13a die Temperatur der Erregerwicklung vermindern, so daß die Leistungsfähigkeit des Wechselstromgenerators infolge der Tatsache weiter verbessert werden kann, daß eine größere Erregerkraft verwendet wird.
Werden ein erster Satz von Ständerwicklungen X, Y, Z und ein zweiter Satz von Ständerwicklungen u, v, w in die Nuten eingesetzt, so daß die Wicklungen zueinander um π/6 rad versetzt sind, dann unterscheiden sich die Ausgangsströme der jeweiligen Sätze von Ständerwicklungen in der Phase voneinander. Somit werden zwei Sätze von Dreiphasen- Vollwellengleichrichterschaltungen 4 für eine Ausgangsladeschaltung erforderlich. Zur Lösung dieses Problems wird vorgeschlagen, die Erzeugung unsymetrischer Umlaufströme zu verhindern, in dem das Verhältnis der Anzahlen der Windungen der jeweiligen Wicklungen zu 1 : 3 gewählt wird, in dem ein sternförmig geschalteter Wicklungssatz parallel zu einem im Dreieck geschalteten Wicklungssatz angeordnet wird, und in dem gleichzeitig die Spannung und die Phase jedes entsprechenden Ausgangsanschlusses zwischen den jeweiligen Wicklungssätzen mit den anderen identisch gemacht wird. Da hierbei eine Ausgangsleistung durch einen einzigen Satz einer Dreiphasen-Vollwellengleichrichterschaltung 40 erhalten werden kann, ist es möglich, einen preisgünstigen und kompakten Wechselstromgenerator bereitzustellen.
Da der Leitungsdurchmesser des ersten Satzes der Ständerwicklungen X, Y, Z und derjenige des zweiten Satzes von Ständerwicklungen u, v, w entsprechend einem Verhältnis von 1 : 1 3 ausgeführt ist, unterscheidet sich die Stromdichte nicht zwischen den beiden Wicklungssätzen, so daß die wirksame Verwendung der Leitungen nicht verschlechtert wird. Da die gesamte Leiterquerschnittsfläche der ersten und zweiten Ständerwicklungen X, Y, Z und u, v, w innerhalb einer Nut, die proportional zur Anzahl der Windungen multipliziert mit dem Quadrat des Leitungsdurchmessers ist, im wesentlichen dieselbe ist, wird die Raumausnutzung bei der einzelnen Nut nicht verschlechtert.
Fig. 21 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei welchem Dioden 47 und 48 mit einem Stempunkt 56 (neutraler Punkt) der Dreiphasen- Sternschaltung 51 verbunden sind. Ein Strom der dritten Harmonischen, der im Ausgangssignal der sternförmig geschalteten Dreiphasenschaltung 51 enthalten ist, wird über den Stempunkt 56 abgeleitet.
Obwohl eine Dreiphasen-Vollwellengleichrichterschaltung für eine Ausgangsladeschaltung verwendet wurde, kann ebenfalls eine Gleichrichterschaltung in Verbindung mit einer Transistorbrücke, Zenerdioden und dergleichen verwendet werden.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Verhältnis der Anzahlen der Windungen der ersten und zweiten Sätze von Ständerwicklungen zu 1 : 3 angenommen. Dieses Verhältnis kann sich jedoch innerhalb eines Bereichs von 1 : 1.5 - 2.2 bewegen.

Claims

1. Wechselstromgenerator, mit

einem im wesentlichen zylindrischen Ständerkern (20a) mit sich axial erstreckenden 3np-Nuten (1 bis 72), wobei n eine ganze Zahl größer als 1 ist,

einem Erregerrotor (10) mit einem Erregerkern einschließlich eines Paars gegenüber liegender Rotorpolkerne (12, 13), die drehbar innerhalb des Ständerkerns (20a) angeordnet sind, wobei jeder der Rotorpolkerne (12, 13) P/2 Klauenpole (12a, 13a), von denen jeder eine im wesentlichen trapezoidförmige äußere Form aufweist, und P eine gerade Zahl ist, und eine Erregerwicklung (14) aufweist, die um die Rotorpolkerne (12, 13) gewickelt ist,

n unabhängigen Sätzen von Dreiphasenwicklungen (31 bis 33; 34 bis 36; X, Y, Z und U, V, W) einschließlich zumindest einer Kombination von zwei sternförmig geschalteten Dreiphasen-Wicklungssätzen und einer Kombination eines sternförmig geschalteten Dreiphasen- Wicklungssatzes und eines im Dreieck geschalteten Dreiphasen-Wicklungssatzes, wobei die Kombination der sternförmig geschalteten Dreiphasen-Wicklungssätze keine Verbindung zwischen den Stempunkten der sternförmig geschalteten Dreiphasen-Wicklungssätze aufweist, und jeder Satz der n unabhängigen Sätze von Dreiphasenwicklungen (31 bis 33; 34 bis 36; X, Y, Z und U, V, W) auf den Ständerkern (20a) durch Einsetzen in die Nuten (1 bis 72) gewickelt ist, so daß die n unabhängigen Sätze von Dreiphasenwicklungen (31 bis 33; 34 bis 36; X, Y, Z und U, V, W) zueinander um einen elektrischen Winkel von π/(3n) rad versetzt sind, und

Dreiphasengleichrichtern (5, 6; 40), die mit den n unabhängigen Sätzen von Dreiphasenwicklungen (31 bis 33; 34 bis 36; X, Y, Z und U, V, W) zur Gleichrichtung der hierdurch erzeugten Ausgangsspannungen verbunden sind.

2. Wechselstromgeneratornach Anspruch 1, bei dem P = 12 und n = 2 erfüllt ist, so daß der Ständerkern (20a) zweiundsiebzig Nuten aufweist und die n unabhängigen Sätze von Dreiphasenwicklungen (31 bis 33; 34 bis 36; X, Y, Z und U, V, W) erste und zweite Dreiphasenwicklungen umfassen.

3. Wechselstromgenerator nach Anspruch 2, bei dem die Länge L der Grundseite der trapezoiden äußeren Form der Klauenpole (12a, 13a) kleiner als 7τ-A ist, wobei τ eine Nutteilung des Ständerkerns (20a) und A die äußere Länge des stumpfen Endes eines Zahnteus des Ständerkerns (29a) bezeichnet.

4. Wechselstromgenerator nach Anspruch 2, bei dem die ersten und zweiten Dreiphasenwicklungen (31 bis 33; 34 bis 36; X, Y, Z und U, V, W) im wesentlichen zueinander identisch sind im Durchmesser der Querschnittsfläche eines Wicklungsleiters, der Anzahl paralleler Wicklungsleiter und der Anzahl der Windungen der Wicklung.

5. Wechselstromgenerator nach Anspruch 2, bei dem die ersten und zweiten Dreiphasenwicklungen (31 bis 33; 34 bis 36; X, Y, Z und U, V, W) jeder Phase in Form von Wellenwicklungen ausgeführt sind mit einer Vielzahl von parallelen Wicklungsleitern.

6. Wechselstromgenerator nach Anspruch 1 oder 2, bei dem sämtliche der n unabhängigen Sätze von Dreiphasenwicklungen (31 bis 33; 34 bis 36; X, Y, Z und U, V, W) jeweils sternförmig geschaltet sind, und jeder Satz von Dreiphasenwicklungen einen damit verbundenen unabhängigen Dreiphasengleichrichter (5, 6; 40) aufweist, und wobei Gleichstromausgangsanschlüsse der jeweiligen Gleichrichter (5, 6; 40) parallel zueinander geschaltet sind.

7. Wechselstromgenerator nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die n unabhängigen Sätze von Dreiphasenwicklungen (31 bis 33; 34 bis 36; X, Y, Z und U, V, W) zwei Sätze von Dreiphasenwicklungen bilden mit einem sternförmig geschalteten Satz und einem weiteren in Dreieckschaltung geschalteten Satz (U, V, W), und wobei die beiden Sätze von Dreiphasenwicklungen (U, V, W und X, Y, Z) parallel zueinander geschaltet und sodann mit einem gemeinsamen Dreiphasengleichrichter (40) verbunden sind.

8. Wechselstromgenerator nach Anspruch 7, bei dem die Anzahl der Windungen der im Dreieck geschalteten Dreiphasenwicklungen (U, V, W) 1.5 bis 2.5 mal die Anzahl derjenigen der sternförmig geschalteten Dreiphasenwicklungen (X, Y, Z) beträgt.

9. Wechselstromgenerator nach Anspruch 2, bei dem die ersten und zweiten Dreiphasenwicklungen (31 bis 33; 34 bis 36; X, Y, Z und U, V, W) jeweils in ungeradzahligen und geradzahligen Nuten des Ständerkerns (20a) eingesetzt sind, und mittlere Bereiche der jeweiligen Spulenenden der Phase der ersten und zweiten Dreiphasenwicklungen (31 bis 33; 34 bis 36; X, Y, Z und U, V, W), die an beiden Seiten des Ständerkerns (20a) hervortreten, mit einem Teilungsmuster von 1, 2, 2, 3, 2, 2 mal der Länge einer Einheitsnutteilung in Außenrichtung des Ständerkerns (20a) angeordnet sind.

10. Wechselstromgenerator nach Anspruch 7, bei dem der gemeinsame Dreiphasengleichrichter (40) einen damit verbundenen getrennten Gleichrichterarm (47, 48) aufweist und der Sternpunkt (56) des sternförmig geschalteten Dreiphasenwicklungssatzes (X, Y, Z) mit dem getrennten Gleichrichterarm (47, 48) verbunden ist, so daß ein Strom einer dritten Harmonischen, der im Ausgangssignal des sternförmig geschalteten Dreiphasen-Wicklungssatzes (X, Y, Z) enthalten ist, mittels des Sternpunkts (56) abgeleitet und durch den getrennten Gleichrichterarm (47, 48) gleichgerichtet und zum gleichgerichteten Ausgangssignal des gemeinsamen Dreiphasengleichrichters (40) addiert wird.

11. Wechselstromgenerator nach Anspruch 6, bei dem jeder unabhängige Dreiphasengleichrichter (5, 6; 40) einen jeweils damit verbundenen separaten Gleichrichterarm (47, 48) aufweist, und der Sternpunkt (56) jedes Satzes der sternförmig geschalteten Dreiphasenwicklungen (31 bis 33; 34 bis 36; X, Y, Z und U, V, W) jeweils mit dem getrennten Gleichrichterarm (47, 48) verbunden ist, so daß ein Strom einer dritten Harmonischen, der im Ausgangssignal jedes Satzes von sternförmig geschalteten Dreiphasenwicklungen (31 bis 33; 34 bis 36; X, Y, Z und U, V, W) enthalten ist, über den Stempunkt (56) jedes Satzes von sternförmig geschalteten Dreiphasenwicklungen (31 bis 33; 34 bis 36; X, Y, Z und U, V, W) abgeleitet, durch jeden getrennten Gleichrichterarm (47, 48) gleichgerichtet und jeweils zu einem gleichgerichteten Ausgangssignal jedes unabhängigen Dreiphasengleichrichters (5, 6; 40) addiert wird.