WO2009068356A1

WO2009068356A1 - Elektrische maschine

Info

Publication number: WO2009068356A1
Application number: PCT/EP2008/063591
Authority: WO
Inventors: Gert Wolf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-11-30
Filing date: 2008-10-10
Publication date: 2009-06-04
Anticipated expiration: 2010-05-30
Also published as: DE102007058910A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere einen elektrisch erregten Klauenpolgenerator (10) für Kraftfahrzeuge, mit einer mehrphasigen Ständerwicklung (18), welche wenigstens Teilwicklungen aufweist, die zu einer fünfphasigen Reihen und/oder Sternschaltung verschaltet sind und vorzugsweise in gemischter Schaltung mit Teilwicklungen anderer Stränge teils in Reihen-, teils in Sternschaltung zusammengeschaltet sind. Hierdurch erreicht man, dass sich die Abgabeleistung eines Generators beihohen und niedrigen Drehzahlen in weitem Rahmen dem Bedarf anpassen lässt, wodurch man eine deutliche Flexibilität der Abgabeleistung der Maschine erreicht trotz identischer Anzahl von Leitern in jeder Nut (15) der Maschine.

Description

Beschreibung

Titel

Elektrische Maschine

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Maschine nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs, wie sie beispielsweise aus der EP 1 244 194 Bl 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. Offenbarung der Erfindung

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 .

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Anordnung möglich.

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.

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. Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung und der Darstellung der Ausführungsbeispiele. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert .

Es zeigen:

Figur 1 einen Längsschnitt durch einen

Wechselstromgenerator mit Klauenpolrotor für Kraftfahrzeuge,

Figur 2 ein Schaltbild eines fünfphasigen Stators mit einer Wicklungsanordnung der inneren Teilstränge als Drudenfuß mit sternförmigen äußeren Wicklungssträngen,

Figur 3 ein Schaltbild eines fünfphasigen Stators in einer Anordnung als fünfsträngiger innerer Ring mit sternförmigen äußeren Wicklungsteil strängen

Figur 4 einen Querschnitt durch zwei Ständernuten mit in den Nuten einliegenden geraden Abschnitten der Leitersegmente,

Figur 5 einen Ausschnitt eines Ständers einer elektrischen Maschine mit Leitersegmenten in einem als Abwicklung dargestellten ringförmigen Blechpaket, Figur 6 eine Darstellung der Abgabeleistung einer elektrischen Maschine mit unterschiedlichen Windungszahlen der als Drudenfuß, beziehungsweise als Stern verschalteten Teilstränge und

Figur 7 eine Darstellung der Abgabeleistung einer elektrischen Maschine mit unterschiedlichen Windungszahlen der im Fünfeck, beziehungsweise im Stern verschalteten Teilstränge.

Ausführungsformen der Erfindung

In Fig. 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-PoIe 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 .

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.

In Figur 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.

In Figur 2 ist ein fünfphasiger Klauenpolgenerator 10 anhand seines Schaltbildes dargestellt. Die Ständerwicklung 18 ist aus zehn Teilwicklungen aufgebaut, welche fünf innere Phasen bildende Teilstränge 7Oi bis 74i und fünf äußere Phasen bildende Teilstränge 70a bis 74a bilden. Die fünf inneren Teilstränge 7Oi 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 7Oi bis 74i. Im dargestellten Ausführungsbeispiel besitzen jeweils die Teilstränge mit der gleichen Bezugszahl die gleiche Phasenlage, also beispielsweise 70a wie 7Oi. 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.

Im Einzelnen sind die Teilstränge der Ständerwicklung 18 wie folgt verschaltet: Der innere Teilstrang 7Oi 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 7Oi verbunden. Die inneren Teilstränge 7Oi bis 74i bilden somit eine Reihenschaltung als Drudenfuß.

Die Verbindungspunkte 80 bis 84 der inneren Teilstränge 7Oi 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.

Figur 3 zeigt das Schaltbild eines fünfphasig ausgebildeten Klauenpolgenerator 10, dessen fünf innere phasenbildende Teilwicklungen, welche gleichzeitig die inneren fünf Teilstränge 7Oi' 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 7Oi' 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.

Im Einzelnen sind die Teilstränge der Ausführungsform in Figur 3 wie folgt verschaltet: Der innere Teilstrang 7Oi' 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 7Oi' verbunden.

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 Figur 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 .

In beiden Schaltungsvarianten entsprechend den Figuren 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.

Figur 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 Figur 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.

Figur 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 Figuren 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 .

In der Abbildung sind die in den Nuten 15 einliegenden Seitenabschnitte mit 60c und 60g bezeichnet. Diese sind entsprechend der Darstellung in Figur 4 in vier radialen Nutlagen axial angeordnet, so dass bei der in Figur 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 6Oi bezeichnet sind. Hierbei erstreckt sich ein kürzerer Verbindungsabschnitt 60a oder 6Oi 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 6Od und dieser wiederum in einen Biegeabschnitt 6Oe, welcher über einen weiteren geneigten Abschnitt 6Of und den axial ausgerichteten, in einer um fünf Nutteilungen beabstandeten Nut 15 einliegenden Abschnitt 60g sowie einen weiteren geneigten Abschnitt 60h zum Verbindungsabschnitt 6Oi führt, der wiederum hinter einem Verbindungsabschnitt 60a liegt. Grundsätzlich kann jedoch auch jedes Leitersegment 60 aus mehreren Windungen bestehen.

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 6Od in derselben radialen Schicht liegen. Die Abschnitte 6Of, 60g, 60h und 6Oi liegen in einer zweiten radialen Schicht, welche über den Biegeabschnitt 6Oe mit der ersten radialen Schicht verbunden ist. Bei der in den Figuren 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.

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 7Oi bis 74i und 70a bis 74a, beziehungsweise 7Oi' 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.

In Figur 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.

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.

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 6Oi lagenweise in Umfangsrichtung aufeinander zugebogen und dann durch Löten oder Schweißen elektrisch miteinander verbunden. Die Biegeabschnitte 6Oe sowie die Verbindungsabschnitte 60a und 6Oi werden durch ein geeignetes Werkzeug geformt.

Figur 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 7Oi 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.

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 1 800 U/min aufweist, so dass die darunter liegenden Generatordrehzahlen praktisch nicht von Bedeutung sind.

Figur 7 zeigt in analoger Weise zur Figur 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 Figur 6 sind auch in Figur 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 7Oi' 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' . 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 Figur 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.

Bei allen in den Figuren 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.

Claims

Ansprüche

1. Elektrische Maschine, insbesondere elektrisch erregter Klauenpolgenerator (10) für Kraftfahrzeuge, mit einer mehrphasigen, in Teilwicklungen unterteilten Ständerwicklung (18) , dadurch gekennzeichnet, dass die Ständerwicklung wenigstens zehn Teilwicklungen aufweist, welche zu einer fünfphasigen Reihen- und/oder Sternschaltung verschaltet sind.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Teilwicklungen der Ständerwicklung (18) für den Betrieb in gemischter Schaltung mit Teilwicklungen anderer Stränge (70-74) teils in Reihenschaltung und teils in Sternschaltung zusammengeschaltet sind.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ständerwicklung (18) mit fünf inneren (70i-74i) und fünf äußeren Teilsträngen (70a-74a) ausgebildet ist, wobei die fünf inneren Teilstränge in Reihe geschaltet sind und die fünf äußeren Teilstränge in

Sternschaltung an die Verbindungspunkte (80-84) der inneren Teilstränge angeschlossen sind.

4. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in

Reihenschaltung betriebenen inneren Teilstränge (70i-74i) nach Art eines Drudenfußes (Pentagramm) verschaltet sind. (Figur 2)

5. Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die in Reihenschaltung betriebenen inneren Teilstränge (70i-74i) in den Vebindungspunkten (80- 84) des Drudenfußes unter einem Winkel von jeweils etwa 36°el verschaltet sind.

6. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einen Stern bildenden äußeren Teilstränge (70a-74a) jeweils die gleiche Phasenlage aufweisen wie einer der beiden direkt mit ihnen verbundenen inneren Teilstränge (70i-74i) .

7. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils an einem Verbindungspunkt (80-84) verschalteten Leitersegmente (60) der inneren Teilstränge (70i-74i) am Statorumfang in benachbarten Nuten (15) angeordnet sind.

8. Elektrische Maschine, nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in Reihenschaltung betriebenen inneren Teilstränge (70i'-74i') als Fünfeck verschaltet sind. (Fig. 3)

9. Elektrische Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die in Reihenschaltung betriebenen inneren Teilstränge (70i'-74i') in den Verbindungspunkten (80' -84') des Fünfecks unter einem Winkel von jeweils etwa 108°el. verschaltet sind.

10. Elektrische Maschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils an einem Verbindungspunkt (80' -84') verschalteten Leitersegmente (60) der inneren Teilstränge (70i'-74i') am Ständerumfang um drei Nutteilungen versetzt angeordnet sind.

11. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die einen Stern bildenden äußeren Teilstränge (70a'-74a') jeweils die gleiche Phasenlage aufweisen wie einer der beiden mit einem benachbarten Verbindungspunkt (80' -84) verschalteten inneren Teilstränge (70i'-74i') .

12. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitersegmente (60) der inneren (70i-74i; 70i'-74i') und äußeren (70a-74a; 70a' -74a') Teilstränge mit der gleichen Phasenlage jeweils in der gleichen Nut (15) des Ständers (16) liegen.

13. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Nut (15) des Ständers (16) insgesamt vier Leitersegmente der inneren (70i-74i; 70i'-74i') und/oder äußeren Teilstränge (70a-74a; 70a'-74a') liegen.

14. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die freien Enden der äußeren Teilstränge (70a-74a; 70a' -74a') über eine fünfphasige Gleichrichter-Brückenschaltung (19) mit einem Gleichspannungsnetz (31,32) verbunden sind.

15. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die

Verbindungspunkte (80-84) der Teilstränge (70-74) im Bereich des elektronikseitigen Wickelkopfes (46) der Ständerwicklung (18) liegen.

16. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis X/Y der Windungszahlen (X, Y) der inneren Teilstränge (70i-74i; 70i'-74i') und der äußeren Teilstränge (70a-74a; 70a' -74a') zwischen 0,5 und 2, vorzugsweise bei 1 liegen.