WO2009068356A1 - Electric machine - Google Patents
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- H02P25/18—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the circuit arrangement or by the kind of wiring with arrangements for switching the windings, e.g. with mechanical switches or relays
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- H02P25/22—Multiple windings; Windings for more than three phases
Definitions
- the invention relates to an electric machine according to the preamble of the independent claim, as it has become known for example from EP 1 244 194 Bl.
- This document discloses a method of manufacturing an alternator for vehicles having a multipole rotor and a stator whose three-phase winding is divided into sub-windings, which can be selectively connected to a star-delta arrangement in order to achieve performance-related optimization of the machine depending on the application, in particular speed-dependent.
- Such a three-phase interconnection generates a considerable magnetic noise and the harmonic content in the air gap field causes increased eddy current losses, which lead to higher winding temperatures in the rotor winding and reduce the exciter current and thus the output power in an electrically excited machine.
- the ripple in the output voltage of a machine operating as a generator is increased. Disclosure of the invention
- the electrical machine according to the invention with the features of the independent claim has the advantage that with a variety of interconnection options in series, star or mixed circuit through the five-phase structure of the machine over a three-phase machine, the aforementioned disadvantages are largely avoided.
- Partial windings the advantage that a basic version of the stator winding is available, which always has the same number of conductors per groove, regardless of the size of the machine and, for example, the leakage flux compensation.
- the desired power characteristic is then adjusted via the ratio of the star-shaped coil components to the series-connected coil components.
- the magnetic noise of the machine can be further reduced by a higher number of partial windings with different phase position.
- Star circuit can be operated with partial windings of other strands, because this with the same basic circuit many variations in terms of optimizing the power output at different sizes and result in different operating conditions.
- the number of partial windings is limited to the number of partial strands.
- five inner and five outer sub-strands are formed, wherein the five inner sub-strands are connected in series and the five outer sub-strands are connected in star connection to the connection points of the inner sub-strands.
- Such a symmetrical structure causes less harmonics and thus reduces the magnetic noise of the machine.
- Dividing into five inner and five outer sub-strands leaves enough design options in terms of power adaptation of the machine to the particular application by the number of turns, or the number of conductor segments per groove, the inner and outer sub-strands are more varied in the direction of series connection or star connection.
- Drudenfußes (pentagram) proven, because in this case in the range of higher speeds, the increase in performance is clearly pronounced and at the same time by the operated in star connection outer sub-strands, even at low speeds sufficient power is available.
- the ratio of the number of turns of the inner partial strands and the outer partial strands in both circuit variants is preferably in the range between 0.5 and 2, in particular at 1. Further details and advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims and from the description and illustration of the embodiments. Brief description of the drawings
- FIG. 2 shows a circuit diagram of a five-phase stator with a winding arrangement of the inner sub-strands as a Drudenfuß with star-shaped outer winding strands
- FIG. 3 shows a circuit diagram of a five-phase stator in an arrangement as a five-stranded inner ring with a star-shaped outer winding part
- FIG. 4 shows a cross section through two stator slots with straight sections of the conductor segments in the slots
- FIG. 5 shows a detail of a stator of an electrical machine with conductor segments in an annular laminated core shown as a development
- Figure 6 is a representation of the power output of an electric machine with different numbers of turns of Drudenfuß, or as star connected sub-strands and
- Figure 7 is a representation of the output of an electric machine with different numbers of turns in the pentagon, or in the star connected sub-strands.
- Fig. 1 is a section through an alternator 10 for motor vehicles is shown.
- This has inter alia a two-part housing 13, which consists of a first bearing plate 13.1 and a second bearing plate 13.2.
- the bearing plate 13.1 and the bearing plate 13.2 take in a stand 16, with an annular laminated core 17, in the inwardly open and axially extending grooves 15, a stator winding 18 is inserted.
- the annular stator 16 surrounds with its radially inwardly directed surface an electromagnetically excited rotor 20, which is designed as a claw-pole rotor.
- the rotor 20 consists, inter alia, of two claw-pole plates 22 and 23, on the outer circumference of which claw-pole fingers 24 and 25 extending in each case in the axial direction are arranged.
- Both claw pole boards 22 and 23 are arranged in the rotor 20 such that their axially extending claw pole fingers 24, 25 alternate at the periphery of the rotor 20 as N and S poles. This results in magnetically required claw pole spaces between the oppositely magnetized claw pole fingers 24 and 25, which are slightly oblique to the machine axis because of the tapering to their free ends Klauenpolfinger 24 and 25.
- the rotor 20 is rotatably supported in the respective end shields 13.1 and 13.2, respectively, by means of a shaft 27 and one respective rolling bearing 28 located on each side. It has two axial end faces, on each of which a fan 30 is attached. These fans 30 essentially consist of a plate-shaped or disk-shaped section, starting from the fan blades in a known manner. These fans 30 serve to allow an air exchange between the outside and the interior of the electric machine via openings 40 in the end shields 13.1 and 13.2. These are the
- Openings 40 are provided at the axial ends of the end shields 13.1 and 13.2, via which 30 cooling air is sucked into the interior of the electric machine by means of the fan. This cooling air is accelerated radially outwards by the rotation of the fans 30, so that they can also pass through the cooling-air-permeable winding heads 45 on the drive side and 46 on the electronics side. This effect cools the windings.
- the cooling air takes after passing through the winding heads, or after the flow around this winding heads a path radially outward through openings not shown.
- FIG. 1 on the right side there is a protective cap 47, which protects various components against environmental influences.
- this protective cap 47 covers, for example, a slip ring assembly 49, which supplies a field winding 51 with exciting current.
- a heat sink 53 Around this slip ring assembly 49 around a heat sink 53 is arranged, which acts as a positive heat sink here.
- a connection plate 56 is arranged, which in the bearing plate 13.2 attached minus diodes 58 and not shown in this illustration plus diodes of a rectifier 19 in the heat sink 53 in the form of a bridge circuit interconnects.
- FIG. 2 shows a five-phase claw-pole generator 10 on the basis of its circuit diagram.
- the stator winding 18 is composed of ten partial windings, which form five inner phases forming partial strands 7Oi to 74i and five outer phase forming partial strands 70a to 74a.
- the five inner sub-strands 7Oi to 74i are connected to a basic circuit as a five-pronged Drudenfuß (pentagram), wherein each interconnected in the connection points 80 to 84 inner sub-strands enclose an angle ⁇ of approximately 36 ° and have a number of conductors X per groove.
- each outer phase-forming sub-string 70a to 74a connects in a star shape
- each of the outer sub-string 70a to 74a has the same phase position as one of him directly connected to a connection point 80 to 84 inner sub-strands 7Oi to 74i.
- the sub-strands having the same reference number each have the same phase position, that is to say, for example, 70a and 7Oi.
- These partial strands with the same electrical phase angle are each in the same grooves 15 of the stator 16.
- the total number Z of conductors in a groove results from the number of conductors X of the inner sub-string and the number of conductors Y of the in-phase outer sub-string.
- the ratio of the number of conductors X / Y should be in the range between 0.5 and 2, wherein preferably the conductor numbers of the inner sub-string and the in-phase outer sub-string are the same and this also have the same number of conductors as each of the remaining sub-strands.
- the sub-strands of the stator winding 18 are connected as follows:
- the inner sub-string 7Oi is on
- Connection point 80 is connected to the outer sub-string 70a and the inner sub-string 71i.
- the inner sub-strand 71i is connected at its opposite end at the connection point 81 with the outer sub-strand 71a and the inner sub-strand 72i.
- the inner sub-branch 72i is connected at its opposite end at the connection point 82 with the outer sub-strand 72a and the inner sub-strand 73i.
- the inner sub-branch 73i is connected at its opposite end at the connection point 83 with the outer sub-line 73a and inner sub-line 74i.
- the inner sub-line 74i is connected at its opposite end at the connection point 84 with the outer sub-line 74a and the inner sub-line 7Oi.
- the inner sub-strands 7Oi to 74i thus form a series circuit as a Drudenfuß.
- connection points 80 to 84 of the inner partial strands 7Oi to 74i are preferably axially on or adjacent to the electronics-side winding 46 of the stator 26 in order to realize the shortest possible Verschaltungswege.
- the connection wires of the inner sub-strands of a connection point to be interconnected emerge in the circumferential direction of directly adjacent grooves 15.
- the outer winding ends of the outer sub-branches 70a to 74a are connected to a B10 bridge rectifier 19, which is composed of five minus diodes 58 and five plus diodes 59.
- the bridge rectifier 19 is connected in parallel with a voltage regulator 26 which, by influencing the current through the exciter winding 51 Voltage of the claw pole generator 10 regulates.
- the electrical system of the machine is shown schematically by a battery 31 and a consumer 32.
- FIG. 3 shows the circuit diagram of a five-phase claw-pole generator 10 whose five inner phase-forming partial windings, which at the same time form the inner five partial lines 7Oi 'to 74i', are connected to a basic circuit as a five-phase ring or a pentagon.
- the partial windings meeting in the connection points 80 'to 84' form an angle ⁇ of approximately 108 ° el and are connected there to five outer star-shaped partial strands 70a 'to 74a'.
- the entirety of the inner and outer sub-strands forms the stator winding 18, wherein the outer sub-strands do not have the same phase position as the interconnected with them in the connection points 80 'to 84' inner sub-strands.
- the designations of the individual partial strands are chosen such that even with this interconnection inner and outer partial strands with the same number are in phase and lie in the same groove, for example the inner partial strand 7Oi 'and the outer partial strand 70a'.
- the inner sub-strands in turn have a number of conductors X
- the outer sub-strands a number of conductors Y
- the total number Z of a phase in a groove in turn corresponds to the sum of the conductor numbers X and Y of the in-phase sub-strands, wherein the ratio of the number of conductors X / Y again between 0.5 and 2, preferably 1.
- the sub-strands of the embodiment in FIG. 3 are interconnected as follows: The inner sub-strand 7Oi 'is connected at the connection point 82' to the outer sub-strand 72a 'and the inner sub-strand 73i'. The inner one Sub-strand 73i 'is connected at its opposite end at connection point 80' to outer sub-strand 70a 'and inner sub-strand 71i'. The inner sub-string 71i 'is connected at its opposite end at the Verschaltungstician 83' with the outer sub-string 73a 'and the inner sub-string 74i'. The inner sub-string 74i 'is connected at its opposite end at the connection point 81' with the outer sub-string 71a 'and the inner sub-string 72i'. The inner sub-string 72i 'is at its opposite end on
- connection points 80 'to 84' are in turn axially on or next to the electronics side winding head 46 for the realization of short Verschaltungswege.
- the respective conductors of the inner sub-strands of a connection point to be interconnected emerge from grooves spaced apart in the circumferential direction by three slot pitches.
- the outer winding ends of the outer sub-strands 70a 'to 74a' are connected to the bridge rectifier 19, which in turn is composed of five minus diodes 58 and five plus diodes 59.
- the bridge rectifier is in turn connected in parallel with a voltage regulator 26 for regulating the current through the field winding 51 of the generator 10 and the vehicle electrical system connected to the generator is represented by a vehicle battery 31 and a consumer 32.
- Circuits around the annular laminated core 17 of the stator 16 include, but for example, the inner winding sub-strands two and a half times and the outer winding sub-strands circulate one and a half times.
- Winding sub-strands which are associated with an electrical phase, is in this case also 4. This allows a much finer resolution in the adaptation of the stator connection to the desired output power curve.
- Figure 4 shows a partial section through the laminated core 17 of the stator of a Klauenpolgenerators in the region of two grooves 15.
- the illustrated stator winding has 4 conductors 60 in each groove 15, wherein the groove layers are designated from radially outside to radially inside with 1 to 4.
- the narrow sides of the conductors 60c and 60g, the interconnection of which is explained in more detail with reference to FIG 5, are arranged with their narrow sides opposite each other and with their broader sides in each case opposite the walls of the groove 15.
- the grooves are lined with an insulation 29, which usually consists of a rectangular, usually multi-layer insulation material.
- the greatest possible adhesion to the annular laminated core 17 and the lowest possible adhesion to the adjacent conductor segments 60 can be achieved, so that they can be more easily introduced into the groove.
- the ends of the insulation 29 are slightly spaced in the region of the slot opening, but in other embodiments these ends may also overlap one another.
- FIG. 5 shows a detail of the stator 16 with the laminated core 17 and the stator winding 18 constructed of conductor segments 60.
- Conductor segments each form two full segments one turn of the stator winding 18, so that there are just total numbers of conductors Z per groove, so for example 2, 4, 6, etc.
- each four conductor segments are in a groove 15.
- Partial windings or the partial strands forming conductor segments has already been discussed with reference to Figures 2 and 3, wherein the total number of partial windings and the total number of partial strands is 10 each.
- the number of partial windings can also be selected to be larger, in which case several partial windings are interconnected in each case according to the desired turns ratio between the inner and outer partial strands to form a partial strand.
- each conductor segment 60 consists of several sections, which are designated 60a to 60i. In this case, a shorter connecting portion 60a or 6Oi extends radially outwards and serves for contacting radially adjacent sections of successive conductor segments.
- the first connection section 60a merges into a first inclined section 60b, which connects the connection section 60a to a first axially aligned section 60c of the conductor segment 60 that is inserted in a groove 15.
- the section 60c then merges into a second inclined section 6Od and this in turn into a bending section 6Oe, which leads over a further inclined portion 6Of and the axially aligned, in a spaced by five groove pitch groove 15 portion 60g and another inclined portion 60h to the connecting portion 6Oi, which in turn is behind a connecting portion 60a.
- each conductor segment 60 consist of several turns.
- Each conductor segment 60 is divided into two radial layers, wherein the first connection section 60a, the first inclined section 60b, the first straight section 60c inserted in the groove 15, and the second inclined section 6d are in the same radial layer.
- the sections 6Of, 60g, 60h and 6Oi lie in a second radial layer, which is connected to the first radial layer via the bending section 6Oe.
- the conductor segments are in the groove layers 1 and 2, and 3 and 4.
- the distance of five slot pitches between the conductors 60c and 60g corresponds to the selected five-phase design.
- each an outer conductor segment encloses an inner conductor segment.
- the outer conductor segment 60 lies in the groove layers 1 and 4.
- all grooves 15 of the stator 16 are each with winding sections 60 electrically in phase sub-strands 7Oi to 74i and 70a to 74a, or 7Oi 'to 74i' and 70a 'to 74a 'equipped.
- the partial strands are obtained by splitting a conductor segment 60 or by special conductor segments with only one axially aligned portion 60c and 60g in the groove 15, which then realize 45 connections of the partial strands on the bending side of the winding head.
- the position of the terminals of the electrically in-phase windings automatically results in the number of conductors of the inner sub-string and the outer sub-string and the sequence of conductor segments 60, a wave-shaped stator winding 18 is formed.
- stator winding 18 may be formed as a loop winding, for example in the form that conductor segments 60, the groove layers 1 and 4, and 2 and 3 occupy.
- conductor segments 60, the groove layers 1 and 4, and 2 and 3 occupy.
- Loop winding connect the groove layers 1 and 3, and 2 and 4 respectively.
- the invention is not limited to this embodiment.
- the stator 16 could, for example, also be designed with 60 slots and 10 phase-forming sub-strings for an electrically excited rotor 12 with 12 poles.
- the conductor segments 60 For the preparation of the conductor segments 60 is based on a round wire or a profile wire, which is first brought into a U- or V-shaped configuration. In this preform, the radial distances of the two later in the grooves 15 inlets 60c and 60g of the conductor segments 60 are already given, however, these sections have no distance in the circumferential direction. This one will by nut Stammweiser twisting the sections 60c and 60g in the circumferential direction. The resulting second precursor in the production of the conductor segments 60 is inserted into an annular laminated core 17 axially in the grooves 15. In order to complete the sub-strands, the connecting portions 60a and 60i are bent toward each other in layers in the circumferential direction and then electrically connected together by soldering or welding. The bending portions 6Oe and the connecting portions 60a and 60i are formed by a suitable tool.
- Figure 6 shows a diagram of the output power of the claw pole of a motor vehicle, in this case at a rated voltage of 12 volts the output current I in amperes depending on the generator speed n in revolutions per minute, the five-phase stator winding in the curve A with all partial windings as Drudenfuß is connected, in the curve E with all partial windings as a star and in the intermediate curves B, C and D in a mixed circuit.
- the circuit B three of four conductor segments 60 of each groove 15 of the Drudenfußscrien the inner partial strands 7Oi assigned to 74i, in the curve C, the conductor segments are evenly distributed with two segments and in the curve D is only one conductor segment in the inner
- Drudenfußscnies brings significant performance advantages at high speeds, while at low speeds, the star connection already at much lower speeds than the Drudenfußscnies a performance decrease allows.
- the distribution of the total number Z of conductor segments per groove 15 can thus be varied according to the application to achieve an optimal power output by the conductor numbers of the inner sub-strands and the outer sub-strands are each varied between 0 and 4.
- the illustration applies to a claw pole generator 10 of a motor vehicle, which has a generator speed of approximately 1 800 rpm when the internal combustion engine is idling, so that the underlying generator speeds are practically of no importance.
- FIG. 7 shows, in a manner analogous to FIG. 6, the power output as output current I in amperes in turn dependent on the generator speed n in rpm for one
- the power curves show that the output power between the rated speed of the generator of 6000 rpm and the idling of the internal combustion engine with a generator speed of about 1800 rpm is widely adapted to the use of the generator and therefore also in this case Circuit variant allows a flexibility of the output characteristics despite identical total conductor number Z of four conductors per groove can be produced. Even with this circuit variant, the characteristic curve does not play any role in the speed range below 1800 rpm. Compared to the curve in Figure 6, however, a significantly flatter course of all curves in the upper speed range can be seen, which means that the output power over a large speed range is very uniform and idle the engine at about 1800 U / min of the generator almost no difference between the Circuit variants exists.
- the pure star connection has power disadvantages compared to the series connections. Besides, it has noise disadvantages.
- Their advantage lies in the lower number of conductors required per slot in order to realize a specific performance characteristic. By choosing the circuit variant, the respective desired operating mode can be realized.
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Abstract
Description
Beschreibung description
Titeltitle
Elektrische MaschineElectric machine
Stand der TechnikState of the art
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 ErfindungThe invention relates to an electric machine according to the preamble of the independent claim, as it has become known for example from EP 1 244 194 Bl. This document discloses a method of manufacturing an alternator for vehicles having a multipole rotor and a stator whose three-phase winding is divided into sub-windings, which can be selectively connected to a star-delta arrangement in order to achieve performance-related optimization of the machine depending on the application, in particular speed-dependent. Such a three-phase interconnection generates a considerable magnetic noise and the harmonic content in the air gap field causes increased eddy current losses, which lead to higher winding temperatures in the rotor winding and reduce the exciter current and thus the output power in an electrically excited machine. In addition, the ripple in the output voltage of a machine operating as a generator is increased. Disclosure of the invention
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 zehnThe electrical machine according to the invention with the features of the independent claim has the advantage that with a variety of interconnection options in series, star or mixed circuit through the five-phase structure of the machine over a three-phase machine, the aforementioned disadvantages are largely avoided. In addition, the distribution of the winding strands of the stator in at least ten
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 .Partial windings the advantage that a basic version of the stator winding is available, which always has the same number of conductors per groove, regardless of the size of the machine and, for example, the leakage flux compensation. The desired power characteristic is then adjusted via the ratio of the star-shaped coil components to the series-connected coil components. The magnetic noise of the machine can be further reduced by a higher number of partial windings with different phase position.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Anordnung möglich.The measures listed in the dependent claims advantageous refinements and improvements of the independent claim arrangement are possible.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine möglichst große Zahl von Teilwicklungen der Ständerwicklung in gemischter Schaltung teils in Reihenschaltung und teils inIt is particularly advantageous if the largest possible number of partial windings of the stator winding in a mixed circuit partly connected in series and partly 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. DieStar circuit can be operated with partial windings of other strands, because this with the same basic circuit many variations in terms of optimizing the power output at different sizes and result in different operating conditions. With regard to the manufacturing effort, however, it is expedient if the number of partial windings is limited to the number of partial strands. In this case, preferably five inner and five outer sub-strands are formed, wherein the five inner sub-strands are connected in series and the five outer sub-strands are connected in star connection to the connection points of the inner sub-strands. Such a symmetrical structure causes less harmonics and thus reduces the magnetic noise of the machine. The
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.Dividing into five inner and five outer sub-strands leaves enough design options in terms of power adaptation of the machine to the particular application by the number of turns, or the number of conductor segments per groove, the inner and outer sub-strands are more varied in the direction of series connection or star connection.
Als besonders vorteilhafte Verschaltungsart für die inneren Teilstränge hat sich eine Verschaltung nach Art einesAs a particularly advantageous Verschaltungsart for the inner sub-strands, a circuit in the manner of a
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.Drudenfußes (pentagram) proven, because in this case in the range of higher speeds, the increase in performance is clearly pronounced and at the same time by the operated in star connection outer sub-strands, even at low speeds sufficient power is available.
Andererseits bietet die Verschaltung der inneren Teilstränge als Fünfeck den Vorteil einer höherenOn the other hand, the interconnection of the inner partial strands as a pentagon offers the advantage of a higher one
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 ZeichnungenProvision of power in the range of low speeds with simultaneously satisfactory power output at high speeds. The ratio of the number of turns of the inner partial strands and the outer partial strands in both circuit variants is preferably in the range between 0.5 and 2, in particular at 1. Further details and advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims and from the description and illustration of the embodiments. Brief description of the drawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert .Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description.
Es zeigen:Show it:
Figur 1 einen Längsschnitt durch einen1 shows a longitudinal section through a
Wechselstromgenerator mit Klauenpolrotor für Kraftfahrzeuge,Alternator with claw pole rotor for motor vehicles,
Figur 2 ein Schaltbild eines fünfphasigen Stators mit einer Wicklungsanordnung der inneren Teilstränge als Drudenfuß mit sternförmigen äußeren Wicklungssträngen,2 shows a circuit diagram of a five-phase stator with a winding arrangement of the inner sub-strands as a Drudenfuß with star-shaped outer winding strands,
Figur 3 ein Schaltbild eines fünfphasigen Stators in einer Anordnung als fünfsträngiger innerer Ring mit sternförmigen äußeren Wicklungsteil strängenFIG. 3 shows a circuit diagram of a five-phase stator in an arrangement as a five-stranded inner ring with a star-shaped outer winding part
Figur 4 einen Querschnitt durch zwei Ständernuten mit in den Nuten einliegenden geraden Abschnitten der Leitersegmente,FIG. 4 shows a cross section through two stator slots with straight sections of the conductor segments in the slots;
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 undFIG. 5 shows a detail of a stator of an electrical machine with conductor segments in an annular laminated core shown as a development, Figure 6 is a representation of the power output of an electric machine with different numbers of turns of Drudenfuß, or as star connected sub-strands and
Figur 7 eine Darstellung der Abgabeleistung einer elektrischen Maschine mit unterschiedlichen Windungszahlen der im Fünfeck, beziehungsweise im Stern verschalteten Teilstränge.Figure 7 is a representation of the output of an electric machine with different numbers of turns in the pentagon, or in the star connected sub-strands.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
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 .In Fig. 1 is a section through an alternator 10 for motor vehicles is shown. This has inter alia a two-part housing 13, which consists of a first bearing plate 13.1 and a second bearing plate 13.2. The bearing plate 13.1 and the bearing plate 13.2 take in a stand 16, with an annular laminated core 17, in the inwardly open and axially extending grooves 15, a stator winding 18 is inserted. The annular stator 16 surrounds with its radially inwardly directed surface an electromagnetically excited rotor 20, which is designed as a claw-pole rotor. The rotor 20 consists, inter alia, of two claw-pole plates 22 and 23, on the outer circumference of which claw-pole fingers 24 and 25 extending in each case in the axial direction are arranged. Both claw pole boards 22 and 23 are arranged in the rotor 20 such that their axially extending claw pole fingers 24, 25 alternate at the periphery of the rotor 20 as N and S poles. This results in magnetically required claw pole spaces between the oppositely magnetized claw pole fingers 24 and 25, which are slightly oblique to the machine axis because of the tapering to their free ends Klauenpolfinger 24 and 25.
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 dieThe rotor 20 is rotatably supported in the respective end shields 13.1 and 13.2, respectively, by means of a shaft 27 and one respective rolling bearing 28 located on each side. It has two axial end faces, on each of which a fan 30 is attached. These fans 30 essentially consist of a plate-shaped or disk-shaped section, starting from the fan blades in a known manner. These fans 30 serve to allow an air exchange between the outside and the interior of the electric machine via openings 40 in the end shields 13.1 and 13.2. These are the
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.Openings 40 are provided at the axial ends of the end shields 13.1 and 13.2, via which 30 cooling air is sucked into the interior of the electric machine by means of the fan. This cooling air is accelerated radially outwards by the rotation of the fans 30, so that they can also pass through the cooling-air-permeable winding heads 45 on the drive side and 46 on the electronics side. This effect cools the windings. The cooling air takes after passing through the winding heads, or after the flow around this winding heads a path radially outward through openings not shown.
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 Figure 1 on the right side there is a protective cap 47, which protects various components against environmental influences. Thus, this protective cap 47 covers, for example, a slip ring assembly 49, which supplies a field winding 51 with exciting current. Around this slip ring assembly 49 around a heat sink 53 is arranged, which acts as a positive heat sink here. When so-called negative heat sink acts the bearing plate 13.2. Between the end plate 13.2 and the heat sink 53, a connection plate 56 is arranged, which in the bearing plate 13.2 attached minus diodes 58 and not shown in this illustration plus diodes of a rectifier 19 in the heat sink 53 in the form of a bridge circuit interconnects.
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.FIG. 2 shows a five-phase claw-pole generator 10 on the basis of its circuit diagram. The stator winding 18 is composed of ten partial windings, which form five inner phases forming partial strands 7Oi to 74i and five outer phase forming partial strands 70a to 74a. The five inner sub-strands 7Oi to 74i are connected to a basic circuit as a five-pronged Drudenfuß (pentagram), wherein each interconnected in the connection points 80 to 84 inner sub-strands enclose an angle α of approximately 36 ° and have a number of conductors X per groove. At the connection points 80 to 84 of the Drudenfußes each outer phase-forming sub-string 70a to 74a connects in a star shape, each of the outer sub-string 70a to 74a has the same phase position as one of him directly connected to a connection point 80 to 84 inner sub-strands 7Oi to 74i. In the illustrated embodiment, the sub-strands having the same reference number each have the same phase position, that is to say, for example, 70a and 7Oi. These partial strands with the same electrical phase angle are each in the same grooves 15 of the stator 16. The total number Z of conductors in a groove results from the number of conductors X of the inner sub-string and the number of conductors Y of the in-phase outer sub-string. The ratio of the number of conductors X / Y should be in the range between 0.5 and 2, wherein preferably the conductor numbers of the inner sub-string and the in-phase outer sub-string are the same and this also have the same number of conductors as each of the remaining sub-strands.
Im Einzelnen sind die Teilstränge der Ständerwicklung 18 wie folgt verschaltet: Der innere Teilstrang 7Oi ist amIn detail, the sub-strands of the stator winding 18 are connected as follows: The inner sub-string 7Oi is on
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.Connection point 80 is connected to the outer sub-string 70a and the inner sub-string 71i. The inner sub-strand 71i is connected at its opposite end at the connection point 81 with the outer sub-strand 71a and the inner sub-strand 72i. The inner sub-branch 72i is connected at its opposite end at the connection point 82 with the outer sub-strand 72a and the inner sub-strand 73i. The inner sub-branch 73i is connected at its opposite end at the connection point 83 with the outer sub-line 73a and inner sub-line 74i. The inner sub-line 74i is connected at its opposite end at the connection point 84 with the outer sub-line 74a and the inner sub-line 7Oi. The inner sub-strands 7Oi to 74i thus form a series circuit as a 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.The connection points 80 to 84 of the inner partial strands 7Oi to 74i are preferably axially on or adjacent to the electronics-side winding 46 of the stator 26 in order to realize the shortest possible Verschaltungswege. For this purpose, the connection wires of the inner sub-strands of a connection point to be interconnected emerge in the circumferential direction of directly adjacent grooves 15. The outer winding ends of the outer sub-branches 70a to 74a are connected to a B10 bridge rectifier 19, which is composed of five minus diodes 58 and five plus diodes 59. On the DC voltage side, the bridge rectifier 19 is connected in parallel with a voltage regulator 26 which, by influencing the current through the exciter winding 51 Voltage of the claw pole generator 10 regulates. The electrical system of the machine is shown schematically by a battery 31 and a consumer 32.
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.FIG. 3 shows the circuit diagram of a five-phase claw-pole generator 10 whose five inner phase-forming partial windings, which at the same time form the inner five partial lines 7Oi 'to 74i', are connected to a basic circuit as a five-phase ring or a pentagon. The partial windings meeting in the connection points 80 'to 84' form an angle α of approximately 108 ° el and are connected there to five outer star-shaped partial strands 70a 'to 74a'. The entirety of the inner and outer sub-strands forms the stator winding 18, wherein the outer sub-strands do not have the same phase position as the interconnected with them in the connection points 80 'to 84' inner sub-strands. However, the designations of the individual partial strands are chosen such that even with this interconnection inner and outer partial strands with the same number are in phase and lie in the same groove, for example the inner partial strand 7Oi 'and the outer partial strand 70a'. The inner sub-strands in turn have a number of conductors X, the outer sub-strands a number of conductors Y and the total number Z of a phase in a groove in turn corresponds to the sum of the conductor numbers X and Y of the in-phase sub-strands, wherein the ratio of the number of conductors X / Y again between 0.5 and 2, preferably 1.
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 amIn detail, the sub-strands of the embodiment in FIG. 3 are interconnected as follows: The inner sub-strand 7Oi 'is connected at the connection point 82' to the outer sub-strand 72a 'and the inner sub-strand 73i'. The inner one Sub-strand 73i 'is connected at its opposite end at connection point 80' to outer sub-strand 70a 'and inner sub-strand 71i'. The inner sub-string 71i 'is connected at its opposite end at the Verschaltungspunkt 83' with the outer sub-string 73a 'and the inner sub-string 74i'. The inner sub-string 74i 'is connected at its opposite end at the connection point 81' with the outer sub-string 71a 'and the inner sub-string 72i'. The inner sub-string 72i 'is at its opposite end on
Verschaltungspunkt 84' mit dem äußeren Teilstrang 74a' und dem inneren Teilstrang 7Oi' verbunden.Verschaltungspunkt 84 'connected to the outer sub-string 74a' and the inner sub-string 7Oi '.
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 .The connection points 80 'to 84' are in turn axially on or next to the electronics side winding head 46 for the realization of short Verschaltungswege. For this purpose, in the interconnection according to FIG. 3, the respective conductors of the inner sub-strands of a connection point to be interconnected emerge from grooves spaced apart in the circumferential direction by three slot pitches. The outer winding ends of the outer sub-strands 70a 'to 74a' are connected to the bridge rectifier 19, which in turn is composed of five minus diodes 58 and five plus diodes 59. On the DC voltage side, the bridge rectifier is in turn connected in parallel with a voltage regulator 26 for regulating the current through the field winding 51 of the generator 10 and the vehicle electrical system connected to the generator is represented by a vehicle battery 31 and a consumer 32.
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 äußerenIn both circuit variants according to FIGS. 2 and 3, it is basically also possible to realize non-integer number of conductors X and Y per slot when the inner and outer winding sub-strings are not full Circuits around the annular laminated core 17 of the stator 16 include, but for example, the inner winding sub-strands two and a half times and the outer winding sub-strands circulate one and a half times. The total number Z of conductors per groove of the inner and outer
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.Winding sub-strands, which are associated with an electrical phase, is in this case also 4. This allows a much finer resolution in the adaptation of the stator connection to the desired output power curve.
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.Figure 4 shows a partial section through the laminated core 17 of the stator of a Klauenpolgenerators in the region of two grooves 15. The illustrated stator winding has 4 conductors 60 in each groove 15, wherein the groove layers are designated from radially outside to radially inside with 1 to 4. The narrow sides of the conductors 60c and 60g, the interconnection of which is explained in more detail with reference to FIG 5, are arranged with their narrow sides opposite each other and with their broader sides in each case opposite the walls of the groove 15. The grooves are lined with an insulation 29, which usually consists of a rectangular, usually multi-layer insulation material. Due to the multi-layered construction, the greatest possible adhesion to the annular laminated core 17 and the lowest possible adhesion to the adjacent conductor segments 60 can be achieved, so that they can be more easily introduced into the groove. The ends of the insulation 29 are slightly spaced in the region of the slot opening, but in other embodiments these ends may also overlap one another.
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 dieFIG. 5 shows a detail of the stator 16 with the laminated core 17 and the stator winding 18 constructed of conductor segments 60. In the use of such Conductor segments each form two full segments one turn of the stator winding 18, so that there are just total numbers of conductors Z per groove, so for example 2, 4, 6, etc. In the present case, each four conductor segments are in a groove 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 .Partial windings, or the partial strands forming conductor segments has already been discussed with reference to Figures 2 and 3, wherein the total number of partial windings and the total number of partial strands is 10 each. The number of partial windings can also be selected to be larger, in which case several partial windings are interconnected in each case according to the desired turns ratio between the inner and outer partial strands to form a partial strand.
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.In the figure, the side portions engaged in the grooves 15 are designated 60c and 60g. These are arranged axially in four radial groove layers, as shown in FIG. 4, so that only the two outer winding layers are visible in the wavy stator winding 18 shown in FIG. The inner, non-visible winding layers 3 and 4 are identically constructed and offset in each case by two radial layers inwards. Each conductor segment 60 consists of several sections, which are designated 60a to 60i. In this case, a shorter connecting portion 60a or 6Oi extends radially outwards and serves for contacting radially adjacent sections of successive conductor segments. The first connection section 60a merges into a first inclined section 60b, which connects the connection section 60a to a first axially aligned section 60c of the conductor segment 60 that is inserted in a groove 15. The section 60c then merges into a second inclined section 6Od and this in turn into a bending section 6Oe, which leads over a further inclined portion 6Of and the axially aligned, in a spaced by five groove pitch groove 15 portion 60g and another inclined portion 60h to the connecting portion 6Oi, which in turn is behind a connecting portion 60a. In principle, however, each conductor segment 60 consist of several turns.
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.Each conductor segment 60 is divided into two radial layers, wherein the first connection section 60a, the first inclined section 60b, the first straight section 60c inserted in the groove 15, and the second inclined section 6d are in the same radial layer. The sections 6Of, 60g, 60h and 6Oi lie in a second radial layer, which is connected to the first radial layer via the bending section 6Oe. In the arrangement shown in Figures 4 and 5, the conductor segments are in the groove layers 1 and 2, and 3 and 4. Alternatively, it is possible to build the stator winding 18 of conductor segments which connect the groove layers 1 and 3, and 2 and 4 or optionally also the groove layers 1 and 4, or 2 and 3. The distance of five slot pitches between the conductors 60c and 60g corresponds to the selected five-phase design.
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.On the electronics winding side 46 each an outer conductor segment encloses an inner conductor segment. The outer conductor segment 60 lies in the groove layers 1 and 4. According to well-known winding schemes all grooves 15 of the stator 16 are each with winding sections 60 electrically in phase sub-strands 7Oi to 74i and 70a to 74a, or 7Oi 'to 74i' and 70a 'to 74a 'equipped. The partial strands are obtained by splitting a conductor segment 60 or by special conductor segments with only one axially aligned portion 60c and 60g in the groove 15, which then realize 45 connections of the partial strands on the bending side of the winding head. The position of the terminals of the electrically in-phase windings automatically results in the number of conductors of the inner sub-string and the outer sub-string and the sequence of conductor segments 60, a wave-shaped stator winding 18 is formed.
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 einerIn Figure 5, a portion of a wave winding is shown, but instead the stator winding 18 may be formed as a loop winding, for example in the form that conductor segments 60, the groove layers 1 and 4, and 2 and 3 occupy. Alternatively, the conductor segments at a
Schleifenwicklung die Nutlagen 1 und 3, beziehungsweise 2 und 4 verbinden.Loop winding connect the groove layers 1 and 3, and 2 and 4 respectively.
In der Abbildung ist ein Ausschnitt einer Ständerwicklung 18 für einen Ständer 16 mit 80 Nuten und 10 phasenbildendenIn the figure, a section of a stator winding 18 for a stator 16 with 80 slots and 10 phase-forming
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.Sub-strands for an electrically excited rotor 20 with 16 Klauenpolfingern 24 shown. However, the invention is not limited to this embodiment. Instead, the stator 16 could, for example, also be designed with 60 slots and 10 phase-forming sub-strings for an electrically excited rotor 12 with 12 poles.
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.For the preparation of the conductor segments 60 is based on a round wire or a profile wire, which is first brought into a U- or V-shaped configuration. In this preform, the radial distances of the two later in the grooves 15 inlets 60c and 60g of the conductor segments 60 are already given, however, these sections have no distance in the circumferential direction. This one will by nutweisweiser twisting the sections 60c and 60g in the circumferential direction. The resulting second precursor in the production of the conductor segments 60 is inserted into an annular laminated core 17 axially in the grooves 15. In order to complete the sub-strands, the connecting portions 60a and 60i are bent toward each other in layers in the circumferential direction and then electrically connected together by soldering or welding. The bending portions 6Oe and the connecting portions 60a and 60i are formed by a suitable tool.
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 innerenFigure 6 shows a diagram of the output power of the claw pole of a motor vehicle, in this case at a rated voltage of 12 volts the output current I in amperes depending on the generator speed n in revolutions per minute, the five-phase stator winding in the curve A with all partial windings as Drudenfuß is connected, in the curve E with all partial windings as a star and in the intermediate curves B, C and D in a mixed circuit. In the circuit B, three of four conductor segments 60 of each groove 15 of the Drudenfußschaltung the inner partial strands 7Oi assigned to 74i, in the curve C, the conductor segments are evenly distributed with two segments and in the curve D is only one conductor segment in the inner
Teilsträngen als Drudenfuß verschaltet und 3 von insgesamt 4 Leitersegmenten in den äußeren Teilsträngen 70a bis 74a in Stern geschaltet.Connected sub-strands as Drudenfuß and 3 of a total of 4 conductor segments in the outer sub-strands 70a to 74a in star.
Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass dieFrom the diagram it can be seen that the
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.Drudenfußschaltung brings significant performance advantages at high speeds, while at low speeds, the star connection already at much lower speeds than the Drudenfußschaltung a performance decrease allows. The distribution of the total number Z of conductor segments per groove 15 can thus be varied according to the application to achieve an optimal power output by the conductor numbers of the inner sub-strands and the outer sub-strands are each varied between 0 and 4. The illustration applies to a claw pole generator 10 of a motor vehicle, which has a generator speed of approximately 1 800 rpm when the internal combustion engine is idling, so that the underlying generator speeds are practically of no importance.
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 einenFIG. 7 shows, in a manner analogous to FIG. 6, the power output as output current I in amperes in turn dependent on the generator speed n in rpm for one
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 vierGenerator, whose partial windings and partial strands are operated either as pentagon, star or in mixed circuit. Analogous to the representation in FIG. 6, the conductors in curves A, B, C, D and E are also divided in FIG. 7, specifically in curve A with all four
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.Conductor segments in the inner sub-strands 7Oi 'to 74i', in curve B with three conductor segments in the inner and a conductor segment in the outer sub-strands, in curve C with two conductor segments in the inner and outer sub-strands, in curve D with a conductor segment in the inner sub-strands and three conductor segments in the outer sub-strands and finally in curve E with all four conductor segments of each groove 15 in the outer, star-connected conductor segments 70a 'to 74a'. The power curves show that the output power between the rated speed of the generator of 6000 rpm and the idling of the internal combustion engine with a generator speed of about 1800 rpm is widely adapted to the use of the generator and therefore also in this case Circuit variant allows a flexibility of the output characteristics despite identical total conductor number Z of four conductors per groove can be produced. Even with this circuit variant, the characteristic curve does not play any role in the speed range below 1800 rpm. Compared to the curve in Figure 6, however, a significantly flatter course of all curves in the upper speed range can be seen, which means that the output power over a large speed range is very uniform and idle the engine at about 1800 U / min of the generator almost no difference between the Circuit variants exists.
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. In all the circuit variants shown in FIGS. 6 and 7, it can be seen that the pure star connection has power disadvantages compared to the series connections. Besides, it has noise disadvantages. Their advantage lies in the lower number of conductors required per slot in order to realize a specific performance characteristic. By choosing the circuit variant, the respective desired operating mode can be realized.
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