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Hintergrund der Erfindung
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1. TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Fahrzeugwechselstromgenerator zur Verwendung in Personenkraftwagen und Lastkraftwagen und insbesondere einen Wechselstromgenerator, der zur Minimierung von Vibrationen bzw. Schwingungen der Spulen während des Betriebs entwickelt worden ist.
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2. TECHNISCHER HINTERGRUND
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In jüngster Zeit gibt es einen wachsenden Bedarf nach Hochleistungs-Wechselstromgeneratoren für Fahrzeuge, der durch die von Sicherheitssteuervorrichtungen usw. verbrauchten, steigenden elektrische Last erforderlich ist, und nach einer Reduktion der durch die Wechselstromgeneratoren erzeugten magnetischen Geräusche zum Einhalten von Umwelterfordernissen, um die Geräuschentwicklung außerhalb der Fahrzeuge zu verringern und eine Verbesserung beim Geräuschpegel in der Fahrzeugkabine zu erreichen.
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Aus der
EP 0 881 742 A2 ist ein Fahrzeuggenerator mit einem Rotor und einem Stator, der einen Statorkern mit Nuten aufweist, bekannt. In den Nuten sind elektrische Leiter angeordnet, welche in den Nuten angeordnete Bereiche und über diese hinausstehende Bereiche aufweisen. Aus der
DE 37 04 780 A1 ist ein elektromagnetischer Wandler mit einem ähnlichen Aufbau bekannt. Durch die
US 5 140 740 A und die
DE 695 03 709 T2 wird gelehrt, bei einem solchen Aufbau, die Resonanzen zu beachten.
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Die Internationale Patentveröffentlichung Nr.
WO 98/54 823 A1 offenbart einen Fahrzeugwechselstromgenerator, welcher zum Erhöhen einer Ausgangsleistung durch ein Verbinden der Enden der Statorwicklungen einer Spule entwickelt und aufgebaut worden ist, die eine Vielzahl von leitfähigen Segmenten bzw. Leitersegmenten mit dem gleichen Muster in einer Umfangsrichtung der Spule verwendet, um die Interferenz zwischen den Statorwicklungen zu beseitigen und den Füllfaktor und die Kühlung der Statorwicklungen zu verbessern. Außerdem ist der Wechselstromgenerator weiterhin entwickelt und aufgebaut worden, daß er zum Verringern eines magnetischen Geräusches die Ausgänge von zwei Wicklungsgruppen mit unterschiedlicher Phase vereint bzw. kombiniert.
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Die internationale Patentveröffentlichung Nr.
WO 92/06 527 A1 offenbart ein Herstellungsverfahren für einen Stator, der eine Vielzahl von Leitersegmenten verwendet.
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Normalerweise wird die Erzeugung von magnetischen Geräuschen bzw. Lärm durch eine magnetische Pulsation in einem Spalt zwischen einem Stator und einem Rotor eines Wechselstromgenerators verursacht, welche Vibrationen des Statorkerns erzeugt, welche wiederum auf einen Rahmen und seine Träger usw. übertragen werden, die auf der Seite eines Motorenkörpers montiert sind und werden als Luftdruckwellen ausgestrahlt. Wenn außerdem die Resonanzfrequenz der Spulenköpfe bzw. -enden, die in den sich in axialer Richtung erstreckenden Statornuten des Stators gewickelt sind, mit der Frequenz der magnetischen Pulsation übereinstimmt, wird dies ein in Resonanz kommen der Spulenköpfe verursachen, was zu einer Erhöhung bei der Ausstrahlung des magnetischen Geräusches von den Spulenköpfen resultiert.
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Die meisten der modernen Fahrzeugwechselstromgeneratoren haben insbesondere interne Kühlgebläse und viele Ventilationsfenster, die in einem der Spulenköpfe gegenüberliegenden Rahmen ausgebildet sind. Der magnetische Lärm wird somit direkt durch die Ventilationsfenster nach außen emittiert, ohne daß er durch den Rahmen dabei gehindert bzw. gedämpft wird. Wenn außerdem die Spulenköpfe in Resonanz gefallen sind, bewirkt eine Resonanzschwingungskomponente in Umfangsrichtung der Spulen ein Drehen des Statorkerns, der durch den Rahmen in axialer Richtung der Spulen festgehalten wird. Falls die Spulenköpfe wiederholt in Resonanz kommen, wird dies daher ein Reiben des Statorkerns gegen die innere Wand des Rahmens verursachen, was zu einer exzessiven Abnutzung des Rahmens führen kann, da der Rahmen normalerweise aus einem leichtgewichtigen und nicht-magnetischem Material, wie beispielsweise Aluminium, hergestellt ist. Die Abnutzung des Rahmens wird weiterhin eine Abnahme seiner Befestigungskraft, die zum Halten des Statorkerns in axialer Richtung dient, verursachen, was zu einem Ansteigen der durch die magnetische Pulsation induzierten Vibration des Statorkerns führt, was wiederum zum Anwachsen des magnetischen Lärms führt. Auch wenn die Resonanzfrequenz der Spulenköpfe ein ganzzahliges Vielfaches (mehr als das Zweifache) der Frequenz der magnetischen Pulsation beträgt, werden die Umfangsvibrationen der Spulenköpfe erzeugt; diese werden jedoch nicht in dem Ausmaße erhöht bzw. besitzen eine kleinere Amplitude, wie wenn Resonanz bzw. Eigenresonanz vorliegt.
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Die vorstehend erwähnte internationale Patentveröffentlichung Nr.
WO 98/54 823 A1 enthält keinen Hinweis darauf, wie man die Umfangsvibrationen der Spulenköpfe verringern kann. Der Aufbau, wie er in der Internationalen Patentveröffentlichung Nr.
WO 92/06 527 A1 offenbart ist, weist zwei Leitersegmente auf, die in jeder Nut in der gleichen radialen Richtung angeordnet sind. Eine Erhöhung der Vibration der Spulenköpfe in Umfangsrichtung, verursacht somit, daß die Leitersegmente aneinander reiben, was zu einer Beschädigung der Isolierbeschichtung auf der Oberfläche der Leitersegmente führen kann, wodurch die Leitersegmente kurzgeschlossen werden.
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Die oben beschriebene internationale Patentveröffentlichung Nr.
WO 98/54 823 A1 und
WO 92/06 527 A1 beziehen sich überhaupt nicht auf die Resonanzfrequenz der Spulenköpfe bei Wechselstromgeneratoren. Dasselbe gilt für die
EP 0 881 742 A2 und die
DE 37 04 780 A1 . Die vorliegende Erfindung berücksichtigt dies und schlägt eine Lösung vor, bei der den Spulenköpfen des Wechselstromgenerators ein erhöhter Steifheitsgrad verliehen wird, um die Resonanzfrequenz in einen Drehzahlbereich außerhalb des normalen Drehzahlbereichs des Wechselstromgenerators zu verschieben.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist daher eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Stands der Technik zu vermeiden.
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Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wechselstromgenerator zu schaffen, der zum Minimieren einer Resonanz der Spulenköpfe in ihrer Umfangsrichtung entwickelt und aufgebaut ist, um magnetischen Lärm zu verringern.
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Es ist weiterhin eine Aufgabe der Erfindung, einen Wechselstromgenerator zu schaffen, der zum Vermeiden eines durch Vibrationen der Spulenköpfe während des Betriebs verursachten elektrischen Kurzschlusses der Spulenköpfe entwickelt und aufgebaut ist.
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Gemäß eines Aspekts der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Fahrzeugwechselstromgenerators vorgesehen, welcher aufweist: (a) Einen Rotor mit einem Magnetkern, wobei der Rotor innerhalb eines vorher ausgewählten Drehzahlbereichs dreht; (b) einen Stator der einen hohlen zylindrischen Statorkern mit gegenüberliegenden Köpfen und eine Vielzahl von elektrischen Leitungen bzw. Leitern aufweist, wobei der Statorkern einen Umfang des Rotors umgibt und eine Vielzahl darin ausgebildeter Nuten aufweist, in welchen elektrische Leitungen angeordnet sind; (c) ein Paar von schalenförmigen Rahmen, die den Stator festhalten; und (d) leitende Brücken bzw. Leiterbrücken, die aus gegenüberliegenden Enden des Statorkerns herausragen und die elektrischen Leiter, die in einer der Nuten angeordnet sind, und die elektrischen Leiter, die in der jeweils anderen Nut angeordnet sind, zum Ausbilden von Statorwicklungen verbinden, wobei die leitenden Brücken so entwickelt und aufgebaut sind, dass sie bei einer Drehzahl außerhalb des vorher ausgewählten Drehzahlbereichs des Rotors in Resonanz kommen.
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In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind alle in den Nuten angeordneten elektrischen Leiter in radialer Richtung ausgerichtet. Jede der leitenden Brücken enthält zwei geneigte Abschnitte, welche zwei gleiche Seiten eines im wesentlichen gleichschenkligen Dreiecks bilden, und welche miteinander einen Winkel von mehr als 100° bilden.
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Alle elektrischen Leiter, die in den Nuten angeordnet sind, sind elektrisch voneinander isoliert und bestehen aus mindestens zwei Leiterschichten; eine ist eine äußere Spulenenden der ersten Spulenkopfgruppe zusammen mit dem ersten Ende des Statorkerns ein erstes gleichschenkliges Dreieck definieren, und wobei die Spulenenden der zweiten Spulenkopfgruppe zusammen mit dem zweiten Ende des Statorkerns ein zweites gleichschenkliges Dreieck definieren, und wobei eine Eigenfrequenz oder Resonanzfrequenz fx jedes der Spulenenden, da sie zwei gleiche Seiten jedes des ersten und des zweiten gleichschenkligen Dreiecks in der ersten und in der zweiten Spulenkopfgruppe der Wicklungen des Stators in einer Umfangsrichtung des Statorkerns definieren, unter Verwendung eines Dreiecksmodells dargestellt wird als fx = (1/2π)·ωx, (ωx)2 = 2EA(sinα)2/(L·m), wobei E das Elastizitätsmodul von Kupfer ist, L die Länge von jedem von zwei geneigten Leitern des Dreiecksmodells ist, A eine Querschnittsfläche der geneigten Leiter ist, α eine Hälfte eines Winkels zwischen den geneigten Leitern ist, und m die Masse der geneigten Leiter ist, wobei die Resonanz der Spulenenden der Wicklungen des Stators in einer radialen Richtung des Statorkerns unter Verwendung eines Modells eines Balkens, welcher an einem Ende unterstützt oder gelagert ist und welcher ein Gewicht m aufweist durch die untenstehenden Gleichungen ausgedrückt ist fz = (1/2π)·ωz, (ωz)2 = 12EI/h3·m, wobei fz eine Eigenfrequenz oder Resonanzfrequenz der Mode des Balkens ist, und I das Flächenträgheitsmoment einer rechteckigen Querschnittsfläche des Balkens ist, wobei die Umdrehungszahl des Rotors pro Minute n größer als eine maximale Umdrehungszahl des Rotors pro Minute des vorbestimmten Drehzahlbereiches ist, wenn f0 = fx, und wobei die Umdrehungszahl des Rotors pro Minute n größer als die maximale Umdrehungszahl des Rotors pro Minute des vorbestimmten Drehzahlbereiches ist, wenn f0 = fz.
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In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind alle in den Nuten angeordneten elektrischen Leiter in radialer Richtung ausgerichtet. Jede der leitenden Brücken enthält zwei geneigte Abschnitte, welche zwei gleiche Seiten eines im wesentlichen gleichschenkligen Dreiecks bilden, und welche miteinander einen Winkel von mehr als 100° bilden.
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Alle elektrischen Leiter, die in den Nuten angeordnet sind, sind elektrisch voneinander isoliert und bestehen aus mindestens zwei Leiterschichten; eine ist eine äußere Leiterschicht, die nahe der äußeren Umfangswand des Statorkerns angeordnet ist, und die andere ist eine innere Leiterschicht, die nahe der inneren Umfangswand des Statorkerns angeordnet ist. Jede äußere Leiterschicht in den Nuten ist durch eine der leitenden Brücken mit der inneren Leiterschicht einer anderen Nut seriell verbunden, um eine der Statorwicklungen auszubilden.
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Die äußere Leiterschicht und die innere Leiterschicht, welche miteinander über eine der Leiterbrücken verbunden sind, werden durch ein einziges U-förmiges Leiterelement ausgebildet, das einen gekrümmten Abschnitt aufweist, der eine der Leiterbrücken bildet.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Die vorliegende Erfindung wird aus der nachstehend gegebenen detaillierten Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung besser verstanden werden, welche jedoch nicht die Erfindung auf die bestimmten Ausführungsformen beschränken sollen, sondern lediglich zum Zwecke der Erklärung und des Verständnisses dienen sollen. Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich beispielhaft aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsform anhand der Zeichnung.
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Es zeigt:
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1 eine teilweise Schnittansicht, welche einen Wechselstromgenerator gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 eine teilweise Schnittansicht, welches die Leiterschichten zeigt, die in den in dem Statorkern ausgebildeten Nuten sind;
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3 eine perspektivische Ansicht, welche ein größeres und ein kleineres Leitersegment zeigt, die die Statorwicklungen ausbilden;
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4 eine Seitenansicht von der Innenseite eines Stators her gesehen, welche Nuten und Verbindungsbrücken zeigt, die von den Enden des Stators herausragen;
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5 eine Darstellung, welches ein Modell eines Spulenkopfes eines Stators zeigt, das zur Bestimmung einer Resonanzfrequenz in einer Umfangsrichtung der Stators verwendet wird;
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6 und 7 eine Art von Spulenköpfe eines Stators, die beim Bestimmen einer Resonanzfrequenz in radialer Richtung der Stators verwendet wird; und
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8 eine Darstellung, welche Verbindungen von benachbarten Verbindungsbrücken bei einer modifizierten Form der Erfindung zeigt.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Gemäß der Zeichnung, bei der ähnliche Nummern auf ähnliche Teile in verschiedenen Ansichten Bezug nehmen, insbesondere gemäß 1, wird ein Wechselstromgenerator 1 zur Verwendung in einem Fahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt.
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Der Wechselstromgenerator 1 besteht im wesentlichen aus einem Stator 2, der als ein Anker dient, einem Rotor 3, zum Herstellen eines magnetischen Feldes, einem Paar von schalenförmigen Rahmenteilen 4 zum Unterstützen des Rotors 3 und des Stators 2, und einem Gleichrichter 6. Der Gleichrichter 6 ist mit der Ausgangsleitung 21c einer Statorwicklung 21 verbunden und wandelt Wechselstrom in Gleichstrom um.
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Der Rotor 3 enthält einen Schaft bzw. eine Welle 31, einen Magnetkern 32 vom Lundell-Typ, ein Kühlgebläse 33, eine Feldspule 34 und ein Paar von Schleifringen 35.
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Die Welle 31 ist mit einer Riemenrolle 5 verbunden und wird zum Beispiel durch einen Verbrennungsmotor (nicht dargestellt), die in dem Fahrzeug montiert ist, gedreht.
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Der Magnetkern 32 vom Lundell-Typ wird auf der Welle 31 gesichert und umgibt die Feldspule 34, durch welche ein Erregerstrom zu den Schleifringen 35 fließt, die auf dem hinteren Ende der Welle 31 montiert sind. Die Kühlgebläse 33 sind an den Endwänden des Magnetkerns 32 durch zum Beispiel Schweißen oder Kaltpressen installiert, so daß sie zusammen mit dem Rotor 3 zum Erzeugen eines Kühlwindes drehen können.
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Die Rahmenteile 4 weisen Lufteinlaßöffnungen 42 auf, die in einer End- bzw. Begrenzungswand davon ausgebildet sind, durch welche Frischluft zu den Kühlgebläsen 33 und den Luftauslaßöffnungen 41 zugeführt wird, die in den Umfangsabschnitten davon ausgebildet sind, die ersten und zweiten Spulenkopfgruppen 21a und 21b des Stators 2 gegenüberliegen. Die Rahmeneile 4 sind miteinander über Bolzen 7 zum Festhalten des dazwischen liegenden Statorkerns 22 verbunden.
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Der Stator 2 enthält den Statorkern 22, die Statorwicklungen 21 und Isolatoren 23. Der Statorkern 22 besteht aus einem hohlen zylindrischen Element und weist, wie es in 2 deutlich gezeigt ist, eine Vielzahl von Nuten 221 auf, die darin in regelmäßigen Abständen radial ausgebildet sind. Bei dieser Ausführungsform sind die dreiphasigen Statorwicklungen 21 in den sechsunddreißig Nuten 221 in einer Anzahl, die gemäß der Anzahl der magnetischen Pole des Rotors 3 bestimmt ist, installiert bzw. durchlaufen diese. Die Isolatoren 23 isolieren elektrisch den Statorkern 22 von den Statorwicklungen 21.
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Jede der Statorwicklungen 21 besteht aus geraden elektrischen Leiterelementen. Bei dieser Ausführungsform besteht die Statorwicklung 21 aus vier Leiterelementen, welche durch den Isolator 23 von dem Statorkern 22 isoliert sind, und die mit einer Isolierschicht überzogen sind, um sie voneinander zu isolieren. Die vier Leiterelemente, die, wie in 2 deutlich gezeigt, in jeder der Nuten 221 installiert sind, sind einander in einer radialen Richtung des Statorkerns 22 überlagert, um eine innerste Schicht 211a, eine innere Mittelschicht 212a, eine äußere Mittelschicht 212b' und eine äußerste Schicht 211b' auszubilden, welche, wie es nachstehend im Detail beschrieben ist, mit den Leiterelementen, die in den anderen Nuten 221 angeordnet sind, nach einem vorgegebenen Muster verbunden sind, um eine der Statorwicklungen 21 auszubilden.
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Insbesondere die innerste Schicht 211a, die in jeder Nut 221 angeordnet ist, ist wie es in 3 gezeigt ist, durch eine Verbindungsbrücke 211c mit der äußersten Schicht 211b verbunden, die in einer anderen der Nuten 221, die um einen magnetischen Polintervall in der Gegenuhrzeigerrichtung des Statorkerns 22 beabstandet ist, um ein U-förmiges größeres Leitersegment 211 auszubilden. Ähnlich ist die innere Mittelschicht 212a, die in jeder der Nuten 221 angeordnet ist, durch eine Verbindungsbrücke 212c mit der äußeren Mittelschicht 212b verbunden, die in eine der Nuten bzw. Schlitze angeordnet ist, um ein U-förmiges kleineres Leitersegment 212 auszubilden. Falls das größere Leitersegment 211 und das kleinere Leitersegment 212 ein Leitersegmentpaar ausbilden, werden so viele Leitersegmentpaare wie Nuten 221 vorbereitet und in den Nuten 221 des Statorkerns in einer ringförmigen Form angeordnet. Wie es deutlich in 1 gezeigt ist, ragen die Verbindungsbrücken 211c und 212c aus dem hinteren Ende des Statorkerns, um die erste Spulenkopfgruppe 21a auszubilden. Die Verbindungsbrücke 211c der großen Leitersegmente 211 erstrecken sich über die Verbindungsbrücke 212c der kleineren Leitersegmente 212.
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Die größeren Leitersegmente 211 und die kleineren Leitersegmente 212 weisen Enden auf, die aus dem vorderen Ende des Statorkerns 22 herausragen, um, wie in 1 gezeigt, die zweite Spulenkopfgruppe 21b auszubilden. Die Enden 211d der größeren Leitersegmente 211 jedes Leitersegmentpaares sind, wie in 3 gezeigt, mit den Enden 212d' der kleineren Leitersegmente 212 eines anderen Leitersegmentpaares verbunden, wie es durch die gebrochenen Linien angedeutet ist, um Leiterbrücken (d. h., die Hälfte der Spulenenden bei der zweiten Spulenkopfgruppe 21b) auszubilden. Die Enden 212d der kleineren Leitersegmente 212 jedes Leitersegmentpaares sind mit den Enden 211d' der größeren Leitersegmente 211 eines anderen Leitersegmentpaares verbunden, wie es durch die gestrichelten Linien angedeutet ist, um Leiterbrücken (d. h. der Rest der Spulenenden der zweiten Spulenkopfgruppe 21b) auszubilden. Insbesondere die Enden 211d und 211d' der größeren Leitersegmente 211 (nachstehend auch als die geneigten Abschnitte der Leiterbrücken bezeichnet) und die Enden 212d und 212d' der kleineren Leitersegmente 212 (nachstehend auch als geneigte Abschnitte der Leiterbrücken bezeichnet) werden auf diese Art und Weise verbunden, um eine der Statorwicklungen 21 auszubilden.
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Wie in 4 gezeigt, enthält jede Verbindungsbrücke 211 der ersten Spulenkopfgruppe 21a zwei geneigte Abschnitte 211e und 211f, welche das erste gleichschenklige Dreieck entlang der hinteren Endwand des Statorkerns 22 bestimmen. In ähnlicher Weise bestimmen die Enden 212d und 211d' der zweiten Spulenkopfgruppe 21b das zweite gleichschenklige Dreieck entlang der vorderen Endwand des Statorkerns 22. Der Winkel θ zwischen den geneigten Abschnitten 211e und 211f, das heißt, zwischen den zwei Seiten des ersten gleichschenkligen Dreiecks, die gleiche Länge aufweisen, beträgt 100°. Ebenso beträgt der Winkel θ zwischen den Enden 212d und 211d' des zweiten gleichschenkligen Dreiecks ebenso 100°. Die Basis der ersten und zweiten gleichschenkligen Dreiecke (d. h., ein N-zu-S magnetische Polteilung) beträgt 24 mm.
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Die innerste Schicht 211a, die innere mittlere Schicht 212a, die äußere mittlere Schicht 212b' und die äußere Schicht 211b' sind, wie es vorstehend in 2 beschrieben ist, einander in der radialen Richtung des Statorkerns 22 überlagert. Jede der Schichten 211a, 212a, 212b' und 211b' weist einen rechteckigen Querschnitt auf, der 1,4 mm breit ist und 2,2 mm lang ist.
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Wie es aus 1 zu ersehen ist, liegt die Umfangsoberfläche des Rotors 3 der inneren Wand des Statorkerns 2 mit einem Spalt dazwischen gegenüber. Wenn der Wechselstromgenerator 1 zum Herstellen einer elektrischen Leistung betrieben wird, pulsiert ein in dem Spalt erzeugter magnetischer Fluß synchron mit der Drehung des Rotors 3, was zu einer Änderung bei der magnetischen Kraft zwischen dem Statorkern 22 und f0
dem Rotor 3 führt. Die Grundfrequenz f0 (Hz) der Pulsation des magnetischen Flusses kann wie folgt ausgedrückt werden: f0 = (n × T × P)/60 (1)
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Dabei ist n die Umdrehungszahl des Rotors 3 pro Minute, T ist die Anzahl der Phasen der Wicklungen des Rotors 3 und P ist die Anzahl der NS-Magnetpole des Rotors 3.
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Wenn der magnetische Fluß mit der Grundfrequenz f0 pulsiert, erreicht eine Änderung bzw. Variation bei der magnetischen Kraft einen maximalen Wert. Die Änderung der magnetischen Kraft weist ebenso eine Frequenzkomponente auf, die einen kleinen magnetischen Wert hat, aber ein ganzzahliges Vielfaches von f0 ist.
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Da jeder Spulenkopf 21 der Statorwicklungen in einer Umfangsrichtung des Statorkerns 22 die zwei gleiche Seiten (d. h., die geneigten Abschnitte 211e und 211f oder die Enden 212d und 211d') jedes der ersten und zweiten gleichschenkligen Dreiecke bei der ersten und zweiten Spulenkopfgruppe 21a und 21b bestimmen, kann die Resonanzfrequenz fx jedes Spulenendes unter Verwendung eines Dreiecksmodells, wie in 5 gezeigt, dargestellt werden als: fx = (1/2π)·ωx (2) (ωx)2 = 2EA(sinα)2/(L·m) (3)
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Wobei E das Elastizitätsmodul von Kupfer ist, L die Länge der zwei geneigten Leiter, A die Querschnittsfläche der geneigten Leiter, α eine Hälfte eines Winkels zwischen den geneigten Leitern und m die Masse der geneigten Leiter ist. Da die Massenverteilung in den geneigten Leitern gleichförmig ist, kann die Masse m als an einem Punkt mit einem Abstand, der der Hälfte einer Höhe h entspricht, wie sie in 4 gezeigt ist, an der Spitze des ersten und zweiten gleichschenkligen Dreiecks zu der Endwand des Statorkerns 22 angeordnet angesehen werden. In 5 zeigt x die Umfangsrichtung des Statorkerns 22 an.
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Wenn man geeignete Werte in die vorstehenden Gleichungen (2) und (3) einsetzt, erhält man somit fx = 11.6 (kHz)
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Für T = 3 und P = 12 erhält man bei der Resonanzbedingung f0 = fx durch Einsetzen in die Gleichung (1) die die Resonanz induzierende Rotordrehzahl n von n = 19300 [U/min] (4)
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Normalerweise beträgt ein Motordrehzahlbereich, wenn ein Fahrzeugmotor auf einer normalen Straße in einer städtischen oder vorstädtischen Gegend fährt, das heißt in einem normalen Geschwindigkeitsbereich, ungefähr 600 U/min, im Leerlauf wird bis zu 5000 U/min. Ein Drehzahlverhältnis eines Fahrzeugmotors zu einem Wechselstromgenerator wird typischerweise auf 2 bis 3 eingestellt. Wenn das Fahrzeug auf einer normalen Straße fährt, wird somit der Drehzahlbereich des Wechselstromgenerators zwischen 1200 und 15000 U/min liegen. Daher liegt die Resonanzdrehzahl, wie sie durch Gleichung (4) angezeigt ist, außerhalb des Drehzahlbereichs des Wechselstromgenerators, wenn das Fahrzeug auf einer normalen Straße fährt, wodurch ein in Resonanz fallen der Spulenköpfe des Wechselstromgenerators in seiner Umfangsrichtung (d. h., die x-Richtung in 5) verhindert wird. Insbesondere wird ein schnelles Anwachsen des magnetischen Lärms, der von den Spulenköpfen des Wechselstromgenerators 1 herrührt, und eine Abnutzung der Kontaktoberflächen des Rahmens 4 mit dem Statorkern 22 verhindert, wodurch der magnetische Lärm, der durch eine Erniedrigung einer Befestigungskraft zum Halten des Statorkerns in seiner axialen Richtung verursacht wird, minimiert bzw. verringert wird.
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Wie vorstehend beschrieben weist die durch die magnetische Pulsation verursachte Änderung in der magnetischen Kraft eine Frequenzkomponente auf, die einen kleinen magnetischen Wert bzw. Amplitude besitzt, aber ein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz f0 ist. Aus Gleichung (1) folgt, daß die Drehzahl n mit einer zweiten Frequenzkomponente übereinstimmt (d. h., einer doppelten Frequenz), falls die Resonanzfrequenz fx, die durch die Gleichung (2) dargestellt wird, die Hälfte des Werts in Gleichung (4) beträgt, und die einer dritten Frequenzkomponente entsprechende Drehzahl n ein Drittel des Wertes in Gleichung (4) beträgt. Somit liegen diese Drehzahlen innerhalb des Drehzahlbereichs des Wechselstromgenerators, wenn das Fahrzeug auf der normalen Straße (d. h., mit 1200 bis 15000 U/min) fährt. Andere bzw. höhere Frequenzkomponenten als die erste Frequenzkomponente der Änderung in der magnetischen Kraft sind normalerweise zu gering, um ein schnelles Anwachsen des magnetischen Lärms zu induzieren. Weiterhin sind bei dieser Ausführungsform die Leitersegmente in der gleichen radialen Richtung in den Nuten 221 in Reihe angeordnet, so daß immer ein Spalt zwischen benachbarten geneigten Abschnitten, die in der gleichen radialen Richtung wie der Statorkern 22 angeordnet sind, hergestellt wird, wodurch verhindert wird, daß die benachbarten geneigten Abschnitte kurzgeschlossen werden.
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Da der Winkel θ zwischen den geneigten Abschnitten 211e und 211f des größeren Leitersegments 211, der sich außerhalb des kleineren Leitersegments 212 erstreckt, wie oben beschrieben, 100° beträgt, ist der Winkel der Verbindungsbrücke 212c des kleineren Leitersegments 212 immer größer als 100°. Daher wird der Winkel α in der Gleichung (3) groß, so daß die Resonanzfrequenz fx des kleineren Leitersegments 212 die des größeren Leitersegments 211 übersteigen wird, wodurch die Resonanz des kleineren Leitersegments 212 vermieden wird.
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Die Resonanz der Spulenköpfe der Statorwicklungen 21 in der radialen Richtung des Statorkerns 22 kann unter Verwendung eines Modells eines Balkens, welcher an einem Ende unterstützt wird bzw. gelagert ist und welcher ein Gewicht m aufweist, ausgedrückt werden. Die Resonanzfrequenz fz eines derartigen Modells kann durch die folgende Gleichung dargestellt werden: fz = (1/2π)·ωz (5) (ωx)2 = 12EI/h3·m (6)
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Wobei I das Flächenträgheitsmoment einer rechteckigen Querschnittsfläche des Balkens ist.
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Falls die Länge der rechteckigen Querschnittsfläche in radialer Richtung und ihre Länge in einer Richtung senkrecht zu der Umfangsrichtung jeweils mit a und b bestimmt werden, kann I wie folgt ausgedrückt werden I = (1/12)a·b3.
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Die 6 und 7 zeigen ein Modell, das zwei elektrische Leiter mit jeweils rechteckigen Querschnittsflächen verwendet. Bei dem Modell bilden zwei Leiter einen einzigen Balken des vorhergehenden Modelles aus. Die Werte von a und b werden somit verdoppelt, wodurch das Flächenträgheitsmoment I das 16-fache des Wertes in dem vorherigen Modell beträgt. Daher beträgt die Resonanzfrequenz fz in der radialen Richtung Z 9100 [Hz]. Aus Gleichung (1) folgt, daß eine entsprechende Drehzahl n des Rotors 3 15200 U/min beträgt, was außerhalb des Drehzahlbereichs des Wechselstromgenerators liegt, wenn das Fahrzeug auf einer normalen Straße (d. h., mit 1200 bis 15000 U/min) fährt. Ein Erhöhen des Winkels θ über 100° bewirkt, daß die Höhe h des Balkens, wie in 6 und 7 gezeigt, erniedrigt wird, was zu einer Erhöhung der Resonanzfrequenz fz führt, wodurch die Spulenköpfe weiterhin von einem in Resonanz fallen abgehalten werden.
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Während die vorliegende Erfindung im Sinne der bevorzugten Ausführungsformen zum besseren Verständnis offenbart worden ist, wird darauf hingewiesen, daß die Erfindung in verschiedenen Variationen ohne ein Verlassen des Erfindungsprinzips ausgeführt werden kann. Es ist daher ersichtlich, daß die Erfindung alle möglichen Ausführungsformen und Modifikationen, zu den gezeigten Ausführungsformen enthalten kann, ohne dabei das Erfindungsprinzip, wie es in den beiliegenden Ansprüchen erklärt ist, zu verlassen.
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In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist die Anzahl der NS-Magnetpole P gleich 12 und die N-to-S-Magnet-Polteilung beträgt 24 mm, sie können jedoch auch andere Werte annehmen. Im vorliegenden Fall betragen die Winkel θ, wie es in 4 gezeigt ist, mehr als 100°, um die Resonanzfrequenz fx größer als die magnetische Pulsationsfrequenz f0 einzustellen.
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Die Verbindungsbrücken 211c und 212c der größeren und kleineren Leitersegmente 211 und 212 können an ihren sich überschneidenden Abschnitten, wie es durch 211g in 8 angedeutet ist, mit einem isolierenden Kunststoffmaterial überzogen werden. In diesem Fall kann die Länge L eines Balkens (d. h., der geneigte Abschnitt 211e oder 211f) als eine kürzere Länge L' angenommen werden und die Höhe h kann als eine niedrigere Höhe h' angenommen werden. Die Resonanzfrequenzen fx der Spulenköpfe in Umfangsrichtung und radialer Richtung werden somit erhöht, wodurch das in Resonanz kommen der Spulenköpfen verhindert wird, wenn das Fahrzeug auf einer normalen Straße fährt. Derselbe Aufbau kann auf die zweite Spulenkopfgruppe 21b angewandt werden.
