DE10359863A1

DE10359863A1 - Statorkernbaugruppe für einen Kraftfahrzeug-Wechselstromgenerator

Info

Publication number: DE10359863A1
Application number: DE10359863A
Authority: DE
Inventors: Kirk E. Salino Neet; Steven J. Ypsilanti Yockes; Eric D. Ann Abor Bramson
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: REMY TECHNOLOGIES INC., PENDLETON, US; REMY TECHNOLOGIES INC., US
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2003-12-18
Publication date: 2004-07-15
Also published as: US20040119360A1; US6858963B2; GB2399458A9; GB2399458B; US20040119361A1; US6750582B1; US20040135458A1; GB0329600D0; US6787961B2; GB2399458A

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Statorkernbaugruppe (38) für einen Kraftfahrzeug-Wechselstromgenerator mit einer Läuferbaugruppe und einer Statorbaugruppe. Die Statorbaugruppe weist mindestens eine Phase und einen ringförmigen Kern (40) auf, in dem eine Vielzahl von zum Innenumfang des Statorkerns (40) geöffnete Wicklungsnuten (46) ausgebildet sind. Die Statorbaugruppe umfasst einen ersten durchgehenden elektrischen Leiter (48) und eine Vielzahl N von Leiterlagen, wobei jede Lage (52, 54, 56) durch einen im Wesentlichen vollständigen Umlauf des Leiters (48) entlang des Umfangs des Statorkerns (40) gebildet wird. Der Leiter (48) weist eine Vielzahl von geraden Abschnitten (58) auf, die sich innerhalb von vorbestimmten Wicklungsnuten (46) befinden, und eine Vielzahl von Endschleifenabschnitten (60), die sich entlang des Umfangs erstrecken, um zwei gerade Abschnitte (58) miteinander zu verbinden. Erfindungsgemäß wird die Länge (64) der Endschleifenabschnitte (60) in Abhängigkeit von der radialen Position der jeweiligen Lage innerhalb des Statorkern (40) und der vorbestimmten axialen Höhe der Endschleifenabschnitte (60) variiert.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Wechselstromgenerator für Kraftfahrzeuge, insbesondere auf einen Wechselstromgenerator mit einer Statorwicklungskonfiguration, die Endschleifen mit variierender axialer Höhe aufweist.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Wechselstromgenerator eines Typs, der insbesondere für die Verwendung in Kraftfahrzeugen, einschließlich Personenkraftwagen und Kleinlaster, ausgelegt ist. Diese Vorrichtungen werden typischerweise mechanisch mit Hilfe eines Antriebsriemens angetrieben, der um eine Scheibe gewickelt ist, die mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs verbunden ist. Der Riemen treibt eine Scheibe am Wechselstromgenerator an, die eine innere Läuferbaugruppe dreht, um elektrischen Wechselstrom (AC) zu erzeugen. Dieser elektrische Wechselstrom wird zu Gleichstrom (DC) gleichgerichtet und in die elektrische Verteilerschiene und die Speicherbatterie des Kraftfahrzeugs eingespeist.
Wechselstromgeneratoren werden schon seit Jahrzehnten in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Durch die heutigen Anforderungen an die Konstruktion, die Kostenstruktur und die Leistungsfähigkeit von Kraftfahrzeugen ist die Entwicklung von effizienteren Wechselstromgeneratoren immer wichtiger geworden. Die heutigen Kraftfahrzeuge zeichnen sich durch eine starke Zunahme der Anzahl der in sie eingebauten elektrischen Systeme und Zubehörteile aus. Solche elektrischen Vorrichtungen schließen innere und äußere Beleuchtungssysteme und Klimaanlagen und immer ausgefeiltere Systeme für die Kraftübertragungssteuerung, Fahrzeugstabilität und Traktionskontrolle und Antiblockiersysteme ein. Audio- und Telematiksysteme stellen weitere Ansprüche an das elektrische System des Fahrzeugs. Noch größere Herausforderungen an das Leistungsvermögen der elektrischen Wechselstromgeneratoren von Kraftfahrzeugen werden sich aus dem immer umfassenderen Einsatz von elektrischen Servolenksystemen und elektrischen Fahrzeugbremssystemen ergeben. Diese Herausforderungen an die Fahrzeugkonstruktion werden noch durch die Tatsache erhöht, dass die Ansprüche an das elektrische System des Fahrzeugs stark variieren, und zwar unabhängig von der Betriebsdrehzahl des Motors, mit der der Wechselstromgenerator angetrieben wird und die sich durch verschiedenartige Fahrbedingungen ändert.
Neben dieser Notwendigkeit der Gewährleistung einer hohen elektrischen Ausgangsleistung des elektrischen Wechselstromgenerators des Fahrzeugs gibt es weitere Zwänge. Dazu zählen das Streben nach einer möglichst geringen Größe des Wechselstromgenerators, da der unter der Motorhaube zur Verfügung stehende Platz beschränkt ist, und nach einem möglichst geringen Gewicht, da dieses sich auf den spezifischen Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs auswirkt.
Die Konstrukteure dieser Vorrichtungen haben nicht nur die Notwendigkeit der Gewährleistung einer höheren elektrischen Ausgangsleistung zu beachten, sondern streben auch nach einem hohen Wirkungsgrad bei der Umwandlung der mechanischen Energie des durch den Motor angetriebenen Riemens in elektrische Ausgangsleitung. Dieser hohe Wirkungsgrad führt direkt zu einem insgesamt höheren thermischen Wirkungsgrad des Kraftfahrzeugs und somit zu einem sparsameren Kraftstoffverbrauch. Und schließlich spielt, wie bei allen Bauteilen für massenproduzierte Kraftfahrzeuge, der Kostenfaktor für Originalhersteller von Ausrüstungen eine große Rolle bei der Bereitstellung von konkurrenzfähigen Bauteilen.
Ein verbesserter Wirkungsgrad eines Wechselstromgenerators kann durch verschiedene konstruktive Maßnahmen erreicht werden. Der Wechselstromgenerator verwendet eine rotierende Läuferbaugruppe, die ein magnetisches Drehfeld mit wechselnder Polarität erzeugt. Diesem magnetischen Drehfeld mit wechselnder Polarität wird eine ringförmige Statorkernbaugruppe ausgesetzt, die die Läuferbaugruppe eng umschließt. Elektrische Leiterwicklungen sind in die Statorkernbaugruppe eingebettet.
Es gibt eine Reihe von Anfordrungen hinsichtlich der Konstruktion und der Herstellung von Statorkernbaugruppen, die einen Statorkern und die Wicklungen einschließen. Der Statorkern hat eine Reihe von radial vorspringenden Nuten. Einige Arten von Wechselstromgeneratoren verwenden herkömmliche Drahtleiter mit rundem Querschnitt, die in die Statorkernwicklungsnuten eingeführt sind. Diese Drähte mit rundem Querschnitt greifen in andere Windungen des Drahtes in den Nuten ein. Die Verwendung solcher runden Drähte führt zur Entstehung von mit Luft gefüllten Zwischenräumen zwischen benachbarten Drahtwindungen. Ein solcher mit Luft gefüllter Zwischenraum stellt einen ungenutzten Raum im Querschnitt des Statorkerns dar. Der elektrische Widerstand eines Massivleiters steht im Verhältnis zu seiner Querschnittsfläche. Folglich verringert der mit Luft gefüllte Zwischenraum zwischen benachbarten Windungen eines runden Drahtes in einem Stator den Wirkungsgrad, da dieser Raum nicht für das Führen von elektrischem Strom durch die Statorwicklungen zur Verfügung steht.
Eine verbesserte Konstruktion der Statorkernbaugruppe verwendet Statorwicklungen aus Draht mit rechteckigem oder quadratischem Querschnitt. Ein solcher Draht kann sehr dicht in die Statorkernwicklungsnuten gepackt werden. Somit vergrößern sich die für die Leiter zur Verfügung stehenden Querschnittsflächen, wodurch sich der Leiterwiderstand verringert. Die Verringerung des Widerstands der Statorkernwicklungen führt zu einem verbesserten Wirkungsgrad. Man sagt, dass solche rechteckigen Drahtkernkonstruktionen die „Nutenraumausnutzung" verbessern.
Die Verwendung von Draht mit rechteckigem Querschnitt für die Statorkernbaugruppe bringt zwar die oben erwähnten Vorteile, aber auch einige Schwierigkeiten bei der Konstruktion mit sich. Draht mit rechteckigem Querschnitt ist schwerer zu formen und in die Statorwicklungsnuten zu wickeln, da es notwendig ist, den Querschnitt an den Abmessungen der Nut auszurichten.
Da die Statorleiter von den beiden axialen Enden des Statorkerns aus eingeführt werden, bilden sie an ihren Enden Schleifen, um in die nächste geeignete Wicklungsnut einzugreifen. Es ist wünschenswert, die Länge bzw. Höhe dieser Endschleifen zu verringern, um die Gesamtlänge und somit den Innenwiderstand der Leiter verringern zu können.
Konstrukteure von Statorbaugruppen streben auch an, die Notwendigkeit von Enden und Anschlüssen der elektrischen Leiter in der Statorbaugruppe zu verringern bzw. zu beseitigen. Die Notwendigkeit der physischen Verbindung der Leiter in der Statorkernbaugruppe verteuert und verkompliziert den Herstellungsprozess. Durch eine vorteilhafte Konstruktion einer Wechselstromgenerator-Stator-Baugruppe könnte die Statorbaugruppe leicht an verschiedene Arten von elektrischen Anschlüssen und die Zahl der Phasen des produzierten Wechselstroms angepasst werden. Bei der Herstellung von elektrischen Wechselstromgeneratoren für Kraftfahrzeuge wird oft eine Drei phasenkonfiguration gewählt, wobei die Phasen in den bekannten Dreieck- oder Sternanordnungen geschaltet sind. Wie bereits erwähnt, wird der Wechselstrom später durch nachgeschaltete elektrische Bauelemente gleichgerichtet und konditioniert.
Ein besonderes Verfahren zum Aufwickeln der durchgehenden Leiter auf den Statorkern, das bei vielen der oben diskutierten Punkte zu Verbesserungen führt, ist in folgenden Dokumenten offenbart: US-Patentanmeldung, laufende Nummer 10/056.890, eingereicht am 24. Januar 2002, „Automobile Alternator Stator Assembly With Rectangular Continuous Wire" (Wechselstromgenerator-Stator-Baugruppe mit rechteckigem durchgehenden Draht für Kraftfahrzeuge) und die Contimation – in Part – Anmeldung, laufende Nummer US 10/265.529, eingereicht am B. Oktober 2002, „Automobile Alternator Stator Assembly With Rectangular Continuous Wire" (Wechselstromgenerator-Stator-Baugruppe mit rechteckigem durchgehenden Draht für Kraftfahrzeuge). Diese beiden Patentanmeldungen die ebenfalls auf den Anmelder der vorliegenden Anmeldung zurückgehen offenbaren ein besonderes Verfahren zum Aufwickeln von durchgehenden rechteckigen Leitern auf den Statorkern und werden hiermit durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung eingeschlossen. Bei dem in diesen Anmeldungen diskutierten Aufwickelverfahren werden Leiterendschleifen an gegenüberliegenden Enden des Statorkerns gebildet. In manchen Fällen wäre eine konstante axiale Endschleifenhöhe für alle Drahtlagen wünschenswert, in anderen Fällen wären dagegen variierende axiale Höhen der Endschleifen wünschenswert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Statorkernbaugruppe mit vorbestimmten Endschleifenhöhen anzugeben, die durch die Länge des Endschleifenabschnitts des Leiters und durch die radiale Position innerhalb des Statorkerns bestimmt werden.
Die erfindungsgemäße Wechselstromgenerator-Statorkern-Baugruppe für Kraftfahrzeuge realisiert die oben angesprochenen Ziele hinsichtlich Konstruktion und Herstellung. Die erfindungsgemäße Wechselstromgenerator-Statorkern-Baugruppe verwendet ein einzigartiges Wickelmuster, das dann besonders vorteilhaft ist, wenn Statorwicklungsleiter mit rechteckigem Querschnitt verwendet werden, wie z.B. in der US-Patentanmeldung 10/056.890 vom 24. Januar 2002, „Automobile Alternator Stator Assembly With Rectangular Continuous Wire" und in der Contimation – in – Part – Anmeldung US 10/265.529, vom 08. Oktober 2002, „Automobile Alternator Stator Assembly With Rectangular Continuous Wire".
Die Konstruktion weist eine hohe Nutenraumausnutzung auf und macht innere Schweißstellen oder andere Anschlüsse für die Leiter überflüssig. Außerdem können die Endschleifenhöhen, die über alle Drahtlagen hinweg konstant sein können, von den äußersten zu den innersten Lagen hin zunehmen oder von den äußersten zu den innersten Lagen hin abnehmen.
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich für den Fachmann auf dem Gebiet, auf das sich die vorliegende Erfindung bezieht, aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform und den beigefügten Ansprüchen im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen.
1 ist ein Querschnitt eines typischen elektrischen Wechselstromgenerators nach dem Stand der Technik;
2 ist eine Seitenansicht eines Statorkerns einer erfindungsgemäßen Statorkernbaugruppe;
3 ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts des Statorkerns mit einem Paar Leiter, die miteinander verflochten sind;
4 zeigt, wie die Wicklungen innerhalb der Nut satt anliegen;
5 ist eine perspektivische Ansicht von in Kaskaden angeordneten Leitern;
6 ist eine Draufsicht einer erfindungsgemäßen Statorkernbaugruppe;
7 ist eine Seitenansicht der A- und B-Leiter einer einzelnen Lage der Statorkernbaugruppe, wobei die Leiter hier von der Statorkernbaugruppe entfernt worden sind;
8 ist eine Seitenschnittansicht, wobei die Länge der geraden Abschnitte von Lage zu Lage unterschiedlich ist;
9 ist eine Teildraufsicht der Statorkernbaugruppe, die den Umfangsabstand zwischen zwei benachbarten geraden Abschnitten bei zwei unterschiedlichen radialen Positionen zeigt;
10 ist eine Seitenschnittansicht entlang der Linie 7-7 in 6;
11 ist eine Seitenschnittansicht entlang der Linie 8-8 in 6;
12 ist eine Ansicht ähnlich denen in 10 und 11, wobei der Endschleifenabschnitt eine alternative Form aufweist;
13 ist eine Seitenansicht eines vorgeformten Leiters für eine dreilagige Statorkernbaugruppe gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform;
14 ist eine perspektivische Ansicht der Statorkernbaugruppe gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform;
15 ist eine Seitenansicht eines vorgeformten Leiters für eine dreilagige Statorkernbaugruppe gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform;
16 ist eine perspektivische Ansicht der Statorkernbaugruppe gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform;
17 ist eine Seitenansicht eines vorgeformten Leiters für eine dreilagige Statorkernbaugruppe gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform;
18 ist eine perspektivische Ansicht der Statorkernbaugruppe gemäß der dritten bevorzugten Ausführungsform;
19 ist eine Seitenschnittansicht, worin die Leiter relativ zueinander axial verschoben sind; und
20 zeigt alternative Querschnittsformen der erfindungsgemäßen Wicklung.
1, die eine Konfiguration eines elektrischen Wechselstromgenerators nach dem Stand der Technik zeigt, soll den Rahmen für die ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bilden. 1 zeigt einen elektrischen Wechselstromgenerator 10, der von einem Gehäuse 12 umschlossen wird. Eine Ankerwelle 14 des Wechselstromgenerators wird durch ein Paar Wälzlager 16 und 18 getragen. Eine Scheibe mit Riemenantrieb 20 ist am vorspringenden Vorderende der Ankerwelle 14 befestigt. Ein Lüfter 22 dreht sich mit der Welle 14 und erzeugt Kühlluft, um Wärme aus dem Wechselstromgenerator 10 abzuleiten. Mit der Welle 14 drehen sich ein vorderer und ein hinterer Polschuh 24 bzw. 26 des Wechselstromgenerators, die ausgedehnte Klauen 28 bzw. 30 aufweisen. Die Klauen 28 und 30 greifen ineinander ein und ergeben so die bekannte „Klauenpol"-Läuferkonfiguration. Auch wenn hier ein „Klauenpol"-Läufer beschrieben wird, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass die beschriebene Statorkonstruktion auch zusammen mit anderen Läufertypen verwendbar ist, zum Beispiel Dauermagnet-Nichtklauenpolläufer, Dauermagnet-Klauenpolläufer, Schenkelpolläufer, Schleifringläufer und Induktionsläufer. Eine Erregerwicklung 32 befindet sich innerhalb des Hohlraums zwischen den Polschuhen 24 und 26. Die Erregerwicklung 32 erhält über ein Paar Schleifringe 34 und 36 und zurgehörige Bürsten ein Gleichstromsignal.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Statorkernbaugruppe 38 für eine elektrische Maschine mit einer Läuferbaugruppe und einer Statorbaugruppe. Die Statorkernbaugruppe 38 hat mindestens eine Phase und einen ringförmigen Kern 40, der einen Außenumfang 42, einen Innenumfang 44 und eine Vielzahl von radial vorspringenden Wicklungsnuten 46 hat, wobei sich die Nuten zum Innenumfang 44 hin öffnen, aber kurz vor dem Außenumfang 42 enden (siehe 2).
In 3 und 4 ist ein erster durchgehender rechteckiger elektrischer Leiter als A-Leiter 48 und ein zweiter durchgehender rechteckiger elektrischer Leiter als B-Leiter 50 bezeichnet. Der A-Leiter 48 und der B-Leiter 50 sind entlang des gesamten Umfangs des Statorkerns 40 innerhalb der Wicklungsnuten 46 ineinander verflochten. Wenn hier von rechteckigen Leitern die Rede ist, so soll der Begriff „rechteckig" natürlich auch quadratische Querschnittsformen mit einschließen. Vorzugsweise haben die Leiter 48 und 50 einschließlich der sie umgebenden Isolierung eine solche Breite, dass sie innerhalb der Wicklungsnuten 46 unter Berücksichtigung einer auf den Leitern 48, 50 vorhandenen Isolierung satt anliegen. Diese Leiter 48 und 50 sind in den Wicklungsnuten 46 dicht gepackt, wobei benachbarte Wicklungswindungen in radialer Richtung übereinander liegen. Es wird hier eine Anordnung mit zwei Leitern beschrieben. Es ist jedoch auch möglich, dass sich nur ein Leiter oder mehr als zwei Leiter entlang des gesamten Umfangs des Statorkerns innerhalb vorbestimmter Wicklungsnuten 46 befindet bzw. befinden. Außerdem könnten sich diese Leiter innerhalb der Wicklungsnuten 46 befinden, ohne ineinander verflochten zu sein. Die Leiter könnten innerhalb der Wicklungsnuten 46 auch in Kaskaden angeordnet sein. Solche in Kaskaden angeordnete Leiter sind in 18 mit 51 bezeichnet. Bei der Kaskadenanordnung der Leiter werden zwei gerade Abschnitte eines Leiters in der gleichen radialen Position innerhalb der Wicklungsnuten 46 mit einem Endschleifenabschnitt verbunden (siehe 18). Da die Leiter 51 in Kaskaden angeordnet sind, können sie so geformt sein, dass sie in den Endschleifenabschnitten in Radialrichtung ausgerichtet sind (siehe 5).
Das Wickelmuster des A-Leiters 48 und des B-Leiters 50 wird ausführlicher in folgenden Dokumenten diskutiert: US-Patentanmeldung 10/056.890, eingereicht am 24. Januar 2002, „Automobile Alternator Stator Assembly With Rectangular Cuntinuous Wire" und US Contimation – in – Part – Anmeldung 10/265.529, eingereicht am B. Oktober 2002, „Automobile Alternator Stator Assembly With Rectangular Continuous Wire". Diese Anmeldungen gehen auf den Inhaber dieser Anmeldung zurück und werden hiermit durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung eingeschlossen.
6 zeigt, dass der Statorkern 40 eine Vielzahl N von Leiterlagen einschließt. Jede Lage wird durch den A-Leiter 48 und den B-Leiter 50 jeder Phase gebildet, die sich innerhalb jeder Lage entlang des gesamten Umfangs des Statorkerns 40 erstrecken. Zum Zwecke der Beschreibung werden die hierin beschriebenen Ausführungsformen als dreilagig (N = 3) beschrieben, wobei die drei Lagen mit 52, 54 bzw. 56 bezeichnet sind. Jede der drei Lagen hat zwei Leiter pro Phase. Es sei jedoch erwähnt, dass eine erfindungsgemäße Statorbaugruppe eine beliebige Anzahl von Lagen und eine beliebige Anzahl von Leitern pro Phase aufweisen kann. Jede Phase besteht aus einem Satz durchgehender A- und B-Leiter 48 und 50, die jede Lage durchlaufen. Da die durchgehenden Leiter von einer Lage auf die nächste Lage übergehen, gibt es Übergangsendschleifen 48a und 50a, die eine Brücke zwischen benachbarten Lagen bilden und einen geraden Abschnitt einer Lage mit einem geraden Abschnitt einer inneren Lage verbinden (siehe 6).
7 zeigt die A- und B-Leiter 48 und 50 einer Phase einer einzelnen Lage, wobei die Leiter hier vom Statorkern entfernt worden sind. Sowohl der A-Leiter 48 als auch der B-Leiter 50 schließt eine Vielzahl von geraden Abschnitten 58 ein, die sich innerhalb der sich in Radialrichtung erstrekenden Wicklungsnuten 46 befinden. Die beiden Leiter schließen auch jeweils eine Vielzahl von Endschleifenabschnitten 60 ein, die sich entlang des Umfangs erstrecken, um zwei benachbarte gerade Abschnitte 58 miteinander zu verbinden. Vorzugsweise haben die geraden Abschnitte 58 in allen Lagen die gleiche Länge 62, da die axiale Länge der Wicklungsnuten 46 innerhalb des Statorkerns 40 konstant ist. Die Länge 64 der Endschleifenabschnitte 60 kann jedoch von Lage zu Lage unterschiedlich sein. Die Länge 64 der Endschleifenabschnitte 60 richtet sich nach der radialen Position der jeweiligen Lage innerhalb des Statorkerns 40 und einer vorbestimmten axialen Höhe der Endschleifenabschnitte 60 dieser Lage. Laut der bisherigen Beschreibung haben die geraden Abschnitte 58 die gleiche axiale Länge wie die Wicklungsnuten 46. Die axiale Länge der geraden Abschnitte kann sich aber auch von der axialen Länge der Wicklungsnuten 46 unterscheiden. Tatsächlich könnte die axiale Länge der geraden Abschnitte, je nachdem, in welcher Lage sie angeordnet sind, variieren. Durch das Variieren der Länge der geraden Abschnitte 58 könnte man die axiale Höhe der Endschleifenabschnitte 60 regulieren (siehe 8).
Wie die 9, 10 und 11 zeigen, haben die Endschleifenabschnitte 60 der A- und B-Leiter 48 und 50 vorzugsweise eine haarnadelförmige Krümmung, die einen Innenwinkel 66 umschließt. Durch den Statorkern 40 wird ein Umfangsabstand 68 zwischen den Wicklungsnuten 46 bestimmt. Der Umfangsabstand 68 zwischen den Wicklungsnuten 46 variiert je nach radialer Position, wobei er ausgehend von der äußersten Lage in Richtung der innersten Lage geringer wird. Die 9 und 10 zeigen, dass sich eine Endschleife 60a innerhalb einer Innenlage über einen ersten Umfangsabstand 68a erstreckt, wobei sich die haarnadelförmige Krümmung so weit öffnet, dass sie einen ersten Innenwinkel 66a umschließt, so dass die Endschleife eine erste axiale Höhe 65a hat. Die 9 und 10 zeigen, dass sich eine Endschleife 60b innerhalb einer Außenlage über einen zweiten Umfangsabstand 68b, der größer als der erste Umfangsabstand 68a ist, erstreckt, wobei sich die haarnadelförmige Krümmung so weit öffnet, dass sie einen zweiten Innenwinkel 66b umschließt, der größer als der erste Innenwinkel 66a ist, so dass die Endschleife 60b eine zweite axiale Höhe 65b hat, die geringer als die erste axiale Höhe 65a ist, und die Endschleife 60b so geformt ist, dass sie kürzer als die Endschleife 60a ist. 12 zeigt eine alternative Endschleifenform. Grundsätzlich kann eine breite Palette von Endschleifenformen verwendet werden, um auf einfache Weise unterschiedliche axiale Höhen der Endschleifen zu ermöglichen.
In 13 ist mit 70 ein Leiter bezeichnet, der sich in einem Zustand befindet, der vor seiner Verflechtung innerhalb des Statorkerns besteht. Der Leiter 70 umfasst drei getrennte Abschnitte 52a, 54a und 56a. In jedem dieser Abschnitte entspricht die Zahl der geraden Abschnitte 58 der Zahl der Wicklungsnuten 46 innerhalb des Statorkerns 40, geteilt durch die Zahl der Phasen. Jeder der Abschnitte 52a, 54a und 56a erstreckt sich um den gesamten Statorkern 40 herum und bildet somit jeweils eine Leiterlage.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform haben alle Endschleifenabschnitte 60 innerhalb jedes der Abschnitte 52a, 54a und 56a des Leiters 70 die gleiche Länge 64. Wenn der Leiter 70 innerhalb des Statorkerns 40 verflochten wird, erstrecken sich die Endschleifen 60 der äußersten Lage 52 über einen größeren Umfangsabstand 68 als die Endschleifen 60 der benachbarten mittleren Lage 54, so dass die sich ergebende axiale Höhe 72a der Endschleifenabschnitte 60 der äußersten Lage 52 geringer als die sich ergebende axiale Höhe 72b der Endschleifenabschnitte 60 der benachbarten mittleren Lage 54 ist. Desgleichen erstrecken sich die Endschleifen 60 der mittleren Lage 54 über einen größeren Umfangsabstand 68 als die Endschleifen 60 der benachbarten Innenlage 56, so dass die sich ergebende axiale Höhe 72b der Endschleifenabschnitte 60 der mittleren Lage 54 geringer als die sich ergebende axiale Höhe 72c der Endschleifenabschnitte 60 der benachbarten Innenlage 56 ist. So entsteht eine Statorkernbaugruppe 38 mit den Lagen 52, 54 und 56, deren Endschleifenhöhen von der äußersten Lage aus in Richtung der innersten Lage zunehmen (siehe 14).
Die Vorteile der ersten bevorzugten Ausführungsform bestehen in der vereinfachten Herstellung der Leiter 48 und 50. Die Leiter 48 und 50 werden so vorgeformt, dass sie die in 9 gezeigte Gestalt erhalten, bevor sie in den Statorkern 40 geflochten werden. Der vorgeformte Leiter 70 der ersten bevorzugten Ausführungsform hat überall die gleiche Endschleifenlänge 64, wodurch die Herstellung des vorgeformten Leiters 70 vereinfacht wird.
In 15 ist mit 74 ein Leiter bezeichnet, der sich in einem Zustand befindet, der vor seiner Verflechtung innerhalb des Statorkerns besteht. Der Leiter 74 umfasst drei getrennte Abschnitte 52b, 54b und 56b. In jedem dieser Abschnitte entspricht die Zahl der geraden Abschnitte 58 der Zahl der Wicklungsnuten 46 innerhalb des Statorkerns 40, geteilt durch die Zahl der Phasen. Jeder der Abschnitte 52b, 54b und 56b erstreckt sich um den gesamten Statorkern 40 herum und bildet somit jeweils eine Leiterlage.
In der zweiten bevorzugten Ausführungsform haben die getrennten Abschnitte 52b, 54b und 56b des Leiters 74 die unterschiedlichen Endschleifenlängen 64a, 64b bzw. 64c (siehe 15). Wenn der Leiter 74 innerhalb des Statorkerns 40 verflochten wird, erstrecken sich die Endschleifen 60a der äußersten Lage 52 über einen größeren Umfangsabstand 68 als die Endschleifen 60b der benachbarten mittleren Lage 54. Da jedoch die Länge 64a der Endschleifenabschnitte 60a der äußersten Lage 52 größer ist als die Länge 64b der Endschleifenabschnitte 60b der benachbarten mittleren Lage 54, entspricht die sich ergebende axiale Höhe 76 der Endschleifenabschnitte 60a der äußersten Lage 52 ungefähr der sich ergebenden axialen Höhe 76 der Endschleifenabschnitte 60b der benachbarten mittleren Lage 54. Desgleichen erstrecken sich die Endschleifenabschnitte 60b der mittleren Lage 54 über einen größeren Umfangsabstand 68 als die Endschleifenabschnitte 60c der benachbarten Innenlage 56. Da jedoch die Länge 64b der Endschleifenabschnitte 60b der mittleren Lage 54 größer ist als die Länge 64c der Endschleifenabschnitte 60c der benachbarten Innenlage 56, entspricht die sich ergebende axiale Höhe 76 der Endschleifenabschnitte 60b der mittleren Lage 54 ungefähr der sich ergebenden axialen Höhe 76 der Endschleifenabschnitte 60c der benachbarten Innenlage 56. So entsteht eine Statorkernbaugruppe 38 mit Lagen, deren Endschleifenhöhen 76 von der äußersten Lage 52 aus in Richtung der innersten Lage 56 ungefähr gleich bleiben (siehe 16).
Die zweite bevorzugte Ausführungsform bietet andere Vorteile. Wenn alle Endschleifen die gleiche axiale Höhe 76 haben und die axiale Höhe 76 minimal ist, wird der Widerstand des Leiters 74 minimiert, wodurch die Leistungsdichte und der Wirkungsgrad der Vorrichtung erhöht werden.
17 zeigt eine dritte bevorzugte Ausführungsform. Hier haben, ähnlich wie in der zweiten bevorzugten Ausführungsform, die getrennten Abschnitte 52c, 54c und 56c eines Leiters 78 die unterschiedlichen Endschleifenlängen 64a, 64b bzw. 64c. Jedoch ist in der dritten bevorzugten Ausführungsform der Unterschied zwischen den Längen 64a, 64b und 64c der Endschleifenabschnitte 60a, 60b und 60c größer als der Unterschied zwischen den End schleifenlängen der zweiten bevorzugten Ausführungsform. Wenn der Leiter 78 innerhalb des Statorkerns 40 verflochten wird, erstrecken sich die Endschleifen 60a der äußersten Lage 52 über einen größeren Umfangsabstand 68 als die Endschleifen 60b der benachbarten mittleren Lage 54. Da jedoch die Länge 64a der Endschleifenabschnitte 60a der äußersten Lage 52 hinreichend größer ist als die Länge 64b der Endschleifenabschnitte 60b der benachbarten mittleren Lage 54, ist die sich ergebende axiale Höhe 80a der Endschleifenabschnitte 60a der äußersten Lage 52 größer als die sich ergebende axiale Höhe 80b der Endschleifenabschnitte 60b der benachbarten mittleren Lage 54.
Desgleichen erstrecken sich die Endschleifenabschnitte 60b der mittleren Lage 54 über einen größeren Umfangsabstand 68 als die Endschleifen 60c der benachbarten Innenlage 56. Da jedoch die Länge 64b der Endschleifenabschnitte 60b der mittleren Lage 54 hinreichend größer ist als die Länge 64c der Endschleifenabschnitte 60c der benachbarten Innenlage 56, ist die sich ergebende axiale Höhe 80b der Endschleifenabschnitte 60b der mittleren Lage 54 größer als die sich ergebende axiale Höhe 80c der Endschleifenabschnitte 60c der benachbarten Innenlage 56. So entsteht eine Statorkernbaugruppe 38 mit den Lagen 52, 54 und 56, deren Endschleifenhöhen 80a, 80b und 80c von der äußersten Lage 52 aus in Richtung der innersten Lage 56 abnehmen (siehe 18). Es kann aber auch eine Statorkernbaugruppe 38 mit den Lagen 52, 54 und 56 konstruiert werden, deren Endschleifenhöhen 80a, 80b und 80c von der äußersten Lage 52 aus in Richtung der innersten Lage 56 zunehmen (nicht gezeigt).
Typischerweise befindet sich der Lüfter eines Wechselstromgenerators sehr nahe an den Innenlagen. Falls also alle Lagen die gleiche axiale Höhe haben oder ihre axiale Höhe von der äußersten Lage aus in Richtung der innersten Lage zunimmt, schirmen die Innenlagen die Außenlagen von der Zwangsbelüftung ab. In der dritten bevorzugten Ausführungsform nimmt die axiale Höhe der Lagen von der äußersten Lage 52 aus in Richtung der innersten Lage 56 ab, wodurch die Zwangsbelüftung direkt auf jede Lage einwirken kann.
19 zeigt eine vierte bevorzugte Ausführungsform. Hier sind die Leiter im Kern 38 axial verschoben, so dass die Endschleifenhöhen an einem axialen Ende des Kerns 38 von der äußersten Lage aus in Richtung der innersten Lage zunehmen, während die Endschleifenhöhen am entgegengesetzten axialen Ende des Kerns 38 von der äußersten Lage aus in Richtung der innersten Lage abnehmen.
Typischerweise befindet sich der Lüfter des Wechselstromgenerators oberhalb des axialen Endes des Kerns 38. Es ist also von Vorteil, die Höhe der Endschleifen 60 zu vergrößern, so dass die Kühlluft stärker auf die Endschleifen 60 einwirken kann. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass die Höhe der Endschleifen 60 zum Zwecke der besseren Kühlung zunimmt, die Gesamtlänge des Leiters aber gering bleibt, um den elektrischen Widerstand zu minimieren.
20 zeigt alternative Querschnittsformen der Leiter 48 und 50. In 20 ist die rechteckige Form mit 82 bezeichnet. Ein rechteckiger Querschnitt mit gerundeten Ecken ist mit 84 bezeichnet. Ein elliptischer Querschnitt ist mit 86 und ein quadratischer Querschnitt mit 88 bezeichnet. 4 zeigt, wie die in einer radialen Reihe ausgerichteten Leiter 48 und 50 innerhalb der Nuten 46 satt anliegen.
Die oben stehende Beschreibung umfasst die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Die Erfindung kann aber modifiziert, variiert und verändert werden, ohne vom Schutzbereich und der Bedeutung der beigefügten Ansprüche abzuweichen.

Claims

Statorkernbaugruppe (38) für einen Kraftfahrzeug-Wechselstromgenerator mit einer Läuferbaugruppe und einer Statorbaugruppe, wobei die Statorbaugruppe mindestens eine Phase und einen ringförmigen Kern (40) hat, der einen Außenumfang (42), einen Innenumfang (44) und eine Vielzahl von sich in Radialrichtung erstreckenden Wicklungsnuten (46) hat, wobei sich die Nuten (46) zum Innenumfang (44) hin öffnen, aber kurz vor dem Außenumfang (42) enden, wobei die Statorkernbaugruppe folgendes aufweist: a. einen ersten durchgehenden elektrischen Leiter (48), b. eine Vielzahl N von Leiterlagen, wobei jede Lage (52, 54, 56) durch einen im Wesentlichen vollständigen Umlauf des Leiters (48) entlang des Umfangs des Statorkerns (40) gebildet wird, c. wobei der Leiter (48): i. eine Vielzahl von geraden Abschnitten (58) aufweist, die sich innerhalb von vorbestimmten Wicklungsnuten (46) befinden, und ii. eine Vielzahl von Endschleifenabschnitten (60) aufweist, die sich entlang des Umfangs erstrecken, um zwei gerade Abschnitte (58) miteinander zu verbinden, wobei die Länge (64) der Endschleifenabschnitte (60) in Abhängigkeit von der radialen Position der jeweiligen Lage innerhalb des Statorkerns (40) und der vorbestimmten axialen Höhe der Endschleifenabschnitte (60) dieser Lage variiert wird.
Die Statorkernbaugruppe (38) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei durchgehende elektrische Leiter (48, 50) vorgesehen sind, wobei der erste Leiter (48) als A-Leiter und der zweite Leiter (50) als B-Leiter bezeichnet wird und wobei der A- und der B-Leiter entlang des gesamten Umfangs des Statorkerns (40) innerhalb der Wicklungsnuten (46) ineinander verflochten sind.
Die Statorkernbaugruppe (38) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei durchgehende elektrische Leiter (48, 50) vorgesehen sind, wobei der erste Leiter (48) als A-Leiter und der zweite Leiter (50) als B-Leiter bezeichnet wird und wobei der A- und der B-Leiter entlang des gesamten Umfangs des Statorkerns (40) innerhalb der Wicklungsnuten (46) in Kaskaden angeordnet sind.
Die Statorkernbaugruppe (38) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Endschleifenabschnitte (60) in allen N Lagen die gleiche Länge (64) haben.
Die Statorkernbaugruppe (38) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Höhe (65a, 65b) der Endschleifenabschnitte (60) ausgehend von der äußersten Lage in Richtung der innersten Lage zunimmt.
Die Statorkernbaugruppe (38) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Höhe (65a, 65b) der Endschleifenabschnitte (60) ausgehend von der äußersten Lage in Richtung der innersten Lage abnimmt.
Die Statorkernbaugruppe (38) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Endschleifenabschnitte (60) des Leiters (48) eine haarnadelförmige Krümmung haben, die einen Innenwinkel (66a, 66b) umschließt.
Die Statorkernbaugruppe (38) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (48) eine im Wesentlichen rechteckige Querschnittsform hat.
Die Statorkernbaugruppe (38) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (48) eine im Wesentlichen quadratische Querschnittsform hat.
Die Statorkernbaugruppe (38) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (48) eine im Wesentlichen elliptische Querschnittsform hat.
Die Statorkernbaugruppe (38) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (48) einschließlich einer ihn umgebenden Isolierung eine solche Breite hat, dass er innerhalb der Wicklungsnuten (46) unter Berücksichtigung einer eventuell innerhalb der Wicklungsnuten vorhandenen Isolierung satt anliegt.