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GEGENSTAND DER ERFINDUNG
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Die gegenwärtige Erfindung bezieht auf einen Läufer einer Drehstromlichtmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiger Läufer ist aus
US 6 307 297 B1 vorbekannt.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die Mehrzahl von allen derzeit gefahrenen Fahrzeugen benutzt Drehstromlichtmaschinen, die einen Lundell-Läufer verwenden, auch bekannt als Klauenpol-Läufer. Der Läufer erzeugt das magnetische Feld der Drehstromlichtmaschine und dreht sich innerhalb der Maschine. Der Läufer umfasst eine Spulenanordnung mit einer Feldspule aus isoliertem Kupferdraht oder aus isolierten Kupferdrähten, die auf einen, elektrisch isolierenden, Spulenkörper gewickelt sind. Der Spulenkörper sitzt auf einer Stahlnabe und isoliert die Feldspule von den stählernen Polschuhen, in welche die Feldspule zwischen Nordpol und Südpol eingeschoben ist. Das magnetische Feld wird erzeugt, wenn ein Strom durch die Kupferdrähte fließt und die Feldspule dadurch erregt wird.
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Ein Problem mit herkömmlichen Läufern ist das Verhindern der Bewegung der Feldspule innerhalb der Läuferanordnung während der Drehung. Der Läufer wird vom Motor des Fahrzeugs über einen Riemen angetrieben. Der Motor ändert während des Betriebes ständig seine Drehzahl, was zu Vergrößerung und Verminderung der Läuferdrehzahl führt. In Fahrzeugen kommt es zu einer Rate der Vergrößerung und Verminderung mit Werten von 15.000 Umdrehungen pro Minute, mit Spitzen bis 30.000 Umdrehungen pro Minute. Eine Bewegung der Drähte der Feldspule führt zu einer Vielzahl von Spulenfehlern, einschließlich Ermüdungsbruch des Drahtes, Abrieb der Isolierung und Abnutzung des Isolators des Spulenkörpers.
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Die Gestaltung des Läufers ist deshalb kritisch, um die Bewegung der Feldspule innerhalb der Läuferanordnung zu verhindern. Herkömmliche Lösungen dieses Problems umfassen sowohl Blockierlösungen zwischen der Spulenanordnung und den Polschuhen als auch die Verwendung von Epoxydharzen oder anderen Klebstoffen, um die Spulenanordnung mit den Polschuhen zu verbinden. Zum Beispiel können Vorsprünge in die Außenseite des Spulenkörpers eingeformt sein, die mit den Gegenstücken in den Polen zusammen passen, um beim Blockieren des Spulenkörpers und damit der Spulenanordnung zu helfen.
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Durch diese Blockiermechanismen wird leider etwas an Stahl von den Polschuhen entfernt, was zu einer großen magnetischen Sättigung in den Polstücken und verminderter Energiedichte führt. Zusätzlich sind die dicken Blockiervorsprünge am Spulenkörper aus dem Kunststoff des Spulenkörpers, der ein schlechter Wärmeleiter ist, hergestellt, was einen guten Wärmetransport von der Spule zu den kühleren Polen verhindert und zu einem Anstieg der Feldspulen-Temperatur führt. Ebenso beansprucht das Verwenden von Epoxydharz Raum, der sonst von der Feldspule ausgefüllt werden könnte und verhindert guten Wärmetransport, womit beides die Energiedichte der Drehstromlichtmaschine verringert. In der Summe erzeugen die gegenwärtigen Verfahren zum Halten der Feldspule in ihrer Position unerwünschte Kompromisse bei der Leistung.
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Es existiert dementsprechend ein Bedarf für einen Läufer einer Drehstromlichtmaschine, der die Bewegung der Feldspule innerhalb der Läuferanordnung verhindert, während der verfügbare Raum für die Feldspule maximiert und der Wärmetransport gesteigert wird, um die Energiedichte der Drehstromlichtmaschine zu steigern. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Läuferanordnung anzugeben, bei der eine relative Bewegung der Feldspule, insbesondere in Umfangsrichtung, besser als bisher blockiert ist und Wärmetransport sowie Energiedichte gesteigert sind. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die gegenwärtige Erfindung stellt einen Läufer einer Drehstromlichtmaschine zur Verfügung, der eine Bewegung der Feldspule innerhalb der Läuferanordnung in einer Weise verhindert, welche die Energiedichte der Drehstromlichtmaschine vergrößert. Die Form und Struktur maximiert den verfügbaren Raum für die Feldspule und ermöglicht verbesserten Wärmetransport, wobei beides sich gegenseitig steigert. Kurz gesagt ist der äußere Durchmesser der Feldspule bevorzugt größer oder gleich dem inneren Durchmesser des ersten und des zweiten Polschuhs; um so eine reibschlüssige Verbindung der Spulenanordnung mit dem ersten und dem zweiten Polschuh zu erreichen. Dies verhindert die relative Drehung der Feldspule. Auf andere Weise ausgedrückt definiert die Feldspule Vertiefungen, die den Polfingern des ersten und des zweiten Polschuhs entsprechen. Die Polfinger sind innerhalb der Vertiefungen angeordnet, um die Drehung der Spulenanordnung, relativ zum ersten und zweiten Polschuh, zu verhindern.
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Der erste und zweite Polschuh drücken die Feldspule der Spulenanordnung zusammen. Die Feldspule kann durch den ersten und zweiten Polschuh radial und/oder axial zusammen gedrückt werden. Der erste und zweite Polschuh umfassen im Allgemeinen Polfinger und eine Nabe, die Polfinger umfassen einen ersten Bereich, der sich radial von der Nabe ausdehnt, und einen zweiten Bereich, der sich axial, relativ zur Nabe, ausdehnt. Der erste Bereich und/oder der zweite Bereich der Polfinger können innerhalb der Vertiefungen angeordnet sein, wodurch Rotation verhindert wird.
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Das Fehlen jeglicher zusätzlicher Befestigung und die Vertiefungen in der Feldspule vergrößert die Menge an Kupferdraht innerhalb des Läufers und verbessert den Wärmetransport von der Feldspule zu den Polschuhen. Dieser verbesserte Wärmetransport ist ein Ergebnis von beiden, dem vergrößerten Kontaktdruck und der vergrößerten Kontaktfläche zwischen der Spulenanordnung und den Polschuhen. Alle diese Eigenschaften verbessern die Energiedichte der Drehstromlichtmaschine, während zur gleichen Zeit die sichere Befestigung der Feldspule mit den Polschuhen unerwünschte Bewegungen der Feldspule innerhalb der Läuferanordnung verhindert.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die begleitende Zeichnung, die eingeschlossen ist in die Beschreibung und ein Teil dieser ist, verdeutlicht mehrere Aspekte der gegenwärtigen Erfindung und dient dazu, zusammen mit der restlichen Beschreibung, die Prinzipien der Erfindung zu erklären, ohne einschränkend zu wirken. Die Zeichnungen zeigt in:
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1 eine perspektivische Ansicht einer Realisierung eines Läufers, entsprechend den Lehren der gegenwärtigen Erfindung konstruiert;
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2 eine Explosionsansicht, aus der die Konstruktion des Läufers, dargestellt in 1, ersichtlich ist;
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3 eine perspektivische Ansicht der Spulenanordnung;
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4 eine perspektivische Ansicht der Spulenanordnung aus 3, auf einem Polschuh angebracht; und
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5 eine vergrößerte Draufsicht auf den Läufer, dargestellt in 1.
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Während die Erfindung in Verbindung mit bestimmten bevorzugten Realisierungen beschrieben wird, ist es nicht Absicht, sie auf diese Realisierungen zu beschränken. Es ist, im Gegenteil, die Absicht, alle Alternativen, Modifikationen und Äquivalente abzudecken, die innerhalb des Geistes und des Geltungsbereiches der Erfindung, definiert in den anhängenden Ansprüchen, eingeschlossen sind.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 und 2 zeigen einen Läufer oder eine Läuferanordnung 20, konstruiert entsprechend den Lehren der Erfindung. Der Läufer weist allgemein eine Welle 22, die eine zentrale Achse durch den Mittelpunkt des Läufers definiert, und eine Schleifring-Anordnung 24 auf, um den Läufer 20 mit Energie zu versorgen. Der Läufer 20 hat weiterhin einen ersten oder vorderen Polschuh 26 und einen zweiten oder hinteren Polschuh 28. Diese einander gegenüber liegenden Polschuhe 26, 28 weisen jeweils eine Vielzahl von Polfingern 27, 29 auf, die unter gleichem Abstand auf dem Umfang der Pole 26, 28 angeordnet sind. Die Welle 22 verläuft durch das Zentrum der Polschuhe 26, 28. Eine Stoppscheibe 21 und ein Haltering 23 werden in Kombination verwendet, um die Polschuhe 26, 28 mit der Welle 22 zu verbinden, wobei auch andere Verbindungstechniken, in der Technik bekannt, angewendet werden können.
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Die Pole 26, 28 werden so eingesetzt, dass die eine Spulenanordnung 25 zwischen sich einschließen und sie umgeben. Die Spulenanordnung ist am Besten aus den 3 und 4 zu ersehen. Die Spulenanordnung 25 weist allgemein eine Feldspule 30, gewickelt auf einen Spulenkörper 50, auf. Die Feldspule hat zwei Anschlussenden 32, die in einem Schlitz, entlang der äußeren Fläche des hinteren Polschuhs 28, verlaufen; zur internen Verbindung mit der Schleifring-Anordnung 24. Die Anschlussenden 32 weisen einen Leiter 31 (dargestellt in den 2 und 3) auf, der von einer Isolierung 33 umgeben ist, um Kurzschlüsse zwischen den Anschlussenden 32 und den Stahlteilen der Polschuhe 26, 28 (nur Polschuh 28) usw. zu verhindern. Wird die Feldspule 30 über die Schleifring-Anordnung 24 und die Anschlussenden 32 mit Energie versorgt, entsteht ein magnetisches Feld, das durch die Polschuhe 26, 28 fließt, gleichzeitig wird die Läuferanordnung 20 auf der Welle 22 innerhalb der Drehstromlichtmaschine gedreht.
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Der Spulenkörper 50 isoliert die Feldspule 30 elektrisch von den Polschuhen 26, 28. Eine Konstruktion aus einem Stück kann verwendet werden, obgleich auch eine Konstruktion aus mehreren Teilen bevorzugt wird. Die Konstruktion des Spulenkörpers 50 wird hier nicht in Einzelheiten beschrieben. Ein exemplarischer Spulenkörper ist jedoch in der mitangemeldeten U.S. Anmeldung Nummer 10/264,778, angemeldet am 04. Oktober 2002, beschrieben. Diese Veröffentlichung soll hiermit vollständig zur Offenbarung der vorliegenden Anmeldung gehören. Es genügt, und dies mit Bezug auf die 3 und 4, zu sagen, dass der Spulenkörper 50 eine erste Endkappe 52 und eine zweite Endkappe 54 aufweist, die an den gegenüber liegenden Enden eines Zylinders 60 befestigt sind. Jede der Endkappen 52, 54 hat eine Vielzahl von Laschen 53, 55, die radial nach außen weisen und unter gleichem Abstand auf den Endkappen 52, 54 angeordnet sind. Die Laschen 53, 54 sind in Anzahl und Größe so angeordnet, dass sie mit den Polfingern 27, 29 der Polschuhe 26, 28 korrespondieren. Jede der Laschen 53, 55 wird über die äußere Fläche der Feldspule 30 gebogen und mit einer Lage Klebeband 40 befestigt, wie in 3 dargestellt. Mindestens eine der Endkappen 52, 54 weist einen kleinen Schlitz 36 auf, um die Anschlussenden 32 der Feldspule 30 zu führen.
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Die Spulenanordnung 25 wird auf die zentrale Nabe 46 eines Pols gepresst, in 4 auf z. B. den Pol 26. Der gegenüberliegende Pol 28 und seine Nabe (nicht dargestellt) werden dann auf das gegenüber liegende Ende der Spulenanordnung 25 in der Weise gepresst, dass die Flächen jeder Polnabe 46 einander berühren. Die Welle 22 sitzt in Presspassung in den Bohrungen der Pole 26, 28 und hält sie so miteinander in Kontakt, wie in 1 dargestellt. Es sei daran erinnert, dass die Nabe bei einigen Läufern ein separates Teil sein kann und nicht integral mit den Polstücken gebildet wird, und daher die Läuferanordnung 25 mit der Nabe in einer Art und Weise verbunden wird, die von der besonderen Rotor-Struktur bestimmt wird.
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In Übereinstimmung mit der gegenwärtigen Erfindung sind die Spulenanordnung 25 und die Polstücke 26, 28 strukturiert, dass eine unerwünschte Bewegung der Spulenanordnung 25 innerhalb des Läufers 20 verhindert wird. Zuerst wird der Querschnittsbereich der Tasche berechnet, die die Feldspule 30 am Läufer 20 aufnimmt. Im Besonderen, und am Besten in 4 zu sehen, schließt jeder der Finger 27, 29 einen ersten Bereich 61 ein, der sich radial von der Nabe 46 des Pols erweitert. Die Finger 27, 29 schließen weiterhin einen zweiten Bereich 62 ein, der sich vom ersten Bereich 61 und relativ zur Nabe 46 axial erweitert. Die zweiten Bereiche 62 haben eine innere Fläche 64, die einen inneren Durchmesser jedes Polschuhs 26, 28 definiert. Dieser, durch die Finger 27, 29 definierte, innere Durchmesser, bestimmt im Verhältnis zum Durchmesser der Nabe 46, die Größe und damit die Fläche der Tasche, welche die Feldspule 30 aufnimmt. Wie in den Fig. dargestellt, ändert sich der innere Durchmesser von einem Minimal- zu einem Maximalwert, da die inneren Oberflächen 64 radial (nach außen) geneigt sind, wenn sich die Finger 27, 29 axial, relativ zur Nabe 46, ausdehnen.
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Ist der innere Durchmesser und damit die Fläche der Tasche bestimmt, wird der Bereich des Spulendrahtes in der Weise festgelegt, dass der äußere Durchmesser der Feldspule 30 größer als oder gleich dem inneren Durchmesser des ersten und zweiten Polschuhs 26, 28 ist. Zusätzlich kann die Fläche der Feldspule größer sein als die Tasche, die durch den ersten und zweiten Polschuh gebildet wird. Das Übermaß der Spulenfläche, d. h. der Bereich der Spule, der sich über den Taschenbereich erweitern würde, ist sowohl axial als auch radial gegen die Polschuhe 26, 28 versetzt. Dies erzeugt eine reibschlüssige Verbindung zwischen der Spulenanordnung 30 und dem ersten und zweiten Polschuh, die ausreicht, eine relative Drehung der Feldspule 25 zu verhindern. Die Polfinger 27, 29 werden bevorzugt die Feldspule 30 während der Montage deutlich verformen. Wird die Feldspule 30 zusammen gedrückt, bildet sie um die Polfinger 27, 29 im Allgemeinen ein Zickzack-Muster. Werden, wie dargestellt, die inneren Flächen der Finger 27, 29 geneigt, wird der Außendurchmesser der Feldspule 30 größer als der kleinste oder gleich dem kleinsten inneren Durchmesser des ersten und zweiten Polschuhs 26, 28 gewählt. In Übereinstimmung mit diesen Prinzipien wird die Feldspule mit einem festgelegten äußeren Durchmesser, oder einer festgelegten Spulenfläche, auf den Spulenkörper 50 gewickelt. Die Laschen 53, 55 des Spulenkörpers werden über die Feldspule 30 gebogen und mit dem Klebeband 40 am äußeren Durchmesser befestigt, wie in 3 dargestellt. Wie bekannt ist, kann das Klebeband 40 weggelassen werden.
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Wie am Besten in der vergrößerten Ansicht der 5 (mit dem Klebeband 40 entfernt) gesehen werden kann, wird die Spulenanordnung 25 durch Anlegen einer geeigneten Kraft an jedem Pol 26, 28 in der Weise montiert, dass die Feldspule 30 um die Polfinger 27, 29 verformt wird und die Naben 46 der Pole miteinander in Kontakt sind. Die Feldspule 30 wird zickzackförmig um jeden der Polfinger 27, 29 in axialer und radialer Richtung verformt. Anders ausgedrückt werden auf der Feldspule 30 Vertiefungen 66 erzeugt, die in Größe und Struktur den Polfingern 27, 29 der Polschuhe 26, 28 entsprechen. Die Vertiefungen erweitern sich axial und radial und entsprechen den ersten Bereichen 61 und den zweiten Bereichen 62 der Polfinger 27, 29. Die Polfinger 27, 29 des ersten und zweiten Polschuhs 26, 28 sind innerhalb der Vertiefungen 66 angeordnet und verhindern die Drehung der Feldspule 30 der Spulenanordnung 25, relativ zum ersten und zweiten Polschuh 26, 28.
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Wie vorher ausgeführt, wird die Welle 22 durch die beiden Polschuhe 26, 28, während sie zusammen gehalten sind, geführt, um zu verhindern, dass sie sich wegen der Federkraft der verformten Feldspule 30 trennen. Ein metallener Splint (nicht dargestellt) kann, falls notwendig, eingesetzt werden, um den ersten und zweiten Polschuh 26, 28 auf der Welle 22 in der richtigen Position zu sichern. Der Splint kann Material von der Oberfläche der Polschuhe 26, 28, die um die Welle 22 angeordnet sind, in Nuten verdrängen, die auf der Welle ausgebildet sind.
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Das Zickzack-Muster um die Polfinger 27, 29 sichert, zusammen mit den Polen 26, 28, die Feldspule 30 und verhindert unerwünschtes Drehen der Spulenanordnung 25. Der Kontakt unter hohem Druck und der vergrößerte Kontaktbereich zwischen der Feldspule 30 (an ihrem Außendurchmesser und den Endflächen) und den Polfingern 27, 29 verbessern den Wärmetransport von der Spule 30 zu den Polschuhen 26, 28. Die kühlere Feldspule 30 hat einen niedrigeren elektrischen Widerstand, was zu einem verbesserten Feldstrom und damit zu einer größeren magnetischen Feldstärke und Leistungsdichte der Drehstromlichtmaschine führt. Das Zusammenpressen der Feldspule 30 erlaubt weiterhin mehr Windungen auf der Spule, was die Energiedichte ebenfalls erhöht. Gleichzeitig ist die Feldspule 30 der Spulenanordnung 25 mit den Polschuhen 26, 28 sicher verbunden, wodurch unerwünschte Drehung verhindert wird.
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Die vorangegangene Beschreibung der verschiedenen Realisierungen der Erfindung ist zum Zweck der Illustration und der Beschreibung vorgestellt worden. Es ist nicht beabsichtigt, die Erfindung auf die genau gezeigten Ausführungsbeispiele zu erschöpfen oder zu beschränken. Zahlreiche Modifikationen oder Variationen sind, mit Blick auf die obigen Lehren, möglich. Die diskutierten Realisierungen wurden ausgewählt und beschrieben, um die beste Beschreibung der Prinzipien der Erfindung und ihre praktische Anwendung zur Verfügung zu stellen und es dadurch einem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in verschiedenen Realisierungen und mit verschiedenen Modifizierungen, die als geeignet für bestimmte Anwendung erwogen werden, anzuwenden. Alle diese Modifizierungen und Variationen sind innerhalb des Geltungsbereiches der Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen festgelegt, wenn diese gemäß des Umfangs, auf das sie fair, legal und gerecht einen Anspruch haben, interpretiert werden.
