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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine flüssigkeitsgekühlte, rotierende
elektrische Maschine für ein
Fahrzeug, die durch einen in einem Fahrzeug, wie z. B. einem Pkw
oder Lkw, angebrachten Verbrennungsmotor angetrieben wird.
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Es
ist noch nicht lange her, dass dahingehend Überlegungen angestrengt wurden,
einen Fahrzeug-Wechselstromgenerator für ein Motor-Leerlaufstopp-System
oder ein Motordrehmoment-Unterstützungssystem
zu verwenden.
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Das
US-Patent 4,955,944 schlägt
eine flüssigkeitsgekühlte, rotierende
elektrische Maschine vor, die über
einen flüssigkeitsgekühlten Rahmen bzw.
Gehäuse
und einen Statorkern verfügt,
der unbeweglich am Rahmen befestigt ist.
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Die
JP-A-11-146606 schlägt
eine flüssigkeitsgekühlte, rotierende
elektrische Maschine für
ein Fahrzeug vor, bei der die Spulenenden einer Statorwicklung,
die durch eine Kühlflüssigkeit
gekühlt
werden soll, mit einem Isolierharz bedeckt sind. Die Statorwicklung
muss notwendigerweise durch eine Kühlflüssigkeit gekühlt werden,
weil die Spulenenden aufgrund ihrer schlechten Wärmeleitfähigkeit einer hohen Temperatur
ausgesetzt sind.
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Die
JP-B2-2927288 schlägt
einen Fahrzeug-Wechselstromgenerator vor, bei dem jedes von einer
Mehrzahl von U-förmigen
Leitersegmenten (die nachstehend als ein U-Segment bezeichnet werden) in ein Paar
von Schlitzen eingefügt
ist und die jeweiligen Enden der eingefügten U-Segmente miteinander
in Reihe geschaltet sind, um eine Statorwicklung zu bilden.
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Ferner
offenbart das US-Patent 5,982,068 eine Statoranordnung, die einen
Statorkern und eine Mehrphasen-Statorwicklung eines Alternators
bzw. eines Wechselstromgenerators für ein Fahrzeug aufweist. Dort
besteht die Statorwicklung aus einer Mehrzahl von Leitersegmenten
mit einem Paar von Leiterelementen, die miteinander verbunden sind, um
eine erste Spulenende-Gruppe auszubilden, die auf einem axialen
Ende des Statorkerns angeordnet ist, so dass die ersten U-Windungsabschnitte
der Leitersegmente durch zweite U-Windungsabschnitte der Leitersegmente
umgeben sind, und eine zweite Spulenende-Gruppe, die auf dem anderen
axialen Ende des Statorkerns angeordnet ist, so dass die Enden der
Leitersegmente miteinander verbunden sind, um Überlappungswicklungen zu bilden.
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Die
europäische
Patentanmeldung
EP
0 302 118 A1 offenbart zudem eine rotierende elektrische Maschine,
bei der ein Ankerkern und ein Feldkern direkt an einem Zylinderblock
befestigt sind, so dass der Ankerkern und der Feldkern durch eine
Kühlflüssigkeit
gekühlt
werden, die durch eine Kühlleitung
innerhalb dieses Zylinderblocks strömt. Eine Wärmeleitung ist an dem Ankerkern
befestigt oder der Feldkern ist in die Kühlleitung innerhalb des Zylinderblocks
eingefügt,
so dass der Ankerkern oder der Feldkern effizienter gekühlt werden
können.
Eine Halterung, an der der Ankerkern und der Feldkern befestigt
sind, ist an dem Zylinderblock befestigt, und eine Kühlflüssigkeitsleitung,
die mit der Kühlleitung innerhalb
des Zylinderblocks in Verbindung steht, ist in dieser Halterung
ausgebildet, oder eine Wärmeleitung,
die teilweise in die Kühlleitung
eingefügt
wird, ist auf der Halterung angeordnet.
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Da
die Motorleerlaufdrehzahl immer geringer wurde, wurde eine Erhöhung der
elektrischen Leistung gefordert. Andererseits ist der Motorraum
kompakter ausgestaltet worden, was einen kompakteren Fahrzeug-Wechselstromgenerator
erforderlich machte. Die vorstehenden Anforderungen erhöhten notwendigerweise
den maximalen Strom oder die Stromdichte der Statorwicklung des
Generators und dessen Temperatur. Mit anderen Worten ist die Kühlleistung
der Statorwicklung einer von entscheidenden Faktoren bezüglich der
Größenabmessungen
einer rotierenden elektrischen Maschine.
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Bei
einem Motor-Generator, der eine Elektromotorfunktion aufweist, der
für ein
Motor-Leerlaufstopp-System oder ein Motordrehmoment-Unterstützungssystem
verwendet werden soll, ist es notwendig, für dessen Statorwicklung eine
viel größere Menge
an Eingangsstrom bereitzustellen als Ausgangsstrom, der durch die
Statorwicklung erzeugt werden soll. Folglich stellen sich bei der
Statorwicklung des Motorgenerators viel ernster zunehmende Probleme beim
Temperaturanstieg als bei gewöhnlichen
Generatoren.
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Zur
Verbesserung der Kühlleistung
eines herkömmlichen,
luftgekühlten
Fahrzeugs-Wechselstromgenerators des offenen Typs besteht die Möglichkeit,
den vorstehenden, flüssigkeitsgekühlten Rahmen
zu übernehmen.
Man hat festgestellt, dass die Temperatur des Stators der rotierenden
elektrischen Maschine, die den flüssigkeitsgekühlten Rahmen
aufweist, nicht so niedrig wird wie bei der gewöhnlichen rotierenden elektrischen
Maschine, obwohl erstere über
einen komplizierteren Aufbau verfügt. Dies ist einer der Hauptgründe, warum
die rotierende elektrische Maschine mit dem flüssigkeitsgekühlten Rahmen
in der Praxis nicht zum Einsatz gekommen ist.
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Die
andere flüssigkeitsgekühlte, rotierende elektrische
Maschine für
ein Fahrzeug mit mehrschichtigen Spulenenden, die durch eine Kühlflüssigkeit über einen
Harz-Isolator gekühlt werden,
weist ebenfalls folgende Probleme auf. Es ist sehr schwierig, ein
harzhaltiges Material in die Zwischenräume von Spulenenden zu füllen, die
nicht gleichmäßig verteilt
sind. Daher wird die Temperatur der Leiter innerhalb der Spulenenden
so hoch, dass das harzhaltige Material aufgrund einer Differenz
bei der thermischen Ausdehnung zwischen dem harzhaltigen Material und
den Leitern der Spulenenden Risse bildet. Folglich kann Kühlflüssigkeit
(oder Wasser) durch die Risse in das Innere der Spulenenden gelangen,
was einen Kurzschluß bewirken
kann.
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Dort
besteht der höchste
Wärmeübertragungswiderstand
zwischen Abschnitten von Leitersegmenten innerhalb der Schlitze
und den Isolatoren. Weil die Statorwicklung der herkömmlichen,
flüssigkeitsgekühlten rotierenden
elektrischen Maschine aus Runddrahtspulen gebildet ist, die nacheinander durch
eine Wickelmaschine aufgewickelt werden, ist es sehr schwierig,
den Leitfähigkeits-Raumfaktor
des Schlitzes auf einen bestimmten höheren Wert zu steigern oder
Toträume
des Schlitzes zu reduzieren.
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Wenn
die Wicklung in der vorstehend beschriebenen Weise durch eine Wicklungsmaschine aufgewickelt
wird, überlappen
die Spulen einander in einer Mehrzahl von Lagen und werden in der
radialen Richtung größer. Die
Anzahl der Leiter der Spulenenden muß jedoch begrenzt sein, weil
die Räume
an den gegenüberliegenden
Enden des Statorkerns für die
Spulenenden begrenzt sind. Dies bildet bei der Vergrößerung des
Raumfaktors ebenfalls ein Hindernis.
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Da
erheblich große
Abschnitte der Schlitze durch Toträume besetzt sind, wird die
Temperatur der Statorwicklung viel höher als die Temperatur der
Isolatoren und des Statorkerns, obwohl ein flüssigkeitsgekühlter Rahmen
bereitgestellt ist.
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Die
Entwicklung der vorliegenden Erfindung erfolgte in Anbetracht der
vorstehenden Probleme. Daher ist es eine Hauptaufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine kompakte und leistungsstarke, flüssigkeitsgekühlte, rotierende
elektrische Maschine zu schaffen.
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Ein
Hauptmerkmal der Erfindung ist eine rotierende elektrische Maschine,
die einen flüssigkeitsgekühlten Rahmen,
in dem eine Flüssigkeit
strömt, und
einen Statorkern aufweist, der starr an den Innenumfang des Rahmens
befestigt ist. Eine Statorwicklung ist aus einer Mehrzahl von in
Reihe geschlossenen U-Segmenten gebildet. Die Statorwicklung mit
den in Reihe geschlossenen U-Segmenten liefert eine hervorragende
Kühlleistung.
Folglich kann ein deutlich geringeres Verhältnis von Größenabmessung
zu Strom erreicht werden.
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In
der rotierenden elektrischen Maschine mit einem flüssigkeitsgekühlten Rahmen
ist zwischen der Wärme
erzeugenden Statorwicklung und der Kühlflüssigkeit ein Wärmeübertragungskanal
vorgesehen. Durch den Kanal wird von der Statorwicklung (einschließlich der
harzhaltigen Isolierbeschichtung), den zwischen der Statorwicklung und
den Oberflächen
der Schlitze angeordneten Isolatoren, einem Statorkern, einem Rahmen
und der Kühlflüssigkeit Wärme übertragen.
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Das
U-Segment weist eine viel größere Querschnittsfläche auf
als jeder andere Runddrahtleiter. Das U-Segment weist zudem einen
rechtwinkeligen Querschnitt auf, der an die Querschnittsform des
Schlitzes gepasst ist, wobei dazwischen sehr kleine Räume vorgesehen
sind.
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Während die
Querschnittsfläche
erhöht
wird, kann die Anzahl der Abschnitte des U-Segments, die in den
Schlitzen angeordnet ist (die nachstehend als die im Schlitz befindlichen
Abschnitte bezeichnet werden), reduziert werden. Der rechtwinkelige
Querschnitt des U-Segments bewirkt bei einem jeweiligen seiner im
Schlitz befindlichen Abschnitte einen engen Kontakt mit der Innenwand
des Schlitzes über
einen Isolator, wodurch der Wärmeübertragungswiderstand
reduziert wird.
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Aufgrund
eines großen
Leitfähigkeits-Raumfaktors
des Schlitzes weist die Statorwicklung bei der erfindungsgemäßen rotierenden
elektrischen Maschine eine große
Querschnittsfläche
auf, die einen geringen Widerstand der Statorwicklung und eine geringe
Temperatur derselben und eine hohe Stromkapazität ermöglicht.
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Da
der für
die Spulenenden der in Reihe geschalteten, U-förmigen Statorwicklung des Leitersegmenttyps
klein ist, ist der Leitfähigkeits-Raumfaktor des
Schlitzes nicht durch den Spulenendraum begrenzt, und die Temperatur
der Statorwicklung kann weiter reduziert werden.
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Der
Leitfähigkeits-Raumfaktor
des Schlitzes von einem Stator des herkömmlichen Wicklungstyps beträgt weniger
als 50%. Dies ist darin begründet, dass
die Querschnittsfläche
aufgrund des Aufwands beim Wicklungsvorgang nicht vergrößert werden kann.
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Wenn
die Querschnittsfläche
des Schlitzes des Stators die gleiche ist, kann die Wärmekapazität der Statorwicklung
der erfindungsgemäßen rotierenden
elektrischen Maschine viel größer ausgelegt werden
als die herkömmliche,
rotierende elektrische Maschine. Dies kann einen Temperaturanstieg
selbst dann unterdrücken,
wenn die Statorwicklung in kurzer Zeit mit einer großen Strommenge
versorgt wird.
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Weil
der Querschnittsfaktor des Leitersegments zunimmt, nimmt dessen
Steifigkeit zu. Die Spulenenden können gleichmäßig geformt
sein, wobei die Abstände
zwischen dem Innenumfang des Rahmens und den Spulenenden gleichmäßig werden.
Daher besteht die Möglichkeit,
den Durchmesser des Rahmens zu reduzieren, so dass der Generator
kompakt gemacht werden kann.
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Gemäß dem anderen
Merkmal der Erfindung ist die rotierende elektrische Maschine flüssigkeitsdicht
abgeschlossen. Dadurch wird der Statorwicklung Beständigkeit
gegenüber
widrigen Umwelteinflüssen
verliehen.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung ist jeder der im Schlitz befindlichen
Abschnitte über
einen Isolator dicht an einem von der Mehrzahl von Schlitzen befestigt.
Dadurch wird ein übermäßiger Temperaturanstieg
eines begrenzten Bereichs der im Schlitz befindlichen Abschnitte
verhindert.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung ist die Anzahl der Schlitze größer als
das Produkt der Anzahl der Magnetpole und der Nummer der Phase des
Stators.
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Weil
die Spulenenden einander in der radialen Richtung nicht eng überlappen,
kann kein hoher Leitfähigkeits-Raumfaktor
geschaffen werden. Weil die Leitersegmente einander in der Umfangsrichtung nicht überlappen,
können
sie dicht mit der Innenwand der Schlitze Kontakt aufnehmen. Da die
Anzahl der Schlitze zunimmt, nimmt daher der Innenflächenbereich
der Schlitze ohne Verringerung des Raumfaktors oder des Kontaktbereichs
der im Schlitz befindlichen Abschnitte mit dem Schlitz zu. Somit
kann eine Wärmeabgabemenge
erhöht
werden, und der Temperaturanstieg der Statorwicklung kann effektiver
unterdrückt
werden.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung ist jedes der Spulenenden voneinander
getrennt. Daher kann ein wärmeleitendes,
harzhaltiges Material entsprechend in die Zwischenräume zwischen
den Leitersegmenten der Spulenenden gefüllt werden.
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Ferner
nimmt das Isoliermaterial keinen direkten Kontakt mit dem Kühlwasser
auf. Daher bestünde
somit keine Möglichkeit
eines Kurzschlusses oder Masseschlusses, wenn sich darin Risse bilden würden.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung kann die Statorwicklung bei einem
Elektromotormodus mit einem stärkeren
Strom versorgt werden als im Generatormodus erzeugt wird, während eine Erhöhung der
Größenabmessungen
und der Temperaturanstieg der Statorwicklung unterdrückt wird.
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Ein
Motorgenerator für
ein Fahrzeug arbeitet als ein Elektromotor zum Starten eines Motors
oder unterstützt
einen Motor bei der Beschleunigung des Fahrzeugs. Der maximale Elektromotorstrom
wird um einige Male so stark wie der maximale Ausgangsstrom, wenn
er als Generator arbeitet. Ein derartiger maximaler Elektromotorstrom
wird innerhalb einer vergleichsweise kurzen Zeitdauer bereitgestellt.
Daher ist es sehr wichtig, innerhalb einer derart kurzen Zeitdauer
einen Temperaturanstieg einer Statorwicklung zu unterdrücken, während der
Fahrzeug-Generatormotor startet oder den Motor unterstützt.
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Die
vorstehend angegebene, in Reihe geschaltete Statorwicklung mit einem
U-förmigen Leiter weist
einen sehr hohen Leitfähigkeits-Raumfaktor, eine
sehr geringe Wärmebeständigkeit
der im Schlitz befindlichen Abschnitte und eine große Masse
der im Schlitz befindlichen Abschnitte auf. Daher kann die Statorwicklung
innerhalb kurzer Zeit einem sehr hohen Motorstrom widerstehen.
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Weitere
Aufgaben, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung
sowie die Funktionen der einschlägigen
Bestandteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachstehenden ausführlichen
Beschreibung, der angehängten
Ansprüche
und der Zeichnungen deutlich. Es zeigen:
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1 eine
Querschnittsansicht in Längsrichtung
eines Hauptabschnitts von einer flüssigkeitsgekühlten, rotierenden
elektrischen Maschine gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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2 eine
radiale Querschnittsansicht des in 1 gezeigten
Abschnitts;
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3 eine
radiale Querschnittsansicht eines Abschnitts des in 1 gezeigten
Abschnitts;
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4 ein
fragmentäres,
schematisches Diagramm, das die U-Segmente darstellt, die die in 1 gezeigte
Statorwicklung ausbilden;
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5 eine
fragmentäre,
perspektivische Ansicht, die einen Abschnitt des in 1 gezeigten
Stators darstellt;
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6 eine
fragmentäre
Abwicklung des in 1 gezeigten Stators aus Sicht
von deren mittlerer Achse in der radial äußeren Richtung;
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7 eine
fragmentäre
Abwicklung der in 1 gezeigten Statorwicklung;
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8 eine
fragmentäre,
perspektivisch Ansicht des in 1 gezeigten
Stators;
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9 ein
schematisches Diagramm, das U-Segmente darstellt, die die in 1 gezeigte
Statorwicklung ausbilden;
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10 eine
fragmentäre
Längsquerschnittsansicht
eines Hauptabschnitts für
eine flüssigkeitsgekühlte, rotierende
elektrische Maschine gemäß einer zweiten
Ausführungsform
der Erfindung;
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11 eine
fragmentäre
Längsquerschnittsansicht
eines Hauptabschnitts einer flüssigkeitsgekühlten, rotierenden
elektrischen Maschine gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung;
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12 eine
fragmentäre,
vergrößerte Ansicht
des in 11 gezeigten Stators;
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13 ein
Schaltdiagramm der in 11 gezeigten Statorwicklung;
und
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14 eine
fragmentäre
Längsquerschnittsansicht
eines Hauptabschnitts einer flüssigkeitsgekühlten, rotierenden
elektrischen Maschine gemäß einer
vierten Ausführungsform.
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Flüssigkeitsgekühlte, rotierende
elektrische Maschinen für
ein Fahrzeug gemäß einiger
der bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die angehängten Ansprüche beschrieben.
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Eine
flüssigkeitsgekühlte, rotierenden
elektrische Maschine gemäß einer
ersten Ausführungsform der
Erfindung wird unter Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben.
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Die
flüssigkeitsgekühlte, rotierende
Maschine 1 für
ein Fahrzeug weist einen Stator 2, der einen Anker betreibt,
einen Rotor 3, der Magnetfelder bereitstellt, und einen
Rahmen 4 auf, der einen Stator 2 und einen Rotor 3 trägt.
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Der
Rotor 3 ist starr an einer Welle 6, einem Paar
von Polkernen 7 mit einer Mehrzahl von Klauenpolen 73,
einem Verbindungsring 71, der das Paar von Polkernen 7 verbindet,
einer Feldspule 31 und einem feststehenden Joch 72 befestigt.
Die Wel le 6 ist mit einer Motorkurbelwelle verbunden, und
die Feldspule 31 bewirkt, dass das Paar von Polkernen 7 eine Magnetfeld
erzeugt.
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Die
Feldspule 31 ist an einer ringförmigen Nut befestigt, die im
Außenumfang
des feststehenden Jochs 72 ausgebildet ist, um sich in
radialer Richtung nach außen
zu öffnen.
Das feststehende Joch 72 ist nah am hinteren Ende des Rahmens 4 an dessen
vorderer Oberfläche
befestigt. Die Magnetflüsse
fließen
von der Feldspule 3 durch das feststehende Joch 72,
den radial inneren Abschnitt eines Polkerns 7, eine Hälfte von
allen Klauenpolen 73 der Polkerne 7, den Statorkern 32 des
Stators 2, die andere Hälfte
der Klauenpole 73 und den feststehenden Kern 72 zurück zur Feldspule 3.
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Der
Rahmen 4 weist einen vorderen Rahmen 42 und einen
hinteren Rahmen 43 auf. Der vordere Rahmen 42 weist
darin eine Kühlwasserleitung 41, ein
feststehendes Joch 72 auf dessen hintere Fläche und
einen Stator 2 auf dessen Innenumfang auf. Der hintere
Rahmen 43 schließt
die hintere Öffnung
des vorderen Rahmens 42.
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Der
Stator 2 weist einen Statorkern 32 und eine Statorwicklung
auf. Die Statorwicklung ist hauptsächlich aus einer Mehrzahl von
in Reihe geschalteten U-Segmenten 33 (die
nachstehend als U-Segmente bezeichnet werden) und den Isolatoren 34,
die die Mehrzahl von U-Segmenten 33 vom Statorkern 32 isolieren,
gebildet. Jedes der U-Segmente 33 weist einen rechtwinkeligen
Querschnitt auf. Der Statorkern 32 ist aus geschichteten,
elektromagnetischen Eisenschichten gebildet und weist eine Mehrzahl
von Schlitzen S auf, die an dem Innenumfang in gleichmäßigen Intervallen
gebildet sind. Ein Schenkel von einem der U-Segmente 33 ist
in die radial äußere Lage
des Schlitzes S eingefügt,
und ein anderer Schenkel eines anderen U-Segments 33 ist
in die radial innere Lage des gleichen Schlitzes eingefügt.
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Jedes
U-Segment 33 weist ein Paar von Schenkeln, die in unterschiedliche
Schlitze eingefügt werden
sollen, und einen Windungsabschnitt 33c auf, der das Schenkelpaar
verbindet. Der Windungsabschnitt 33c ragt vom hinteren
Ende des Statorkerns 32 rückwärts hervor. Die Abschnitte
des Schenkelpaars, die in Schlitzen S ange ordnet sind, werden als
im Schlitz befindliche Abschnitte bezeichnet, und die Abschnitte
des Schenkelpaars, das von dem vorderen Ende des Statorkerns 32 nach
vorne abstehen, werden als vorstehende Abschnitte bezeichnet. Wie
in 2 gezeigt, ist in jedem Schlitz S ein im Schlitz
befindlicher Abschnitt 33a an dessen innerer Lage und ein
im Schlitz befindlicher Abschnitt 33b an der äußeren Lage
untergebracht. Die Enden der abstehenden Abschnitte werden gebogen,
um sich in einer entgegengesetzten Umfangsrichtung zu erstrecken,
um miteinander gepaart zu werden, so dass jedes Paar miteinander
verschweißt
wird, um eine Verbindung 33d zu bilden. Dementsprechend bilden
die Windungsabschnitte 33c hintere Spulenenden 35,
und die vorstehenden Abschnitte bilden vordere Spulenenden 36 aus.
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Zwischen
den benachbarten Leitersegmenten 33 liegt ein vorgeschriebener
Abstand oder Raum vor. Die Statorwicklung ist aus im Stern geschalteten X-,
Y- und Z-Phasenwindungen
ausgebildet. Die offenen Enden der Wicklungen sind mit dem Wandler 5 verbunden,
der mit einer Batterie verbunden ist.
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Die
Statorwicklung wird unter Bezugnahme auf die 3–9 ausführlicher
beschrieben. Die in 3–9 gezeigten
Abschnitte werden gesondert zu jenen in 1 und 2 bezeichnet.
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Bei
einer Statorwicklung 1420 handelt es sich um eine im Stern
geschaltete Dreiphasenwicklung, die aus einer Mehrzahl von U-Segmenten 1433 oder
I-förmigen
Leitersegmenten (die nachstehend als I-Segment bezeichnet wird)
gebildet ist, deren Enden an einem Ende eines Statorkerns 1410 miteinander
in Reihe verschweißt
sind.
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Jedes
U-Segment 1433 ist aus einem flachen, mit einem Isolierfilm
beschichteten Draht gebildet und in eine der beiden radialen Lagen
eines Schlitzes S eingefügt.
Wie in 4 gezeigt ist, weist ein U-Segment 1433 einen
Windungsabschnitt 1433c, der ein Spulenende ausbildet,
ein Paar von im Schlitz befindlichen Abschnitten 1433r und
ein Paar von vorstehenden Abschnitten 1433s auf, die sich
jeweils von den im Schlitz befindlichen Abschnitten 1433r erstrecken.
Eines von dem Paar der im Schlitz befindlichen Abschnitte ist in
einen anderen Schlitz eingefügt,
der um π Radianten
eines elektrischen Winkels vom anderen beabstandet ist. Jedes Paar der
vorstehenden Abschnitte 1433s bildet Spulenenden aus. Die
Enden 1433d der vorstehenden Abschnitte 1433s bilden
Verbindungsabschnitte aus.
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Die
Mitte des Windungsabschnitts 1433c ist an der Spitze 1433p von
einem der vorstehenden Spulenenden, entfernt von dem Statorkern
angeordnet. Der Windungsabschnitt 1433c erstreckt sich
in einer axialen Richtung und entgegengesetzten Umfangsrichtungen
so von der Spitze 1433p, dass sich eine Seite desselben
um 0,5π Radianten
eines elektrischen Winkels in Umfangsrichtung erstreckt. Der vorstehende
Abschnitt 1433s ist ebenfalls so gebogen, dass er sich
in einer Umfangsrichtung um 0,5π Radianten
eines elektrischen Winkels erstreckt.
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Das
U-Segment 1433 ist ebenfalls in der radialen Richtung an
der Spitze 1433p gebogen, so dass eine Hälfte eines
U-Segments 1433 einschließlich einer Seite des Windungsabschnitts 1433c,
eines im Schlitz befindlichen Abschnitts 1433r und des vorstehenden
Abschnitts 1433s in der radialen Richtung um eine näherungsweise
radiale Länge
eines Leiterabschnitts 1433 von der anderen Hälfte einschließlich der
anderen Seite eines Windungsabschnitts 1433c, des im Schlitz
befindlichen Abschnitts 1433r und des vorstehenden Abschnitts 1433s verschoben
werden kann.
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Jedes
U-Segment 1433 wird von einem Ende des Statorkerns 1410 in
den Schlitz S eingefügt.
Nachdem die Paare der vorstehenden Abschnitte 1433c der
U-Segmente, die
von dem anderen Ende vorstehen, in der Umfangsrichtung gebogen worden
sind, werden Enden 1433d der vorstehenden Abschnitte 1433s gepaart
und miteinander verschweißt,
um eine in Wellenform gewickelte, im Stern geschaltete Dreiphasen-Statorwicklung 1420 auszubilden.
Wie in 5 gezeigt ist, werden ein Ende 1433d des
vorstehenden Abschnitts 1433s, das von der radial äußeren Lage
von einem der Schlitze S vorsteht, und ein anderes Ende 1433d des
hervorstehenden Abschnitts 1433s, das von der radial inneren Lage
des anderen Schlitzes S hervorsteht, miteinander verschweißt. In 4 stellen
die durchgehenden Linien vorstehende Abschnitte 1433s dar, bevor
diese gebogen werden, und die Strichlinien mit zwei Punkten stellen
dieselben dar, nachdem diese gebogen worden ist. Die Windungsabschnitte 1433c sind auf
einem Ende des Statorkerns 1410 angeordnet, und die vorstehenden
Abschnitte 1433s sind auf dem andere Ende angeordnet.
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In 6 steht
das Bezugszeichen 1434 für einen Isolator. Auf die Isolierlagen 1660 und 1670 wurde
bei dieser Darstellung verzichtet.
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Ein
Abschnitt eines Wicklungsdiagramms der U-Phasenwicklung der sechspoligen
Dreiphasen-Statorwicklung 1420 mit 18 Schlitzen ist in 7 dargestellt.
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Die
U-Phasenwicklung ist aus einer Reihenschaltung von wellenförmige gewickelten
Spulen 1433x, die durch eine durchgehende Linie dargestellt ist,
und einer wellenförmig
gewickelten Spule 1433y, die durch eine gestrichelte Linie
dargestellt ist, gebildet. Die Reihenschaltung der wellenförmig gewickelten
Spulen 1433x und die Reihenschaltung der wellenförmig gewickelten
Spulen 1433y sind um einen elektrischen Winkel π voneinander
verschoben. Ein Ende der Reihenschaltung der wellenförmig gewickelten
Spule 1433x besteht aus einem I-Segment 1436.
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Ein
I-Segment 1436, wie es in 9 gezeigt ist,
besteht aus einem vorstehenden Abschnitt 1436s, einem im
Schlitz befindlichen Abschnitt 1436r, einem Halbwindungsabschnitt 1436c und
einem Ausgangsleitungskabelabschnitt 1436z. Das I-Segment 1436 ist
aus einem geraden Leiterabschnitt gebildet, der in die erste Schlitze
S der wellenförmig
gewickelten Spule 1433x eingefügt ist. Dann wird der vorstehende
Abschnitt 1436s gebogen, und ein Ende 1436d des
vorstehenden Abschnitts 1435s wird mit einem Ende 1433d des
ersten U-Segments 1433 verschweißt. Ein Halbwindungsabschnitt 1436c wird
gebogen, um eine Hälfte
der normalen Teilung eines Windungsabschnitts 1433c in
der Umfangsrichtung zu verschieben. Der Leitungsdrahtabschnitt 1436z erstreckt
sich von einem Ende eines Halbwicklungsabschnitts 1436 über einen
vorgeschriebenen elektrischen Winkel in der Umfangsrichtung bei
einem vorgeschriebenen Abstand von einem Windungsabschnitt 1433c auf
der Seite eines Windungsabschnitts 1433c entfernt von dem
Statorkern 1410. Der Leitungskabelabschnitt 1436z erstreckt
sich ferner radial nach außerhalb,
um mit einem Verbinder (nicht gezeigt) verbunden zu werden, der
an einer Wand des Gehäuses
befestigt ist. Daher ist der Leitungskabelabschnitt 1436z in
der Nähe
des Windungsabschnitts 1433c einer windungsseitigen Spulenende-Gruppe
B axial angeordnet. Das andere Ende der wellenförmig gewickelten Spule 1433x besteht
aus einem I-Segment 1437.
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Das
I-Segment 1437 weist einen vorstehenden Abschnitt 1437s,
einen im Schlitz befindlichen Abschnitt 1437r, einen Halbwindungs-Abschnitt 1437c und
einen Verbindungsabschnitt 1437z auf. Das I-Segment 1437 besteht
aus einem geraden Leitersegment. Das gerade Leitersegment wird in
den letzten der Schlitze S der Reihenschaltung der wellenförmig gewickelten
Spulen 1433x eingefügt
und an dem Abschnitt gebogen, der dem vorstehenden Abschnitt 1433s entspricht,
so dass ein Ende 1437d mit einem Ende 1433d des
U-Segments 1433 der wellenförmig gewickelten Spule 1433x verschweißt ist.
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Ein
Halbwindungsabschnitt 1437c erstreckt sich genauso lange
wie eine Hälfte
eines normalen Windungsabschnitts 1433c in der Umfangsrichtung. Ein
Verbindungsabschnitt 1437z erstreckt sich entlang einem
Umfang um die Windungsabschnitte 1433c, bei einem bestimmten
Zwischenraum von den Windungsabschnitten 1433c über eine
erforderliche Bogenlänge.
Das Ende 1437y ist mit einem Ende 1439y eines
Halbwindungsabschnitts 1439c des I-Segments 1439 verschweißt, das
in den ersten der Schlitze S der Reihenschaltung der wellenförmige gewickelten
Spulen 1433y eingefügt
wird. Das I-Segment 1439 ist mit dem I-Segment 1437 mit
Ausnahme des Verbindungsabschnitts 1439y identisch. Bei
dem Bezugszeichen 1439d handelt es sich um das Ende des
vorstehenden Abschnitts 1439s des I-Segments 1439,
das mit dem Ende 1433d des ersten der U-Segmente 1433 der
Reihenschaltung der wellenförmig
gewickelten Spulen 1433y verschweißt ist. Das äußere Ende
der Reihenschaltung der wellenförmig
gewickelten Spulen 1433y ist das I-Segment 1438.
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Das
I-Segment 1438 weist einen vorstehenden Abschnitt 1438s,
einen im Schlitz befindlichen Abschnitt 1438r, einen Halbwindungs-Abschnitt 1438c und
einen Neutralpunktabschnitt 1438z auf. Das I-Segment 1438 ist
aus einem geraden Leitersegment gebildet, das in den letzten der
Schlitze S der Reihenschaltung der wellenförmig gewickelten Spulen 1433y eingefügt ist.
Ein Abschnitt, der dem vorstehenden Abschnitt 1438s entspricht,
ist gebogen, so dass das Ende des vorstehenden Abschnitts 1438s mit
einem Ende 1433d des letzten der U-Segmente 1433 verschweißt ist.
Der Halbwindungs-Abschnitt 1438c erstreckt sich in der
Umfangsrichtung solange wie eine Hälfte eines normalen Windungsabschnitts 1433c.
Der Neutralpunktabschnitt 1438z der U-Phasenwicklung erstreckt
sich in einem Umfang um die Windungsabschnitte 1433c, bei
einem Abstand von den Windungsabschnitten 1433c über eine erforderliche
Bogenlänge.
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Die
Neutralpunktabschnitte 1438z der I-Segmente der V-Phasen-
und der W-Phasenwicklungen weisen
die gleiche Struktur wie der Neutralpunktabschnitt 1438z des
I-Segments 1438 der U-Phasenwicklung auf. Jeder Neutralpunktabschnitt 1438z erstreckt
sich jedoch mit anderen in einem Bündel, das an dessen Ende 1438m zusammengeschweißt werden
soll, um den neutralen Punkt zu bilden.
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Bei
dieser Ausführungsform
werden Leitungskabelabschnitte 1436z, Verbindungsabschnitte 1437z,
Neutralpunktabschnitte 1438z entlang der Seite der Spulenende-Gruppe B oder in
der Nähe
der axial äußeren Seite
der windungsabschnittsseitigen Spulenenden 1433c erweitert.
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Somit
können
folgende Effekte der Erfindung erzielt werden.
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Alle
im Schlitz befindlichen Abschnitte können dicht an der Innenwand
der Schlitze über
Isolatoren oder Elemente, die den Isolatoren entsprechen, befestigt
werden. Daher können
alle im Schlitz befindlichen Abschnitten über einen Statorkern 32 und den
vorderen Rahmen 42 gleichmäßig und ausreichend durch Kühlwasser
gekühlt
werden.
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Die
Anzahl der Schlitze ist mehr als dreimal (entsprechend der Anzahl
der Phasen) so groß wie die
Anzahl der Magnetpole. Es sind beispielsweise nicht 96 Schlitze
(d. h. dreimal der Betrag von 32 Polen), sondern 192 Schlitze für einen
32-poligen Dreiphasen-Generator; oder 144 Schlitze für einen 24-poligen
Dreiphasen-Generator vorgesehen. Die Struktur mit extra vielen Schlitzen
erhöht über Isolatoren
die Kontaktfläche
der im Schlitz befindlichen Abschnitte der Leitersegmente 33 mit
den Schlitzinnenwänden,
so dass die Wärmeabgabe
der Leitersegmente noch mehr verbessert werden kann.
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Die
Temperatur der Spulenenden 35 und 36 wird im Gegensatz
zu der rotierenden elektrischen Maschine des offenen Typs höher als
bei anderen Abschnitten.
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Die
radiale Dicke und die axiale Länge
der Spulenenden der Statorwicklung, die aus in Reihe geschalteten
U-Segmenten gebildet ist, kann gegenüber einer entsprechenden Statorwicklung
mit durchgehend gewickeltem Draht reduziert werden. Das Volumen
und die Durchschnittslänge
(von den im Schlitz befindlichen Abschnitten) der Spulenenden können so
reduziert werden, dass der Temperaturanstieg der Spulenenden der
Leitersegmente 33 drastisch reduziert werden kann.
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Die
Wärme der
Spulenenden 35 und 36 kann zu einem Großteil zu
dem im Schlitz befindlichen Abschnitt geleitet werden, um dadurch
den Temperaturanstieg der Spulenenden wirksam zu unterdrücken.
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Weil
eine mit einer Abdichtung versehene, rotierende elektrische Maschine
bereitgestellt werden kann, ohne dem Temperaturanstieg der Statorwicklung
große
Beachtung zu schenken, kann eine gegenüber Umwelteinflüssen viel
robustere, rotierende elektrische Maschine als die herkömmliche,
rotierende elektrische Maschine geschaffen werden.
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Der
Abstand zwischen dem Rahmen 4 und den Spulenenden 35, 36 ist
so ausgelegt, dass er mehr als 3 mm beträgt, um einen Wirbelstromverlust des
Rahmens 4, der durch die alternierenden Magnetfelder bewirkt
wird, zu reduzieren. Es ist möglich, die
Spulenenden 35 und 36 radial nach innen zu biegen,
um den vorstehenden Abstand zu erhöhen. Weil die Leitersegmente 33 starr
genug sind, um den Abstand unverändert
beizubehalten, kann die Form der Spule der Spulenenden 35 und 36 unverändert beibehalten
werden. Dadurch kann auf die Isolierfilmbeschichtung der Leitersegmente 33 verzichtet
werden.
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Der
Leitfähigkeits-Raumfaktor
kann um mehr als 70% erhöht
werden.
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Da
zwei oder vier U-Segmente radial ausgerichtet und in jeweils einen
Schlitze eingefügt
sind, können
alle im Schlitze befindlichen Abschnitte über Isolatoren an den Innenwänden der
Schlitze befestigt werden. Daneben können zumindest weitere zwei oder
mehr Oberflächen
des U-Segments über
Isolatoren an den Innenwänden
der Schlitze des Wärme abgebenden
Statorkerns befestigt werden.
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Keiner
der im Schlitz befindlichen Abschnitte wird übermäßig erwärmt, so dass dessen Temperatur die
Wärmebeständigkeitstemperatur
der Isolierbeschichtung der Statorwicklung übersteigt.
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Wenn
der Motorgenerator bereitgestellt wird, um einen Motor mit einer
viel größeren Menge
an Eingangsstrom zu starten als durch denselben an Ausgangsstrom
erzeugt wird, kann ein Temperaturanstieg der Statorwicklung in kurzer
Zeit unterdrückt werden,
weil das Volumen der Statorwicklung relativ zu dem Statorkern und
dessen Wärmekapazität erhöht werden
kann.
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Die
flüssigkeitsgekühlte, rotierende
elektrische Maschine kann mit der Kurbelwelle über einen Riemen oder eine
Kette wie bei herkömmlichen
Alternatoren bzw. Wechselstromgeneratoren verbunden sein. Die rotierende
elektrische Maschine kann mit der Kurbelwelle über eine Zahnradgetriebeeinheit
direkt verbunden sein.
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Die
flüssigkeitsgekühlte, rotierende
elektrische Maschine für
ein Fahrzeug kann als Generator oder Elektromotor verwendet werden.
Die Struktur des Rotors oder der Statorwicklung kann auf unterschiedliche
Strukturtypen umgeändert
werden.
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Eine
flüssigkeitsgekühlte, rotierende
elektrische Maschine für
ein Fahrzeug gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung wird unter Bezugnahme auf 10 beschrieben.
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Diese
Ausführungsform
ist dadurch gekennzeichnet, dass die vorderen Spulenenden 36 der
flüssigkeitsgekühlten, rotierenden
elektrischen Maschine für
ein Fahrzeug gemäß der ersten
Ausführungsform mit
einem wärmeleitenden
Harz 300 geformt wird und mit dem Innenumfang und dem innenseitigen
Ende des vorderen Rahmens 42 der gleichen Ausführungsform
in Kontakt gebracht wird.
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Mit
anderen Worten ist jedes Leitersegment 33, das die Spulenenden 36 ausbildet,
in gleichmäßigen Spalten
von den anderen beabstandet. Daher ist es einfach, ein Flüssig- bzw.
Fluidharz 300 in die Spalten bzw. Zwischenräume für den Formvorgang einzufüllen.
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Zusätzlich kann
die Wärme
der Spulenenden 36 durch das Harz 300 zum Rahmen 4 geleitet
werden, so dass die Temperatur der Spulenenden 36 gesenkt
werden kann. Weil das Harz 300 nicht in direktem Kontakt
mit der Kühlflüssigkeit
steht, würde
es nicht zu einem Masseschluss oder Kurzschluss der Statorwicklung
kommen, selbst wenn das Harz 300 Risse bildete.
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Es
ist zudem möglich,
die Spulenenden 35 mit dem gleichen Harz auszuformen.
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In 11 bis 13 ist
eine flüssigkeitsgekühlte, rotierende
elektrische Maschine gemäß einer dritten
Ausführungsform
der Erfindung gezeigt.
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Diese
Ausführungsform
ist mit der ersten Ausführungsform
identisch, außer
dass die Anzahl der Leitersegmente 33 in einem Schlitz
4 beträgt;
es zwei Statorwicklungen 1001 und 1002 mit drei
Wellen gibt, und zwei Umwandler 1003 und 1004 vorgesehen
sind. Weil zwei Schaltkreissysteme vorhanden sind, wird die rotierende
elektrische Maschine zuverlässiger.
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Eine
flüssigkeitsgekühlte, rotierende
elektrische Maschine gemäß einer
vierten Ausführungsform
der Erfindung ist in 14 gezeigt.
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Diese
Ausführungsform
ist mit der ersten Ausführungsform
bis auf folgende Ausnahmen identisch: Es sind zwei Öffnungen,
die mit der Kühlwasserleitung 41 verbunden
sind, am Innenumfang des Rahmens 4 ausgebildet, so dass
ein Kühlwasser
den äußeren Umfang
des Statorkerns 32 direkt kontaktieren kann. Ein O-Ring 500 ist
um die beiden Öffnungen 410 angeordnet.
Daher kann die Kühlleistung
der Statorwicklung noch mehr verbessert werden.
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Eine
flüssigkeitsgekühlte, rotierende
elektrische Maschine gemäß einer
fünften
Ausführungsform
der Erfindung wird im folgenden beschrieben.
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Diese
Ausführungsform
ist mit der ersten Ausführungsform
mit Ausnahme eines Isolators 34, der modifiziert worden
ist, identisch.
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Der
Isolator 34 dieser Ausführungsform
ist aus einem feinen Pulver eines wärmeleitenden, nichtmagnetischen
Isolierharzes, wie z. B. einem polyimidhaltigen Harz, gefertigt.
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Somit
kann der Wärmeübertragungswiderstand,
der bei der praktischen Anwendung der rotierenden elektrischen Maschine
mit einem flüssigkeitsgekühlten Rahmen
bisher ein fatales Hindernis darstellte, drastisch reduziert werden,
ohne den effektiven Magnetfluß zu
reduzieren oder den Eisen- oder Kupferverlust zu erhöhen. Dadurch
kann die Temperatur der Statorwicklung weiter reduziert werden.
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Bei
der vorstehenden Beschreibung der vorliegenden Erfindung ist die
Erfindung unter Bezugnahme auf deren spezifische Ausführungsformen
beschrieben worden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass verschiedene
Modifizierungen und Veränderungen
an den spezifischen Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom weiteren Schutzbereich
der Erfindung abzuweichen, der in den beigefügten Ansprüchen aufgeführt ist. Dementsprechend ist
die Beschreibung der vorliegenden Erfindung als veranschaulichend
und nicht als einschränkend
aufzufassen.