DE69601344T2

DE69601344T2 - Wechselstromgenerator für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE69601344T2
Application number: DE69601344T
Authority: DE
Inventors: Hiroaki Denso Corporation Kariya-City Aichi-Pref. 448 Ishikawa
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1995-11-02
Filing date: 1996-10-31
Publication date: 1999-07-15
Anticipated expiration: 2016-11-01
Also published as: EP0772279A1; MX9605183A; KR100271561B1; JPH09131030A; DE69601344D1; JP3709590B2; US5825116A; CN1053771C; EP0772279B1; KR970031178A; CN1162861A

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Wechselstromgenerator für ein Kraftfahrzeug, der durch einen Verbrennungsmotor angetrieben wird und Wechselstromenergie liefert.

2. Beschreibung des in Beziehung stehenden Standes der Technik

Ein herkömmlicher Wechselstromgenerator für ein Kraftfahrzeug hat einen Magnetfeldrotor mit einem Polkern vom sogenannten Lundell-Typ und einer Feldspule. Ein Teil des magnetischen Flusses, der in den Polkernen erzeugt wird, leckt durch die benachbarten Klauenpole. Daher ist der Betrag an magnetischen Fluß, der über den magnetischen Pfad des Rotors geht, gewöhnlich größer als der Betrag des magnetischen Flusses, der über die Umfangsfläche der Klauenpole geht. Im allgemeinen ist das Verhältnis zwischen der Querschnittsfläche des magnetischen Pfades des Wicklungsabschnitts der Klauenpole und dem Umfangsflächenbereich der Klauenpole ungefähr 140%, da die Querschnittsfläche des magnetischen Pfades so gestaltet ist, daß diese im Hinblick auf die Verringerung des Rotorgewichts und der Erhöhung der Ausgangsleistung bezüglich dem Gewicht von diesem zum Betrag des magnetischen Flusses proportional ist.
Um die Ausgangsleistung zu erhöhen, befinden sich zwischen benachbarten Klauenpolen Dauermagnete, wodurch die Leckage des magnetischen Flusses verringert wird (vergleiche US-A- 5132581 oder US-A-5536987). Wenn jedoch der magnetische Fluß des Dauermagneten am Stator hinzuge fügt wird, kann eine übermäßige Spannung erzeugt werden, selbst wenn die Feldspule nicht erregt ist.
Um dieses Problem zu lösen, wurde in der JPA 4-255451 ein optimales Verhältnis zwischen der Fläche der Klauenpole, mit der sich der Dauermagnet in Kontakt befindet, und der Basis-Querschnittsfläche von jedem der Klauenpole vorgeschlagen.
Wenn jedoch ein solches Verhältnis zwischen der Querschnittsfläche des Wicklungsabschnitts und der Umfangsfläche der Klauenpole auf den Rotor, der den Dauermagneten zwischen den Klauenpolen aufweist, angewendet wird, wird die Querschnittsfläche des magnetischen Pfades nicht in geeigneter Weise ausgebildet, da der magnetische Fluß des Dauermagneten nicht berücksichtigt wird. Daher verringert sich das Gewicht des Rotors nicht; die Leistung wird bezüglich dem Rotorgewicht nicht maximal.
Selbst wenn der Rotor den Dauermagneten zwischen den Klauenpolen hat, weist die Querschnittsfläche des magnetischen Pfades andrerseits nur den Abschnitt der Klauenpole, der mit dem Dauermagneten in Berührung steht, und den Basisabschnitt der Klauenpole auf; das Gewicht der Klauenpole ist kleiner als das des Stators. Daher kann das Rotorgewicht nicht ausreichend verringert werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die vorstehenden Umstände getätigt; eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen ökonomischen Wechselstromgenerator für ein Kraftfahrzeug vorzusehen, der einen Rotor mit einem Dauermagneten zwischen den Klauenpolen aufweist und eine erhöhte Leistung bezüglich dem Rotorgewicht mit einer geringeren Menge an Material erzeugt.
Diese Aufgabe wird durch einen Wechselstromgenerator nach Anspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß beträgt das Verhältnis zwischen der Querschnittsfläche je Magnetpol eines magnetischen Pfades des Nabenabschnitts des Polkerns und dem maximalen Umfangsflächenbereich von jedem der Klauenpole, der zu den Statorzähnen zeigt, zwischen 70% und 120%. Daher wird die Magnetflußdichte von jedem Magnetpfad einheitlich. In einem Test wurde festgestellt, daß, wenn das Verhältnis der vorstehenden Flächen 120% überschreitet, die Leistungserhöhung des Rotors bezüglich dem Gewicht steil abfällt. Wenn sich dieses andrerseits auf weniger als 70% verringert, erhöht sich die übermäßige Generatorspannung mit dem nicht-erregten Feld stark. Daher wird der effektive magnetische Fluß auf dem gleichen Niveau wie beim herkömmlichen Generator gehalten und das Rotorgewicht verringert; alternativ dazu wird das Rotorgewicht auf dem gleichen Niveau wie beim herkömmlichen Generator gehalten und der effektive magnetische Fluß erhöht, woraus sich eine Erhöhung der Leistung bezüglich dem Gewicht ergibt.
Entsprechend einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung werden gesinterte Ferritmagnete, die gut verfügbar sind, verwendet.
Entsprechend einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein gegenüber Zentrifugalkraft widerstandsfähiger Generator vorgesehen, indem ein Formferritmagnet aufgrund seiner niedrigen relativen Dichte verwendet wird. Der Formferritmagnet bildet ein kreisförmiges Element mit einer Vielzahl von Magnetpolen und befindet sich zwischen den Klauenpolen. Daher ist dieser einfach einzubauen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Merkmale und Besonderheiten der vorliegenden Erfindung sowie die Funktionen der in Beziehung stehenden Teile der vorliegenden Erfindung werden beim Durcharbeiten der folgenden detaillierten Beschreibung, der beiliegenden Ansprüche und der Zeichnungen deutlich. In den Zeichnungen sind:
Fig. 1 eine Schnittansicht, die einen Wechselstromgenerator für ein Fahrzeug darstellt,
Fig. 2 eine schematische Darstellung, die einen durch eine Feldspule erzeugen magnetischen Fluß und einen durch einen Dauermagnet erzeugten magnetischen Fluß zeigt,
Fig. 3 eine schematische Schnittansicht, die einen Rotor mit magnetischem Leckagefluß zeigt,
Fig. 4 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Ausgangsleistung des Rotors je Pol und den effektiven magnetischen Fluß, der den Stator erreicht, wenn kein Feldstrom angelegt ist, sowie das Verhältnis zwischen der Querschnittsfläche des magnetischen Pfades und der Umfangsfläche der Klauenpole zeigt,
Fig. 5 eine Schnittansicht, die einen magnetischen Pfad eines Nabenabschnitts je Pol darstellt, und
Fig. 6 eine schematische Ansicht, die eine, Beziehung zwischen einem Klauenpol und Zähnen des Statorkerns zeigt.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Ein Wechselstromgenerator für ein Kraftfahrzeug entsprechend der vorliegenden Erfindung wird als nächstes beschrieben.
Der Wechselstromgenerator 1 für ein Kraftfahrzeug entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist einen vorderen Rahmen 2, einen hinteren Rahmen 3, eine Stirnseitenabdeckung 4, einen Rotor und einen Stator auf.
Der vordere Rahmen 2 und der hintere Rahmen 3 sind aus einem Aluminiumdruckgußmaterial gefertigt und sind an den äußeren offenen Endabschnitten zusammengeführt. Diese sind durch eine Vielzahl von Stiftbolzen 5 und Muttern 6 befestigt.
Die Stirnseitenabdeckung 4 ist am hinteren Rahmen 3 befestigt und bedeckt eine Bürsteneinheit, die an einem Abschnitt außerhalb vom hinteren Rahmen 3 befestigt ist, einen Spannungsregler (nicht gezeigt) und eine Gleichrichtereinheit 7.
Der Rotor weist eine Welle 9, zu der die Motorrotation über eine Riemenscheibe 8 übertragen wird ein Paar von auf die Welle 9 preßgepaßten Polkernen 10 vom Lundell-Typ, eine in die Polkerne 10 gewickelte Feldspule 11, und eine Vielzahl von in den Kernen 10 angebrachten Dauermagneten 12 auf.
Die Welle 9 wird durch Lager 13 und 14 über jeweilige Nabenabschnitte 2a, 3a des vorderen Rahmens 2 und des hinteren Rahmens 3 drehbar gelagert. Die Riemenscheibe 8 ist auf einen Endabschnitt der Welle außerhalb des hinteren Rahmens 2 gepaßt und durch eine Sicherungsmutter 15 befestigt.
Ein Paar der Polkerne 10 hat einen zylindrischen Nabenabschnitt 10a, eine Vielzahl von Klauenpole 10b und Scheibenabschnitte 10c, die die Nabenabschnitte 10a und jeden der Klauenpole 10b verbinden. Die Polkerne 10 sind auf die Welle 9 von entgegengesetzten Seiten in Axialrichtung preßgepaßt, so daß sich jeder Klauenpol von einem der Polkerne zwischen zwei Klauenpolen der anderen Polkerne über die Feldspule erstreckt. Jeder der Klauenpole hat eine trapezförmige Umfangsfläche, die zur Kante hin konisch ausgeformt ist, wie es in Fig. 6 gezeigt ist. Zwei Kühlventilatoren 16 sind durch Schweißen oder ähnlichen an den entgegengesetzten axialen Endabschnitten der Polkerne 10 befestigt, um bei Drehung Kühlluft zu erzeugen.
Die Feldspule 11 ist über Leitungsdrähte 11a und 11b mit einem Paar von durch die Welle 9 getragenen Gleitringen 17 elektrisch verbunden und wird über ein Paar von Bürsten 18, die auf den Gleitringen 17 gleiten, von einer Batterie (nicht gezeigt) mit Feldstrom versorgt. Wenn der Feldstrom zur Feldspule 11 geführt wird, werden alle Klauenpole 10b von einem der Polkerne 10A auf den S-Pol magnetisiert und alle Klauenpole 10b des anderen Polkerns 108 auf den N-Pol magnetisiert.
Die Bürsteneinheit weist Bürsten 18, Federn 19, die die Bürsten gegen die Außenumfang der Gleitringe 17 vorspannen, eine Bürstenhalteeinrichtung 20, in der die Bürsten 18 und die Feder 19 gehalten werden, und eine Gleitringabdeckung 21, die den Umfang des Gleitrings 17 bedeckt, auf.
Der Stator setzt sich aus einem Statorkern 22, der in den Innenumfang des vorderen Rahmens 2 preßgepaßt ist, und einer Ankerwicklung, die sich im Statorkern 22 befindet, zusammen.
Der Statorkern 22 weist ringförmige Laminatstahlplatten mit Zähnen 22a auf, deren Anzahl in Fig. 5 und 6 gezeigt ist und die am Innenumfang von diesen ausgebildet sind, um dem Außenumfang der Klauenpole 10b gegenüber zu liegen.
Die Statorwicklung 23 hat drei getrennte Spulen in Stern- oder Dreiecksschaltung, die sich, wie es in Fig. 5 und 6 gezeigt ist, in Schlitzen zwischen den Zähnen 22a des Statorkerns 22 befinden, und erzeugt bei Drehung vom Rotor eine Wechselspannung.
Die Dauermagnete 12 sind gesinterte Ferritmagnete und befinden sich mittels eines Verbindungsmittels oder ähnlichem in Rotationsrichtung zwischen gegenüberliegenden Seitenfläche 10d der benachbarten Klauenpole 10b. Diese sind magnetisiert, so daß sie die gleiche Polung wie die gegenüberliegenden Seitenflächen der Klauenpole haben, wie es in Fig. 5 und 6 gezeigt ist.
Da, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, der magnetische Hauptfluß Φ1 am Nabenabschnitt 10a durch die Feldspule 11 in eine Richtung erzeugt wird, die zum durch den Dauermagneten 12 erzeugten magnetischen Fluß Φ2 entgegengesetzt liegt, wird der magnetische Fluß Φa (d. h. Φ1-Φ2), der durch den Nabenabschnitt 10a geht, kleiner als der Hauptfluß Φ1. Somit kann die Querschnittsfläche Sa des magnetischen Pfades je Pol des Nabenabschnitts 10a kleiner als die Querschnittsfläche des gleichen magnetischen Pfades ohne Dauermagneten gestaltet werden. Indessen entspricht in diesem Ausführungsbeispiel die Anzahl der magnetischen Polpaare der Anzahl der Klauenpole 10b von jedem der Polkerne 10. D. h., daß, wenn jeder der Kerne 10 vom Lundell-Typ sechs Klauenpole hat, die Anzahl der Polpaare 6 beträgt.
Andrerseits erreicht ein effektiver magnetischer Fluß Φd die Zähne 22a des Statorkerns 22 von der Umfangsfläche 10h der Klauenpole 10b. Der magnetische Fluß wird, bevor dieser die Zähne erreicht, vom magnetischen Hauptfluß Φ1 ausgehend um den Leckagefluß ΦL (magnetischer Leckagefluß zwischen dem Kantenabschnitt 10e sowie dem Innenumfang 10f der Klauenpole 10b und dem Außenumfang des Nabenabschnitts 10a) verringert und um den magnetischen Fluß Φ3 des Dauermagneten 12 vergrößert. Somit ist der Betrag des magnetischen Flusses, der durch die Umfangsflächen 10h der Klauenpole 10b geht, oder der effektive magnetische Fluß Φd größer als der Betrag ohne die Dauermagneten 12. Daher ist der maximale Umfangsflächenbereich Sd der jeweiligen Klauenpole 10b, der den Zähnen 22a gegenüberliegt, so gestaltet, daß dieser breiter als der maximale Umfangsflächenbereich ohne die Dauermagneten 12 ist.
Als nächstes wird ein Verhältnis zwischen der Querschnittsfläche Sa des magnetischen Pfades des Nabenabschnitts 10a je Pol und dem maximalen Umfangsflächenbereich Sd eines der Klauenpole 10b, der den Zähnen 22a gegenüber liegt, unter Bezugnahme auf die Fig. 4, 5 und 6 beschrieben.
Die in Fig. 4 gezeigte graphische Darstellung wird erhalten, wenn zwei Arten von Dauermagneten und ein Polkern mit den folgenden Eigenschaften verwendet werden:
Material des Dauermagneten:
(1) gesinterter Ferritmagnet aus Br: 44mT, HCB: 259 kA/m und BHMAX: 36,7kT/m³
(2) Formferritmagnet aus Br: 140mT, HCB: 100 kA/m und BHMAX: 3,6kT/m³
Größe des Dauermagneten:
7,7 mm Breite (zwischen den Klauenpolen angeordnet), 16 mm Länge und 100 mm Tiefe
Anzahl der Pole: 12
Material des Polkerns: kalt gestauchter Stahl mit 850: 1,68T, Hc: 2200 kA/m
Außendurchmesser des Polkerns: 90mm
Axiallänge des Polkerns: 40mm
Wenn sich die Querschnittsfläche Sa des magnetischen Flusses des Nabenabschnitts 10a je Pol bezüglich dem maximalen Umfangsflächenbereich Sd verringert, erhöht sich die Ausgangsleistung bezüglich dem Gewicht des Motors stark unter der Bedingung, daß das Querschnittsverhältnis (Sa/Sd) nicht größer als 120% ist. Das kritische Querschnittsverhältnis von 120% ist für die gesinterten Ferritmagnete und die Formferritmagnete das gleiche. Das Ausführungsbeispiel mit den gesinterten Ferritmagneten sieht bei einem Querschnittsverhältnis von 100% eine maximale Ausgangsleistung vor, die 45% größer als die Ausgangsleistung eines Generator mit einem herkömmlichen Rotor ohne Dauermagnete ist.
Andrerseits ist es notwendig, eine übermäßige Spannung zu verhindern, die durch den magnetischen Fluß Φ3 der Dauermagneten 12 verursacht wird, wenn kein Feldstrom zugeführt wird, da sich ein solches Übermaß auf die Batterie negativ auswirkt. Zu diesem Zweck ist der magnetische Sättigungsgrad des Nabenabschnitts 10a je Pol so gestaltet, daß dieser kleiner als der magnetische Sättigungsgrad der maximalen Umfangsflächenbereiches Sd der jeweiligen Klauenpole 10b ist. Zur Verringerung des magnetischen Flusses Φ3 sollte des Verhältnis der Querschnittsfläche Sa des magnetischen Pfades des Nabenabschnitts je Pol zur Querschnittsfläche Sd des jeweiligen Klauenpoles 10b, d. h. (Sa/Sd) nicht geringer als 70% sein. Da das Ausführungsbeispiel ein Verhältnis der Querschnittsflächen von 100% hat, wird eine solche übermäßige Spannung nicht erzeugt.
Daher erhöht sich die Ausgangsleistung des Rotors bezüglich dem Gewicht und wird eine übermäßige Spannung bei fehlendem Feldstrom verhindert.
In der vorstehenden Beschreibung der vorliegenden Erfindung ist die Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsbeispiele von dieser offenbart. Es ist jedoch offensichtlich, daß zahlreiche Abwandlungen und Änderungen bei den spezifischen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden können, ohne von der Erfindung abzuweichen, wie diese in den beiliegenden Ansprüchen offenbart ist. Dementsprechend ist die Beschreibung der vorliegenden Erfindung in diesem Dokument als illustrierend und nicht als beschränkend anzusehen.

Claims

1. Wechselstromgenerator für ein Fahrzeug, der aufweist:

einen Stator mit einem Statorkern (22), der eine Vielzahl von am Innenumfang von diesem ausgebildeten Zähnen (22a) hat, und mit einer Statorwicklung (23), und

einen Rotor, der sich im Stator befindet und einen Polkern (10) mit einer Vielzahl von Klauenpolen (10b) an einem Außenumfang von diesem zum Vorsehen von Magnetpolen und mit einem Nabenabschnitt (10a), eine Feldspule (11), die sich am Nabenabschnitt (10a) befindet, und einen Dauermagneten (12), der sich zwischen den Klauenpolen (10b) befindet, hat,

dadurch gekennzeichnet, daß

ein Verhältnis zwischen einer Querschnittsfläche je Magnetpol eines magnetischen Pfades des Nabenabschnitts (10a) und dem maximalen Umfangsflächenbereich von jedem der Klauenpole (10b), der den Zähnen (22a) gegenüberliegt, zwischen 70% und 120% beträgt.

2. Wechselstromgenerator nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis ungefähr 100% ist.

3. Wechselstromgenerator nach Anspruch 1, wobei der Dauermagnet (12) einen gesinterten Ferritmagneten aufweist.

4. Wechselstromgenerator nach Anspruch 1, wobei der Dauermagnet (12) einen Formferritmagneten aufweist.

5. Wechselstromgenator nach einem der Ansprüche 1, wobei jeder der Klauenpole (10b) des Polkerns (10) eine ungefähr trapezförmige Umfangsfläche, die den Zähnen (22a) gegenüberliegt, hat.

6. Wechselstromgenator nach Anspruch 1, wobei der Dauermagnet (12) zwischen den Klauenpolen (10b) mit einem bestimmten Abstand zur Feldspule (11) angeordnet ist.

7. Wechselstromgenerator nach Anspruch 1, wobei die Feldspule (11) in enger Berührung mit den Scheibenabschnitten (10c) des Rotorkerns (10) angeordnet ist.