(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータ（２０）と多相巻線（１８）を有するステータ（１６）とを備えた、自動車用のオルタネータにおいて、
該ロータ（２０）の磁極（３２）はクローポールとして形成されており、
該多相巻線（１８）は分数スロット巻きとして形成されており、
ａ）前記ステータの巻線（１８）は５相で形成されており、かつ、１／４〜７／４の毎極毎相スロット数を有するか、
または、
ｂ）前記ステータの巻線（１８）は７相で形成されており、かつ、１／４〜５／４の毎極毎相スロット数を有し、
前記ステータの巻線（１８）のスロット数（Ｎ）は前記ロータ（２０）の極数（２ｐ）の１．５倍を上回る、
ことを特徴とする、オルタネータ。
【請求項２】
前記ステータの巻線（１８）は、１／４以上かつ１未満の毎極毎相スロット数を有する、請求項１記載のオルタネータ。
【請求項３】
前記ロータ（２０）は１０〜２０の間の極数（２ｐ）を有する、請求項１または２記載のオルタネータ。
【請求項４】
前記ロータ（２０）は１２〜１６の間の極数を有する、請求項３記載のオルタネータ。
【請求項５】
前記ステータの巻線（１８）のスロット数（Ｎ）は前記ロータ（２０）の極数（２ｐ）の２倍を上回る、請求項１から４までのいずれか１項記載のオルタネータ。
【請求項６】
前記ステータの巻線（１８）のスロット数（Ｎ）は１５〜１５０である、請求項１から５までのいずれか１項記載のオルタネータ。
【請求項７】
前記ステータの巻線（１８）のスロット数（Ｎ）は４０〜１００である、請求項６記載のオルタネータ。
【請求項８】
前記ステータの巻線（１８）は２層巻線として形成されている、請求項１から７までのいずれか１項記載のオルタネータ。
【請求項９】
前記ステータの薄板積層体（１７）はフラット積層薄板として形成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載のオルタネータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
従来技術
本発明は、たとえばＤＥ３１４１１５３Ａ１から公知の、自動車用のオルタネータに関する。このようなオルタネータは、３相のステータ巻線を有し元はフラット積層薄板として構成されたステータ薄板積層体を有し、このステータ巻線に、クローポールとして形成されたロータ極によって、ロータとともに回転する磁界が誘導される。このような発電機は、極数および相数の整数倍であるスロット数を有する巻線を備えており、とりわけ、１２極および３相と３６のスロット数とを有する多相発電機が慣用されている。さらに、４８個のスロットを有する１６極構成の３相発電機も、自動車用の発電機として公知である。スロット数Ｎを極数２ｐおよび相数ｍで除算して得られるこのような機器の毎極毎相スロット数ｑは整数であり、上記の場合には値１を有する。
【０００２】
毎極毎相スロット数が２または３である巻線を有する発電機も公知である。毎極毎相スロット数が２であり極数が１２である３相の巻線は７２個のスロットを有し、毎極毎相スロット数が３である３相の巻線は１０８個のスロットを有する。１６極構成の３相発電機は、毎極毎相スロット数ｑ＝１の場合には４８個のスロットを有し、毎極毎相スロット数ｑ＝２の場合には９６個のスロットを有する。
【０００３】
３相発電機の他に自動車用には、毎極毎相スロット数がｑ＝１である６相機も公知である。このような６相機は、１２極構成の場合には７２個のスロットを有し、毎極毎相スロット数ｑ＝１を有する機器が１６極で構成されている場合にはスロット数は９６個になる。
【０００４】
市場に出荷されている自動車用の発電機の上述の例から、可能なスロット数の選択肢は少なく、スロット数はすぐに大きい値をとってしまうので、ステータの歯は非常に細く、打ち抜きするのが困難になり、スロット断面積は小さくなり、ステータの巻回は困難になって充填率が低くなってしまうことが容易に理解できる。
【０００５】
さらにたとえば、Boedefeld および Sequenz による教本"Elektrische Maschinen"（出版：Springer-Verlag、ウィーン、１９６２年）第１２６頁に、分数スロット巻きの基本が公知である。しかし、このような分数スロット巻きは、その実施例が同教本の第１２８頁に挙げられているように、大型機器にしか実用化されていない。分数スロット巻きの毎極毎相スロット数ｑは、スロット数Ｎを極数２ｐおよび相数ｍで除算して得られた商であり、整数ではなく分数である。大型機器製造の現場から、とりわけ大型の同期発電機で分数スロット巻きを採用することが公知であり、ここでは、毎極毎相スロット数がｑ＝２．５または３．５である巻線を使用する。
【０００６】
発明の概要
従来技術に対し、自動車用のオルタネータのステータの本発明による構成は、ステータのスロット数の選択にかかる上記の制限と、このことによって生じる、巻線の構成および製造の機械的および電気的な欠点とを、少なくとも格段に低減できるという利点を有する。とりわけ、比較的多い相数の機器では、ステータ薄板に有利な打ち抜き形状と、可能な限り簡単な巻回技術と、良好なスロット充填率とが実現されるように、ステータの構成を改善しなければならない。このことは、ステータ巻線を分数スロット巻きとして形成することによって実現される。このようにしてとりわけ、１０〜２０の間の極数によって、有利には極数１２または１６によって、製造技術の観点で特に有利な機器の構成が実現される。少ないクローで極数を小さくするためには、クローポールに対する変形力を大きくしなければならず、クローポールの成形が困難になり、極数が過度に多くなって異なる極性のクロー間の間隔が小さいと、磁気損失が高くなってしまう。
【０００７】
ステータ巻線のスロット数に関しては、極数の１．５倍を上回る数を選択し、有利には極数の２倍を上回る数を選択するのが目的に適っている。このことにより、１０〜２０極の機器で巻線の毎極毎相溝数のｑを適切に制限すると、スロット数は１５〜１５０の間になり、有利には４０〜１００の間になる。この上限は、高精細なスロットおよび磁極の幾何的形状を打ち抜き成形する際の製造技術的な困難さと、コイルを非常に狭いスロットに挿入する際の問題とによって決定される。適切なスロット数の下限は、発電機の合成磁界曲線中の比較的大きい高調波成分と、これに起因して発生する、電圧曲線と正弦波との比較的大きな偏差および／または比較的高い損失とによって得られる。
【０００８】
自動車用のオルタネータの本発明による構成で目的に適った相数は、３〜９の間である。相数が小さすぎると、生成された電圧中のリプルが増幅されて磁気ノイズが高くなるので、下限である相数３を下回ってはならない。機器の構成には基本的に大きな相数が適しているが、このような発電機を自動車において発電機として使用することを意図している場合には、合成電圧を整流するための結線コストおよび素子コストが高くなる原因となる。したがって、９相の上限を超えてはならない。ここで有利には、５相の巻線が次のように構成される。すなわち、２つの隣接する相間に３２°ｅｌ〜４０°ｅｌの角度ずれが生じるように構成され、とりわけ３６°ｅｌの角度ずれが生じるように構成される。６相の巻線は、６つの相が２８°ｅｌ〜３２°ｅｌシフトされた２つのスター結線体を成すように結線され、有利には３０°ｅｌシフトされた２つのスター結線体を成すように結線されるように構成されるのが目的に適っている。ここでは、これらスターの中性点は接続されない。７相の巻線の場合、電気角シフトが等しいストランドを相互に直列接続することができる。この直列接続では、そのつど少なくとも１つの隣接するストランドを飛ばす。ステータ巻線は有利には導体セグメントから形成される。
【０００９】
機器が３相構成である場合の適切な毎極毎相スロット数ｑとしては、１／２〜３未満の間の値が有利であり、有利には３／４〜２未満の間の値が有利であることが判明している。６〜９の間の相数の値では一般的に、１未満の毎極毎相スロット数ｑが目的に適っている。特に有利には機器が５相構成である場合、１／２〜７／４の間の毎極毎相スロット数が適しているが、１未満の毎極毎相スロット数も有利である。基本的に、毎極毎相スロット数は可能な限り小さくなければならない。というのもそうでなければ、とりわけ比較的多い相数の機器の場合、合計スロット数は格段に大きくなり、上記で述べた製造技術的および巻回技術的な困難さも大きくなるからである。その時点で適した毎極毎相スロット数の下限も合計スロット数から決定されるが、スロット数が小さすぎると、エアギャップ磁束中の合成高調波成分に関する上記の欠点が生じてしまう。
【００１０】
本発明による分数スロット巻きは２層巻線として形成されるのが目的に適っている。というのもこのような構成で、巻線を挿入する際に多くの手段を使用できるからである。ステータ薄板積層体は有利には、まずはフラット積層薄板として形成される。というのもこうすることによって、巻線の挿入が簡単になり、かつ充填率が格段に上昇し、最大５０％のオーダで上昇するからである。さらに本発明による分数スロット巻きは、ステータがフラット積層薄板として構成される場合、該フラット積層薄板の始点および終点におけるコイルの突出が僅かになるように形成できるので、次に該フラット積層薄板を円形のステータ薄板積層体になるように撓曲する工程が、隣接するスロットに巻線突出部を挿入することに関して、整数スロット巻きより格段に容易になる。
【００１１】
図面の簡単な説明
図面に本発明の実施例が示されており、この実施例を、以下の説明と、本発明による分数スロット巻きの可能な実施形態を示す添付表とで詳細に説明する。
【００１２】
図面
図１  クローポールロータを有する自動車用の多相発電機の縦断面図である。
【００１３】
図２  毎極毎相スロット数がｑ＝１である従来の３相の整数スロット巻きを示す。
【００１４】
図３  極数が４でスロット数が１５で２層巻線として構成された３相機に適用される分数スロット巻きの実施例を示す。ここでは、相Ｕの結線のみが示されている。
【００１５】
図４  フラット積層薄板として構成されたステータの薄板積層体の断片図である。
【００１６】
本発明の実施形態
図１に、自動車用の多相発電機１０の断面が示されている。これはとりわけ、２つの部分から成るケーシング１３を有し、これは第１のベアリングシールド１３．１および第２のベアリングシールド１３．２から成る。ベアリングシールド１３．１およびベアリングシールド１３．２はステータ１６を収容する。このステータ１６は円環形の薄板積層体１７を有し、この薄板積層体１１のスロットは内側に向かって開放されて軸方向に延在し、このスロットにステータ巻線１８が嵌め込まれている。環状のステータ１６は、半径方向に内側を向く表面で、電磁的に励磁されるロータ２０を包囲し、該ロータ２０はクローポール可動子として形成されている。ロータ２０はとりわけ２つのクローポールプレート２２および２３から成り、これらのクローポールプレート２２および２３の外周にはそれぞれ軸方向に延在するクローポールフィンガ２４および２５が配置されている。両クローポールプレート２２および２３は、該クローポールプレート２２および２３の軸方向に延在するクローポールフィンガ２４ないしは２５がロータ２０の周面においてＮ極およびＳ極として交互になるように、該ロータ２０に配置される。このようにして、逆方向に磁化されるクローポールフィンガ２４および２５間に磁気的に必要なクローポールスペースが得られる。外側のエッジでクローポールフィンガ２４および２５はノイズ低減のために軽く面取りされる。この面取りと分数スロット巻きを有するステータ１６とを組み合わせると、整数スロット巻きを有するステータと比較して面取りを縮小することができる。というのも分数スロット巻きを使用することで、磁界曲線の正弦波が改善されることにより、いずれにしてもノイズ発生がすでに低減されるからである。
【００１７】
ロータ２０は、シャフト２７と、各ロータ側に１つずつ設けられた転がり軸受２８とによって、各ベアリングシールド１３．１ないしは１３．２に相対回動可能に支承される。ロータ２０は、軸方向の端面を２つ有し、これら端面にはそれぞれファン３０が固定されている。このファン３０は基本的に、プレート形ないしはディスク形の部分から成り、この部分からファンブレードが公知のように出ている。ファン３０は、ベアリングシールド１３．１および１３．２の開口６０を介して、電気機器１０の外側と該電気機器１０の内側空間との間で空気交換を行うために使用される。こうするために、開口４０はベアリングシールド１３．１および１３．２の軸方向の端面に設けられており、ベアリングシールド１３．１および１３．２を介してファン３０によって冷却空気が電気機器１０の内側空間に吸入される。この冷却空気はファン３０の回転によって半径方向に外側に加速され、駆動側に設けられた冷却空気透過性の巻回端部４５と電子回路側に設けられた冷却空気透過性の巻回端部４６とを透過する。このような作用により、巻回端部は冷却される。冷却空気は巻回端部を透過するかないしは該巻回端部の周囲を流れた後、半径方向に外側に向かって、図中に示されていない開口を通る。
【００１８】
図１の右側に、種々の部品を周辺の影響から保護する保護キャップ４７が設けられている。この保護キャップ４７はたとえば、励磁巻線５１に励磁電流を供給するスリップリングモジュール４９を被覆する。このスリップリングモジュール４９の周囲に冷却体５３が配置されており、これはここでは正極冷却体として作用する。いわゆる負極冷却体としては、ベアリングシールド１３．２が機能する。ベアリングシールド１３．２と冷却体５３との間に接続プレート５６が配置されている。これは、ベアリングシールド１３．２に固定された負極ダイオード５８と、同図には示されていない正極ダイオードとを冷却体５３において、ブリッジ回路の形態で相互に接続する。
【００１９】
図２に、毎極毎相スロット数がｑ＝１であるステータの整数スロット巻線１８の巻き方が、３相機を例に示されている。この３相機の基本巻きが３６で示されている。これは、この巻線の巻回を周期的に継続する基礎となる多極巻線の区間である。対称的な巻き方では、基本巻き３６は機器の１磁極ピッチまたは複数の磁極ピッチにわたって延在し、この事例では２磁極ピッチにわたって延在する。最大で基本巻き３６は、図３に分数スロット巻きを有する４極機の例で示されているように、機器の全周縁を含む。このことは同図でさらに詳細に説明する。図２に示された整数スロット巻きでは、巻線の巻回は常に１つの極対の後に周期的に継続することができる。この基本巻きは１つの極対にわたる。このような巻線はさらに、２つの磁極で対称的に構成され、差込巻線の場合には次のように構成される。すなわち、巻回端部４５の領域における巻線結線部が機器の駆動側に存在し、かつ、対向する巻回端部４６の領域において導体が一体形に形成され、Ｕ形に撓曲されるように構成される。
【００２０】
図３に分数スロット巻きの実施例として、２つのコイル側を有する２層巻線として各スロット３４内に形成された３相巻線が示されている。ここでは概観しやすくするため、相Ｕの接続のみが示されている。この巻線は、極数が４で相数が３でスロット数が１５である機器に関して示されている。この巻線の巻き方は、極数が４の倍数に相応するすべての機器構成形態でも同様に、周期的に継続することができ、本願の実施形態の範囲内では、極数が２ｐ＝１２、２ｐ＝１６および２ｐ＝２０である機器でも同様に、周期的に継続することができる。したがって、ここで一例として挙げられた、ｑ＝５／４の毎極毎相スロット数を有する分数スロット巻きは、２ｐ＝１０；１４および１８の極数では実施できない。以下の表から、スロット数と極数との実施可能な組み合わせが理解できる。これらの表から、比較的多く書き出されたこれらの毎極毎相スロット数で実施可能な次のような巻き方、すなわち、表の上部に挙げられた相数ｍを有する対称的な多相システムを構成するための巻き方を理解できる。
【００２１】
整数スロット巻きでは基本巻きは１つの極対を含み、すべての磁極でこの巻き方を周期的に継続するのに対し、分数スロット巻きでは、隣接する磁極では対称的な構成にならない。この基本巻きはたいてい複数の極対にわたるが、毎極毎相スロット数ｑが分母に２の数を有する分数スロット巻きの場合だけは、基本巻きは１つの極対にのみわたる。すなわちこのことは、ｑ＝１／２，３／２，５／２等の毎極毎相スロット数に当てはまる。しかしこの巻き方は、対称的な構成を有さず、隣接する２つの磁極では対称的な通電パターンを有さない。
【００２２】
図３に示された実施例による分数スロット巻きは、数式
ｑ＝Ｎ／（２ｐ・ｍ）
にしたがうと、スロット数が１５で極数が４で相数が３である場合、ｑ＝５／４＝１．２５の毎極毎相スロット数を有することになる。すなわち、基本巻き３６は１つの極対にわたるのではなく２つの極対にわたり、１５スロットすべてを包括する。個々のコイルを結線して巻回端部を形成するためのこのような多くの手法は、子細に至るまで図示することはできないが、当業者には慣用技術であり、発明的な工夫を凝らさなくても機器の全体構成に沿うように実施することができる。ここではとりわけ、個々の部分コイルのコイル幅と結線とを、図３の実施例に示されたのと異なって選択することができる。
【００２３】
図３に示された２層巻線は、スリップ巻線として形成されている。しかし、製造技術的な利点を提供する軸巻線も可能であることが多い。というのも、軸巻線は一続きのワイヤでより簡単に巻回できるからだ。それに対して、スリップ巻線の巻回端部４５における結線部は比較的短いが、巻回端部の数多くの構成形態もここでは挙げられておらず、当業者に委ねられる。
【００２４】
図４は、いわゆるフラット積層薄板として構成されたステータ１６の薄板積層体１７の製造技術的な観点で有利な構成を示す。ここでは積層薄板１７の個々の薄板は、直線的かつ平坦な帯状材料を打ち抜きして形成された後に積層され、コイルがスロット３４に挿入される。その後に初めて、薄板積層体１７は製造済みのステータ巻線１８と一緒に変形されて円環状のステータを成し、その際には、薄板積層体１７の端部で突出するコイル部分が変形された後に、所属のスロット３４に押入される。このような方法は、ステータ巻線１８が分数スロット巻きとして形成される場合に特に有利である。というのもこの分数スロット巻きによって、フラット積層薄板の端部で巻線の突出部の数が低減するように、巻線１８の構成および配置を行えるからである。
【００２５】
添付表に、３相、５相、６相、７相および９相を有する機器に対応するスロット数および極数の組み合わせが示されている。ここでは、機器の構成が対称的にならない組み合わせには下線が引かれており、実現可能な組み合わせには下線が引かれていない。これらの種々の表はそれぞれ相数に応じて、１５〜１５０の間の可能なスロット数を示しており、相数２ｐ＝１０，２ｐ＝１２，２ｐ＝１４，２ｐ＝１６，２ｐ＝１８および２ｐ＝２０に分類されている。スロット数と分数スロット巻きの対応する毎極毎相スロット数との特に有利な組み合わせが、極数２ｐ＝１２および２ｐ＝１６に関しては別個の表に示されている。
【００２６】
上述されたパラメータの他に、ここでは、自然数である相数ｍＮが分数スロット巻きの実施可能性に重要である。ここでは、スロット数Ｎは自然数の相数ｍＮで整数に割り切れなければならず、そうでなければ、各スロット数で対称的な巻き方を実施できない。自然数である相数ｍＮは、２つの隣接するスロットの位相シフトｐ・３６０°／Ｎから得られる。電圧のみが、この電気的なスロット角度または該電気的なスロット角度の整数倍によって形成できるので、自然数である相数ｍＮ＝Ｎ／（ＧＣＤ（Ｎ，２ｐ））は、その時点のスロット数Ｎと該スロット数および極数２ｐの最大公約数との商から得られる。
【００２７】
自然数である相数ｍＮは、どの相数が機器で実現可能であるかを示す。これは、自然数である相数の除数である相数である。このことから、対称的なシステムでは、自然数である相数ｍＮは実現可能な相数ｍの倍数に等しくなければならないということになる。
【００２８】
したがってまとめると、とりわけ比較的相数が多い機器に当てはまる、発電機の構成形態が大きく制限されるという欠点は、分数スロット巻きを適用することによって格段に低減できると言うことができる。このことはとりわけ、毎極毎相スロット数が１未満である分数スロット巻きを使用する場合に当てはまり、このような分数スロット巻きでは、実現可能なスロット数の付加的な構成が数多く得られる。その際には、機器の製造が有利な打ち抜き成形と簡単な巻線技術と高いスロット充填率とによって格段に簡単になって電気的特性が格段に改善されるように、スロット数および相数を選択することができる。それゆえ、とりわけ、高調波に起因するトルク変動とノイズと、それによって得られる電圧波形および損失に関する欠点とは、多相ステータ巻線を有する電磁的に励磁されるクローポールロータを備えた自動車用の発電機において、著しく低減することができる。
【００２９】
このようなロータの特別な実施形態に関しては、制限は存在しないので、たとえば、クローポール間の漏れ磁束を補償するために付加的な手段を講じることができ、たとえばクローポール間のスペースに永久磁石を配置することができる。機器ロータのこのような構成はＤＥ１９９５１１１５Ａ１に詳述されており、本発明による発電機でも適用することができる。このような付加的な永久磁石は、極数が比較的少なく極幅が相応に大きいステータ構成において特に有利に作用し、磁気短絡が増幅されるので、ここでは、永久磁石による漏れ磁束の補償が特に有利である。
【００３０】
発電機の動作中に発生するノイズの低減に関しては、さらに別の構成形態を実施することができ、たとえば非磁性カバーによるロータ２０の被覆の形態で、とりわけクローポール間スペースの領域で別の構成形態を実施することができる。
【００３１】
スロット数と極数との組み合わせ
【表１】
0005558813.tif 000002
【００３２】
【表２】
0005558813.tif 000003
【００３３】
【表３】
0005558813.tif 000004
【００３４】
【表４】
0005558813.tif 000005
【００３５】
【表５】
0005558813.tif 000006
【００３６】
・３相機では、明示的には以下の組み合わせが考えられる：
【表６】
0005558813.tif 000007
【００３７】
・５相機では、明示的には以下の組み合わせが考えられる：
【表７】
0005558813.tif 000008
【００３８】
・７相機では、明示的には以下の組み合わせが考えられる：
【表８】
0005558813.tif 000009
【００３９】
・９相機では、明示的には以下の組み合わせが考えられる：
【表９】
0005558813.tif 000010
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】クローポールロータを有する自動車用の多相発電機の縦断面図である。
【図２】毎極毎相スロット数がｑ＝１である従来の３相の整数スロット巻きを示す。
【図３】極数が４でスロット数が１５で２層巻線として構成された３相機に適用される分数スロット巻きの実施例を示す。ここでは、相Ｕの結線のみが示されている。
【図４】フラット積層薄板として構成されたステータの薄板積層体の断片図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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