Die Erfindung betrifft einen fünfphasigen elektrischen Generator, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit fünf elektrischen Strängen für fünf verschiedene Phasen, wobei Phasen an Verschaltungspunkten elektrisch zusammengeschaltet sind.

Stand der Technik

Elektrische Generatoren sind aus dem Stand der Technik bekannt. Dabei hat sich die Entwicklung auf ein-, drei- und sechsphasige Generatoren konzentriert. Sechsphasige Generatoren kommen insbe- sondere dort zum Einsatz, wo gegenüber ein- und dreiphasigen Generatoren ein verbessertes Magnetgeräuschverhalten und eine geringere Spannungswelligkeit benötigt wird. Allerdings sind sechsphasige Generatoren erheblich teurer in der Fertigung. Es sind zudem fünfphasige Generatoren bekannt, die jedoch gerade hinsichtlich des Magnetgeräuschverhaltens gegenüber sechsphasigen Generatoren weniger überzeugen können. Es verbleibt daher der Wunsch einen Generator mit einem Magnetgeräuschverhalten aufzuzeigen, das dem eines sechsphasigen Generators entspricht, wobei der Generator aber günstiger und einfacher in der Fertigung ist.

Vorteile der Erfindung

Bei einem fünfphasigen Generator gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass der elektrische Winkel an den Verschaltungspunkten zwi- sehen 25° und 36° beträgt. Dadurch ergibt sich eine deutliche Verringerung des Magnetgeräuschverhaltens gegenüber dreiphasigen Generatoren, insbesondere kann näherungsweise oder tatsächlich das Magnetgeräuschverhalten eines sechsphasigen Generators erreicht werden. Allerdings ergeben sich in vielfacher Hinsicht konstruktive Erleichterungen. So können in einer Ansteuerschaltung des erfindungsgemäßen Generators zwei Dioden gegenüber einem sechsphasigen Generator eingespart werden. Ferner ist auch eine einfachere Verschaltung gegeben, da nun lediglich fünf Phasen mit zehn Anschlüssen anstelle von sechs Phasen mit zwölf Anschlüssen aus- geführt werden müssen. Insgesamt ergibt sich auch ein Generator mit einer erhöhten Robustheit. Dies liegt zum einen darin begründet, dass die erforderliche Nutzahl sinkt. So sind beispielsweise bei acht Polpaaren nur noch 80 Nuten gegenüber sonst 96 Nuten erforderlich. Damit sinkt auch bei gleicher Isolationsdicke der prozentuale Isolati- onsanteil in der Nut. Außerdem ergibt sich ein stabilerer Aufbau, da die Zahnbreite gegenüber einem sechsphasigen Generator zunimmt. Schließlich können bei dem erfindungsgemäßen Generator höhere Kupferfüllfaktoren erzielt werden. Möglichkeiten die gewünschten elektrischen Winkel zu erzielen, werden noch im weiteren Verlauf dieser Ausführungen aufgezeigt. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die in diesem Dokument genannten Bereichsangaben jeweils die genannten Grenzen mit einschließen.

Vorteilhafterweise beträgt der elektrische Winkel zwischen 31 ° und 36°, insbesondere zwischen 34° und 36°, vorzugsweise ungefähr

36°. Während auch bei kleineren elektrischen Winkeln ein verbessertes Magnetgeräuschverhalten, gerade im Vergleich mit dreiphasigen Generatoren festzustellen ist, so wurde für die genannten elektrischen Winkel noch eine Verbesserung der Messergebnisse festge- stellt. Dabei scheint sich nach Erkenntnissen der Anmelderin bei ungefähr 36° oder möglichst genau 36° ein minimales Geräusch einzustellen, obgleich sich die Vorteile der Erfindung auch bei kleineren Winkeln zeigen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Verschaltung von Ständerabgangsdrähten auf einem Wickelkopf des Generators realisiert. Dadurch lässt sich die Fertigung weiter vereinfachen, da dann am Ständer des Generators nur noch fünf Anschlüsse vorhanden sind und nicht mehr zehn Anschlüsse.

Ferner ist es bevorzugt, dass der Generator auf einen Gleichrichter, insbesondere einen B10-Gleichrichter, verschaltet ist. Dabei bedeutet der Ausdruck „B10", dass es sich um einen Brückengleichrichter mit zehn Halbbrücken (also fünf Brückenzweigen) handelt. Ein sol- eher Gleichrichter ist für den vorgeschlagenen Generator besonders geeignet.

Mit Vorteil ist die Verschaltung von Ständerabgangsdrähten innerhalb einer Verschaltungsplatte realisiert, die einem Gleichrichter zu- geordnet ist. Auch dies erlaubt es, die Fertigung weiter zu vereinfachen, da dann am Ständer des Generators nur noch fünf Anschlüsse benötigt werden und nicht mehr zehn Anschlüsse.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist eine Ständerwicklung des Generators aus einem durchgehenden Leiter je Phase, insbesondere

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aus einem Draht, gewickelt. Dies reduziert die Kosten bei der Herstellung, da ein durchgehender Leiter kostengünstiger zu verarbeiten ist, als der Einsatz von Steckwicklungen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Kupferfüllfaktor eines Ständers des Generators größer gleich 50% ist. Unter dem Kupferfüllfaktor ist der Leiterfüllfaktor der Ständernuten zu verstehen, das heißt, das Verhältnis der Summe aller Kupferquerschnitte der Leiter, die in einer Nut liegen, zum Gesamtquerschnitt der Nut. Wird der Kupferfüllfaktor größer gleich 50% gewählt, so ergibt sich eine besonders gute Effizienz des Generators.

Vorteilhafterweise sind bei einer Auslegung des Generators, insbesondere gemäß der noch folgenden Figur 1 , für ein Spannungsni- veau von 14V, pro Nut eines Ständers des Generators fünf bis elf elektrische Leiter, insbesondere acht Leiter, eingelegt. Die Auslegung bezüglich der Leiterzahl ist stets mit der Abwägung verbunden, eine hohe Leistungsabgabe im niedrigen Drehzahlbereich (höhere Leiterzahl) und eine hohe Leistungsabgabe im hohen Drehzahlbe- reich (niedrigere Leiterzahl) zu erzielen. Eine Optimierung der Leiterzahl ist regelmäßig mit erheblichem Aufwand verbunden. Die Anmelderin hat erkannt, dass der für die Leiterzahl vorgeschlagene Bereich vorteilhaft ist.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn bei einer Auslegung des Generators, insbesondere gemäß der noch folgenden Figur 1 , für ein Spannungsniveau von 28V, pro Nut eines Ständers des Generators zehn bis 18 elektrische Leiter eingelegt sind.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind bei einer Auslegung des Generators, insbesondere gemäß der noch folgenden Figur 1 , für ein Spannungsniveau von 42V, pro Nut eines Ständers des Generators 19 bis 30 elektrische Leiter eingelegt.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind Teilstränge der Wicklungsstränge zusätzlich an Verbindungspunkten miteinander verbunden. Dies kann für die Charakteristik des Generators und/oder für den Aufbau des Generators von Vorteil sein.

Mit Vorteil weist eine Ständerwicklung des Generators eine Sehnung auf. Unter dem Begriff Sehnung soll dabei verstanden werden, dass zumindest Teilstränge des Generators mindestens teilweise in andere Nuten, als dies bei einer üblichen Ständerwicklung der Fall ist, also insbesondere in die nächstbenachbarte oder übernächstbenachbarte Nuten, einlegt werden. Für die allgemeinen Aspekte einer solchen Sehnung werden hiermit ausdrücklich die Schriften DE 103 47 486 und WO 2005/034308 in den Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung mit einbezogen. Konkret bedeutet die Sehnung für den vor- geschlagenen fünfphasigen Generator, dass beispielsweise der Nutschritt, der üblicherweise von Nut 1 auf Nut 6 erfolgt, nun mindestens einmal innerhalb eines Gesamtstrangs durch eine andere Schrittzahl, also beispielsweise auf Nut 5 oder Nut 7 anstatt auf Nut 6, ersetzt wird. Es wird dadurch das Magnetgeräuschverhalten verbessert.

Bevorzugt weisen die Stränge des Generators jeweils mindestens zwei Teilstränge auf, die jeweils an den Verschaltungspunkten miteinander verschaltet sind und die Teilstränge einzeln gewickelt und auf einem Wickelkopf oder eine Verschaltungsplatte zusammenge- schaltet sind. Dies vereinfacht die Herstellung des Generators.

Femer ist es vorteilhaft, wenn jeder Strang auf zwei benachbarte Nuten eines Ständers des Generators jeweils hälftig verteilt ist. Die Verteilung erfolgt also jeweils zu ungefähr 50%.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine Gesamtverschaltung des Generators in Sternschaltung ausgeführt.

Vorteilhafterweise sind bei einer Auslegung des Generators, insbe- sondere gemäß der noch folgenden Figur 2, für ein Spannungsniveau von 14V, pro Nut eines Ständers des Generators zwei bis fünf elektrische Leiter, insbesondere vier Leiter, eingelegt. Die Anmelderin hat erkannt, dass der für die Leiterzahl vorgeschlagene Bereich vorteilhaft ist.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn bei einer Auslegung des Generators, insbesondere gemäß der noch folgenden Figur 2, für ein Spannungsniveau von 28V, pro Nut eines Ständers des Generators fünf bis neun elektrische Leiter eingelegt sind.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind bei einer Auslegung des Generators, insbesondere gemäß der noch folgenden Figur 2, für ein Spannungsniveau von 42V, pro Nut eines Ständers des Generators zehn bis 15 elektrische Leiter eingelegt.

Die Vorteile der beschriebenen Ausführungsbeispiele - nämlich Erzielung einer hohen Leistungsdichte und Geräuschsenkung - sind ganz besonders durch einen Generator erreichbar, dessen Läufer ein sogenannter Klauenpolläufer ist.

Besonders vorteilhaft hat sich die bei gleicher Polpaarzahl gegenüber Drei-Phasen-Generatoren erhöhte Nutzahl erwiesen, da hierdurch im Wickelkopf 45 eine vergrößerte Kühloberfläche vorhanden ist, die zu dem in vorteilhafter weise radial umströmt wird.

Zeichnung

Die Erfindung wird nun anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigt die

Figur 1 einen Längsschnitt durch eine elektrische Maschine in der Ausführung eines Drehstromgenerators,

Figur 2 einen fünfphasigen Generator gemäß einem ersten Aus- führungsbeispiel,

Figur 3 eine Darstellung der Phasendrähte und ihrer Lagen in den Nuten gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,

Figur 4 einen fünfphasigen Generator gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,

Figur 5 einen fünfphasigen Generator gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,

Figur 6 eine Darstellung der Phasendrähte und ihrer Lagen in den Nuten gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel,

Figur 7 eine Schnittdarstellung durch Ständer und Wickelkopf mit Darstellung der Verschaltung zweier Stränge am Wickelkopf.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 ist ein Längsschnitt durch eine elektrische Maschine 10, hier in der Ausführung als Generator bzw. Drehstromgenerator für Kraftfahrzeuge, dargestellt. Diese elektrische Maschine 10 weist u. a. ein zweiteiliges Gehäuse 13 auf, das aus einem ersten Lagerschild 13.1 und einem zweiten Lagerschild 13.2 besteht. Das Lagerschild 13.1 und das Lagerschild 13.2 nehmen in sich einen sogenannten Stator 16 auf, der einerseits aus einem im Wesentlichen kreisring- förmigen Ständereisen 17 besteht, und in dessen nach radial innen gerichteten, sich axial erstreckende Nuten eine Ständerwicklung 19 eingelegt ist. Dieser ringförmige Stator 16 umgibt mit seiner radial nach innen gerichteten genuteten Oberfläche einen Rotor 20, der als Klauenpolläufer ausgebildet ist. Der Rotor 20 besteht u.a. aus zwei Klauenpolplatinen 22 und 23, an deren Außenumfang jeweils sich in axialer Richtung erstreckende Klauenpolfinger 24 und 25 angeordnet sind. Beide Klauenpolplatinen 22 und 23 sind im Rotor 20 derart angeordnet, dass deren sich in axialer Richtung erstreckende Klauenpolfinger 24 bzw. 25 am Umfang des Rotors 20 einander abwech- sein. Es ergeben sich dadurch magnetisch erforderliche Zwischenräume zwischen den gegensinnig magnetisierten Klauenpolfingern 24 und 25, die als Klauenpolzwischenräume bezeichnet werden. Der Rotor 20 ist mittels einer Welle 27 und je einem auf je einer Rotorsei-

te befindlichen Wälzlager 28 in den jeweiligen Lagerschilden 13.1 bzw. 13.2 drehbar gelagert.

Der Rotor 20 weist insgesamt zwei axiale Stirnflächen auf, an denen jeweils ein Lüfter 30 befestigt ist. Dieser Lüfter 30 besteht im Wesentlichen aus einem plattenförmigen bzw. scheibenförmigen Abschnitt, von dem Lüfterschaufeln in bekannter Weise ausgehen. Diese Lüfter 30 dienen dazu, über Öffnungen 40 in den Lagerschilden 13.1 und 13.2 einen Luftaustausch zwischen der Außenseite der e- lektrischen Maschine 10 und dem Innenraum der elektrischen Maschine 10 zu ermöglichen. Dazu sind die Öffnungen 40 im Wesentlichen an den axialen Enden der Lagerschilde 13.1 und 13.2 vorgesehen, über die mittels der Lüfter 30 Kühlluft in den Innenraum der e- lektrischen Maschine 10 eingesaugt wird. Diese Kühlluft wird durch die Rotation der Lüfter 30 nach radial außen beschleunigt, so dass diese durch den kühlluftdurchlässigen Wicklungsüberhang bzw. Wickelkopf 45 hindurchtreten kann. Durch diesen Effekt wird der Wicklungsüberhang 45 gekühlt. Die Kühlluft nimmt nach dem Hindurchtreten durch den Wicklungsüberhang 45 bzw. nach dem Umströmen dieses Wicklungsüberhangs 45 durch hier in dieser Figur 1 nicht dargestellte Öffnungen einen Weg nach radial außen. Die Wickelköpfe 45 werden durch einen radialen Kühlluftstrom gekühlt.

Die Figur 2 zeigt einen fünfphasigen Generator 10 gemäß einem ers- ten Ausführungsbeispiel. Da die elektrische Verschaltung des Generators 10 im Vordergrund steht, ist der Generator 10 hier anhand seines Schaltbildes dargestellt. Es sei darauf hingewiesen, dass die Orientierung der fünf in Nuten eines Stators 16 angeordneten Wick-

lungsstränge 12 jeweils die elektrischen Winkel der Wicklungsstränge 12 zueinander darstellt, insbesondere den elektrischen Winkel α, der sich an den Verschaltungspunkten 14 (14.1 bis 14.5) einstellt. Der Generator 10 ist an eine Spannungsquelle U und einen (B10- )Gleichrichter 16 mit fünf Brückenzweigen 18 (18.1 bis 18.5) angeschlossen. „B10" bedeutet, dass es sich um einen Brückengleichrichter mit je zwei Gleichrichterdioden je Brücke handelt, wobei fünf Brücken parallel geschaltet sind. Es ergeben sich so zehn Dioden im Brückengleichrichter. Die Zuordnung zwischen Verschaltungspunk- ten 14 und Brückenzweigen 18 stellt sich genauer gesagt wie folgt dar: 14.1 auf 18.3, 14.2 auf 18.2, 14.3 auf 18.1 , 14.4 auf 18.5 und 14.5 auf 18.4. Der elektrische Winkel α zwischen zwei Wicklungssträngen 12 an einem Verschaltungspunkt 14 beträgt jeweils 36°. Dieser Winkel α kann aber auch kleiner gewählt werden, wie es be- reits in dieser Anmeldung ausführlich erläutert wurde.

Der elektrisch wirksame Wicklungszug der Ständerwicklung 19 und somit der fünf Wicklungsstränge 12 schließt sich nach zwei elektrisch wirksamen Umläufen entsprechend der Verkettungen der Wicklungsstränge 12, s. a. Fig. 2.

Ein Generator 10 gemäß der Figur 2 ist insbesondere für eine hohe Leistungsabgabe geeignet.

Figur 3 zeigt eine Darstellung der Phasendrähte und ihrer Lagen in den Nuten gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Da es sich hier um die Darstellung des Ständers bzw. Stators 16 eines fünfphasigen Generators 10 handelt, beträgt der sogenannte Nutschritt fünf Nuten. D. h., der Draht des ersten Strangs 12 verläuft von dem Verschaltungspunkt 14.1 in die erste Nut 1 und von dort in die nächste Nut,

die Nut 6, siehe auch Fig. 3a. Die nächste belegte Nut ist dann die Nut 11 , der dann im bestimmten Schema bzw. Nutschritt die Nut 16, die Nut 21 und schließlich die Nut 26 folgt. Nach der Nut 26 endet der Draht im Verschaltungspunkt 14.3.

In analoger Weise verläuft der Draht des zweiten Strangs 12, s. a. Fig. 3b. D. h., der Draht des zweiten Strangs 12 verläuft von dem Verschaltungspunkt 14.4 in die erste Nut 8 und von dort in die nächste Nut, die Nut 13. Die nächste belegte Nut ist dann die Nut 18, der dann im bestimmten Schema bzw. Nutschritt die Nut 23, die Nut 28 und schließlich die Nut 3 folgt. Nach der Nut 3 endet der Draht im Verschaltungspunkt 14.2.

In analoger Weise verläuft der Draht des dritten Strangs 12, s. a. Fig. 3c. D. h., der Draht des dritten Strangs 12 verläuft von dem Verschaltungspunkt 14.3 in die erste Nut 15 und von dort in die nächste Nut, die Nut 20. Die nächste belegte Nut ist dann die Nut 25, der dann im bestimmten Schema bzw. Nutschritt die Nut 30, die Nut 5 und schließlich die Nut 10 folgt. Nach der Nut 10 endet der Draht im Ver- schaltungspunkt 14.5.

In analoger Weise verläuft der Draht des vierten Strangs 12, s. a. Fig. 3d. D. h., der Draht des dritten Strangs 12 verläuft von dem Verschaltungspunkt 14.1 in die erste Nut 22 und von dort in die nächste Nut, die Nut 27. Die nächste belegte Nut ist dann die Nut 2, der dann im bestimmten Schema bzw. Nutschritt die Nut 7, die Nut 12 und schließlich die Nut 17 folgt. Nach der Nut 17 endet der Draht im Verschaltungspunkt 14.4.

In analoger Weise verläuft der Draht des fünften Strangs 12, s. a. Fig. 3e. D. h., der Draht des fünften Strangs 12 verläuft von dem Verschaltungspunkt 14.5 in die erste Nut 29 und von dort in die nächste Nut, die Nut 4. Die nächste belegte Nut ist dann die Nut 9, der dann im bestimmten Schema bzw. Nutschritt die Nut 14, die Nut 19 und schließlich die Nut 24 folgt. Nach der Nut 24 endet der Draht im Verschaltungspunkt 14.2.

Für den Fall, dass der Stator 16 mehr als nur dreißig Nuten aufweist, also beispielsweise vierzig oder fünfzig oder entsprechend mehr, sind entsprechend mehr Windungen durchzuführen.

Figur 4 zeigt einen fünfphasigen Generator gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Der Unterschied zum ersten Ausführungsbei- spiel besteht darin, dass die einzelnen Wicklungsstränge 12 an jeweils zwei Verbindungspunkten 21 innerhalb eines Wicklungsstrangs 12 sowohl einerseits überbrückt sind (über die Verschaltungspunkte 14.1 bis 14.5), als auch über diese Verbindungspunkte 21 die mittleren Abschnitte der Wicklungsstränge 21 in einer Ringschaltung mit- einander verbunden sind. Über je zwei benachbarte Verschaltungspunkte 21 sind drei Teilwicklungen dreier verschiedener Stränge 12 im Dreieck an das Pentagon, gebildet aus Teilsträngen aller Wicklungsstränge 12 angeschaltet, Figur 4.

Von den Verschaltungspunkten 14.1 bis 14.5 führen Verbindungsleiter auf die Gleichrichterbrücken 18.1 bis 18.5, s. a. Fig. 4.

Die Figur 5 zeigt einen fünfphasigen Generator 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Auch hier ist der Generator 10 anhand seines Schaltbildes dargestellt, und die Orientierung der fünf in Nuten eines Stators 16 angeordneten Wicklungsstränge 12 mit ihren jewei- ligen ersten und zweiten Teilsträngen 22, 24, stellt jeweils die elektrischen Winkel der Teilstränge 22, 24 innerhalb der Wicklungsstränge 12 zueinander dar. Der Generator 1 ist an eine Spannungsquelle U und einen (BIO-)Gleichrichter 16 mit fünf Brückenzweigen 18 (18.1 bis 18.5) angeschlossen und in Sternschaltung ausgeführt, wobei zusätzlich eine Sehnung eingebracht wurde. Diese führt dazu, dass sich zwischen einem ersten Teilstrang 22 und einem zweiten Teilstrang 24 an den Verschaltungspunkten 14 ein elektrischer Winkel α einstellt, der hier 36° beträgt. Diese Sehnung wurde hier dadurch bewirkt, indem der zweite Teilstrang 24 nicht mit dem für einen fünf- phasigen Generator 1 üblichen Nutschritt der Größe fünf (zum Beispiel von Nut 1 auf Nut 6), sondern in eine benachbarte Nut eingelegt wurde. Ein Generator 1 gemäß der Figur 5 ist besonders leise im Betrieb und die erforderlichen Wicklungen können einfach gefertigt werden.

In Figur 6 ist dargestellt, wie die einzelnen Teilstränge 22 und 24 im Stator 16 und dessen Nuten angeordnet sind. Die Teilfiguren 6a, 6c, 6e, 6g und 6i zeigen die Lage der Teilstränge 22, die Teilfiguren 6b, 6d, 6f, 6h und 6j die Lage der Teilstränge 24. Mit „0" ist der in der Figur 5 gezeigte Sternpunkt angegeben.

Der aufgezeigte fünfphasige Generator besitzt ein besonders gutes Magnetgeräuschverhalten, welches mit dem eines sechsphasigen Generators vergleichbar ist, wobei der Generator aber preisgünstiger zu fertigen ist.

Es ist vorgesehen, dass die Anzahl der Nuten des Ständers 16 ein Vielfaches von zehn beträgt und vorzugsweise einem Produkt aus Polpaarzahl und zehn entspricht, wobei die Polpaarzahl zwischen sechs und acht beträgt.