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Dokumentenidentifikation DE4237343A1 11.05.1994
Titel Permanenterregter ein- oder mehrphasiger elektrischer Generator
Anmelder FAG Kugelfischer Georg Schäfer AG, 97421 Schweinfurt, DE
Erfinder Dittner, Adam, 8552 Höchstadt, DE;
Oberlack, Norbert, 8552 Höchstadt, DE
DE-Anmeldedatum 05.11.1992
DE-Aktenzeichen 4237343
Offenlegungstag 11.05.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.05.1994
IPC-Hauptklasse H02K 21/02
IPC-Nebenklasse H02P 9/40   
IPC additional class // H02J 7/14  
Zusammenfassung Um einen permanenterregten ein- oder mehrphasigen elektrischen Generator zu schaffen, der ohne aufwendige elektronische Mittel an den Strom oder Spannungsbedarf der Verbraucher schnell anpaßbar ist und bei dem der Strom oder die Spannung von einer Maximalspannung kontinuierlich bis Spannung 0 einstellbar ist, wird vorgeschlagen, daß der Stator aus zwei gleichen Hälften (6, 7) besteht, deren Wicklungen (8, 9) in Reihe geschaltet sind, und daß die eine Statorhälfte (6) gegenüber der anderen (7) vorzugsweise um die Breite eines Magnetpols verdrehbar ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen permanenterregten ein- oder mehrphasigen elektrischen Generator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE-OS 40 25 557 ist ein Stromgenerator bekannt, der mittels regelbarer Induktivitäten als Stromerzeuger ausgebildet ist.

Die Problematik bei modernen Kraftfahrzeugen besteht zum einen darin, daß immer mehr elektrische Verbraucher im Bordnetz angeordnet sind, die eine Leistungserbringung des Generators schon bei niedrigen Drehzahlen wünschenswert erscheinen lassen, andererseits der erzeugte Strom bzw. die Spannung mit der Motordrehzahl steigt, und somit im oberen Drehzahlbereich der erzeugte Strom durch zum Teil aufwendige elektronische Mittel geregelt werden muß. Mit dem in der DE-OS 40 25 557 aufgezeigten Stromgenerator gelingt es zwar nun, diese sich widersprechenden Bedingungen einfach zu lösen, indem der Stromgenerator so ausgelegt werden kann, daß er schon bei niedrigen Drehzahlen Strom liefert. Die Induktivität wirkt dabei als Blindwiderstand, der mit steigender Drehzahl steigt, so daß, da auch die Spannung mit zunehmender Drehzahl steigt, der Ladestrom konstant bleibt. Nachteilig bei dieser Ausführung ist jedoch, daß sich der Strom bzw. die Spannung nicht bis Null herunter regeln lassen, sondern immer ein gewisser Grundlastbereich vorhanden ist.

Die inzwischen im Automobil vorhandenen elektronischen Aggregate (ABS-Regler, Airbag, Autoradio und Verkehrsleitsysteme) müssen aus Sicherheitsgründen vor Spannungsspitzen im Bordnetz geschützt sein. Damit ergibt sich für den Generator die Forderung, daß der Strom sehr schnell geregelt werden muß, damit z. B. bei Bruch des Massekabels, Spannungsspitzen sofort vermieden werden.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen permanenterregten ein- oder mehrphasigen elektrischen Generator der eingangs genannten Art zu schaffen, der ohne aufwendige elektronische Mittel an den Strom- oder Spannungsbedarf der Verbraucher schnell anpaßbar ist, und bei dem der Strom oder die Spannung kontinuierlich zwischen Null und einem Maximalwert einstellbar ist.

Die Lösung der Aufgabe gelingt mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Ausführungen zeigen die Ansprüche 2 bis 4.

Durch die Ausbildung des Stators aus zwei gleichen Hälften, wobei die eine gegenüber der anderen um die Breite eines Magnetpoles verdrehbar ist, gelingt es, sehr schnelle Regelvorgänge zu beherrschen, da nur kleine Verdrehwinkel zu verstellen sind. So beträgt z. B. bei einem mit 40 Polen ausgelegten Generator der Verdrehwinkel lediglich 9°, was sich z. B. durch einen berührungslosen magnetischen Stelltrieb leicht bewerkstelligen läßt. Damit läßt sich also durch Verdrehen der beiden Statorhälften um eine Polbreite der Strom bzw. die Spannung kontinuierlich von einem Maximalwert bis auf Null regeln. Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel eines einphasigen Generators näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Generator im Schnitt,

Fig. 2 zeigt schematisch eine Abwicklung des Rotors und der Leiterwicklungen bei Verdrehwinkel Null,

Fig. 3 zeigt den entsprechenden Spannungsverlauf über der Zeit,

Fig. 4 zeigt schematisch wieder die Abwicklung des Rotors und der Leiterwicklungen bei Verdrehwinkel α 1,

Fig. 5 zeigt den entsprechenden Spannungsverlauf,

Fig. 6 zeigt schematisch eine Abwicklung des Rotors und der Leiterwicklungen bei Verdrehwinkel α 2,

Fig. 7 zeigt schematisch den entsprechenden Spannungsverlauf,

Fig. 8 zeigt den Verlauf der Ausgangsspannung bei entsprechenden Verdrehwinkeln.

In Fig. 1 ist das Generatorgehäuse mit 1 bezeichnet. In ihm ist die Antriebswelle 2 drehbar gelagert, welche den Rotor 3 dreht und damit auch die an ihm befestigten Permanentmagnete 4 und 5. Die Permanentmagnete 4 und 5 stehen den Statorhälften 6 und 7 gegenüber, welche mit den Wicklungen 8 und 9 versehen sind.

Die Statorhälfte 7 ist dabei fest mit dem Generatorgehäuse 1 verbunden, während die Statorhälfte 6 über einen Stelltrieb 10 um den Winkel α verdrehbar im Gehäuse 1 angeordnet ist. Durch die sich drehenden Permanentmagnete 4 und 5 wird in den Wicklungen 8 und 9 eine Spannung induziert.

Wie in Fig. 2 gezeigt, sind die Permanentmagnete 4 und 5 fest auf dem Rotor 3 angeordnet. Die ihnen gegenüberliegenden Wicklungen 8 und 9 sind auf den Statorhälften 6 und 7 aufgebracht, die hier der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt sind. Die bei sich bewegenden Permanentmagneten in den Wicklungen 8 und 9 induzierten Spannungen sind mit U2 und U1 bezeichnet. Der Zeitverlauf dieser Spannungen bei konstanter Drehzahl des Rotors 3 ist erfindungsgemäß sinuidisch, was z. B. durch die Formgebung der Permanentmagnete 4 und 5 oder durch die Geometrie der Wicklungen 8 und 9 erreicht werden kann. Die Amplituden der in den Wicklungen 8 und 9 induzierten Spannungen U2 und U1 sind wegen der gleichartigen Permanentmagnete 4 und 5 untereinander gleich und seien bei einer bestimmten Drehzahl des Rotors Umax/2. Da sich über den Stelltrieb 10 die Lage der Wicklung 8 gegenüber der Wicklung 9 um den Verdrehwinkel α verdrehen läßt, kann eine Phasenverschiebung Φ zwischen den beiden induzierten Spannungen U1 und U2 erzeugt werden. Somit können die Zeitverläufe der beiden Spannungen U2 und U1 allgemein mit den Gleichungen beschrieben werden:

U1 = (Umax/2) * sin (wt)

U2 (Umax/2) * sin (wt - Φ).

Die beiden Wicklungen 8 und 9 sind über eine Verbindung 11 in Reihe geschaltet, so daß sich eine Gesamtspannung Uges ergibt, wobei die Formel gilt:

Uges = U1 -- U2.

Setzt man hier die oben angegebenen Gleichungen für U1 und U2 ein, so erhält man unter Anwendung der Additionstheoreme für trigonometrische Funktionen den Zeitverlauf für Uges mit

Uges = Umax* sin (Δ/2) * cos (wt - Φ/2).

Die Phasenverschiebung Φ zwischen den Spannungen U1 und U2 wird durch eine Verdrehung des Stators 6 mit der Wicklung 8 gegenüber dem Stator 7 mit der Wicklung 9 um den Verdrehwinkel α erzeugt. Der Zusammenhang zwischen der elektrischen Phasenverschiebung Φ und dem mechanischen Verdrehwinkel α ist gegeben durch die Formel:

Φ = α/αp* π.

Der Winkel αp entspricht einer Verdrehung um die Breite eines Magnetpoles der Permanentmagnete, so daß sich für die Gesamtspannung Uges in Abhängigkeit vom mechanischen Drehwinkel α ergibt:

Uges = Umax* sin (α/αp* π/2) * cos

(wt - a/pF p/2).

Der Ausdruck cos (wt - α/αp* π/2) verdeutlicht, daß die Reihenschaltung der beiden sinuidischen Spannungen U1 und U2 eine Gesamtspannung Uges ergibt, die ebenfalls sinuidisch ist. Der Ausdruck sin (α/αp* π/2) ist ein Amplitudenfaktor, der einen Wert zwischen 0 und 1 annimmt, wenn sich der mechanische Verdrehwinkel α zwischen α = 0 und α = (αp ändert. Somit läßt sich durch Verdrehen des Stators 6 gegenüber dem Stator 7 um den Winkel α die Gesamtspannung Uges in ihrer Amplitude zwischen 0 und Umax einstellen, wenn die Amplituden der Spannungen U1 und U2 bei einer gegebenen Drehzahl des Rotors Umax/2 sind.

In der in Fig. 2 gezeigten Stellung hat der Verdrehwinkel α den Wert α0 = 0 und es ergibt sich eine Gesamtspannung von Uges = 0, d. h. in einem angeschlossenen Verbraucher fließt kein Strom.

Der Spannungsverlauf über der Zeit in dieser Stellung ist in Fig. 3 dargestellt.

In den Fig. 4 und 5 ist die Stellung der Wicklungen 8 und 9 bzw. der Spannungsverlauf bei Verdrehungen um den Winkel α = (αp/2 und in Fig. 6 und 7 bei Verdrehung um den Winkel α2 = αp dargestellt.

Es soll noch darauf hingewiesen werden, daß in der Formel Uges = U1 - U2 entsprechend der Vorzeichenregel - U2 = + (-U2) eine Addition der Spannungswerte erfolgt, wenn U2 negative Werte annimmt, wie dies Fig. 7 deutlich zeigt.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung läßt sich somit ein Generator betreiben, dessen Spannung bzw. Stromlieferung kontinuierlich vom Wert Null bis zu einem auslegungsbedingten und drehzahlabhängigen Maximalwert eingestellt werden kann.

Fig. 8 zeigt diese Einstellbarkeit, wobei die Spannung über dem Verdrehwinkel aufgetragen ist.

Ein mehrphasiger Generator kann dadurch geschaffen werden, daß auf den beiden Statorhälften jeweils mehrere Wicklungen untergebracht werden, die innerhalb einer Statorhälfte gegeneinander verschoben angebracht sind und somit gegeneinander phasenverschobene Spannungen liefern. Die gleichermaßen verschobenen Wicklungen beider Statorhälften werden untereinander durch Verbindungsleitungen in Reihe geschaltet, so daß ein mehrphasiges Gesamtspannungs-System entsteht. Die Phasenzahl dieses Gesamtspannungs-Systems ist gleich der Phasenzahl der einzelnen Statorhälften. Bei Verdrehung des Stators 6 gegenüber dem Stator 7 werden dann alle Gesamtspannungen gleichzeitig und in gleichem Maße in ihren Amplituden verändert.

Der jeweilige maximal sinnvolle Verdrehwinkel αp ist konstruktionsbedingt abhängig von der Polzahl und beträgt bei z. B. 40 Polen αp = 360°/40 = 9°.

Auf diese Weise lassen sich bei einem vielpoligen Generator sehr kurze Regelzeiten verwirklichen, da der Stelltrieb 10 nur kleine Verstellwinkel bewirken muß. Außer einem berührungslosen magnetischen Stelltrieb kann ebenso ein elektromechanischer oder ein sonstiger Stelltrieb verwendet werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Permanenterregter ein- oder mehrphasiger elektrischer Generator mit einstellbarer sinusförmiger Ausgangsspannung bestehend aus einem mit Permanentmagneten bestückten Rotor und einem die Wicklung tragenden Stator, insbesondere für Spannungs- oder Stromgeneratoren von Kraftfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator aus zwei gleichen Hälften (6, 7) besteht, deren Wicklungen (8, 9) in Reihe geschaltet sind und daß die eine Statorhälfte (6) gegenüber der anderen (7) vorzugsweise um die Breite eines Magnetpoles verdrehbar ist, so daß die erzeugte sinusförmige Ausgangsspannung (Uges) kontinuierlich zwischen Spannung Null und einer drehzahlabhängigen Maximalspannung einstellbar ist.
  2. 2. Permanenterregter Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrehung der Statorhälften (6, 7) gegeneinander vorzugsweise berührungslos durch einen magnetischen Stelltrieb (10) erfolgt.
  3. 3. Permanenterregter Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Statorhälfte (7) fest im Gehäuse angeordnet und die andere (6) drehbar gelagert ist.
  4. 4. Permanenterregter Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise vierzig Pole gleichmäßig am Umfang verteilt angeordnet sind.






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