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Dokumentenidentifikation DE4302770A1 04.08.1994
Titel Permanenterregter ein- oder mehrphasiger elektrischer Generator
Anmelder FAG Kugelfischer Georg Schäfer AG, 97421 Schweinfurt, DE
Erfinder Drescher, Walter, 8603 Ebern, DE;
Heubner, Wilhelm, 8621 Itzgrund, DE;
Oberlack, Norbert, 8552 Höchstadt, DE
DE-Anmeldedatum 01.02.1993
DE-Aktenzeichen 4302770
Offenlegungstag 04.08.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.08.1994
IPC-Hauptklasse H02K 21/02
IPC-Nebenklasse H02P 9/40   
Zusammenfassung Um bei einem elektrischen Generator bei einfachem Aufbau ohne aufwendige Elektronik sicher und zuverlässig den Strom-Spannungs-Leistungsbedarf zu regeln, wird vorgeschlagen, daß an der verdrehbaren Statorhälfte (7) Jochteile (13) angeordnet sind, welche Stabmagnete (14) tragen, denen Ankerteile (11) gegenüberstehen und daß die Ankerteile (11) mit Wicklungen (15) versehen sind, die last- und/oder drehzahlabhängig bestrombar sind.

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. Außerdem soll der Generator ohne aufwendige elektronische Mittel auskommen und der Strom oder die Spannung kontinuierlich zwischen Null und einem Maximalwert einstellbar sein.

Nach einer Entwicklung der Anmelderin (P 42 37 343.3) gelingt es, durch die Ausbildung des Stators aus zwei gleichen Hälften, wobei die eine gegenüber der anderen um die Breite eines Magnetpoles verdrehbar ist, 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°. Dazu ist jedoch ein Stelltrieb erforderlich, der sehr feinfühlig, schnell und leistungsstark arbeitet und bei einfachem Aufbau ohne aufwendige Elektronik sicher und zuverlässig den Strom-Spannungs- und Leistungsbedarf des Generators regelt.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen permanenterregten ein- oder mehrphasigen elektrischen Generator der eingangs genannten Art zu schaffen, der diese Forderung erfüllt.

Die Lösung der Aufgabe gelingt mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Ausführung zeigt der Anspruch 2.

Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel eines einphasigen Generators näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Generator im Schnitt

Fig. 2 zeigt den Generator in der Seitenansicht.

In Fig. 1 ist das Generatorgehäuse mit 1 bezeichnet. In ihm ist die Antriebswelle 2 drehbar gelagert, welche die Rotorhälften 3 dreht und damit auch die an ihnen 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 6 ist dabei fest mit dem Generatorgehäuse 1 verbunden, während die Statorhälfte 7 über einen Stelltrieb 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.

Der Stelltrieb besteht im wesentlichen aus den Ankerteilen 11, die über eine Hülse 12 mit der feststehenden Statorhälfte 6 verbunden sind. Den Ankerteilen gegenüber sind auf einem Joch 13 je zwei Stabmagnete 14 angeordnet, wobei das Joch 13 mit der drehbaren Statorhälfte 7 verbunden ist. Die Ankerteile sind außerdem mit Steuer- und/oder Kompensationswicklungen 15 versehen, die z. B. über den Regler 16, der Laständerungen ausregelt, oder direkt von der Wicklung 8, deren induziente Spannung bzw. Strom drehzahlabhängig ist, bestrombar sind.

Die Funktionsweise des Generators ist folgende:

Wie in Fig. 1 gezeigt, sind die Permanentmagnete 4 und 5 fest auf den Rotorhälften 3 angeordnet. Die ihnen gegenüberliegenden Wicklungen 8 und 9 sind auf den Statorhälften 6 und 7 aufgebracht. Die bei sich bewegenden Permanentmagneten in den Wicklungen 8 und 9 induzierten Spannungen sind bei konstanter Drehzahl des Rotors 3 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 die Lage der Wicklung 9 gegenüber der Wicklung 8 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 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 (Φ/2) * cos (wt-Φ/2)

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

Φ = α/αp3f π ER NB=1>

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-α/αp* π/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.

Nähere Einzelheiten dazu sind in der P 42 37 343.3 beschrieben.

Wenn nun z. B. im Kraftfahrzeug ein Verbraucher zugeschaltet wird, so erkennt dies der Regler 16 und bestromt eine oder mehrere Steuerwicklungen 15, wodurch im Stelltrieb ein Drehmoment erzeugt wird, welches die Statorhälfte 7 gegenüber der Statorhälfte 6 positiv verdreht. Dadurch erhöht sich die Generatorleistung. Vorteilhaft ist weiterhin, daß durch Bestromen der Kompensationswicklung 15 direkt von der Statorwicklung 9 die drehzahlabhängige Regelung ohne elektronische Regelung ermöglicht wird. Steigt die Drehzahl, so steigt die Spannung in der Statorwicklung 9 und analog dazu auch in der Kompensatorwicklung 15&min;, wodurch der Stelltrieb die Statorhälfte 7 gegen die Statorhälfte 6 negativ verdreht und so den Strom/die Spannung konstant hält. Damit lassen sich auch schnell erfolgende Drehzahländerungen, wie sie z. B. beim Gangwechseln auftreten, gut ausregeln.


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, wobei der Stator aus zwei gleichen Hälften besteht, deren Wicklungen in Reihe geschaltet sind und wobei die eine Statorhälfte gegenüber der anderen vorzugsweise um die Breite eines Magnetpoles verdrehbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß an der verdrehbaren Statorhälfte (7) Jochteile (13) angeordnet sind, welche Stabmagnete (14) tragen, denen Ankerteile (11) gegenüberstehen, und daß die Ankerteile (11) mit Wicklungen (15) versehen sind, die last- und/oder drehzahlabhängig bestrombar sind.
  2. 2. Elektrischer Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei sich gegenüberliegende Jochteile (13), vorgesehen sind, die zwei Stabmagnete (14) tragen, denen je drei Ankerteile (11) gegenüberstehen, von denen sich zwei im Kraftfeldbereich befinden und daß die den Jochteilen (13) gegenüberstehenden Ankerteile (11) wechselweise mit einer Steuerwicklung (15) und einer Kompensationswicklung (15&min;) versehen sind, wobei die Steuerwicklung über einen Regler (16) lastabhängig und die Kompensationswicklung direkt von der Statorwicklung (9) und somit drehzahlabhängig bestrombar sind.






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