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Dokumentenidentifikation DE19829442A1 05.01.2000
Titel Motor zur Verwendung als Starter und Generator in einem Kraftfahrzeug
Anmelder Bayerische Motoren Werke AG, 80809 München, DE
Erfinder Ohnemus, Ulrich, 80803 München, DE;
Maurer, Michael, Dr., 80995 München, DE;
Kraßer, Bernhard, 80807 München, DE;
Krappel, Alfred, 85737 Ismaning, DE
DE-Anmeldedatum 01.07.1998
DE-Aktenzeichen 19829442
Offenlegungstag 05.01.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 05.01.2000
IPC-Hauptklasse H02K 21/02
IPC-Nebenklasse H02P 6/00   H02P 7/36   F02N 11/04   H02K 11/00   
Zusammenfassung Bei einem Motor, insbesondere Drehstrommotor, zur Verwendung als Starter und Generator in einem Kraftfahrzeug mit einem Rotor, einem Stator und einem Pulswechselrichter, wobei der Stator eine Mehrphasenwicklung aufweist und jede Wicklung einer Phase in Teilwicklungen untergliedert ist, und mit einer Einrichtung zur Umschaltung der Windungszahl jeder Mehrphasenwicklung im Starter- und Generatorbetrieb, ist die Windungszahl in der Weise umschaltbar, daß die Stromaufnahme des Motors im Starter- und Generatorbetrieb im wesentlichen in der gleichen Größenordnung liegt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Motor, insbesondere einen Drehstrommotor, zur Verwendung als Starter und Generator in einem Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bereits seit langer Zeit sind Bestrebungen im Gange, sowohl den Starter (Anlasser) als auch den Generator (Lichtmaschine) eines Fahrzeugs in einem einzigen Gerät zu kombinieren. Hintergrund dieser Bestrebungen ist die Tatsache, daß der Starter im allgemeinen nur kurzfristig zum Starten des Verbrennungsmotors benötigt wird. Danach muß er beim weiteren Betrieb des Fahrzeug als unnötiges Zusatzgewicht mitgeführt werden.

Problematisch ist jedoch die unterschiedliche Arbeitsweise, insbesondere die Notwendigkeit stark unterschiedlicher Drehzahlen und Drehmomente, von Starter und Generator. Beispielsweise muß ein Starter eines Verbrennungsmotors bei direkter Kopplung mit der Kurbelwelle hohe Drehmomente im Bereich bis 400 Nm bei einer kleinen Drehzahl von 0 bis 100 Umdrehungen pro Minute (Upm) bereitstellen. Der Betrieb als Generator zeichnet sich dagegen durch einen großen Drehzahlbereich von 500 bis 6500 Upm und deutlich geringere Drehmomente aus.

Ein möglicher Antrieb, der geeignet ist beiden Anforderungsprofilen zu genügen, besteht aus einer Asynchronmaschine mit zugehörigem Pulswechselrichter. Es sind aber auch andere Typen von elektromechanischen Energiewandlern in Verbindung mit einer geeigneten Leistungselektronik denkbar; beispielsweise elektrisch oder permanentmagnetisch erregte Synchron- oder Gleichstrommaschinen.

Da die Versorgungsspannung der Leistungselektronik durch die Batteriespannung vorgegeben ist, weist auch die maximale Maschinenspannung einen oberen Grenzwert auf. Dadurch wird die Windungszahl bei der höchsten, im Generatorbetrieb auftretenden Drehzahl diktiert.

Andererseits bedingt diese Windungszahl im Starterbetrieb hohe Ströme. Diese hohen Ströme bestimmen die Auslegung der Leistungselektronik im folgenden auch als Stromrichter, im Falle der Wechselstrommaschinen auch als Pulswechselrichter bezeichnet - und sind letztlich für deren hohen Preis verantwortlich, da die Kosten des Umrichters mit zunehmender zulässiger Stromaufnahme ansteigen. Da eine geeignete Leistungselektronik für die Funktion unerläßlich ist, wird dadurch auch das Gesamtsystem deutlich verteuert. Insgesamt muß somit bei einem Motor, der im Starter- und Generatormodus betrieben wird, eine Überdimensionierung der Leistungselektronik in Kauf genommen werden, welche nur für die Realisierung der Startfunktion erforderlich ist. Der zum Starten benötigte Strom liegt dabei beispielsweise bei einer pulswechselrichtergespeisten Asynchronmaschine um einen Faktor drei höher als der im Generatorbetrieb maximal auftretende Strom. Ferner führt die Überdimensionierung der Starter-Generator-Baueinheit zu einem größeren Gerät, welches einen größeren Einbauraum benötigt.

Ein Ausführungsbeispiel eines als Starter und Generator zu verwendenden Motors mit zugehöriger Leistungselektronik ist in der DE 35 43 809 beschrieben. Dabei handelt es sich um eine permanentmagneterregte Synchronmaschine mit einer Ankerwicklung, die mindestens zwei Wicklungsstränge aufweist. Die Wicklungsstränge sind durch symmetrische Mehrphasenwicklungen gebildet. Durch Umschaltung kann jeder Wicklungsstrang in zwei magnetisch miteinander gekoppelte, jeweils über den vollen Ankerumfang sich erstreckende Teilwicklungen aufgeteilt werden. Durch eine entsprechende Beschaltung der Wicklungsenden mit Zweiwegegleichrichtern oder geschalteten Leistungstransistoren ist ein Betrieb in der Art möglich, daß im Startbetrieb auf eine relativ hohe Aufziehdrehzahl von ca. 1000 bis 1200 Upm hochgefahren werden kann. Gleichzeitig kann im Generatorbetrieb eine Leerlaufdrehzahl von 500 Upm realisiert werden. Mit einer solchen Vorrichtung kann man den Nachteil eines großen Stromrichters dadurch vermeiden, daß anstelle der direkten Verbindung von Elektro- und Verbrennungsmotor eine Kupplung vorgesehen ist. Zunächst wird eine abgekuppelte Schwungscheibe auf eine Drehzahl gebracht, die hoch genug ist, um bei abruptem Schließen der Kupplung den Verbrennungsmotor durch ruckartiges Beschleunigen zu starten.

Gegenüber diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen Motor der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß die Kosten und die Baugröße signifikant reduziert werden können.

Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß die Windungszahl in einer Weise umschaltbar ist, welche die Stromaufnahme des Motors im Starter- und Generatorbetrieb im wesentlichen in die gleiche Größenordnung bringt.

Dieser Maßnahme liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der Maschinen- und damit der Umrichterstrom in dem gleichen Maße sinkt, wie die zugehörige Maschinenspannung erhöht wird. Die Spannung kann bei gleichem Magnetfeld und gleicher Umdrehungszahl durch eine Erhöhung der Windungszahl gesteigert werden. Zur Verdeutlichung soll folgendes Zahlenbeispiel einer pulswechselrichtergespeisten Asynchronmaschine dienen. Bei höchster Drehzahl im Generatorbetrieb (6500 Upm bei etwa 5 Nm) liegen eine Spannung von 25 V und ein Strom von etwa 150 A an. Beim höchsten Drehmoment im Generatorbetrieb (etwa 40 Nm) nimmt die Maschine etwa 500 A auf. Im Startfall bei maximalem Moment (250 Nm) und einer Drehzahl von 100 Upm beträgt die Stromaufnahme etwa 1500 A bei einer Spannung von 6 V (vgl. Fig. 3, 4).

Wird nun die Windungszahl der Maschine für den Startbetrieb um den Faktor drei erhöht, steigt die benötigte Maschinenspannung auf 18 V, die Stromaufnahme sinkt auf ein Drittel des vorherigen Wertes, d. h. absolut auf 500 A. Die Leistungselektronik muß damit nicht für höhere Strome ausgelegt werden. Man erreicht durch die Anwendung der Windungszahlumschaltung, also mit einer Maßnahme, welche eigentlich die Maschine betrifft, eine Verbesserung bei der Dimensionierung des Stromrichters. Das hier herangezogene Beispiel einer Asynchronmaschine läßt sich in ähnlicher Weise auch auf andere Maschinentypen übertragen (Synchronmaschine, Gleichstrommaschine).

Um die obengenannte Windungszahlumschaltung zu erreichen, kann a) die Anzahl der Windungen einer Spulengruppe verändert werden, oder es kann b) eine unterschiedliche Aufteilung zwischen Reihen- und Parallelschaltung der Spulengruppen erfolgen. In jedem Fall müssen die Anfänge und Enden der Teilspulen, die unterschiedlich zu verschalten sind, zumindest teilweise aus dem Stator herausgeführt werden und zur Umschaltung zur Verfügung stehen. Da bei der ersten Methode (Variante a) jede Spulengruppe aus mehreren Teilspulen bestehen muß, deren Anfänge und Enden herausgeführt werden müßten, würde man in diesem Fall einen höheren Verschaltungsaufwand als im zweiten Fall (Variante b) bekommen, in dem nur Anfang und Ende einer gesamten Spulengruppe der Einrichtung zur Umschaltung zugeführt werden müssen. Man verwendet die erste Variante deshalb vorteilhaft im Zusammenhang mit einer Wellenwicklung, wodurch sich die Anzahl der benötigten Schaltverbindungen reduziert.

Besonders ist bei der konstruktiven Ausführung der Umschaltung darauf zu achten, daß die Zuleitungen zu den Schaltern so kurz wie möglich gehalten werden und daß die Querschnitte nicht zu gering gewählt werden.

Der Einbau der vorbeschriebenen Windungszahlumschaltung ist auf jeden Fall mit zusätzlichen Zuleitungslängen verbunden. Ohne spezielle Maßnahmen ist hier mit großen Leitungslängen und damit einer beträchtlichen Verschlechterung des Wirkungsgrades zu rechnen. Die Erfindung zielt daher auch dahin, die Umschaltung konstruktiv so auszuführen, daß die Vorrichtung zur Windungszahlumschaltung in unmittelbarer Nähe des Stators angeordnet wird, so daß die Zuleitungen nur eine geringfügige Erhöhung des Statorwiderstandes bewirken.

In gleicher Weise wie die Zuleitungswiderstände wirken sich hohe Übergangswiderstände in den Schaltern negativ aus. Im Generatorbetrieb senken diese zusätzlichen Widerstände den Wirkungsgrad. Im Startfall muß die Leistung, die in ihnen umgesetzt wird, von der Batterie gedeckt werden. Da sich die Verwendung einer größeren Batterie aus Gewichtsgründen verbietet, wird deutlich, daß die widerstandsarme Ausführung der Umschaltung einen Kernpunkt darstellt.

Dabei gibt es verschiedene Möglichkeiten, dieses Problem bezüglich des Statorwiderstandes auf eine Minimum zu reduzieren.

Es ist beispielsweise ein ringförmiger Schaltungsaufbau möglich, der sich in unmittelbarer Nähe des Wickelkopfes befindet. Die Wicklung ist dazu aus Spulengruppen gebildet, die in Reihe oder parallel geschaltet werden können (Alternative b). Dazu umfaßt die Windungszahlumschaltung eine ringförmige Schalteinheit, die am Stator in unmittelbarer Nähe des Wickelkopfes angeordnet ist. Mit diese Maßnahme können lange Zuleitungen sowie daraus resultierende Verluste vermieden werden. Aufgrund der hohen Stromstärken dürfen die Zuleitungen nicht zu kleine Querschnitte besitzen.

Eine besonders vorzugsweise Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß die Windungszahlumschaltung im wesentlichen aus einem feststehenden Kontaktlamellenring und einem die Schaltbewegung ausführenden Stellring gebildet wird. Der Kontaktlamellenring stellt eine ringförmige Anordnung von Kontakten dar, die jeweils die Enden von zugehörigen Spulenwicklungen definieren und miteinander je nach Betriebsart verschaltet werden. Der Stellring weist ebenfalls Kontakte auf, die je nach Stellung des Stellringes auf den Kontakten des Kontaktlamellenringes zu liegen kommen und diese in der geeigneten Weise miteinander verbinden. Der Stellring kann mittels eines Aktuators betätigt werden, wobei es sich bei dem Aktuator um einen Elektromotor, einen Pneumatik-Hubzylinder, einen Hydraulik-Hubzylinder, einen elektrischen Hubmagneten oder dergleichen handeln kann.

Eine vollständig symmetrische Anordnung der Zuleitung ergibt in vorteilhafter Weise gleiche Zuleitungswiderstände und somit eine gleichmäßige Stromverteilung in der Maschine. Ferner führen gleichmäßige Kräfteverteilungen zu einem gleichmäßigen Lauf, wodurch Schwingungsanregungen vermieden werden können. Die Stellbewegung des Stellrings erfolgt vorzugsweise in Umfangsrichtung der Kurbelwelle. Dagegen können die Kontaktflächen in Kurbelwellenachsrichtung oder radial zur Kurbelwelle oder in Kurbelwellenumfangsrichtung ausgerichtet sein.

Die Kontaktflächen können sowohl einzeln als auch in Gruppen oder in ihrer Gesamtheit mit einer Normalkraft beaufschlagt werden. Diese Normalkraft kann mittels elastischer Federn oder mit anderen Mitteln erzeugt werden. Insbesondere kann die Normalkraft stets anliegen, also auch beim Stellvorgang. Die Normalkraft kann alternativ auch vor Einleitung des Stellvorgangs zurückgenommen werden. Letzteres läßt sich äußerst vorteilhaft über eine Beaufschlagung einer gemeinsamen Anfederung mit Unterdruck bewerkstelligen. Es wäre auch die Rücknahme der Anpreßkraft während des Umschaltvorganges realisierbar, beispielsweise durch eine Hubvorrichtung für den Stellring, die hydraulisch oder über Hubmagnete betätigt werden kann.

Bei einer weiteren Möglichkeit, das Problem bezüglich des Statorwiderstandes zu lösen, ist es vorteilhaft, den Wicklungsaufbau mit einer Wellenwicklung zu realisieren (Alternative a). Dazu sind die Teilwicklungen als Wellenwicklungen ausgeführt, deren Anfänge und Enden an einem Bereich des Umfangs des Stators austreten und vorzugsweise symmetrisch angeordnet sind. Durch die Wahl einer Wellenwicklung erhält man zusammenhängende Leiterstücke von mehreren Metern Länge. Auch bei einer weiter entfernten Positionierung der Windungszahlumschaltvorrichtung vom Stator bleibt der prozentuale Anteil der Zuleitungsverluste daher gering. Auf diese Weise kann ein leicht zugänglicher Bauraum außerhalb der Getriebe-/Kupplungsglocke gewählt werden.

Im übrigen kann beim Umschalten zwischen dem Starter- und Generatorbetrieb eine kurze Unterbrechung des Betriebs des Motors erfolgen. Der Umschaltvorgang geht damit stromlos vor sich, wodurch die Kontakte deutlich vereinfacht ausgeführt werden können.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Windungszahl jeder Wicklung einer Phase im Starterbetrieb um den Faktor 2 bis 10, insbesondere um 3 erhöht.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur Windungszahlumschaltung eine Umschaltung der Batteriespannung vorgenommen wird. Die Windungszahlumschaltung muß natürlich dann auf die zusätzlich vorhandene Batteriespannungsumschaltung und umgekehrt ausgelegt werden. Ohne die Batteriespannungsumschaltung läge ein realisierbarer Umschaltungsfaktor beispielsweise bei 1 : 3. Wird die Batteriespannung durch eine Umschaltung verdoppelt, könnte der Umschaltungsfaktor in diesem Fall auf 1 : 6 erhöht werden.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Motors ist jedoch nicht auf den Kraftfahrzeugbereich beschränkt. Sie kann überall dort erfolgen, wo bei niedrigen Drehzahlen hohe Drehmomente und bei hohen Drehzahlen niedrige Drehmomente abverlangt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend - auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile - mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1a eine schematische Schaltskizze einer ersten Ausführungsform eines Stators eines erfindungsgemäßen Motors mit Umschaltvorrichtung,

Fig. 1b eine Schaltskizze wie Fig. 1, wobei die Umschaltvorrichtung in den Generatormodus geschaltet ist.

Fig. 1c eine Schaltskizze wie Fig. 1, wobei die Umschaltvorrichtung in den Startmodus geschaltet ist.

Fig. 2 eine weitere schematische Schaltskizze einer zweiten Ausführungsform eines Stators des erfindungsgemäßen Motors mit Umschaltvorrichtung,

Fig. 3 ein Diagramm, welches die Drehmomentanforderungen eines in einem Kraftfahrzeug eingesetzten Motors im Start- und Generatorbetrieb zeigt,

Fig. 4 ein Diagramm mit Spannungs- und Stromverlauf im Start- und Generatorbetrieb ohne Umschalteinrichtung,

Fig. 5 ein Diagramm mit Spannungs- und Stromverlauf im Starter- und Generatorbetrieb mit Windungszahlumschaltung,

Fig. 6a eine schematische Darstellung eines Kontaktlamellenringes an einem Stator mit drei Phasen,

Fig. 6b eine schematische Darstellung wie Fig. 6b, wobei jedoch nur die Einrichtungen für eine Phase dargestellt sind,

Fig. 7a eine schematische Darstellung eines Stellringes mit Kontaktlamellen für drei Phasen,

Fig. 7b eine schematische Darstellung wie Fig. 7a, wobei jedoch nur die Kontaktlamellen für eine Phase dargestellt sind und

Fig. 8 eine schematische Schaltskizze einer Batterieumschaltvorrichtung.

Ein in einem Kraftfahrzeug verbauter Elektromotor, der als Starter und Lichtmaschine betrieben wird, muß stark unterschiedlichen Drehmomenten und Drehzahlen gerecht werden. Beispielsweise muß eine Asynchronmaschine, die auf der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors sitzt, in der Lage sein, den Verbrennungsmotor zu starten und bei laufendem Verbrennungsmotor als Generator zu wirken. Der Start des Verbrennungsmotors ist durch sehr hohe Drehmomente bei geringen Drehzahlen gekennzeichnet. Im Generatorbetrieb hingegen wird eine über die Drehzahl nahezu konstante Leistung gefordert.

In Fig. 3 ist ein charakteristischer Drehmoment-Drehzahlverlauf dargestellt. Bis zu einer Drehzahl von etwa 100 Umdrehungen pro Minute (Upm) soll der Motor ein Drehmoment von bis zu 350 Nm abgeben können. In Fig. 3 ist der Startbetrieb mit 250 Nm dargestellt. Ab der Leerlaufdrehzahl von mindestens 500 Upm bis zur maximalen Motordrehzahl von 6500 Upm ist dagegen das in Fig. 3 eingezeichnete Leistungsprofil von unter 50 Nm gefordert. Die letztgenannten Anforderungen zwingen normalerweise zu einer Wicklungsauslegung des Asynchronmotors, die zu sehr hohen Strömen im Startfall führt.

Die von dem Motor bei den einzelnen Betriebsarten und -punkten aufgenommenen Ströme und Spannungen ohne Windungszahlumschaltung sind in Fig. 4 dargestellt. Die Bereitstellung der zur Speisung des Motors notwendigen Drehspannung erfolgt mit Hilfe eines Pulswechselrichters. Die Kosten und der Bauraum einer solchen Leistungselektronik sind nahezu proportional zum Maximalstrom, auf den der Pulswechselrichter auszulegen ist. Gemäß Fig. 4 liegt dieser Strom im Startfall in der Größenordnung von 1500 A. Die Spannung, die dabei an dem Elektromotor anliegt, beträgt jedoch nur einen Bruchteil der vom Pulswechselrichter bereitgestellten Spannung (hier um 6 V).

Um die hohen Ströme zu umgehen, wird vorgeschlagen, die Windungszahlen bei den entsprechenden Betriebsarten zu verändern und je nach Betriebsart umzuschalten. Durch die Windungszahlumschaltung im Starter- und Generatorbetrieb kann die Stromaufnahme bzw. -abgabe in den beiden Betriebsarten etwa gleich groß gehalten werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Windungszahl im Startfall um den Faktor 3 erhöht. Damit ergeben sich die in Fig. 5 dargestellten Strom- und Spannungskurven.

Auf diese Weise können die Ströme im Startbetrieb auf etwa ein Drittel des ansonsten vorliegenden Wertes zurückgeführt werden und befinden sich damit in etwa in dem Bereich des Generatorbetriebs.

In den Fig. 1a bis 1c ist eine erste Variante einer Windungszahlumschaltung in schematischer Weise dargestellt. Dabei ist nur jeweils eine Phase einer Dreiphasigen Statoranordnung abgebildet. Die Verschaltung für die anderen Phasen ist analog ausgeführt. Gemäß Fig. 1a sind neun Spulen (Spule 1 bis 9) angeordnet. Zu jeder Spule gehört ein Spulenanfang und ein Spulenende (Anfang 1 bis 9, Ende 1 bis 9). Die Spulenenden und -anfänge enden jeweils in Kontakten, die - wie nachfolgend noch erläutert - über Schaltkontakte 40, 42, 44 eines Stellrings 38 miteinander verschaltet werden können. Mit den Bezugsziffern 50 und 60 sind die Sternleitung mit der Verbindung zu anderen Phasen bzw. die Zuleitung zu einem Strang (Phase) des Wechselrichters bezeichnet.

Auf die Wicklungsanordnung, die Wirkungsweise und den Betrieb eines solchen Elektromotors soll hier nicht näher eingegangen werden, da er aus dem Stand der Technik allgemein bekannt ist.

Die Umschaltvorrichtung ist schematisch zwischen den beiden mit 50 und 60 bezifferten Linien skizziert. Je nach Stellung einer nicht näher beschriebenen Stellvorrichtung werden die Kontakte so miteinander verbunden, daß eine Parallel- oder eine Reihenschaltung der Spulen vorliegt.

In Fig. 1b ist die Stellvorrichtung in dem Schaltzustand, daß eine Parallelschaltung aller Spulen 1 bis 9 realisiert ist. Jeder Spulenanfang ist mit der Zuleitung 60 zu einem Wechselrichter und jedes Spulenende mit der Sternleitung 50 verbunden. Diese Verschaltung stellt den Generatormodus dar.

In Fig. 1c ist die Stellvorrichtung in dem Schaltzustand, daß Gruppen von Spulen, nämlich die Spulen 1 bis 3, 4 bis 6 und 7 bis 9 miteinander in Reihe verschaltet sind. Dabei ist der Spulenanfang von Spule 1 mit der Zuleitung 60 verbunden. Hingegen sind das Ende 1 der Spule 1 und der Anfang 2 der Spule 2 sowie das Ende 2 der Spule 2 und der Anfang 3 der Spule 3 direkt miteinander verbunden (Ende 3 an Sternpunkt), so daß die Spulen 1 bis 3 insgesamt eine in Reihe geschaltete Spule bilden. In analoger Weise trifft dies auf die Spulengruppen 4 bis 6 und 7 bis 9 zu. Diese Verschaltung stellt den Startermodus dar, in dem die Windungszahl pro Spulengruppe verdreifacht ist. Dadurch läßt sich die Spannung um den gleichen Faktor erhöhen und der Strom um den gleichen Faktor senken.

Beim Umschalten lassen sich Kontakte in Richtung der in Fig. 1a dargestellten Doppelpfeile verschieben.

Eine konstruktive Ausführungsform einer Umschaltvorrichtung wie sie in den Fig. 1a bis 1c angegeben ist, wurde in den Fig. 6a bis 7b dargestellt.

In Fig. 6a ist ein Stator 20 mit einer Vielzahl von Wicklungen (lediglich zwei Wicklungen sind durch die Bezugsziffer 22 bezeichnet) dargestellt. Aus dem Stator 20 sind Enden von Wicklungen herausgeführt und enden in Kontakten 24. In Fig. 6a ist eine ringförmige Gruppierung einer Vielzahl von Kontakten 24 bzw. Kontaktlamellen zu erkennen, wobei jeweils die äußeren Kontakte mit einer Sternpunktleitung 26 verbunden sind. Diese ringförmige Gruppierung der Kontakte wird nachfolgend als Kontaktlamellenring bezeichnet. Die Sternpunktleitung 26 entspricht der Sternleitung 50 in den Fig. 1a bis 1c. Die inneren Kontakte sind jeweils abwechselnd mit den Zuleitungen 32, 34, 36 zu einem Wechselrichter verbunden. Eine solche Zuleitung entspricht der Zuleitung 60 aus den Fig. 1a bis 1c. Die mittleren beiden Kontakte einer Viererkontaktgruppe führen zu Wicklungen.

Je nachdem, ob nun die mittleren zwei Kontakte einer Vierergruppe miteinander verbunden werden oder aber die äußeren und die inneren beiden Kontakte, kann im ersteren Fall eine Hintereinanderschaltung von Spulen erfolgen (Reihenschaltung), im zweiten Fall liegt eine Parallelschaltung der Spulen vor.

Zur besseren Übersicht wurden in Fig. 6b nur die zu einer Phase zugehörigen Kontaktgruppen dargestellt.

Das Komplementärelement zu dem Kontaktlamellenring ist der in den Fig. 7a und 7b schematisch dargestellte Stellring 38. Im Stellring 38 sind in der aus Fig. 7a ersichtlichen Weise Schaltkontakte 40, 42, 44 angeordnet. Diese Kontakte kommen entsprechend der Stellung des Stellringes auf den Kontakten 24 des Kontaktlamellenringes zu liegen und stellen die oben angesprochenen Verbindungen her.

Bei den Schaltkontakten des Stellringes 38 gibt es unterschiedliche Arten von Kontakten.

Jeweils zwei in Umfangsrichtung beabstandete Kontaktreihen 42 und 44 bilden eine Schaltgruppe. Je nach Stellung des Stellringes 38 verbinden entweder die Kontakte 42 zwei mittlere Kontakte des Kontaktlamellenringes, oder aber das Kontaktpaar 44 verbindet die äußeren und die inneren beiden Kontakte des Kontaktlamellenringes. Nur jeweils ein Kontakt der Kontaktgruppe ist aktiv, der andere Kontakt 42 bzw. Kontaktpaar 44 kommt zwischen den Kontakten des Kontaktlamellenringes zu liegen.

Ferner gibt es einen weiteren Bereich auf dem Stellring, in dem Kontakte 40 angeordnet sind. Hier bilden jeweils 4 Kontakte eine Gruppe. Egal in welcher Stellung sich der Stellring befindet, werden immer die äußeren und inneren Kontakte des Kontaktlamellenringes miteinander verbunden. Eine Umschaltung erfolgt durch diese Kontaktgruppe nicht.

Um die Wirkungsweise der Umschaltvorrichtung einfacher erklären zu können, sind in den Fig. 6b und 7b jeweils nur die Kontakte für eine Phase dargestellt. Die Kontakte sind den jeweiligen Spulen zugeordnet und korrespondieren direkt zu den in Fig. 1a bis 1c dargestellten Kontakten bzw. Spulen.

Wird der Stellring 38 um etwa eine Kontaktbreite winkelverdreht, so kommt aus einer jeweiligen Kontaktgruppe der Fig. 7b einer der Kontakte bzw. Kontaktpaare auf den Kontakten des Kontaktlamellenringes zu liegen. Die Vierergruppen führen keine Umschaltung durch, da sie auch nach der Verstellung des Stellringes die gleichen Kontakte des Kontaktlamellenringes miteinander verbinden. Ein Umschalten erfolgt lediglich bei den Dreiergruppen. Je nach Stellung des Stellringes werden die äußeren und inneren der zugeordneten Kontakte oder aber nur die beiden inneren Kontakte miteinander verbunden. Im ersteren Fall führt dies zu einer Parallelschaltung der Spulen (Generatorbetrieb). Im zweiten Fall sind jeweils drei Spulen der insgesamt neun Spulen einer Phase hintereinandergeschaltet (Starterbetrieb). Die Umschaltung erfolgt durch Abheben der Kontakte voneinander, anschließendes Verdrehen des Stellringes und anschließendes Schließen der Kontakte.

Bei der konstruktiven Ausführung muß auf eine Minimierung zusätzlicher Zuleitungswiderstände geachtet werden. Durch die ringförmige Anordnung der Kontakte 24 im Kontaktlamellenring können die notwendigen Zusatzleitungen kurz gehalten werden. Im übrigen kann der Umschalter in einem Stück bleiben und in einem kurzen Abstand von der Statorwicklung angebracht werden. Jedes der Wicklungsteile erstreckt sich über den gesamten Umfang, wodurch Beginn und Ende dicht benachbart am Umfang liegen.

Der Stellring 38 kann mit Hilfe einer direkten Kupplung geschaltet werden. Insgesamt kann ein leichter und einfacher Aufbau des Rotorträgers gewährleistet werden. Die Stellbewegung am Stellring erfolgt dabei in Umfangsrichtung der Kurbelwelle. Die Kontaktflächen und die auf sie wirkende Normalkraft sind in Kurbelwellenachsrichtung ausgerichtet. Sie können alternativ auch radial zur Kurbelwelle oder in Kurbelwellenumfangsrichtung ausgerichtet sein. Die Normalkraft wird mittels Feder erzeugt. Sie kann aber auch anderweitig erzeugt werden. Die Normalkraft liegt im vorliegenden Fall stets an, also auch beim Stellvorgang. Alternativ kann die Normalkraft auch vor Einleiten des Stellvorgangs zurückgenommen werden. Letzteres ließe sich äußerst vorteilhaft über eine Beaufschlagung einer gemeinsamen Anfederung mit Unterdruck bewerkstelligen. Darüber hinaus sind auch Möglichkeiten zur Rücknahme dieser Anpreßkraft realisierbar, beispielsweise durch eine Hubvorrichtung für den Stellring, die hydraulisch oder über Hubmagnete betätigt werden kann.

Natürlich kann die Erfindung auch anders als im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel realisiert werden. Beispielsweise mit einer Schaltung wie sie schematisch in Fig. 2 dargestellt ist. Bei dieser Ausführungsform sind 9 Spulen (Spule 1 bis 9) in einer Gruppe hintereinander geschaltet, wobei jede Spule eine Teilspule aufweist, die mit einer Teilspule einer nächsten Spule verbunden ist. Auch hier läßt sich durch eine Umschaltung eine Spannungsverdreifachung bewirken. In der mit dickem Strich dargestellten Position von Schaltern werden die Eingangsenden (Anfang 1, Anfang 2 und Anfang 3) verschaltet, so daß die Zuleitung eines Wechselrichters an den Anfang jeder Teilspule gelegt wird. Entsprechend enden alle Spulenausgänge (Ende 1, Ende 2, Ende 3) an einem Sternpunkt, der eine Verbindung zu den anderen Phasen besitzt (Generatorbetrieb).

Bei einer Umschaltung werden die Kontakte in die mit strichlinierter Darstellung gezeichnete Position umgelegt. Dadurch werden die einzelnen Spulengruppen in Reihen hintereinander geschaltet, wodurch sich wiederum die Spannungserhöhung und Stromreduzierung für den Startfall erzeugen läßt.

Eine zusätzliche Möglichkeit der Spannungsumschaltung ist in Fig. 8 aufgezeigt. In dieser Figur ist eine schematische Schaltskizze einer Batteriespannungsumschaltvorrichtung 100 dargestellt. Die Batterie besteht in diesem Fall aus zwei Halbbatterien 110 und 112 (hier beide mit einer Spannung von 36 V), die über einen Umschalter 114 miteinander verbunden sind. Im Startmodus werden beide Halbbatterien 110 und 112 über die Umschaltvorrichtung 100 in Reihe geschaltet. Dabei ist der mit "Start" bezeichnete Schalter gedrückt, so daß der Pluspol der Halbbatterie 112 über einen Kontakt 118 mit dem Minuspol der Halbbatterie 110 verbunden ist. Geben die beiden Halbbatterien gleiche Spannung ab, so verdoppelt sich die Gesamtspannung mit dieser Maßnahme.

Im Generatormodus - wie er in Fig. 8 dargestellt ist -, sind beide Teilbatterien 110 und 112 parallelgeschaltet (z. B. über den Kontakt 116), so daß sich eine im Vergleich zum Startmodus reduzierte Spannung ergibt.

Die Batterie gibt ihren Strom über den Wechselrichter 120 an den Starter bzw. Generator ab.

Die Spannungsverdoppelung im Startfall führt zu einer Stromreduzierung und damit zu einer Verkleinerung des Elektronikaufwandes.

Insgesamt kann mit der vorgenannt beschriebenen Erfindung sichergestellt werden, daß die Kosten für einen als Starter und Generator zu verwendenden Motor klein und der Bauraum kompakt gehalten werden können. Die mit dem Einsatz der Windungszahlumschaltung erreichte Reduktion des Auslegungsstromes und die damit verbundene Verringerung des Platzbedarfs vereinfacht die Unterbringung der Leistungselektronik im Fahrzeug erheblich. Besondere Anforderungen hinsichtlich des Abreißen des Stromes sind dabei nicht erforderlich, da im stromlosen Zustand geschaltet werden kann. Die Kontaktflächen werden dadurch weniger belastet. Bezugszeichenliste 20 Stator

24 Kontakte

26 Sternpunktleitung

32 Zuleitungen

34 Zuleitungen

36 Zuleitungen

38 Stellring

40 Schaltkontakte des Stellrings

42 Schaltkontakte des Stellrings

44 Schaltkontakte des Stellrings

50 Sternleitung

60 Zuleitung

100 Batterieumschaltvorrichtung

110 Halbbatterie

112 Halbbatterie

114 Umschalter

116 Kontakt

118 Kontakt

120 Wechselrichter


Anspruch[de]
  1. 1. Motor, insbesondere Drehstrommotor, zur Verwendung als Starter und Generator in einem Kraftfahrzeug mit einem Rotor, einem Stator und einem Pulswechselrichter, wobei der Stator eine Mehrphasenwicklung aufweist und jede Wicklung einer Phase in Teilwicklungen untergliedert ist, und mit einer Einrichtung zur Umschaltung der Windungszahl jeder Mehrphasenwicklung im Starter- und Generatorbetrieb, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungszahl in der Weise umschaltbar ist, daß die Stromaufnahme des Motors im Starter- und Generatorbetrieb im wesentlichen in der gleichen Größenordnung liegt.
  2. 2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungszahl jeder Wicklung einer Phase im Starterbetrieb um einen bestimmten Faktor erhöht ist.
  3. 3. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Faktor zwischen 2 und 10, insbesondere bei 3, liegt.
  4. 4. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zu- und Ableitungen zu den einzelnen Teilwicklungen ringförmig am Stator angeordnet sind und durch eine korrespondierend ausgebildete Umschaltvorrichtung je nach Betriebsart verschaltbar sind.
  5. 5. Motor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilwicklungen als Wellenwicklungen ausgeführt sind, deren Anfänge und Enden nahe dem Stator an nur einem Ringbereich desselben austreten und symmetrisch angeordnet sind.
  6. 6. Motor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalteinrichtung einen feststehenden, statorseitig angeordneten Kontaktlamellenring und einen die Schaltbewegung ausführenden Stellring umfaßt.
  7. 7. Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellring mittels eines Aktuators betätigt wird.
  8. 8. Motor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellbewegung am Stellring in Umfangsrichtung einer Kurbelwelle erfolgt.
  9. 9. Motor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen zwischen den Teilwicklungsenden und dem Stellring in Kurbelwellenachsrichtung oder radial zur Kurbelwelle oder in Kurbelwellenumfangsrichtung ausgerichtet sind.
  10. 10. Motor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen des Kontaktlamellenringes und des Stellringes mittels einer Normalkraft gegeneinander beaufschlagt sind.
  11. 11. Motor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Normalkraft mittels einer elastischen Feder, einer Unterdruckeinrichtung, einer hydraulischen, pneumatischen oder magnetischen Vorrichtung oder mittels einer Kombination derselben erzeugt und/oder aufgehoben wird.
  12. 12. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Umschaltung der Windungszahl zusätzlich die Batteriespannung umgeschaltet wird.
  13. 13. Motor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Batterien vorgesehen sind, die im Generatorbetrieb parallel, im Starterbetrieb in Reihe geschaltet sind.
  14. 14. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor auf der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeug angeordnet ist.
  15. 15. Motor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator innerhalb oder außerhalb einer Getriebe- oder Kupplungsglocke angeordnet ist.






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