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Dokumentenidentifikation DE19900584A1 13.07.2000
Titel Elektrischer Generator vorzugsweise für die Verwendung als Lichtmaschine im Kraftfahrzeug
Anmelder Schäfertöns, Jörn H., 38108 Braunschweig, DE
Erfinder Schäfertöns, Jörn H., 38108 Braunschweig, DE
DE-Anmeldedatum 09.01.1999
DE-Aktenzeichen 19900584
Offenlegungstag 13.07.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.07.2000
IPC-Hauptklasse H02K 21/02
Zusammenfassung Elektrischer Generator in vorzugsweise einphasiger und vielpoliger Ausführung mit transversaler Flußführung durch einen klauenförmigen Stator mit einer zentralen Wicklung und einen Außenläufer mit permanentmagnetischer Erregung und Einrichtung zur verlustarmen Spannungsregelung, gekennzeichnet durch einen zentralen zylindrischen Eisenkern (2) aus sternförmig angeordneten Blechstreifen (9), umgeben mit einer kompakten Ringspule (4), versetzt gegenüberliegende Statorblechpakete, geschichtet aus identischen gestanzten und mindestens auf einer Seite abgewinkelten Blechen, einem ringförmigen Rotor mit abwechselnder Anordnung von ausgeprägten Eisenpolen und Dauermagneten und einer Spannungsregelung durch zeitweises Kurzschließen der aus mehreren Abschnitten bestehenden Wicklung. Der Generator eignet sich durch hohe Leistungsdichte und guten Wirkungsgrad besonders als Lichtmaschine in Fahrzeugen und Luftfahrzeugen und kann für die gleichzeitige Abgabe unterschiedliche Spannungen oder für einen sehr weiten Drehzahlbereich ausgelegt werden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Generator vorzugsweise für die Verwendung als Lichtmaschine im Kraftfahrzeug.

Die Anforderungen an Lichtmaschinen in Kraftfahrzeugen sind preiswerte Herstellung, geringes Gewicht, kleines Bauvolumen gute Regelbarkeit über einen großen Drehzahlbereich und guter Wirkungsgrad. Diese Anforderungen werden von den heute überwiegend als Drehstromsynchron-Maschinen mit Feldregelung ausgeführten Maschinen erfüllt, wobei durch die aufgrund der hohen Strombelastung erforderliche Kühlung nur durchschnittliche Wirkungsgrade von unter 50% erzielt werden, was bei immer sparsameren Autos schon einen deutlichen Einfluß auf den Kraftstoffverbrauch hat.

Ziel der Erfindung ist deshalb die Schaffung eines elektrischen Generators, der die heute üblichen Lichtmaschinen besonders bezüglich des Wirkungsgrades übertrifft.

Dies wird durch die Konzentration des Flusses in einem zentralen zylindrischen Eisenkern erreicht, der mit einer ringförmigen Spule umwickelt ist, die sich in einem großen Wickelraum zwischen zwei Blechpaketen mit klauenförmigen Polen befindet. Durch die minimale Länge des Leiters und den relativ großen und gut zugänglichen Wickelraum wird ein Minimum an Kupferverlusten in der Wicklung erzielt. Aufgrund der minimalen Verlustwärme kann auch die Leistung für die Kühlung erheblich reduziert werden.

Der extrem gute Wirkungsgrad der Wicklung ermöglicht in Verbindung mit den relativ großen Streublindwiderstand der aus der vielpoligen und klauenförmigen Bauform des Stators resultiert, ein sehr einfaches Regelungsprinzip: Der Strom wird bei Kurzschluß der Wicklung durch die Streureaktanz etwa auf den Nennstrom begrenzt. Da die Wicklungsverluste gering sind, wird dieser Zustand mit einer geringen Leistung erreicht. Durch taktweises und durch die gleichgerichtete Ausgangsspannung gesteuertes Schalten eines Kurzschlusses kann die Ausgangsspannung verlustarm geregelt werden.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Möglichkeit durch einfache Abzapfung der Wicklung mehrere Ausgangsspannungen bereitzustellen. In diesem Fall erfolgt die Regelung durch Kurzschluß der höchsten Spannung, um die Verluste des Schalthalbleiters zu minimieren. Diese Ausführung ist ggf. auch dann vorteilhaft, wenn die hochohmige Wicklung nur zur Regelung verwendet wird, solange die zusätzlichen Verluste in der Wicklung durch geringere Verluste im Schalthalbleiter kompensiert werden. Der Leiterquerschitt kann der Strombelastung ensprechend gestuft ausgeführt werden. Eine mehrteilige Wicklung kann auch verwendet werden, um die Lichtmaschine stufenweise an unterschiedliche Betriebsdrehzahlen anzupassen.

Bei üblichem Antrieb durch Keilriemen können vorhandene Lichtmaschinen durch die beschriebene Lichtmaschine mit geringerem Gewicht und höherem Wirkungsgrad ersetzt werden. Aufgrund der vielpoligen Bauweise ist die beschriebene Lichtmaschine bei entsprechend modifizierter Auslegung aber auch für einen Direktantrieb durch den Verbrennungsmotor geeignet. Die Masse des Außenläufers bildet dann einen Teil der erforderlichen Schwungmasse, wodurch sich das Gesamtgewicht des Systems verringert.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Lichtmaschine, Fig. 2 zeigt eine Ansicht in der Ebene der Pole.

Der Außenläufer (17), z. B. im Spritzguß aus Aluminium gefertigt, mit Keilscheibe (16) ist auf einer Achse (13) mit Kugellagern (15) gelagert. Er trägt den aus Blechen gestanzten Rückschlußring (10), der abwechseln ausgeprägten Pole (3) und Pollücken aufweist, in denen Dauermagnete (1) mit gleicher Polorientierung auf ebenen Flächen aufgeklebt sind. Der Rückschlußring ist auf den Außenläufer aufgenietet, der im Bereich der Nieten (22) Abstandshalter (20) aufweist, die als Turbinenschaufeln zur Förderung von Kühlluft ausgebildet sind.

Der Stator besteht aus einem zentralen zylindrischen Eisenkern (2), der aus mehreren sternförmig angeordneten Stapeln V-förmig abgewinkelter Blechstreifen (9) unterschiedlicher Breite oder falls verfügbar aus identischen keilförmigen Blechstreifen zusammengesetzt ist, die miteinander verklebt sind.

Dabei ist im Zentrum des Eisenkernes (2) eine Bohrung vorhanden, durch die der Kern mit einem Gehäuse (19) und der Achse (13) verschraubt ist. Ein Gewindeabschnitt in der Achse (13) vor der Schraube (12) kann zum Befestigen eines Spannbügels (11) für den Riemenantrieb verwendet werden. Auf den Kern sind beiderseits Blechpakete aus jeweils identischen Polblechen (5) und (6) mit einer entsprechenden zylindrischen Bohrung aufgeschoben, zwischen die Ringspule (4) angeordnet ist.

Die Blechpakete sind gegeneinander um die halbe Polteilung verdreht angeordnet, so daß die gegeneinander gerichtet abgewinkelten Polklauen ineinander greifen und eine magnetisch aktive Mantelfläche wechselnder Pole und Pollücken entsteht. Durch die gezeigte unsymmetrische Ausführung der Bleche braucht nur ein Blechpaket gebogen werden und die Lagerung des Außenläufers liegt in der Nähe der Polflächen. Für die mechanische Fixierung sind die Polklauen am Umfang durch ein ringförmiges Formteil (18) umschlossen und separiert, das als Schutzabdeckung des Rückschlußringes (10) dient und durch das Gehäuse (19) umschlossen und stabilisiert wird. Das Gehäuse weist zur Befestigung der Lichtmaschine eine Lagerbohrung (7) auf. Die Spule (4) kann mindestens im unteren Bereich aus einem Schnittband aus Kupferblech gewickelt werden, um eine maximale Ausnutzung des Wickelraumes zu erhalten, wobei der untere Anschlußleiter durch einen Schlitz im Eisenkern (2) nach innen herausgeführt werden kann.

Anschließend an die Niederspannungswicklung kann darüber ein Hochspannungsabschnitt aus Runddraht gewickelt werden.

Das Gehäuse (19) dient auch als Kühlkörper und Träger der Halbleiterelemente (30) der Steuerung und leitet die Kühlluft zwischen Kühlrippen (21) in die Zwischenräume der Statorbleche. Die Kühlrippen verbinden außerdem die äußere Wandung des Gehäuses (19) mit der Haltescheibe (23) für die Statorbleche.

Fig. 3 und 4 zeigen die ebenen Blechschnitte von Stator und Rotor. Das Statorblech 5 ist vor dem Biegen größer als das Statorblech (6) das durch die gezeigte Schachtelung mit dem Rückschlußring (10) mit geringem Verschnitt gestanzt werden kann.

Zur Vermeidung eines transformatorischen Kurzschlusses weisen die Polbleche einen Schlitz auf.

Fig. 5 zeigt in schematischer Darstellung die Spule (4) mit den Wicklungen (41, 42, 43), die Gleichrichter (32, 32) und die Einrichtung für die Spannungsregelung (33-36).

Mit steigender Drehzahl wird die gewünschte Ausgangsspannung zunächst an den in Reihe geschalteten Wicklungen 41 und 42 erreicht. Wird nun mit zunehmender Drehzahl die gewünschte Spannung von beispielsweise 13 V (Z. B. zur Versorgung von Verbrauchern im Leerlauf des Automotors ohne nennenswerte Batterieladung) überschritten, schaltet der Regler (33) die Wicklung (35) ab und regelt zunächst durch taktweises Ein- und Ausschalten der Wicklung die Ausgangsspannung. Ist die Drehzahl soweit angestiegen, daß in der Wicklung (41) bereits die gewünschte Ausgangsspannung induziert wird, dann bleibt die Wicklung (42) ausgeschaltet und der Regler (34) übernimmt die Regelung bei einer geringfügig höheren Regelspannung (von z. B. 14 V zur Batterieladung). Der Regler (34) regelt durch zeitlich angepaßtes Kurzschließen der Wicklungen. Im Kurzschluß ist der Strom durch den Streublindwiderstand auf die maximalen Amperwindungen begrenzt. Durch eine hohe Windungszahl der Wicklung 43 kann der Strom durch den Schalthalbleiter (36) auf ein verlustarmes Maß begrenzt werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Elektrischer Generator in vorzugsweise einphasiger und vielpoliger Ausführung mit transversaler Flußführung durch einem klauenförmigen Stator mit einer zentralen Wicklung und einen Außenläufer mit permanentmagnetischer Erregung und einer Einrichtung zur verlustarmen Spannungsregelung, gekennzeichet durch:

    Einen zentralen Kern mit sternförmig um eine Bohrung angeordneten Blechstreifen, die entweder aus sternförmig angeordneten V-förmig gebogenen Blechpaketen (9) oder aus einer Vielzahl von ebenen Blechstreifen mit im Wechsel unterschiedlicher Breite (vorzugsweise im Verhältnis 1 : 2) oder aus einer Vielzahl von identischen Blechen mit keilförmigem Querschnitt zusammengesetzt ist.
  2. 2. Eine zentrale Spule (4), die zumindest im unteren Abschnitt (41) vorzugsweise aus Schnittband gewickelt ist, separat hergestellt wird und bei der Montage auf den Kern geschoben wird.
  3. 3. Zwei Polblechpakete (5) und (6), die jeweils aus identischen gestanzten Blechen und mindestens bei einem der Blechpakete mit abgewinkelten Polklauen geschichtet sind und eine paßgenaue zentrale Bohrung aufweisen, durch die sie auf dem Kern geschoben werden.
  4. 4. Ringförmige Formteile (18) aus Kunststoff zur Fixierung der Polklauen und zur Verbindung mit einem Gehäuse (19).
  5. 5. Ein Rotorblechpaket (10) mit ausgeprägten Polschuhen (3) und Pollücken mit ebenen Grundflächen in denen Dauermagnete (1) angeordnet sind.
  6. 6. Eine Spannungsregelung nach Fig. 5 bei der ein Schaltelement (36), mit einem Regler (34) durch die Ausgangsspannung geregelt, die Spule (4) mit den Wicklungen (41-43) oder eine der Wicklungen oder eine separate parallel auf dem gleichen Kern gewickelte Spule zeitweise kurzschließt.
  7. 7. Die Ausführung der Spule (4) für mehrere Spannungen bestehend aus mehreren miteinander verbundenen Wicklungen (41-43) mit einem dem jeweiligen Strom angepaßten Leiterquerschnitt und eine separate Regelung der Ausgangsspannung einzelner Wicklungen durch zeitweises Abtrennen einzelner Wicklungen mit eine Schaltung gemäß Fig. 5.
  8. 8. Die Befestigung des Rückschloßringes an dem Außenläufer auf Abstandshaltern (29), die als Turbinenschaufeln ausgebildet sind.
  9. 9. Einen verschnittarmen Blechschnitt mit ineinander gepaßten Zuschnitten für Stator- und Rotorbleche wie in Fig. 4 dargestellt.






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