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Dokumentenidentifikation DE4025557A1 13.02.1992
Titel Stromgenerator
Anmelder FAG Kugelfischer Georg Schäfer KGaA, 8720 Schweinfurt, DE
Erfinder Dittner, Adam;
Oberlack, Norbert, 8552 Höchstadt, DE
DE-Anmeldedatum 11.08.1990
DE-Aktenzeichen 4025557
Offenlegungstag 13.02.1992
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.02.1992
IPC-Hauptklasse H02J 7/06
IPC-Nebenklasse H02J 7/12   H02P 9/02   H02K 21/12   
IPC additional class // B60H 1/00,F02B 63/04  
Zusammenfassung Es wird ein Spannungsgenerator, insbesondere für Fahrzeuge vorgestellt, der mittels regelbarer Induktivitäten als Stromerzeuger ausgebildet ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Stromgenerator, insbesondere für Fahrzeuge, bei welchen der Verbrennungsmotor den Stromgenerator antreibt und dieser einen Stromsammler/Batterie auflädt. Moderne Fahrzeuge weisen eine Vielzahl von Stromverbrauchern auf, wie beispielsweise Beleuchtungseinrichtungen, Wischermotoren, Radio/Recorder, Kraftstoffpumpen, Wasserpumpen für Wisch/Waschanlagen, Elektrolüfter, Heizungsgebläse, Heckscheibenheizung etc. Dabei liegt die Verbrauchsleistung eines Fahrzeugbordnetzes heute schon zwischen 800 bis 1100 Watt, ohne Berücksichtigung des Kurzzeitverbrauchers "Starter", welcher je nach Ausgestaltung 800-3000 Watt verbrauchen kann.

Die Stromgeneratoren müssen jeweils so ausgelegt sein, daß während des Normalbetriebes des Fahrzeuges auf Landstraße, Schnellstraße und im Stadtverkehr der mittlere Generatorstrom die Summe aller Verbraucherströme übersteigt, so daß der Stromsammler geladen wird. Der Generatorstrom steht bei Generatordrehzahlen bis etwa 1000 l/min. nicht zur Verfügung, und erreicht bei Generatordrehzahlen zwischen 4000-6000 l/min. seine Nennstromhöhe.

Die heutigen Fahrzeuge verfügen über Generator-Nennströme zwischen 65-110 Ampere, wobei Nennströme von 140 Ampere bei Hochleistungs-Serien-Fahrzeugen bereits bekannt sind.

Die herrschende Verkehrsdichte und die weiterhin steigende Anzahl von Stromverbraucher in Fahrzeugen führt zwangsläufig zu größeren Stromsammlerkapazitäten und leistungsfähigeren d. h. größeren, mehr Antriebsenergie benötigenden Strömgeneratoren.

Der "stop and go Verkehr" kann zum Beispiel dazu führen, daß das Fahrzeug zwar bis zu seinem Parkplatz mit eigener Antriebsleistung gefahren werden kann, da aber keine Aufladung des Stromsammlers sondern nur seine Entladung erfolgte, reicht die gespeicherte Stromenergie nicht mehr aus um mit dem Elektrostarter den Verbrennungsmotor wieder in Betrieb zu setzen.

Damit schon bei Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors (um 700 l/min) Ladestrom des Generators zur Verfügung steht, hat man Übersetzungen von 2 : 1 vorgesehen, so daß der Generator mit doppelter Verbrennungsmotordrehzahl läuft. Zur weiteren Steigerung des Ladestroms bei Leerlaufdrehzahl wären noch höhere Übersetzungen notwendig. Bei Verbrennungsmotorhöchstdrehzahl gerät die Generatordrehzahl aber in Bereiche, die mit herkömmlichen, wirtschaftlich vertretbaren Mitteln nicht beherrschbar sind. Aus diesem Grund hatte man versucht mittels eines umschaltbaren Getriebes diese Schwierigkeiten auszuschalten, aber der Kostenaufwand und die erheblich größeren baulichen Abmessungen standen der Einführung im Fahrzeug entgegen. Ebenfalls diskutiert werden auch Lösungen die Bordspannung auf 24 Volt zu erhöhen um damit bei vielen Bauteilen geringere elektrische Verluste zu erzielen. Einer derartigen Spannungserhöhung stehen aber auch eine ganze Reihe von Nachteilen gegenüber, wie beispielsweise dünnere Glühwendel in den Glühlampen, welches die Fokussierbarkeit erschwert und die Lebensdauer verkürzt; größer werdende Störspannungen bei induktiven Bauteilen sowie die Gefahr des Auftretens von Abrißlichtbogen an Kontakten, Transformation der Spannung für genormte Digitalbausteine usw.

Von dieser Situation ausgehend hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, einen Stromgenerator zu schaffen, der, bei gleicher Drehzahl, gleichem Gewicht und etwa gleichen baulichen Abmessungen der bekannten Stromgeneratoren, bereits bei Leerlaufdrehzahl des Antriebsmotors von etwa 700 l/min. einen höheren Ladestrom als diese abgibt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Hauptanspruch wiedergegebenen Merkmale gelöst. Die Unteransprüche zeigen besonders vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes auf.

Auf der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes schematisch dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines einphasigen Generators mit teilweise geschnittenem und entferntem Rotor

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Funktion des Erfindungsgegenstandes

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung einer regelbaren Induktivität.

Der mit G bezeichnete Generator weist einen Stator 1 und einen Rotor 4 auf. ln der Darstellung ist in die Nuten des Stators 1 eine Wicklung 2 eingelegt, so daß ein einphasiger Generator G gezeichnet ist. Bei der Ausbildung als mehrphasiger Generator können die erforderlichen Wicklungen 2 entweder in dieselben oder in zusätzliche Nuten eingebracht werden.

Der Rotor 4 ist als drehbarer Eisen-Rückschlußring ausgebildet und trägt an seiner inneren Umfangsfläche stabförmige Permanentmagnete 3, die aus Seltenen Erd- Verbindungen bestehen und im Luftspalt zum Stator 1 ein radial gerichtetes Magnetfeld erzeugen. Die Permanentmagnete 3 können so angeordnet sein, daß sie die gesamte innere Umfangsfläche bedecken, wobei jeder Permanentmagnet in Umfangsrichtung so breit ist wie der Abstand der Nuten im Stator 1. Die Permanentmagnete 3 können aber auch, wie in Fig. 1 beispielhaft dargestellt, in Umfangsrichtung schmaler als der Nutabstand sein und in gleichen Abständen angebracht werden.

Die Wirkungsweise wird anhand des Blockschaltbildes nach Fig. 2 erläutert:

Betrachtet man zunächst die vollflächige Belegung des Rotors 4 mit Permanentmagneten 3, so liefert die Wicklung 2 des Generators G eine rechteckförmig verlaufende Wechselspannung, da sich bei Drehung des Rotors 4 mit konstanter Drehzahl der magnetische Fluß in den Stegen des Stators 1 zeitproportional ändert. Die Anordnung der Permanentmagnete 3 in einem bestimmten Abstand zueinander führt zu Spannungs-Nullphasen in der Rechteckspannung. Das Verhältnis zwischen Dauer der Spannungsphase und Dauer der Spannungs-Nullphase hängt ab vom Verhältnis der Breite der Permanentmagnete 3 in Umfangsrichtung zu ihrem Abstand. Durch geeignete Wahl dieses Verhältnisses kann ein Optimum zwischen dem erforderlichen Volumen der Permanentmagnete 3, der Baugröße der regelbaren lnduktivität 5, der Drehzahlabhängigkeit des Ladestromes und - bei einem Mehrphasensystem - der Welligkeit des Ladestromes gefunden werden.

Durch die regelbare Induktivität 5 wird die vom Generator G erzeugte Wechselspannung in einen Wechselstrom umgesetzt. Der prinzipielle Aufbau einer regelbaren Induktivität ist in Fig. 3 gezeigt und wird noch nachfolgend erläutert. Durch den Gleichrichter 8 wird der Wechselstrom in einen als Ladestrom für den Stromsammler 7 verwendbaren pulsierenden Gleichstrom gewandelt. Die Größe des mittleren Ladestromes kann durch Verändern der Induktivität 5 variiert werden. Der Regler 6 stellt in Abhängigkeit von der Spannung zwischen den Anschlüssen B+ und B- die Induktivität auf den geforderten Wert ein. Der Ladestrom bleibt, bei einem einmal eingestellten Wert der regelbaren Induktivität 5, über einen weiten Spannungsbereich des Generators G annähernd konstant, d.h. Drehzahländerungen des Antriebsmotors (Verbrennungskraftmaschine) verändern den Ladestrom nur unwesentlich.

Fig. 3 zeigt als Schnittbild das Prinzip einer regelbaren Induktivität 5 bei welcher die vom Generator G erzeugte Wechselspannung an den Anfang der Wicklung 9 geleitet wird. Das Ende der Wicklung 9 ist mit dem Gleichrichter 8 verbunden, so daß ein Wechselstrom durch die Wicklung 9 fließt. Dieser Wechselstrom erzeugt im Eisenkern 10, im Rückschlußeisen 11 und im Luftspalt L einen magnetischen Wechselfluß, womit die gesamte Anordnung die Induktivität 5 bildet. Der Wert der Induktivität 5 ist abhängig von der Größe des Luftspaltes L. Daher kann durch Änderung des Abstandes L zwischen Eisenkern 10 und Rückschlußeisen 11 durch den Regler 6 die Induktivität variiert werden.

Warum leistet nun bei gleichen Abmessungen und Leistungsklasse der erfindungsgemäße Stromgenerator mehr als der bisherige bekannte Stromgenerator?

Voraussetzung ist der Einsatz von Permanentmagneten 3 mit hoher Energiedichte, so daß ein spannungsstarrer Generator baubar ist, dessen Anker-Rückwirkung im Vergleich zu den bekannten - fremderregten - Generatoren zu keinen nennenswerten Spannungsänderungen führt, wodurch die Ausgangsspannung nur minimal durch den fließenden Laststrom beeinflußbar ist.

Bei niedrigen Drehzahlen steht bei dem erfindungsgemäßen Stromgenerator ein höherer Ladestrom zur Verfügung, da die elektromotorische Kraft (EMK) gebildet aus dem Produkt magnetische lnduktion in Luftspalt (B) mal Leiterlänge der Wicklung 2 (L) mal Umfangsgeschwindigkeit des Rotors 4 (V) größer ist als bei einen fremderregten Generator, da

BPermanentmagnet größer ist als Bfremderregt,

weil bei gleichem Bauraum eine größere magnetische Energie zur Verfügung steht, so daß nach der Formel

EMK = B×L×V,

die EMK nach der Erfindung größer ist als die EMK nach dem Stand der Technik.

Da sich eine solche EMK nicht regeln läßt, kann nur mit einer nachgeschalteten, variablen Induktivität 5 ein beeinflußbarer Ladestrom erzeugt werden.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Stromgenerators liegt darin, daß er bei niedrigen Drehzahlen einen "nutzbaren" Strom abgibt. Bei entleertem Stromsammler 7 kann ein Fahrzeug mit bekanntem Stromgenerator auch durch Anschieben nicht gestartet werden, da die für die Zündung und eventuelle Kraftstoffeinspritzung kein Strom zur Verfügung steht und der fremderregte Stromgenerator, im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Stromgenerator mit Permanentmagneten, keinen Strom erzeugen kann, da für die Fremderregung ebenfalls kein Strom zur Verfügung steht.


Anspruch[de]
  1. 1. Stromgenerator, insbesondere für Fahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit Permanentmagneten (3) versehener Rotor (4) und ein elektrische Wicklungen (2) tragender Stator (1) einen Spannungsgenerator (G) bilden, der mittels regelbarer Induktivitäten (5, 6) als Stromerzeuger ausgebildet ist.
  2. 2. Stromgenerator, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Seltenen Erd-Verbindungen bestehenden Permanentmagnete (3) stabförmig ausgebildet sind.
  3. 3. Stromgenerator, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufladung eines Stromsammlers/Batterie (7) zwischen dem Spannungsgenerator (6) mit regelbaren Induktivitäten (5, 6) und dem Stromsammler (7) ein Gleichrichter (8) angeordnet ist.






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