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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, die als Starter oder Starter-Generator mit der Antriebswelle einer Brennkraftmaschine fest gekoppelt wird und deren Stator gemäß der Gattung des Patentanspruchs 1 eine Drehstromwicklung hat.
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Bei Kraftfahrzeugen mit Brennkraftmaschinen werden üblicherweise zwei elektrische Maschinen eingesetzt. Eine Maschine dient zum Starten der Brennkraftmaschine und eine weitere als Generator für die Versorgung des elektrischen Bordnetzes im Fahrzeug. Während letzterer normalerweise über einen Riementrieb permanent mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbunden ist, wird der Startmotor nur für den Startvorgang mechanisch über eine Einrückkupplung mit der Antriebswelle der Maschine verbunden. Um zum Andrehen der Maschine ein ausreichend starkes Drehmoment zu erzeugen, greift das Starterritzel mit einer großen Untersetzung in einen Zahnkranz an der Antriebswelle der Maschine an. Danach wird das Starterritzel wieder ausgekuppelt, um bei laufender Brennkraftmaschine extrem hohe Drehzahlen, hohen Verschleiß und hohe Verluste im Startermotor zu vermeiden.
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Der Einrückmechanismus ist dabei kosten- und materialaufwändig sowie störanfällig und stellt für das Kraftfahrzeug zusätzliches Gewicht dar. Außerdem steht es den Bemühungen entgegen, den Kraftstoffverbrauch und CO2-Ausstoß von Brennkraftmaschinen zu reduzieren. Zu diesem Zweck werden auch in zunehmendem Umfang sogenannte Start-Stopp-Vorrichtungen in Fahrzeugen verwendet, mit denen die Brennkraftmaschine angehalten wird, sobald ihre Vortriebskraft nicht mehr benötigt wird. Dies führt jedoch zu einer massiv erhöhten Anzahl von Startzyklen über die Lebensdauer der Brennkraftmaschine, was wiederum dazu führt, dass dies mit einer Einspurkupplung, einem Leistungsschalter und einem Kommutatorläufer des Startermotors mit standartgemäßer Auslegung nicht mehr realisiert werden kann.
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Ein bekannter alternativer Ansatz ist, den permanent über einen Riementrieb mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbundenen Generator auch zum Starten der Brennkraftmaschine zu nutzen. Derartige Starter-Generatoren müssen dann jedoch mit einer elektronischen Kommutierung ausgerüstet werden, um einen Motorbetrieb zu ermöglichen. Diese elektrischen Maschinen sind mit einem Klauenpol-Schleifringläufer ausgerüstet, dessen Drehfestigkeit begrenzt ist und bei einer maximal zulässigen Drehzahl der Brennkraftmaschine nicht überschritten werden darf. Das Übersetzungsverhältnis der elektrischen Maschine zur Antriebswelle der Brennkraftmaschine beträgt hier maximal 5:1. Andererseits muss die elektrische Maschine im Motorbetrieb im unteren Drehzahlbereich entsprechend ausgelegt sein, um ein starkes Drehmoment zum Starten der Brennkraftmaschine zu entwickeln.
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Schließlich ist es aus der
DE 197 48 045 A1 bekannt, einen sogenannten Starter-Generator über ein Umschaltgetriebe mit der Antriebswelle einer Brennkraftmaschine fest zu koppeln. Durch die Getriebeumschaltung lässt sich die elektrische Maschine sowohl im Motorbetrieb als auch im Generatorbetrieb im etwa gleichen Drehzahlbereich betreiben, so dass sie in ihrer Baugröße einem üblichen Generator für die jeweilige Brennkraftmaschine entspricht. Nachteilig ist hierbei jedoch das benötigte kostenintensive Umschaltgetriebe mit den dafür erforderlichen zusätzlichen Teilen, dem zusätzlichen Gewicht und Platz, sowie die dafür benötigte Umsteuerung zwischen Motor- und Generatorbetrieb.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit der vorliegenden Lösung wird angestrebt, zum Starten von Brennkraftmaschinen eine elektrische Maschine zu verwenden, die mit der Antriebswelle der Brennkraftmaschine ohne Umschaltgetriebe fest gekoppelt wird und die auch für den oberen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine die dafür erforderliche Drehzahlfestigkeit aufweist.
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Bei einer solchen, bevorzugt als Homopolarmaschine ausgebildeten elektrischen Maschine, ergibt sich mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 der Vorteil, dass der Rotor keinerlei Wicklungen mit Schleifringen oder Kommutator benötigt und dass dadurch Drehzahlen von weit über 100 000 min–1 realisierbar sind. Der Starter braucht weder die übliche mechanische Kupplung mit Einspurvorrichtung und Freilauf noch ein Vorgelege zwischen Startermotor und Starterritzel. Die Verwendung einer elektrischen Fremderregung im Stator der Homopolarmaschine hat den Vorteil, dass gegenüber dem üblichen Startermotor mit permanent erregtem Stator in der Drehstromwicklung der Maschine nach dem Hochlaufen der Brennkraftmaschine im Generatorbetrieb keine überhöhte Spannungen induziert werden, da dies durch ein Herunterregeln oder Abschalten der elektrischen Erregung zu verhindern ist. Dies hat ferner den Vorteil, dass bei abgeschalteter elektrischer Fremderregung in der Homopolarmaschine weder Eisen- und Kupferverluste noch magnetische Geräusche durch Radialkräfte zwischen Stator und Rotor entstehen.
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Ein weiterer Vorteil der vorgeschlagenen Lösung besteht darin, dass die mit der Brennkraftmaschine fest gekoppelte Homopolarmaschine als Starter-Generator auch das Bordnetz von Kraftfahrzeugen versorgen kann. Dazu wird bei gestarteter Brennkraftmaschine die Erregerwicklung im Stator der Homopolarmaschine mit einem geregelten Gleichstrom in Abhängigkeit von der Bordnetzspannung versorgt, wobei dann die in der Drehstromwicklung des Stators erzeugte elektrische Energie über eine Umrichter-Brückenschaltung gleichgerichtet dem Bordnetz zugeführt wird.
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Schließlich ist die mit der Brennkraftmaschine fest gekoppelte Homopolarmaschine auch noch zur Unterstützung der Brennkraftmaschine im sogenannten Boostbetrieb zu verwenden, indem sie bei gestarteter Brennkraftmaschine durch eine entsprechende Ansteuerung des Umrichters weiterhin im Motorbetrieb arbeitet.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale.
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Eine besonders kompakte Ausführung der Homopolarmaschine wird dadurch erreicht, dass die mindestens eine Erregerwicklung koaxial zu mindestens einer mehrphasigen, in einem Blechpaket des Stators eingesetzten Drehstromwicklung angeordnet ist. Dabei lässt sich mit der gleichstromgespeisten Erregerwicklung ein verlustarmes magnetisches Gleichfeld erzeugen, indem der Magnetfluss über das Stator-Blechpaket und einen Arbeitsluftspalt in mindestens einen Südpol des Rotors geführt und von dort über mindestens einen Nordpol des Rotors über einen weiteren Arbeitsluftspalt und dem Blechpaket des Stators zurückgeführt wird. In einfacher und zweckmäßiger Weise sind die Phasen der Drehstromwicklung über einen Umrichter an das Bordnetz eines Kraftfahrzeuges anzuschließen, wobei der Umrichter von einer elektronischen Steuerung die Homopolarmaschine als Motor oder als Generator betreibt. In vorteilhafter Weise ist dabei der Umrichter als Brückenschaltung aufgebaut, deren Schaltelemente von einer elektronischen Steuerung in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine ansteuerbar sind. Dabei ist in vorteilhafter Weise die Brückenschaltung für den Motorbetrieb der Homopolarmaschine als Wechselrichter von der elektronischen Steuerung ansteuerbar. Darüber hinaus ist die Brückenschaltung für den Generatorbetrieb der Homopolarmaschine als Gleichrichter zur Versorgung des Kraftfahrzeug-Bordnetzes von der elektronischen Steuerung ansteuerbar.
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Für eine kompakte Bauweise der Homopolarmaschine wird vorgeschlagen, dass das Statorblechpaket aus mindestens zwei voneinander axial beabstandeten Teilen in einem weichmagnetischen, rohrförmigen Statorgehäuse befestigt ist, wobei zwischen den Teilen des Statorblechpaketes eine ringförmige Erregerwicklung angeordnet und für einen magnetischen Rückschluss vom Gehäuse umgeben ist. Eine besonders hohe Leistungsdichte lässt sich für die Homopolarmaschine dadurch erzielen, dass das Statorblechpaket aus drei, mit Abstand axial hintereinander im rohrförmigen Gehäuse befestigten Teilen besteht, zwischen denen jeweils eine Hälfte der Erregerwicklung angeordnet ist.
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Da die Drehstromwicklung bei Homopolarmaschinen von einem magnetischen Gleichfluss der Erregerwicklung durchsetzt ist, dessen Stärke sich mit den umlaufenden Polen des Rotors periodisch ändert, wird zur Erzielung einer hohen Leistungsausbeute vorgeschlagen, dass die mehrphasige Drehstromwicklung in axial zueinander ausgerichteten Nuten am Innenumfang der Blechpaketteile eingesetzt ist, wobei die Phasen als Wicklungsstränge über den Umfang verteilt angeordnet und zur Drehstromwicklung miteinander verschaltet sind.
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Für die erforderliche sehr hohe Drehzahlfestigkeit des Rotors wird dieser vorzugsweise einstückig aus weichmagnetischem Stahl hergestellt, wobei der Rotor mindestens zwei radial nach außen gerichtete, über den Umfang symmetrisch verteilte Nordpole aufweist, die mit mindestens zwei dazu axial beabstandeten Südpolen des Rotors zusammenwirken. Dabei sind die Nord- und Südpole des Rotors jeweils um eine Polteilung gegeneinander in Umfangsrichtung versetzt und wirken jeweils über einen Arbeitsluftspalt mit einem Teil des Statorblechpaketes zusammen. Im Hinblick auf die vorerwähnte Ausbildung des Statorblechpaketes in drei Teilen ist vorgesehen, dass der damit zusammenwirkende Rotor an drei voneinander axial beabstandeten Abschnitten mit radial nach außen gerichteten Polen versehen ist, wobei die Pole im mittleren Abschnitt des Rotors um eine Polteilung gegenüber den Polen an den beiden äußeren Abschnitten des Rotors versetzt sind. Für niedriger drehende Homopolarmaschinen ist zweckmäßigerweise ein Rotor zu verwenden, der eine höhere Anzahl, beispielsweise vier radial nach außen gerichtete, über den Umfang symmetrisch verteilte Nordpole und ebensoviele dazu um jeweils eine Polteilung in Umfangsrichtung versetzte Südpole aufweist.
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Die Erregerwicklung der Maschine wird in vorteilhafter Weise für den Generator- sowie für den Motorbetrieb über eine Halbleiterschaltung von einer Steuer- und Regeleinheit mit Gleichstrom versorgt. In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Drehstromwicklung der Homopolarmaschine über die Brückenschaltung und deren elektronischer Steuerung von einem Drehwinkelsensor anzusteuern ist, welcher wahlweise an der Brennkraftmaschine oder an der Homopolarmaschine angeordnet ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Brennkraftmaschine mit einer dazu über ein Getriebe fest gekoppelten, fremderregten Homopolarmaschine in schematischer Darstellung,
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2 die Homopolarmaschine aus 1 im Längsschnitt,
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3 das Statorblechpaket der Homopolarmaschine mit ihrem Gehäuse in raumbildlicher Darstellung,
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4 den vierpoligen, einstückig hergestellten Rotor der Homopolarmaschine aus 2 in raumbildlicher Darstellung,
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5 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel einen einstückig hergestellten Rotor der Homopolarmaschine in achtpoliger Ausführung.
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6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Homopolarmaschine mit einem dreiteiligen Statorblechpaket in raumbildlicher, bis zur Mittelachse aufgeschnittener Darstellung,
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7 zeigt den Rotor der Homopolarmaschine nach 6 mit seinen an drei Abschnitten angeordneten Polen in raumbildlicher Darstellung.
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8 zeigt die elektrische Schaltung für die Erregerwicklung der Homopolarmaschine mit ihrer Halbleiterschaltung und deren Gleichstromversorgung,
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9 zeigt die elektrische Schaltung der Drehstromwicklung der Homopolarmaschine mit an einer Gleichstromversorgung angeschlossenem Umrichter und
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10 zeigt einen Schaltungszweig des Umrichters aus 9 mit seinen elektronisch ansteuerbaren Schaltelementen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist eine mit 10 bezeichnete Brennkraftmaschine schematisch dargestellt, deren Antriebswelle 11 über ein Getriebe 12 mit einer elektrischen Synchronmaschine fest gekoppelt ist. Die Synchronmaschine ist als Homopolarmaschine 13 ausgebildet, deren Stator 14 einerseits eine Drehstromwicklung 15 trägt und andererseits eine gleichstromgespeiste Erregerwicklung 16 aufweist. Ihr Rotor 17 ist aus ungeblechtem, weichmagnetischem Material hergestellt. Er ist über das Getriebe 12 mit einem Übersetzungsverhältnis von beispielsweise 15:1 mit der Antriebswelle 11 der Brennkraftmaschine 10 verbunden. Zum Starten der Brennkraftmaschine 10 wird die Erregerspule 16 der Homopolarmaschine 13 über eine Halbleiterschaltung 18 mit maximal zulässigem Gleichstrom fremderregt und die Drehstromwicklung 15 wird über einen Umrichter 19 mit Drehstrom versorgt
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Um zum sicheren Starten der Brennkraftmaschine deren Antriebswelle 11 mit großem Drehmoment auf die erforderliche Startdrehzahl andrehen zu können, muss die Homopolarmaschine 13 im Motorbetrieb bereits eine entsprechend hohe Drehzahl haben. Dazu ist im Getriebe 12 ein Übersetzungsverhältnis von mindestens 10:1, vorzugsweise von größer 13:1 vorzusehen. Als Übersetzungsverhältnis im Getriebe 12 ist das Drehzahlverhältnis der Rotorwelle 25 zur Kurbelwelle beziehungsweise Antriebswelle 11 zu verstehen. Innerhalb dieser Übersetzungsbereiche ist selbst bei einem langsam laufenden Dieselmotor mit beispielsweise einer Höchstdrehzahl von 5000 min–1 ein Kommutator- oder Schleifringmotor als Startermotor nicht mehr einsetzbar, weil die dabei an seinem Rotor angreifenden Fliehkräfte nicht mehr zu beherrschen sind und die erforderliche Lebensdauer der Schleifringbürsten nicht mehr darstellbar ist. Desweiteren würden bei permanentmagnetisch erregten elektrischen Maschinen, wie sie bei Startermotoren üblich sind, im oberen Drehzahlbereich im Rotor sehr hohe Spannungen induziert werden, die gegebenenfalls nur mit erheblichem Mehraufwand beherrscht werden könnten. Dagegen ist die Homopolarmaschine mit einem massearmen, vorzugsweise aus weichmagnetischem Stahl einstückig herstellbaren Rotor 17 ausgerüstet, der ohne Wicklungen, Schleifringen beziehungsweise Kommutator auskommt und daher selbst bei schnelllaufenden Benzinmotoren über einen Drehzahlbereich bis weit über 100 000 min–1 die erforderliche Drehzahlfestigkeit und Verschleißarmut aufweist.
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In 2 sind weitere Einzelheiten der im Längsschnitt dargestellten Homopolarmaschine 13 aus 1 erkennbar. Dort ist die mehrphasige Drehstromwicklung 15 in einem Statorblechpaket 20 eingesetzt, wobei die gleichstromgespeiste Erregerwicklung 16 koaxial dazu angeordnet ist. Das Statorblechpaket 20 ist dabei in zwei voneinander axial beabstandeten Teilen 20a, 20b in einem weichmagnetischen, rohrförmigen Statorgehäuse 21 befestigt, wobei zwischen den beiden Teilen 20a und 20b des Statorblechpaketes 20 die Erregerwicklung 16 ringförmig oberhalb der Drehstromwicklung 15 angeordnet und für den magnetischen Rückschluss vom Statorgehäuse 21 umgeben ist. Der von der Erregerwicklung 16 mittels Gleichstrom erzeugte Magnetfluss Φe gelangt über das Statorgehäuse 21 zum vorderen Teil 20a des Statorblechpaketes 20 und über einen Arbeitsluftspalt 22 in zwei einander diametral gegenüber liegende, radial nach außen gerichtete Südpole S. Diese Südpole S wirken mit zwei dazu axial beabstandeten Nordpolen N des Rotors 17 zusammen, die sich ebenfalls diametral gegenüber liegen und radial nach außen gerichtet sind. Die Nord- und Südpole N und S sind jeweils um eine Polteilung Pt gemäß 4 gegeneinander in Umfangsrichtung versetzt. Der Magnetfluss Φe gelangt im Rotor 17 von den Südpolen S zu den Nordpolen N und von dort über einen weiteren Arbeitsluftspalt 22 und dem hinteren Teil 20b des Statorblechpaketes 20 zurück zum Statorgehäuse 21.
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3 zeigt den Stator 14 und 4 den Rotor 17 der Homopolarmaschine 13 aus 2 jeweils in raumbildlicher Darstellung und weggelassener Drehstromwicklung 15. In 3 erkennt man somit deutlich den vorderen Teil 20a des Statorblechpaketes 20. Am Innenumfang der beiden Teile 20a und 20b des Statorblechpaketes 20 sind Nuten 23 freigestanzt, wobei die Nuten 23 beider Teile 20a und 20b des Statorblechpaketes 20 axial zueinander ausgerichtet sind und – wie in 2 dargestellt – die mehrphasige Drehstromwicklung 15 aufnehmen. Die beispielsweise drei Phasen der Drehstromwicklung 15 sind als Wicklungsstränge in jeweils benachbarte Nuten 23 über den Umfang des Stator-Blechpaketes 20 gleichmäßig verteilt eingesetzt und miteinander zu einem Stern oder Dreieck verschaltet.
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5 zeigt in Abwandlung des ersten Ausführungsbeispieles nach 2 bis 4 einen Rotor 17a, der für eine gleichmäßigere Verteilung des fremderregten Magnetfeldes Φe über den Umfang der Maschine vier radial nach außen gerichtete, über den Umfang symmetrisch verteilte Nordpole N und vier dazu um jeweils eine Polteilung Pt in Umfangsrichtung versetzte Südpole S aufweist. Die Nord- und Südpole N und S sind durch einen mittleren Abschnitt 24 mit etwas reduziertem Querschnitt voneinander axial beabstandet, so dass die Südpole S mit dem vorderen Teil 20a des Statorblechpaketes und die Nordpole N mit dem hinteren Teil 20b magnetisch zusammen wirken.
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6 und 7 zeigen in einem weiteren Ausführungsbeispiel eine Homopolarmaschine 13a mit einem Längsausschnitt in raumbildlicher Darstellung nach 6, und deren Rotor 17b in raumbildlicher Darstellung nach 7. Im Stator 14a dieser Homopolarmaschine 13a besteht das Statorblechpaket 20 aus drei mit Abstand axial hintereinander in dem rohrförmigen Statorgehäuse 21 eingesetzten Teilen 20a, 20b und 20c. In den beiden Abständen dieser Teile 20a, 20b und 20c ist jeweils eine Hälfte 16a beziehungsweise 16b der Erregerwicklung 16 angeordnet. Die Hälften 16a und 16b befinden sich dabei jeweils in dem Raum zwischen den Statorgehäuse 21 und der Drehstromwicklung 15. Dementsprechend ist der mit dem Stator 14a zusammenwirkende Rotor 17b an drei voneinander axial durch im Querschnitt reduzierte Abschnitte 24a, 24b beabstandeten Bereichen mit radial nach außen gerichteten Nordpolen N beziehungsweise Südpolen S versehen. Die Nordpole N im mittleren Bereich des Rotors 17b sind dabei um eine Polteilung Pt gegenüber den Südpolen an den beiden äußeren Bereichen des Rotors 17b in Umfangsrichtung versetzt.
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In 6 ist erkennbar, dass der von der geteilten Erregerwicklung 16a und 16b erzeugte Magnetfluss sich ebenfalls in zwei Hälften Φea und Φeb aufteilt. Um in den Arbeitsluftspalten 22 zwischen den Statorblechpaketteilen 20a, 20b und 20c und den Nord- und Südpolen N und S des Rotors 17b etwa gleich große Magnetflussdichten zu erzielen, ist der mittlere Teil 20b des Statorblechpaketes sowie der mittlere Bereich mit den Nordpolen N des Rotors 17b etwa doppelt so breit wie die beiden äußeren Teile 20a und 20c des Statorblechpaketes 20 beziehungsweise die äußeren Bereiche mit den Südpolen S des Rotors 17b.
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Zum Starten der mit der Homopolarmaschine 13 fest gekoppelten Brennkraftmaschine 10 wird mit dem Einschalten der elektrischen Fremderregung über die Erregerwicklung 16 ein magnetisches Gleichfeld erzeugt, dessen Magnetfluss Φe gemäß 2 den Stator 14 und Rotor 17 der Homopolarmaschine 13 durchsetzt. Diesem Gleichfeld wird nun durch Einschalten eines Drehstromes durch die Phasen der Drehstromwicklung 15 ein Drehfeld überlagert, mit der Folge, dass die Pole des Rotors 17 in Drehrichtung des Drehfeldes mitgenommen werden. Die Homopolarmaschine 13 arbeitet somit als Synchronmaschine im Motorbetrieb und dreht über ihre Rotorwelle 25 und das Getriebe 12 die Brennkraftmaschine 10 an.
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Nach dem Hochlaufen der Brennkraftmaschine 10 kann beispielsweise die Homopolarmaschine 13 leer mitlaufen, indem die elektrische Fremderregung an der Erregerwicklung 16 und die Drehstromversorgung an der Drehstromwicklung 15 abgeschaltet wird. Dies hat gegenüber den üblichen Startvorrichtungen für Brennkraftmaschinen den Vorteil, dass auf einen Statormotor mit Kommutatorläufer, Vorgelege, Einspursystem und Fliehkraftkupplung verzichtet werden kann. Ein weiterer Vorteil der nach dem Startvorgang elektrisch abschaltbaren Homopolarmaschine 13 besteht darin, dass dann weder Eisen- noch Kupferverluste auftreten und auch die Entstehung magnetischer Geräusche durch Radialkräfte zwischen Stator 14 und Rotor 17 vermieden werden.
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Über den reinen Starterbetrieb hinaus lässt sich die Homopolarmaschine 13 beziehungsweise 13a aus den beiden Ausführungsbeispielen auch in den Generatorbetrieb steuern, um beispielsweise bei laufender Brennkraftmaschine 10 in einem Kraftfahrzeug dessen Bordnetz zu versorgen. Darüber hinaus kann die Homopolarmaschine 13 beziehungsweise 13a aber auch noch im sogenannten Boostbetrieb die Brennkraftmaschine unterstützen, in dem sie bei laufender Brennkraftmaschine in den Motorbetrieb gesteuert wird. In den 8, 9 und 10 ist eine für diese Betriebsarten vorgesehene elektrische Beschaltung der Homopolarmaschine 13 beziehungsweise 13a dargestellt.
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In 8 ist die Erregerwicklung 16 der schematisch dargestellten Homopolarmaschine 13 über eine Halbleiterschaltung 18 an einen Akkumulator 26 im Bordnetz 27 des nicht dargestellten Kraftfahrzeugs angeschlossen. Die Gleichstromversorgung der Erregerwicklung 16 erfolgt dabei über einen als Schalter dargestellten Halbleiter 28, zum Beispiel einem sogenannten MOSFET, wie er in Niederspannungs-Bordnetzen von heutigen PKWs und LKWs bevorzugt verwendet wird. Ebenso können auch Bipolartransistoren oder andere Halbleiterschalter eingesetzt werden. Der Halbleiter 28 wird dabei von einer Steuer- und Regeleinheit 29 angesteuert. Dieser Steuer- und Regeleinheit 29 wird dabei die Bordnetzspannung des Akkumulators 26 zugeführt, mit der im Generatorbetrieb der Homopolarmaschine 13 der Erregerstrom zur Dosierung der an der Drehstromwicklung 15 erzeugten Energie geregelt wird. Die Steuer-Regeleinheit 29 ist ferner an eine Umsteuerung 30 angeschlossen, mit der die Erregung der Homopolarmaschine 13 für Motor- und Generatorbetrieb umbeziehungsweise optimal ansteuerbar oder ganz abschaltbar ist.
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Die Stromversorgung der Erregerwicklung 16 erfolgt gemäß 8 mit einem typischen Tiefsetzsteller, bei dem der eine Anschluss der Erregerwicklung 16 mit dem Anodenanschluss einer dazu parallel geschalteten Freilaufdiode 34 auf Masse liegt. Dies entspricht einem üblichen Regler für KraftfahrzeugGeneratoren. Die Halbleiterschaltung 18 kann aber ebenso durch andere Konfigurationen wie zum Beispiel SEPIC-Wandler oder durch einen sogenannten Hochsetzsteller ersetzt werden.
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9 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Versorgung der dreiphasigen Drehstromwicklung 15 der Homopolarmaschine 13 durch einen Umrichter 19 in schematischer Darstellung. Anstelle von drei Phasen können auch unter anderem vier, fünf oder mehr, beispielsweise zweimal drei zueinander versetzte Phasen verwendet werden. Der Umrichter 19 ist über den Akkumulator 26 mit dem Kraftfahrzeug-Bordnetz 27 verbunden. Er ist als Brückenschaltung aufgebaut, deren Brückenzweige 19a, 19b und 19c jeweils mit einer der drei Phasen R, S, T der Drehstromwicklung 15 der Maschine verbunden ist. In jedem der Brückenzweige 19a, 19b und 19c sind zwei schematisch dargestellte Halbleiterschalter 31 in Reihe geschaltet, die von einer elektronischen Steuerung 32 angesteuert werden.
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Für den Motorbetrieb der Homopolarmaschine 13 werden die Brückenzweige 19a, 19b und 19c des Umrichters 19 von der elektronischen Steuerung 32 als Wechselrichter angesteuert, indem die Phasen der Drehstromwicklung 15 – wie bei elektronisch gesteuerten Synchronmaschinen üblich – entweder sinusförmig in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Maschine, oder nach dem sogenannten BLDC-Prinzip, also mit Blockströmen bestromt werden. Dabei wird gleichzeitig die Erregerwicklung 16 der Maschine 13 mit Gleichstrom vom Kraftfahrzeug-Bordnetz 27 über die Halbleiterschaltung 18 versorgt. Zu diesem Zweck ist am Rotor 17 der Homopolarmaschine 13 ein ortsfester Drehwinkelsensor 33 angeordnet und mit der elektronischen Steuerung 32 zum Ansteuern der Drehstromwicklung 15 verbunden. Auf einen Drehwinkelsensor 33 in der Homopolarmaschine 13 kann gegebenenfalls verzichtet werden, sofern die Brennkraftmaschine 10 in der heute üblichen Ausführung an ihrer Antriebswelle 11 einen ortsfesten Drehratengeber hat. Alternativ kann aber auch umgekehrt auf den Drehratengeber an der Antriebswelle 11 der Brennkraftmaschine 10 verzichtet werden und das Drehratensignal vom Drehwinkelsensor 33 zur Verfügung gestellt werden.
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Im Generatorbetrieb der Homopolarmaschine 13 werden dagegen die Brückenzweige 19a, 19b und 19c des Umrichters 19 zur Gleichstromversorgung des Kraftfahrzeug-Bordnetzes 27 als Gleichrichter betrieben, indem ihre Halbleiterschalter 31 über die Steuerung 32 wie eine Diode für eine Stromrichtung auf Durchgang gesteuert werden. Wie bereits erläutert wird dabei zugleich der Erregerstrom in der Erregerwicklung 16 der Maschine 13 in Abhängigkeit von der Spannung des Kraftfahrzeug-Bordnetzes 27 geregelt.
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In 10 ist der Brückenzweig 19a des Umrichters 19 aus 9 dargestellt. Er enthält zwei in Reihe geschaltete MOSFET, an deren Verbindung die Phase R der Drehstromwicklung 15 angeschlossenen ist. Diese MOSFET können ebenso durch Bipolartransistoren, sogenannte IGBT oder andere Halbleiterschalter ersetzt werden. Die Steueranschlüsse 31a der MOSFET sind mit der elektronischen Steuerung 32 verbunden. Parallel zur Schaltstrecke der MOSFET 31 ist jeweils eine Freilaufdiode 34 geschaltet. Diese erlaubt beim Generatorbetrieb der Homopolarmaschine 13 ein Abschalten sämtlicher MOSFET 31 des Umrichters 19. Werden die Freilaufdioden 34 weggelassen, müssen die MOSFET 31 des Umrichters 19 auch im Generatorbetrieb der Maschine 13 in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Rotors 17 über die elektronische Steuerung 32 angesteuert werden.
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Der besondere Vorteil der Homopolar-Synchronmaschine mit einer gleichstromgespeisten Erregerwicklung in Stator liegt darin, dass der Rotor aus ungeblechtem, weichmagnetischem Material, vorzugsweise einstückig aus weichmagnetischem Stahl herzustellen ist. Dadurch kann die hochdrehzahlfeste Synchronmaschine als Startermotor mit der Antriebswelle der Brennkraftmaschine ständig verbunden bleiben. Über das Getriebe 12 mit einer Übersetzung von mindestens 10:1 und vorzugsweise von größer 13:1 kann die Synchronmaschine als Startermotor mit einer Nenndrehzahl von 10 000 min–1 sowohl Diesel- als auch Benzinmotoren mit der zum Starten erforderlichen Anlaufdrehzahl antreiben. Aufgrund der zulässigen sehr hohen Drehzahlen kann die Synchronmaschine als Startermotor in vorteilhafter Weise mit einem geringeren Drehmoment gegenüber den üblichen Startermotoren ausgelegt werden. Als Ergebnis wäre dann ein Zahnradgetriebe mit einem Kitzel-Starter-Generator zu verwenden. Um den Wirkungsgrad der Maschine weiter zu steigern, ist es auch möglich, den Erreger-Magnetfluss mit zusätzlichen Permanentmagneten zu verstärken. Bei einer derartigen Hybriderregung aus Permanentmagneten und Erregerwicklung 16 könnten die Permanentmagnete dann eine Grunderregung übernehmen, welche über den Erregerstrom der Erregerwicklung 16 sowohl erhöht als auch verringert werden kann. Im letzteren Fall ist dann eine Stromrichtungsumkehr in der Erregerwicklung 16 erforderlich, was jedoch nur im Generatorbetrieb der Maschine sinnvoll wäre.
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In den 1 bis 7 ist die Homopolarmaschine 13 als sogenannter Radialfluss-Innenläufer ausgeführt. Dabei ist es jedoch grundsätzlich im Rahmen der Erfindung auch möglich, die Homopolarmaschine als Axialfluss-Flachpolläufer auszubilden, indem die Nord- beziehungsweise Südpole jeweils als Polscheiben auf der Maschinewelle befestigt und stirnseitig mit einem Statorblechpaket zusammen wirken. Die Drehzahlfestigkeit ist hierbei jedoch deutlich geringer als bei einem Radialfluss-Innenläufer. Für sehr hohe Drehzahlen der Maschine mit einem Übersetzungsverhältnis von bis zu 30:1 kann gegebenenfalls auch ein Reibrad basiertes Planetengetriebe eingesetzt werden. Gegebenenfalls ist auch eine einstufige Übersetzung ausreichend, zum Beispiel eine Schwungscheibe mit Zahnkranz auf ein Ritzel. Eine kostengünstigere Leistungselektronik für den Umrichter 19 ergibt sich bei der Anwendung der Homopolarmaschine 13 an Brennkraftmaschinen, wenn deren Bordnetze höhere Versorgungsspannungen als derzeit im PKW-Bereich üblich aufweisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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