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1. Gebiet der
Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Steuerungsvorrichtung für
einen Fahrzeuggenerator, der an Fahrzeugen montiert ist, wie beispielsweise
Automobilen und Lastkraftwagen, und ein im Fahrzeug mitgeführtes Fahrzeugstromversorgungssystem,
welches die Steuerungsvorrichtung verwendet.
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z. Beschreibung des Standes der Technik
Kürzlich
ist ein erhöhter
Bedarf nach sowohl einer höheren Leistung
als auch einem höheren
Wirkungsgrad von am Fahrzeug mitgeführten Generatoren entstanden.
Um diesem Bedarf gerecht zu werden, wurden vielfältige Gegenmaßnahmen
unternommen. Eine vorgeschlagene Gegenmaßnahme besteht darin, einen
im Fahrzeug mitgeführten
Generator mit einem Rundell-Polkern zu verwenden, der als Rotor
funktioniert und der einen Permanentmagneten aufweist, der in einem
Spielraum zwischen hufeisenförmigen
Abschnitten (unguifom portions) des Kernes angeordnet ist, um den
effektiven Magnettluß zu
erhöhen.
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Es entsteht jedoch dabei eine Gefahr,
daß solch
ein Permanentmagnet zerbrechen kann, und zwar auf Grund verschiedener
Ursachen, wie beispielsweise auf Grund einer Vibration, die von
dem Fahrzeugkörper übertragen
wird. Zusätzlich
nehmen sowohl die Zahl der Teile als auch die Zahl der Arbeitsstunden
leider zu. Daher ist der herkömm liche,
am Fahrzeug mitgeführte
Generator mit den Problemen behaftet, die sich aus der Haltbarkeit
und den Herstellungskosten ergeben. Es wird daher in Betracht gezogen,
daß in
gewöhnlichen
Fällen
eine Verbesserung einer Feldwicklung des Generators vorteilhafter
ist als die Verwendung des Permanentmagneten.
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Um die Feldwicklung für eine hohe
Ausgangsleistung und einen hohen Wirkungsgrad zu verbessern, ist
eine Designtechnik bekannt, bei der der Erregungsamperewicklungswert
der Feldwicklung verstärkt
wird, so daß ein
maximiertes Erregungsfeld erhalten wird. Unter solch einem Umstand
wurde ein zunehmender Bedarf nach Verkürzung einer Zeitkonstanten
der Feldwicklung erzeugt, und zwar entsprechend einer anderen Designtechnik.
Somit beginnt eine momentane Hauptbewegung beim Design mit dem Auswählen einer
Feldwicklung mit einer kleinen Zahl von Windungen und einer Wicklung
mit niedrigem Widerstand anstelle einer Wicklung mit vielen Windungen
und einem hohen Widerstand.
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Zusätzlich zu den vorangegangen
erläuterten
Forderungen nach einer hohen Leistung und einem hohen Wirkungsgrad,
besteht weiterhin ein Bedarf nach einem kompakten Generator, so
daß ein
Trend beim Konstruieren dahin geht, die Magnetpole des Generators
in der Größe kompakt
und im Gewicht geringer zu gestalten. Wenn solch eine Konstruktion
vorgenommen wird, muß ein
Magnetpfad für
das Feld zwangsweise im Querschnitt kleiner gemacht werden, so daß dadurch
ein magnetischer Permeabilitätswert
kleiner wird und der Magnetpfad leicht gesättigt werden kann. Um daher
ein erforderliches Ausmaß an
Verkettung des Magnetflusses gegenüber einer großen Größe des magnetischen
Widerstandes zu realisieren, muß der
Erregerstrom weiter erhöht
werden.
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Nebenbei bemerkt, wird im allgemeinen
bei einem Fahrzeuggenerator der Erregerstrom dadurch erzeugt, indem
ein Ausgangsstrom von einer im Fahrzeug befindlichen Batterie verwendet
wird, oder indem ein Teil eines Ausgangsstromes verwendet wird,
der durch einen im Fahrzeug mitgeführten Generator selbst erzeugt
wird. Deshalb gilt, je größer der
Erregerstrom wird, desto höher
wird der Verlust auf Grund der Erregung, so daß damit eine Konfrontation
mit einem anderen Problem entsteht.
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1 erläutert Verbindungen
oder Anschlüsse
einer Feldwicklung, die in einem herkömmlichen, im Fahrzeug mitgeführten Generator
vorgesehen ist. Wie in 1 gezeigt
ist, besitzt der herkömmliche
im Fahrzeug befindliche Generator einen Schalter 102, der
aus einem Leistungstransistor gebildet ist und der in Reihe mit
einer Feldwicklung 100 geschaltet ist und mit einer Freilaufdiode 104,
die parallel zur Feldwicklung 100 geschaltet ist. Durch
Steuern des Schalters 102 gemäß Einschalten/Ausschalten wird
ein Erregerstrom unterdrückt,
der durch die Feldwicklung 100 fließt, so daß eine Ausgangsspannung geliefert
wird, die innerhalb eines vorbestimmten Zulässigkeitsbereiches liegt.
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2 zeigt
die zeitweiligen Änderungen
in sowohl der Erregerstrom als auch einem Batteriestrom bei dem
herkömmlichen
Fahrzeuggenerator, der die in 1 gezeigte
Schaltungsanordnung enthält.
Wie aus 2 ersehen werden
kann, fließt
ein Strom (Batteriestrom) von der Batterie 106 zu der Feldwicklung 100, und
zwar während
eines Zeitintervalls, wenn der Schalter 102 sich im Einschaltzustand
befindet. Die durch diesen Batteriestrom zugeführte Energie wird teilweise
als magnetische Energie durch die Feldwicklung 100 aufbewahrt.
Während
eines Zeitintervalls, wenn der Schalter 102 ausgeschaltet
ist, veranlaßt
diese magnetische Energie, dass ein Erregerstrom durch eine geschlossene
Schleife fließt,
die durch die Feldwicklung 100 und die Umpolungsdiode 104 (free
wheel diode) gebildet ist. Während
der Strom entlang dieser geschlossenen Schleife zirkuliert, wird
der Erregerstrom in Joule-Wärme
umgewandelt, und zwar auf Grund von sowohl dem Widerstand der Feldwicklung 100 als
auch auf Grund eines vorwärts
gerichteten Spannungsabfalls über
der frei laufenden Diode 104, so daß magnetische Energie vergeudet
oder zerstreut wird.
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Wenn es daher wünschenswert ist, die Größe des Erregerstromes
anzuheben, um einen kompakten, hochleistungsstarken und hocheffizienten,
am Fahrzeug mitgeführten
Generator zu realisieren, wie dies oben beschrieben ist, entstehen
andere Probleme, daß nämlich die
Kapazität
der Stromversorgung erhöht
werden sollte und der Generierungsverlust erhöht wird, und zwar auf Grund
einer Erhöhung
der vernichteten Energie, die in Wärme umgewandelt wird, nachdem
sie zeitweilig in der Feldwicklung gespeichert wurde.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt,
um die oben erläuterten
Probleme zu überwinden.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Steuerungsvorrichtung
für einen
Fahrzeuggenerator und ein am Fahrzeug befindliches Stromversorgungssystem,
welches diesen verwendet, zu schaffen, die dazu befähigt sind,
die Generierungsverluste zu reduzieren, so daß die Kapazität der Erregungsstromversorgung
abgesenkt werden kann, wenn dieser designed wird.
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Um die zuvor erläuterten Ziele zu erreichen,
schafft die vorliegende Erfindung gemäß einem Aspekt eine Steuerungsvorrichtung
für einen
Fahrzeuggenerator, der mit einer Statorwicklung und einer Feldwicklung ausgestattet
ist und der für
eine Drehung durch die am Fahrzeug befindliche Maschine angetrieben
wird. Die Steuerungsvorrichtung umfaßt ein Schalterelement, welches
so konfiguriert ist, um selektiv und elektrisch einen Strompfad
zu verbinden oder zu trennen, und zwar zwischen der Feldwicklung
und einen Stromversorgung, um die Feldwicklung mit Strom zu beliefern;
mit einem Speicherelement; und einem Regenerationselement, welches
so konfiguriert ist, um das Speicherelement mit Strom zu versorgen,
der durch die Feldwicklung fließt,
wenn das Schalterelement ausgeschaltet ist.
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Darüber hinaus schafft die vorliegende
Erfindung gemäß einem
anderen Aspekt derselben ein am Fahrzeug befindliches Stromversorgungssystem,
welches die Steuerungsvorrichtung für den am Fahrzeug mitgeführten Generator,
der oben beschrieben ist, aufweist, ferner eine Stromversorgung
enthält
und auch ein Speicherelement enthält, welches elektrisch zu der
Stromversorgung parallel geschaltet ist.
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Demzufolge machen die oben erläuterten
Konfigurationen des Steuerungsgerätes und des Stromversorgungssystems
es möglich,
in sicherer Weise magnetische Energie zeitweilig in der Feldwicklung
zu bewahren, und zwar in Form von elektrischer Energie, ohne daß dabei
die magnetische Energie in Form von Wärme vergeudet oder verteilt
wird. Die Kapazität
der Stromversorgung kann reduziert werden, und zwar zusätzlich zu
einer Reduzierung der Generierungsverluste.
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Es ist zu bevorzugen, daß der Strom,
der durch die Feldwicklung fließt,
wenn der durch die Feldwicklung fließende Strom zu dem Speicherelement
zugeführt
wird, der gleiche in einer Stromflußrichtung ist wie der Strom,
der durch die Feldwicklung fließt,
wenn die Stromversorgung die Feldwicklung mit Strom beliefert. Dank dieser
Konfiguration kann der Strom, der durch die Feldwicklung im Ansprechen
auf das Einschalten des Schalterelements fließt, kontinuierlich in der gleichen
Richtung fließen
wie die Richtung, entlang welcher der Strom während des Zeitintervalls geflossen
ist, wenn sich das Schalterelement in dem Einschaltzustand befand.
Somit sind die Stromrichtungen bei der Generierung und Ladung (Speicherung
bei der Regeneration), was zu einem verbesserten Wirkungsgrad bei
der Regeneration führt.
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Es ist ferner zu bevorzugen, daß die Feldwicklung
zwei Anschlüsse
besitzt, die Stromversorgung positive und negative Anschlüsse besitzt
und das Speicherelement positive und negative Polanschlüsse besitzt; wobei
das Schalterelement mit einem ersten Schalter ausgestattet ist,
der so plaziert ist, um einen Anschluß der Feldwicklung und den
positiven Anschluß der
Stromversorgung zu verbinden, und mit einem zweiten Schalter, der
so plaziert ist, um den anderen Anschluß der Feldwicklung mit dem
negativen Anschluß der Stromversorgung
zu verbinden; und mit einem Regenerationselement, welches mit einer
ersten Diode ausgestattet ist, die so plaziert ist, um den einen
Anschluß der
Feldwicklung mit dem negativen Polanschluß des Speicherelements zu verbinden,
und mit einer zweiten Diode versehen ist, die so plaziert ist, um
den anderen Anschluß der
Feldwicklung und den positiven Polanschluß des Speicherelements zu verbinden.
Diese Konfiguration erlaubt es dem Speicherelement, mit der Feldwicklung
in einer stetigen Weise in den Umkehrpolaritäten des Speicherelements verbunden
zu sein, wenn das Schalterelement ausgeschaltet ist. Spezieller
gesagt, eliminiert die Verwendung der Diode den Bedarf nach einer
Steuerung des Regenerationselements in einer komplizierten Weise,
so daß dadurch
eine vereinfachte Schaltungsanordnung erreicht wird.
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Weiter ist zu bevorzugen, daß die Feldwicklung
zwei Anschlüsse
besitzt, die Stromversorgung einen positiven und negativen Anschluß aufweist
und das Speicherelement positive und negative Polanschlüsse besitzt,
wobei das Schalterelement mit einem ersten Schalter ausgestattet
ist, der so angeordnet ist, um den einen Anschluß der Feldwicklung mit dem
positiven Anschluß der
Stromversorgung zu verbinden, und mit einem zweiten Schalter ausgestattet
ist, der so plaziert ist, um den anderen Anschluß der Feldwicklung mit dem
Negativ-Anschluß der
Stromversorgung zu verbinden; das Regenerationselement ist mit einem
dritten Schalter ausgestattet, der so angeordnet ist, um den einen
Anschluß der
Feldwicklung mit dem Negativ-Pol-Anschluß des Speicherelements zu verbinden,
und mit einem vierten Schalter ausgestattet, der so plaziert ist,
um den anderen Anschluß der
Feldwicklung mit dem Positiv-Pol-Anschluß des Speicherelements zu verbinden;
und mit einem Ein/Aus-Steuerelement, welches in solcher Weise konfiguriert
ist, um den dritten und den vierten Schalter in einen Ausschaltzustand
zu versetzen, wenn der erste und der zweite Schalter sich in einem
Einschaltzustand befinden, und um den dritten und den vierten Schalter
in einen Einschaltzustand zu versetzen, wenn der erste und der zweite
Schalter im Ausschaltzustand sind. Wenn die Elemente mit niedrigerem
Widerstandswert verwendet werden, wie beispielsweise MOSFETs (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren), und
zwar als dritter und vierter Schalter, kann der Verlust bei der
Regeneration abgesenkt werden, iind zwar verglichen mit der Verwendung
der Diode. Der Regenerationswirkungsgrad kann daher noch stärker angehoben
werden.
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Es ist auch zu bevorzugen, daß die Ein/Aus-Steuereinheit
so konfiguriert ist, um den dritten und den vierten Schalter auszuschalten,
wenn der durch die Feldwicklung fließende Strom zu Null wird. Dies
vermeidet eine rückwärts verlaufende
Richtung, in der der Strom durch die Feldwicklung fließt, und
es wird ein Verlust bei der Erregung der Feldwicklung reduziert
unter Beibehaltung einer Stabilität der Steuerung der Spannung,
die zu erzeugen ist. Wenn ferner ein rückwärts verlaufender Strom erzeugt
wird, wird solch ein Strom gezwungen, von dem Speicherelement entladen
zu werden. Die Verhinderung des rückwärts verlaufenden Stromes schafft einen
zusätzlichen
Vorteil, daß die
Entladung aus dem Speicherelement unterdrückt wird.
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Als Beispiel ist die Ein/Aus-Steuereinheit
so konfiguriert, daß der
erste und der zweite Schalter in Zeitintervallen ein- und ausgeschaltet
werden, die kleiner sind als 1/10 einer Zeitkonstante der Feldwicklung.
Dies ist wirksam bei der Entwicklung einer hochstabilisierten Spannungssteuerung
und bei einer stetigen Sammlung eines Abfallstromes, der bei der
Regeneration fließt.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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In den anhängenden Zeichnungen zeigen:
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1 einen
Verbindungszustand einer Feldwicklung, mit der ein herkömmlicher,
am Fahrzeug mitgeführter
Generator ausgerüstet
ist;
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2 Zeitdiagramme
eines Erregerstroms und eines Batteriestroms, die in dem herkömmlichen
Fahrzeuggenerator fließen,
der eine Schaltungsanordnung besitzt, die in 1 gezeigt ist;
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3 ein
Schaltungsdiagramm, welches ein Fahrzeugstromversorgungssystem gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt, wobei das System einen Fahrzeuggenerator
enthält;
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4 eine
vereinfachte Schaltungsanordnung, die einen Fluß eines Erregerstromes erläutert, welcher von
einer Batterie zu einer Feldwicklung zugeführt wird;
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5 ein
vereinfachtes Schaltungsdiagramm, welches einen Fluß eines
Erregerstromes erläutert,
der von der Feldwicklung zur Batterie regeneriert wird;
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6 Zeitsteuerpläne des Erregerstromes
und des Batteriestromes, die in dem Fahrzeuggenerator gemäß der vorliegenden
Erfindung fließen;
und
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7 eine
Abwandlung gemäß einem
Spannungscontroller.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Es wird nun eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung in Verbindung mit den 3 bis 6 beschrieben.
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3 zeigt
eine Schaltungsanordnung eines Fahrzeugstromversorgungssystems gemäß einer
Ausführungsform,
bei der das Stromversorgungssystem mit einem Fahrzeuggenerator 1 ausgerüstet ist.
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Wie in 3 gezeigt
ist, enthält
der Fahrzeuggenerator 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform Statorwicklungen 2,
Gleichrichter 3, eine Feldwicklung 4 und einen
Spannungscontroller 6, der als Steuervorrichtung gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
dient. Beide Einrichtungen gemäß diesem
Fahrzeuggenerator 1 und einer Batterie 9, die
an einem Fahrzeug montiert ist, bilden ein Fahrzeugstromversorgungssystem.
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Die Statorwicklungen 2 sind
als Vielphasenwicklung ausgeführt
(beispielsweise als Dreiphasenwicklungen), die um die Statorkerne
gewickelt sind, um einen Stator zu bilden. Ausgangswechselströme, die
induziert werden, so daß sie
durch die Statorwick-lungen 2 fließen, werden
den Gleichrichtern 3 zugeführt.
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Die Gleichrichter 3 sind
in Form einer Vollweg-Gleichrichterschaltung angeordnet, um die
Ausgangswechselströme
in Gleichstromströme
gleichzurichten, und die Vollweg-Gleichrichterschaltung verwendet
Dioden, die als Gleichrichterelemente dienen und die Phase um Phase
entsprechend den Statorwicklungen 2 angeordnet sind.
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Die Feldwicklung 4 ist so
angeordnet, daß sie
einen verketteten Magnetfluß erzeugt,
der zum Induzieren der Spannung an den Statorwicklungen 2 erforderlich
ist. Diese Feldwicklung 4 ist um nicht gezeigte Feldpole
gewickelt, die einen Stator bilden.
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Der Spannungscontroller 6 hat
die Fähigkeit,
einen Erregerstrom einzustellen, welcher der Feldwicklung 4 zugeführt wird,
um eine Ausgangsspannung aus dem Fahrzeuggenerator 1 innerhalb
eines vorbestimmten Spannungsbereiches zu steuern. Um dieses Ziel
zu erreichen, enthält
der Spannungscontroller 6 als Hauptkomponenten zwei Leistungstransistoren 61 und 62,
zwei Umpolungsdioden 63 und 64, ein LPF (Tiefpaßfilter) 65 und
einen Spannungskomparator 66.
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Einer der Leistungstransistoren,
nämlich
der Leistungstransistor 61 ist so plaziert, daß er sowohl
mit einem Anschluß der
Feldwicklung 4 als auch mit einem positiven Anschluß der Batterie 6 verbunden
ist, und einen Erregerstrom zu der Feldwicklung 4 in einer
Unterbrechungsweise (Ein/Aus) steuert. Der verbleibende Transistor 62 ist
so platziert, daß er
sowohl mit dem anderen Anschluß der
Feldwicklung 4 als auch mit einem Negativ-Anschluß der Batterie 9 verbunden
ist, und den Erregerstrom in einer Unterbrechungsweise steuert. Jeder
dieser Leistungstransistoren 61 und 62 besteht
beispielsweise aus einem Leistungs-MOSFET (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor),
iind wird einer Stromzufuhrsteuerung in der gleichen Zeitsteuerung
untereinander unterworfen.
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Eine der Umpolungsdioden, nämlich die
Diode 63, ist in der Schaltungsanordnung so angeordnet,
daß eine
Kathode der Diode 63 in Reihe mit einem Leistungstransistor 61 verbinden
ist, und eine Anode derselben mit dem Negativ-Anschluß (Masse
oder Erde) der Batterie 9 verbunden ist. Die andere Umpolungsdiode 64 ist so
angeordnet, daß eine
Anode derselben in Reihe mit dem anderen Leistungstransistor 62 geschaltet
ist und eine Kathode derselben mit dem Positiv-Anschluß der Batterie 9 verbunden
ist.
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Das LPF 65 besteht, um ein
Beispiel zu nennen, aus einer Reihenschaltung, bestehend aus einem
Widerstand und einem Kondensator, und ist dazu befähigt, eine
Ausgangsspannung des Fahrzeuggenerators 1 zu glätten.
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Der Spannungskomparator 66 besitzt
einen Invertierungseingangsanschluß, um eine geglättete Spannung
Vs von dem LPF 65 zu empfangen, und einen Nicht-Invertierungseingangsanschluß, um eine
Bezugsspannung Vreg zu empfangen. Wenn damit die Spannung Vs niedriger
liegt als die Bezugsspannung Vreg, wird eine Spannung am Ausgangsanschluß des Komparators 66 im
Pegel "hoch", während dann,
wenn die Spannung Vs gleich ist mit oder höher ist als die Bezugsspannung
Vreg, die Spannung am Ausgangsanschluß desselben im Pegel "niedrig" wird. Der Ausgangsanschluß des Komparators 66 ist
mit jedem der Gateanschlüsse
der zwei Leistungstransistoren 61 und 62 verbunden,
mit dem Ergebnis, daß die
zwei Leistungstransistoren 61 und 62 beide "ein"-geschaltet werden,
und zwar im Ansprechen auf den "hohen" Pegel am Ausgangsanschluß des Komparators 66 und "aus"-geschaltet werden,
im Ansprechen auf den "niedrigen" Pegel an dem Ausgangsanschluß des Komparators 66.
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Von den zuvor erläuterten Komponenten funktionieren
die Leistungstransistoren 61 und 62, das LPF 65 und
der Komparator 66 als Schalterelement gemäß der vorliegenden
Erfindung; die Leistungstransistoren 61 und 62 funktionieren
als erster und zweiter Schalter gemäß der vorliegenden Erfindung;
die Umpolungsdioden 63 und 64 funktionieren als
Regenerationseinheit und als erste und zweite Diode der vorliegenden
Erfindung; und die Batterie 9 funktioniert als Stromversorgung
und auch als Speichereinheit gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Der Fahrzeuggenerator 1 gemäß der vorliegenden
Ausführungsform,
der in der oben beschilderten Weise gesteuert wird, arbeitet in
der folgenden Weise.
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In Fällen, bei denen die Ausgangsspannung
des Fahrzeuggenerators 1 unterhalb einer vorbestimmten Zielspannung
liegt, ist die Spannung Vs, die von dem LPF 65 ausgegeben
wird, niedriger als die Bezugsspannung Vreg, wodurch die Ausgangsspannung
des Komparators 66 einen "hohen" Pegel hat. In diesem Zustand befinden
sich die zwei Leistungstransistoren 61 und 62 beide
im eingeschalteten Zustand. Es werden zwei Strompfade, die es ermöglichen,
daß der
Erregerstrom dort hindurch fließen
kann, erstellt. Einer dieser Pfade ist ein Pfad, der von dem Positiv-Anschluß der Batterie 9,
einem B-Anschluß,
dem Leistungstransistor 61 und zu einem f1-Anschluß verläuft, so
daß der
Erregerstrom von der Batterie 9 in die Feldwicklung 4 fließt. Der
andere Pfad besteht aus einem Pfad, der von der Feldwicklung 4,
einem f2-Anschluß,
dem Leistungstransistor 62 und dem Negativ-Anschluß der Batterie 9 verläuft, so
daß der
Erregerstrom von der Feldwicklung 4 zurück zur Batterie 9 fließt. Unter
Verwendung dieser zwei Pfade wird der Erregerstrom von der Batterie 9 der
Feldwicklung 4 zugeführt. 4 veranschaulicht eine Richtung
des Erregerstromes von der Batterie 9 zu der Feldwicklung 2,
die durch die zwei oben erläuterten
Pfade verläuft.
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In Fällen, in denen die Batterie
9 den
Erregerstrom zu der Feldwicklung
4 zuführt, arbeitet eine Induktivitätskomponente
der Feldwicklung
4 in solcher Weise, um den Erregerstrom
in Form von magnetischer Energie aufzubewahren. Die Energie P1,
die zu der Feldwicklung
4 zugeführt wird, läßt sich wie folgt ausdrücken:
worin
L ein Induktivitätswert
der Feldwicklung
4 ist, If ein Wert des Erregerstromes
und R ein Widerstandswert der Feldwicklung
4 ist. Der erste
Ausdruck auf der rechten Seite des Ausdruckes (
1) gibt
die magnetische Energie wieder, die durch die Induktivität der Feldwicklung
4 aufbewahrt
wird, während
der zweite Term die Energie ausdrückt, die durch den Widerstand
der Feldwicklung verbraucht wird und die in Wärme umgewandelt wird.
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Wie anhand von
1 beschrieben wurde, wird gemäß der herkömmlichen
Konfiguration, bei der die Umpolungsdiode
104 parallel
zu der Feldwicklung
10 geschaltet ist, die magnetische
Energie zeitweilig durch die Feldwicklung
4 aufbewahrt
und wird in Energie entsprechend einer verbrauchten Wärme umgewandelt
und auch in andere Energiearten, und zwar auf Grund der Zirkulieroperation
der Umpolungsdiode
104. Wenn die zeitweilig durch die Feldwicklung
4 aufbewahrte
magnetische Energie mit P2 bezeichnet wird, kann folgendes angesetzt
werden:
in
welcher Vd ein Wert eines vorwärts
verlaufenden Spannungsabfalls über
der Umpolungsdiode
104 ist. Bei diesem Ausdruck (
2)
drückt
der erste Ausdruck auf der rechten Seite die Energie aus, die durch
die Umpolungsdiode
104 verbraucht wird und die in Wärme umgewandelt
wird, während
der zweite Ausdruck die Energie ausdrückt, die durch den Widerstand
der Feldwicklung
100 verbraucht wird und die in Wärme umgewandelt wird.
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Wenn auf der anderen Seite die Ausgangsspannung
des Fahrzeuggenerators 1 gleich wird mit oder höher wird
als die vorbestimmte Zielspannung, wird die Spannung Vs, die von
dem LPF 65 ausgegeben wird, auf einen Wert gleich mit oder
höher als
eine Bezugsspannung Vreg gebracht. In diesem Fall liefert der Spannungskomparator 66 eine
niedrige Ausgangsspannung, und die zwei Leistungstransistoren 61 und 62 sind
beide ausgeschaltet. Da jedoch die Feldwicklung 4 einen
großen
Wert an Induktivität
besitzt, fließt
ein Strom, der versucht, den Erregerstrom aufrecht zu erhalten,
der gerade gestoppt wurde, und dieser Strom fließt weiter fortwährend durch
die Feldwicklung 4, wobei der Strom mit dem Verstreichen
der Zeit abfällt.
Dieser Strom wird über
die zwei Umpolungsdioden 63 und 64 regeneriert. 5 veranschaulicht einen
Fluß eines
Stromes, wenn der Erregerstrom von der Feldwicklung 4 zu
der Batterie 9 regeneriert wird.
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Auf diese Weise besitzt der Fahrzeuggenerator
1 gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
eine Schaltungsanordnung, um den Erregerstrom zur Batterie
9 zurück zu regenerieren,
der während
der Umpolungsaktion fließt.
Bei diesem Zustand kann die magnetische Energie P2, die zeitweilig
in der Feldwicklung
4 zu speichern ist, wie folgt ausgedrückt werden:
in
welcher Vb eine Ladespannung zwischen den positiven und negativen
Anschlüssen
der Batterie
9 ist.
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In diesem Ausdruck (3) gibt
der erste Ausdruck auf der rechten Seite die Energie an, die zum
Speichern zur Batterie 9 zurückgeleitet wird, und der zweite
Ausdruck in dieser Formel zeigt die Energie, die durch den Widerstand
der Feldwicklung 4 verbraucht wird und in Wärme umgewandelt
wird, wenn die Regeneration durchgeführt wird.
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Wie sich aus einem Vergleich zwischen
dem Ausdruck (2), der den herkömmlichen Fall erläutert, und dem
Ausdruck (3), der die Konfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung
erläutert,
ergibt, wird die Energie, die durch die Umpolungsdiode 104 bei
der herkömmlichen
Konfiguration in Wärme
zerstreut wird, zurückgeführt und
wird in der Batterie 9 gemäß dieser Ausführungsform
gespeichert. Nebenbei bemerkt, da eine Beziehung von Vb » Vd gilt,
ist der Betrag, der durch die Umpolungsdioden vernichtet wird, vernachlässigbar.
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6 veranschaulicht Änderungen
sowohl im Erregerstrom als auch im Batteriestrom, der in dem Fahrzeuggenerator
fließt,
und zwar gemäß der vorliegenden
Ausführungsform.
Wie aus der Figur ersehen werden kann, wird dann, wenn beide Leistungstransistoren 61 und 62 eingeschaltet
sind, der Erregerstrom von der Batterie 9 zu der Feldwicklung 4 zugeführt, so
daß die
Batterie 9 in einen Entladungszustand versetzt wird. Im
Gegensatz dazu, wenn beide Leistungstransistoren 61 und 62 ausgeschaltet sind,
wird der Erregerstrom zurückgeleitet
(das heißt
regeneriert), und zwar von der Feldwicklung 4 zu der Batterie 9,
so daß die
Batterie 9 in einen Ladezustand versetzt wird.
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Da auf diese Weise die zeitweilig
in der Feldwicklung 4 aufbewahrte magnetische Energie während eines
Zeitintervalls regeneriert wird, wenn sich die Leistungstransistoren 61 und 62 im
ausgeschalteten Zustand befinden, kann die Größe eines mittleren Entladestromes,
der von der Batterie 9 für die Erregung entladen wird,
reduziert werden. Daher kann zusätzlich
zu einer Reduzierung der Generierungsverluste die Kapazität der Batterie 9 abgesenkt
werden, während
jedoch eine ausreichende Stromversorgungsqualität beibehalten wird.
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Ferner ist der Strom, der durch die
Feldwicklung 4 fließt,
wenn die Leistungstransistoren 61 und 62 sich
im ausgeschalteten Zustand befinden, der gleiche in der Fließrichtung,
wie die Richtung des Stromes, der fließt, wenn sich die Leistungstransistoren 61 und 62 im
eingeschalteten Zustand befinden. Das heißt, die Richtungen der Ströme, die
sowohl im Entladezustand als auch im Lade-(Speicher-)Zustand fließen, sind
untereinander gleich, so daß dadurch
der Wirkungsgrad der Regeneration angehoben wird.
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Darüber hinaus schafft die Verwendung
der Umpolungsdioden 61 und 62 die Möglichkeit,
daß dann, wenn
die Leistungstransistoren 61 und 62 ausgeschaltet
sind, die Feldwicklung 4 elektrisch in einem Dauerzustand
mit der Batterie 5 entsprechend entgegen gesetzten Polaritäten zu denjenigen
der Batterie 9 angeschlossen ist. Zusätzlich beseitigt die Verwendung
der Umpolungsdioden 63 und 64 das Erfordernis,
eine komplizierte Steuerung an den Dioden 63 und 64 durchzuführen, was
dann zu einer vereinfachten Konfiguration des Spannungscontrollers 6 führt.
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Nebenbei bemerkt, ist die vorliegende
Erfindung nicht auf die anhand der oben erläuterten Ausführungsform
definierten Konfiguration beschränkt,
sondern kann in der Praxis in eine Vielzahl von anderen Betriebsarten
reduziert werden, ohne dadurch den Rahmen der vorliegenden Erfindung
zu verlassen. Obwohl beispielsweise die vorausge gangen erläuterte Konfiguration
die Möglichkeit
schafft, daß der
Erregerstrom über die
Umpolungsdioden 63 und 64 im Ansprechen auf das
Ausschalten der Leistungstransistoren 61 und 62 regeneriert
wird, können
die Umpolungsdioden 63 und 64 durch andere Komponenten,
die MOSFETs enthalten, ersetzt werden.
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7 veranschaulicht
eine Abwandlung des Controllers, der basierend auf solch einem Konzept
unter Verwendung von MOSFETs konfiguriert ist. Ein Spannungscontroller 6A,
der in 7 gezeigt ist,
umfaßt
Leistungstransistoren 61 und 62, das LPF (Tiefpaßfilter) 65,
den Spannungskomparator 66, MOSFETs 67 und 68 und
Inverterschaltungen 69 und 70. Der Spannungscontroller 6A unterscheidet
sich von dem Spannungscontroller 6, der unter Hinweis auf 3 beschrieben wurde, dadurch,
daß eine
Umpolungsdiode 63 durch eine Kombination aus einem MOSFET 67 und
einer Inverterschaltung 69 ersetzt ist, und daß die andere
Umpolungsdiode 64 durch eine andere Kombination aus einem
MOSFET 68 und einer Inverterschaltung 70 ersetzt ist.
Die restlichen Komponenten sind entsprechend der vorangegangenen
Ausführungsform
gemeinsam vorhanden, so daß detaillierte
Erläuterungen
derselben hier weggelassen werden.
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Die oben erläuterten MOSFETs 67 und 68 entsprechen
dem dritten und dem vierten Schalter der vorliegenden Erfindung
und das LPF 65, der Komparator 66 und die Inverterstufen 69 und 70 in 7 bilden das Ein/Aus-Steuerelement
der vorliegenden Erfindung.
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Wie in 7 gezeigt
ist, ist der Ausgangsanschluß des
Spannungskomparators 66 nicht nur mit einem Gate von einem
der MOSFETs 67 gekoppelt, und zwar über die Inverterschaltung 70,
sondern auch mit einem Gate des anderen MOSFET 68, und
zwar über
die Inverterschaltung 70. Daher werden in Fällen, in
welchen die zwei Leistungstransistoren 61 und 62 sich
im eingeschalteten Zustand befinden, und zwar auf Grund der Tatsache,
daß die
Ausgangsgröße des Spannungskomparators 66 einen
hohen Pegel hat, die zwei MOSFETs 67 und 68 beide
ausgeschaltet. Wenn im Gegensatz dazu die zwei Leistungstransistoren 61 und 62 ausgeschaltet
sind, und zwar auf Grund eines niedrigen Pegels an dem Ausgangsende
des Spannungskomparators 66, sind die zwei MOSFETs 67 und 68 beide
eingeschaltet.
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Indem man eine exklusive Steuerung
zwischen den zeitweiligen Perioden vornimmt, während welchen die Leistungstransistoren 61 und 62 im
eingeschalteten Zustand sind, und während den zeitweiligen Perioden, während welchen
die MOSFETs 67 und 68 eingeschaltet sind, kann die magnetische
Energie, die zeitweilig durch die Feldwicklung 4 aufbewahrt
wird, zurückgeleitet
werden (regeneriert werden), und zwar zu der Batterie 9,
und zwar während
der Zeitintervalle, wenn sich die Leistungstransistoren 61 und 62 im
ausgeschalteten Zustand befinden. Ferner führt die Verwendung der MOSFETs 67 und 68 zu
einer Verlustreduzierung, die durch die Elemente während der
Regeneration verursacht wird, und zwar verglichen mit der Verwendung
der Umpolungsdioden 63 und 64. Damit kann die
Regenerationswirkung erhöht
werden. Spezifisch ausgedrückt, ist
es zu bevorzugen, daß die
MOSFETs 67 und 68 von dem Einschaltzustand in
den Ausschaltzustand geschaltet werden, und zwar im Ansprechen auf
die Tatsache, daß der
Erregerstrom, der durch die Feldwicklung 4 fließt, zu Null
wird. Diese Schaltsteuerung verhindert einen Stromfluß durch
die Feldwicklung 4 in der Rückwärtsrichtung, so daß dadurch
die Möglichkeit
geschaffen wird, den Erregungsverlust ohne Verschlechterung der
Stabilität
bei der Steuerung der erzeugten Spannung zu verschlechtern.
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Eine weitere abgewandelte Ausführung in
Verbindung mit der Speicherung von regenerierter Energie kann wie
folgt aussehen. Bei der vorangegangenen Ausführungsform wurde die Konfiguration
in solcher Weise ausgelegt, daß die
regenerierte Energie in der Batterie 9 gespeichert wurde,
dies ist jedoch nicht eine zwangsläufige bzw. definitive Vorschrift.
Alternativ kann irgendeine Speichereinrichtung, wie beispielsweise
ein Kondensator oder eine Sekundärbatterie
hinzugefügt
werden, und zwar unabhängig
von der Batterie 9, so daß die regenerierte Energie
in der Speichereinrichtung gespeichert wird. Insbesondere ist es
zu bevorzugen, einen Kondensator zu verwenden, da dabei kein Verlust
durch dessen interne Impedanz erzeugt wird, im Gegensatz zur Batterie 9 und
zur Sekundärbatterie,
so daß dadurch
die Verwendung der regenerierten Energie noch in einer effektiveren
Weise erfolgen kann.
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Ferner ergibt sich eine Erklärung hinsichtlich
der Unterbrechungssteuerung (Ein/Aus) der Leistungstransistoren 61 und 62.
Bei der vorangegangen erläuterten
Ausführungsform
wurde keine spezielle Grenze darüber
festgelegt, auf welche Weise die Unterbrechungsperioden festgelegt
werden, die bei der Unterbrechungssteuerung (Ein/Aus) der Leistungstransistoren 61 und 62 gebildet
werden, es ist jedoch zu bevorzugen, daß die Leistungstransistoren 61 und 62 in
einem Zeitintervall unterbrochen werden von beispielsweise weniger
als 1/10 einer Zeitkonstante der Feldwicklung 4. Diese
Art der Einstellung der Unterbrechungsperioden schafft die Möglichkeit,
in sicherer Weise einen Abfallstrom in der Batterie 9 mit
einer Stetigkeit zu sammeln, wobei dennoch eine hohe Stabilität bei der
Spannungssteuerung mit Hilfe des Spannungscontrollers 6 ausgeführt werden
kann.
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Die vorliegende Erfindung kann in
verschiedenen anderen Formen realisiert werden, ohne den Rahmen
der Erfindung zu verlassen. Die vorliegenden Ausführungsformen,
die beschrieben wurden, dienen daher lediglich der Veranschaulichung
und sind nicht in einschränkender
Weise zu interpretieren, da der Rahmen der Erfindung durch die anhängenden
Ansprüche
und nicht durch die vorangegangene Beschreibung festgelegt ist.
Alle Änderungen,
die in den Rahmen der Ansprüche
fallen oder auch Äquivalente
von solchen Maßnahmen und Änderungen
werden daher von den Ansprüchen
mit umfaßt.
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Die gesamte Offenbarung der japanischen
Patentanmeldung Nr. 2002-209005, die am 18. Juli 2002 eingereicht
wurde, inklusive der Beschreibung, den Ansprüchen, den Zeichnungen und der
Zusammenfassung werden hier durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit
mit einbezogen.
