DE19748392A1

DE19748392A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zum Erzeugen elektrischer Energie aus der Drehbewegung von Fahrzeugrädern tragenden Wellenstümpfen, insbesondere von Schienenfahrzeug-Wellenstümpfen

Info

Publication number: DE19748392A1
Application number: DE19748392A
Authority: DE
Inventors: Mahmud Keschwari Dipl In Rasti
Original assignee: Sab Wabco KP GmbH
Current assignee: KES Vertriebs GmbH
Priority date: 1997-11-03
Filing date: 1997-11-03
Publication date: 1999-05-12

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen elektrischer Energie aus der Drehbewegung von Fahrzeugrädern tragenden Wel lenstümpfen, insbesondere von Schienenfahrzeug-Wellenstümpfen, bei dem elektri sche Energie über einen gleichachsigen Generator erzeugt wird, der einen fahrrah menfesten Stator und einen auf dem Wellenstumpf angeordneten Rotor mit über den Umfang verteilt angeordneten Permanentmagneten aufweist und neben dem Erzeu gen elektrischer Leistungs-Energie elektrische Energie zum Messen der Drehzahl zumindest eines Rades erzeugt wird.

Ein Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie aus der Drehbewegung der Achsstummel von Schienenfahrzeugen ist bekannt (DE 41 19 834 A1). Neben der elektrischen Energie-Erzeugung, die bei einem dreiphasigen Statorausgang über einen Gleichrichter mit einem Parallel-Regler einen Akkumulator speist, erfolgt so wohl die elektrische Energie-Erzeugung als auch die Drehzahlermittlung ausschließ lich über die Generatorfunktion. Die Pulsparameter jedes induzierten elektrischen Spannungsverlaufs werden zur Ermittlung der Drehzahl verwertet, um über eine feinfühlige Drehzahlmessung ein betriebssicheres ABS- und/oder ASR-System zu schaffen. Diese bekannte Konzeption ist darauf gerichtet, einen anderen bekannten Wechselspannungsgenerator (DE-PS 25 51 009), in dem ein digitaler Drehwinkelge ber eingebaut ist, zu vermeiden. Nachteilig soll bei einem solchen digitalen Drehwin kelgeber sein, daß ein zusätzlicher Drehwinkelgeber zur Erfassung der Drehzahl der Achse benötigt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Trennung der Generatorfunktion in eine elektrische Leistungsenergie-Erzeugung und in eine Energie-Erzeugung für die verschiedenen Messungen, die Nachteile eines digitalen Drehwinkelgebers zu ver meiden.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß aufgrund des eingangs bezeichneten Verfahrens dadurch gelöst daß die elektrische Leistungs-Energie ausschließlich über die Induktion zwischen dem mit Permanentmagneten bestückten Rotor und dem Stator erzeugt wird und daß die Meß-Energie für die Drehzahlmessung durch getrennte, zwischen dem mit Permanentmagneten bestückten Rotor und diesen ge genüberliegend angeordnete, durch ein konstantes Magnetfeld beeinflußbare Sen soren erfolgt. Dadurch können sichere und genaue Aussagen im Meßbereich unab hängig von der Generatorfunktion auch im unteren Drehzahlbereich gemacht wer den. Eine direkte Erzeugung eines Rechtecksignals ohne Umwege kann stattfinden. Dadurch werden sehr langsame Bewegungen erfaßt, was bisher nicht erreicht wer den konnte. Dabei ist der Einsatz eines Drehwinkelgebers mit allen notwendigen Funktionsteilen nicht erforderlich.

Nach weiteren Vorteilen kann über Hall-Sensoren die Umfangsgeschwindigkeit des Rotors direkt gemessen werden.

Anstelle des Drehwinkelgebers wird ermöglicht, daß die von den Sensoren ausge henden Impulse zum Messen der Umfangsgeschwindigkeit der Räder bzw. des Ro tors eingesetzt werden.

Die gestellte Aufgabe wird ferner aufgrund einer Schaltungsanordnung erfindungs gemäß dadurch gelöst, daß sowohl der Stator mit seinen drei Phasen als auch zu geordnete, durch ein konstantes Magnetfeld beeinflußbare Sensoren mit ihren jewei ligen Anschlüssen über einen ersten Stecker mit einem Gleichspannungs-Erzeuger und einer Auswerte-Elektronik verbindbar sind. Dadurch kann über weite Drehzahl bereiche und insbesondere bei niedrigen Drehzahlen die Generatorspannung auf einer bestimmten Höhe konstant gehalten werden. Es bedarf ferner keines Opto kopplers und keines monostabilen Multivibrators. Für d(e Steuerung der ABS- und ASR-Elektronik stehen außerdem ohne Umwege Impulssignale mit gleicher Pulsbrei te zur Verfügung. Weiterhin läßt der erste Stecker eine schnelle Trennung oder eine schnelle Montage des Gleichspannungs-Erzeugers und der Auswerte-Elektronik zu.

Nach weiteren Merkmalen ist vorgesehen, daß der Gleichspannungs-Erzeuger und die Auswerte-Elektronik im Statorbereich des Achsgenerators angeordnet sind. Die erzeugte Spannung kann also in der Nähe des Stators schon durch einen Parallel regler begrenzt werden, ohne daß befürchtet werden müßte, daß die sehr hohe Spannung bis in weiter entfernt liegende Bereiche durchschlägt, was z. B. bei schad haften Leitungen auftreten könnte. Diese Bauweise vermittelt daher gleichzeitig eine höhere Betriebssicherheit.

Nach einer anderen Verbesserung ist vorgesehen, daß die Sensoren innerhalb des Stators bzw. der Statorwicklungen angeordnet sind. Dadurch können ein sonst not wendig werdendes Polrad und ein Inkrementalgeber eingespart werden.

Durch eine Anordnung der Sensoren bzw. Hall-Sensoren in den Wicklungsnuten des Stators radial dem Rotor weitestgehend angenähert, können zudem sehr genaue Meßsignale erzeugt werden.

Weitere der Sicherheit und einem besseren Aufbau dienende Maßnahmen ergeben sich daraus, daß eine Einheit, bestehend aus dem Gleichspannungs-Erzeuger und der Auswerte-Elektronik mittels mehrerer Verbindungen über einen zweiten Stecker mit einem Verbraucher und/oder einem Laderegler verbindbar sind. Diese Maßnah men dienen auch der Einschränkung der notwendigen Elektronikbauteile, um einer steigenden Ausfallrate entgegenzuwirken.

Nach anderen Merkmalen ist vorgesehen, daß ein Temperaturfühler an den Lade regler angeschlossen ist. Diese Messung der Temperatur dient der Ermittlung der günstigsten Ladekurve, die temperaturabhängig ist. Durch die Wahl der günstigsten Ladekurve wird der Akkumulator geschont, d. h. seine Lebensdauer kann erhöht werden.

Eine entferntere Anordnung eines wesentlichen Teils der Elektronik vom Generator läßt sich ferner dadurch erreichen, daß die Verbindungen des zweiten Steckers zu einer Gleitschutz- bzw. Schleuderschutz-Elektronik geführt sind.

Die verschiedenen Drehzahlbereiche des Generators lassen sich außerdem dadurch besser überbrücken, daß zwischen dem zweiten Stecker und dem Akkumulator ein Batteriespannungsanschluß für die Versorgung der Sensoren bzw. der Hall-Senso ren im unteren Drehzahlbereich des Rotors vorgesehen ist.

Gleichermaßen kann ein gewisser Drehzahlbereich dadurch überbrückt werden, daß zwischen dem zweiten Stecker und dem Akkumulator ein Batteriespannungsan schluß für die Versorgung einer Gleitschutz- und Schleuderschutz-Elektronik sowie deren Peripherie-Komponenten im untersten Drehzahlbereich des Rotors vorgese hen ist.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der verschiedenen Baugruppen,

Fig. 2 ein Blockschaltbild ähnlich Fig. 1 mit der (Hall-)Sensoren-Elektronik,

Fig. 3 einen Ausschnitt aus dem Stator- bzw. Rotor-Querschnitt mit den (Hall-)Sensoren,

Fig. 4 eine Vorderansicht des Achsgenerator-Gehäuses und

Fig. 5 die zu Fig. 4 gehörende Seitenansicht.

Auf der Radachse eines Schienenfahrzeugs wird beim Fahren durch einen Achsgene rator 1, der aus einem Stator 2 und einem Rotor 3 besteht, ein elektrischer Strom bzw. eine elektrische Spannung induziert. Der Stator 2 ist durch einen Luftspalt 4 vom Rotor 3 beabstandet und umgibt ihn auf 360°. Der Stator 2 ist ferner fahrrah menfest und der Rotor 3 auf dem Wellenstumpf der Fahrzeugachse angeordnet (Fig. 1).

Im Rotor 3 (Fig. 2) sind über den Umfang verteilt angeordnete Permanentmagnete 5 eingebaut, die jeweils abwechselnd einen Südpol "S" oder einen Nordpol "N" bilden. Neben der Erzeugung elektrischer Leistungs-Energie für die elektrischen Verbrau cher eines Schienenfahrzeugs ist auch elektrische Energie zum Messen der Dreh zahl zumindest eines Rades, meistens jedoch sämtlicher Räder erforderlich.

Vorliegend wird die elektrische Leistungs-Energie ausschließlich über die Induktion zwischen den Permanentmagneten 5 und den Wicklungen 6 des Stators 2 erzeugt. Hingegen wird die Meß-Energie u. a. für die Drehzahlmessung bzw. Frequenzmes sung der Räder sowie für eine Antiblockiersystem-(ABS) und eine Antischlupfrege lungs-Elektronik (ASR) 7 durch getrennte, zwischen dem mit den Permanentmagne ten 5 bestückten Rotor 3 und diesen gegenüberliegend angeordneten Sensoren 8 erzeugt. Die Sensoren 8 bestehen im Ausführungsbeispiel aus Hall-Sensoren 8a, können aber auch durch Feldplatten-Sensoren oder Induktions-Sensoren gebildet sein.

Über Hall-Sensoren 8a wird die Umfangsgeschwindigkeit des Rotors 3 bestimmt. Bei einer Bewegung der Permanentmagneten 5 gehen Impulse 9 zum Messen der Um fangsgeschwindigkeit der Räder bzw. des Rotors 3 von den Hall-IG's aus. An die Hall-Sensoren 8a im Statorbereich 2a (Fig. 2) ist eine Hall-Sensoren-Elektronik 10 angeschlossen, die ebenfalls mit Meß-Energie versorgt wird.

Der Stator 2 mit seinem 3-Phasen-System 11, die Hall-Sensoren 8a mit ihren jewei ligen Anschlüssen 12 sind über einen ersten Stecker 13 mit einem Gleichspan nungs-Erzeuger 14 und einer Auswerte-Elektronik 15 verbindbar. Der Gleichspan nungs-Erzeuger 14 ist ebenfalls im Statorbereich 2a des Achsgenerators 1 angeord net (Fig. 1).

Die Hall-Sensoren 8a befinden sich innerhalb des Stators 2 bzw. innerhalb der Sta torwicklungen 6 (Fig. 3). Sie sind an ihren inneren Enden 16 der Wicklungsnuten 17 radial dem Rotor 3 weitestgehend angenähert angeordnet und in Fig. 3 mit 1, 2, 3 bezeichnet, wobei der Luftspalt 4 etwa 2-3 mm betragen kann, ohne die Wirkung zwischen den Permanentmagneten 5 und den Hall-Sensoren 8a zu beeinträchtigen.

Aus dem Gleichspannungs-Erzeuger 14 und der Auswerte-Elektronik 15 ist eine Einheit 18 gebildet, die mittels mehrerer elektrischer Verbindungen 19 über einen zweiten Stecker 20 mit einem Verbraucher 21 und/oder einem Laderegler 22 ver bindbar oder lösbar sind.

Zum Einstellen der günstigsten Ladekurve eines Akkumulators 23 ist ein Tempera turfühler 24 in der Nähe des Akkumulators angeordnet und an den Laderegler 22 angeschlossen. Die elektrischen Verbindungen 19 des zweiten Steckers 20 sind zu der ABS-, ASR-Elektronik 7 sowie deren Peripherie-Komponenten für den Gleit- bzw. Schleuderschutz geführt. Zwischen dem zweiten Stecker 20 und dem Akkumu lator 23 ist ein Batteriespannungs-Anschluß 25 für die Versorgung der Hall-Sensoren 8a im unteren Drehzahlbereich des Rotors 3 vorgesehen. Analog hierzu ist zwischen dem zweiten Stecker 20 und dem Akkumulator 23 der Batteriespannungs-Anschluß 25 für die Versorgung der Gleitschutz und Schleuderschutz-Elektronik (ABS-, ASR- Elektronik 7) angelegt.

Der Achsgenerator 1 trägt auf seinem Achsgenerator-Gehäuse 1a mit einem Befe stigungsradius 1b (Fig. 4 und 5) einen Kühlkörper 26, in dem der zweite Stecker 20 angeordnet ist. Innerhalb des Kühlkörpers 26 befindet sich ein nicht näher dargestell ter Parallel-Regler 27 (Fig. 5). Der erste Stecker 13 ist in einem Klemmenkasten 28 angeordnet. Die elektrische Leitung 29 führt u. a. Leistungs-Energie zu den Verbrau chern 21 des Schienenfahrzeugs. Das Achsgenerator-Gehäuse 1a ist auf der Ro torachse 3a gelagert.

Bezugszeichenliste

1

Achsgenerator

1

a Achsgenerator-Gehäuse

1

b Befestigungsradius

2

Stator

2

a Statorbereich

3

Rotor

3

a Rotorachse

4

Luftspalt

5

Permanentmagnete

6

Wicklung des Stators

7

ABS-, ASR-Elektronik

8

Sensoren

8

a Hall-Sensoren

9

Impulse

10

Hall-Sensoren-Elektronik

11

3-Phasen-System

12

Hall-Sensoren-Anschlüsse

13

erster Stecker

14

Gleichspannungs-Erzeuger

15

Auswerte-Elektronik

16

inneres Ende der Wicklungsnut

17

Wicklungsnuten

18

Einheit

19

elektrische Verbindungen

20

zweiter Stecker

21

Verbraucher

22

Laderegler

23

Akkumulator

24

Temperaturfühler

25

Batteriespannungs-Anschluß

26

Kühlkörper

27

Parallel-Regler

28

Klemmenkasten

29

elektrische Leitung

Claims

1. Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie aus der Drehbewegung von Fahrzeugrädern tragenden Wellenstümpfen, insbesondere von Schienen fahrzeug-Wellenstümpfen, bei dem elektrische Energie über einen gleichach sigen Generator erzeugt wird, der einen fahrrahmenfesten Stator und einen auf dem Wellenstumpf angeordneten Rotor mit über den Umfang verteilt an geordneten Permanentmagneten aufweist und bei dem neben dem Erzeugen elektrischer Leistungs-Energie elektrische Energie zum Messen der Drehzahl zumindest eines Rades erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Leistungs-Energie ausschließlich über die Induktion zwi schen dem mit Permanentmagneten bestückten Rotor und dem Stator er zeugt wird und daß die Meß-Energie für die Drehzahlmessung durch getrenn te, zwischen dem mit Permanentmagneten bestückten Rotor und diesen ge genüberliegend angeordnete, durch ein konstantes Magnetfeld beeinflußbare Sensoren erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über Hall-Sensoren die Umfangsgeschwindigkeit des Rotors direkt ge messen wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Sensoren ausgehenden Impulse zum Messen der Umfangs geschwindigkeit der Räder bzw. des Rotors eingesetzt werden,

4. Schaltungsanordnung mit einem Generator für Fahrzeuge, insbesondere für Schienenfahrzeuge, wobei der Generator mit seinem über einen Luftspalt vom Rotor beabstandeten, mit Induktionsspulen versehenen Stator und einer Elektronik zur Auswertung der Generatorfunktionen ausgestattet ist und der Rotor mit am Umfang gleichmäßig verteilten Permanentmagneten mit dem drehenden Wellenstumpf der Radachse verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Stator (2) mit seinen drei Phasen (11) als auch zugeordnete, durch ein konstantes Magnetfeld beeinflußbare Sensoren (8) mit ihren jeweili gen Anschlüssen (12) über einen ersten Stecker (13) mit einem Gleichspan nungs-Erzeuger (14) und einer Auswerte-Elektronik (15) verbindbar sind.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichspannungs-Erzeuger (14) und die Auswerte-Elektronik (15) im Statorbereich (2a) des Achsgenerators (1) angeordnet sind.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (8) innerhalb des Stators (2) bzw. der Statorwicklungen (16) angeordnet sind.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (8) bzw. Hall-Sensoren (8a) in den Wicklungsnuten (17) des Stators (2) radial dem Rotor (3) weitestgehend angenähert angeordnet sind.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einheit (18), bestehend aus dem Gleichspannungs-Erzeuger (14) und der Auswerte-Elektronik (15) mittels mehrerer Verbindungen (19) über ei nen zweiten Stecker (20) mit einem Verbraucher (21) und/oder einem Lade regler (22) verbindbar sind.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperaturfühler (24) an den Laderegler (22) angeschlossen ist.

10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen (19) des zweiten Steckers (20) zu einer Gleitschutz- bzw. Schleuderschutz-Elektronik (7) geführt sind.

11. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem zweiten Stecker (20) und dem Akkumulator (23) ein Batte riespannungs-Anschluß (25) für die Versorgung der Sensoren (8) bzw. der Hall-Sensoren (8a) im unteren Drehzahlbereich des Rotors (3) vorgesehen ist.

12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem zweiten Stecker (20) und dem Akkumulator (23) ein Batte riespannungsanschluß (25) für die Versorgung der Gleitschutz- und Schleu derschutz-Elektronik (7) sowie deren Peripherie-Komponenten im untersten Drehzahlbereich des Rotors (3) vorgesehen ist.