DE2231590A1

DE2231590A1 - Permanentmagnet-generator

Info

Publication number: DE2231590A1
Application number: DE19722231590
Authority: DE
Inventors: Hans-Ulrich Dipl Phys D Gruber
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1972-06-28
Filing date: 1972-06-28
Publication date: 1974-01-10
Also published as: FR2191329B1; ES416356A1; JPS4951507A; IT989383B; FR2191329A1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Generator nach der Gattung des Hauptanspruchs. Dem Einsatz von Permanentmagneten als Anker in Drehstromgeneratoren dieser /rt steht im wesentlichen das Problem einer billigen Regelungsmöglichkeit entgegen; da das Erregerfeld nicht mehr in herkömmlicher V/eise über einen Transistorregler gesteuert werden kann, erfolgt die Regelung üblicherweise durch Beeinflussen des abgegebenen Stroms. Dazu wird beispielsweise mit Hilfe von Thyristoren die Generator-Ausgan gsvd cklung oder ein Teil davon periodisch kurzgeschlossen oder die Zuleitung zu den Verbrauchern periodisch geöffnet. Der Thyristor als Regelelement ist für diese Zwecke jedoch so teuer, daß eine grundlegende Entwicklung

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eines Generatortyps mit permanentmagnetischer Erregung aus
diesem Grund bisher unterblieb.

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Ein Generator, dessen Ausgangsspannung ohne Verwendung der
oben genannten Thyristoren geregelt wird, weist die im Kennzeichen des Hauptanspruchs genannten Merkmale auf.

Ein solcher Generator hat unter anderem den Vorteil, daß er
im Gegensatz zu den üblichen^ Generatoren mit permanentmagnetischer Erregung lastfre^; der Generator muß also - um die
Ausgangsspannung konstant zu halten - keine Kurzschlußleistung aufbringen. Dadurch wird eine erhebliche Antriebsleistung eingespart, bei den derzeit üblichen Kraftfahrzeug-Lichtmaschinen beispielsweise 1 Kilowatt.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ist
eine vorteilhafte Weiterbildung und Verbesserung des im Hauptanspruch angegebenen Generators möglich.

Bei dem erfindungsgemäßen Generator sind also wesentliche Vorteile des permanentmagnetisch erregten Generators mit wesentlichen Vorteilen des mit Hilfe einer Erregerwicklung erregten
Generators kombiniert. Der erfindungsgemäße Generator v/eist
nämlich keine Schleifringe oder sonstigen reibenden Elemente
auf, die Regelung der Ausgangsspannung erfolgt über eine feststehende und keine Schleifkontakte erfordernde Spule. Andererseits können zur Regelung des Stroms in der Spule bekannte Spannungsregler, beispielsweise Halbleiterspannungsregler, Verwendung finden. Damit ergibt sich eine sehr leichte Regelbarkeit.

In der Zeichnung und in der zugehörigen Beschreibung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Generators näher beschrieben und erläutert.

^ läuft, wenn er keine Ausgangsleistung
aufbringt;

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In Figur 1 ist ein Längsschnitt durch einen Generator mit permanentmagnetischer Erregung gezeigt. Zwischen den Polschuhen 11 eines im Ständer'angeordneten feststehenden Ausgangswicklungssystem ist ein Läufer mittels einer Läuferwelle 12 rotierbar. Auf der Läuferwelle 12 ist eine erste Magnetscheibe 13 befestigt. Eine zweite Magnetscheibe 14 ist auf einer Hülse 15 befestigt; diese Hülse 15 ist auf die Läuferwelle 12 aufgeschoben, und zwar so, daß die beiden, Magnetscheiben 13, 14 nebeneinander angeordnet sind. Zwischen den beiden Magnetscheiben 13, 1-4 ist ein gewisser Luftspalt vorgesehen, dessen Breite unkritisch ist. Die Hülse 15 ist auf der Läuferwelle 12 drehbar, jedoch axial nicht verschiebbar. In Figur 1a ist die zweite Magnetscheibe 14 in. einer solchen Stellung eingezeichnet, daß gleichnamige Pole nebeneinander liegen. In Figur 1b ist die zweite Magnetscheibe 14 gegenüber der ersten Magnetscheibe 13 um I80 elektrische Grad verdreht eingezeichnet, so daß ungleichnamige Pole nebeneinander liegen.

In Figur 2 ist ein Blockschaltbild einer an sich bekannten Batterieladeeinrichtung dargestellt, das nun aber einen erfindungsgemäßen Generator 17 enthält. Der Generator 17 weist im dargestellten Beispiel als Ausgangswicklung 18 eine Dreiphasenwicklung auf. In bekannter Weise ist der Ausgangswicklung 18 eine Gleichrichteranordnung 19 nachgeschaltet. An die Gleichrichteranordnung ist eine Batterie 21 sowie Lasten '22, die mit einem Schalter 23 an die Batterie 21 gelegt werden können, angeschlossen. Der Generator I7 enthält die feststehende erste Magnetscheibe 13 sowie die drehbar angeordnete zweite Magnetscheibe 14. Die Drehung der zweiten Magnetscheibe 14 ist mit Hilfe eines Ankers 24 steuerbar. Der Anker 24 ist durch einen Elektromagneten 25 bewegbar. Die

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Wicklung des Elektromagneten 25 ist an einen Spannungs- . regler 26 angeschlossen, der über die Gleichrichteranordnung 19 an die Ausgangswicklung 18 des Generators 17 angeschlossen ist.

Steigt die Ausgangsspannung des Generators 17 und damit die Ladespannung an der Batterie 21 zu stark an, so spricht der in Figur 2 eingezeichnete Spannungsregler 26 an, es fließt ein Steuerstrom durch die Wicklung des Elektromagneten 25. Der Elektromagnet 25 zieht seinen Anker 24 an und verdreht somit die zweite Magnetscheibe 14. Wie aus Figur 1a ersichtlich ist, ist der stärkste Fluß zur Erregung dann zu erreichen, wenn gleichnamige Pole der Magnetscheiben 13, 14 nebeneinander liegen und sich so die Magnetflüsse der beiden Magnetscheiben 13, 14 addieren. Wenn die zweite Magnetscheibe 14 dagegen wie in der Erläuterung zu Figur 2 geschildert - bei zu hoher Ausgangsspannung des Generators 17 verdreht wird, wird auch der Gesamt-Erregungsfluß vermindert. Der Erregungsfluß ist am geringsten, wenn - wie in Figur 1b dargestellt - ungleichnamige Pole der beiden Magnetscheiben 13, 14 nebeneinander liegen, dann wird nämlich der Generator überhaupt nicht erregt.

In Figur 3 ist ein praktisches Ausführungsbeispiel einer Steuervorrichtung zum Verdrehen der zweiten Magnetscheibe 14 gezeigt. Die zweite Magnetscheibe 14 ist, wie schon oben erwähnt, auf einer Hülse 15 befestigt. Diese Hülse 15 ist auf der Läuferwelle 12 so gelagert, daß sie um ihre mit der Achse der Läuferwelle 12 zusammenfallenden Längsachse drehbar ist, sich aber wegen der Sicherungsscheiben 31 in Längsrichtung nicht bewegen kann. In der Hülse 15 ist eine Ausnehmung 32 vorgesehen. Die Ausnehmung 32 weist quer zur Achse der Läuferwelle 12- eine Breite auf, die zweckmäßigerweise kleiner als der Durchmesser

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der Läuferwelle 12 ist; sie weist in der Längsrichtung der Läuferwelle 12 eine Länge auf, die zweckmaßigerweise das ein- bis zweifache des Durchmessers der Läuferwelle 12 beträgt. In diese Ausnehmung ragt ein Splint 53 hinein, der in der Läuferwelle 12 befestigt ist. Der Splint 35 und die Ausnehmung 32 bilden zusammen also eine Mitnehmervorrichtung. Der Splint 33 weist einen rautenförmigen oder parallelogrammförmigen Querschnitt auf. Wie in Figur 4a noch näher gezeigt ist, verlaufen die ersten Seiten 34 des Splints 35 innerhalb der rechteckigen Ausnehmung 32 parallel zur Achse der Läuferwelle 12; die zweiten Seiten 35 verlaufen schräge zur Achse der Läuferwelle 12. Auf die Hülle 15 ist eine Regelscheibe 36 aufgeschoben. Diese Regelscheibe 36 hat Vorsprünge 37, die in Längsnuten 38 der Hülse 15 gleiten können. Dadurch ist die Regelscheibe 36 auf der Hülse 15 zwar in Längsrichtung, also in der Richtung der Achse der Läuferwelle 12, bewegbar, auf der Hülse 15 jedoch nicht um die Achse der Hülse 15 drehbar. Die Regelscheibe 36 weist zweckmaßigerweise entlang der Hülse 15 eine Verbreiterung 39 auf, so daß sie auf der Hülse 15 sicherer aufliegt. Die Regelscheibe 36 hat einen keilförmig ^: zulaufenden Rand 41» der von der zweiten Magnetscheibe 14 weg in Richtung der Achse der Läuferwelle 12 abgebogen ist. Die Regelscheibe 36 wird von Zugfedern 42, die an der Regelscheibe 36 und an der zweiten Magnetseheibe 14 befestigt sind, zur zweiten Magnetscheibe 14 hin gezogen. Pest mit der Regelscheibe 36 sind zwei Führungskeile 43, -44 verbunden. Diese Führungskeile 43, 44 ragen von außen in die Aiisnehmung 32 der Hülse hinein, ohne jedoch die Läuferwelle 12 zu berühren. Die Führungskeile 43, 44 erstrecken sich über nahezu die gesamte Breite der Ausnehmung 32. Die Führungskeile 43, 44 liegen eng, aber verschiebbar, an den Splint 33 an. Die Führungskeile 43, 44 weisen dazu Seitenflächen 45 - Figur 4a - auf, die parallel zu den zweiten Seiten 35 des Splints 33 verlaufen.

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Fest mit dem nicht eingezeichneten Gehäuse des Generators ist der Elektromagnet 25 verbunden. Der Elektromagnet 25 enthält eine Ringwicklung 51? die von einer schlauchförmigen magnetisch leitenden Umhüllung 52 umgeben ist. Der Elektromagnet 25 ist konzentrisch zur Achse der Läuferwelle 12 angeordnet. In der Umhüllung 52 ist ein konischer Schlitz 53 vorgesehen, der dem keilförmigen Rand 41 der Regelscheibe gegenüber steht. Bei einer längsbewegung auf der Hülse 15 taucht der Rand 41 der Regelscheibe 36 in diesen Schlitz 53 der Umhüllung 52 ein. Die Regelscheibe 36 dient also dem Elektromagneten 25 als der in Figur 2 eingezeichnete Anker

Die Wirkungsweise der Anordnung nach den Figuren 3 und 4 ist im folgenden beschrieben. Solange durch die Wicklung 51 des Elektromagneten 25 kein Strom fließt, wird die Regelscheibe 36 von den Federn 42 zur zweiten Magnetscheibe 14 hin gezogen. Der mit der Regelscheibe 36 fest verbundene Führungskeil 43 drückt dabei auf den Splint 33. Wegen der schräg zur Achse der Läuferwelle 12 verlaufenden Seiten 35 und 45 wird die Regelscheibe 36 gezwungen, sich auf der Läuferwelle 12 zu drehen. Dabei nehmen die Vorsprünge 37 über die Nut 38 die Hülse 15 mit. Wenn die Regelscheibe 36 von den Federn 42 am weitesten an die zweite Magnetscheibe 14 herangezogen ist,. dann nimmt der Splint 33 relativ zur Hülse 15 die in Figur 4a gezeichnete Stellung ein. In diesem Fall stehen sich die beiden Magnetscheiben 13, 14 so gegenüber, daß gleichnamige Pole nebeneinander liegen. Wenn durch die Wicklung 51 des Elektromagneten 25 ein dauernder Strom fließt, dann wird der Rand der wenigstens am Rand aus magnetisch leitendem Material bestehenden Regelscheibe 36 in den Schlitz 53 der Umhüllung hineingezogen. Bei dieser Bewegung drückt der Führungskeil gegen den Splint 33, wegen der schräg zur Achse der Läuferwelle 12 verlaufenden Seiten 35 und 45 muß sich die Regel-

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scheibe 36 dabei auf der Läuferwelle 12 verdrehen. Dabei nimmt die Regelscheibe 36 die Hülse 15 mit. Die im Endzustand erreichte Stellung ist in Figur 4b eingezeichnet. In dieser Stellung stehen sich die beiden Magnetscheiben 13 und 14 so gegenüber, daß ungleichnamige Pole nebeneinander liegen.

Die Regelscheibe 1,4 wird zweckmaßigerweise aus Sintereisenmetall oder aus Blechlamellen hergestellt, wenigstens im Bereich ihres Rands 41. Der Elektromagnet 25 ist, wie schon erwähnt, vorzugsweise an einen üblichen Spannungsregler angeschlossen. Dieser Spannungsregler gibt - je nach der Höhe der Ausgangsspannung des Generators - mehr oder weniger lange Stromimpulse mehr oder weniger häufig ab. Damit wird auch die Regelscheibe 36 - abhängig von der Ausgangsspannung des Generators 17 - in einer Lage zwischen den beiden Endstellungen (Figur 4a, Figur 4b) gehalten. Dieser Stellung der Regelscheibe 36 entspricht dann zwangsläufig eine definierte Stellung der zweiten Magnetscheibe I4» die zwischen der einen Endstellung, in der gleichnamige Pole nebeneinander liegen, und der anderen Endstellung, in der ungleichnamige Pole nebeneinander liegen, sein kann. Die Ausgangsspannung des Generators 17 ist so stufenlos und sehr fein regelbar. Bei einem Wellendurchmesser von 17 mm und einer 12-poligen Klauenanordnung beträgt die Regelstrecke am Umfang der Läuferwelle 12 etwa 3 mm. Für die Längsverstellung der Regelscheibe 36 entspricht dies je nach Abschrägung der Seiten 35 des Splints 33 einer Regelstrekke 54 (Figur 4) von 2 bis -5 mm.

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Claims

R. 9 36 18.5.1972 Chr/Wu Anlage zur Patent- und Gebrauchsmustern!Ifsanmeldung ROBERT BOSCH GMBH, Stuttgart Permanentmagnet-Generator Ansprüche

1.) Generator, insbesondere Drehstromlichtmaschine für

Kraftfahrzeuge, mit einem in Ständer angeordneten fest-

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stehenden Ausgangswiclclungssystem und einem im Läufer angeordneten rotierbaren permanentmagnetischen Erregersystem, in dem auf der Läuferwelle eine erste Magnetscheibe fest und axial neben der ersten Magnetscheibe■ eine zweite Magnetscheibe drehbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Magnetscheibe (14) durch eine mit der Läuferwelle (12) fest verbundene Mitnehmervorrichtung (32, 33) von der Läuferwelle (12) mitnehmbar ist, daß die zweite Magnetscheibe (14) in ihrer Lage relativ zu der Mitnehmervorrichtung.(32, 33) auf der Läuferwelle (12) verdrehbar ist und daß zum Verdrehen der zweiten Magnetscheibe (14) eine mit der zweiten Magnetscheibe (14) drehfest verbundene, aber in Richtung der Achse der Läuferwelle (12) verschiebbare Regelscheibe (36) vorgesehen ist.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelscheibe (36) zusätzlich durch Federelemente (42) mit der zweiten Magnetscheibe (14) elastisch verbunden ist, · daß die Regelscheibe (36) wenigstens teilweise aus magnetisch leitendem Material besteht und daß die Regelscheibe (36) mit Hilfe eines Elektromagneten (25) gegen die Kraft • der Federelemente (42) verstellbar ist.

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3. Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Federelemente (42) als Zugfedern ausgebildet sind.

4. Generator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet (25) als konzentrisch zur Läuferachse (12) neben dem Erregersystem (13, 14) angeordneter Ringmagnet, daß die Regelscheibe (36) schüsseiförmig und daß der vorzugsweise keilförmig zulaufende Rand (41) der Regelscheibe (36) frei bewegbar in einen ringförmigen Schlitz (53) einer schlauchförmigen magnetisch leitenden Umhüllung (42) des Elektromagneten (25) hineinragend ausgebildet ist.

5. Generator nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (51) des Elektromagneten (25) im Ausgangskreis eines an sich bekannten und in an sich bekannter Weise dem Generator (17) nachgeschalteten Spannungsreglers (26) liegt.

6. Generator nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mitnehmervorrichtung (32, 33) einen in der Läuferwelle (12) fest verankerten Splint (33) mit einem im weaentlichen parallelogrammförraigen Querschnitt umfaßt, daß mit der zweiten Magnetscheibe (14) eine auf der Läuferwelle (12) allseitig ver-

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schiebbare Hülse (1i5) fest verbunden ist und daß in der Hülse (15) eine Ausnehmung (32) vorgesehen ist, in die der Splint (33) hineinragt.

7. Generator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelscheibe (36) auf die Hülse (15) aufgeschoben ist und daß mit der Regelscheibe (36) zwei Führungskeile (43, 44) fest verbunden sind, die axial auf beiden Seiten des Splints (33) angeordnet sind, in die Ausnehmung (32) der Hülse (15) hineinragen und parallel zu schräge zur Achs.e der Läuferwelle (12) verlaufenden zweiten Seitenflächen (35) des Splints (33) verlaufende, auf den zweiten Seitenflächen (35) des Splints (33) verschiebbare Seitenflächen •(45) aufweisen.

8. Generator nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelscheibe (36) wenigstens im Bereich ihres Rands (41) zum Vermeiden von WirbelstrOmen aus geeignetem Material, vorzugsweise aus Sintereisen oder aus Blechlamellen, hergestellt ist.

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