DE2600035A1

DE2600035A1 - Stromgenerator

Info

Publication number: DE2600035A1
Application number: DE19762600035
Authority: DE
Inventors: Serge Jean Henri Thomas
Original assignee: Motorola Automobile SA
Current assignee: Motorola Automobile SA
Priority date: 1975-01-09
Filing date: 1976-01-02
Publication date: 1976-07-15
Also published as: US4163187A; SE419922B; SE7513983L; BR7600032A; ES444161A1; FR2297513A1; FR2297513B1; DE2600035C3; ZA76124B; JPS56171570U; IT1052906B; DE2660017B1; CA1081776A; GB1513270A; JPS5195209A; DE2600035B2

Description

Dipl.-Phys. O.E. Weber d-8 München 71

Patentanwalt .Hofbrunnstraße 47

Telefon: (089)7915050

Telegramm: monopolweber münchen

M 169

- Motorola Automobile

6, rue Francois Cevert 49OI5 Angers, Frankreich

Stromgenerator

Die Erfindung betrifft allgemein einen Stromgenerator und bezieht sich insbesondere auf einen Generator oder eine Stromerzeugungseinrichtung mit einem einzigen Stator mit doppelten Wicklungen und einem gemeinsamen Ausgangssignnl, und die Erfindung betrifft weiterhin eine mehrphasige btroinerzeugungseinrichtung, welche bei veränderbaren Geschwindigkeiten arbeitet· Solche Generatoren oder Stromerzeugunj_;seinrichtungen sollen eine niedrige Einschaltgeschwindigkeit und bei hoher Geschwindigkeit eine hohe Stromausbeute haben.

Steigende Leistungsanforderungen an Generatoren oder Lichtmaschinen für Kraftfahrzeuge haben bereits dazu geführt, daß den bisher bekannten Einrichtungen eine maximale Ausgangsleistung abverlangt wird, und die Tendenz läßt einen vielter ansteigenden Leistungsbedarf bei solchen Stromerzeugungseinrichtung en erkennen. Ein typischer Generator dieser Art hat eine Einschaltgeschwindigkeit von etwa 1000 U/min

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und liefert bei etwa 8000 U/min maximal etwa 60 Ampere. Line Vergrößerung des in der Statorwicklung verwendeten Lrahtquerschnittes würde zwar die verfügbare Stromstärke erhöhen, da jedoch der Raum in den Statorschlitzen begrenzt ist, wenn die Gesamtgröße des Generators nicht verändert wird, so wäre dazu eine Verminderung der Anzahl von Windungen in der Wicklung erforderlich, wodurch die Einschaltgeschwindigkeit erhöht würde. Da mit Einschaltgeschwindigkeit diejenige Geschwindigkeit bezeichnet ist, bei welcher der Generator von der Batterie die Funktion übernimmt, Strom zu liefern und die Batterie wieder aufzuladen, ist eine bloße Vergrößerung des Drahtdurchmessers keine zweckmäßige Lösung. Ein anderer Versuch, die gewünschte Ausgangscharakteristik zu erreichen, besteht darin, die herkömmlichen Wicklungen zu verwenden, diese Wicklungen «jedoch anstatt in Reihe parallel anzuordnen, diese Methode erfordert jedoch einen zusätzlichen Aufwand für die erforderliche .Fühler- und Schalteinrichtung. Line andere Lösung wäre ein größerer Generator mit entsprechend höheren Kosten, und da der Saum im Maschinenraum stets knapp ist, wäre auch dies keine zweckmäßige Lösung.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen mehrphasigen Generator der oben genannten Art zu schaffen, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, der bei veränderlichen Geschwindigkeiten arbeiten kann und bei einer niedrigen Einschaltgeschwindigkeit eine hohe Stromausbeute liefert, wobei insbesondere die maximale Ausgangsleistung und der Wirkungsgrad erhöht werden sollen.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen insbesondere die im Patentbegehren niedergelegten Merkmale.

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der Erfindung wird somit eine Stromer^eugungsednrichtung geschaffen, welche bei veränderlichen Gesclrwindifkeiben einen gleichgerichteten Strom liefert. Diese Strome"¹"-zeugungseinrichtung oder dieser Generator hat einen Hotor, weiterhin einen Stator rrdt Schlitzen zur Aufnahme von Statorwicklungen, eine Feldwicklung und eine Ausgangsklemme, wobei der Stator ein Einzelstator mit Doppelwicklungen ist. Die erste Statorwicklung ist in den Schlitzen angeordnet und hat eine erste Anzahl von Windungen aus Draht mit einem ersten Querschnitt, wobei die erste Wicklung derart ausgebildet ist, daß sie einen zusätzlichen vorgegebenen Ausgfngsstrom bei einer ersten vorgegebenen Rotorgeschwindigkeit liefert und einen Nennausgangsstrom bei Rotorgeschwindigkeiten liefert, welche höher liegen als eine zweite vorgegebene Geschwindigkeit. Die zweite Statorwicklung ist in den Schlitzen angeordnet und hat eine kleinere Anzahl von Windungen aus einem Draht mit größerem Querschnitt als der Draht der ersten Wicklung, und sie ist so ausgebildet, daß sie bei einer dritten vorgegebenen Rotorgeschwindigkeit, welche zwischen der ersten und der zweiten Geschwindigkeit liegt, einen Ausgangsstrom liefert, so daß der anfängliche Ausgangsstrom gleich dem anfänglichen vorgegebenen Ausgangsstrom der ersten Statorwicklung ist. Die zweite Wicklung ist weiterhin derart ausgebildet, daß sie einen Ausgangsstrom liefert, welcher wesentlich größer ist als der Ausgangsstrom der ersten Wicklung, bei Rotorgeschwindigkeiten, welche höher liegen als die zweite Geschwindigkeit. Weiterhin ist eine Einrichtung vorgesehen, welche dazu dient, die Ausgangsströme gleichzurichten und zu vereinigen, um eine gemeinsame Ausgangsenergie an den Ausgangsklemmen des Generators zu liefern. Vorzugsweise sind die Wicklungen jeweils als Drei-Phasen-Wicklungen vorgesehen, es können jedoch auch mehrfache Monophasenwicklungen vorgesehen sein.

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Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:

Fig. 1 eine grafische Darstellung, in welcher als Ausgangssignal der Strom über der Drehe-ahl aufgetragen ist,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes,

Fig. 3 einen Plan einer möglichen Wicklung einer Phase der Aus führung sf ο rm gemäß Fig. 2, wobei die Position der Spulen und die relative Größe des Drahtes dargestellt sind, wobei.Jedoch die relative Anzahl der Windungen in jeder Spule nicht dargestellt ist,

Fig. 4- eine zweite Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes,

Fig. 5 einen Plan einer möglichen Wicklung einer Phase der Ausführungsform gemäß Fig. 4-, wobei wiederum lediglich die Position der Spulen veranschaulicht ist,

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes, und

Fig. 7 einen Plan einer möglichen Wicklung einer Phase der Ausführungsform gemäß Fig. 6, wobei wiederum lediglich die Position der Spulen veranschaulicht ist.

Gemäß Fig. 1 der Zeichnung ist eine typische Kurve 10 eines Ausgangssignals (in Ampere) über der Drehzahl für einen (nicht dargestellten) herkömmlichen Generator eines gegen wärtig verwendeten Typs dargestellt. Die Einschaltgeschwindigkeit 11 liegt im Bereich von etwa 1000 U/min, und die

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Ausgangsstrompegel im Bereich des Punktes 12 liegen etwas oberhalb von 60 Ampere. Die Kurve 13 ist eine Ausgangskurve für eine Wicklung des in der Fig. 2 dargestellten Generators gemäß der Erfindung, wobei die Einschaltgeschwindigkeit ebenfalls im Punkt 11 liegt. Die Kurve 14 ist eine Ausgangskurve für eine zweite Wicklung des Generators in der Fig. 2, wobei die Einschaltgeschwindigkeit im Punkt 15> liegt. Die Kurve 16 ist die Summe aus den Kurven 15 und 14 und stellt ein typisches Ausgangssignal eines erfindungsgemäßen Generators dar. Diese Kurven werden nachfolgend im einzelnen näher erläutert.

Es sei darauf hingewiesen, daß gemäß der Erfindung anstatt einer unter Umständen beschriebenen Dreieckschaltung auch eine Sternschaltung verwendet werden könnte, ohne den Kahmen der Erfindung zu verlassen. Weiterhin sei bemerkt, daß die Erfindung nicht auf einen Drei-Phasen-Betrieb beschränkt ist, sondern auch für eine beliebige andere mehrphasige Anordnung oder auch für -eine einphasige Anordnung ausgebildet sein könnte.

Die Fig. 2 zeigt eine im Dreieck geschaltete Wicklung 17· Die Wicklung 17 hat wesentlich mehr Windungen aus dünnerem Draht, als dies bei herkömmlichen Generatoren üblich war. Für diese Wicklung werden jedoch nur die Hälfte der Elementarmagnetkreise verwendet. Ein Elementarmagnetkreis entspricht einer Polteilung. In der anderen Hälfte der Elementarmagnetkreise ist eine andere Wicklung 18 angeordnet, welche halb so viele Windungen pro Elementarmagnetkreis hat wie die Wicklung 17, wobei Jedoch eine Draht mit dem doppelten Querschnitt verwendet ist. Als typische Zahlen können 26 Windungen aus Draht mit einem Durchmesser von 0,92 mm in einem Elementarmagnetkreis in der Wicklung 17 und 13 Windungen aus

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Draht mit einem Durchmesser von 1,3 mm in einem Eleroentarmagnetkreis der Windung 18 angesehen werden. Die Verteilung der Elementarmagnetkreise jeder Wicklung kann in beliebiger Weise erfolgen, beispielsweise sequentiell oder alternierend. Jede Wicklung 17 und 18 hat jeweils ihren eigenen Vollweggleichrichter 20 bzw. 21. Die zwei Gleichrichter sind parallelgeschaltet, und eine durch einen Regler 2J gespeiste Feldspule 22 ist parallel zu dem gemeinsamen Ausgang angeordnet.

Die Fig. 3 zeigt einen Plan für eine mögliche Auslegung der Wicklung einer Phase der Fig. 2. Hier ist der Stator 24- dargestellt, und zwar mit der Wicklung 1? und der Wicklung 18 für eine Phase. Die (nicht dargestellten) Wicklungen für die anderen Phasen würden ähnlich ausgebildet Lind angeordnet sein, jedoch mit einer Verschiebung von jeweils 120° (elektrische Grad).

Die in der Fig. 1 dargestellte Kurve 13 würde sich aus der Wicklung 17 ergeben. Diese Wicklung liefert den niedrigen Einschaltpunkt bei etwa 1000 U/min, ihre Ausgangspegel liegen jedoch im Bereich von mehr als 30 Ampere. Die Wicklung beginnt, ein Beitrag zu dem Ausgangssignal des Generators zu liefern, wenn etwa 2000 u/min erreicht sind, wie es in der Kurve 14 der Fig. 1 veranschaulicht ist, sie liefert jedoch etwa 60 Ampere bei maximalem Ausgangssignal. Die Kurve 16 der Fig. 1 ergibt sich aus einer Zusammensetzung der Kurven 13 und 14-, und sie stellt das tatsächliche Ausgangssignal des gegenwärtigen Generators dar. Die Kurve 10 ist ein Vergleichsausgangssignal für einen Generator, welcher 13 Windungen aus Draht mit einem Durchmesser von 1,3 r^fim iⁿ jedem der sechs Elementarmagnetkreise aufweist.

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Das Volumen unä des Gewicht des kupferdichte;? in dem Generator gemäß der Erfindung sind dasselbe v;ie in dem herkömmlichen Generator gemäß der Kurve 10. Die Aufhellung durch den Joule-Effekt ist geringer für die erfindungsgeciäße Anordnung, und zwar bis zu wenigstens 8000 u/min. Wenn der Widerstand der drei Hie sen des herkömmlichen Generators nach, der Kurve 10 mit K bezeichnet wird, würde die Wicklung 17 gemäß der Erfindung einen Widerstand von 2R haben, da die Anzahl der Windungen dieselbe ist wie in dem herkömmlichen Generator, während der Draht den halben Querschnitt hat. Die Windung 18 hat nur halb so viele Windungen wie der herkömmliche Generator xind verwendet dieselbe Drahtstärke, so daß ihr Widerstand einen Wert von 0,5 R aufweist. Bei beispielsweise 8000 U/min sind die I "R-Verluste für den herkömmlichen Generator (siehe Kurve 10 der Fig. 1) gleich H χ

62" * 3844 R, und d.er entsprechende Wert für eine Ausführungsform gemäß der Erfindung (Kurven 1Jj 14- der Fig. 1) beträgt

(2E χ 31²) + (0,5 B χ 60²) » 3722 E.

Bei 10000 U/min sind die Verluste, welche durch Lagerreibung, Windungshysteresis und den Joule-Effekt verursacht werden, im wesentlichen bei dem herkömmlichen und dem erfindungsgemäßen Generator gleich. Die maximale Stromausbeute ist um etwa die Hälfte gesteigert (von 62 auf 90 Ampere). Der Wirkungs-

grad (I R-Verluste/Energieausbeute) geht von 28 % auf etwa 4-1 %.

Die Fig. 4 ist ein Schaltschema einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung mit zwei getrennten Dreieckschaltungen. Wiederum nimmt die Wicklung 25 mit niedrigem Einschaltpunkt nur die Hälfte der Elementarmagnetkreise ein, und die Anzahl der Windungen bleibt unverändert. In diesem Falle ist jedoch eine geringere Drahtstärke für diese Wicklung verwendet.

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Die Wicklung 26 mit hohem Ausgangssignal hat nur neun Windungen pro Elementarmagnetkreis, sie "verwendet jedoch alle sechs Elementarmagnetkreise. Somit überlappen in jeder Phase drei Abschnitte der Wicklung 26 die drei Abschnitte der Wicklung 25, und das Ausgangssignal wird durch gegenseitige Induktion hervorgerufen. Die zwei Dreieckanordnungen 25 und 26 sind nicht direkt verbunden, und jede Anordnung hat ihren eigenen Gleichrichter 20 baw. 2Ί. Die Feldspule und ihr zugehöriger Regler sind nicht dargestellt. Die Fig. 5 zeigt den Plan für eine mögliche Auslegung der Wicklung der Ausführungsform in der Fig. 4.

Die Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform des Erfindungsgegenstsndes, bei welcher die Wicklung 27 mit hohem Ausgangssignal einige Windungen aus dickero Dx^aht in jedem Elementarmagnetkreis verwendet. Die Wicklung 28 mit niedrigem Einschaltpunkt verwendet mehr Windungen aus dünnerem Draht in nur der Hälfte der Elementarmagnetkreise. In dieser Ausführungsform trägt jedoch nicht nur die gegenseitige Induktion iswi sehen den Windungen der Wicklung 28 und den Windungen der Wicklung 2? zur Entstehung eines Ausgangssignales bei,.welche teilweise gemeinsame Schlitze haben, sondern die Wicklung weist am Hittelpunkt jeder Phase der Wicklung 27 einen Abgriff auf. Dieser bringt jede Phase der Wicklung 28 in Reihe mit einer Hälfte einer Phase der Wicklung 27, so daß eine andere Ausgangscharakteristik entsteht. Die Spannungen jeder Phase der Wicklung 28 addieren sich jeweils zu denjenigen der Abschnitte der Wicklung 27· Die Wicklungen 27 und 28 können mit Gleichrichtern 20 bzw. 21 verbunden sein, wie es in der Fig. 6 dargestellt ist, diese Anschlüsse können jedoch auch im Hinblick auf eine gewünschte Diodenbelastung verändert werden. Die Fig. 7 zeigt einen Plan für eine mögliche Auslegung einer Phase der Wicklung der Fig. 6.

- Patentansprüche 6038 2 9/0588

Claims

-Q-

Patentansprüche

.Genera türanordnung zur Erzeugung eines gleichgerichteten Stromes mit konstanter Spannung bei veränderbaren Geschwindigkeiten, wobei wenigstens ein .Rotor und ein Stator vorhanden sind und wobei der Stator Statorwicklungen und eine Feldwicklung aufweist, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß wenigstens eine erste Statorwicklung derart ausgebildet ist, daß sie bei einer ersten vorgegebenen -Rotorgeschwindigkeit eine vorgegebene Ausgangsspannung liefert, wobei die Statorwicklung weiterhin derart ausgebildet ist, daß sie eine Nennausgangs-Stromstärke bei JKotorgeschwindigkeiten liefert, welche höher liegen als die erste vorgegebene Geschwindigkeit, daß weiterhin wenigstens eine zweite Statorwicklung vorhanden ist, welche eine Ausgangsspanmmg liefert, die niedriger ist als die vorgegebene Spannung bei der ersten vorgegebenen Rotorgeschwindigkeit, daß die zweite Wicklung derart ausgebildet ist, daß" eine vorgegebene Spannung bei einer zweiten vorgegebenen Geschwindigkeit geliefert wird, wobei die zweite Geschwindigkeit größer ist als die erste vorgegebene Geschwindigkeit, daß die zweite Wicklung weiterhin derart ausgebildet ist, daß sie einen Ausgangsstrom liefert, welcher' größer ist als der Ausgangsstroin der ersten Wicklung bei Sotorgeschwindigkeiten, welche wesentlich höher liegen als die zweite vorgegebene Geschwindigkeit, daß weiterhin eine Gleichrichtereinrichtung zum Gleichrichten der Ausg^ngsströme vorgesehen ist und daß eine Einrichtung zum Addieren der Ausgangsströme vorhanden ist.

Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, i.aß der Stator Schlitze aufweist, welche zur Aufnahme der Statorwicklungen dienen.

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J. A:-. rdrving rs nc L Ki:..3prn.ol\ ?, dadurch gekennzeichnet, daß nie erste Li'Mtorwifklun.^, Selene ir den Lohlitze/;"angeordnet ist, eine erste Anzahl von. Windungen, auf Draht ir.it einem ex-cten Querschnitt p.uJVf-ist und dar. ^Ai.e zweite otatorwicklur.g., welche nr den Schlitzen angeordnet i ^c;t", eine wei te An?ahl "von Windungen aus Drsn' n-j t einen /.weiten viersehnitt aufv;eiit, wodurch eine ^nernnineriressetzte Ausgangssignalchareil't ei·.! .·=. tj k an den Genera to rausgr-ngsklemruen erre-iiohbar ist.

^. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennz.e?".chnefe, daß die erste und die '/.weite St^torwicklimg jeweils mehrphasige Wicklungen sind und daß die zum Addieren der Ausgangssignale dienende Einrichtung derart ausgebildet iet, daß die erste und die z-weifce Wicklung in einer solchen Richtung gewickelt sind, daß ihre Ausgangssignale sich addieren.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede mehrphasige Wicklung eine Drei-Phaeen-Wicklung ist.

o. Generator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Statorwicklung eine größere Anzahl von Windungen pro Phase als die zweite Statorwicklung aufweist und daß die zweite Statorwicklung einen Draht mit einem größeren Querschnitt als die erste Statorwicklung· hat,

7". Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Statorwicklung an wenigstens eine der Gleichrichtereinrichtungen angeschlossen ist und daß die zweite Statorwicklung an wenigstens eine weitere der Gleichrichter einrichtungen angeschlossen ist, und zwar unabhängig von der ersten Statorwicklung.

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8. (venerator nach Anstrich 7> dadurch gekennzeichnet, daß die erste Statorwicklung und die zweite Statorwicklung in getrennten Schlitzen im Stator angeordnet sind.

9· Generator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze, in welchen die erste Wicklung angeordnet ist, sich jeweils mit den Schlitzen abwechselnd bzw. alternierend zu den Schlitzen angeordnet sind, in welchen die zweite Wicklung angeordnet ist.

10. Generator nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige der Windungen der zweiter. Statorwicklung in denselben Schlitzen wie die Windungen der ersten Statorwicklungen angeordnet sind, so daß eine gegenseitige Induktion entsteht.

11. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Statorwicklung einen Draht mit einem größeren Querschnitt als d.ie erste Statorwicklung aufweist, daß wenigstens einige der Windungen der zweiten Statorwicklung benachbart zu den Windungen der ersten Statorwicklung im Hinblick auf eine gegenseitige Induktion angeordnet sind, daß die Windungen jeder Phase der ersten Wicklung in einer Reihenschaltung mit einem Teil der Windungen der entsprechenden Phase der zweiten Wicklung angeordnet sind, daß die Reihenschaltungen mit der ersten Gleichrichtereinrichtung verbunden sind, daß die übrigen Windungen jeder Phase der zweiten Wicklung mit einem ersten Ende an dem Verbindungspunkt zwischen der ersten Wicklung und dem Teil der zweiten Wicklung angeschlossen sind und mit einem zweiten Ende an eine zweite Gleichrichtereinrichtung angeschlossen sind.

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12. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Wicklungen in einer Dreieckschaltung angeordnet ist.

15· Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Wicklungen in einer Sternschaltung angeordnet ist.

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