DE3207605A1 - Bordnetz- und heizgenerator mit fluessigkeitskuehlung fuer fahrzeuge - Google Patents

Bordnetz- und heizgenerator mit fluessigkeitskuehlung fuer fahrzeuge

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Description

R. 1/ J -·*
17.2.1982 Lr/Wl
ROBERT BOSCH GMBH, 7000 Stuttgart 1
Bordnetz- und Heizgenerator mit Flüssigkeitskühlung für Fahrzeuge
Die Erfindung betrifft einen Bordnetz- und Heizgenerator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.
Es sind bereits derartige Generatoren bekannt, bei denen auf einer gemeinsamen, vom Motor eines Fahrzeugs antreibbaren Läuferwelle zvei jeweils ein Erregersystem bildende Klauenpolläufer angeordnet sind, die an ihrer Umfangsflache jeweils einem von zwei Ständerblechpaketen gegenüber stehen und von einem das gemeinsame Maschinengehäuse durchströmenden Kühlluft strom gekühlt werden (P 31 29 d17.6 = R. 7190).
Derartige Generatoren erfordern einen hohen konstruktiven Aufwand infolge des dort verwendeten Doppelsystems und sind daher teuer in der Herstellung. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Generator der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, welcher mit Flüssigkeitskühlung arbeitet und daher einen geringeren Aufwand erfordert .
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen vorgesehen.
Als Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung ein Bordnetz- und Heizgenerator dargestellt.
Es zeigen:
Figur 1 den Generator teils im axialen Längsschnitt und teilweise in der Ansicht,
Figur 2 einen Ringkühler für radiale Abfuhr des Kühlmittels und
Figur 3 einen anderen Ringkühler für axiale Abfuhr des Kühlmittels.
In den Figuren h bis 10 sind verschiedene Schaltbilder zum Betrieb des Generators wiedergegeben.
Der dargestellte Generator enthält in seinem nicht näher bezeichneten Gehäuse ein Polrad 1, das auf der Läuferwelle 2 sitzt und mittels einer mit unterbrochenen Linien angedeuteten Keilriemenscheibe 3 beispielsweise vom Motor eines Kraftfahrzeugs angetrieben werden kann und dann um die bei A angedeutete Achse der Läuferwelle 2 rotiert. Das Polrad 1 hat einen zentralen, aus Weicheisen bestehenden Kern k und trägt eine aufgewickelte Erregerspule 5· An den beiden Stirnseiten des zylindrischen Kerns k liegt je eine von zwei Polscheiben 6 und 7 an. Dise haben keilförmig sich in Achsrichtung erstreckende, fingerartige Ansätze 8, die in Umfangsrichtung mit abwechselnder Polarisierung aufeinander folgen und demgemäß das gleichachsig zur Läuferwelle 2 angeord-
nete, ringförmige Ständerblechpaket 10 durchsetzen.
In die über die Bohrung 11 des Ständerblechpakets gleichmäßig verteilt angeordnete Nuten 12 sind jeweils zwei Dreh stromwicklungen 13 und 1h eingelegt, in denen beim Umlauf der Polscheiben 6 und T Wechselspannungen in bekannter Weise induziert werden.
Die Wärmeabfuhr aus dem gekapselten Innenraum des Generators erfolgt über die durch starke Verrippungen 15 als Wärmetauscher ausgebildeten Lagerschilde 16 und 17 sowie das ebenfalls verrippte Gehäusemittelstück 18. Die Luftumwälzung im Inneren des Maschinengehäuses bewerkstelligt ein Radial-Lüfter 19· Das Mittelstück 18 kann aus mehreren in Figur 2 dargestellten, ringförmigen Lamellenwärmetauschern 20 oder 21 aufgebaut sein. Beim Polrad der dargestellten Art kann die Wirkung eines Axiallüfters auch dadurch erzeugt werden, daß man jede zweite Lücke zwischen den Klauenpolen 8 und 9 des Polrades verschließt. Hierdurch kann der Lüfter 19 entfallen und Platz geschaffen werden für Vergrößerung der Rippen 15 an der Innenseite des Antriebslagerschildes 16.
Der Wärmeabtransport erfolgt über ein Kühlmedium, beispielsweise Wasser oder Öl, das die Kanäle 30, 31 und 32 durchströmt. Zur Versorgung des Bordnetzes eines Kraftfahrzeuges dienen die Laststromdioden 23 eines Gleichrichters in Brückenschaltung, welche einerseits mit den Drehstromwicklungen 13 und/oder '\k verbunden sind und andererseits mit den den Plus-Ausgang bzw. Minus-Ausgang des Generators bildenden elektrischen Anschlüssen 2k bzw. 25 verbunden sind. Die Dioden 23 und 23a bilden den Gleichrichter für die Erregerspule des Polrades. Da die
Dioden 23 in thermischer Hinsicht besonders beansprucht sind, ist beim dargestellten Ausführungsführungsbeiapiel vorgesehen, daß die Dioden auf dem Lagerschilddeckel 26 angeordnet und durch eine Abdeckhaube 27, beispielsweise aus Kunststoff abgedeckt sind.
Zur Erhöhung der Heizleistung ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel auf den antriebsseitigen Lagerschild 16 ein Deckel 36 aufgesetzt, in welchen Heizelemente 37 isoliert eingebettet sind.
Diese Heizelemente können realisiert werden bei hohen Heizleistungen durch Heizwiderstände 37 "und bei mittleren und kleinen Heizleistungen durch Heizfolien oder durch Heizelemente mit geeigneter Temperatur-Widerstands-Charakteristik.
Die genannten Heizelemente 37 mit konstantem Widerstand lassen sich entsprechend Figur h auf der Wechsel- bzw. Drehstromseite der Dioden 23 über einen Thermostatschalter 38 zuschaltbar anordnen.
"Figur 5 zeigt eine Ausführung, bei welcher die Heizele1-mente 37 durch vom Regler 39 in geeigneter Weise angesteuerten Triacs Uo.
Figur 5a. zeigt eine Ausführung, bei welcher Heizelemente mit geeigneter Temperatur-Widerstands-Charakteristik zur Anwendung kommen.
Figur 6 zeigt eine Ausführung, bei der die beiden Ankerwicklungssysteme 13 bzw. 1 it je nach den Erfordernissen mit Hilfe der Schalter hl bzw. U2 getrennt oder parallel betrieben werden können.
Figur T zeigt eine Ausführung mit Heizelementen 37, die auf der Gleichstromseite des Generators zwischen der Batterieklemme B+ und der Masse mit einem Thermostatschalter 38 in Reihe liegen.
Figur 8 zeigt eine Ausführung mit Heizelementen 37» welche eine geeignete temperaturabhängige Widerstandscharakteristik haben.
Figur 9 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher die Heizelemente 37 der Thermostatschalter 38 und ein vorzugsweise elektronischer Schalter k3 von dem Spannungsregler 39 des Generators in geeigneter Weise so angesteuert werden können, daß die Spannung an den Ausgangsklemmen des Generators weitgehend konstant bleibt.
Figur 10 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Heizelemente 37 die angedeutete, knieförmige Temperatur-Widerstandscharakteristik haben und von dem Spannungsregler 39 über den Schalter h1 bzw. U3 in geeigneter
Weise angesteuert werden können.
Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen werden bis auf Abstrahlungsverluste, die jedoch durch eine geeignete
Ummantelung weiter reduziert werden können, alle Verluste, die in der elektrischen Maschine entstehen und
ein Teil der erzeugten elektrischen Energie bei Bedarf in Form von Wärme an das Kühlmedium zu Heizzwecken abgegeben werden können. Durch die Anordnung der Gleichrichter 22 an der Außenseite der Maschine, d.h. am Lagerschilddeckel 26 sind die thermisch recht empfindlichen dioden 23 durch die Kühlwasserkanäle 12 vom relativ warmen Innenraum der Maschine getrennt. Bei einer Ausführung mit Ringkühlern der entsprechend 20 in Figur 3 dar-
gestellten Art über dem Ständerblechpaket läßt sich die Wärmetauscheroberfläche bei gleichem Außendurchmesser erheblich vergrößern.
Eine Ausführung mit einem oder zwei Ringkühlern 21 für radiale Belüftung bei Anordnung der Kühler in axialer Verlängerung neben dem Ständerblechpaket in einem bzw, in beiden Lagerschildern ermöglicht bei geringem Außendurchmesser ähnlich günstige WärBieabf uhrbedingungen wie bei Verwendung eines Ringkühlers 20,
Figur k zeigt das Prinzipschaltbild eines einfachen, thermostatgesteuerten Heizgenerators, dessen konstante Heizwiderstände mit dem Widerstandswert R durch Wechselströme gespeist werden. Die erzielbar Heizleistung setzt sich aus der Verlustleistung der Maschine und aus der in den Heizwiderständen umgesetzten elektrischen Leistung zusammen. Da die Heizwiderstände konstanten Widerstand haben, ist die Heizleistung in hohem Maße von dem momentanen Verbrauch des Bordnetzes abhängig, da beim Erreichen des Sollwertes der Klemmenspannung das Erregerfeld des Generators abgeregelt wird. Die Dimensionierung der Heizwiderstände erfolgt für die überschüssige Generatorleistung nach Abzug der üblichen Verbraucherleistung des Bordnetzes.
Entsprechendes gilt für eine Ausführung entsprechend Figur 5a. Es kann hier jedoch aufgrund der Temperatur-Widerstands-Charakteristik der Heizelemente auf den Thermostatschalter verzichtet werden.
Bei einer Ausführungsform nach Figur 5 ist durch geeignete Ansteuerung der Triacs oder antiparalleler Thyristoren durch den Regler in Abhängigkeit von der Bord-
jfO
- / - R. .17 3 3 V
netzspannung eine Leistungsverteilung vom Bordnetz auf die hier relativ niederohmigen Heizwiderstände möglich. Erst wenn die Spannung an den Generatorausgangsklemmen den Sollwert trotz eingeschalteter Heizwiderstände zu überschreiten droht, wird das Erregerfeld abgeregelt. Dies hat zur Folge, daß der Generator bei unterschiedlichen Stromentnahmen durch das Bordnetz in einem grossen Bereich mit voller Erregung betrieben werden kann, wodurch sich bei Bedarf ein Maximum an Heizleistung ergibt .
Die durch die relativ niedrig liegende Klemmenspannung der üblichen KFZ-Bordnetzgeneratoren bedingten hohen Wicklungsverluste lassen sich durch eine Ausführung des Heizgenerators gemäß Figur 6 reduzieren. Das Ankerwicklungssystem 13 wird entsprechend der Bordnetzverbraucherleistung ausgelegt und arbeitet mit konstanter Klemmenspannung. Das zweite Wicklungssystem ko hingegen arbeitet mit ungeregelter Spannung auf höherem Spannungsniveau über Triacs auf die Heizelemente 37· Infolge des höhereren Spannungsniveaus läßt sich die gleich elektrische Leistung bei geringeren Wicklungsverlusten umsetzen. Die Wärme entsteht dann erst in den Heiswiderständen, wo eine entsprechende Wärmeabfuhr leichter als aus dem Schieneninnenraum möglich ist.
Soll kurzzeitig die volle Generatorleistung an den Ausgangsklemmen des Generators zur Verfugung stehen, so können bei getrennt ausgeführten Ankerwicklungssystemen 13 und Ik über die Schalter U1 und k2 beide Wicklungssysteme parallel geschaltet werden. Es steht dann allerdings nur eine reduzierte Heizleistung zur Verfugung.
-/ - . R. .V J 3
3ei einer Schaltungsanordnung gemäß Figur 7 wird ein
fester Heizwiderstand auf der Gleichstromseite des Gleichrichters 22 über einen Thermostatschalter 38 zu den übrigen Verbrauchern des Bordnet ses hinzugeschaltet. Wie in Figur 4 ist die srzielbare Heizleistung in hohem Maße von der aufgenommenen Bordnetzleistung abhängig. Entsprechendes gilt für die Ausführungsform gemäß Figur 8, bei welcher der Heizwiderstand eine selbst abregelnde Temperatur-Widerstands-Charakteristik aufweist.
Bei den Ausführungsformen entsprechend den Figuren 9 und 10 kann in Abhängigkeit von der Klemmenspannung des Bordnet zgenerators und der vom Bordnets aufgenommenen elektrischen Leistung durch Taktung des Schalters h2 eine Leistungsverteilung ähnlich wie bei der vorgeschlagenen
Schaltung nach Figur 5 folgen. Die Erregung der Maschine wird auch hier erst dann reduziert, wenn trotz voll durchgeschaltetem Transistorschalter ^3 die Bordnetzspannung ihren oberen Grenzwert zu übersteigen droht.
Ia Vergleich zu den bekannten, eingangs geschildertem
Tandemausführungen mit geringem Regelaufwand und geringen Verlusten in der Ständerwicklung, der eigentlichen
Heizgenerator sekt ion, aber hohem mechanischem Aufwand,
ergeben sich bei den erfindungsgemäßen Lösungen mit nur einem Aktivsystem konstruktiv einfachere Bauformen für
den Generator, die je nach Steuerbarkeit der Leistungsverteilung auf das Bordnetz oder die elektrische Heizung einen gewissen Mehraufwand an Regelgliedern erfordern.

Claims (1)

  1. R. 17 3 3V
    17.2.1982 Lr/Wl
    ROBERT BOSCH GMBH» TOOO Stuttgart 1
    Ansprüche
    f 1.) Kombinierter lordnetz« und Heizgfaerator für Fahr zeuge* mit einem im Generatorgehäuse "befestigten Ständer, der wenigstens eine Wechsel-, insbesondere drei Drehstromwicklungen trägt und einen vom Motor des Fahrzeugs antreibbaren Klauenpolläufer sowie ein den Läufer und den Ständer umschließendes, geschlossenes Gehäuse aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Gehäuses ein die Wicklung und den Läufer bestreichender Kühlluftkreislauf aufrechterhalten vorliegt und daß mindestens ein Teil des Gehäuses als Wärmetauscherelement ausgebildet ist, der von Kühlluft durchsetzt wird, das einen Zulauf und einen Ablauf für einen sich außerhalb des Gehäuses schließenden Kühlflüssigkeitskreislauf hat.
    2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in oder an Teilen des Gehäuses, insbesondere an oder in einem auf die Gehäusestirnseite aufgesetzten Deckel (36) Heizelemente (37) angeordnet sind, die über einen willkürlich betätigbaren Schalter (M, k2) oder einen Thermostatschalter (38) mit der Wicklung oder den .Wicklungen (13, 11O verbindbar sind.
    3. Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente ab einem bestimmten Temperaturwert eine stark ansteigende Temperatur-Widerstandskennlinie aufweisen und mit der Wicklung oder den Wicklungen (13, 14) verbunden sind.
    ε. 17 23V.
    k. Generator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Schalter Triacs ('+Ο) vorgesehen sind.
    5· Generator nach Anspruch U, mit einem Spannungsregler, (39), dadurch gekennzeichnet, daß der die Triacs (Uo) mit sen Steuerelektroden an den Regler (39) angeschlossen sind.
    6. Generator nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß zur Beeinflussung des Reglers (39) mindestens ein mit dem flüssigen Kühlmittel in wärmeleitender Verbindung stehender Sensor vorgesehen ist, mit welchem der Ansprechwert des Reglers veränderbar ist.
    T. Generator nach Anspruch 1 bis 6 mit einer über Gleichrichter zur Speisung des Bordnetzes bestimmten Lichtwicklung (13), dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Ständer als Zweitwicklung (1k) eine Heizwicklung zur Stromversorgung des oder der Heizelemente (3T) angeordnet ist.
    8. Generator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Schalter (U1, k2) die Heizwicklung (1k) zur Lichtwicklung (13) parallel zuschaltbar ist (Figur 6).
    9. Generator nach Anspruch 8 mit dreiphasig ausgebildeter Lichtwicklung, deren Phasenwicklungen in einem gemeinsamen Sternpunkt miteinander verbunden und jeweils an ihrem anderen Wicklungsende an eines von drei, eine Plusdiode und eine Minusdiode umfassenden Laststromdiodenpaares angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente aus drei Widerständen (37) bestehen, die in Sternschaltung untereinander verbunden und an die Wicklungsenden der Lichtwicklung angeschlossen bzw. anschließbar sind.
    - 3 - R. ■ ' u
    10. Generator nach Anspruch 9> dadurch gekennzeichnet, daß die Heizwiderstände ab einem, bestimmten Temperaturwert eine stark ansteigende Temperatur-Widerstandskennlinie aufweisen. .
    11. Generator nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß zwei der drei Heizwiderstände (37) mit einem Triac (ho) in Reihe liegen, der vom Regler (39) steuerbar ist.
    12. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. die Heizelemente (37) zwischen dem Plusausgang und dem Minusausgang des Generators angeordnet ist bzw. sind.
    13. Generator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizwiderstände ab einem bestimmten Temperaturwert eine stark ansteigende Temperatur-Widerstandskennlinie aufweisen.
    1U, Generator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. die Heizelemente (37) mit einem temperaturabhängigen Schalter (38) in Reihe liegt bzw. liegen.
    15· Generator nach Anspruch 12 oder 1U, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (37) mit der Schaltstrecke eines steuerbaren elektronischen Schalters, insbesondere eines Transistors (h3) in Reihe liegt.
    16. Generator nach Anspruch 15> dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode des Schalters (U3) mit dem Regler (39) verbunden ist.
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