DE3207605C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Bordnetz- und Heizgenera­ tor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Es sind bereits derartige Generatoren bekannt, bei de­ nen auf einer gemeinsamen, vom Motor eines Fahrzeugs antreibbaren Läuferwelle zwei jeweils ein Erregersystem bildende Klauenpolläufer angeordnet sind, die an ihrer Umfangsfläche jeweils einem von zwei Ständerblechpake­ ten gegenüber stehen und von einem das gemeinsame Ma­ schinengehäuse durchströmenden Kühlluftstrom gekühlt werden (DE 31 29 817 A1).

Derartige Generatoren erfordern einen hohen konstruk­ tiven 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 Flüssigkeits­ kühlung arbeitet und daher einen geringeren Aufwand er­ fordert.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen vorgesehen.

Als Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich­ nung ein Bordnetz- und Heizgenerator dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 den Generator teils im axialen Längsschnitt und teilweise in der Ansicht,

Fig. 2 einen Ringkühler für radiale Abfuhr des Kühl­ mittels und

Fig. 3 einen anderen Ringkühler für axiale Abfuhr des Kühlmittels. In den

Fig. 4 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 Läufer­ welle 2 sitzt und mittels einer mit unterbrochenen Li­ nien 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 Weich­ eisen bestehenden Kern 4 und trägt eine aufgewickelte Erregerspule 5. An den beiden Stirnseiten des zylindri­ schen Kerns 4 liegt je eine von zwei Polscheiben 6 und 7 an. Diese haben keilförmig sich in Achsrichtung er­ streckende, fingerartige Ansätze 8, die in Umfangsrich­ tung 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 angeordneten Nuten 12 sind jeweils zwei Drehstromwicklungen 13 und 14 eingelegt, in denen beim Umlauf der Polscheibe 6 und 7 Wechselspannun­ gen 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 Gehäusemittel­ stück 18. Die Luftumwälzung im Inneren des Maschinengehäuses bewerk­ stelligt ein Radial-Lüfter 19. Das Mittelstück 18 kann aus mehreren in Fig. 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. Hier­ durch 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 Was­ ser oder Öl, das die Kanäle 30 durchströmt. Zur Versorgung des Bord­ netzes eines Kraftfahrzeuges dienen die Laststromdioden 23 eines Gleichrichters in Brückenschaltung, welche einerseits mit den Dreh­ stromwicklungen 13 und/oder 14 verbunden sind und andererseits mit den den Plus-Ausgang bzw. Minus-Ausgang des Generators bildenden elektri­ schen Anschlüssen 24 bzw. 25 verbunden sind. Die Dioden 23 und 23 a bilden den Gleichrichter für die Erregerspule des Polrades. Da die Dioden 23 in thermischer Hinsicht besonders beansprucht sind, ist beim dargestellten Ausführungsführungsbeispiel 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 Aus­ führungsbeispiel 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 mittle­ ren und kleinen Heizleistungen durch Heizfolien oder durch Heizelemente mit geeigneter Temperatur-Widerstands- Charakteristik.

Die genannten Heizelemente 37 mit konstantem Widerstand lassen sich entsprechend Fig. 4 auf der Wechsel- bzw. Drehstromseite der Dioden 23 über einen Thermostatschal­ ter 38 zuschaltbar anordnen.

Fig. 5 zeigt eine Ausführung, bei welcher die Heizele­ mente 37 durch vom Regler 39 in geeigneter Weise ange­ steuerte Triacs 40 zuschaltbar sind.

Fig. 5a zeigt eine Ausführung, bei welcher Heizelemente mit geeigneter Temperatur-Widerstands-Charakteristik zur Anwendung kommen.

Fig. 6 zeigt eine Ausführung, bei der die beiden Anker­ wicklungssysteme 13 bzw. 14 je nach den Erfordernissen mit Hilfe der Schalter 41 bzw. 42 getrennt oder parallel betrieben werden können.

Fig. 7 zeigt eine Ausführung mit Heizelementen 37, die auf der Gleichstromseite des Generators zwischen der Bat­ terieklemme B+ und der Masse mit einem Thermostatschal­ ter 38 in Reihe liegen.

Fig. 8 zeigt eine Ausführung mit Heizelementen 37, wel­ che eine geeignete temperaturabhängige Widerstandscharak­ teristik haben.

Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher die Heiz­ elemente 37 der Thermostatschalter 38 und ein vorzugs­ weise elektronischer Schalter 43 von dem Spannungsreg­ ler 39 des Generators in geeigneter Weise so angesteuert werden können, daß die Spannung an den Ausgangsklemmen des Generators weitgehend konstant bleibt.

Fig. 10 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Heiz­ elemente 37 die angedeutete, knieförmige Temperatur- Widerstandscharakteristik haben und von dem Spannungs­ regler 39 über den Schalter 41 bzw. 43 in geeigneter Weise angesteuert werden können.

Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen werden bis auf Ab­ strahlungsverluste, die jedoch durch eine geeignete Ummantelung weiter reduziert werden können, alle Ver­ luste, die in der elektrischen Maschine entstehen und ein Teil der erzeugten elektrischen Energie bei Bedarf in Form von Wärme an das Kühlmedium zu Heizzwecken ab­ gegeben werden können. Durch die Anordnung der Gleich­ richter 22 an der Außenseite der Maschine, d. h. am Lager­ schilddeckel 26 sind die thermisch recht empfindlichen Dioden 23 durch die Kühlwasserkanäle 12 vom relativ war­ men Innenraum der Maschine getrennt. Bei einer Ausfüh­ rung mit Ringkühlern der entsprechend 20 in Fig. 3 dar­ gestellten Art über dem Ständerblechpaket läßt sich die Wärmetauscheroberfläche bei gleichem Außendurchmesser er­ heblich 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 Außen­ durchmesser ähnlich günstige Wärmeabfuhrbedingungen wie bei Verwendung eines Ringkühlers 20.

Fig. 4 zeigt das Prinzipschaltbild eines einfachen, thermostatgesteuerten Heizgenerators, dessen konstante Heizwiderstände mit dem Widerstandswert R durch Wechsel­ ströme gespeist werden. Die erzielbar Heizleistung setzt sich aus der Verlustleistung der Maschine und aus der in den Heizwiderständen umgesetzten elektrischen Lei­ stung zusammen. Da die Heizwiderstände konstanten Wi­ derstand 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 Dimen­ sionierung der Heizwiderstände erfolgt für die über­ schüssige Generatorleistung nach Abzug der üblichen Verbraucherleistung des Bordnetzes.

Entsprechendes gilt für eine Ausführung entsprechend Fig. 5a. Es kann hier jedoch aufgrund der Temperatur-Wider­ stands-Charakteristik der Heizelemente auf den Thermostat­ schalter verzichtet werden.

Bei einer Ausführungsform nach Fig. 5 ist durch geeig­ nete Ansteuerung der Triacs oder antiparalleler Thyri­ storen durch den Regler in Abhängigkeit von der Bord­ 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 unterschied­ lichen Stromentnahmen durch das Bordnetz in einem gros­ sen Bereich mit voller Erregung betrieben werden kann, wodurch sich bei Bedarf ein Maximum an Heizleistung er­ gibt.

Die durch die relativ niedrig liegende Klemmenspannung der üblichen KFZ-Bordnetzgeneratoren bedingten hohen Wicklungsverluste lassen sich durch eine Ausführung des Heizgenerators gemäß Fig. 6 reduzieren. Das Anker­ wicklungssystem 13 wird entsprechend der Bordnetzverbrau­ cherleistung ausgelegt und arbeitet mit konstanter Klem­ menspannung. Das zweite Wicklungssystem 14 hingegen ar­ beitet mit ungeregelter Spannung auf höherem Spannungs­ niveau über Triacs auf die Heizelemente 37. Infolge des höheren Spannungsniveaus läßt sich die gleich elektri­ sche Leistung bei geringeren Wicklungsverlusten umsetzen. Die Wärme entsteht dann erst in den Heizwiderständen, wo eine entsprechende Wärmeabfuhr leichter als aus dem Schie­ neninnenraum möglich ist.

Soll kurzzeitig die volle Generatorleistung an den Aus­ gangsklemmen des Generators zur Verfügung stehen, so können bei getrennt ausgeführten Ankerwicklungssystemen 13 und 14 über die Schalter 41 und 42 beide Wicklungs­ systeme parallel geschaltet werden. Es steht dann aller­ dings nur eine reduzierte Heizleistung zur Verfügung.

Bei einer Schaltungsanordnung gemäß Fig. 7 wird ein fester Heizwiderstand 37 auf der Gleichstromseite des Gleich­ richters 22 über einen Thermostatschalter 38 zu den üb­ rigen Verbrauchern des Bordnetzes hinzugeschaltet. Wie in Fig. 4 ist die erzielbare Heizleistung in hohem Maße von der aufgenommenen Bordnetzleistung abhängig. Entsprechendes gilt für die Ausführungsform gemäß Fig. 8, bei welcher der Heizwiderstand 37 eine selbst abregelnde Temperatur-Wider­ stands-Charakteristik aufweist.

Bei den Ausführungsformen entsprechend den Fig. 9 und 10 kann in Abhängigkeit von der Klemmenspannung des Bord­ netzgenerators und der vom Bordnetz aufgenommenen elektri­ schen Leistung durch Taktung des Schalters 42 eine Lei­ stungsverteilung ähnlich wie bei der vorgeschlagenen Schaltung nach Fig. 5 folgen. Die Erregung der Maschine wird auch hier erst dann reduziert, wenn trotz voll durch­ geschaltetem Transistorschalter 43 die Bordnetzspannung ihren oberen Grenzwert zu übersteigen droht.

Im Vergleich zu den bekannten, eingangs geschildertem Tandemausführungen mit geringem Regelaufwand und gerin­ gen Verlusten in der Ständerwicklung der eigentlichen Heizgeneratorsektion, aber hohem mechanischem Aufwand, ergeben sich bei den erfindungsgemäßen Lösung mit nur einem Aktivsystem konstruktiv einfachere Bauformen für den Generator, die je nach Steuerbarkeit der Leistungs­ verteilung auf das Bordnetz oder die elektrische Heizung einen gewissen Mehraufwand an Regelgliedern erfordern.

Claims (13)

1. Kombinierter Bordnetz- und Heizgenerator für Fahrzeuge, mit einem im Generatorgehäuse befestigten Ständer (10), der wenigstens eine Wechsel-, insbesondere drei Drehstromwicklungen (13, 14) trägt und einen vom Motor des Fahrzeugs antreibbaren Klauenpolläufer (1, 4, 5, 6, 8, 9) aufweist, wobei der Klauenpolläufer (1, 4, 5, 6, 8, 9) und der Ständer (10) von einem geschlossenen Gehäuse umgeben sind, das einen Zulauf und einen Ablauf für einen sich außerhalb des Gehäuses schließenden Kühlflüssigkeitskreislauf aufweist, dadurch gekennzeich­ net, daß innerhalb des Gehäuses ein die Wicklungen (13, 14) und den Klauenpolläufer (1, 4, 5, 6, 8, 9) bestreichender Kühlluftkreislauf vorliegt, daß mindestens ein Teil des Gehäuses als Wärmetauscherele­ ment (20) ausgebildet ist, und 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 willkür­ lich betätigbaren Schalter (41, 42) oder einen Thermostatschalter (38) mit der Wicklung oder den Wicklungen (13, 14) verbindbar sind.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizele­ mente (37) ab einem bestimmten Temperaturwert eine stark ansteigende Temperatur-Widerstandskennlinie aufweisen.

3. Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Schalter Triacs (40) vorgesehen sind.

4. Generator nach Anspruch 3, mit einem Spannungsregler (39), dadurch gekennzeichnet, daß die Triacs (40) mit den Steuerelektroden an den Regler (39) angeschlossen sind.

5. Generator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beein­ flussung des Reglers (39) mindestens ein mit dem flüssigen Kühlmittel in wärmeleitender Verbindung stehender Sensor vorgesehen ist, mit wel­ chem der Ansprechwert des Reglers (39) veränderbar ist.

6. Generator nach Anspruch 1 bis 5, mit einer über Gleichrichter (22) zur Speisung des Bordnetzes bestimmten Ankerwicklung (13), dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Ständer (10) als Zweitwicklung eine Heiz­ wicklung (14) zur Stromversorgung des oder der Heizelemente (37) ange­ ordnet ist.

7. Generator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Schalter (41, 42) die Heizwicklung (14) zur Ankerwicklung (13) paral­ lel zuschaltbar ist (Fig. 6).

8. Generator nach Anspruch 7, mit dreiphasig ausgebildeter Ankerwick­ lung (13), die in einem gemeinsamen Sternpunkt miteinander verbunden und jeweils an ihrem anderen Wicklungsende zwischen ein Laststrom­ diodenpaar (22) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (37) aus drei Widerständen bestehen, die in Sternschal­ tung untereinander verbunden und an die Wicklungsenden der Ankerwick­ lung (13) angeschlossen bzw. anschließbar sind.

9. Generator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei der drei Heizelemente (37) mit einem Triac (40) in Reihe liegen, der vom Regler (39) steuerbar ist.

10. Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. die Heizelemente (37) zwischen dem Plusausgang und dem Minusausgang des Generators angeordnet ist bzw. sind.

11. Generator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. die Heizelemente (37) mit einem temperaturabhängigen Schalter (38) in Reihe liegt bzw. liegen.

12. Generator nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (37) mit der Schaltstrecke eines steuerbaren elektro­ nischen Schalters, insbesondere eines als Schalter wirkenden Transi­ stors (43) in Reihe liegt.

13. Generator nach Anspruch 12, mit einem Spannungsregler (39), dadurch gekennzeichnet, daß die Steu­ erelektrode des Schalters (43) mit dem Regler (39) verbunden ist.