DE69000330T2 - Elektrische generator-anlasservorrichtung, insbesondere zur anwendung als generator und anlasser fuer kraftfahrzeuge. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Generator-Motor-System, insbesondere zur Anwendung als Generator und Anlasser in einein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine, der Art, wie sie im Oberbegriff von Anspruch 1 definiert ist.
• Ein System dieser Art ist in der EP-A-26 01 76 offenbart. In diesem bekannten System beinhaltet die Spannungsanhebungseinrichtung eine unterbrechergesteuerte LC-Anordnung, und die Spannungsreduziereinrichtung ist ein unabhängiger, herkömmlicher Spannungsregler.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Generator-Motor-System der oben angegebenen Art bereitzustellen.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein System, welches die in Anspruch 1 definierten Merkmale aufweist.
• Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich durch die folgende detaillierte Beschreibung, welche Bezug nimmt auf die im Anhang befindliche Zeichnung, die ein nicht begrenzendes Beispiel zeigt und den elektrischen Aufbau eines Systems geinäß der Erfindung beinhaltet.
• Unter Bezugnahme auf die Zeichnung beinhaltet das elektrische Generator-Motor-System gemäß der Erfindung eine drehende elektrische Maschine 1, die bevorzugt eine Synchronmaschine mit einem dreiphasigen Anker ist, dessen Wicklungen durch X, Y und Z angedeutet sind. Diese Wicklungen des Ankers sind bei der dargestellten Ausführung in Sternanordnung miteinander verbunden und von einem konventionellen Stator getragen, der nicht abgebildet ist.
• Die synchrone elektrische Maschine 1 beinhaltet weiterhin einen Läufer 2, der eine Felderzeugungseinrichtung trägt, die bevorzugt aus Permanentmagneten besteht.
• Eine dreiphasige Brückenschaltung 3 ist an die Wicklungen des Ankers der Maschine 1 angeschlossen. Die Schaltung beinhaltet sechs Gleichrichterdioden 4, die jeweils parallel geschaltet sind zu den Kollektor-Emitter-Pfaden eines jeweiligen Transistors 5. Die Basen der Transistoren sind wiederum an entsprechende Eingänge eines Steuerkreises 6 angeschlossen, der Teil einer elektronischen Regelungs- und Steuereinheit 7 ist.
• Sensoren 8 sind ebenfalls an den Steuerkreis 6 angeschlossen und wiederum den jeweiligen Wicklungen X, Y und Z zugeordnet, um elektrische Signale zu übermitteln, die die in den Wicklungen fließenden Strömen anzeigen. Die Sensoren können beispielsweise aus Hall-Effekt-Vorrichtungen gebildet sein.
• Ein Drehzahlsensor 9 ist ebenso an den Steuerkreis 6 angeschlossen und erzeugt elektrische Signale, die die Winkelgeschwindigkeit des Läufers der elektrischen Maschine 1 anzeigen.
• Ein Kondensator 10 ist parallel zu der Brückenschaltung 3 geschaltet.
• Der Kollektor-Emitter-Pfad eines Transistors 11 ist zwischen der Brücke 3 und einem Anschluß der Induktionsspule 12 angeordnet, deren anderer Anschluß mit dem positiven Pol der wiederaufladbaren Gleichspannungsversorgung 13 verbunden ist. Diese Versorgung wird beispielsweise durch die normale Batterie eines Kraftfahrzeuges gebildet.
• Eine Diode 14 ist parallel geschaltet zu dem Kollektor- Emitter-Pfad des Transistors 11, wobei ihre Kathode an die Brückenschaltung 3 und ihre Anode an die Induktionsspule 12 angeschlossen ist.
• Die Basis des Transistors 11 ist mit einem Ausgang einer Steuerschaltung 15 verbunden, die in der Regelungs- und Steuereinheit 7 enthalten ist.
• Der Kollektor-Emitter-Pfad eines weiteren Transistors 16 ist zwischen der Verbindung der Diode 14 und der Induktionsspule 12 und der Erdung geschaltet. Die Basis dieses Transistors ist ebenso an den Ausgang der Steuerschaltung 15 der elektronischen Einheit 7 angeschlossen.
• Eine Diode 17 ist parallel geschaltet zu dem Kollektor- Emitter-Pfad des Transistors 16, wobei ihre Kathode zu der Induktionsspule 12 gerichtet ist.
• Der in der Zeichnung mit L bezeichnete Widerstand repräsentiert eine an die Versorgung 13 angeschlossene Last.
• Ein Shunt-Widerstand 18 ist in Reihe geschaltet mit der Batterie 13 und der Last L. Dieser Widerstand ist ebenfalls an den Eingang des Steuerkreises 15 angeschlossen und dient als Sensor zum Messen des von dem Generator- Motor-System während des Betriebs zu der Batterie 13 und der Last L gelieferten Stroms.
• Schließlich sind zwei Kondensatoren 19 und 20 parallel zwischen die positiven Pole der Versorgung 13 und einem Anschluß des Widerstands 18 geschaltet.
• Ein Sensor zur Übermittlung eines Signals, das die an die Batterie 13 vom System (während des Betriebes als Generator) übertragene Spannung anzeigt, an die Steuerschaltung 15 ist mit 21 bezeichnet. Dieser Sensor ist z.B. als Spannungsteiler oder Potentiometer parallel zu der Batterie ausgebildet.
• Das oben beschriebene Generator-Motor-System kann geeignet als Generator und als Anlasser in einem Kraftfahrzeug mit Brennkraftmaschine verwendet werden. Für diese Verwendung wird der Läufer 2 der elektrischen Maschine 1 mechanisch mittels einer Differentialuntersetzungseinheit 23 mit dem Schwungrad 22 der Verbrennungsmaschine gekoppelt. Die Differentialuntersetzungseinheit kann sowohl ein Umlaufgetriebe als auch vom Typ des "harmonischen Antriebs" sein. Arbeitet der Läufer der elektrischen Maschine 1 als das antreibende Teil, wird das Schwungrad 22 in an sich bekannter Weise direkt von der Untersetzungseinheit 23 mit beträchtlich reduzierter Drehzahl angetrieben. Wenn die elektrische Maschine durch die Brennkraftmaschine angetrieben wird und somit als elektrischer Generator arbeitet, dann überträgt die Untersetzungseinheit die Bewegung von dem Schwungrad 22 an den Läufer der elektrischen Maschine mit einem Übersetzungsverhältnis von mehr oder weniger eins.
• Die elektronische Regelungs- und Steuereinheit 7 detektiert den Wert der Drehzahl des Läufers 2 der elektrischen Maschine 1 während des Betriebes mittels eines Sensors 9 und kann durch den Vergleich dieses Wertes mit einem voreingestellten Bezugswert unterscheiden, ob die Maschine im Motor- oder Generatorbetrieb arbeitet und ermöglicht einen Betrieb der Schaltkreise 6 und 15 in einer Weise, wie weiter unten genauer beschrieben wird.
• Der Betrieb des oben beschriebenen Systems im Generatorbetrieb wird im folgenden beschrieben.
• Wenn es als Generator arbeitet, dreht sich der Läufer 2 der elektrischen Maschine 1. Die elektrische Maschine arbeitet als Generator in der Weise eines normalen Wechselstromgenerators.
• Der Steuerkreis 6 hält die Transistoren 5 im nichtleitenden Zustand. Die dreiphasige Brückenschaltung 3 arbeitet als normale passive Gleichrichterschaltung und stellt eine gleichgerichtete Ausgangsspannung her, welche mittels des Kondensators 10 geglättet wird.
• Der Steuerkreis 15 hält den Transistor 16 im nichtleitenden Zustand und steuert die Basis des Transistors 11 auf eine Ein-Aus-Weise mit einer Wellenform, dessen Impulsbreite in Abhängigkeit des mittels des Teilers 21 ermittelten Spannungswertes an der Last L moduliert wird (PWM). Befindet sich der Transistor 11 im "Ein"-Zustand, fließt ein Strom in der Induktionsspule 12 und in die Versorgung 13 und die Last L. In der Induktionsspule 12 wird Energie gespeichert.
• Befindet sich der Transistor 11 im "Aus"-Zustand, halten die Kondensatoren 19 und 20 die Spannung an der Last L aufrecht, während die vorher in der Induktionsspule 12 gespeicherte Energie durch die Diode 17 zurückfließt.
• Die Induktionsspule 12 und die Kondensatoren 19 und 20 zusammen haben einen integrierenden und filternden Effekt auf die an die Versorgung 13 und die Last L übermittelte Spannung.
• Die über der Brücke 3 anfallende Ausgangsspannung variert gemäß der dem Läufer 2 der elektrischen Maschine vermittelten Winkelgeschwindigkeit. Wenn die elektrische Maschine mit einer Drehzahl, die über einem bestimmten Wert liegt, betrieben wird, kann sie eine Gleichspannung bereitstellen (stromabwärts des Gleichrichters), die höher als die Nennspannung der Batterie 13 ist. Unter diesen Bedingungen reduziert der Steuerkreis 15 die an die Batterie gelieferte Spannung auf ähnliche Weise wie in normalen Regelschaltungen, mit denen Wechselstromgeneratoren ausgerüstet sind, die in Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen. Diese Regelkreisläufe regulieren jedoch die Spannung durch Modifizieren des Stromes, der in der Feldwicklung fließt, die üblicherweise in Wechselstromgeneratoren zur Anwendung in Kraftfahrzeugen vorgesehen sind. Diese Regelschaltungen zwingen den Wechselstromgenerator in einen Betriebszustand, der den Bedingungen des Kurzschlusses nahekommt, und der Wechselstromgenerator kann demzufolge nur einen Bruchteil seiner maximalen Leistung liefern.
• Im System geinäß der Erfindung wird die von der Maschine an die Batterie gelieferte Spannung nicht durch Modifizieren der Feldintensität reguliert, sondern durch Drosseln der gelieferten Spannung (mittels PWM). Die Maschine kann mit höheren Spannungen als den Batterienennspannungen betrieben werden und deshalb eine höhere durchschnittliche Leistung erzeugen als diejenige, die von einem Kraftfahrzeug-Wechselstromgenerator/Regler-Einheit mit ähnlicher Charakteristik erzeugt werden, woraus konsequenterweise eine Netto-Verbesserung der Energieausnutzung resultiert.
• Im folgenden wird beschrieben, wie das System funktioniert, wenn es als elektrischer Motor betrieben wird.
• Die Steuerschaltung 15 hält den Transistor 11 in nichtleitendem Zustand und steuert den Transistor 16 auf eine Ein-Aus-Weise mittels eines pulsierenden Signals, dessen Impulsdauer ebenfalls moduliert wird (PWM). Ist der Transistor 16 leitend, fließt somit ein Strom in der Induktionsspule 12 und in dem Kollektor-Emitter-Pfad des Transistors 16, und Energie wird in der Induktionsspule gespeichert. Wenn der Transistor 16 unterbrochen wird, wird die Induktionsspule 12 mit dem Kondensator 10 über die Diode l4 verbunden. Die vorher in der Induktionsspule 12 gespeicherte Energie entlädt sich in den Kondensator 10 und die Spannung an dessen Anschlüssen wird allmählich gesteigert und in nacheinanderfolgenden Schritten zu einem höheren Wert gebracht als der der Versorgung 13. Wird eine vorher festgelegte Spannung in dem Kondensator 10 erreicht, steuert der Steuerkreis 6 die drei Paare von Transistoren 5 in einer Ein-Aus-Weise in einer zyklischen Sequenz mit Phasendifferenzen von 120º, so daß die Ströme, die durch die Ankerwicklungen X, Y und Z der elektrischen Maschine 1 fließen, Wellenformen mit Phasenunterschieden von 120º haben und somit ein dreiphasiges Stromsystem simulieren. Die elektrische Maschine 1 verhält sich demzufolge wie ein Motor, und sein Läufer 2 beginnt zu rotieren.
• Wie oben beschrieben, arbeitet der Brückenkreislauf 3 wie eine einfache Gleichrichterbrücke, wenn das System als Generator betrieben wird, aber, wenn die Vorrichtung hingegen als Motor betrieben wird, arbeitet die Brücke 3 wie ein dreiphasiger Inverter. Zu diesem Zweck kann der Steuerkreis 6 von demjenigen Typ sein, wie er gegenwärtig zur Steuerung sogenannter bürstenloser Motoren verwendet wird.
• Der Steuerkreis 15 kann jedoch eine normale integrierte PWM-Modulator-Schaltung sein, wie sie leicht kommerziell zu erhalten ist.
• Das funktionale Zusammenspiel einiger Komponenten des oben beschriebenen Systems ist besonders wichtig: Der Steuerkreis 15, der Kondensator 10, die Induktionsspule 12 und die Kondensatoren 19 - 20 bilden eine spannungsverstärkende Schaltung, wenn das System als Motor betrieben wird, und eine spannungsreduzierende Schaltung, wenn das System als Generator betrieben wird. Die zwei verschiedenen Betriebsarten werden einfach erreicht durch unterschiedliches Ansteuern der Transistoren 11 und 16.

Claims (17)

1. Elektrisches Generator-Motor-System, insbesondere zur Anwendung als Generator und als Anlasser in einem Kraftfahrzeug mit Brennkraftmaschine, mit

- einer wiederaufladbaren Gleichspannungsversorgung (13),

- einer rotierenden elektrischen Maschine (1, 2) mit mehrphasigem Anker (X, Y, Z),

- einer mehrphasigen Regelungseinrichtung (3 bis 6), die zwischen die elektrische Maschine (1, 2) und die Versorgung (13) geschaltet und so angepaßt ist, um als Gleichrichtereinrichtung (4), wenn die elektrische Maschine (1, 2) als Generator arbeitet, für die Übertragung eines gleichgerichteten Ausgangsstromes an die Versorgung (13) und/oder eine Last (L) und als Umrichtereinrichtung (5, 6) zu wirken, um den Anker (X, Y, Z) der Maschine (1, 2) mit einer mehrphasigen Spannung zu versorgen, wenn die elektrische Maschine als mit Energie von der Versorgung (13) versorgter Motor arbeitet, und

- einer Spannungsanhebungseinrichtung (15, 16; 10, 12) mit einer LC-Anordnung (10, 12) zum Anheben der Spannung zwischen der Versorgung (13) und der Regelungseinrichtung (3 bis 6), wenn die elektrische Maschine (1, 2) als Motor arbeitet, und

- einer Spannungsreduzierungseinrichtung (15, 11, 12, 19, 20) zum Reduzieren der Spannung zwischen der Regelungseinrichtung (3 bis 6) und der Versorgung (13), wenn die elektrische Maschine (1, 2) als Generator arbeitet,

dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsreduzierungseinrichtung (15, 11, 12, l9, 20) eine LC-Anordnung (12, 10, 19, 20) beinhaltet, die gemeinsame Teile (10, 12) mit der LC-Anordnung (10, 12) der Spannungsanhebungseinrichtung (15, 16; 10, 12) hat.

2. System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine vom synchronen Typ mit einer Felderzeugungseinrichtung (2) der Art mit Permanentmagneten ist.

3. System gemäß der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Spannungsanhebungseinrichtung (15, 16; 10, 12) zum Anheben der Spannung zwischen der Versorgung (13) und der Regelungseinrichtung (3 bis 6) beinhaltet, wenn die elektrische Maschine (1, 2) als Motor arbeitet.

4. System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine (1, 2) angepaßt ist, eine Spannung zu erzeugen, die, wenn sie durch die Regelungseinrichtung (3 bis 6) gleichgerichtet wird, höher ist als die Nennspannung der Versorgung (13).

5. System gemäß der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Regelungseinrichtung eine durch eine elektronische Regelungs- und Steuereinheit (6) gesteuerte mehrphasige Brückenschaltung (3 bis 5) beinhaltet.

6. System gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenschaltung (3 bis 5) dreiphasig ist und sechs Dioden (4), die in einer Brückenanordnung verbunden sind, sowie eine dazugehörige gesteuerte Schaltvorrichtung (5) beinhaltet, die parallel zu jeder Diode geschaltet ist.

7. System gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede der steuerbaren Schaltvorrichtungen (4, 5) einen Transistor (5) beinhaltet, dessen Kollektor-Emitter- Pfad parallel zu einer dazugehörigen Diode (4) der Brücke (3) geschaltet ist, und dessen Basis an den entsprechenden Ausgang der elektronischen Regelungs- und Steuereinheit (6, 7) angeschlossen ist.

8. System gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelungseinrichtung Sensormittel (8) beinhaltet, um den durch den Anker (X, Y, Z) der elektrischen Maschine (1, 2) fließenden Strom zu messen, wobei die Sensormittel (8) mit der elektronischen Regelungseinheit (7) verbunden sind, welche angeordnet ist, die mehrphasige Brücke (3) in Abhängigkeit der von den Sensormitteln (8) übermittelten Signale in vorbestimmter Weise zu steuern.

9. System gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelungseinrichtung ein Sensormittel (9) beinhaltet, welches die Drehzahl des Läufers (2) der elektrischen Maschine (1, 2) mißt, wobei der Sensor an die elektronische Regelungs- und Steuereinheit (7) angeschlossen ist, welche ebenfalls angeordnet ist, die mehrphasige Brücke (3) in Abhängigkeit des von dem Geschwindigkeitssensor (9) übermittelten Signals in vorbestimmter Weise zu steuern.

10. System gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsreduzierungseinrichtung einen ersten gesteuerten Schalter (11) enthält, der durch breitenmodulierte Impulse (PWM) von einer elektronischen Regelungs- und Steuereinheit (15, 7) gesteuert wird, wobei der erste gesteuerte Schalter (11) in Reihe zwischen den Ausgang der Brückenschaltung (3) und der Versorgung (13) und einer Last (L) geschaltet ist.

11. System gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein integrierend und filternd wirkender LC-artiger Schaltkreis (12, 19, 20) zwischen der ersten gesteuerten Schaltvorrichtung (11) und der Versorgung (13) und einer Last (L) eingefügt ist.

12. System gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der integrierend und filternd wirkende Schaltkreis eine Induktionsspule (12), die in Reihe geschaltet ist mit dem ersten gesteuerten Schalter (11), und einen ersten Kondensator (19, 20) enthält, der parallel geschaltet ist zu der Versorgung (13) und einer Last (L).

13. System gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Kondensator (10) parallel zu dem Ausgang der Brückenschaltung (3) geschaltet ist.

14. System gemäß einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsanhebungseinrichtung aufweist:

- einen Kondensator (10), der parallel zu der Brückenschaltung (3) geschaltet ist,

- eine Induktionsspule (12) in dem Strompfad zwischen der Versorgung (13) und dem Kondensator (10),

- einen zweiten gesteuerten Schalter (16), der parallel zu dem Kondensator (10) geschaltet ist, wobei dieser zweite gesteuerte Schalter (16) auf eine "Ein-Aus-Weise" von der elektronischen Regelungs- und Steuereinheit geregelt wird, wenn die elektrische Maschine (1, 2) im Motorbetrieb arbeitet, so daß, wenn der zweite Schalter (16) leitend (ein) ist, Energie in der Induktionsspule (12) gespeichert und dann in den Kondensator (10) entladen wird, wenn der zweite gesteuerte Schalter (16) nichtleitend (aus) ist.

15. System gemäß der Ansprüche 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein einzelner Kondensator (10) parallel zu der mehrphäsigen Brückenschaltung (3) geschaltet ist und als Spannungsglätter, wenn die elektrische Maschine (1, 2) im Generatorbetrieb arbeitet, und als Einrichtung zur Spannungserhöhung wirkt, wenn die elektrische Maschine (1, 2) als Motor arbeitet.

16. System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Sensoreinrichtung (21) zum Messen der Spannung an einer Last (L) enthält.

17. System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß, um als Anlasser einer Brennkraftmaschine zu arbeiten, der Läufer (2) der elektrischen Maschine (1, 2) mit einem Teil (22) einer Brennkraftmaschine mittels einer Differentialuntersetzungseinheit (21) verkuppelt ist.