Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer permanentmagneterregten Synchronmaschine, insbesondere für Kraftfahrzeuge, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Art.

Synchronmaschinen finden seit längerem als Drehstrom- Lichtmaschinen Verwendung in Kraftfahrzeugen. Der Wunsch nach kompakten Autos mit großem Platzangebot im Fahrgast¬ raum und kleinen Abmessungen zwingt zu immer kleineren Bauvolumen der für den Betrieb des Kraftfahrzeugs er¬ forderlichen Zusatzaggregate. Darüber hinaus sollen diese Aggregate verschleißarm und weitgehend wartungs¬ frei sein.

Permanentmagneterregte Synchronmaschinen sind durch ihre kleinen Abmessungen und durch fehlende rotierende Teile

zur Stromübertragung für den Einsatz im Kraftfahrzeug prädestiniert. Die heute zur Verfügung stehenden Werk¬ stoffe für Permanentmagnete ermöglichen auch eine Aus¬ legung der Synchronmaschine zur Deckung des im Kraft- fahrzeug geforderten Energiebedarfs.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Synchronmaschine mit den kennzeich¬ nenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß sie ohne konstruktive Änderung allein durch entsprechende Beschaltung ihrer herausgeführten Wicklungs¬ enden der Ankerwicklung im Kraftfahrzeug sowohl als Gene¬ rator bzw. Lichtmaschine als auch als Antriebsmotor für einen Schwungradstarter verwendet werden kann. Die Syn¬ chronmaschine ist kompakt, verschleißarm und vielseitig verwendbar. Wegen letzterem kann sie in extrem großen Stückzahlen zu geringen Stückkosten gefertigt werden.

Die erfindungsgemäße Aufteilung der mehrphasigen Anker¬ wicklung in zwei Teilwicklungen pro Wicklungsphase er¬ möglicht bei Auslegung der Synchronmaschine für die Be- dürfnisse einer Lichtmaschine in einer 12 V-Kraftfahr- zeuganlage und ihrer Verwendung als Antriebsmotor etwa eine Spannungshalbierung und damit etwa eine Verdopplung der erreichbaren Leerlaufdrehzahl. Dies ist deshalb von Vorteil, da ein Schwungradstarter zum zuverlässigen An- werfen des Verbrennungsmotors eine relativ hohe Aufzieh¬ drehzahl von ca. 1000 - 1200 U/min benötigt, andererseits die Lichtmaschine im Leerlauf des Verbrennungsmotors bei einer Drehzahl von ca. 500 U/min bereits eine über die Spannung der Kraftfahrzeug-Batterie (12 V) liegende Lade- Spannung (ca. 14 V) abgeben soll. Zusätzlich wird durch die Teilwicklungen im Motorbetrieb der Synchronmaschine ein magnetischer Freilauf ermöglicht, so daß die für den;

Motorbetrieb erforderliche Leistungselektronik keine oder eine nur wenig aufwendige Schutzschaltung benötigt.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Ma߬ nahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse- rungen der im Anspruch 1 angegebenen Synchronmaschine möglich.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich dabei aus Anspruch 2. Durch diesen Aufbau der An¬ kerwicklung läßt sich die Unterteilung der symmetrischen Mehrphasenwicklung in jeweils zwei Teilwicklungen pro Phase bei gleichzeitig enger magnetischer Kopplung der zu einer Phase gehörenden Teilwicklungen in einfacher Weise realisieren. Die Ankerwicklung kann dabei als Ein- oder Zweischichtwicklung und dabei als Schleifen- oder Wellenwicklung ausgeführt werden. Eine magnetische Kopp- _^ lung wird auch gemäß Anspruch 9 durch die Weicheisenpol¬ schuhe auf den rotierenden Erregermagneten erzielt.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich auch aus Anspruch 3. Durch diese Beschaltung der Wicklungsenden kann die Synchronmaschine im Generator¬ betrieb als Lichtmaschine in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich auch aus Anspruch 4. Durch diese Beschaltung der Wicklungsenden kann die Synchronmaschine im Motorbetrieb als Antriebsmotor an einem Gleichspannungsnetz eines Kraft¬ fahrzeugs betrieben werden. Die den Wicklungssträngen zu¬ geordneten Schalter sind mittels eines geeigneten Modula¬ tionsverfahrens, z.B. Pulsweitenmodulation, so anzusteu¬ ern, daß in jeder der Teilwicklungen innerhalb einer elek- trischen Periode ein Strom mit einer Dauer von jeweils elek trisch 360°/2m fließen kann, wobei m für eine Zweiphasen- .

Wicklung 2 und für eine Dreiphasenwicklung 3 zu setzen ist.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich aus Anspruch 5. Durch diese Ausbildung der Synchron¬ maschine kann diese im Kraftfahrzeug gleichzeitig als Lichtmaschine und als Antriebsmotor für einen Schwungrad¬ starter verwendet werden. Ein zusätzlicher Antriebsmotor für den Schwungradstarter entfällt, was Bauraum und Kosten spart. Im Generatorbetrieb können die für den Motorbetrieb erforderlichen elektronischen Schalter • zur Spannungsregelung herangezogen werden und bilden dann die Stellglieder eines nach dem Prinzip der "Quer¬ regelung" arbeitenden Spannungsreglers.Der Bedarf an Leistungselektronik für Generator- und Motorbetrieb ist dadurch extrem niedrig. Der Aufwand für den z.B. als Schütz ausgebildeten Umschalter ist sehr gering.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich auch aus Anspruch 6. Bei dieser Ausführungsform werden die gleichen Vorteile erzielt wie in der Ausfüh¬ rungsform der Synchronmaschine gemäß Anspruch 5. Diese Ausführungsform unterscheidet sich jedoch von derjenigen gemäß Anspruch 5 dadurch, daß ein etwas höherer Aufwand für den Umschalter erforderlich ist (hier 6 Schalter statt 3 Schalter in dem Ausführungsbeispiel gemäß An¬ spruch 5) , dafür aber auch im Betrieb als spannungsge- regelte Lichtmaschine geringere Verluste anfallen, da bei der beschriebenen Anordnung der steuerbaren elek¬ tronischen Schalter bei der Querregelung nicht jeweils der gesamte Wicklungsstrang sondern nur jeweils eine Teilwicklung des WicklungsStranges kurzgeschlossen wird.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestell¬ ten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschrei¬ bung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Syn¬ chronmaschine mit permanentmagneterregtem Polrad und zweiphasiger symmetrischer Anker¬ wicklung,

Fig. 2 eine Abwicklung eines Ausführungsbeispiels der Ankerwicklung in Fig. 1,

Fig. 3 jeweils ein Schaltbild der wahlweise im Gene- und 4 rator- und Motorbetrieb fahrbaren Synchron¬ maschine in Fig. 1 gemäß einem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist schematisch ein 4-poliges Polrad 10 mit Weich¬ eisenpolschuhe 41 tragenden Daueπragnetpolen 42 dargestellt, das un¬ ter Bildung eines Luftspaltes 11 in einem den Ständer bil¬ denden Anker 12 umläuft. Auf den als Blechpaket ausgefüh- ten Anker ist in Nuten 13 eine Ankerwicklung 14 eingelegt, die sich gleichmäßig über den gesamten Ankerumfang er¬ streckt. Die Ankerwicklung ist - wie in Fig. 1 symbolisch dargestellt ist - als symmetrische Zweiphasenwicklung mit elektrisch um 90° am Umfang gegeneinander versetzt ange- ordneten Wicklungssträngen 15,16 ausgebildet. In üblicher Weise sind von den Wicklungssträngen 15 bzw. 16 der Strang¬ anfang mit U bzw. V und das Strangende mi X bzw. Y be¬ zeichnet. Jeder Wicklungsstrang 15 bzw. 16 ist in zwei

magnetisch eng miteinander gekoppelte Teilwicklungen 151,152 bzw. 161,162 unterteilt, deren Anfang und Ende mit U,X' bzw. U',X bzw. V,Y' bzw. V',Y bezeichnet sind.

In Fig. 2 ist als Ausführungsbeispiel der Ankerwicklung 14 die Abwicklung einer zweiphasigen Einschichtwick¬ lung dargestellt, die in zweiunddreißig Nuten (in Fig. 2 mit 1 - 32 gekennzeichnet) am Ankerumfang eingelegt ist. Der Wicklungsstrang 15 mit dem Wicklungsanfang U und dem Wicklungsende X ist dabei durch größere Strichstärke kenntlich gemacht. Die einschichtige Zweiphasenwick- lung ist als Schleifenwicklung mit vier Nuten pro Pol und Phase ausgeführt, wobei jeder Wicklungsstr ng 15 bzw. 16 bifilar gewickelt ist. Diese doppelte Drahtfüh¬ rung in den einzelnen Nuten ist in Fig. 2 der tϊbersicht- lichkeit halber nicht dargestellt, sondern lediglich durch eine 2 am Wicklungsanfang und am Wicklungsende kennt¬ lich gemacht. Durch diese bifilare Wicklung ergeben sich die beiden magnetisch eng gekoppelten beiden Teilwick¬ lungen 151,152 bzw. 161,162 eines jeden Wicklungsstranges 15,16, deren freie Enden in Fig. 2 mit U,TJ' ;V,V ;X,X* ;Y,Y* gekennzeichnet sind.

In Fig. 3 ist das Schaltbild der Synchronmaschine darge¬ stellt. Innerhalb eines jeden WicklungsStranges 15 bzw. 16 sind das Wicklungsende X ¹ bzw. Y ¹ der einen Teilwick- lung 151 bzw. 161 und der Wicklungsanfang U' bzw. V der anderen Teilwicklung 152 bzw. 162 miteinander ver¬ bunden. Die verbleibenden freien Wicklungsenden U und X bzw. V und Y, die Stranganfang und Str ngende eines jeden Wicklungsstranges 15 bzw. 16 bilden, sind an dem Eingang eines Zweiweggleichrichters 17 bzw. 18, bestehend aus vier Leistungsdioden 171 - 174 bzw. 181 - 184, angeschlos¬ sen. Gleiche Ausgangspotentiale der beiden Zweiweggleich-

richter 17,18 sind auf je eine Anschlußklemme 19,20 gelegt, wobei in der Verbindungsleitung zu der einen Anschlußklemme 19 ein erster Schalter 21 eines als Schütz aus _¬ gebildeten Umschalters 24 angeordnet ist. Der Umschal- ter 24 weist noch zwei weitere Schalter 22,23 auf, die gleichzeitig mit dem Schalter 21 betätigt werden, aber immer eine zu dem Schalter 21 inverse Schaltstellung einnehmen. Die gleichzeitige Betätigung der Schalter 21 - 23 ist durch eine die Schalter 21 - 23 verbindende Be- tätigungsstange symbolisiert.

Ist der Schalter 21 geschlossen - und damit die Schalter 22 und 23 geöffnet - so kann die bis hierher beschrie¬ bene Synchronmaschine als Generator betrieben werden. Bei Antrieb des Polrades 10 liegt an der Anschlußklemme 19 das Pluspotential und an der Anschlußklemme 20 das Minuspotential der Generator-Gleichspannung.

Zusätzlich ist jeweils der Wicklungsanfang U bzw. V der einen Teilwicklung 151 bzw. 161 und das Wicklungs¬ ende X bzw. Y der anderen Teilwicklung 152 bzw. 162 jeweils über einen steuerbaren elektronischen Schalter mit der Anschlußklemme 20 verbunden. Die steuerbaren elektronischen Schalter sind hier als Leistungstransi- storen 25 - 28 ausgebildet. Die Leistungstransistoren 25- 28 dienen im Generatorbetrieb der Synchronmaschine der Ladespannungsregelung eines an den Anschlußklemmen 19,20 angeschlossenen Akkumulators, also im Kraftfahr¬ zeug der Kraftfahrzeugbatterie. Bei Erreichen der vor¬ gegebenen Ladespannung werden die Transistoren 25- 28 angesteuert und schliefaen die Wicklungsstränge 15,16 kurz. Diese Art der Regelung wird "Querregelung" ge¬ nannt.

Sind die zweiten Schalter 22,23 geschlossen - und damit der Schalter 21 geöffnet - so kann die Synchronmaschine bei Anlegen einer Gleichspannung an die Anschlußklemmen 19,20 als Motor betrieben werden. Die Leistungstransi- stören 25 - 28 werden innerhalb einer Periode um 90° elektrisch gegeneinander versetzt derart angesteuert, daß in der jeweils zugehörigen Teilwicklung ein zur Er¬ zielung des notwendigen Drehmoments ausreichender Strom fließt. Innerhalb einer Periode werden auf inanderfol- gend der Leistungstransistor 25, dann der Leistungstran¬ sistor 27, dann der Lei≤tungstransistor 26 und dann der Leistungstransistor 28 angesteuert. Um ein außer Tritt¬ fallen des Motors, insbesondere beim Anlauf zu verhindern, muß beim Ansteuern der einzelnen Leistungstransistoren die Momentanposition des Polrades 10 berücksichtit wer¬ den, die entweder durch einen einfachen Lagegeber oder durch Spannungsmessung der an der Ankerwicklung 14 abnehm¬ baren Ankerspannung erfaßt werden kann. Auch wirddie Größe des erreichbaren Drehmoments von dem richtigen Phasenwin- ]<el zwischen Polradstellung und stromführender Teilwick¬ lung beeinflußt. Die Leistungsdioden 173,174 und 183,184 dienen als Schutzdioden für die Leistungstransistoren 25 - 28 . Die Leistungsdioden 171,172 und 181,182 sind wirkungslos. Bei Anschluß einer Kraftfahrzeug-Batterie an die Anschluß- 5 klemmen 19,20 der Synchronmaschine ist zum Betreiben der Synchronmaschine als Lichtmaschine oder als Antriebsmo¬ tor für einen Schwungradstarter lediglich der Umschalter24 zu betätigen. In der in Fig.3 dargestellten Stellung des Umschalters 24 arbeitet die Synchronmaschine als Lichtma- ° schine. Zum Anlassen des Motors ist mit dem Anlasser der Umschalter 24 in die andere Position umzuschalten. Die Synchronmaschine arbeitet nunmehr als Motor und kann bei entsprechender Ansteuerung der Leistungstransistoren 25-28 eine Drehzahl erreichen, die zum Aufziehen eines Schwung- ⁵ radstarters zwecks Anwerfen des Motors ausreichend ist..

Das in Fig. 4 dargestellte modifizierte Schaltbild der Synchronmaschine unterscheidet sich von dem in Fig. 3 nur durch eine modifizierte Beschaltung der Wicklungsenden U,X' ,U' ,X,V,Y' ,V ,Y der Teilwicklungen 151,152,161,162 und durch eine andere Gestaltung des nunmehr mit 30 bezeichneten Umschalters. Mit Fig. 3 übereinstimmende Bauteile sind weiterhin mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wie in Fig. 3 sind innerhalb eines jeden Wicklungs- Stranges 15 bzw. 16 das Wicklungsende X' bzw. Y' der einen Teilwicklung 151 bzw.161 und der Wicklungsanfang U' bzw. V der anderen Teilwicklung 152 bzw. 162 miteinander verbunden, wobei allerdings in dieser Verbindung ein erster Schalter 31 bzw. 32 des Umschalters 30 angeord- net ist. Die genannten Wicklungsenden bzw. Wicklungsan¬ fänge der Teilwicklung 151,152,161,162 sind weiterhin über je einen der Leistungstransistoren 25 - 28 mit der Anschlußklemme 20 verbunden. Den Leistungstransi¬ storen 25 - 28 ist jeweils eine Schutzdiode 37 - 40 parallel geschaltet. Die Wicklungsenden der Teilwick¬ lungen 151,152 bzw. 161, 162, diejeweils Stranganfang U bzw. V und Strangende X bzw. Y der Wicklungsstränge 15 bzw. 16 bilden, sind wie in Fig. 3 mit den Eingängen der beiden Zweiweggleichrichter 17,18 verbunden; zusätz- lieh aber noch über jeweils einen zweiten Schalter 33,

34,35,36 mit der Anschlußklemme 19 verbunden. Die ersten Schalter 31 und 32 und die zweiten Schalter 33 - 36 wer¬ den wiederum gleichzeitig betätigt, wobei die ersten Schalter 31,32 eine zur Schaltstellung der zweiten Schal- ter 33 - 36 inverse Schaltstellung einnehmen.

In der in Fig. 4 dargestellten Stellung des Umschalters 30 arbeitet die Synchronmaschine als Generator. Die Lei¬ stungstransistoren 25 - 28 sind wiederum Stellglieder eines Ladespannungsreglers. Wird der Umschalter 30 in

seine andere Stellung umgeschaltet, in welcher die ersten Schalter 31,32 geöffnet und die zweiten Schal¬ ter 33 - 36 geschlossen sind, so arbeitet die Maschi¬ ne bei Anlegen eines Pluspotentials an die Anschluß- klemme 19 und eines Minuspotentials an die Anschlu߬ klemme 20 als Motor. Die Gleichrichter 173,174,183,184 sind wirkungslos.

Der Vorteil der Schaltung in Fig. 4 liegt -in einem ver¬ lustärmeren Generator, da bei der Ladespannungsregelung immer nur eine Teilwicklung der beiden Wicklungsstränge kurzgeschlossen wird. Der Aufwand für den Umschalter 30 ist jedoch etwas größer, da hier insgesamt sechs Einzel¬ schalter im Umschalter vorgesehen werden müssen.

Die Erfindung ist nicht auf die wahlweise auf Generator- betrieb und Motorbetrieb umschaltbare permanentmagnet¬ erregte Synchronmaschine beschränkt. So kann die Syn¬ chronmaschine ausschließlich als Generator oder Motor Verwendung finden, wobei der Vorteil der gleichen kon¬ struktiven Ausbildung des mechanischen und elektrischen Teils für beide Anwendungsfälle erhalten bleibt und ledig¬ lich die Beschaltung der Teilwicklungen modifiziert wird. Der Umschalter würde naturgemäß entfallen und müßte durch feste Verbindungen anstelle der Einzelschalter ersetzt werden. Beim Motor würden die Gleichrichter, soweit die- se nicht eine Transistor-Schutzfunktion ausüben, und beim Generator ohne Regelung die Leistungstransistoren ent¬ fallen.

Die Ankerwicklung der Synchronmaschine kann mit Vorteil auch als Dreiphasenwicklung ausgeführt werden,wobei die drei Wicklungsstränge um elektrisch 120 gegeneinander versetzt am Umfang des Ständers angeordnet werden. Die Zahl der Beschältungselemente, wie Leistungstransistoren,

Gleichrichter, Einzelschalter des Umschalters etc. erhöht sich entsprechend der drei wiederum in jeweils zwei Teilwicklungen unterteilten Wicklungsstränge. Im Motorbetrieb müssen die dann insgesamt sechs Leistungs¬ transistoren um elektrisch 60 gegeneinander versetzt angesteuert werden.