DE10118004A1 - Wechselstromgenerator mit Mitteln zur Unterdrückung der an seinem Läufer gespeicherten statischen Elektrizität - Google Patents

Abstract

Wechselstromgenerator eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Läufer, der einen Magnetteil, wenigstens eine Erregerwicklung sowie Mittel zur Unterdrückung der statischen Elektrizität umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß diese Mittel zwischen dem Magnetteil (8, 11, 13) des Läufers und seiner Erregerwicklung (5) eine elektrische Verbindung (3, 4, 12) umfassen, durch die das Potential dieses Magnetteils auf eines der Potentiale dieser Erregerwicklung (5) gebracht wird.

Description

ALLGEMEINER BEREICH DER ERFINDUNG UND STAND DER TECHNIK

Die vorliegende Erfindung betrifft die Unterdrückung der an den Läufern von Wechselstromgeneratoren gespeicherten statischen Elektrizität.

Sie kommt vorteilhafterweise bei den Wechselstromgeneratoren für Kraftfahrzeuge zur Anwendung.

Die Wechselstromgeneratoren umfassen einen Anker in Form eines mit Wicklungen zur Bildung von Phasen versehenen Ständers und einen Rotor in Form eines Läufers, der einen Magnetteil und wenigstens eine Erregerwicklung umfaßt. Der Läufer ist beispielsweise ein Klauenpolläufer, der mit ineinandergreifenden Zähnen versehen ist, um Magnetpole zu definieren, wenn die Erregerwicklung erregt ist. Ein derartiger Läufer wird beispielsweise in der EP-A-0.515.259 beschrieben.

Zwischen den Zähnen können natürlich Permanentmagnete angeordnet sein. Als Variante ist der Läufer mit vorstehenden Polen ausgeführt, um die herum jeweils eine Erregerspule vorgesehen ist.

Insoweit es sich bei dem Wechselstromgenerator um eine Mehrphasenmaschine, zumeist um eine Dreiphasen- oder Drehstrommaschine, handelt ist außerdem eine Vorrichtung vorgesehen, um den von den Phasen des Ständers kommenden Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln. Diese Vorrichtung besteht üblicherweise aus einer Diodenbrückenschaltung, an die ein Spannungsregler angeschlossen ist, der über Kohlebürsten und Schleifringe mit der Erregerwicklung des Läufers verbunden ist.

Als Variante umfaßt die Vorrichtung Transistoren, wie beispielsweise MOSFET-Transistoren.

Dieser Wechselstromgenerator ist am Verbrennungsmotor des Fahrzeugs angebracht und wird durch den besagten Verbrennungsmotor über eine Bewegungsübertragungsvorrichtung, beispielsweise in der Ausführung mit Riemen und Riemenscheiben, angetrieben, die einen Drehantrieb des Läufers ermöglicht, dessen Welle durch Kugellager gelagert ist, die an Lagerschildern eines den Ständer tragenden Gehäuses angebracht sind.

Die Reibung der Riemen auf den verschiedenen Riemenscheiben verursacht eine Ansammlung von statischer Elektrizität an den Läufern.

Wenn der Wechselstromgenerator nicht läuft, wird der Läufer des Wechselstromgenerators über die Kugellager, deren Innen- und Außenringe sich mit den Kugeln in Kontakt befinden, auf das Potential des Ständers (Masse) zurückgeführt. Wenn der Wechselstromgenerator jedoch läuft, bildet sich ein isolierender Fettfilm zwischen den Ringen und den Kugeln, und der Läufer kann sich mit statischer Elektrizität aufladen. Diese statische Elektrizität kann sich (beispielsweise über die Kugellager) abrupt am Ständer des Wechselstromgenerators entladen, wenn die Witterungsverhältnisse günstig sind (kaltes und trockenes Wetter). Diese Entladung kann sich durch Kapazitätseffekt an die Wicklungen des Ständers bis zu den Phaseneingängen des Reglers übertragen, wobei dessen Betrieb gestört wird.

Diese elektrostatische Entladung kann beispielsweise negative Impulse von -50 Volt mit einer Flanke von 20 Nanosekunden verursachen.

Derartig schnelle Impulse können nicht durch die Schutzvorrichtungen des Reglers (Dioden der Gleichrichterbrücke, "Clamp" an den Phaseneingängen) gekappt werden, die eine Ansprechzeit größer oder gleich 100 Nanosekunden haben.

Derartige elektrostatische Entladungen können die elektronischen Anlagen stören.

Dabei kann insbesondere der in den Wechselstromgeneratoren eingebaute Batteriespannungsregler gestört werden (falsch geregelte Batteriespannung, Lampenblitz usw.).

Es sind bereits Lösungen vorgeschlagen worden, mit denen diese Ansammlung von statischer Elektrizität unterdrückt oder eingeschränkt werden soll.

So sind insbesondere Strukturen vorgeschlagen worden, bei denen eine mit der Masse verbundene Kohlebürste am Ende der Welle des Wechselstromgenerators in Reibung tritt.

Diese Lösung wird im militärischen Bereich angewendet und weist den Nachteil auf, daß sie kompliziert und entsprechend kostenaufwendig ist.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung vorzuschlagen, die diese Nachteile nicht aufweist.

Dazu bezieht sich die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung auf einen Wechselstromgenerator mit einem Läufer, der einen Magnetteil, wenigstens eine Erregerwicklung sowie Mittel zur Unterdrückung der statischen Elektrizität umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß diese Mittel zwischen dem Magnetteil des Läufers und seiner Erregerwicklung eine elektrische Verbindung umfassen, durch die das Potential dieses Magnetteils auf eines der Potentiale dieser Erregerwicklung gebracht wird.

Nach einer ersten Ausführungsart handelt es sich bei dieser elektrischen Verbindung um eine nichtohmsche Verbindung, und der Magnetteil des Läufers ist vom Massenpotential elektrisch isoliert.

Nach einer zweiten Ausführungsart handelt es sich bei der elektrischen Verbindung um eine ohmsche Verbindung, die den Strom in den Kugellagern auf einen nicht destruktiven Wert für diese Kugellager begrenzen kann und gleichzeitig das Abfließen der elektrostatischen Ladungen ermöglicht.

Die elektrische Verbindung kann insbesondere eine leitende oder mit leitenden Partikeln versehene Beschichtung umfassen, die auf bestimmten Teilen des Läufers aufgetragen ist.

ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, die nur zur Veranschaulichung und ohne einschränkende Wirkung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen angeführt wird. Darin zeigen im einzelnen:

Fig. 1 eine als Schnittansicht ausgeführte schematische Darstellung eines Wechselstromgenerators nach einer ersten Ausführungsart der Erfindung;

Fig. 2 eine als Schnittansicht ausgeführte schematische Ausführungsart eines Wechselstromgenerators nach einer zweiten möglichen Ausführungsart.

BESCHREIBUNG MEHRERER MÖGLICHER AUSFÜHRUNGSARTEN FÜR DIE ERFINDUNG

In den Fig. 1 und 2 sind schematisch zwei Läufer von Wechselstromgeneratoren dargestellt worden, die jeweils eine Welle 11, eine Erregerwicklung 5, einen Kern 13, Schleifringe 6, 7, Polschuhe 8 und Anschlüsse 3, 4 umfassen, die die Erregerwicklung 5 und die Schleifringe 6, 7 verbinden.

In diesen Figuren sind außerdem ohne Bezugsnummern die folgenden Teile dargestellt: die Riemenscheibe, die mit Hilfe einer Mutter am vorderen Ende der Welle 11 befestigt ist, ein erstes Kugellager, ein erstes Abstandsstück, das zwischen dem ersten Kugellager und einem der Polschuhe 8 eingefügt ist, der ein Klauenpolrad bildet, ein zweites Abstandsstück, das zwischen dem anderen Polschuh 8 in Form eines Klauenpolrads und einem kleiner als das erste ausgeführten zweiten Kugellager eingefügt ist, wobei die Schleifringe am hinteren Ende der Welle 11 angebracht sind.

Wie herkömmlicherweise bekannt ist, umfaßt ein Wechselstromgenerator eine Ständereinheit, die aus einem Blechpaket besteht, in das eine Reihe von Nuten eingearbeitet sind, die Ständerwicklungen in Form von gewickelten Drähten oder untereinander verbundenen Stiften enthalten.

Die Ständereinheit umgibt die Klauenpolräder 8 und ist innen an einem Gehäuse angebracht, das zur Befestigung an einem ortsfesten Teil des Fahrzeugs bestimmt ist. Das zumeist auf Aluminiumbasis ausgeführte Gehäuse besteht aus wenigstens zwei Teilen und umfaßt einerseits einen vorderen Lagerschild mit einer mittigen Bohrung, in die das erste Kugellager fest eingepaßt ist, und andererseits einen hinteren Lagerschild, der ebenfalls mit einer mittigen Bohrung versehen ist, in die das zweite Kugellager eingepaßt ist.

Die vorderen und hinteren Lagerschilder sind für die Innenbelüftung des Wechselstromgenerators durchbrochen, wobei die Polräder 8 üblicherweise Lüfter tragen, die hier der Einfachheit halber nicht dargestellt sind. Zu weiteren Einzelheiten kann vorteilhafterweise auf die Druckschrift EP-A-0515.259 verwiesen werden, in der eine solche Anordnung dargestellt ist. Im Lichte dieser Druckschrift ist festzustellen, daß der hintere Lagerschild einen Bürstenhalter trägt, dessen Kohlebürsten an den Schleifringen 6 und 7 in Reibung treten.

Der Bürstenhalter ist mit einem Regler verbunden. Der hintere Lagerschild trägt außerdem einen Vorrichtung zur Umwandlung des von den Ausgängen der Ständerwicklungen kommenden Wechselstroms in Gleichstrom, wobei davon auszugehen ist, daß es sich bei dem Wechselstromgenerator herkömmlicherweise um einen Drehstromgenerator handelt. Der Generator wandelt bekannterweise mechanische Energie in elektrische Energie um, wobei seine Riemenscheibe über wenigstens einen Riemen durch den Verbrennungsmotor angetrieben wird.

Als Variante kann der Wechselstromgenerator umschaltbar sein und auch elektrische Energie in mechanische Energie umwandeln, um den Anlasser des Kraftfahrzeugs zu bilden.

Dazu kann das zweite Abstandsstücks zu einer, beispielsweise magnetischen, Markierung umgestaltet werden, um zum Beispiel mit Hilfe eines Hall-Sensors die Position der Markierung und damit des Läufers zu erfassen, um elektrischen Strom zum gewünschten Zeitpunkt in die Ständerphasen einzuspeisen.

In einer möglichen Ausführungsart kann das Gehäuse durch Wasser gekühlt werden.

Erfindungsgemäß ist der Magnetteil des Läufers (Welle 11, Kern 13, Polschuhe 8) elektrisch mit der Erregerwicklung 5 verbunden.

In einer ersten möglichen Ausführungsart ist diese elektrische Verbindung eine nichtohmsche Verbindung (beispielsweise Kupfer- oder Stahldraht).

In diesem Fall wird dieser Magnetteil auf das Potential einer der Kohlebürsten gebracht, die diese Erregerwicklung 5 über die Schleifringe speisen. Wenn davon ausgegangen wird, daß der Spannungsabfall in diesen Kohlebürsten in einer Größenordnung von 0,3 Volt liegt, kann das Potential des Magnetteils des Läufers je nach dem ausgeführten Anschluß auf sehr unterschiedliche Potentiale gebracht werden (Potential des Erregungssignals, Potential von 0,3 Volt bezogen auf die Masse . . .). Unter diesen Bedingungen liegt das Potential des Magnetteils zwischen akzeptablen Grenzen für den Regler (zwischen dem Massenpotential und dem Pluspol der Batterie) mit ausreichend langsamen Kommutierungsflanken (größer als eine Mikrosekunde), die mit dem Erregungssignal verbunden sind.

Im Falle eines Wechselstromgenerators nach dieser ersten Ausführungsart ist der Magnetteil vorzugsweise gegenüber dem Massenpotential isoliert. Insbesondere die Kugellager sind elektrisch isoliert, beispielsweise anhand von Isolierringen, die an den Ringen der besagten Kugellager, in deren Innern oder an ihrer Außenseite, angeordnet sind.

Denn eine direkte Verbindung zwischen dem Magnetteil und der Erregerwicklung 5 könnte andernfalls zu Kurzschlüssen durch die Kugellager führen, insbesondere wenn diese Kugellager das Massenpotential an die Läuferwelle übertragen, wenn der Wechselstromgenerator nicht läuft. Es kann zu einem offenen Kurzschluß kommen (wenn das Erregungssignal über die an den Ausgang des Reglers angeschlossene Kohlebürste an die Welle angelegt wird). Andererseits kann ein großer Teil des Erregerstroms durch das Kugellager fließen (wenn die Welle mit der Masse über die Kohlebürste verbunden ist, die an die Masse angeschlossen ist und die einen höheren Widerstand als die Kugellager aufweist). Daraus ergibt sich eine Beschädigung der Kugeln dieser Kugellager mit einem entsprechend schnellen Verschleiß.

Eine zweite mögliche Ausführungsart besteht darin, den Magnetteil des Läufers (Welle 11, Kern 13, Polschuhe 8) mit der Erregerwicklung 5 über eine ohmsche Verbindung zu verbinden, wodurch die Notwendigkeit entfällt, die Kugellager elektrisch zu isolieren.

Der Widerstand dieser Verbindung wird ausreichend hoch gewählt, um den Strom in den Kugellagern auf einen nicht destruktiven Wert zu begrenzen (einige Milliampere); er wird ausreichend niedrig gewählt, damit die elektrostatischen Ladungen abfließen können.

In der Praxis ist der Wert des Widerstands groß genug, um den vorstehend erwähnten Beanspruchungen standzuhalten, wobei Werte zwischen 10 Kiloohm und 1 Megaohm vollkommen akzeptabel sind, wodurch die Ausführung mit Mitteln möglich wird, die eine sehr niedrige Präzision aufweisen, aber wirtschaftlich sind.

Dieser Widerstand kann beispielsweise mit Klebstoffen, Lacken und anderen leitenden oder mit leitenden Partikeln versehenen Beschichtungen, die auf bestimmten Teilen des Läufers aufgebracht sind, ausgeführt sein.

Vorzugsweise verbindet dieser Widerstand den Magnetteil des Läufers (Welle, Kern, Polschuhe) mit dem Potential der Erregerwicklung, die über einen der Schleifringe durch die Massebürste befestigt ist.

Das Potential der Metallmasse des Läufers bliebt daher bei einem Potential nahe der Masse des Wechselstromgenerators, wobei die Differenz (in einer Größenordnung von 0,3 Volt) dem Spannungsabfall in der Kohlebürste entspricht, der durch den Erregerstrom verursacht wird. Diese Potentialdifferenz zwischen dem Magnetteil des Läufers und der Masse ist ausreichend niedrig, um elektrochemische Korrosionserscheinungen am Läufer zu verhindern.

Die Fig. 1 und 2 veranschaulichen im einzelnen zwei Ausführungsbeispiele einer solchen ohmschen Verbindung.

Im Falle einer Struktur der in Fig. 1 veranschaulichten Art ist eine Beschichtung 1 und 2 vorgesehen, die üblicherweise die Aufgabe hat, die Anschlüsse 3 und 4 zur Verbindung der Erregerwicklung 5 (am Eingang bzw. am Ausgang der besagten Wicklung 5) und der Schleifringe 6 und 7 mechanisch zu schützen und elektrisch zu isolieren. Diese Beschichtung wird außerdem auf einem der Polschuhe 8 des Läufers verklebt (auf dem dem kleineren Kugellager zugekehrten Polschuh).

Dadurch daß diese Beschichtung etwas leitend ausgeführt wird (indem man sie beispielsweise mit Metallpartikeln versieht), kann die ohmsche Verbindung geschaffen werden, die eine Unterdrückung der statischen Elektrizität ermöglicht.

Im Falle der in Fig. 2 dargestellten Struktur umfaßt der Schleifringträger 9 ein Isoliermaterial 10, um die Schleifringe 6 und 7 sowie die Läuferwelle 11 elektrisch zu isolieren. Dies ist auch in Fig. 1 der Fall.

Dadurch daß dieses Material leicht leitend ausgeführt wird (indem man es beispielsweise mit Metallpartikeln versieht), wird die ohmsche Verbindung geschaffen, die eine Unterdrückung der statischen Elastizität ermöglicht. Das gleiche Ergebnis erhält man mit einem leitenden Anstrich 12, der gleichzeitig einen Teil eines der Schleifringe und einen Teil der Welle bedeckt. Entsprechend dieser Ausführungsart empfiehlt es sich, diesen Anstrich am Wellenende, auf einen der Schleifringe übergreifend aufzutragen, (wobei der Anstrich vorzugsweise auf dem Schleifring in Kontakt mit der Massebürste aufgetragen wird).

Claims (10)

1. Wechselstromgenerator eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Läufer, der einen Magnetteil, wenigstens eine Erregerwicklung sowie Mittel zur Unterdrückung der statischen Elektrizität umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß diese Mittel aus einer elektrischen Verbindung (3, 4, 12) zwischen dem Magnetteil (8, 11, 13) des Läufers und seiner Erregerwicklung (5) bestehen.

2. Wechselstromgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dieser elektrischen Verbindung (3, 4) um eine nichtohmsche Verbindung handelt und daß der Magnetteil (8, 11, 13) des Läufers vom Massenpotential elektrisch isoliert ist.

3. Wechselstromgenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er Mittel umfaßt, die die Kugellager, durch die der Läufer gelagert ist, elektrisch isolieren.

4. Wechselstromgenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isoliermittel Ringe aus einem Isoliermaterial umfassen, die auf den Ringen der Kugellager, in deren Innern oder an ihrer Außenseite, angeordnet sind.

5. Wechselstromgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der elektrischen Verbindung (3, 4) um eine ohmsche Verbindung handelt, die den Strom in den Kugellagern auf einen nicht destruktiven Wert für diese Kugellager begrenzen kann und gleichzeitig das Abfließen der elektrostatischen Ladungen ermöglicht.

6. Wechselstromgenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Verbindung (3, 4) eine leitende oder mit leitenden Partikeln versehene Beschichtung umfaßt, die auf bestimmten Teilen des Läufers aufgebracht ist.

7. Wechselstromgenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung auf den Polmassen des Läufers (8) in Höhe der Anschlüsse (3) aufgebracht ist, die die Erregerwicklung (5) mit den Schleifringträgern (9) verbinden.

8. Wechselstromgenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Verbindung (3, 4) wenigstens teilweise aus einem Elektrizität leitenden Material (10) besteht, das das Isoliermaterial des Schleifringträgers (9) ersetzt.

9. Wechselstromgenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Verbindung (3, 4) dadurch ausgeführt ist, daß auf der Läuferwelle (11) eine die Elektrizität leitende Beschichtung (12) mit Übergreifen auf einen der Schleifringe (6) oder (7) aufgetragen ist.

10. Wechselstromgenerator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Verbindung (3, 4) auf den Schleifring (6) in Kontakt mit der mit der Masse des Wechselstromgenerators verbundenen Kohlebürste übergreift.