DE102005044341A1

DE102005044341A1 - Elektrischer Generator für ein Fahrzeug, der zwei Ausgangsspannungen erzeugt

Info

Publication number: DE102005044341A1
Application number: DE102005044341A
Authority: DE
Inventors: Shin Kariya Kusase
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-09-17
Filing date: 2005-09-16
Publication date: 2006-04-06
Also published as: CA2519968A1; JP2006087248A; CA2519968C; JP4479437B2

Abstract

Ein Elektrogenerator gemäß der Erfindung enthält einen Rotor, einen Stator, einen Gleichrichter und einen Regulator. Der Rotor enthält eine Feldwicklung. Der Stator enthält eine erste und eine zweite Dreiphasen-Wicklung, von denen jede drei Ausgangsanschlüsse entsprechend den jeweiligen Phasen aufweist. Der Gleichrichter besitzt eine speziell ausgelegte Dreischichten-Struktur, an die die Ausgangsanschlüsse der ersten und der zweiten Dreiphasen-Wicklung getrennt angeschlossen sind, und arbeitet in solcher Weise, um zwei unterschiedliche Gleichspannungen durch Gleichrichten der Ausgangsgrößen der zwei Dreiphasen-Wicklungen auszugeben. Der Regulator arbeitet in solcher Weise, um die Ausgangsspannungen durch Steuern eines Feldstromes zu regulieren, welcher der Feldwicklung zugeführt wird. Bei solch einer Konstruktion kann der Elektrogenerator in zuverlässiger Weise zwei unterschiedliche Ausgangsspannungen zur gleichen Zeit erzeugen. Darüber hinaus ist die Konstruktion des Elektrogenerators, verglichen mit existierenden Elektrogeneratoren, die zwei Ausgangsspannungen erzeugen, sehr viel einfacher, wodurch die Herstellungskosten reduziert werden und auch die interne Impedanz des Elektrogenerators reduziert wird.

Description

Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität aus der japanischen Patentanmeldung Nr. 2004-270613, die am 17. September 2004 eingereicht wurde, deren Inhalt hier unter Bezugnahme auf diese Anmeldung voll mit einbezogen wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein elektrische Generatoren und Ladesysteme für Fahrzeuge. Spezieller betrifft die Erfindung einen elektrischen Generator für ein Fahrzeug, der zwei unterschiedliche Ausgangsspannungen zur gleichen Zeit erzeugt.
Bei den kürzlich entwickelten Automobilen hat die Verwendung von elektrischen Lasten, die eine große elektrische Energie benötigen, wie beispielsweise ein elektrisches Leistungs-Lenkgerät und ein elektrischer Kompressor zugenommen. Dies führt zur Einführung von Hochspannungs-Energiesystemen (beispielsweise 42V), die stark dazu beitragen können, eine Miniaturisierung zu realisieren und die Wirkungsgrade der Energieerzeugung verbessern und Geräte oder Vorrichtungen am Fahrzeug versorgen.
Auf der anderen Seite sind Heizlasten, wie beispielsweise ein Scheinwerfer und Gleichstromgeräte oder -vorrichtungen, die einen Kommutator verwenden, wie bei spielsweise ein Scheibenwischer und ein Anlasser, nicht für die Verwendung mit einem Hochspannungs-Stromversorgungssystem geeignet, und zwar im Hinblick auf die Lebensdauer und die Erhöhung der Funkenbildung im Betrieb. Somit sind Niedrigspannungs-Stromversorgungssysteme (beispielsweise 14V) weiterhin für solche Heizlasten und Gleichstromgeräte oder -vorrichtungen erforderlich.
Um sowohl die Hochspannungs- als auch Niedrigspannungsanforderungen zu erfüllen, kann ein Fahrzeug, welches einen Elektrogenerator enthält, der lediglich eine hohe Ausgangsspannung erzeugt, einen Gleichstrom-Gleichstrom-Umsetzer enthalten, um eine niedrige Ausgangsspannung zu erzeugen; ansonsten kann das Fahrzeug einen zusätzlichen Elektrogenerator enthalten, der eine niedrige Ausgangsspannung erzeugt.
Jedoch ist die Verwendung solcher zusätzlicher Vorrichtungen, wie beispielsweise eines Gleichstrom-Gleichstrom-Umsetzers und eines Elektrogenerators für eine niedrige Ausgangsspannung ein Kostenerhöhungsfaktur bei der Herstellung, was auch einen zusätzlichen Installationsraum am Fahrzeug erfordert.

Um dieses Problem zu lösen, ist beispielsweise in der japanischen Patent-Erstveröffentlichung Nr. H06-105512 und dem japanischen Patent: Nr. 2946592 ein Lösungsvorschlag offenbart. Gemäß diesem Lösungsvorschlag kann ein einzelner Elektrogenerator eine Vielzahl an Statorwicklungen enthalten, um auf diese Weise sowohl eine hohe Ausgangsspannung als auch eine niedrige Ausgangsspannung zu erzeugen.

Wenn jedoch ein Elektrogenerator so ausgelegt ist, daß er zwei Sätze an Statorwicklungen und Gleichrichtern enthält, und zwar einen zum Erzeugen einer hohen Ausgangsspannung und einen anderen zum Erzeugen einer niedrigen Ausgangsspannung, wird einer der zwei Sätze nicht voll ausgenutzt, wenn die elektrischen Lasten mit einer Spannung arbeiten, die dadurch erzeugt werden und abnehmen. Demzufolge ist das Kosten-/Qualitätsverhältnis des Elektrogenerators hoch.

Ein anderer Lösungsvorschlag kann ebenfalls in Betracht gezogen werden, gemäß welchem zwei Schaltkreise zum Erzeugen von jeweiligen Ausgangsspannungen in Reihe geschaltet sind, so daß eine hohe Ausgangsspannung, welche aus einer Vektorsumme von Ausgangsspannungen von zwei Schaltkreisen gebildet ist, erhalten werden kann.

Da jedoch bei dem oben erläuterten Fall die Zahl der Gleichrichter-Elemente in den zwei Schaltkreisen hoch ist, fällt die vorwärts gerichtete Spannung aufgrund der Gleichrichter-Elemente ab, und die interne Impedanz der gesamten Schaltung ist daher entsprechend hoch, so daß es schwierig ist, eine große Energie zu liefern. Ferner ist es auch schwierig, in geeigneter Weise die hohe und die niedrige Ausgangsspannung der gesamten Schaltung zu steuern oder zu regeln, so daß beide Ausgangsspannungen nicht in zuverlässiger Weise erzeugt werden können.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf das oben erläuterte Problem entwickelt.

Es ist daher eine primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Elektrogenerator für ein Fahrzeug zu schaffen, der eine einfache Konstruktion aufweist und der in zuverlässiger Weise zwei unterschiedliche Ausgangsspannungen zur gleichen Zeit erzeugen kann.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Elektrogenerator geschaffen, der einen Rotor, einen Stator, einen Gleichrichter und einen Regulator enthält.

Der Rotor enthält eine Feldwicklung. Der Stator enthält eine erste und eine zweite Dreiphasen-Wicklung, von denen jede drei Ausgangsanschlüsse aufweist entsprechend den jeweiligen Phasen. Der Gleichrichter arbeitet in solcher Weise, daß er die Ausgangsgrößen der ersten und der zweiten Dreiphasen-Wicklung gleichrichtet. Der Regu lator arbeitet in solcher Weise, um die Ausgangsgrößen der ersten und der zweiten Dreiphasen-Wicklungen zu steuern oder zu regeln, und zwar durch Steuern eines Feldstromes, welcher der Feldwicklung zugeführt wird.

Bei dem zuvor erläuterten Generator enthält der Gleichrichter Folgendes:
drei Gleichrichter-Elementgruppen, von denen jede ein erste, ein zweites und ein drittes Gleichrichter-Element enthält, die in Reihe geschaltet sind, wobei die drei Gleichrichter-Elementgruppen parallel geschaltet sind, um eine erste gemeinsame Verbindung zu erzeugen, welche freie Anschlüsse der drei ersten Gleichrichter-Elemente verbindet, und um einen zweiten gemeinsamen Verbindungspunkt zu schaffen, der freie Anschlüsse der drei dritten Gleichrichter-Elemente verbindet, wobei alle Gleichrichter-Elemente der drei Gruppen die gleiche Vorwärtsrichtung von dem zweiten gemeinsamen Verbindungspunkt zu dem ersten gemeinsamen Verbindungspunkt aufweisen; und
drei vierte Gleichrichter-Elemente, von denen jedes einen Anschluß aufweist, der mit einer Verbindung bzw. Verbindungspunkt zwischen den zweiten und den dritten Gleichrichter-Elementen verbunden ist, und zwar von einem entsprechenden einen der drei Gleichrichter-Elementgruppen, und wobei der andere Anschluß mit einem dritten gemeinsamen Verbindungspunkt verbunden ist, um eine Vorwärtsrichtung von dem Verbindungspunkt zu dem dritten gemeinsamen Verbindungspunkt zu realisieren.

Ferner ist bei dem oben erläuterten Elektrogenerator jeder der drei Ausgangsanschlüsse der ersten Dreiphasen-Wicklung mit einem Verbindungspunkt zwischen den ersten und den zweiten Gleichrichter-Elementen verbunden, und zwar von einem entsprechenden einen der drei Gleichrichter-Elementgruppen;
jeder der drei Ausgangsanschlüsse der zweiten Dreiphasen-Wicklung ist mit einem Verbindungspunkt zwischen dem zweiten und dem dritten Gleichrichter-Element einer entsprechenden einen der drei Gleichrichter-Elementgruppen verbunden; und
der erste gemeinsame Verbindungspunkt dient als ein Hochspannungs-Ausgangsanschluß zum Ausgeben einer ersten Spannung, und der dritte gemeinsame Verbindungspunkt dient als ein Niedrigspannungs-Ausgangsanschluß zum Ausgeben einer zweiten Spannung, die niedriger ist als die erste Spannung.

Bei der oben erläuterten Anordnung ist es für den Elektrogenerator möglich, zwei unterschiedliche Ausgangsspannungen zur gleichen Zeit unter Verwendung eines einzelnen Gleichrichters zu erzeugen.

Verglichen mit einem existierenden Elektrogenerator, der zwei in Reihe geschaltete Sätze an Dreiphasen-Wicklungen und Gleichrichtern aufweist, besitzt der Elektrogenerator gemäß der vorliegenden Erfindung eine sehr viel einfachere Konstruktion, wodurch die vorwärts gerichteten Spannungsabfälle reduziert werden, und zwar aufgrund von Dioden und aufgrund der internen Impedanz des Elektrogenerators.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung regelt bei dem oben erläuterten Elektrogenerator der Regulator die Feldstromzufuhr zu der Feldwicklung, um eine Spannung zu halten, die eine Funktion von einer der Spannungen gemäß der ersten Spannung und der zweiten Spannung ist, und zwar innerhalb eines vorbestimmten Bereiches zu halten.

Da die Hoch- und Niedrigspannungs-Ausgangsanschlüsse in dem Gleichrichter miteinander verkettet sind, werden die erste und die zweite Spannung während der Energieerzeugung aneinander gebunden. Es ist demzufolge möglich, in zuverlässiger Weise sowohl die erste als auch die zweite Spannung zu erzeugen, und zwar durch Regeln oder Steuern der Feldstromzufuhr zu der Feldwicklung, basierend auf einer der zwei Spannungen.

Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung enthält der oben erläuterte Elektrogenerator einen Stator, der einen Kern aufweist, und zwar mit einer ersten Gruppe an Schlitzen, in welche die erste Dreiphasen-Wicklung aufgenommen ist, und enthält eine zweite Gruppe an Schlitzen, in welche die zweite Dreiphasen-Wicklung aufgenommen ist. Ferner ist ein Verhältnis der Zahl der Schlitze in der ersten Gruppe zu demjenigen in der zweiten Gruppe gleich einem Verhältnis aus der Zahl der Windungen in der ersten Dreiphasen-Wicklung zu derjenigen in der zweiten Dreiphasen-Wicklung.

Es wird bei solch einer Anordnung möglich, einen Stab-Leiter mit niedriger Impedanz zu verwenden, der einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist, dessen Verwendung allgemein eine kleine Anzahl von Windungen in dem Schlitz erfordert, um die zwei Dreiphasen-Wicklungen zu bilden. Daher besitzen die zwei Dreiphasen-Wicklungen auch eine niedrige Impedanz, wodurch der Wirkungsgrad des Elektrogenerators verbessert wird. Ferner wird es auch möglich, den Raumfaktor der zwei Dreiphasen-Wicklungen ohne Kompromiß mit Isolationseigenschaften derselben zu verbessern.

Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung kann bei dem oben erläuterten Elektrogenerator die Feldwicklung mit einem Niedrigspannungs-Ausgangsanschluß verbunden sein.

Als ein Ergebnis wird die zweite Spannung (d.h. die niedrige Spannung) an die Feldwicklung angelegt, wodurch auch eine Korrosion der Feldwicklung unterdrückt wird und auch eine Korrosion an damit in Bezug stehenden Komponenten, wie beispielsweise Schleifringen.

Ansonsten kann der Gleichrichter auch drei fünfte Gleichrichter-Elemente enthalten, von denen jedes einen Anschluß aufweist, der mit einem Verbindungspunkt zwischen dem ersten und dem zweiten Gleichrichter-Element einer entsprechenden einen Gruppe der drei Gleichrichter-Elementgruppen verbunden ist und wobei der andere Anschluß mit einem vierten gemeinsamen Verbindungspunkt verbunden ist, um dadurch eine vorwärts verlaufende Richtung von dem Verbindungspunkt zu dem vierten gemeinsamen Verbindungspunkt zu realisieren, wobei die Feldwicklung mit dem vierten gemeinsamen Verbindungspunkt verbunden werden kann.

Als ein Ergebnis wird eine erste Spannung (d.h. eine hohe Spannung) an die Feldwicklung angelegt, so daß das Verhältnis aus dem Feldstrom zu dem gesamten Ausgangsstrom klein wird, wodurch ebenfalls der Wirkungsgrad des Elektrogenerators verbessert wird.

Gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung enthält der oben erläuterte Elektrogenerator ferner einen Schalter, der in Reihe mit einer der ersten und zweiten Dreiphasen-Wicklungen geschaltet ist, wobei der Regulator den Schalter einschaltet, wenn der Elektrogenerator sich mit niedriger Drehzahl dreht, und ausschaltet, wenn sich der Elektrogenerator mit hoher Drehzahl dreht.

Als ein Ergebnis wird es durch Steuern der Ein-/Aus-Operation des Schalters möglich, die Zahl der Windungen der effektiven Wicklung in Stufen zu reduzieren, wenn die Drehzahl des Elektrogenerators ansteigt, wodurch die Ausgangsleistung des Elektrogenerators erhöht wird. Darüber hinaus wird es auch möglich, die interne Impedanz des Elektrogenerators zu reduzieren, wodurch ein Abfallen der ersten Spannung unterdrückt wird, wenn eine große Last an den Hochspannungs-Ausgangsanschluß angeschlossen wird. Darüber hinaus, wird es auch möglich, ein Abfallen der zweiten Spannung zu verhindern, so daß dadurch eine Stabilität der Stromerzeugung sichergestellt wird.

Gemäß einem sechsten Aspekt der Erfindung wird bei dem oben erläuterten Elektrogenerator das Verhältnis aus der Zahl der Windungen in der zweiten Dreiphasen-Wicklung zu derjenigen in der ersten Dreiphasen-Wicklung so eingestellt, daß es größer ist als V2/(V1 – V2), worin V1 und V2 Nennwerte der ersten bzw. der zweiten Spannung sind.

Als ein Ergebnis wird es möglich, das Verhältnis aus der zweiten Spannung zu der ersten Spannung auf V2/V1 anzunähern, wenn eine große elektrische Last an den Niedrigspannungs-Ausgangsanschluß angeschlossen wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung kann vollständiger anhand der detaillierten nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen verstanden werden, die jedoch nicht so zu interpretieren ist, daß die Erfindung durch die spezifischen Ausführungsformen eingeschränkt ist, welche lediglich dem Zweck der Erläuterung und des Verstehens dienen.
In den Zeichnungen zeigen
1 eine schematische Ansicht, welche die Gesamtkonfiguration eines Elektrogenerators gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wiedergibt;
2 eine Ansicht, die einen Teil eines Rotors und eines Stators des Elektrogenerators von 1 veranschaulicht, und zwar entlang der Umfangsrichtung;
3 eine schematische Ansicht, welche die Gesamtkonfiguration eines Elektrogenerators gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
4 eine schematische Ansicht, die eine Gesamtansicht des Elektrogenerators gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
5 eine grafische Repräsentation, welche die Beziehung der Drehzahl und des Ausgangsstromes des Elektrogenerators von 4 in Verbindung mit einer Ein-/Aus-Operation von Schaltergruppen S1 und S2 in dem Elektrogenerator wiedergibt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Hinweis auf die 1–5 beschrieben.
Es sei darauf hingewiesen, daß der Klarheit halber und zum Verständnis identische Komponenten mit identischen Funktionen in den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung dort, wo dies möglich ist, mit den gleichen Bezugszeichen in jeder Figur bezeichnet sind.
[Erste Ausführungsform]
1 zeigt eine Gesamtansicht eines Elektrogenerators (Drehstromgenerators) 100 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Elektrogenerator 100 dient für die Verwendung in einem Automobil.
Wie in 1 gezeigt ist, enthält der Elektrogenerator 100 eine Feldwicklung 10, eine erste Dreiphasen-Wicklung 20, eine zweite Dreiphasenwicklung 22, einen Gleichrichter 30 und einen Spannungsregulator 50.
Die Feldwicklung 10 ist in einem Rotor 1 des Elektrogenerators 100 vorgesehen.
Die erste und die zweite Dreiphasen-Wicklung 20 und 22 sind in einem Stator 2 des Elektrogenerators 100 vorgesehen. Das Verhältnis der Anzahl der Windungen in der ersten Dreiphasen-Wicklung 20 zu derjenigen in der zweiten Dreiphasen-Wicklung 22 liegt bei 2 : 1.
Ein Gleichrichter 30 enthält eine Vielzahl an Dioden, die als Gleichrichterelemente dienen, und ist so konfiguriert, um eine Vollwellen-Gleichrichtung der Ausgangsgrößen der ersten und der zweiten Dreiphasen-Wicklung 20 und 22 durchzuführen.
Der Spannungsregulator 50 arbeitet in solcher Weise, um die Ausgangsspannungen des Elektrogenerators 100 zu regulieren, und zwar durch Steuern eines Feldstromes, welcher der Feldwicklung 10 zugeführt wird.
Der Elektrogenerator 100 enthält ferner einen Hochspannungs-Ausgangsanschluß 32 zum Ausgeben einer hohen Spannung von 42V und einen Niedrigspannungs-Ausgangsanschluß 33 zum Ausgeben einer niedrigen Spannung von 14V. Der Hochspannungs-Ausgangsanschluß 32 ist mit einer Hochspannungs-Batterie 90 verbunden, die eine Nennspannung von 42V aufweist, während jedoch der Niedrigspannungs-Ausgangsanschluß 33 mit einer Niedrigspannungs-Batterie 92 verbunden ist, deren Nennspannung 14V beträgt.
2 zeigt einen Teil des Rotors 1 und des Stators 2 des Elektrogenerators 100 entlang der Umfangsrichtung.
Der Rotor 1 besteht aus einem Lundell-Klauenpol-Rotor mit zwölf Polen 12. Die Feldwicklung 10 ist in dem Innenumfang des Rotors 1 ausgebildet, und die Zahl der Windungen der Feldwicklung 10 liegt beispielsweise bei 500.
Der Stator 3 enthält einen Kern 26, der den Rotor 1 umschließt. Der Kern 26 ist durch Laminieren von dünnen elektromagnetischen Stahlblechen gebildet, die eine vorgeschriebene Dicke von beispielsweise 0,35mm aufweisen, und enthält 108 Schlitze 24, die darin ausgebildet sind. Innerhalb jedes der Schlitze 24 sind zwei Leiterdrähte 28 gewickelt und sind miteinander in Reihe geschaltet.
Wie ferner in 2 gezeigt ist, sind für jeden der Pole 12 neun entsprechende Schlitze 24 vorgesehen. Die leitenden Drähte 28 in den neun Schlitzen 24 bilden Wicklungen X1, X2, -V, -Z1, -Z2, U, Y1, Y2, -W. Darüber hinaus sind die Wicklungen X1 und X2 miteinander in Reihe geschaltet, um einen Teil einer X-Phasen-Wicklung der ersten Dreiphasen-Wicklung 20 zu bilden; die Wicklungen -Z1 und -Z2 sind miteinan der in Reihe geschaltet, um einen Teil einer Z-Phasen-Wicklung der ersten Dreiphasen-Wicklung 20 zu bilden; und es sind die Wicklungen Y1 und Y2 miteinander in Reihe geschaltet, um eine Y-Phasen-Wicklung der ersten Dreiphasen-Wicklung 20 zu bilden. Auf der anderen Seite bilden die Wicklungen -W, -V, U eine W-Phasen-, eine V-Phasen- und eine U-Phasen-Wicklung der zweiten Dreiphasen-Wicklung 22. Es sei darauf hingewiesen, daß das hier verwendete Minuszeichen eine Umkehr-Wicklungsrichtung bezeichnet und somit eine Umkehrphase in der Spannung bedeutet.
Demzufolge ist die Phase der Spannung, die in der X-Phasenwicklung der ersten Dreiphasen-Wicklung 20 induziert wird, nahezu umgekehrt zu derjenigen der Spannung, die in der V-Phasen-Wicklung der zweiten Dreiphasen-Wicklung 22 induziert wird; die Phase der Spannung, die in der Y-Phasen-Wicklung der ersten Dreiphasen-Wicklung 20 induziert wird, ist nahezu umgekehrt zu derjenigen der Spannung gerichtet, die in der W-Phasen-Wicklung der zweiten Dreiphasen-Wicklung 22 induziert wird; und die Phase der Spannung, die in der Z-Phasen-Wicklung der ersten Dreiphasen-Wicklung 20 induziert wird, ist nahezu umgekehrt zu derjenigen der Spannung, die in der U-Phasen-Wicklung der zweiten Dreiphasen-Wicklung 22 induziert wird.
Um auf 1 zurückzukommen, so besitzen die X-, Y- und Z-Phasen-Wicklungen der ersten Dreiphasen-Wicklung 20 jeweilige Ausgangsanschlüsse 14, 15 und 16, die nmit dem Gleichrichter 30 verbunden sind. In ähnlicher Weise besitzen die U-, V- und W-Phasenwicklungen der zweiten Dreiphasen-Wicklung 22 jeweilige Ausgangsanschlüsse 17, 18 und 19, die mit dem Gleichrichter 30 verbunden sind.
Der Gleichrichter 30 besitzt eine Dreischicht-Struktur. Er enthält drei Diodengruppen, von denen jede eine positive Anschlußdiode, eine Pufferdiode und eine negative Anschlußdiode enthält, die in Reihe geschaltet sind.
Spezifischer ausgedrückt dnthält die erste Gruppe eine positive Anschlußdiode 36a, eine Pufferdiode 20a und eine negative Anschlußdiode 38a; die zweite Gruppe enthält eine positive Anschlußdiode 36b, eine Pufferdiode 40b und eine nega tive Anschlußdiode 38b; und die dritte Gruppe enthält eine positive Anschlußdiode 36c, eine Pufferdiode 40c und eine negative Anschlußdiode 38c.
Ferner sind drei drei Diodengruppen parallel geschaltet, so daß ein erster gemeinsamer Verbindungspunkt vorliegt, welcher die Anoden der drei positiven Anschlußdioden 36a–36c verbindet, und ein zweiter gemeinsamer Verbindungspunkt vorliegt, der die Kathoden der drei negativen Anschlußdioden 38a–38c verbindet. Als ein Ergebnis haben alle Dioden in den drei Diodengruppen die gleiche Vorwärtsrichtung von dem zweiten gemeinsamen Verbindungspunkt zu dem ersten gemeinsamen Verbindungspunkt hin. Der erste gemeinsame Verbindungspunkt ist mit einem Hochspannungs-Ausgangsanschluß 32 des Gleichrichters 30 verbunden, während der zweite gemeinsame Verbindungspunkt mit einem Negativ-Anschluß 34 desselben verbunden ist. Der Hochspannungs-Ausgangsanschluß 32 ist ferner mit dem positiven Anschluß der Hochspannungs-Batterie 90 verbunden.
Darüber hinaus sind die Ausgangsanschlüsse 14, 15 und 16 der X-, Y- und Z-Phasen-Wicklungen der ersten Dreiphasen-Wicklung 20 jeweils zwischen die Dioden 36a und 40a geschaltet, zwischen die Dioden 36b und 40b und zwischen die Dioden 36c und 40c geschaltet. Auf der anderen Seite sind die Ausgangsanschlüsse 17, 18 und 19 der U- V- und W-Phasen-Wicklungen der zweiten Dreiphasen-Wicklung 22 jeweils zwischen die Dioden 38c und 40c bzw. zwischen die Dioden 38a und 40a bzw. zwischen die Dioden 38b und 40b geschaltet.
Der Gleichrichter 30 enthält ferner drei Dioden 42a–42c, deren Kathoden jeweils zwischen die Dioden 38a und 40a, zwischen die Dioden 38b und 40b und zwischen die Dioden 38c und 40c geschaltet sind. Auf der anderen Seite sind die Anoden der drei Dioden 42a–42c mit einem dritten gemeinsamen Verbindungspunkt verbunden, der mit einem Niedrigspannungs-Ausgangsanschluß 33 des Gleichrichters 30 verbunden ist. Der Niedrigspannungs-Ausgangsanschluß 33 ist ferner mit dem positiven Anschluß der Niedrigspannungs-Batterie 92 verbunden.
Der Gleichrichter 30 enthält ferner drei Dioden 44a–44c, deren Kathoden jeweils zwischen die Dioden 36a und 40a, zwischen die Dioden 36b und 40b und zwischen die Dioden 36c und 40c geschaltet sind. Auf der anderen Seite sind die Anoden der drei Dioden 44a–44c mit einem vierten gemeinsamen Verbindungspunkt verbunden, der mit dem Spannungsregulator 50 verbunden ist.
Der Spannungsregulator 50 enthält einen Schalter 52, eine frei laufende Diode 54, drei Spannungskomparatoren 56, 58 und 60, eine ODER-Schaltung 62 und eine UND-Schaltung 64.
Der Schalter 52 ist in Reihe mit der Feldwicklung 10 geschaltet und so konfiguriert, daß er selektiv ein- und ausgeschaltet werden kann, um dadurch die Feldstromzufuhr von dem Gleichrichter 30 zu der Feldwicklung 10 zu steuern.
Die frei laufende Diode 54 ist parallel zu der Feldwicklung 10 geschaltet, um dadurch den Feldstrom wiederzugewinnen, der in der Feldwicklung 10 fließt, wenn der Schalter 52 von Ein nach Aus geschaltet wird.
Der Spannungskomparator 56 besitzt einen Plus-Eingangsanschluß, an welchen die Klemmenspannung der Niedrigspannungs-Batterie 92 angelegt wird, und zwar über einen Zündschalter 94, und besitzt einen Minus-Eingangsanschluß, an den eine Bezugsspannung V1 angelegt wird. Die Bezugsspannung V1 ist so eingestellt, daß sie niedriger ist als die Klemmenspannung der Niedrigspannungs-Batterie 92, so daß dann, wenn der Zündschalter 94 eingeschaltet wird, ein Hochpegelsignal von dem Spannungskomparator 56 an einen ersten Eingangsanschluß der LTND-Schaltung 64 ausgegeben wird.
Der Spannungskomparator 58 besitzt einen Minus-Eingangsanschluß, an den die Klemmenspannung der Hochspannungs-Batterie 90 angelegt wird, und besitzt eine Plus-Eingangsanschluß, an den eine Bezugsspannung V2 angelegt wird. Der Spannungskomparator 58 gibt ein Hochpegelsignal an einen ersten Eingangsanschluß der ODER-Schaltung 62 aus, wenn die Klemmenspannung der Hochspannungs-Batterie 90 niedri ger ist als die Bezugsspannung V2. Es sei darauf hingewiesen, daß anstelle der Klemmenspannung der Hochspannungs-Batterie 90 die Ausgangsspannung des Hochspannungs-Ausgangsanschlusses 32 des Gleichrichters 32 oder eine Spannung, die eine Funktion der Ausgangsspannung der Klemme 32 ist, ebenfalls angelegt werden kann.
Der Spannungskomparator 60 besitzt einen Minus-Eingangsanschluß, an den die Klemmenspannung der Niedrigspannungs-Batterie 92 angelegt wird, besitzt einen Plus-Eingangsanschluß, an den eine Bezugsspannung V3 angelegt wird. Der Spannungskomparator 60 gibt ein Hochpegelsignal an einen zweiten Eingangsanschluß des ODER-Gatters 62 aus, wenn die Klemmenspannung der Niedrigspannungs-Batterie 92 niedriger liegt als die Bezugsspannung V3. Es sei darauf hingewiesen, daß anstelle der Klemmenspannung der Niedrigspannungs-Batterie 92 die Ausgangsspannung des Niedrigspannungs-Ausgangsanschlusses 33 des Gleichrichters 30 oder eine Spannung, die eine Funktion der Ausgangsspannung der Klemme 33 ist, ebenso angelegt werden kann.
Die ODER-Schaltung 62 besitzt den ersten und den zweiten Eingangsanschluß, über welchen Signale, die von dem Spannungskomparator 58 und von dem Spannungskomparator 60 ausgegeben werden, jeweils eingespeist werden, und gibt ein Hochpegelsignal an den zweiten Eingangsanschluß der UND-Schaltung 64 aus, wenn wenigstens einer der Pegel der eingespeisten Signale hoch ist. Konsequenterweise, wenn die Klemmenspannung der Hochspannungsbatterie 90 niedriger wird als die Bezugsspannung V2 oder/und diejenige der Niedrigspannungs-Batterie 92 niedriger wird als die Bezugsspannung V3, so daß wenigstens einer der Komparatoren gemäß den Spannungskomparatoren 58 und 60 das Hochpegelsignal ausgibt, gibt die ODER-Schaltung das Hochpegelsignal an die LTND-Schaltung 64 aus.
Die UND-Schaltung 64 besitzt einen ersten und einen zweiten Eingangsanschluß, über welchen Signale, die von dem Spannungskomparator 56 und der ODER-Schaltung 62 ausgegeben werden, eingespeist werden, und gibt ein Hochpegelsignal an den Schalter 62 aus, wenn beide Pegel der eingespeisten Signale hoch sind. Da der Komparator 56 damit fortfährt, das Hochpegelsignal auszugeben, nachdem der Zündschalter 94 eingeschaltet wurde, gibt die UND-Schaltung 64 das Hochpegelsignal an den Schalter 52 aus, wenn die Klemmenspannung der Hochspannungs-Batterie 90 niedriger wird als die Bezugsspannung V2 oder/und diejenige der Niedrigspannungs-Batterie 92 niedriger wird als die Bezugsspannung V3.
Nach dem Empfangen des Hochpegelsignals von der UND- Schaltung 64 wird der Schalter 52 eingeschaltet, so daß der Feldstrom von dem Gleichrichter 30 der Feldwicklung 10 zugeführt wird.
Nachdem die Gesamtkonfiguration des Elektrogenerators 100 beschrieben wurde, soll die Betriebsweise desselben im Folgenden erläutert werden.
Zuerst ist die Startoperation des Elektrogenerators 100 wie folgt.
Wenn der Zündschalter 94 eingeschaltet wird, wird der Elektrogenerator 100 durch die Maschine (nicht gezeigt) des Fahrzeugs angetrieben, um sich zu drehen. Zur gleichen Zeit wird dem Spannungsregulator 50 die elektrische Energie durch eine Stromversorgungsschaltung (nicht gezeigt) zugeführt, so daß dieser in Betrieb genommen werden kann.
Wenn dann die Klemmenspannung der Hochspannungs-Batterie 90 niedriger ist als die Bezugsspannung V2 oder/und diejenige der Niedrigspannungs-Batterie 92 niedriger ist als die Bezugsspannung V3, wird der Schalter 52 eingeschaltet, so daß der Feldwicklung 10 ein Feldstrom zugeführt wird. Konsequenterweise wird ein sich drehendes Feld für den Stator 2 erzeugt.
Um erneut auf 2 einzugehen, so sind für jeden der Pole 12 neun entsprechende Schlitze 24 in dem Kern 26 ausgebildet; daher ist die Differenz in der Phase zwischen den Spannungen, die in den Wicklungen in den benachbarten Schlitzen 24 induziert werden, gleich π/9.
Demzufolge ist die Phasendifferenz zwischen der Spannung, die in der ersten Dreiphasen-Wicklung 20 induziert wird, und derjenigen, die in der zweiten Dreiphasen-Wicklung 22 induziert wird, gleich π/6. Beispielsweise ist die X-Phasenwicklung der ersten Dreiphasen-Wicklung 20 dadurch gebildet, indem die Wicklungen X1 und X2 in Reihe verbunden werden. Daher beträgt die Differenz in der Phase zwischen der Spannung, die in der X-Phasenwicklung induziert wird, und derjenigen, die in der V-Phasenwicklung der zweiten Dreiphasen-Wicklung 22 induziert wird, gleich (3/2 X π/9), d.h. π/6.
Da darüber hinaus das Verhältnis zwischen der Anzahl der Windungen in der ersten Dreiphasen-Wicklung 20 zu derjenigen in der zweiten Dreiphasen-Wicklung 22 gleich ist 2 : 1, ist das Verhältnis der Spannung, die in der ersten Dreiphasen-Wicklung 20 induziert wird, zu derjenigen, die in der zweiten Dreiphasen-Wicklung 22 induziert wird, demzufolge gleich 2 : 1.
Wie ferner in 1 gezeigt ist, wird die Spannung, die in der ersten Dreiphasen-Wicklung 20 induziert wird, über die Pufferdioden 40a–40c in dem Gleichrichter 30 zu der Spannung hinzuaddiert, die in der zweiten Dreiphasen-Wicklung 22 induziert wird. Demzufolge wird ein elektrischer Strompfad gemäß den Strichlierungslinien in 1 ausgebildet, wodurch eine hohe und eine niedrige Gleichspannung jeweils von dem Hochspannungs-Ausgangsanschluß 32 und dem Niedrigspannungs-Ausgangsanschluß 33 ausgegeben wird. Das Verhältnis der Hochspannung; zu der niedrigen Spannung ist somit 3 : 1.
Dann wird die Hochspannungs-Batterie 90 und die Niedrigspannungs-Batterie 92 jeweils mit der hohen und der niedrigen Spannung geladen, so daß die Klemmenspannung der Batterien 90 und 92 geeignete Pegel erreichen.
Als nächstes wird die Betriebsweise des Elektrogenerators 100 für eine Handhabung einer elektrischen Laständerung beschrieben.
Wenn beispielsweise die elektrische Last (nicht gezeigt), die beispielsweise an die Hochspannungs-Batterie 90 angeschlossen ist, anwächst, wird mehr Strom von der Hochspannungs-Batterie 90 ausgegeben, die eine geringere innere Impedanz als der Elektrogenerator 100 besitzt, wodurch die Klemmenspannung der Hochspannungsbatterie 90 reduziert wird.
Wenn ferner die Klemmenspannung der Hochspannungs-Batterie 90 abfällt, fällt auch die Ausgangsspannung an dem Hochspannungs-Ausgangsanschluß 32 ab. Dies bewirkt, daß die Ausgangsspannung an dem Niedrigspannungs-Ausgangsanschluß 33 ebenfalls abfällt. Da jedoch die zwei Anschlüsse 32 und 33 elektrisch miteinander in dem Gleichrichter 30 verkettet sind, liegt das Verhältnis zwischen den Ausgangsspannungen desselben bei 3 : 1 und wird aufrechterhalten. Wenn somit die Ausgangsspannung des Anschlusses 32 in einem geeigneten Bereich bleibt, bleibt auch die Spannung des Ausgangsanschlusses 33 in einem geeigneten Bereich.
Wenn jedoch eine der Ausgangsspannungen an den Anschlüssen 32 und 33 unter den geeigneten Bereich abfällt, gibt wenigstens einer der Spannungskomparatoren 58 und 60 das Hochpegelsignal aus. Dann wird der Schalter 52 eingeschaltet, so daß die Feldwicklung 10 mit dem Feldstrom versorgt wird. Demzufolge werden die hohe und die niedrige Spannung induziert und werden an den Anschlüssen 32 und 33 ausgegeben, wodurch die Hochspannungs-Batterie und die Niedrigspannungs-Batterie 90 und 92 geladen werden.
Wenn darüber hinaus eine große Last an eine der zwei Batterien 90 und 92 angeschlossen wird, nimmt die elektrische Energie zu, die der elektrischen Last zugeführt wird, und auch der Batterie, an die die elektrische Last angeschlossen ist, während diejenige, die der anderen Batterie zugeführt wird, reduziert wird, wodurch dann ein Überladen der letzteren Batterie verhindert wird.
Wenn beispielsweise eine große elektrische Last an die Hochspannungs-Batterie 90 angeschlossen wird, fallen sowohl die Klemmenspannung der Hochspannungs- Batterie 90 als auch die Ausgangsspannung des Hochspannungs-Ausgangsanschlusses 32 beträchtlich ab; somit fällt auch das elektrische Potential an den Kathoden der drei Dioden 42a–42c beträchtlich ab. Jedoch wird gleichzeitig ohne eine große elektrische Last, die daran angeschlossen ist, die Klemmenspannung der Niedrigspannungs-Batterie 92 nicht abnehmen. Demzufolge fließt lediglich ein geringer Strom von dem Niedrigspannungs-Ausgangsanschluß 33 zu der Niedrigspannungs-Batterie 92, so daß ein Überladen der Batterie 92 verhindert wird. Demzufolge wird die elektrische Energie, die durch den Elektrogenerator 100 erzeugt wird, aufrechterhalten und wird für den Betrieb und für das Laden der großen elektrischen Last bzw. der Hochspannungs-Batterie 90 zugeführt.
Nachdem beide Klemmenspannungen der Batterien 90 und 92 in die jeweiligen geeigneten Bereiche zurückgekehrt sind, geben beide Spannungskomparatoren 58 und 60 ein Niedrigpegelsignal aus, so daß der Schalter 52 ausgeschaltet wird, wodurch dann die Zufuhr des Feldstromes zu der Feldwicklung 10 gestoppt wird.
Um zusammenzufassen, sind bei dem Elektrogenerator 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Ausgangsanschlüsse der zwei Dreiphasen-Wicklungen 20 und 22 getrennt an einen einzelnen Gleichrichter 30 angeschlossen, der eine Dreischichtstruktur besitzt, wie dies oben beschrieben wurde, wodurch zwei unterschiedliche Ausgangsspannungen zur gleichen Zeit erzeugt werden.
Verglichen mit einem existierenden Elektrogenerator, der zwei in Reihe geschaltete Sätze an Dreiphasen-Wicklungen und Gleichrichter aufweist, besitzt der Elektrogenerator 100 eine sehr viel einfachere Struktur, wodurch die vorwärtsgerichteten Spannungsabfälle aufgrund von Dioden reduziert werden und auch die interne Impedanz des Elektrogenerators 100 reduziert wird.
Ferner sind in dem Elektrogenerator 100 der Hochspannungs-Ausgangsanschluß 32 und der Niedrigspannungs-Ausgangsanschluß 33 in dem Gleichrichter 30 miteinander verkettet, so daß die Ausgangsspannungen der zwei Anschlüsse 32 und 33 während der Energieerzeugung aneinander gebunden sind, und zwar basierend auf dem Verhältnis zwischen den Windungszahlen zwischen der ersten und der zweiten Dreiphasen-Wicklung 20 und 22. Es ist demzufolge möglich, in zuverlässiger Weise die zwei Ausgangsspannungen zu erzeugen, und zwar durch Steuern der Feldstromzufuhr zu der Feldwicklung 10, basierend auf einer der zwei Ausgangsspannungen.
Zusätzlich besitzt in dem Elektrogenerator 100 der Kern 26 des Stators 2 gemäß der Darstellung in 2 eine erste Gruppe an Schlitzen (d.h. X1, X2, -Z1, -Z2, Y1 und Y2), in denen die erste Dreiphasen-Wicklung 20 aufgenommen ist, und besitzt eine zweite Gruppe an Schlitzen (d.h. -V, U und -W), in welchen die zweite Dreiphasen-Wicklung 22 aufgenommen ist. Das Verhältnis der Windungszahlen in der ersten Dreiphasen-Wicklung 20 zu denjenigen in der zweiten Dreiphasen-Wicklung 22 ist gleich dem Verhältnis der Anzahl der Schlitze in der ersten Gruppe zu derjenigen in der zweiten Gruppe.
Da die erste und die zweite Dreiphasen-Wicklung 20 und 22 in unterschiedlichen Gruppen an Schlitzen aufgenommen sind, wird es möglich, einen Niedrigimpedanz-Stableiter zu verwenden, der einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist, dessen Verwendung allgemein eine kleine Anzahl von Windungen in einem Schlitz erfordert, um die Wicklungen 20 und 22 zu bilden. Demzufolge besitzen die resultierenden Dreiphasen-Wicklungen 20 und 22 eine niedrige Impedanz, wodurch auch der Wirkungsgrad des Elektrogenerators 100 verbessert wird. Es wird ferner möglich, den Raumfaktor der Dreiphasen-Wicklungen 20 und 22 ohne Kompromiß mit Isolationseigenschaften zu verbessern.
Da darüber hinaus bei dem Elektrogenerator 100 der Feldstrom von dem Hochspannungs-Ausgangsanschluß 32 zu der Feldwicklung 10 zugeführt wird, wird das Verhältnis aus dem Feldstrom zu dem Gesamt-Ausgangsstrom klein, und zwar verglichen mit einem Fall gemäß Zufuhr des Feldstromes von dem Niedrigspannungs-Ausgangsanschluß 33 aus, wodurch weiter der Wirkungsgrad des Elektrogenerators 100 verbessert wird.
[Zweite Ausführungsform]
Bei der früheren Ausführungsform sind die erste Dreiphasen-Wicklung 20 und die zweite Dreiphasen-Wicklung 22 in unterschiedlichen Schlitzgruppen aufgenommen. Jedoch können die zwei Dreiphasen-Wicklungen 20 und 22 auch in gleichen Schlitzen aufgenommen sein.
3 zeigt die Gesamtkonfiguration eines Elektrogenerators 100A gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Elektrogenerator 100A wird in einem Automobil verwendet.
Wie in 3 gezeigt ist, enthält der Elektrogenerator 100A eine Feldwicklung 10, eine erste Dreiphasen-Wicklung 20A, eine zweite Dreiphasen-Wicklung 22A, einen Gleichrichter 30A und einen Spannungsregulator 50. Die Feldwicklung 10 ist in einem Rotor des Elektrogenerators 100A vorgesehen. Die erste und die zweite Dreiphasen-Wicklung 20A und 22A sind in einem Stator des Elektrogenerators 100A vorgesehen. Der Gleichrichter 30A enthält eine Vielzahl an Dioden, um eine Vollwellen-Gleichrichtung der Ausgangsgrößen der Dreiphasen-Wicklungen vorzunehmen. Der Spannungsregulator 50 reguliert die Ausgangsspannungen des Elektrogenerators 100A durch Steuern des Feldstromes, welcher der Feldwicklung 10 zugeführt wird.
Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die X-Phasenwicklung der ersten Dreiphasen-Wicklung 20A und die V-Phasenwicklung der zweiten Dreiphasen-Wicklung 22A in den gleichen Schlitzen ausgebildet, wobei in jedem derselben ein Teil der X-Phasenwicklung eine Anzahl von Windungen enthält, der das Zweifache von demjenigen Teil der V-Phasenwicklung beträgt. In ähnlicher Weise ist die Y-Phasenwicklung der ersten Dreiphasen-Wicklung 20A und ist die W-Phasenwicklung der zweiten Dreiphasen-Wicklung 22A in gleichen Schlitzen ausgebildet, in welchen ein Teil der Y-Phasenwicklung eine Windungszahl besitzt, die das Zweifache von derjenigen des Teiles der W-Phasenwicklung ausmacht. Ferner ist die Z-Phasenwicklung der ersten Dreipha sen-Wicklung 20A und die U-Phasenwicklung der zweiten Dreiphasenwicklung 22A in den gleichen Schlitzen ausgebildet, wobei in jedem ein Teil der Z-Phasenwicklung mit einer Windungszahl vorgesehen ist, die das Zweifache von derjenigen des Teiles der U-Phasenwicklung beträgt.
Bei einer solchen Wicklungsstruktur ist die Zahl der Windungen in einem Schlitz erhöht, so daß es schwierig wird, einen Niedrigimpedanz-Stableiter zu verwenden, der einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist, um die Wicklungen zu bilden, so daß dadurch auch die Impedanz der resultierenden Wicklungen hoch ist. Jedoch wird zur gleichen Zeit die Herstellung des Kernes des Stators einfach und die Wicklungen können in den Schlitzen in einer einfachen Weise aufgenommen werden, und zwar aufgrund der reduzierten Zahl der Wicklungseinheiten.
Darüber hinaus wird bei der vorliegenden Ausführungsform der Feldstrom von dem Niedrigspannungs-Ausgangsanschluß 33 der Feldwicklung 10 zugeführt, so daß eine niedrige Spannung an die Feldwicklung 10 angelegt wird, so daß dadurch eine Korrosion der Feldwicklung 10 und von anderen damit in Beziehung stehenden Komponenten, wie beispielsweise Schleifringen, unterdrückt wird.
Zusätzlich kann der Elektrogenerator 100A auch die gleiche Konfiguration aufweisen wie der Elektrogenerator 100 gemäß der früheren Ausführungsform, ausgenommen der Wicklungsstruktur.
[Dritte Ausführungsform]
4 zeigt einen Elektrogenerator 100B gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung zusammen mit einem Gleichstrommotor (DCM) 96, der mit einer großen Energie von dem Hochspannungs-Ausgangsanschluß 32 des Elektrogenerators 100B versorgt wird.
Wie in 4 gezeigt ist, enthält der Elektrogenerator 100B eine erste Dreiphasen-Wicklung 20B, eine zweite Dreiphasen-Wicklung 22B, eine erste Schaltergruppe S1, eine zweite Schaltergruppe S2, einen Gleichrichter 30A und einen Schalter S3.
Die erste Schaltergruppe S1 enthält drei Schalter, von denen jeder mit einem Neutralpunkt der Y-gewickelten ersten Dreiphasen-Wicklung 20B und einer entsprechenden Phasenwicklung derselben verbunden ist. Die erste Schaltergruppe S1 verbindet alle Phasenwicklungen der ersten Dreiphasen-Wicklung 20B an dem Neutralpunkt miteinander, wenn eine Einschaltung erfolgt, und trennt diese, wenn eine Ausschaltung erfolgt.
In ähnlicher Weise enthält die zweite Schaltergruppe S2 drei Schalter, von denen jeder zwischen den Neutralpunkt der Y-gewickelten zweiten Dreiphasen-Wicklung 22B und einer entsprechenden Phasenwicklung derselben geschaltet ist. Die zweite Schaltergruppe S2 verbindet alle Phasenwicklungen der zweiten Dreiphasenwicklung 22B an dem Neutralpunkt miteinander, wenn eingeschaltet wird, und trennt diese, wenn ausgeschaltet wird.
Der Schalter S3 ist zwischen einem Diodentrio 42 und einem Niedrigspannungs-Ausgangsanschluß 33 geschaltet.
Darüber hinaus enthält der Elektrogenerator 100B einen Spannungsregulator 50 und eine Feldwicklung 10, die aus 4 weggelassen sind, und die gleichen Elemente wie diejenigen des Elektrogenerators 100A, der in 3 gezeigt ist. Es ist auch möglich, daß der Elektrogenerator 100B anstelle des Gleichrichters 30A den Gleichrichter 30 des Elektrogenerators 100 verwendet, der in 1 gezeigt ist.
5 zeigt die Beziehung zwischen der Drehzahl und dem Ausgangsstrom des Elektrogenerators 100B in Verbindung mit der Ein-/Aus-Operation der Schaltergruppen S1 und S2.
Wenn, wie in 5 gezeigt ist, der Elektrogenerator 100B sich mit niedriger Drehzahl dreht, sind beide Schaltergruppen S1 und S2 eingeschaltet. In diesem Fall ist der Betrieb des Elektrogenerators 100B der gleiche wie derjenige des Elektrogenerators 100, der in 1 gezeigt ist. Demzufolge wird eine hohe Spannung, die von den beiden Spannungen abgeleitet wird, die in der ersten und der zweiten Dreiphasen-Wicklung 20B und 22B induziert wird, von dem Hochspannungs-Ausgangsanschluß 32 ausgegeben, während eine niedrige Spannung, die von der Spannung abgeleitet wird, die in der zweiten Dreiphasen-Wicklung 22B induziert wird, von dem Niedrigspannungs-Ausgangsanschluß 33 ausgegeben wird.
Wenn sich ferner der Elektrogenerator 100B mit einer mittleren Drehzahl dreht, wird lediglich die Schaltergruppe S1 eingeschaltet. In diesem Fall ist lediglich die erste Dreiphasen-Wicklung 20B wirksam bei der Erzeugung von Elektrizität. Demzufolge wird, verglichen mit dem oben erläuterten Fall gemäß einem Einschalten beider Schaltergruppen S1 und S2, die Zahl der Windungen der effektiven Wicklung reduziert auf 2/3, so daß der Elektrogenerator 100B dazu befähigt ist, mehr Elektrizität bei hoher Drehzahl zu erzeugen. Darüber hinaus wird auch die interne Impedanz des Elektrogenerators 100B reduziert, so daß dann, wenn eine große Last wie beispielsweise der Gleichstrommotor 96 an den Hochspannungs-Ausgangsanschluß angeschlossen wird, ein Abfallen der Ausgangsspannung am Anschluß 32 effektiv unterdrückt werden kann. Da zusätzlich die zweite Dreiphasen-Wicklung 22B nicht wirksam ist, fällt das elektrische Potential an den Kathoden des Diodentrios 42 auf nahezu Massepotential oder Erdpotential ab. Jedoch fällt die Klemmenspannung der Niedrigspannungs-Batterie 92 nicht ab, und zwar aufgrund der Existenz des Diodentrios 42.
Wenn ferner der Elektrogenerator 100 mit hoher Drehzahl arbeitet, wird lediglich die Schaltergruppe S2 eingeschaltet. In diesem Fall ist lediglich die zweite Dreiphasen-Wicklung 22B bei der Erzeugung von Elektrizität wirksam. Demzufolge wird, verglichen mit dem Fall, bei dem beide Schaltergruppen S1 und S2 eingeschaltet werden, die Zahl der Windungen der effektiven Wicklung auf 1/3 reduziert, so daß der Elektrogenerator 100B dazu befähigt ist, mehr Elektrizität bei einer weiteren höheren Drehzahl zu erzeugen. Darüber hinaus wird auch die interne Impedanz des Elektrogenerators 100B weiter reduziert, so daß dann, wenn eine große Last wie beispielsweise der Gleichstrommotor 96 an den Hochspannungs-Ausgangsanschluß 32 angeschlossen wird, ein Abfallen der Ausgangsspannung am Anschluß 32 weiter effektiv unterdrückt werden kann. Da in diesem Fall zusätzlich die zweite Dreiphasen-Wicklung 22B effektiv ist, steigt das elektrische Potential an den Kathoden des Diodentrios 42 an. Somit wird zur Verhinderung eines Anlegens der Ausgangsspannung der zweiten Dreiphasenwicklung 22B an die Niedrigspannungs-Batterie 92 der Schalter S3 ausgeschaltet, und zwar beispielsweise zur gleichen Zeit, zu welcher die Schaltergruppe S1 ausgeschaltet wird.
Demzufolge kann durch Steuern der Ein-/Aus-Operation der Schaltergruppen S1 und S2 die Möglichkeit realisiert werden, die Zahl der Windungen der effektiven Wicklung in Stufen, wie beispielsweise bei Zunahme der Drehzahl des Elektrogenerators 100B zu reduzieren, wodurch die Ausgangsleistung des Elektrogenerators 100B erhöht wird. Darüber hinaus wird es auch möglich, die interne Impedanz des Elektrogenerators 100B zu reduzieren, so daß dadurch effektiv ein Abfallen der Ausgangsspannung des Hochspannungs-Ausgangsanschlusses 32 unterdrückt wird, wenn eine große Last an den Anschluß 32 angeschlossen wird. Ferner wird es auch möglich, ein Abfallen der Ausgangsspannung an dem Niedrigspannungs-Ausgangsanschluß 33 zu verhindern, wodurch auch eine Stabilität bei der Energieerzeugung sichergestellt wird.
Während die obigen speziellen Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, ist es für Fachleute, welche die vorliegende Erfindung praktizieren, und für Fachleute an sich möglich, vielfältige Modifikationen, Änderungen und Verbesserungen vorzunehmen, ohne jedoch dabei den Rahmen der Erfindung gemäß dem offenbarten Konzept zu verlassen.
Beispielsweise kann bei den zuvor erläuterten Ausführungsformen die Hochspannung von 42V und die niedrige Spannung von 14V von den zwei Spannungs-Ausgangsanschlüssen 32 und 33 ausgegeben werden. Jedoch sind auch andere Kombinationen von Hoch- und Niedrig-Spannungen ebenso möglich. Beispielsweise kann die hohe Spannung von 28V und eine niedrige Spannung von 14V ebenso unter Verwendung von zwei Dreiphasen-Wicklungen erzeugt werden, welche die gleiche Anzahl an Windungen aufweisen.
Darüber hinaus sind bei der ersten und der zweiten Ausführungsform der Hochspannungs-Anschluß und der Niedrigspannungs-Anschluß 32 bzw. 33 jeweils mit einer Hochspannungs-Batterie 90 bzw. einer Niedrigspannungs-Batterie 92 verbunden.
Es ist jedoch auch möglich, eine Kapazität für eine der zwei Batterien als Ersatz vorzusehen, oder auch elektrische Lasten direkt an die zwei Spannungs-Ausgangsanschlüsse 32 und 33 ohne irgendeine Batterie anzuschließen.
Ferner können die zwei Batterien 90 und 92 auch vom gleichen Typ sein (z.B. können beide aus Blei-Batterien bestehen) oder sie können von unterschiedlichem Typ sein (z.B. eine Batterie ist eine Blei-Batterie und die andere ist eine Nickel-Metall-Hydrid-Batterie).
Weiterhin ist bei den zuvor erläuterten Ausführungsformen das Verhältnis aus der Windungszahl in der zweiten Dreiphasen-Wicklung zu derjenigen in der ersten Dreiphasen-Wicklung gleich 1 : 2, so daß das Verhältnis einer Nennspannung V2 des Niedrigspannungs-Ausgangsanschlusses 33 zu einer Nennspannung V1 des Hochspannungs-Ausgangsanschlusses 32 entsprechend 1 : 3 ist. Mit anderen Worten ist das Verhältnis der Anzahl der Windungen in der zweiten Dreiphasen-Wicklung zu derjenigen in der ersten Dreiphasen-Wicklung gleich mit V2/(V1 – V2).
Wenn jedoch eine große elektrische Last an den Niedrigspannungs-Ausgangsanschluß 32 angeschlossen wird, ist der Spannungsabfall an der zweiten Dreiphasen-Wicklung groß, wodurch dann die Ausgangsspannung des Anschlusses 32 reduziert wird.
Demzufolge kann unter Berücksichtigung des Spannungsabfalls an der zweiten Dreiphasen-Wicklung das Verhältnis aus der Windungszahl der zweiten Dreiphasen-Wicklung zu derjenigen der ersten Dreiphasen-Wicklung in bevorzugter Weise so eingestellt werden, daß es größer ist als V2/(V1 – V2). (Beispielsweise 3 : 5, was größer ist als 1 : 2).
Als ein Ergebnis wird es möglich, das Verhältnis der Ausgangsspannung des Niedrigspannungs-Ausgangsanschlusses 33 zu derjenigen des Hochspannungs-Ausgangsanschlusses 32 auf 1 : 3 (d.h. V2/V1) einzustellen oder anzunähern, wenn eine große elektrische Last an den Niedrigspannungs-Ausgangsanschluß 33 angeschlossen wird.
Derartige Abwandlungen, Änderungen und Verbesserungen, die im Rahmen des fachmännischen Könnens liegen, sollen durch die anhängenden Ansprüche mit abgedeckt werden.

Claims

Elektrogenerator, mit: einem Rotor mit einer Feldwicklung; einem Stator, der eine erste und eine zweite Dreiphasen-Wicklung enthält, von denen jede drei Ausgangsanschlüsse entsprechend den jeweiligen Phasen aufweist; einen Gleichrichter, der in solcher Weise arbeitet, um die Ausgangsgrößen der ersten und der zweiten Dreiphasen-Wicklung gleichzurichten; und einem Regulator, der in solcher Weise arbeitet, um die Ausgangsgrößen der ersten und der zweiten Dreiphasen-Wicklung durch Steuern eines Feldstromes, welcher der Feldwicklung zugeführt wird, zu regulieren, wobei der Gleichrichter Folgendes enthält: drei Gleichrichter-Elementgruppen, von denen jede ein erstes, ein zweites und ein drittes Gleichrichter-Element enthält, die in Reihe geschaltet sind, wobei die drei Gleichrichter-Elementgruppen parallel geschaltet sind, so daß ein erster gemeinsamer Verbindungspunkt vorhanden ist, der die freien Anschlüsse der drei ersten Gleichrichter-Elemente verbindet, und ein zweiter gemeinsamer Verbindungspunkt vorhanden ist, der die freien Anschlüsse der drei dritten Gleichrichter-Elemente verbindet, wobei alle Gleichrichter-Elemente der drei Gruppen die gleiche Vorwärtsrichtung von dem zweiten gemeinsamen Verbindungspunkt zu dem ersten gemeinsamen Verbindungspunkt aufweisen; und drei vierte Gleichrichter-Elemente, von denen jedes einen Anschluß aufweist, der mit einer Verbindung zwischen dem zweiten und dem dritten Gleichrichter-Element verbunden ist, und zwar einer entsprechenden einen der drei Gleichrichter-Elementgruppen, und wobei der andere Anschluß mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt verbunden ist, um dadurch eine Vorwärtsrichtung von dem Verbindungspunkt zu dem dritten gemeinsamen Verbindungspunkt zu realisieren, und bei dem: jeder der drei Ausgangsanschlüsse der ersten Dreiphasen-Wicklung mit einer Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Gleichrichter-Element einer entsprechenden einen der drei Gleichrichter-Elementgruppen verbunden ist; jeder der drei Ausgangsanschlüsse der zweiten Dreiphasen-Wicklung mit einer Verbindung zwischen dem zweiten und dem dritten Gleichrichter-Element einer entsprechenden einen der drei Gleichrichter-Elementgruppen verbunden ist; und die erste gemeinsame Verbindung bzw. Verbindungspunkt als ein Hochspannungs-Ausgangsanschluß dient, um eine erste Spannung auszugeben, und wobei der dritte gemeinsame Verbindungspunkt als ein Niedrigspannungs-Ausgangsanschluß dient, um eine zweite Spannung auszugeben, die niedriger ist als die erste Spannung.
Elektrogenerator nach Anspruch 1, bei dem der Regulator den Feldstrom steuert, welcher der Feldwicklung zugeführt wird, um eine Spannung aufrechtzuerhalten, die eine Funktion von einer der Spannungen gemäß der ersten Spannung und der zweiten Spannung ist, und zwar innerhalb eines vorbestimmten Bereiches aufrechtzuerhalten.
Elektrogenerator nach Anspruch 2, bei dem bei dem der Stator ferner einen Kern aufweist, der eine erste Gruppe an Schlitzen besitzt, in welchen die erste Dreiphasen-Wicklung aufgenommen ist, und eine zweite Gruppe an Schlitzen besitzt, in welchen die zweite Dreiphasen-Wicklung aufgenommen ist und bei dem ein Verhältnis aus der Anzahl der Schlitze in der ersten Gruppe zu derjenigen in der zweiten Gruppe gleich ist einem Verhältnis aus der Windungszahl der ersten Dreiphasen-Wicklung zu derjenigen der zweiten Dreiphasen-Wicklung.
Elektrogenerator nach Anspruch 3, bei dem die Feldwicklung mit dem Niedrigspannungs-Ausgangsanschluß verbunden ist.
Elektrogenerator nach Anspruch 4, ferner mit einem Schalter, der mit einer der Wicklungen gemäß der ersten und der zweiten Dreiphasen-Wicklung in Reihe geschaltet ist, wobei der Regulator den Schalter einschaltet, wenn sich der Elektrogenerator mit einer niedrigen Drehzahl dreht, und ausschaltet, wenn sich der Generator mit einer hohen Drehzahl dreht.
Elektrogenerator nach Anspruch 5, bei dem ein Verhältnis aus der Windungszahl der zweiten Dreiphasen-Wicklung zu derjenigen der ersten Dreiphasen-Wicklung so eingestellt ist, daß dieses größer ist als V2/(V1 – V2), worin V1 und V2 die Nennwerte der ersten bzw. zweiten Spannung sind.
Elektrogenerator nach Anspruch 3, bei dem der Gleichrichter ferner drei fünfte Gleichrichter-Elemente aufweist, von denen jedes einen Anschluß besitzt, der mit einem Verbindungspunkt zwischen dem ersten und dem zweiten Gleichrichter-Element einer entsprechenden einen der drei Gleichrichter-Elementgruppen verbunden ist, und wobei der andere Anschluß mit einem vierten gemeinsamen Ver bindungspunkt verbunden ist, um dadurch eine Vorwärtsrichtung von dem Verbindungspunkt zu dem vierten gemeinsamen Verbindungspunkt zu realisieren, und wobei die Feldwicklung an den vierten gemeinsamen Verbindungspunkt angeschlossen ist.
Elektrogenerator nach Anspruch 7, ferner mit einem Schalter, der in Reihe mit einer der Windungen gemäß der ersten und der zweiten Dreiphasen-Wicklung geschaltet ist, wobei der Regulator den Schalter einschaltet, wenn sich der Elektrogenerator mit einer niedrigen Drehzahl dreht, und ausschaltet, wenn sich der Generator mit einer hohen Drehzahl dreht.
Elektrogenerator nach Anspruch 8, bei dem ein Verhältnis aus der Windungszahl der zweiten Dreiphasen-Wicklung zu derjenigen der ersten Dreiphasen-Wicklung so eingestellt ist, daß dieses größer ist als V2/(V1 – V2), wobei V1 und V2 Nennwerte der ersten bzw. zweiten Spannung sind.
Elektrogenerator nach Anspruch 1, bei dem der Stator ferner einen Kern aufweist, der eine erste Gruppe von Schlitzen besitzt, in welchen die erste Dreiphasen-Wicklung aufgenommen ist, und eine zweite Gruppe von Schlitzen besitzt, in welchen die zweite Dreiphasen-Wicklung aufgenommen ist, und bei dem ein Verhältnis aus der Zahl der Schlitze in der ersten Gruppe zu derjenigen in der zweiten Gruppe gleich ist einem Verhältnis aus der Windungszahl der ersten Dreiphasen-Wicklung zu derjenigen der zweiten Dreiphasen-Wicklung.
Elektrogenerator nach Anspruch 1, bei dem die Feldwicklung mit dem Niedrigspannungs-Ausgangsanschluß verbunden ist.
Elektrogenerator nach Anspruch 1, bei dem der Gleichrichter ferner drei fünfte Gleichrichter-Elemente enthält, von denen jedes einen Anschluß aufweist, der mit einem Verbindungspunkt zwischen dem ersten und dem zweiten Gleichrichter-Element einer entsprechenden einen Gruppe der drei Gleichrichter-Elementgruppen verbunden ist, und wobei der andere Anschluß mit einem vierten gemeinsamen Verbindungspunkt verbunden ist, um dadurch eine Vorwärtsrichtung von dem Verbindungspunkt zu dem vierten gemeinsamen Verbindungspunkt zu realisieren, und bei dem die Feldwicklung mit dem vierten gemeinsamen Verbindungspunkt verbunden ist.
Elektrogenerator nach Anspruch 1, ferner mit einem Schalter, der mit einer der Wicklungen gemäß der ersten und der zweiten Dreiphasen-Wicklung in Reihe geschaltet ist, wobei der Regulator den Schalter einschaltet, wenn sich der Elektrogenerator mit einer niedrigen Geschwindigkeit dreht, und ausschaltet, wenn der Elektrogenerator sich mit einer hohen Drehzahl dreht.
Elektrogenerator nach Anspruch 1, bei dem ein Verhältnis aus der Windungszahl der zweiten Dreiphasen-Wicklung zu derjenigen der ersten Dreiphasen-Wicklung so eingestellt ist, daß es größer ist als V2/(V1 – V2), worin V1 und V2 Nennwerte der ersten bzw. der zweiten Spannung sind.