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Die
Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine, insbesondere
auf einen Drehstromgenerator mit einem Gleichstrom erregten Läufer nach
der Gattung des Anspruchs 1.
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Bei
Drehstromgeneratoren für
Kraftfahrzeuge werden vorwiegend elektrische Maschinen mit einem
Gleichstrom erregten Klauenpolläufer
eingesetzt, um das Gleichstrom-Bordnetz
des jeweiligen Kraftfahrzeugs auch im Leerlaufbereich des Antriebsmotors
ausreichend versorgen zu können.
Neben zahlreichen anderen Anforderungen an den Generator ist auch
das so genannte Magnetgeräusch des
Generators zu dämpfen.
Hierzu ist es bekannt, an der ablaufenden Kante der Klauenpolfinger
des Läufers
eine Anfasung anzubringen, die den Abriss des Magnetfeldes an den
Klauenkanten auf eine größere Klauenoberfläche verteilt
und damit die magnetisch verursachten Schwingungsgeräusche an
der Maschine dämpft.
Diese Maßnahme
bedeutet jedoch im unteren Drehzahlbereich eine Verminderung der Leistung.
Zur Erzielung einer vorgegebenen Leistung sind daher größere und schwerere
Generatoren zu verwenden. Außerdem
benötigt
man hier pro Läufer zwei
unterschiedliche Typteilnummern für die Klauenfinger und die
Magnetgeräusche
sind außerdem noch
von der Größe und Gestalt
der Lagerschilde des Generators abhängig.
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Es
ist ferner bekannt, zur Unterdrückung
der Magnetgeräusche
an der Ständerwicklung
des Generators die einzelnen Wicklungsstränge so aufzuteilen, dass sie
zum Teil in die jeweils benachbarten Nuten eingesetzt werden. Durch
diese Maßnahmen sinkt
jedoch die Leistungsabgabe des Generators und es steigen die Verluste.
Damit wird wieder die Baugröße beziehungsweise
das Leistungsgewicht des Generators bei vorgegebener Leistungsabgabe vergrößert. Aufgrund
der Welligkeit des abgegebenen Gleichstromes können außerdem in den Kabelsträngen der
Fahrzeuge Schwingungsgeräusche
in bestimmten Drehzahlbereichen des Antriebsmotors auftreten.
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Es
ist ferner bekannt, den Drehstromgenerator mit einem Sechsphasen-System
auszurüsten,
um die Frequenz der Gleichrichtung zu verdoppeln und damit die Welligkeit
des über
eine Gleichrichter-Baueinheit einem Akkumulator des Kraftfahrzeug-Bordnetzes
zugeführten
Gleichstromes zu verringern. Dabei ist es aus der
EP1 120 881 A2 (
6) bekannt, die Ständerwicklung
eines Drehstromgenerators aus zwei Wicklungssystemen mit je drei
zueinander in einer Sternschaltung verbundenen Wicklungssträngen auszubilden.
Die Wicklungsstränge
sind in der Sternschaltung jeweils 120° elektrisch zueinander versetzt.
Die zwei Wicklungssysteme sind zueinander um ungefähr 30° elektrisch
versetzt. Die hierbei auftretenden Magnetgeräusche der Maschine sind jedoch
nur unzureichend gedämpft.
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Mit
der vorliegenden Lösung
wird angestrebt, bei einer elektrischen Maschine mit mindestens
sechsphasiger Ständerwicklung
die magnetisch verursachten Geräusche
ohne Leistungseinbuße deutlich
zu verringern.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Maschine
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil,
dass mit dem Koppelelement die Spannungswelligkeit des vom Drehstromgenerator
abgegebenen Drehstroms und des dem Fahrzeug-Bordnetz zugeführten Gleichstromes
verringert und die magnetisch bedingten Geräusche an der elektrischen Maschine
sowie im Bordnetz des Fahrzeugs weitgehend unterdrückt werden.
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Als
weiterer Vorteil ist anzusehen, dass insbesondere bei leistungsstarken
Generatoren im hohen Drehzahlbereich durch die Halbierung der Spannungswelligkeit
auch die mechanischen Belastungen sowie die Verlustleistung des
Generators verringert werden. Außerdem ist eine derartige Dämpfung des Magnetgeräusches unabhängig von
der Applikation der Generator-Bauteile wie Lagerschilde und Läufer realisierbar.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
ergeben sich zweckmäßige Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.
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Eine
besonders effektive Bedämpfung
der magnetisch bedingten Geräusche
ergibt sich bei einer sechsphasigen Ständerwicklung, wenn die zwei an
ihren Sternpunkten über
das Koppelelement miteinander verbundenen Wicklungssysteme um einen elektrischen
Winkel ε von
20° bis
40°, vorzugsweise um
eine Nutteilung des Ständerblechpakates
von 30° elektrisch
zueinander versetzt sind. Da zwischen den Sternpunkten der beiden
dreiphasigen Wicklungssysteme besonders deutlich die dritte Oberwelle
der Grundschwingung des Drehstromsystemes auftritt, kommt die Bedämpfung dieser
dritten Oberwelle besondere Bedeutung zu. Für die Bedämpfung dieser dritten Oberwelle
wird vorgeschlagen, dass das Koppelelement einen Widerstand, vorzugsweise
einen komplexen Widerstand mit einem mehr oder weniger großen ohmschen,
induktiven und/oder kapazitiven Anteil hat. Der ohmsche Widerstand
liegt zweckmäßigerweise
zwischen 5Ω bis
1000 Ω.
Da die magnetisch bedingten Geräusche
außerdem
temperaturund spannungsabhängig
sind, wird vorgeschlagen, dass das Koppelelement einen von der Temperatur und/oder
der Spannung abhängigen
Widerstand hat.
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Zur
Erzielung einer gewünschten
Dämpfungscharakteristik
ist es ebenso möglich,
dass das Koppelelement einen Halbleiter, vorzugsweise einen bidirektionalen
Halbleiter mit Dioden -, Z-Dioden – und/oder Transistor-Bauelementen
aufweist. Des Weiteren kann es zweckmäßig sein, dass das Koppelelement
eine Kombination von Halbleiter-Bauelementen und mindestens einem
Widerstand aufweist.
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Das
Koppelelement ist vorzugsweise im Wickelkopf der Ständerwicklung
anzubringen, wobei dann in vorteilhafter Weise mindestens ein Anschluss,
vorzugsweise beide Anschlüsse
des Koppelelementes als Abgriff für ein Messsignal auszubilden
sind. In einfachster Weise wird dabei derjenige Abgriff des Koppelementes
mit einem Signaleingang eines Reglers der Maschine verbunden, der
ein Spannungssignal der dritten Oberwelle von der Grundwelle des
dreiphasigen Wicklungssystems führt.
In Weiterbildung der Erfindung ist es ferner möglich, dass der Abgriff des
Koppelementes mit einer Auswerteschaltung zur Bestimmung der Maschinendrehzahl
und/oder zur Messung der Auslastung der Maschine verbunden wird.
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Zeichnung
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Die
Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Figuren näher erläutert. Es
zeigen:
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1 das
Schaltbild eines erfindungsgemäßen Drehstromgenerators
für Kraftfahrzeuge
mit angeschlossenem Bordnetz,
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2 einen
Ausbruch des Generators mit der Ständerwicklung im Querschnitt,
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3 zeigt
das Schaltbild der beiden Wicklungssysteme des Generators mit dem
Koppelelement und einem damit verbundenen Regler,
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4 zeigt alternative Ausbildungen a) bis g)
des Koppelelementes und
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5 zeigt
ein mit einer Auswerteschaltung verbundenes Koppelement
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6 zeigt
ein Geräuschpegel-Diagramm der
Maschine für
verschiedene Widerstände
des Koppelelementes und
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7 zeigt
ein Geräuschpegel-Diagramm der
Maschine mit und ohne Koppelelement.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
als erfindungsgemäße elektrische
Maschine ein Drehstromgenerator für Kraftfahrzeuge in einem Schaltbild
dargestellt und mit 10 bezeichnet. Der Drehstromgenerator
hat einen Klauenpolläufer 11,
dessen Erregerwicklung 12 über einen Regler 13 in
bekannter Weise mit Gleichstrom versorgt wird. Der Klauenpolläufer 11 ist
in zwei nicht dargestellten Lagerschilden der Maschine gelagert, zwischen
denen einen Ständerblechpaket
eingeklemmt ist.
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2 zeigt
einen Ausbruch des Ständerblechpaktes 14 mit
einer in den Nuten 15 des Blechpaketes eingesetzten Ständerwicklung 16.
Aus 1 ist erkennbar, dass die Ständerwicklung 16 im Beispielsfall
aus zwei Wicklungssystemen 16A, 16B besteht, die
jeweils drei Wicklungsstränge
R, S, T haben und die jeweils zu einer Sternschaltung miteinander
verbunden sind. Die so gebildeten drei Phasen der beiden Wicklungssysteme 16A, 16B sind – wie üblich – um jeweils
120° elektrisch
zueinander versetzt. Die beiden Wicklungssysteme 16A, 16B sind zueinander
um einen elektrischen Winkel ε versetzt, der
im Beispielsfall 30° beträgt. Bei
einem Ständerblechpaket 14 mit
insgesamt 96 Nuten 15 ergibt sich bei 8 Polpaaren dieser
Winkel ε durch
eine Nutteilung NT gemäß 2,
indem die Spulen der Wicklungsstränge des einen Wickelsystems 16A in
die benachbarten Nuten zu den Spulen des anderen Wickelsystems 16B eingesetzt
werden. Aus 1 ist ferner erkennbar, dass
die Phasenanschlüsse
R1, S1, T1 des Wicklungssystems 16A mit einem Brückengleichrichter 17a und
die Phasenanschlüsse
R2, S2 und T2 des anderen Wicklungssystems 16B mit einem
Brückengleichrichter 17b verbunden
sind. Beide Brückengleichrichter 17a, 17b bilden
eine nicht dargestellte Gleichrichter-Baueinheit, die üblicherweise
am hinteren Lagerschild des Drehstromgenerators 10 angeordnet
ist. Der Minuspol der Brückengleichrichter 17a und 17b ist
ebenso wie der Minuspol einer Akkumulatorbatterie 18 des
Fahrzeugs-Bordnetzes 19 auf
Masse gelegt. Der Pluspol der Brückengleichrichter 17a, 17b ist
mit dem Pluspol der Akkumulatorbatterie 18 und folglich
mit dem Pluspol des Fahrzeug-Bordnetzes 19 verbunden. Die
Spannung des Fahrzeug-Bordnetzes 19 wird über eine
Klemme D+ dem Regler 13 zugeführt.
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Der
Drehstromgenerator 10 wird in nicht dargestellter Weise
vom Antriebsmotor des Kraftfahrzeugs angetrieben, wobei die in den
Wicklungssystemen 16A und 168 induzierten Spannungen
in ihrer Frequenz und Höhe
drehzahlabhängig
sind. Sie werden außerdem
je nach Belastung des Fahrzeug-Bordnetzes 19 beziehungsweise
nach dem Ladezustand der Akkumulatorbatterie 18 durch den vom
Regler 13 geregelten Erregerstrom in der Erregerwicklung 12 geregelt.
Aufgrund des Winkels ε,
um den die beiden Wicklungssysteme 16A und 16B zueinander
versetzt sind, ergeben sich zwischen den beiden Sternpunkten P1
und P2 Potentialunterschiede, die insbesondere mit der dritten Oberwelle
der Grundwelle der Wicklungssysteme schwingen und die sowohl am
Generator als auch im Bordnetz magnetisch bedingte Geräusche verursachen
können. Zur
Dämpfung
dieser störenden
Geräuschbildung
ist nun erfindungsgemäß vorgesehen,
dass die beiden Sternpunkte P1 und P2 über ein Koppelelement 20 miteinander
verbunden sind. Das Koppelelement 20 wird dabei zweckmäßigerweise
gemeinsam mit den beiden Sternpunkten P1 und P2 der zwei Wicklungssysteme 16A und 16B in
einen Wickelkopf der Ständerwicklung 16 gelegt.
Alternativ ist es ebenso möglich,
Anfang und Ende der Wicklungsstränge
R, S und T aus dem Generator herauszuführen, zum Beispiel zu den Brückengleichrichtern 17a und 17b,
dort die Sternpunkte P1 und P2 zu bilden und diese dort über das
Koppelelement 20 miteinander zu verbinden.
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3 zeigt
nochmals die Schaltung der beiden dreiphasigen Sternschaltungen 16A und 16B der Ständerwicklung 16,
deren Sternpunkte P1 und P2 über
das Koppelelement 20 miteinander verbunden sind. Dort ist
ferner erkennbar, dass die Anschlüsse des Koppelelementes 20 als
Abgriffe 21 und 22 für ein Messsignal ausgebildet
sind. Da das Spannungssignal am Koppelelement 20 mit der
dreifachen Frequenz des Grundsignales schwingt, wird dieses Signal über die
Abgriffe 21 und 22 jeweils einem Eingang S1 und
S2 des Reglers 13 zugeführt,
der üblicherweise
ebenfalls stirnseitig am hinteren Lagerschild der Maschine angeordnet
ist. Da dieses Signal in bestimmten Drehzahlbereichen die Größe des Grundsignals übersteigen
kann, lässt
sich durch eine entsprechende Kennlinie des Reglers mit Hilfe dieses
Spannungssignals die Regelung der Ausgangsspannung des Generators
beeinflussen. Aus 3 ist ferner erkennbar, dass
das Koppelelement 20 einen komplexen Widerstand 20a mit
einem mehr oder weniger großen
ohmschen, induktiven und beziehungsweise oder kapazitiven Anteil
hat.
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In 4 werden mit a) bis g) einige der verschiedenen
Lösungsmöglichkeiten
im Aufbau des Koppelelementes 20 als Schaltung dargestellt.
Im Beispiel 4a) hat das Koppelelement wahlweise einen rein ohmschen,
einen spannungsabhängigen
und beziehungsweise oder einen temperaturabhängigen Widerstand 23.
Dabei ist der temperaturabhängige Widerstand 23 zweckmäßigerweise
als Kaltleiter ausgebildet. Als spannungsabhängiger Widerstand des Koppelelementes 20 wird
zweckmäßigerweise ein
Varistor verwendet. Im Beispiel 4b) hat das Koppelelement 20 im
Wesentlichen eine Spule 24 als induktiven Widerstand. Im
Beispiel 4c) besteht das Koppelelement 20 aus mehreren
Bauelementen, wobei der Spule 24 ein ohmscher Widerstand 25 vorgeschaltet
ist. Parallel zu dieser Reihenschaltung liegt ferner ein Kondensator 26 als
kapazitiver Widerstand. Das Ganze bildet somit einen komplexen Widerstand 20a gemäß 3.
Im Beispiel 4d) weist das Koppelelement 20 einen bidirektionalen
Halbleiter 27 in Form zweier zueinander antiparallel geschalteter Dioden 27a auf.
Im Beispiel 4e) besteht das Koppelelement 20 aus einem
bidirektionalen Transistor 28 mit zwei antiparallel geschalteten
Transistor-Bauelementen 28a. Im Beispiel 4f) besteht das
Koppelelement 20 aus zwei antiparallel geschalteten Z-Dioden 29,
zu denen der Widerstand 25 in Reihe geschaltet ist. Im
Beispiel 4g) ist der Widerstand 25 mit den zwei bidirektionalen
Transistoren 28a in Serie geschaltet, wobei gegebenenfalls
die Basis der Transistoren 28a mit dem abgriffseitigen
Ende des Widerstandes 25 – wie gestrichelt dargestellt – verbunden
ist. Damit lässt
sich die Halbleiter-Anordnung der Transistoren 28a abhängig von
der Amplitude der dritten Oberwelle an den Abgriffen 21, 22 des
Koppelelementes 20 zur Bedämpfung mehr oder weniger durchsteuern. Selbstverständlich sind
bei der Ausbildung des Koppelelementes 20 noch zahlreiche
weitere Schaltungskombinationen verschiedener Bauelemente realisierbar.
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In 5 ist
noch einmal das Koppelelement 20 zwischen den beiden Sternpunkten
P1 und P2 mit seinen Abgriffen 21 und 22 dargestellt.
Diese Abgriffe 21 und 22 sind hier mit den Eingängen einer
Auswerteschaltung 30 verbunden. Da das hier abgegriffene Spannungssignal über den
gesamten Drehzahlbereich des Antriebsmotors mit der dritten Oberwelle ein
hoch frequentes Drehzahlsignal darstellt, lässt sich auf diese Weise in
der Auswerteschaltung 30 mit großer Genauigkeit die Maschinendrehzahl
n ermitteln.
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In
einfachster Weise wird zur Bedämpfung der
dritten Oberwelle des Grundsignales das Koppelelement 20 mit
einem rein ohmschen Widerstand ausgerüstet, der typabhängig zwischen
5Ω und 1000Ω liegt. 6 zeigt,
wie mit verschiedenen ohmschen Widerständen am Koppelelement 20 der Schallleistungspegel
in dB drehzahlabhängig
bedämpft
werden kann. Bei einem Widerstand von 0Ω, also einem Kurzschluss zwischen
den Sternpunkten P1 und P2 tritt im Drehzahlbereich zwischen 1500 und
3000 Upm gemäß Kennlinie
a ein Schallpegel bis zu 78dB auf. Bei einem Widerstand von 0,5Ω ist der Schallpegel
bereits gemäß Kennlinie
b deutlich geringer mit maximal 75dB bei etwa 2500 Umdrehungen pro
Minute. Mit einem Widerstand von 1,0Ω ergibt sich nach der Kennlinie
c eine weitere Absenkung des Schallpegels über den gesamten Drehzahlbereich
und einer Spitze von 73dB bei etwa 2500 Upm. Schließlich ergibt
sich im vorgegebenen Ausführungsbeispiel
bei einem Widerstand von 10Ω eine optimale
Bedämpfung
gemäß der Kennlinie
d. Der nunmehr verbleibende, mit der Drehzahl nahezu linear ansteigende
Geräuschpegel
ergibt sich im Wesentlichen aus Lager- und Luftströmungsgeräuschen des
Generators.
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Die
erfindungsgemäße Lösung ist
nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt.
So ist es ebenso möglich,
anstelle eines sechsphasigen Wicklungssystemes die Ständerwicklung
des Generators als neun- oder zwölfphasiges
Wicklungssystem auszubilden und diese zu drei oder vier Sternpunktschaltungen
zusammen zufassen. Dabei sind die Sternpunkte immer dann über ein
Koppelelement 20 miteinander zu verbinden, wenn die Sternschaltungen
zueinander um einen elektrischen Winkel ε versetzt sind.
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Ferner
ist es im Rahmen der Erfindung möglich,
das Messsignal für
den Regler 13 nach 3 oder für die Auswerteschaltung 30 nach 5 lediglich
an einem der beiden Abgriffe 21 und 22 abzugreifen,
indem der andere Eingang auf Masse gelegt wird. Das auszuwertende
Messsignal wird damit gegen Masse ermittelt. Der magnetisch verursachte Geräuschpegel
wird aufgrund eines Ausgleichsstromes zwischen den beiden Drehstromsystemen über das
Koppelelement 20 gedämpft,
das heißt
gegenüber
dem Geräuschpegel
bei voneinander getrennten Sternpunkten deutlich herabgesetzt. Dabei
ist ohne Bedeutung, ob der Ausgleichsstrom über kapazitive, induktive oder
ohmsche Anteile beziehungsweise über
Halbleiterstrecken fließt.
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In 7 ist
der Geräuschpegel
der Maschine in Abhängigkeit
vom Widerstand des Koppelelementes als Kennlinie K dargestellt,
die über
einen mittleren Drehzahlbereich von 1500 bis 3000 Umdrehungen pro
Minute ermittelt wurde. Messungen haben ergeben, dass bei ohmschen
Widerständen
von >1kΩ der magnetisch
bedingte Geräuschpegel
der Maschine wieder zunimmt, so dass sich ein optimaler Dämpfungsbereich
mit einem ohmschen Widerstand zwischen 5Ω und 1kΩ herausbildet.