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QUERBEZUG
ZU VERWANDTER ANMELDUNG
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Diese
Anmeldung betrifft die am 15. Juli 2005 eingereichte japanische
Patentanmeldung Nr. 2005-206901, sowie die am 13. Februar 2006 eingereichte
japanische Patentanmeldung Nr. 2006-35235, deren Inhalt hierdurch
durch Bezug aufgenommen wird.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine rotierende elektrische Maschine
in Tandemanordnung für Fahrzeuge,
welche eine gemeinsame Drehwelle und eine Vielzahl von Stator-Rotorpaaren
aufweist, die an der Drehwelle befestigt sind.
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Es
ist bekannt, zwei Rotoren vom Randell-Typ in einer Tandem-Anordnung
zu verbinden, um die Ausgabeleistung einer rotierenden elektrischen
Maschine, wie z.B. in den offengelegten japanischen Patentanmeldungen
Nr. 1-157251, 5-137295 und 5-308751
offenbart ist, zu verdoppeln. Eine solche Tandem-Verbindung ermöglicht es,
einen Generator (Wechselstromgenerator) für Fahrzeuge vorzusehen, welcher
eine kompakte Größe aufweist
und in der Lage ist, zwei unterschiedliche Erzeugungsspannungen
zu erzeugen, die individuell gesteuert werden können. Es wird ebenfalls ermöglicht,
die Herstellungskosten zu verringern und Einbauraum eines elektrischen
Leistungserzeugungssystems im Vergleich zu einem herkömmlichen
Fall zu sparen, in wel chem zwei rotierende elektrische Maschinen
(Generatoren) separat hergestellt und verbaut werden. Eine solche
rotierende elektrische Maschine in Tandemanordnung (Tandem-Generator)
kann vorteilhafterweise zum Bereitstellen einer Hochspannung an ein
42V-System zusätzlich
zu dem Bereitstellen einer Niederspannung an ein herkömmliches
12V-System verwendet werden.
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Im übrigen besteht
ein wachsender Bedarf, Generatoren für Fahrzeuge herzustellen, welche eine
kompakte Größe sowie
ein geringes Gewicht aufweisen. Bei der rotierenden elektrischen
Maschine in Tandemanordnung, die oben beschrieben wurde, ist es
jedoch wahrscheinlich, dass es zu einer Zunahme ihrer axialen Länge kommt.
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Es
ist bekannt, dass das Erhöhen
der Drehzahl eines Generators die effektivste Weise ist, die Größe des Generators
zu verringern. Ein Erhöhen der
Drehzahl eines durch einen Fahrzeugverbrennungsmotor angetriebenen
Generators kann durch Verringern des Durchmessers seiner Riemenscheibe (Generatorriemenscheibe)
leicht erzielt werden. Das Verringern des Durchmessers der Riemenscheibe verursacht
jedoch ein Problem der Verringerung der Erzeugungsleistung, sowie
andere Probleme aufgrund von Riemenschlupf, speziell in einem unteren Drehzahlbereich
innerhalb welchem das Generatorantriebsmoment (Generatorlastmoment)
von der Seite des Verbrennungsmotors aus gesehen groß ist. Ein
möglicher
Ansatz ist es, den Durchmesser einer Riemenscheibe auf der Seite
der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors zu vergrößern, um solche Probleme zu
vermeiden. Das Erhöhen
des Durchmessers der Riemenscheibe auf der Seite der Kurbelwelle
ist jedoch nicht leicht, da der Motor ebenfalls andere Nebenaggregate
als den Generator antreiben muss.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung sieht eine rotierende elektrische Maschine
in Tandemanordnung für Fahrzeuge
vor, einschließlich:
einem
ersten Stator-Rotorpaar, welches einen ersten Rotorkern enthält, der
eine erste darum gewickelte Feldspule aufweist sowie einen ersten
Statorkern, der eine erste darum gewickelte Statorspule aufweist;
einem
zweiten Stator-Rotorpaar, welches einen zweiten Rotorkern enthält, der
eine zweite darum gewickelte Feldspule aufweist und einen zweiten
Statorkern enthält,
der eine zweite darum gewickelte Statorspule aufweist; und
einer
Steuervorrichtung, welche einen ersten Feldstrom, der in die erste
Feldspule fließt
und einen zweiten Feldstrom, der in die zweite Feldspule fließt, individuell
steuert, um eine in der ersten Statorspule induzierte Erzeugungsspannung
und eine in der zweiten Statorspule induzierte Erzeugungsspannung individuell
zu regeln;
wobei die ersten und zweiten Rotorkerne an einer
gemeinsamen Welle befestigt sind, die durch einen Motor eines Fahrzeugs
angetrieben wird,
das erste Stator-Rotorpaar derart konfiguriert
ist, so dass dieses elektrische Leistung erzeugt, die an ein erstes
elektrisches Lastsystem bereitgestellt wird, welches essentielle
elektrische Lasten enthält,
die konstant mit elektrischer Leistung versorgt werden müssen, wenn
das Fahrzeug in Betrieb ist,
das zweite Stator-Rotorpaar derart
konfiguriert ist, so dass dieses eine elektrische Leistung erzeugt,
die an ein zweites elektrisches Lastsystem bereitgestellt wird,
welches nicht-essentielle elektrische Lasten enthält, die
nicht konstant mit elektrischer Leistung versorgt werden müssen,
wobei
die Steuervorrichtung derart konfiguriert ist, zu unterdrücken, dass
der zweite Feldstrom in die zweite Feldspule fließt, wenn
die Drehzahl des Motors geringer als eine vorbestimmte Schwelldrehzahl
ist, die oberhalb einer Leerlaufdrehzahl des Motors festgesetzt
ist.
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Die
vorliegende Erfindung sieht ebenfalls eine rotierende elektrische
Maschine in Tandemanordnung für
Fahrzeuge vor, einschließlich:
einem
ersten Stator-Rotorpaar, welches einen ersten Rotorkern enthält, der
eine erste darum gewickelt Feldspule aufweist, sowie einen ersten
Statorkern enthält,
der eine erste darum gewickelte Statorspule aufweist;
einem
zweiten Stator-Rotorpaar, welches einen zweiten Rotorkern enthält, der
eine zweite darum gewickelte Feldspule aufweist, sowie einen zweiten
Statorkern enthält,
der eine zweite darum gewickelte Statorspule aufweist; und
einer
Steuervorrichtung, welche einen ersten Feldstrom, der in eine erste
Feldspule fließt,
und einen zweiten Feldstrom, der in eine zweite Feldspule fließt individuell
steuert, um eine in der ersten Statorspule induzierte Erzeugungsspannung
und eine in der zweiten Statorspule induzierte Erzeugungsspannung individuell
zu regeln;
wobei der erste und der zweite Rotorkern an einer gemeinsamen
Welle befestigt sind, die durch einen Motor eines Fahrzeugs angetrieben
wird,
wobei ein Außendurchmesser
des ersten Statorkerns kleiner oder gleich einem Innendurchmesser
des zweiten Statorkerns ist.
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Die
vorliegende Erfindung sieht ebenfalls eine rotierende elektrische
Maschine in Tandemanordnung für
Fahrzeuge vor, einschließlich:
einem
ersten Stator-Rotorpaar, welches einen ersten Rotorkern enthält, der
eine erste darum gewickelte Feldspule aufweist, und einen ersten
Statorkern enthält,
welcher eine erste darum gewickelte Statorspule aufweist;
einem
zweiten Stator-Rotorpaar, welches einen zweiten Rotorkern enthält, der
eine darum gewickelte zweite Feldspule aufweist, und einen zweiten
Statorkern enthält,
der eine zweite darum gewickelte zweite Statorspule aufweist; und
einer
Steuervorrichtung, welche einen ersten Feldstrom, der in die erste
Feldspule fließt
und einen zweiten Feldstrom, der in die zweite Feldspule fließt, individuell
steuert, um eine in der ersten Statorspule induzierte Erzeugungsspannung
und eine in der zweiten Statorspule induzierte Erzeugungsspannung individuell
zu regeln;
wobei die ersten und zweiten Rotorkerne an einer
gemeinsamen Welle befestigt sind, die durch einen Motor eines Fahrzeugs
angetrieben wird,
das erste Stator-Rotorpaar derart konfiguriert
ist, so dass dieses elektrische Leistung erzeugt, die an essentielle
elektrische Lasten bereitgestellt wird, welche immer mit elektrischer
Leistung versorgt werden müssen,
wenn das Fahrzeug in Betrieb ist, sowie an eine erste Batterie,
mit welcher die essentiellen elektrischen Lasten parallel verbunden
sind,
das zweite Stator-Rotorpaar derart konfiguriert ist,
so daß dieses
elektrische Leistung erzeugt, welche an nicht-essentielle elektrische
Lasten bereitgestellt wird, die nicht immer mit elektrischer Leistung
versorgt werden müssen,
sowie an eine zweite Batterie, mit welcher die nicht-essentiellen
Lasten parallel verbunden sind,
wobei das erste Stator-Rotorpaar
in der Lage ist, die erste Batterie zu laden, wenn die Drehzahl
des Motors oberhalb einer vorbestimmten Schwelldrehzahl liegt, die
unterhalb einer Leerlaufdrehzahl des Motors festgesetzt ist, und
das zweite Stator-Rotorpaar in der Lage ist, die zweite Batterie
zu laden, wenn die Drehzahl des Motors oberhalb der Leerlaufdrehzahl liegt.
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Die
vorliegende Erfindung sieht ebenfalls eine rotorierende elektrische
Maschine in Tandemanordnung für
Fahrzeuge vor, einschließlich:
einem
ersten Stator-Rotorpaar, welches einen ersten Rotorkern enthält, der
eine erste darum gewickelte Feldspule aufweist, und einen ersten
Statorkern enthält,
der eine erste darum gewickelte Statorspule aufweist;
einem
zweiten Stator-Rotorpaar, welches einen zweiten Rotorkern enthält, der
eine zweite darum gewickelte Feldspule aufweist, sowie einen zweiten
Statorkern enthält,
der eine zweite darum gewickelte Statorspule aufweist; und
einer
Steuervorrichtung, welche einen ersten Feldstrom, der in eine erste
Feldspule fließt
und einen zweiten Feldstrom, der in eine zweite Feldspule fließt, individuell
steuert, um eine in der ersten Statorspule induzierte Erzeugungsspannung
und eine in der zweiten Statorspule induzierte Erzeugungsspannung
individuell zu regeln;
wobei der erste und der zweite Rotorkern
an einer gemeinsamen Welle befestigt sind, die durch einen Motor
eines Fahrzeugs angetrieben wird,
das erste Stator-Rotorpaar
derart konfiguriert ist, so daß dieses
elektrische Leistung erzeugt, welche an essentielle elektrische
Lasten bereitgestellt wird, die konstant mit elektrischer Leistung
versorgt werden müssen,
wenn das Fahrzeug in Betrieb ist, sowie an eine erste Batterie,
mit welcher die essentiellen elektrischen Lasten parallel verbunden
sind,
das zweite Stator-Rotorpaar derart konfiguriert ist,
so daß dieses
elektrische Leistung erzeugt, welche an nicht-essentielle elektrische
Lasten bereitgestellt wird, die nicht immer mit elektrischer Leistung
versorgt werden müssen,
und an eine zweite Batterie, mit welcher die nicht-essentiellen
Lasten parallel verbunden sind,
wobei ein Spitzenbereich einer
Drehzahl-Antriebsmoment-Kennlinie des ersten Stator-Rotorpaars nicht
mit einem Spitzenbereich einer Drehzahl-Antriebsmoment-Kennlinie des zweiten
Stator-Rotorpaars überlappt.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen Generator in Tandemanordnung für Fahrzeuge
vorzusehen, dessen Antriebsmoment in einem Niederdrehzahlbereich
gering ist, um das Auftreten des Riemenschlupfes und der Leerlaufdrehzahlvariation
bzw. -schwankung eines Fahrzeugmotors, welcher den Generator in
Tandemanordnung antreibt, zu verhindern.
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Andere
Vorteile und Merkmale der Erfindung sind anhand der nachfolgenden
Beschreibung einschließlich
den Zeichnungen, sowie Ansprüchen
ersichtlich.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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In
den begleitenden Figuren zeigen:
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1 eine
axiale Querschnittsansicht einer rotierenden elektrischen Maschine
in Tandemanordnung für
Fahrzeuge entsprechend einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2 ein
Diagramm, welches eine Schaltungskonfiguration der rotierenden elektrischen
Maschine in Tandemanordnung für
Fahrzeuge entsprechend der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
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3 ein
Ablaufdiagramm, welches ein Leistungserzeugungssteuerverfahren,
das durch einen in der rotierenden elektrischen Maschine in Tandemanordnung
für Fahrzeuge
enthaltenen Regler durchgeführt
wird, entsprechend der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
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4 eine
Grafik, welche Antriebsmoment-Drehzahl-Kennlinien der rotierenden
elektrischen Maschine in Tandemanordnung für Fahrzeuge entsprechend der
ersten Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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5 eine
halb-axiale Querschnittsansicht einer rotierenden elektrischen Maschine
in Tandemanordnung für
Fahrzeuge entsprechend einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
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6 ein
Diagramm, welches Ausgabestrom-Drehzahl-Kennlinien einer rotierenden
elektrischen Maschine in Tandemanordnung für Fahrzeuge entsprechend einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung zeigt; und
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7 ein
Diagramm, welches Antriebsmoment-Drehzahl-Kennlinien einer rotierenden
elektrischen Maschine in Tandemanordnung für Fahrzeuge entsprechend einer
vierten Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
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BEVORZUGTE
AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER ERFINDUNG
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Erste Ausführungsform
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Nachstehend
wird eine rotierende elektrische Maschine in Tandemanordnung für Fahrzeuge entsprechend
einer ersten Ausführungsform
der Erfindung mit Bezug auf 1 beschrieben.
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Im 1 bezeichnet
das Bezugszeichen 1 ein Gehäuse, das Bezugszeichen 2 ein
erstes rotierendes elektrisches Teil, das Bezugszeichen 3 bezeichnet
ein zweites rotierendes elektrisches Teil, das Bezugszeichen 4 bezeichnet
eine Drehwelle, das Bezugszeichen 5 bezeichnet eine Riemenscheibe,
das Bezugszeichen 6 bezeichnet ein Lager, das Bezugszeichen 7 bezeichnet
ein Lager, das Bezugszeichen 8 bezeichnet einen Gleichrichter,
das Bezugszeichen 9 bezeichnet einen Regler und das Bezugszeichen 10 bezeichnet
eine Schleifringleistungsversorgungsvorrichtung.
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Das
Gehäuse 1 wird
durch ein Frontgehäuse 11,
ein Mittelgehäuse 12 und
ein Heckgehäuse 13 gebildet.
Die Gehäuse
werden mit einer Durchgangsschraube 14 anein ander befestigt.
Die Drehwelle 4 ist an dem Gehäuse 1 durch die Lager 6, 7 drehbar montiert.
Die Riemenscheibe 5 ist an dem vorderen Ende der Drehwelle 4 befestigt,
welches von dem Gehäuse 1 nach
vorne hervorsteht. Der Gleichrichter 8, der Regler 9 und
die Schleifringleistungsversorgungsvorrichtung 10 sind
an dem Heckgehäuse 13 an
der Rückseite
des zweiten rotierenden elektrischen Teils 3 befestigt.
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Das
erste rotierende elektrische Teil 2 enthält ein Stator-Rotor-Paar,
das durch einen Rotorkern 21 vom Randell-Typ, Feldspulen 22,
welche um den Rotorkern 21 vom Randell-Typ gewickelt sind,
einen Statorkern 23, welcher radial außerhalb des Rotorkern 21 vom
Randell-Typ angeordnet ist, sowie eine Statorspule 24,
welche um den Statorkern 23 gewickelt ist. Der Statorkern 21 vom
Randell-Typ ist durch ein Paar von Halbkernen gebildet, welche aneinander
befestigt sind, wobei jeder der Halbkerne einen Nabenabschnitt 211,
Polabschnitte 212, welche sich von dem Nabenabschnitt 211 radial
nach außen
erstrecken und Klauenabschnitte 213 (Klauenpole) enthält. Die
Feldspulen 22 sind um die Nabenabschnitte 211 herum
gewickelt. Der Statorkern 23 wird zwischen dem Frontgehäuse 11 und
dem Mittelgehäuse 12 gehalten.
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Das
zweite rotierende elektrische Teil 3 enthält ein Stator-Rotor-Paar,
welches durch einen Rotorkern 31 vom Randell-Typ gebildet
ist, Feldspulen 32, welche um den Rotorkern 31 vom
Randell-Typ gewickelt sind, einen Statorkern 33, welcher
radial außerhalb
des Rotorkerns 31 von Randell-Typ angeordnet ist, sowie
eine Statorspule 34, welche um den Statorkern 33 gewickelt
ist. Der Rotorkern 31 vom Randell-Typ ist durch ein Paar
von Halbkernen gebildet, welche aneinander befestigt sind, wobei
jeder der Halbkerne einen Nabenabschnitt 311, Polabschnitte 312,
welche sich von dem Nabenabschnitt radial nach außen erstrecken,
sowie Klauenabschnitte 313 (Klauenpole) enthält. Die
Feldspulen 32 sind um die Nabenabschnitte 311 gewickelt.
Der Statorkern 33 wird zwischen dem Mittelgehäuse 12 und dem
Heckgehäuse 13 gehalten.
Da der Aufbau eines solchen Rotorkerns vom Randell-Typ bekannt ist, wird
an dieser Stelle von einer weiteren Beschreibung des mechanischen
Aufbaus der rotierenden elektrischen Maschine dieser Ausführungsform
abgesehen.
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Im
folgenden wird die Schaltungskonfiguration der rotierenden elektrischen
Maschine dieser Ausführungsform
mit Bezug auf 2 beschrieben.
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Die
Dreiphasen-Wechselspannungen U, V, W, welche von den Statorspulen 24 ausgegeben
werden, werden durch einen Dreiphasen-Vollwellengleichrichter 81 vollwellengleichgerichtet
und die Dreiphasen-Wechselstromsspannungen U', V',
W', welche von der
Statorspule 34 ausgegeben werden, werden durch einen Dreiphasen-Vollwellengleichrichter 82 vollwellengleichgerichtet.
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Die
Schleifringleistungsvorrichtung 10 enthält ein Paar von Schleifringen,
von welchen einer als ein gemeinsamer Masseanschluss der Feldspulen dient,
und der andere mit einem positiven Anschluss der Fahrzeugbatterie
verbunden ist. Der Regler 9 steuert die EIN/AUS-Tastverhältnisse
der Feldstromsteuertransistoren, welche jeweils an den Rotorkern 21 und
den Rotorkern 31 montiert sind, um dadurch die Feldströme, welche
jeweils in die Feldspule 22 und die Feldspule 32 fließen, individuell
zu steuern.
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Das
erste rotierende elektrische Teil 2 dient dem Erzeugen
einer Niederspannung (z. B. 12 Volt), welche an Niederspannungslasten
(nicht gezeigt) bereitgestellt wird, und der zweite rotierende elektrische Teil 3 dient
dem Erzeugen einer Hochspannung (z. B. 42 Volt) welche an Hochspannungslasten
(nicht gezeigt) bereitgestellt wird. Die Wicklungszahl der Statorspule 34 des
zweiten rotierenden elektrischen Teils 3 ist größer als
die der zweiten Statorspule 24 des ersten rotierenden elektrischen
Teils 2. In dieser Ausführungsform
wird angenommen, dass essentielle Lasten, welche immer mit elektrischer
Leistung versorgt werden müssen,
die Niederspannungslasten sind und nicht-essentielle Lasten, wie
z. B. ein Kompressormotor eines Klimatisierungssystems, welche nicht
immer mit elektrischer Leistung versorgt werden müssen, die
Hochspannungslasten sind.
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Im
folgenden wird das durch den Regler 9 durchgeführte Leistungssteuerverfahren
mit Bezug auf das Ablaufdiagramm der 3 beschrieben.
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Vor
der Beschreibung des Leistungserzeugungssteuerverfahrens erfolgt
eine Beschreibung der Antriebsmoment-Drehzahl-Kennlinie eines herkömmlichen
Generators für
Fahrzeuge. Der Generator für
Fahrzeuge weist im allgemeinen eine Kennlinie auf, im Rahmen welcher
das Antriebsmoment dieses mit der Zunahme der Drehzahl dieses ansteigt,
bis dieses einen Spitzenwert erreicht. Im Anschluss daran sinkt
das Antriebsmoment mit der Zunahme der Drehzahl des Generators.
Diese Kennlinie ist ein Ergebnis einer Feldstromregelung, welche durchgeführt wird,
um eine Batteriespannung (welche im wesentlichen einer Leistungsversorgungsspannung
gleicht, die an elektrische Lasten angelegt wird) auf einem konstanten
Wert zu halten. Da eine Feldstromsteuervorrichtung einen Feldstrom
an die Feldspule des Generators mit einem Tastverhältnis von
100 Prozent bereitstellt, während
die Erzeugungsspannung geringer als ein vorbestimmter Wert ist,
steigt die Erzeugungsspannung, welche in der Statorspule induziert
wird, mit Zunahme der Drehzahl des Generators, wodurch der Erzeugungsstrom
ansteigt, in Folge dessen die Batteriespannung eine Zielspannung
erreicht. Da das Antriebsmoment des Generators für Fahrzeuge im wesentlichen
durch den Erzeugungsstrom bestimmt wird, welcher von der Statorspule
ausgegeben wird, nimmt das Antriebsmoment mit Zunahme der Drehzahl
zu.
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Der
Mittel- bzw. Durchschnittswert des Erzeugungsstroms, welcher von
dem Generator für Fahrzeuge
an das elektrische Lastsystem einschließlich einer Fahrzeugbatterie
und elektrischer Lasten bereitgestellt wird, hängt von der Differenz zwischen der
Erzeugungsspannung des Generators für Fahrzeuge und der Fahrzeugbatterie
ab. Wenn die Drehzahl des Generators zunimmt, nimmt die Erzeugungsspannung
und der Erzeugungsstrom zu, infolge dessen die Batteriespannung
zunimmt. Dies kommt daher, da die Zunahme des Ladestroms (Erzeugungsstrom)
der Batterie verursacht, dass das Produkt der internen Impedanz
der Batterie und des Ladestroms ansteigt, infolge dessen die Anschlussspannung
der Batterie steigt. Wenn dementsprechend die Feldstromregelung
durchgeführt
wird, um die Batteriespannung auf der Zielspannung zu halten, verursacht
die Erhöhung
der Batteriespannung aufgrund der Erhöhung der Drehzahl die Senkung des
Tastverhältnisses
des Feldstroms. Dies verursacht die Senkung des Mittelwerts der
Erzeugungsspannung und letztendlich die Senkung des Erzeugungsstroms.
Die Senkung des Erzeugungsstroms verursacht, dass das Antriebsmoment
abnimmt. Nachdem das Antriebsmoment des Generators seinen Spitzenwert
erreicht, nehmen dementsprechend der Feldstrom und das Antriebsmoment,
welches eine starke positive Korellation mit dem Feldstrom aufweist,
infolge der Senkung des Tastverhältnisses des
Feldstroms ab. D.h. nachdem die Drehzahl einen bestimmten Wert erreicht,
welcher dem Spitzenwert des Antriebsmoment entspricht, nimmt das
Antriebsmoment mit der Zunahme der Drehzahl ab. Es sollte im übrigen beachtet
werden, dass die obige Erklärung
auf der Annahme basiert, dass der Betriebszustand des elektrischen
Lastsystems (Ladepegel der Batterie, Stromverbrauch des elektrischen
Lastsystems etc.) konstant ist, und deshalb wird jegliche Variation
des Betriebszustands des elektrischen Lastsystems in der obigen
Erklärung
nicht in Betracht bezogen.
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Es
ist selbstverständlich,
dass ein Fahrzeugmotor ein hohes Drehmoment erzeugen muß, wenn das
Antriebsmoment eines Fahrzeuggenerators seinen Spitzenwert aufweist.
Die vorliegende Erfindung basiert auf dem Konzept, dass die Spitzenbereiche der
Antriebsmomente der beiden Stator-Rotorpaare derart getrennt sind,
so dass sich diese nicht überschneiden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es möglich, den Spitzenwert des
Gesamtantriebsmoments des Generators, oder die Summe der Antriebsmomente
der beiden Stator-Rotorpaare zu verringern, um dadurch zu verhindern,
dass der Fahrzeugmotor einem übermäßigen Drehmoment
ausgesetzt ist, wenn die beiden Stator-Rotorpaare die Erzeugungsströme an deren
jeweilige elektrische Lastsysteme bereitstellen und um das Auftreten
eines Schlupfes des Riemens zu verhindern. Der Begriff „Spitzenbereich" bedeutet hier ein
Bereich der Drehzahl innerhalb welchem das Antriebsmoment größer oder
gleich 90 Prozent von dessen Spitzenwert beträgt.
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Wiederrum
bezugnehmend auf 3 beginnt das Leistungserzeugungssteuerverfahren durch
Auslesen der Drehzahl eines Motors oder dessen Äquivalent bei Schritt S100.
Daraufhin wird bei Schritt S102 geprüft, ob die Drehzahl des Motors
geringer als einer vorbestimmte Schwelldrehzahl (z.B. 1500 Umdrehungen
pro Minute) ist, welche über
der Leerlaufdrehzahl des Motors (z.B. 700 bis 1000 Umdrehungen pro
Minute) eingestellt ist. Falls das Prüfergebnis bei Schritt S102
positiv ist, wird die Versorgung des Feldstroms an die Feldspule 32 bei
Schritt S104 unterdrückt,
um die Versorgung von elektrischer Leistung an die Hochspannungslasten (nicht-essentielle
Lasten) zu unterdrücken.
Falls das Prüfergebnis
andererseits bei Schritt S102 negativ ist, d.h. falls die Drehzahl
des Verbrennungsmotors größer oder
gleich der vorbestimmten Schwelldrehzahl ist, wird die Versorgung
des Antriebsstroms an die Feldspule 32 bei Schritt S106
erlaubt, um die Versorgung von elektrischer Leistung an die Hochspannungslasten
(nicht-essentielle Lasten) zu erlauben.
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Das
obige Steuerverfahren ermöglicht
es, das Antriebsmoment des Generators in dem Niederdrehzahlbereich
des Generators zu verringern, um dadurch das Auftreten von Riemenschlupf
zu verhindern, während
die Versorgung von Niederspannungslasten (essentielle Lasten), welche
im gesamten Drehzahlbereich betrieben werden müssen, mit elektrischer Leistung
sichergestellt wird, selbst wenn der Durchmesser der Riemenscheibe 5 des
Generators verringert ist, um die Drehzahl der Drehwelle 4 zu
erhöhen. 4 zeigt
eine Beziehung zwischen dem Generatorantriebsmoment (Generatorlastmoment)
und der Drehzahl des Generators auf.
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In 4 repräsentiert
Ts ein Schwellschlupfmoment des Auftretens des Riemenschlupfes,
Ni repräsentiert
einen Wert der Drehzahl des Generators welcher der Motorleerlaufdrehzahl
entspricht und Nx repräsentiert,
einen Wert der Drehzahl des Generators, bei welchem das zweite Stator-Rotor-Paar
mit der Leistungserzeugung beginnt. Wie anhand von 4 ersichtlich
ist, überschreitet
das Gesamtantriebsmoment des Generators nicht das Schwellschlupfmoment
Ts, nachdem die Drehzahl des Generators Nx erreicht, da das Antriebsmoment
des ersten Stator-Rotorpaars bereits von seinem Spitzenwert abnimmt.
Im Rahmen dieser Ausführungsform
ist es möglich
zu verhindern, dass das Gesamtantriebsmoment des Generators das
Schwellschlupfmoment Ts überschreitet,
wenn sowohl die Hochspannungslasten als auch die Niederspannungslasten
mit elektrischer Leistung versorgt werden.
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Zweite Ausführungsform
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5 ist
eine Halbquerschnittsansicht einer rotierenden elektrischen Maschine
in Tandemanordnung für
Fahrzeuge entsprechend einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Wie
in dieser Figur gezeigt, ist die zweite Ausführungsform dadurch gekennzeichnet,
dass der Innendurchmesser des Statorkerns 33 des zweiten
rotierenden elektrischen Teils 3 dem Außendurchmesser des Statorkerns 23 des
ersten rotierenden elektrischen Teils 2 gleicht und die
frontseitigen Spulenenden der Statorspule 34 sich über die
heckseitigen Spulenenden des Statorkerns 24 hinaus erstrecken.
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Im
folgenden erfolgt eine Beschreibung eines Verfahrens des Stanzens
von elektromagnetischen Stahlblechen zum Herstellen der Statorkerne 23 und 33.
Der erste Schritt ist es, ein Kernblech des elektromagnetischen
Kerns 23, welches einen kleineren Durchmesser aufweist,
aus einem elektromagnetischen Stahlblech auszustanzen. Anschließend wird
ein Kernblech des Statorkerns 30, welches einen größeren Durchmesser
aufweist, von dem Rest des elektromagnetischen Stahlblechs ausgestanzt. Diese
Reihenfolge kann umgekehrt werden. Der Außendurchmesser des Kernblechs
des Statorkerns 23 ist derart bemessen, dass dieser dem
Innendurchmesser des Kernblechs des Statorkerns 33 gleicht, um
eine Verschwendung bzw. einen Abfall des elektromagnetischen Stahlblechs
zu minimieren. Durch konzentrisches Ausstanzen der Kernbleche des
Statorkerns 23 und des Statorkerns 33 von dem
identischen elektromagnetischen Stahlblech wie oben beschrieben,
ist es möglich,
das Ertragsverhältnis
des teueren elektromagnetischen Stahlblechs zu verbessern, um dadurch
die Herstellungskosten zu verringern. Dadurch dass der Außendurchmesser
des Statorkerns 23 derart bemessen ist, dass dieser kleiner oder
gleich dem Innendurchmesser des Statorkerns 33 ist, ist
es ebenfalls möglich,
zu verhindern, dass die Spulenenden der Statorspulen 24 und 34 nachteilige
thermische Effekte aufeinander ausüben, da ein genügender Abstand
in Radialrichtung zwischen den Spulenenden der Statorkerne 23 und 33 vorgesehen werden
kann, wenn sich diese wie in 5 gezeigt
in Axialrichtung überlappen.
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5,
zeigt, dass der zweite rotierende elektrische Teil 3 an
der abgelegenen Seite der Riemenscheibe 5 angeordnet ist.
Da jedoch die Trägheitsmasse
des zweiten rotie renden elektrischen Teils 3 größer als
die des ersten rotierenden elektrischen Teils 2 ist, kann
diese Ausführungsform
derart konfiguriert sein, dass das zweite rotierende elektrische Teil 3 an
der nahegelegenen Seite der Riemenscheibe 5 angeordnet
ist, und das zweite rotierende elektrische Teil 2 an der
abgelegenen Seite der Riemenscheibe 5 angeordnet ist.
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Nachstehend
erfolgt eine Beschreibung des Kühlmechanismus
dieser Ausführungsform.
Wie in 5 gezeigt weist die rotierende elektrische Maschine
in Tandemanordnung für
Fahrzeuge dieser Ausführungsform
ein Kühlgebläse 100 (mittlere
Zentrifugalblätter)
auf, welches zwischen den Rotorkernen 21, 31 angeordnet
ist, ein Kühlgebläse 101,
welches vor dem Rotorkern 21 angeordnet ist, und ein Kühlgebläse 102,
welches hinter dem Rotorkern 31 angeordnet ist. Das Kühlgebläse 101 saugt
kühle Luft von
den Einlasslöchern
an, welche in der Frontwand des Frontgehäuses 11 ausgebildet
sind, und stößt diese
von den Ausstoßlöchern aus,
welche in der Seitenwand des Gehäuses 1 ausgebildet
sind, um die frontseitigen Spulenenden der Statorspule 24 zu kühlen. Das
Kühlgebläse 102 saugt
Kühlluft
von den Einlasslöchern
an, welche in der Heckwand des Heckgehäuses 13 ausgebildet
sind, und stößt diese von
den Ausstoßlöchern aus,
welche in der Seitenwand des Gehäuses 1 ausgebildet
sind, um die heckseitigen Spulenenden der Statorspule 34 zu
kühlen. Das
Kühlgebläse 100 (mittlere
Zentrifugalblätter)
ist zwischen dem hinteren Ende des Rotorkerns 21 und dem
vorderen Ende des Rotorkerns 31 derart befestigt, so dass
verhindert wird, dass die Zentrifugalblätter des Kühlgebläses 100 vibrieren,
und Kühlluft
effizient in Radialrichtung ausgestoßen wird. Die Kühlluft strömt hauptsächlich durch
den Abstand zwischen den Polabschnitten 212 des Rotorkerns 21 in die
radial innere Seite der Zentrifugalblätter. In den Nabenabschnitten 311 des
Rotorkerns 31 können Löcher ausgebildet
sein, welche sich in Axialrichtung erstrecken, um dadurch Kühlluft von
der hinteren Seite zu der radial inneren Seite des Kühlgebläses 100 durch
diese bereitzustellen. Die Kühlluft,
welche von dem Kühlgebläse 100 an
die radial äußere Seite
dieses geblasen wird, kühlt
die heckseitigen Spulenenden der Statorspule 34 und wird
anschließend
an das äußere ausgestoßen. Da
das Kühlgebläse 100 an beiden
seiner axialen Enden gelagert ist, können der Lärm und der Fluidverlust verringert
werden.
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Im
Rahmen dieser Ausführungsform
ist es möglich,
die axiale Länge
der rotierenden elektrischen Maschine in Tandemanordnung zu verringern, um
dadurch die Größe und das
Gewicht der rotierenden elektrischen Maschine in Tandemanordnung weiter
zu verringern. Im Rahmen dieser Ausführungsform ist es ebenfalls
möglich,
das Problem einer herkömmlichen
rotierenden elektrischen Maschine in Tandemanordnung zu beseitigen,
das die Temperatur einer der beiden Spulenenden jeder der beiden
Statorspulen, welche zwischen den beiden Rotorkernen angeordnet
ist, aufgrund einer ungenügenden
Versorgung mit Kühlluft übermäßig ansteigt.
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Dritte Ausführungsform
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Im
folgenden wird eine rotierende elektrische Maschine in Tandemanordnung
für Fahrzeuge
entsprechend einer dritten Ausführungsform
der Erfindung beschrieben. Die dritte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet,
dass die Drehzahl N1 bei welcher der Erzeugungsstrom (Ausgabestrom)
des ersten rotierenden elektrischen Teils (des ersten Stator-Rotorpaars) 2 steigt,
unterhalb der der Laufdrehzahl Ni festgesetzt ist und dass die Drehzahl
N2, bei welcher der Erzeugungsstrom (Ausgabestrom) des zweiten rotierenden
elektrischen Teils (des zweiten Stator-Rotorpaars) 3 steigt,
wie in 6 gezeigt, oberhalb der der Laufdrehzahl Ni festgesetzt
ist. Es sollte beachtet werden, dass 6 einen
Fall zeigt, in welchem der Ausgabestrom des ersten rotierenden elektrischen
Teils 2 durch die Feldstromregelung unter einen bestimmten
Wert geregelt wird und dass der Ausgabestrom des zweiten rotierenden
elektrischen Teils 3 ebenfalls durch die Feldstromregelung unter
einen bestimmten Wert geregelt wird. Es wird in dieser Ausführungsform
angenommen, dass das erste rotierende elektrische Teil 2 elektrische
Leistung an die essentiellen Lasten eines Fahrzeugs bereitstellt,
welche wenn das Fahrzeug in Betrieb ist, immer mit elektrischer
Leistung versorgt werden müssen,
sowie an eine Fahrzeugbatterie bereitstellt, mit welcher die essentiellen
Lasten parallel verbunden sind, und dass das zweite rotierende elektrische
Teil 3 die nicht-essentiellen Lasten, welche nicht immer mit
elektrischer Leistung versorgt werden müssen, jedoch eine relativ hohe
elektrische Leistung verbrauchen, mit elektrischer Leistung versorgt,
so dass das Generatorantriebsmoment, welches der Motor bei der Drehzahl,
welche etwa der Leerlaufdrehzahl des Motors entspricht, erzeugen
muss, verringert werden kann. Im übrigen kann, obwohl die vertikale Achse
des Diagramms der 6 den Ausgabestrom repräsentiert,
die vertikale Achse die Ausgabeleistung repräsentieren.
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Vierte Ausführungsform
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Im
folgenden wird eine rotierende elektrische Maschine in Tandemanordnung
für Fahrzeuge
entsprechend einer vierten Ausführungsform
der Erfindung beschrieben. In dem Diagramm der 7 repräsentiert
die Kurve 100 eine Beziehung zwischen dem Antriebsmoment
des ersten rotierenden elektrischen Teils (des ersten Stator-Rotorpaars) 2 und
der Drehzahl des Generators, welche in die Drehzahl des Motors umgewandelt
wurde, die Kurve 200 repräsentiert eine Beziehung zwischen
dem Antriebsmoment des zweiten rotierenden elektrischen Teils (des
zweiten Stator-Rotorpaars) 3 und der Drehzahl des Generators,
welche in die Drehzahl des Motors umgewandelt wurde, und die Kurve 300 repräsentiert
eine Beziehung zwischen der Summe dieser Antriebsmomente und der
Drehzahl des Generators, welche in die Drehzahl des Motors umgewandelt
wurde. In 7 wird angenommen, dass sowohl
das erste rotierende elektrische Teil 2 als auch das zweite
rotierende elektrische Teils 3 an ihre Lasten ein bestimmtes
Niveau von elektrischer Leistung bzw. Strom liefern. Es ist jedoch
selbstverständlich,
dass das Antriebsmoment von sowohl dem ersten rotierenden elektrischen
Teil 2 als auch des zweiten rotierenden elektrischen Teil 3 durch
einen Wirbelungsverlust, einen mechanischen Verlust etc. verursacht
wird, bevor die Drehzahl des Generators eine vorbestimmte Leistungserzeugungsstartdrehzahl
erreicht. In 7 wird ebenfalls angenommen,
dass das erste rotierende elektrische Teil 2 elektrische
Leistung an die essentiellen Lasten eines Fahrzeugs bereitstellt,
welche immer mit elektrischer Leistung versorgt werden müssen, wenn
das Fahrzeug in Betrieb ist, sowie an eine Fahrzeugbatterie bereitstellt,
mit welcher die essentiellen Lasten parallel verbunden sind, und
dass das zweite rotierende elektrische Teil 2 elektrische Leistung
an die nicht-essentiellen
Lasten bereitstellt, welche nicht konstant mit elektrischer Leistung
versorgt werden müssen,
jedoch eine relativ hohe Leistung verbrauchen.
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Sowohl
die Antriebsmoment-Drehzahlkurve 100 als auch 200 ist
eine Kurve mit einem einzelnen Spitzenwert, wie anhand der vorhergehenden
Beschreibung ersichtlich ist. Die Antriebsmoment-Drehzahl 100 weist
in dieser Ausführungsform
einen Spitzenwert Tp1 bei einer Drehzahl Np1 auf, und die Antriebsmoment-Drehzahlkurve 200 weist
einen Spitzenwert Tp2 bei einer Drehzahl Np2 auf. Diese Ausführungsform
ist derart konfiguriert, so dass der Spitzenbereich der Antriebsmoment-Drehzahlkurve 100 (die
Fläche,
in welcher das Antriebsmoment größer oder
gleich 90 Prozent des Spitzenwerts Tp1 ist) den Spitzenbereich der
Antriebsmoment-Drehzahlkurve 200 (Fläche, in welcher das Antriebsmoment
größer oder
gleich 90 Prozent des Spitzenwerts Tp2 ist) nicht überlappt.
Dies ermöglicht
es zu verhindern, dass die Gesamtantriebsmoment-Drehzahlkurve 300 einen Spitzenwert
aufweist, welcher größer als
ein zwischen dem Riemen und der Generatorriemenscheibe maximal übertragbares
Drehmoment ist, um dadurch das Auftreten des Riemenschlupfes zu
verhindern.
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Es
ist selbstverständlich,
dass verschiedene Modifikationen an den oben beschriebenen Ausführungsformen,
wie nachstehend beschrieben durchgeführt werden können.
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Die
Anzahl der Stator-Rotorpaare kann drei oder mehr betragen. Die Rotorkerne
können
andere Rotorkerne als die vom Randell-Typ sein. Die Erzeugungsspannung,
welche von dem ersten Stator-Rotorpaar ausgegeben wird, kann der
Erzeugungsspannung welche von dem zweiten Stator-Rotorpaar ausgegeben
wird, gleichen. Die Erzeugungsspannung, welche von dem ersten Stator-Rotorpaar
ausgegeben wird und an die Niederspannungslasten angelegt wird,
kann zu der Erzeugungsspannung, welche von dem zweiten Stator-Rotorpaar
ausgegeben wird, hinzugefügt
werden, um eine Hochspannung zu erzeugen, welche an die Hochspannungslasten
angelegt wird.
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Obgleich
die oben beschriebenen Ausführungsformen
auf einen Tandemgenerator für
Fahrzeuge gerichtet sind, ist die vorliegende Erfindung ebenfalls
auf einen Tandemmotor anwendbar.
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Die
oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen sind für die Erfindung
der vorliegenden Anmeldung beispielhaft, welche ausschließlich durch
die nachstehend beigefügten
Ansprüche
beschrieben ist. Es ist ersichtlich, dass Modifikationen der bevorzugten
Ausführungsformen,
sofern sie dem Fachmann ersichtlich sind, durchgeführt werden
können.