DE102006032799B4

DE102006032799B4 - Rotierende elektrische Maschine in Tandemanordnung für Fahrzeuge

Info

Publication number: DE102006032799B4
Application number: DE102006032799A
Authority: DE
Inventors: Kazushige Okumoto; Shin Kusase
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-07-15
Filing date: 2006-07-14
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2026-07-15
Also published as: US7564156B2; CN1897421A; CN1897421B; DE102006032799A1; US20070013262A1; FR2888684A1; JP2007049886A

Abstract

Rotierende elektrische Maschine in Tandemanordnung für Fahrzeuge, aufweisend: ein erstes Stator-Rotorpaar, welches einen ersten Rotorkern (21) enthält, der eine erste darum gewickelte Feldspule (22) aufweist, und einen ersten Statorkern (23) enthält, der eine erste darum gewickelte Statorspule (24) aufweist; ein zweites Stator-Rotorpaar, welches einen zweiten Rotorkern (31) enthält, der eine zweite darum gewickelte Feldspule (32) aufweist und einen zweiten Statorkern (33), der eine zweite darum gewickelte Statorspule (34) aufweist; und eine Steuervorrichtung (9), die einen ersten Feldstrom, der in die erste Feldspule (22) fließt, sowie einen zweiten Feldstrom, der in die zweite Feldspule (32) fließt individuell steuert, um eine in der ersten Statorspule (24) induzierte Erzeugungsspannung und eine in der zweiten Statorspule (34) induzierte Erzeugungsspannung individuell zu regeln; wobei der erste Rotorkern (21) und der zweite Rotorkern (31) an einer gemeinsamen durch einen Motor eines Fahrzeugs angetriebenen Drehwelle (4) befestigt sind, das erste Stator-Rotorpaar konfiguriert ist, elektrische Leistung zu erzeugen, welche an ein erstes elektrisches Lastsystem bereitgestellt wird, das essentielle elektrische Lasten enthält, die immer mit elektrischer Leistung versorgt werden müssen, wenn das Fahrzeug in Betrieb ist, das zweite Stator-Rotorpaar konfiguriert ist, elektrische Leistung zu erzeugen, welche an ein zweites elektrisches Lastsystem bereitgestellt wird, das nicht-essentielle elektrische Lasten enthält, die nicht immer mit elektrischer Leistung versorgt werden müssen, wobei die Steuervorrichtung (9) derart konfiguriert ist, daß der erste Feldstrom in die erste Feldspule (22) fließt, wenn die Drehzahl des Motors höher als eine Leerlaufdrehzahl (Ni) ist, um zu ermöglichen, daß das erste Stator-Rotorpaar elektrische Leistung erzeugt, und dass verhindert wird, dass der zweite Feldstrom in die zweite Feldspule (32) fließt, wenn die Drehzahl des Motors geringer als eine vorbestimmte Schwelldrehzahl (Nx) ist, um zu unterbinden, daß das zweite Stator-Rotorpaar elektrische Leistung erzeugt, wobei die vorbestimmte Schwelldrehzahl (Nx) oberhalb einer Leerlaufdrehzahl (Ni) des Motors so festgesetzt ist, dass ein Gesamtantriebsmoment der rotierenden elektrischen Maschine ein maximales auf die Drehwelle übertragbares Drehmoment (Ts) nicht überschreitet.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine rotierende elektrische Maschine in Tandemanordnung für Fahrzeuge, welche eine gemeinsame Drehwelle und eine Mehrzahl von Stator-Rotorpaaren aufweist, die an der Drehwelle befestigt sind.
2. Beschreibung des Stands der Technik
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 der als nächstkommender Stand der Technik zu betrachtenden offengelegten japanischen Patentanmeldung JP 05-308 751 A 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 welchem 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 42 V-System zusätzlich zu dem Bereitstellen einer Niederspannung an ein herkömmliches 12 V-System verwendet werden.
Aus der US 4 463 305 A ist ein Wechselstromgenerator für ein Kraftfahrzeug bekannt, dessen Antriebsmoment während der Anlassphase des Fahrzeugmotors vermindert wird, um die Belastung des Fahrzeugmotors möglichst gering zu halten. Hierzu ist eine Steuervorrichtung vorgesehen, die so konfiguriert ist, dass sie den Feldstrom in einer zweiten Feldspule unterdrückt, solange der Fahrzeugmotor nicht einen belastbaren Zustand erreicht hat.
Schließlich ist aus der JP 05-083 906 A eine rotierende elektrische Maschine in Tandemanordnung für Fahrzeuge bekannt, die etwa der in der zuvor genannten Veröffentlichung, nämlich der JP 05-308 751 A etwa entspricht, das erste Stator-Rotorpaar der Tandemanordnung jedoch elektrische Leistung nicht nur an erste elektrische Lasten sondern auch an eine erste Batterie zu liefern hat, während das zweite Stator-Rotorpaar der Tandemanordnung elektrische Leistung an zweite elektrische Lasten und eine dazu parallel liegende zweite Batterie zu liefern hat.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Generator in Form einer rotierenden elektrischen Maschine in Tandemanordnung für Fahrzeuge vorzusehen, dessen Antriebsmoment in einem Niederdrehzahlbereich so gering ist, dass das Auftreten des Riemenschlupfes und der Leerlaufdrehzahlvariation bzw. -schwankung eines Fahrzeugmotors, welcher den Generator in Tandemanordnung antreibt, möglichst sicher verhindert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Lehre des beigefügten Anspruches gelöst.
Andere Vorteile und Merkmale sind aus der nachfolgenden Beschreibung einschließlich den Zeichnungen ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den begleitenden Figuren zeigen:
1 eine axiale Querschnittsansicht einer rotierenden elektrischen Maschine in Tandemanordnung für Fahrzeuge entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung;
2 ein Diagramm, welches eine Schaltungskonfiguration der rotierenden elektrischen Maschine in Tandemanordnung für Fahrzeuge entsprechend der Ausführungsform der Erfindung zeigt;
3 ein Ablaufdiagramm, welches ein Leistungserzeugungssteuerverfahren, das durch einen in der rotierenden elektrischen Maschine in Tandemanordnung für Fahrzeuge enthaltenen Regler durchgeführt wird; und
4 eine Grafik, welche Antriebsmoment-Drehzahl-Kennlinien der rotierenden elektrischen Maschine in Tandemanordnung für Fahrzeuge entsprechend der Ausführungsform der Erfindung zeigt.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
Nachstehend wird eine rotierende elektrische Maschine in Tandemanordnung für Fahrzeuge entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung mit Bezug auf 1 beschrieben.
In 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.
Das Gehäuse 1 wird durch ein Frontgehäuse 11, ein Mittelgehäuse 12 und ein Heckgehäuse 13 gebildet. Die Gehäuse werden mit einer Durchgangsschraube 14 aneinander 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.
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.
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.
Im folgenden wird die Schaltungskonfiguration der rotierenden elektrischen Maschine dieser Ausführungsform mit Bezug auf 2 beschrieben.
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.
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.
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.
Im folgenden wird das durch den Regler 9 durchgeführte Leistungssteuerverfahren mit Bezug auf das Ablaufdiagramm der 3 beschrieben.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Es ist selbstverständlich, dass verschiedene Modifikationen an der oben beschriebenen Ausführungsform, wie nachstehend beschrieben, durchgeführt werden können.
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.
Obgleich die oben beschriebene Ausführungsform auf einen Tandemgenerator für Fahrzeuge gerichtet sind, ist die vorliegende Erfindung ebenfalls auf einen Tandemmotor anwendbar.