DE102008001434B4

DE102008001434B4 - Elektrische Maschine mit integriertem ESD-Schutz

Info

Publication number: DE102008001434B4
Application number: DE102008001434.6A
Authority: DE
Inventors: Herbert Labitzke; Walter Csicser
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2008-04-28
Filing date: 2008-04-28
Publication date: 2017-11-02
Anticipated expiration: 2028-04-29
Also published as: DE102008001434A1

Abstract

Elektrische Maschine, umfassend einen Läufer (2) mit einer Welle (9), eine im Läufer (2) angeordnete Erregerwicklung (3), die über zwei Schleifringe (4a, 4b) mit Strom versorgt wird, einen Stator (1) und eine Freilaufdiode (7), wobei die Freilaufdiode (7) im Läufer (2) angeordnet ist, und ferner eine Zenerdiode (8) vorgesehen ist, die zwischen der Welle (9) und dem masseseitigen Schleifring (4b) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode der Freilaufdiode (7) mit der Kathode der Zenerdiode (8) verbunden ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Heutige Kfz-Generatoren sind üblicherweise als Synchronmaschinen mit einem rotierenden Erregerfeld realisiert. Die im Läufer angeordnete Erregerwicklung wird dabei über zwei Bürsten/Schleifringe mit Erregerstrom versorgt. Das von der Erregerwicklung erzeugte magnetische Feld induziert in den Statorwicklungen eine Spannung, die mittels eines Umrichters gleichgerichtet wird.
Zur Einstellung der Generator-Ausgangsspannung ist ein Spannungsregler vorgesehen, der üblicherweise im Stator angeordnet ist. Der Spannungsregler umfasst eine Regler-Endstufe, üblicherweise einen MOS-Transistor, die über ein PWM-Signal (PWM: Pulsweitenmodulation) mit einem bestimmten Tastverhältnis angesteuert wird. Da die Erregerwicklung eine sehr hohe Induktivität aufweist, umfassen bekannte Kfz-Generatoren eine Freilaufdiode, die üblicherweise im Stator und insbesondere im Regler angeordnet ist. Bei hoher Leistung entsteht in der Freilaufdiode eine relativ hohe Verlustwärme, die zu einer Erwärmung des Reglers führt. Im Zusammenhang mit Bürstenfeuer aufgrund z. B. unrunder Schleifringe kann so eine zulässige Maximaltemperatur überschritten werden.
Der Generator wird über eine auf der Generatorwelle sitzende Riemenscheibe und einen Keilrippenriemen vom Verbrennungsmotor angetrieben. Durch Ladungstrennung kann es zu einer elektrostatischen Aufladung der Läuferwelle kommen, wobei Spannungen von mehr als 1 kV auftreten können. Bei Überschreiten einer bestimmten Schwellenspannung erfolgt eine schlagartige Entladung über die Riemenscheibe, die Läuferwelle und ein Kugellager der Welle gegen Masse. Dadurch entsteht eine kurzzeitige Potentialstörung des Massepotentials, an dem auch der Regler angeschlossen ist. Dies kann wiederum zu einer temporären Fehlfunktion des Reglers führen.
Bei herkömmlichen Kfz-Generatoren ist zumindest eines der Kugellager der Welle an Masse gekoppelt. Grundsätzlich dürften sich daher keine Ladungen auf der Läuferwelle aufbauen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass sich bei höheren Betriebsdrehzahlen wegen der Schmierung des Kugellagers ein Isolierfilm bildet, der den elektrischen Widerstand des Kugellagers auf bis zu 100 Megaohm ansteigen lässt. Im Betrieb des Generators kann es somit zu einer schlagartigen Entladung gegen Masse kommen.
DE 40 16 574 A1 offenbart eine Einrichtung zur Begrenzung der Klemmenspannung bei einer Drehstromlichtmaschine. Diese Einrichtung ist besonders wirksam bei Lastabwürfen und vermag insoweit empfindliche Verbraucher in Fahrzeugbordnetzen vor Überspannungsstößen mit hohen Energieinhalten zu schützen. Die Einrichtung nutzt eine Überspannungsabhängige Schalteinrichtung zur selbsttätigen Freischaltung der Erregerwicklung in eine die magnetische Erregungsenergie besonders rasch verzehrende Freilaufkonfiguration. Dadurch wird eine entsprechende Reduktion der im Generatorkreis induzierten Energie bewirkt.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die thermische Belastung des Reglers zu reduzieren und gleichzeitig einen Schutz vor elektrostatischer Entladung (ESD-Schutz) bereitzustellen.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, die Freilaufdiode im Läufer, also entfernt vom Regler anzuordnen, und außerdem eine Zenerdiode im Läufer vorzusehen, die zwischen dem masseseitigen Schleifring der elektrischen Maschine und der Läuferwelle angeordnet ist. Durch die Verlagerung der Freilaufdiode in den Läufer wird zunächst der Regler thermisch entlastet. Mit Hilfe der Zenerdiode wird erreicht, dass sich Ladungen – positive als auch negative – die sich auf der Welle angesammelt haben, über die Zenerdiode und den masseseitigen Schleifring gegen Masse abbauen können. Der Regler ist somit vor elektrostatischer Entladung geschützt.
Die im Läufer angeordnete Freilaufdiode kann wahlweise als normale Diode oder auch als Zenerdiode realisiert sein. Wenn beide Dioden auf einem IC integriert sind, bietet es sich an, beide Dioden als Zenerdioden herzustellen.
Die Regler-Endstufe, genauer deren masseseitiger Anschluss ist vorzugsweise ausschließlich mit der plusseitigen Bürste verbunden. Eine weitere Masse besteht vorzugsweise nicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Freilaufdiode parallel zur Erregerwicklung geschaltet. Die Anode der Freilaufdiode ist dabei mit der Kathode der ESD-Schutz-Diode direkt verbunden. Beide Dioden sind also seriell miteinander verschaltet. Der Mittenabgriff zwischen den beiden Dioden ist vorzugsweise mit dem masseseitigen Schleifring verbunden.
Die Zenerspannung der Zenerdiode (ESD-Schutz-Diode) liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 30 V und 50 V bei einem 14 V Bordnetz. Die Zenerspannung ist grundsätzlich so eingestellt, dass sie etwas oberhalb der Spannung liegt, die im regulären Generatorbetrieb auftreten kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigt:
1 ein vereinfachtes Schaltbild eines Kfz-Generators.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kfz-Generators, der als Synchronmaschine mit einem rotierenden Erregerfeld ausgelegt ist. Der Generator umfasst einen Stator 1 (oberhalb der gestrichelten Linie) und einen Läufer 2 (unterhalb der gestrichelten Linie), in dem die Erregerwicklung 3 angeordnet ist. Der Generator wird über einen Keilrippenriemen (nicht gezeigt) und eine auf der Welle 9 befestigte Riemenscheibe 10 vom Verbrennungsmotor angetrieben.
Die Erregerwicklung 3 wird über Kohlebürsten 5a, 5b und Schleifringe 4a, 4b mit elektrischem Strom versorgt. Zur Einstellung der Generator-Ausgangsspannung ist ein Regler vorgesehen, von dem hier nur die Regler-Endstufe 6 gezeigt ist. Die Regler-Endstufe 6 ist schematisch als ein MOS-Transistor dargestellt. Der Transistor wird über ein PWM-Signal mit einem vorgegebenen Tastverhältnis ein- und ausgeschaltet. Die Erregerwicklung 3 erzeugt dadurch ein magnetisches Feld, das in den Statorwicklungen eine entsprechende Spannung induziert.
In den Ausschaltphasen des PWM-Signals fließt der Erregerstrom durch eine Freilaufdiode 7, die im Läufer 2, parallel zur Erregerwicklung 3 angeschlossen ist. Diese Diode 7 ist hier als Zenerdiode eingezeichnet, könnte aber auch als normale PN-Diode realisiert sein.
Der Läufer 2 umfasst außerdem eine zweite Zenerdiode 8, die zwischen den masseseitigen Schleifring 4b und die Welle 9 geschaltet ist. Die Durchlassrichtung der Zenerdiode 8 ist von der Läuferwelle 9 in Richtung Masse. Diese Zenerdiode 8 dient dazu, positive oder negative Ladungen, die sich auf der Welle 9 angesammelt haben, abzuleiten.
Im Betrieb der elektrischen Maschine kann es durch die Reibung zwischen dem Keilrippenriemen (nicht gezeigt) und der Riemenscheibe 10 zu einer statischen Aufladung der Welle 9 kommen. Dabei können positive oder negative Spannungen von mehr als 1 kV auf der Welle 9 auftreten. Die Welle 9 ist zwar über ein Kugellager 11 mit Masse verbunden, im Betrieb der elektrischen Maschine kann sich jedoch im Kugellager 11 wegen der Schmierung ein Isolierfilm bilden, der den elektrischen Widerstand stark erhöht. Mit Hilfe der Zenerdiode 8 werden positive Spannungen auf der Welle 9 über den masseseitigen Schleifring 4b und die Bürste 5b direkt gegen Masse abgeleitet. Auf der Welle 9 befindliche negative Spannungen werden abgebaut, sobald die Spannung die Zenerspannung der Zenerdiode 8 betragsmäßig übersteigt. In beiden Fällen werden elektrostatische Entladungen über das Kugellager 11 verhindert.
Die Zenerdiode 8 wird vorzugsweise so ausgelegt, dass deren Zenerspannung oberhalb einer maximalen Spannung liegt, die im normalen Betrieb des Generators auftreten kann.
Die beiden Dioden 7 und 8 sind hier gemeinsam auf einen IC integriert. Es bietet sich daher an, beide Dioden 7, 8 als Zenerdioden zu realisieren.

Claims

Elektrische Maschine, umfassend einen Läufer (2) mit einer Welle (9), eine im Läufer (2) angeordnete Erregerwicklung (3), die über zwei Schleifringe (4a, 4b) mit Strom versorgt wird, einen Stator (1) und eine Freilaufdiode (7), wobei die Freilaufdiode (7) im Läufer (2) angeordnet ist, und ferner eine Zenerdiode (8) vorgesehen ist, die zwischen der Welle (9) und dem masseseitigen Schleifring (4b) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode der Freilaufdiode (7) mit der Kathode der Zenerdiode (8) verbunden ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Freilaufdiode (7) als Zenerdiode realisiert ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Stator (1) angeordneter Regler mit einer Regler-Endstufe (6) zum Einstellen des Erregerstroms vorgesehen ist, wobei der masseseitige Anschluss der Regler-Endstufe (6) ausschließlich mit einer plusseitigen Bürste (5a) verbunden ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Freilaufdiode (7) parallel zur Erregerwicklung (3) angeschlossen ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Dioden (7, 8) auf einem IC hergestellt sind.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zenerspannung der Zenerdiode (8) in einem Bereich zwischen 30 V und 50 V liegt.