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Anwendungsbereich
der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung für die Durchführung eines
Verfahrens zur Steuerung einer mehrphasigen und reversiblen rotierenden
elektrischen Maschine, die mit einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs
verbunden ist, umfassend ein Stromversorgungsnetz und eine als Stromquelle
dienende Batterie, die mit diesem Netz verbunden ist, sowie eine
Steuer- und Kontrolleinheit der Maschine.
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Stand der
Technik
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Obwohl
derartige Verfahren und Anordnungen bereits bekannt sind, hat es
sich herausgestellt, daß rotierende
elektrische Maschinen für
die Ausführung
bestimmter mit dem Fahrzeug zusammenhängender Funktionen nutzbare
Eigenschaften besitzen, die bislang nicht erkannt worden sind oder
die komplexe und aufwendige Mittel erfordern.
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So
kann im Lichte der
FR
A 2 802 363 , in der Mittel zur Stromversorgung der Erregerwicklung
des Läufers
der Maschine mit einer Übererregungsspannung
beschrieben sind, in Betracht gezogen werden, ein Verfahren anzuwenden,
bei dem man durch Übererregung
der Maschine während
einer kurzen Zeit Energie erzeugen läßt und diese Energie für die Ausführung bestimmter
mit dem Fahrzeug zusammenhängender
Funktionen bereitstellt.
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Die
Anordnung für
die Durchführung
des Verfahrens kann eine Vorrichtung zur Bereitstellung der Energie,
die während
der kurzen Zeit der Übererregung
der Maschine erzeugt wurde, an das Stromnetz des Fahrzeugs umfassen.
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Bei
dieser Vorrichtung zur Energiebereitstellung handelt es sich vorteilhafterweise
um eine Energiespeichervorrichtung, die durch eine Schaltervorrichtung
mit der rotierenden elektrischen Maschine verbunden werden kann.
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Außerdem kann
die Anordnung hinter der Schaltervorrichtung einen Gleichstrom-Gleichstrom-Umrichter
umfassen, der zwischen der Batterie und der Energiespeichervorrichtung
geschaltet ist.
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Dieser
Umrichter ist mit großer
Leistung ausgeführt.
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Gegenstand
der Erfindung
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Leistung
und die Größe des Umrichters
in einfacher und wirtschaftlicher Weise zu verringern.
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Erfindungsgemäß ist die
Anordnung der vorgenannten Art dadurch gekennzeichnet, daß sie einen
Stromkreis umfaßt,
der die rotierende elektrische Maschine über die Schaltervorrichtung
direkt mit der Batterie verbinden kann, und daß in dem vorgenannten Stromkreis
ein Schalter vorgesehen ist.
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Dank
der Erfindung ist der Schalter im Verhältnis zum Umrichter parallel
geschaltet. Dadurch wird die Energie, die bei der Übererregung
der Maschine erzeugt wird, in der Speichervorrichtung gespeichert,
die die gespeicherte Energie wieder abgeben kann, wobei die Übererregung
der Maschine bei der Bremsung vorgesehen ist und somit die bei dieser
Bremsung zurückgeführte Energie
gespeichert wird.
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Dank
der Erfindung kann dabei ein Umrichter mit geringerer Leistung und
kleinerer Größe verwendet
werden. Die Leistung des Umrichters kann entsprechend der Funktionsweise
im Rückführungsbremsbetrieb
der erfindungsgemäßen Anordnung bestimmt
werden.
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Bei
dem Schalter handelt es sich vorteilhafterweise um einen statischen
Schalter, der zum Beispiel aus einem MOSFET-Transistor besteht.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Das
Verständnis
der Erfindung sowie weiterer Merkmale, Einzelheiten und Vorteile
der Erfindung wird durch die nachfolgende erläuternde Beschreibung erleichtert,
die unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen
angeführt wird,
die jeweils nur als Beispiel zur Veranschaulichung einer Ausführungsart
der Erfindung zu verstehen sind. Dabei zeigen im einzelnen:
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1 eine
schematische Veranschaulichung des Prinzips einer erfindungsgemäßen Anordnung;
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2 die
Veranschaulichung einer ersten Ausführungsart der Anordnung gemäß 1;
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3 die
Veranschaulichung einer zweiten Ausführungsart der Anordnung gemäß 1;
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die 4 bis 9 verschiedene
Verwendungen der Anordnung gemäß 2.
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Beschreibung
von bevorzugten Ausführungsarten der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine reversible rotierende elektrische Maschine,
etwa einen Anlassergenerator eines Kraftfahrzeugs.
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Bekanntlich
umfaßt
jede rotierende elektrische Maschine einen Ständer und einen Läufer, die koaxial
angeordnet sind, wobei der Ständer
auf einer ortsfesten Lagerung mit einem vorderen und einem hinteren
Lagerschild angebracht ist, die jeweils ein Lagermittel, etwa ein
Kugellager, für
die drehbare Lagerung einer Welle umfassen, die fest mit dem Läufer verbunden
ist, wie dies im folgenden beschrieben wird.
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Der
Wechselstromgenerator ermöglicht
die Umwandlung einer Drehbewegung des durch den Verbrennungsmotor
des Fahrzeugs angetriebenen Läufers
in einen in den Wicklungen des Ständers induzierten elektrischen
Strom. Der Wechselstromgenerator kann außerdem reversibel ausgeführt sein und
einen Elektromotor bilden, wobei sein Ständer dann einen Induktor und
sein Läufer
einen Anker bildet, um über
die Läuferwelle
den Verbrennungsmotor des Fahrzeugs drehend anzutreiben. Dieser
reversible Wechselstromgenerator wird als Anlassergenerator bezeichnet
und ermöglicht
die Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie und umgekehrt.
Ein Anlassergenerator kann daher den Motor des Kraftfahrzeugs anlassen,
einen Hilfsmotor bilden, um beispielsweise den Kompressor einer
Klimaanlage anzutreiben, oder auch im Motorbetrieb laufen, um das
Kraftfahrzeug anzutreiben. Der Ständer umfaßt im allgemeinen drei Wicklungen,
so daß es
sich bei dem Wechselstromgenerator um einen Dreiphasen- oder Drehstromgenerator
handelt. Als Variante ist der Wechselstromgenerator als Sechsphasengenerator
ausgeführt,
wobei er mit Leiterstäben
gewickelt sein kann, die U-förmige
Nadeln bilden.
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Wenn
der Anlassergenerator im Anlasserbetrieb oder im Motorbetrieb läuft, muß er ein
sehr hohes Drehmoment an den Verbrennungsmotor übertragen.
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Diese
in mehrphasiger und reversibler Bauart ausgeführte Maschine arbeitet daher
als Wechselstromgenerator, insbesondere um die Fahrzeugbatterie
aufzuladen und die elektrischen Verbraucher mit Strom zu versorgen,
und als Anlasser, um die auch als Verbrennungsmotor bezeichnete
Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs beim Anlassen anzutreiben.
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Dazu
ermöglicht
es die Gleichrichterbrücke am
Ausgang des Ankers des Wechselstromgenerators, den Wechselstrom
des Ankers zu richten, wobei sie außerdem als Steuerungsbrücke zur
Steuerung der Phasen des Wechselstromgenerators dient. Diese Brücke wird
als Wechselrichter bezeichnet und umfaßt MOSFET-Transistoren, wie
dies beispielsweise in den Druckschriften
FR-A-2745444 und
FR-A-2745445 beschrieben
wird.
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Diese
als Wechselstromgenerator arbeitende rotierende Maschine umfaßt bekannterweise:
- – einen
spulengewickelten Läufer,
der die Erregerwicklung bildet, die herkömmlicherweise mit zwei Schleifringen,
die an die Enden der Läuferwicklung
angeschlossen sind, und zwei Kohlebürsten verbunden ist, über die
der Erregerstrom zugeführt
wird, wobei die Kohlebürsten
an einem mit einem Spannungsregler verbundenen Bürstenhalter angebracht sind;
- – einen
Mehrphasenständer,
der mehrere, den Anker bildende Spulen oder Wicklungen trägt, die in
dem häufigsten
Falle einer Drehstromausführung
in Stern- oder in Dreieckschaltung geschaltet sind und die im Generatorbetrieb
die umgerichtete elektrische Leistung zur Gleichrichterbrücke abgeben.
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Die
Brückenschaltung
ist mit den verschiedenen Phasen des Ankers verbunden und zwischen der
Masse und einer Speiseklemme der Batterie geschaltet. Diese Brückenschaltung
weist beispielsweise Dioden auf, die mit Transistoren in der Ausführung als
MOSFET-Transistoren
verbunden sind.
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Die
Funktionsweise eines solchen Wechselstromgenerators im Motorbetrieb
erfolgt, indem beispielsweise ein Gleichstrom in der Erregerwicklung vorgegeben
wird und indem an den Ständerphasen um
120° phasenverschobene
Signale, idealerweise sinusförmige,
gegebenenfalls aber trapezförmige oder
Rechtecksignale synchron abgegeben werden, wie dies in den vorerwähnten Druckschriften
FR-A-2745444 und
FR-A-2745445 beschrieben
wird.
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Diese
Gleichrichter- und Steuerungsbrücke wird
durch ein elektronisches Steuermodul gesteuert. Die Brückenschaltung
und das Steuermodul gehören zu
einer als Steuer- und Kontrolleinheit bezeichneten Einheit, die
zumeist außerhalb
der Maschine eingebaut ist. Diese Einheit ist außerdem eine Regelungseinheit
und umfaßt
einen Mikrocontroller.
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Darüber hinaus
sind Mittel für
die Nachführung
der Winkelposition des Läufers
vorgesehen, um im Elektromotorbetrieb zum richtigen Zeitpunkt elektrischen
Strom in die betreffende Wicklung des Ständers einzuspeisen.
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Diese
vorteilhafterweise in magnetischer Bauart ausgeführten Mittel senden Informationen
an das elektronische Steuermodul und werden beispielsweise in den
Druckschriften
FR-2 807 231 und
FR 2 806 224 (
WO 01/69762 ) beschrieben.
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Diese
Mittel umfassen somit eine drehfest am Läufer oder an der Riemenscheibe
der Maschine angebrachte Zielmarkierung und wenigstens einen Sensor
in der Ausführung
als Hallgeber oder Magnetoresistenz-Sensor, um den Durchgang der
Zielmarkierung zu erfassen, die vorteilhafterweise magnetisch ausgeführt ist.
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Es
sind vorzugsweise wenigstens drei Sensoren vorgesehen, wobei diese
am vorderen oder hinteren Lagerschild angebracht sind, welche die
rotierende elektrische Maschine umfaßt, um den Ständer fest
und den Läufer
drehend zu lagern.
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In
bestimmten Fällen
ist es wünschenswert, die
Anlaßleistungen
eines Anlassergenerators zu verbessern. So besteht die Möglichkeit
einer Übererregung
des Läufers,
um mehr Drehmoment beim Anlassen zu erhalten.
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Diese Übererregung
kann durch eine Überspannung
an den Klemmen der Erregerwicklung und/oder durch einen Überstrom
in der Erregerwicklung im Vergleich zu einem herkömmlichen
Wechselstromgenerator stattfinden.
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Dies
kann anhand eines elektronischen Spannungserhöhers erfolgen, der die Läuferwicklung nur
im Anlaßbetrieb übererregt.
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Diese
Maschine hat hier den Aufbau eines herkömmlichen Wechselstromgenerators,
beispielsweise der Art, die in der
EP-A-0
515 259 (
US
A 5 270 605 ) beschrieben wird, auf die zu weiteren Einzelheiten
verwiesen werden kann.
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Diese
Maschine ist daher mit Innenbelüftung (Luftkühlung) ausgeführt, wobei
ihr Läufer
wenigstens an einem seiner axialen Enden einen Lüfter trägt, der im Inneren der Lagerung
angebracht ist, deren vorderer und hinterer Lagerschild in hohlförmiger Ausführung Lufteinlässe und
Luftauslässe
aufweisen, wie dies im folgenden beschrieben wird. Als Variante
wird die Maschine durch Wasser gekühlt.
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Bei
dem Läufer
handelt es sich im einzelnen um einen Klauenpolläufer mit Polrädern, die
an ihrem äußeren Umfang
axial ausgerichtete und trapezförmige
Zähne tragen.
Die Zähne
eines Polrads sind zu den Zähnen
des anderen Polrads gerichtet, wobei die besagten insgesamt trapezförmigen Zähne von
einem Polrad zum anderen ineinander verzahnt verteilt sind. Wie
dies beispielsweise in der Druckschrift
FR-A-2 793 085 beschrieben wird,
können
natürlich Permanentmagnete
zwischen den Zähnen
der Polräder
eingefügt
sein, um das Magnetfeld zu vergrößern.
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Der
Läufer
trägt eine
Erregerwicklung zwischen den Seitenteilen seiner Polräder. Diese
Wicklung umfaßt
ein elektrisch leitendes Element, das mit Bildung von Windungen
gewickelt ist. Bei dieser Wicklung handelt es sich um eine Erregerwicklung, die
bei ihrer Aktivierung den Läufer
magnetisiert, um mit Hilfe der Zähne
magnetische Nord- und Südpole zu
schaffen. Die Enden der Läuferwicklung
sind jeweils mit einem Schleifring verbunden, an dem jeweils eine
Kohlebürste
in Reibung tritt. Die Kohlebürsten
sind an einem Bürstenhalter
angebracht, der fest mit dem hinteren Lagerschild der Maschine verbunden
ist, der mittig ein Kugellager trägt, das das hintere Ende der
fest mit dem Läufer
verbundenen Welle drehend lagert.
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In
einer anderen Ausführungsart
handelt es sich bei dem Läufer
um einen Hybridläufer
mit Erregung durch Wicklungen oder durch Magneten, wie dies beispielsweise
in den Druckschriften
WO 02/054566 und
US 6 147 429 beschrieben
wird, auf die zu weiteren Einzelheiten verwiesen werden kann. In
diesem Fall umfaßt
der Läufer
ein Blechpaket mit Blechen, die einerseits mit Aufnahmen für das Einsetzen
von Permanentmagneten versehen und andererseits zur Bildung von
Schenkelpolen eingeschnitten sind, um die Erregerwicklungen gewickelt sind.
Die Aufnahmen sind axial an jedem ihrer Enden durch ein Halteteil
verschlossen, das mit einem nicht magnetischen Teil versehen ist,
das dazu bestimmt ist, an den Magneten zum Anschlag zu kommen. Das Halteteil
weist Aufnahmeausnehmungen zum Einsetzen der Schaltenden der Erregerwicklungen
auf und trägt
Lüftungsflügel. Ein
derartiger Läufer
kann beispielsweise als Vollpol-Läufer ausgeführt sein.
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Das
vordere Ende der Welle ist in einem Kugellager drehend gelagert,
das am vorderen Lagerschild der Maschine angebracht ist. Das vordere Ende
der Welle trägt
außerhalb
der Maschine ein Antriebsorgan, etwa eine Riemenscheibe, die zu
einer Bewegungsübertragungsvorrichtung
gehört,
die wenigstens einen an der Riemenscheibe eingelegten Treibriemen
umfaßt.
Die Bewegungsübertragungsvorrichtung
stellt eine Verbindung zwischen der Riemenscheibe und einem Organ,
etwa einer anderen Riemenscheibe, her, das durch den Verbrennungsmotor
des Fahrzeugs drehend angetrieben wird. Als Variante ist die Bewegungsübertragungsvorrichtung mit
einer Kette ausgeführt,
während
das Antriebsorgan Zähne
umfaßt,
die mit der Kette zusammenwirken. Als weitere Variante ist die Bewegungsübertragungsvorrichtung
mit Zahnrädern
ausgeführt.
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Wenn
die Maschine, hier ein Anlassergenerator, im Generatorbetrieb läuft, das
heißt,
als elektrischer Generator funktioniert, wird die Riemenscheibe durch
den Verbrennungsmotor des Fahrzeugs wenigstens über den vorgenannten Treibriemen
drehend angetrieben. Wenn die Maschine im Anlasserbetrieb läuft, das
heißt,
als Elektromotor funktioniert, treibt die Riemenscheibe über den
Treibriemen den Fahrzeugmotor drehend an.
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Die
vorderen und hinteren Lagerschilde sind für die Innenbelüftung der
Maschine durchbrochen, wobei sie beispielsweise anhand von Zugankern
miteinander verbunden sind und zur Lagerung der Maschine gehören, die
zur Befestigung an einem ortsfesten Teil des Fahrzeugs bestimmt
ist.
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Diese
Lagerung trägt
an ihrem äußeren Umfang
ortsfest den Körper
eines Ständers,
der üblicherweise
aus einem Blechpaket mit Nuten für den Einbau
der Spulen bzw. generell der Wicklungen des Ständers besteht, deren Ausgänge mit
der vorgenannten Gleichrichter- und Steuerungsbrücke verbunden sind.
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Die
Spulen oder Wicklungen des Ständers bestehen
aus Drähten
oder Stabwicklungen, wie dies beispielsweise in der
WO 92/06527 beschrieben wird; die
Stäbe können einen
rechteckigen Querschnitt aufweisen. Als Variante bestehen die Wicklungen
aus Drähten,
und in ein und derselben Nut des Ständers sind eine dreiphasige
Sternwicklung und eine dreiphasige Dreieckwicklung vorgesehen, deren Ausgänge mit
Diodenbrücken
verbunden sind, wie dies in den Druckschriften
FR A 2 737 063 und
US A 4 163 187 beschrieben
wird.
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Der
Ständer
umgibt den Läufer,
dessen Kohlebürsten
mit einem Regler des Wechselstromgenerators verbunden sind, um die
Spannung des Wechselstromgenerators auf einer gewünschten
Spannung, hier in der Größenordnung
von 14 V, bei einer 12 V Batterie zu halten.
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Die
Gleichrichterbrücke,
die elektronische Steuer- und Kontrolleinheit der Gleichrichterbrücke und
der Regler sind hier in einem außen an der Maschine angeordneten
Elektronikgehäuse
eingebaut. Dieses Gehäuse
trägt Schaltmittel,
die Leistungsschalter umfassen, eine Steuereinheit und eine Übererregungsschaltung.
Die Übererregungsschaltung
ist im Anlasserbetrieb aktiv, um das Anlaßdrehmoment des Anlassergenerators
zu maximieren und den auch als Brennkraftmaschine bezeichneten Verbrennungsmotor
des Kraftfahrzeugs entweder bei einem Kaltstart oder bei einem Neustart
beispielsweise nach dem Anhalten an einem Rotlicht leichter anzulassen,
nachdem der Motor abgestellt worden ist, um den Kraftstoffverbrauch
zu reduzieren und so eine sogenannte "Stop and Go"-Funktion auszuführen.
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Diese Übererregungsschaltung
erhält
eingangsseitig die durch die Batterie und/oder den Wechselstromgenerator
gelieferte Bordnetzspannung und liefert an die Klemmen der Erregerwicklung eine
Spannung, die größer als
diese Bordnetzspannung ausfällt.
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Die
Steuer- und Kontrolleinheit der elektrischen Maschine kann Mittel
umfassen, die es für
den Fall, daß sich
der Anlassergenerator ins Bordnetz entladen sollte, indem er beispielsweise
von der Batterie getrennt wird (Fall von "Load dump" gemäß der allgemein
von Fachleuten benutzten angelsächsischen
Terminologie), ermöglichen,
umgehend das Öffnen
eines Leistungsschalters, der die Erregerspule speist, herbeizuführen, um
eine schnelle Entmagnetisierung des Wechselstromgenerators, insbesondere
seines Läufers,
auszuführen.
Zu weiteren Einzelheiten kann beispielsweise auf die Druckschriften
FR-A-2 802 365 und
FR-A-2 802 361 verwiesen
werden.
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Die
Erfindung hat im einzelnen eine Anordnung zum Gegenstand, die es
ermöglicht,
die hohe elektrische Leistung zu nutzen, welche die elektrische
Maschine während
einer kurzen Zeitdauer im Übererregungszustand
erzeugen kann. 1 veranschaulicht das Prinzip
des Aufbaus oder der Architektur einer solchen Anordnung. In dieser
Figur bezeichnen die Bezugsnummern 1, 2 und 3 einen
Anlassergenerator, die Batterie und das Stromversorgungsnetz des
Fahrzeugs. Bei 4 ist ein reversibler Gleichstrom-Gleichstrom-Umrichter
(DC/DC) dargestellt worden, der einen Betrieb mit zwei verschiedenen Spannungen
V1, V2 ermöglicht.
Dieser Umrichter ist zwischen einer Klemme 8 der Maschine 1 und
der entsprechend gepolten Klemme 5 der Batterie 2 über eine
Schaltervorrichtung 6 geschaltet. Der Gleichstrom-Umrichter 4 und
die Schaltervorrichtung 6 sind vorteilhafterweise in ein
und demselben Elektronikgehäuse 30 zur
Regelung des Bordnetzes des Fahrzeugs untergebracht. Wenn dieses
sich in seiner durch gestrichelte Linien angedeuteten Position befindet,
verbindet es die Ausgangsklemme 8 der Ständerwicklung
der Maschine mit der Klemme 10 des Umrichters, dessen andere
Klemme mit der Klemme 5 der Batterie verbunden ist. In
seiner zweiten Position öffnet
der Schalter den Stromkreis des Umrichters und schließt einen Stromkreis 7,
der die Klemme 8 der Maschine und die Klemme 5 der
Batterie direkt miteinander verbindet. In diesem Zusammenhang ist festzustellen,
daß die
Maschine und die Batterie durch ihre andere Klemme ständig direkt
an die Masse angeschlossen sind.
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Das
Bordnetz 3 weist daher rechts vom Umrichter 4 auf
der Seite der Batterie 2 eine erste Spannung V1 auf, die
vorteilhafterweise durch die vorteilhafterweise in ein und demselben
Elektronikgehäuse 20 zur
Kontrolle der elektrischen Maschine enthaltene Steuer- und Kontrolleinheit
beispielsweise auf einen Wert von 14 Volt geregelt wird.
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Wie
bereits erwähnt,
enthält
dieses Elektronikgehäuse 20 zur
Kontrolle der elektrischen Maschine vorteilhafterweise die Gleichrichterbrücke, die elektronische
Steuereinheit zur Steuerung der Gleichrichterbrücke und den Regler sowie eine Übererregungsschaltung
des Läufers
der elektrischen Maschine.
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Vorteilhafterweise
ist eine Kommunikationsleitung zwischen diesem Elektronikgehäuse 20 zur Kontrolle
und Steuerung der elektrischen Maschine und dem Gehäuse 30 zur
Regelung des Bordnetzes des Fahrzeugs vorgesehen. Diese Kommunikationsleitung
kann beispielsweise als CAN-Verbindung ausgeführt sein, wie sie üblicherweise
in der Kraftfahrzeugelektronik verwendet wird.
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Auf
der anderen Seite des Umrichters kann die Spannung V2 zwischen einem
geregelten Spannungswert V1 und einer höheren Spannung schwanken. Diese
Spannung könnte
sich dann zum Beispiel zwischen 14 Volt und 21,5 Volt bewegen.
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Nach
einem Merkmal der Erfindung ermöglicht
es die Schaltervorrichtung 6, an den Anlassergenerator 1 eine
Energiespeicherquelle 9 anzuschließen, die daher zwischen den
an der Masse der elektrischen Maschine 1 und der Batterie
zusammengeführten
Klemmen und der Klemme 10 des Umrichters 4 auf
der Hochspannungsseite V10 des Umrichters geschaltet ist. Der Schalter 6 schließt somit
die Maschine 1 entweder an das Netz 3 oder an
die Energiespeichervorrichtung 9 und an den Umrichter 4 an. Der
Umrichter ist vorteilhafterweise in statischer Bauart ausgeführt.
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Nach
einem anderen vorteilhaften Merkmal der Erfindung wird diese Energiespeichervorrichtung durch
eine Kondensatorvorrichtung gebildet, vorteilhafterweise durch eine
unter der Bezeichnung Doppelschicht-Kondensator oder Superkondensator
bekannte Vorrichtung, die aus einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten
kapazitiven Zellen besteht. Diese Energiespeichervorrichtung weist
nur einen sehr niedrigen Innenwiderstand auf, so daß sie sich
nur schwach erhitzt. Der Superkondensator 9 kann mit dem
Wert der veränderlichen
Spannung V2 auf der linken Seite des Umrichters geladen werden,
das heißt
auf der Seite des Anlassergenerators 1, in dem betrachteten
Beispiel bis zu einem Wert von 21,5 Volt. In diesem Fall könnte der
Superkondensator aus acht Zellen mit einem Spannungsbereich von
jeweils 1,4 bis 2,7 Volt bestehen.
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2 zeigt
eine bevorzugte erste Ausführungsart
der Anordnung von 1. In dieser Ausführungsart
umfaßt
die Schaltervorrichtung 6 zwei MOSFET-Transistoren T1,
T2, die als Schalter arbeiten und die entgegengesetzt zwischen dem
Anschlußpunkt 10 des
Umrichters 4 und des Superkondensators 9, wobei
dieser Punkt 10 auf eine Spannung V10 gebracht wird, und
der Klemme 8 der elektrischen Maschine 1 geschaltet
sind, und einen dritten Schalter gemäß der Erfindung, bei dem es
sich hier um einen MOSFET-Transistor T3 handelt, der zwischen der
Klemme 8 und dem Anschlußpunkt 5 der Batterie 2 und
des Umrichters 4 im Stromkreis 7 geschaltet ist.
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Erfindungsgemäß ist dieser
dritte Schalter T3 im Verhältnis
zum Umrichter DC/DC parallel geschaltet.
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Es
folgt nun eine Beschreibung der Funktionsweise der Anordnung von 2 und
einiger vorteilhafter Anwendungen dieser Anordnung.
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Die
Anordnung ist so gestaltet, daß unter normalen
Erregungsbedingungen, beispielsweise wenn das Fahrzeug mit einer
Reisegeschwindigkeit fährt,
der als Regler dienende Mikrocontroller der Steuer- und Kontrolleinheit 20 der
elektrischen Maschine die Spannung V1 auf den Sollwert, zum Beispiel
14 Volt, regelt.
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In
diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß der Mikrocontroller den Erregerstrom auf
einen Wert unter dem Maximalwert begrenzt, um eine zu starke Erhitzung
der Wicklungen der Maschine zu vermeiden. Wenn hingegen der Fahrer
des Fahrzeugs die Bremsen betätigt,
bewirkt die Steuereinheit zunächst
die Änderung
der Position des Schalters 6, der sich somit von seiner
in 1 mit durchgezogenen Linien dargestellten Position
in die Position mit Zuschaltung des Superkondensators 9 bewegt,
die in dieser Figur mit gestrichelten Linien angedeutet ist. Andererseits
begrenzt der Controller die Erregung nicht mehr oder gibt einen
anderen Sollwert vor, so daß sich
die Erregungsrate der im Generatorbetrieb arbeitenden Maschine erhöhen kann.
Da die Maschine vom Netz abgeschaltet ist, kann ein höheres Drehmoment
am Motor entnommen werden, und die Klemmenspannung der Maschine
kann sich bis zum zulässigen
Maximalwert erhöhen.
Der Superkondensator 9 wird daher während einer Zeit der Bremsphase
geladen, die relativ kurz ist, um eine übermäßige Erhitzung der Wicklungen
der Maschine zu verhindern.
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In
der Anordnung, wie sie in 2 dargestellt
ist, bewirkt der Controller bei einer solchen Bremsung das Öffnen des
MOSFET-Transistors
T3 und das Schließen
der MOSFET-Schalter T1 und T2, die normalerweise geöffnet sind,
damit der Superkondensator 9 durch die Maschine 1 geladen
werden kann. Die erfindungsgemäße Anordnung
sorgt daher für
eine Rückführung der
Bremsenergie, so daß von einem
Rückführungsbremsen
gesprochen werden kann.
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Insoweit
diese Energierückführungsart
beim Bremsen eine sehr häufige
Betätigung
des Schalters 6, mehr als fünfhunderttausendmal im Laufe
der Lebensdauer des Fahrzeugs, voraussetzt, dürfte leicht verständlich sein,
daß die
erfindungsgemäß vorgeschlagene
Verwendung einer aus MOSFET-Transistoren bestehenden statischen
Schaltvorrichtung vorteilhaft ist im Vergleich zu Schaltern des
Typs elektromagnetisches Relais oder andere mechanische Schalter.
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Die
Auswahl von zwei entgegengesetzt in Reihe mit dem Superkondensator
geschalteten MOSFET-Transistoren T1 und T2 ist dadurch bedingt,
daß die
Schaltervorrichtung 6 eine Spannungsdifferenz V2–V10 in
beiden Richtungen aufweisen kann, entweder in der Richtung V2 > V10 oder V2 < V10, beispielsweise
wenn der Superkondensator 9 entladen ist. Demzufolge ist
der Schalter in der Lage, die Spannung in beiden Richtungen sowohl
in seiner Position bei normaler Bewegung des Fahrzeugs als auch
in seiner Position bei Rückführungsbremsung zu
sperren. Die entgegengesetzte Schaltung der MOSFET-Transistoren
in 2 ermöglicht
die Ausführung
dieser Funktionen. 7 veranschaulicht die Funktionsweise
der Anordnung im Rückführungsbremsbetrieb.
Die Pfeile geben das Fließen
des Ladestroms des Superkondensators 9 durch die MOSFET-Schalter
T1 und T2 an, die geschlossen sind, während der MOSFET-Schalter T3
geöffnet
ist.
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Die 4 bis 6 und 8 bis 9 veranschaulichen
die Anordnung und weitere Funktionsarten. Der Schließzustand
der MOSFET-Schalter und somit der Durchgang eines Stroms ist durch
eine dünne
Pfeillinie angedeutet. Die Pfeile geben die Fließrichtung der Ströme an.
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4 veranschaulicht
den Fall, in dem die rotierende elektrische Maschine 1 im
Anlasserbetrieb läuft,
wobei ihre Stromversorgung über
die Batterie erfolgt. Dabei ist festzustellen, daß der MOSFET-Schalter
T3 geschlossen ist und somit den Umrichter 4 kurzschließt. Die MOSFET-Schalter
T1 und T2 sind geöffnet
und trennen den Superkondensator 9.
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5 veranschaulicht
ebenfalls die Funktionsweise der Maschine und der Anordnung gemäß der Erfindung
im Anlasserbetrieb. Diesmal wird die Energie jedoch durch den Superkondensator 9 geliefert.
Infolgedessen sind die MOSFET-Schalter T1 und T2 geschlossen und
somit durchgeschaltet, während
der MOSFET-Schalter T3 geöffnet
ist. Dieser MOSFET-Schalter könnte
geschlossen werden, wenn die Spannung des Superkondensators unter die
Batteriespannung absinkt.
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6 veranschaulicht
die Funktionsweise im Generatorbetrieb mit Stromversorgung durch
das Netz 3. In diesem Fall ist der MOSFET-Schalter T3 geschlossen
und somit durchgeschaltet, während
die MOSFET-Schalter T1 und T2 geöffnet
sind. Die Energie könnte
auch durch Entladung des Superkondensators 9 über den
Umrichter 4 an das Netz geliefert werden, wie dies in 8 dargestellt
ist. Die drei Schalter T1, T2, T3 sind dann geöffnet. Außerdem könnte die Stromversorgung des
Netzes sowohl durch die Maschine 1 als auch durch den Superkondensator
in Betracht gezogen werden. Im Bedarfsfall kann daher ein Teil des
Energienetzes des Fahrzeugs unter einer Spannung über der
Normalspannung zwischen 14 und 30 Volt gespeist werden.
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9 veranschaulicht
den besonders spezifischen Fall der Erfindung, in dem die Maschine
in der Lage sein soll, mit Lasten, die hohe Leistungen voraussetzen,
zu arbeiten, beispielsweise um Funktionen zur elektrischen Servolenkung
oder zur Beheizung des Fahrgastraums auszuführen. Die Energie wird dann
durch den auf eine Spannung über
der Netzspannung geregelten Wechselstromgenerator geliefert. Wie
im Falle von 4 ist der Schalter T3 geöffnet. Die
Energie wird an die Verbraucher durch den Wechselstromgenerator
parallel mit dem Superkondensator geliefert, wobei es sich um eine
Energiequelle mit sehr niedrigem Innenwiderstand handelt, die besonders
geeignet für
die Stromversorgung beispielsweise von elektrischen Servolenkungen
ist, deren Spitzenströme
ein bekanntes Problem darstellen.
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Es
folgt nun unter Bezugnahme auf 3 die Beschreibung
einer zweiten Ausführungsart
der Erfindung. In dieser Ausführungsart
wird die Schaltervorrichtung 6 nicht mehr durch die zwei
MOSFET-Transistoren
T1 und T2 gebildet, sondern durch eine Diode D, mit der ein Schalter
R in Reihe geschaltet ist, bei dem es sich um ein elektromagnetisches
Relais handeln könnte.
Denn das Vorhandensein der MOSFET-Transistoren T1 und T2 war zwar
bei einer Funktionsweise mit hoher Leistung unter der Einwirkung
des Superkondensators 9 vorteilhaft. Es hat sich hingegen
herausgestellt, daß für den Fall
einer Funktionsweise mit Stromversorgung über die Batterie 2 ohne
Anlaßmöglichkeit
mit den Superkondensatoren eine einfache Diode D ausreicht, um die
Funktion der beiden Transistoren zu erfüllen, was wiederum eine Verringerung
der Größe der Schaltervorrichtung
und eine Kostensenkung ermöglicht.
Aufgrund des Problems des Vorladens des Superkondensators 9,
wenn seine Spannung kleiner als die Batteriespannung ausfällt, ist
das Relais R mit der Diode in Reihe geschaltet worden, um das Fließen eines
Stroms von der Batterie zum Superkondensator zu verhindern. Bei
der Diode D3 könnte
es sich um eine sogenannte "Pressfit"-Diode handeln, was
eine sehr kostengünstige
Lösung
darstellt. Es könnte
natürlich
auch in Betracht gezogen werden, die MOSFET-Transistoren T1 und
T2 durch ein Relais mit hoher Zuverlässigkeit zu ersetzen, wodurch
die Kosten noch weiter gesenkt werden könnten.
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Um
bei dieser Kostenreduzierung noch weiter zu gehen, könnte auch
anstelle des Superkondensators eine Batterie verwendet werden, wie
zum Beispiel eine 18 Volt Batterie für ein 14 Volt Netz. Es ist dann
jedoch notwendig, die Batterie während
der Lebensdauer des Fahrzeugs zu wechseln.
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Es
ist bereits weiter oben darauf hingewiesen worden, daß der Schalter
T3 die Funktion hat, die Maschine vor einer Anschlußumpolung
zu schützen. Da
jedoch stets ein Umpolungsrisiko im 14 Volt Netz besteht, ist im
Falle der Erfindung vorgeschlagen worden, noch eine (nicht dargestellte)
Pegelfixierungsdiode mit einer in Reihe geschalteten Schmelzsicherung
vorzusehen. Dadurch ist der Ausgang des Umrichters gegen jede Umpolung
des Anschlusses der Batterie 2 geschützt. Im Falle eines Umkehranschlusses
fließt
Strom durch die Diode und die Schmelzsicherung, wobei er deren Schmelzen
bewirkt. In allen Fällen
ermöglicht
der im Verhältnis
zum Umrichter DC/DC parallel geschaltete Schalter T3 eine Begrenzung
der Leistung dieses Umrichters, der dadurch wirtschaftlicher ist.
Dieser Umrichter ist durch den Schalter T3 im Normalbetrieb kurzgeschlossen,
wie dies nachfolgend beschrieben wird.
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Bei
den MOSFET-Transistoren handelt es sich vorteilhafterweise um Transistoren
für hohe Ströme. Wenn
ein Anlassen entweder mit einer 14 Volt Batterie oder dem Superkondensator,
beispielsweise bei einem Strom von 600 Ampere während einer Dauer von 200 ms
gewünscht
wird, ist es vorteilhaft, die Schalter durch eine Parallelschaltung
von MOSFET-Transistoren auszuführen.
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In
der vorstehenden Beschreibung sind einige Werte als Beispiel angegeben
worden. So ist der obere Wert der veränderlichen Spannung V1 bei
21,5 Volt gewählt
worden. Diese Spannung könnte
natürlich
höher ausfallen,
und es könnte
ein 42 Volt System vorgesehen sein. Aber eine niedrigere Spannung
ermöglicht
es, den DC/DC Umrichter 4 bei einer normalen Funktionsweise
kurzzuschließen.
Man kann dann erfindungsgemäß einen
Umrichter mit niedrigerer Leistung und geringerer Größe verwenden.
Die Leistung des Umrichters kann entsprechend der Funktionsweise
im Rückführungsbremsbetrieb der
erfindungsgemäßen Anordnung
bestimmt werden. Um annähernd
3 kW bei einer hohen Drehzahl beispielsweise drei Sekunden lang
liefern zu können, muß der Superkondensator 2 bei
einer veränderlichen Spannung
zwischen 14 Volt und 21,5 Volt eine Kapazität von 67 F aufweisen. Wie bereits
weiter oben dargelegt wurde, könnte
die extrem hohe Kapazität
dann durch eine Reihenschaltung einer Mehrzahl einzelner Kondensatoren
gebildet werden.
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Dank
der Erfindung beträgt
die Leistung des Umrichters in diesem Fall insgesamt 700 W statt 1400
bis 1500 W bei einem 14 V Netz.
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Zusammenfassung
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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung für die Durchführung eines
Verfahrens zur Steuerung einer mehrphasigen und reversiblen rotierenden
elektrischen Maschine, die mit einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs
verbunden ist, umfassend ein Stromversorgungsnetz und eine mit diesem
Netz verbundene Batterie, eine Energiespeichervorrichtung (9),
die mit der rotierenden elektrischen Maschine (1) durch
eine Schaltervorrichtung (6) verbunden werden kann, sowie
einen Gleichstrom-Gleichstrom-Umrichter (4), der zwischen
der Batterie für
die Energieversorgung (2) und der Energiespeichervorrichtung (9)
hinter der Schaltervorrichtung (6) geschaltet ist, einen
Stromkreis (7), der die rotierende elektrische Maschine
(1) direkt mit der Batterie (2) verbinden kann,
wobei ein Schalter (T1) in dem vorgenannten Stromkreis (7)
vorgesehen ist.
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