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Stromversorgungseinrichtung, insbesondere für Fahrzeuge Die Erfindung
betrifft eine Stromversorgungseinrichtung, insbesondere für Fahrzeuge, mit permanenterregtem
Wechselstromgenerator, Gleichrichter und Batterie, bei der ein Relais in Abhängigkeit
von der Batteriespannung Teile der Generatorwicklung zu-und abschaltet.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung der vorgenannten
Art bei minimalem schaltungsmäßigem Aufwand so auszubilden, daß während des Ladens
eine Schädigung der Batterie und in der Zeit mit geringer Generatorspannung oder
spannungslosem Generator eine Entladung der Batterie verhindert wird.
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Zur Lösung der vorgenannten Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
den zu- und abschaltbaren Wicklungsteil zusammen mit einem Kondensator zu einem
Resonanzkreis auszubilden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der verbleibende
Wicklungsteil zwischen einem ersten Gleichrichter und einem zweiten Gleichrichter
und die Batterie zwischen den Gleichrichtern und einem Abgriff des verbleibenden
Wicklungsteiles eingeschaltet. Ferner kann ein zweites Relais vorgesehen sein, welches
anspricht, wenn die gleichgerichtete Ausgangsspannung des Generators die Batteriespannung
um einen zuvor ausgewählten Betrag übersteigt, um das ersterwähnte Relais an die
Batterie anzuschließen, und welches ebenfalls anspricht, sobald die Batteriespannung
die gleichgerichtete Ausgangsspannurig des Generators übersteigt, um das erstgenannte
Relais von der Batterie abzutrennen.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist darauf gerichtet, daß der verbleibende
Wicklungsteil ständig vom Resonanzkreis elektrisch isoliert, aber magnetisch mit
ihm gekoppelt ist.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der
Beschreibung und den Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
beispielsweise veranschaulicht sind. In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 eine schematische
Darstellung einer erfindungsgemäßen Stromversorgungseinrichtung mit permanenterregtem
Wechselstromgenerator, Gleichrichter und Batterie und Fig. 2 eine schematische Darstellung
einer abgewandelten Ausführungsform.
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Der Generator 10 ist mit einer Kemanordnung 12
und einer
Feldanordnung mit Dauermagneten 14 und 16 (in gestrichelten Linien)
dargestellt, wie sie üblicherweise als Bauelemente einer Magnetzündanlage für kleine
Benzinkraftmaschinen verwendet werden. Der Kern 12 ist mit einer Mehrzahl
von sich radial erstreckenden Polstücken 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30
und,
32 versehen. Es ist ein Antrieb vorgesehen, der zwischen der Kernanordnung
12 und der Dauermagnet-Feldanordnung 14 und 16 eine Relativbewegung
erzeugt. Hier in der Beschreibung wird angenommen, daß die Feldanordnung mit den
Dauermagneten 14 und 16 den Rotor bildet, welcher von irgendeiner
äußeren (nicht dargestellten) Kraftquelle, beispielsweise einer Benzinkraftmaschine,
um die Mittelachse gedreht wird. In der offenbarten Anordnung werden die Polstücke
18, 20 und 32 nicht als Spulenträger verwendet, obwohl man sie in
der Praxis zur Aufnahme von spannungserzeugenden Spulen verwenden kann. Gemäß einer
abweichenden Ausführungsform kann auf dem Schenkel 18 in an sich bekannter
Weise eine Magnetzündspule angeordnet werden.
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Die Hauptgeneratorspulen 34, 36 und 38 sind auf die
Pole 24, 26 und 28 gewickelt und in richtiger Phasenbeziehung zwischen
den Klemmen 40 und 42 in Reihe geschaltet. Auf Grund der Relativdrehung
zwischen dem Kern 12 und der Feldanordnung wird durch die Wirkung der Spulen
34, 36 und 38 zwischen den Klemmen 40 und 42 eine Wechselspannung
erzeugt. Die Spannung zwischen den Klemmen 40 und 42 kann unmittelbar
zur Speisung eines Verbrauchers verwendet werden. Bei der dargestellten Anordnung
wird diese Spannung jedoch sowohl zur Speisung eines Verbrauchers 44 als
auch zur Ladung einer Speicherbatterie 46 verwendet. Zu diesem Zweck wird
der Wechselspannungsausgang gleichgerichtet. Ein Gleichrichter
48,
bei dem es sich beispielsweise um einen Scheibentrockengleichrichter handeln, kann,
ist zwischen die Klemmen 40 und 50 eingeschaltet. Eine ähnliche Gleichrichteranordnung
52 ist zwischen die Klemmen 42 und 50 eingeschaltet. Hierdurch
erscheint zwischen der Klemme 50 und einem Leiter 54, der mit dem
Mittelabgriffp 56 der Spulenanordnung mit den Spulen 34, 36 und 30 verbunden
ist, eine Gleichspannung. Der Verbraucher 44 läßt sich durch manuelle Schließung
des Schalters 58 der Batterie 46 parallel schalten. Diese Schaltelemente sind zwischen
die Klemme 50 und den Leiter 54 in Reihe eingeschaltet. Wie die Zeichnung erkennen
läßt, ist ferner die Wicklung eines Steuerrelais R 1 zu "einem noch zu erläuternden
Zweck ebenfalls in die Reihenschaltung eingefügt.
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Die positive Klemme der Batterie 46 ist mit der Klemme 50 verbunden.
Die Gleichrichter 48 und 52
sind so angeschlossen, daß sie dem üblichen
Stromfluß von den Klemmen 40 bzw. 42 zur Klemme 50 eine geringe
Impedanz darbieten, während dem üblichen Stromfluß in entgegengesetzter Richtung
eine große Impedanz dargeboten wird. Auf diese Weise liegt die Klemme
50; wenn der- Generator 10 arbeitet, auf einer hohen Spannung, die
gegenüber der Spannung am Leiter 54 positiv ist. Der Generator
10 soll so ausgelegt werden, daß die gleichgerichtete Spannung zwischen der
Klemme 50 und dem Leiter 54 der Spulen 34, 36 und
38 mindestens gleich und vorzugsweise etwas größer ist als die normale Spannung
an der Batterie 46, wenn der Generator 10 mit normalen Drehzahlen
arbeitet.
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Die Wicklung des Relais R 1 ist mit der Batterie
46
und mit dem Potential zwischen der Klemme 50 und dem Leiter 54 in
Reihe geschaltet. Auf Grund der Polaritäten dieser zwei Spannungsquellen spricht
das Relais R 1 auf die Differenz zwischen diesen Spannungen an. Da der Erregerstrom
für das Relais R 1 durch die Gleichrichter 48 und 52 hindurchfließen muß, wird das
Relais R 1 nur betätigt, wenn die zwischen der Klemme 50 und dem Leiter
54 erscheinende Generatorspannung die Spannung der Batterie 46 um einen vorausgewählten
Betrag übersteigt. Das Relais R 1 ist mit einer entsprechend niederohmigen
Wicklung versehen, um die zu erwartenden Stromstärken zu beräcksichtigen, und vorzugsweise
so empfindlich, daß es anspricht, sobald die Gleichspannung zwischen der Klemme
50 und dem Leiter 54 nur geringfügig größer als die Spannung an der
Batterie 46 ist. Die von dem Relais R 1 ausgeübte Funktion wird nachfolgend beschneben.
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Parallel zu den Hauptgeneratorspulen 34, 36 und 38 ist ein
Resonanzkreis 60, 62, 64 geschaltet. Bei der hier offenbarten. Ausführungsform
sind die spannungserzeugenden Spulen 60 und 62 auf die Pole
22 bzw. 30 der Kernanordnung 12 gewickelt. Diese Spulen sind
in richtiger Phasenbeziehung in Reihe geschaltet und liegen ferner auch in Reihe
mit einer Kapazität 64 zwischen den Klemmen 40 und 42. Dieser Kreis
wird, wie ersichtlich, durch die Ruhekontakte des Relais R 2 geschlossen oder unterbrochen.
Der Anschluß dieses Resonanzkreises an die Ausgangsklemmen 40 und
42
hat zur Folge, daß der Generator 10 insbesondere bei den geringeren Drehzahlen
eine erheblich vergrößerte Ausgangsspannung liefert. Die Zufügung eines solchen
Resonanzkreises ermöglicht es auch, die Kennlinie der Ausgangsspannung gegenüber
der Drehzahl des Generators einer vorgegebenen Aufgabe anzupassen. Beispielsweise
kann dafür gesorgt werden, daß die Ausgangsspannung den Maximalwert bei Generatordrehzahlen
erreicht, die etwas unterhalb der maximal erwarteten Drehzahl des Generators liegt,
wobei der Maximalwert so ausgewählt ist, daß die von dem Generator gespeisten Verbraucher
bei keiner Drehzahl des Generators beschädigt werden. Da der zusätzliche Resonanzkreis
den Ausgang des Generators bei geringeren Drehzahlen (verglichen mit üblichen Generatorkonstruktionen)
erhöht, kann die Kennlinie der Ausgangsspannung gegenüber der Drehzahl erheblich
flacher verlaufen, als es bisher möglich war. Bei der offenbarten Ausführungsform
ist angenommen, daß die Konstruktionsparameter, einschließlich der Größe der Kapazität
64, so gewählt wurden, daß die Ausgangsspannung des Generators zumindest bei irgendeiner
geringeren oder bei der normalen Drehzahl mit angeschlossenem Resonanzkreis größer
ist als ohne Resonanzkreis. Dies heißt, daß die Gleichspannung zwischen der Klemme
50 und dem Leiter 54 bei abgefallenem Relais R 2 größer als bei angezogenem
Relais R 2 ist.
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Wie bereits zuvor erwähnt, arbeitet das Relais R 1, wenn die Spannung
zwischen Klemme 50 und Leiter 54 die Spannung an der Batterie
46 um einen zuvor ausgewählten Betrag übersteigt. Bei der Betätigung des
Relais R 1 und der sich hierbei ergebenden Schließung der Arbeitskontakte
wird die Wicklung des Relais R 2 unmittelbar an die Batterie 46 angeschlossen.
Der Widerstand der Wicklung des Relais R 2 ist vorzugsweise relativ groß, um die
Batterie 46 nicht unnötig zu belasten. Wenn die Spannung an der Batterie
46 einen zuvor ausgewählten Wert erreicht, der es angezeigt erscheinen läßt, den
Ladestrom zu vermindern, öffnet das Relais R 2 die normalerweise geschlossenen
Ruhekontakte, um den Resonanzkreis mit den Spulen 60 und 62 und der
Kapazität 64 von dem Anschluß an den Klemmen 40 und 42 abzutrennen.
Hierdurch wird die Spanung zwischen der Klemme 50 und dem Leiter 54 und damit
auch der Ladestrom in entsprechender Weise vermindert. Wenn die Spannung an der
Batterie 46 auf einen Wert absinkt, bei dem das Relais R 2 abfällt, wird
die Verbindung des Resonanzkreises mit den Klemmen 40 und 42 wieder
hergestellt, so daß sich die Spannung zwischen der Klemme 50 und dem Leiter
54 und. auch der Ladestrom vergrößern.
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Es ist zu beachten, daß bei geschlossenem Schalter 58 zur Herstellung
der Parallelschaltung zwischen dem Verbraucher 44 und der Batterie
46 auch der Spannungsabfall im Verbraucher 44 auf die Spannung an
dem Relais R 2 einwirkt, so daß der Generator 10 normalerweise mit
maximalem Ausgang angeschlossen wird, wenn der Verbraucher große Ströme benötigt.
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In der Praxis kann das elektromagnetische Relais R 2 so ausgebildet
sein, daß eine erhebliche Spanne zwischen der Größe des Ansprechstromes und der
Größe des Abfallstromes liegt und die Kontaktbetätigung nur bei erheblichen Änderungen
der Spannung der Batterie 46 auftritt. Andererseits kann die Differenz zwischen
Ansprechstrom und Abfallstrom des Relais R 2 relativ klein sein, wobei dann die
Frequenz der Kontaktöffnung und -schließurig des Relais größer und gegebenenfalls
so groß wird, daß sich eine schwingende Arbeitsweise ergibt, wie sie bei bestimmten
Spannungsreglerarten verwendet wird. Die Arbeitsweise der Anlage ist selbstverständlich
bei beiden Betriebsarten die gleiche.
Die Aufgabe des Relais R 1
liegt darin; die Wicklung des Relais R 2 von der Batterie 46 abzutrennen,
wenn die Spannung zwischen der Klemme 50 und dem Leiber 54 um einen
zuvor ausgewählten Betrag geringer als die Spannung an der Batterie 46 wird. Da
das Relais R 2 unter diesen Bedingungen nicht betätigt werden könnte, besteht keine
Notwendigkeit, für die Batterie 46 über die Wicklung des Relais R 2 einen Entladepfad
aufrechtzuerhalten.
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Die in Fig. 2 der Zeichnungen dargestellte abgewandelte Ausführungsform
ist aus Gründen der Klarheit ähnlich wie die Anordnung der Fig. 1 dargestellt, wobei
einander entsprechende Teile gleiche Bezugszeichen tragen, die jedoch durch einen
Indexstrich unterscheidungsfähig gemacht sind.
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In Fig. 1 ist die Kapazität 64 mit der Resonanzkreiswicklung 60, 62
über den Verbraucher und über die Wicklung 34, 36, 38 verbunden, d. h., der
Resonanzkreis mit den Spannungsgeneratorwicklungen 60 und 62 und der Kapazität 64
ist der Wicklungsanordnung 34, 36, 38 elektrisch parallel geschaltet. Der
Kontakt des Steuerrelais R 2 dient dazu, diese elektrische Verbindung herzustellen
und zu unterbrechen.
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Bei der Anordnung der Fig. 2 kann die Kapazität 64' mit den
Wicklungen 60' und 62' zu einem geschlossenen Kreis zusammengeschaltet
werden, wobei die eine Klemme der Wicklung 62' mit der einen Klemme der Kapazität
64' und die andere Klemme der Kapazität 64' über die Kontakte des Relais R 2' mit
dem Leiter 72 verbunden ist; der seinerseits wieder mit dem einen Anschluß der Wicklung
60' verbunden ist. Der andere Anschluß der Wicklung 60' ist über den Leiter 70 mit
dem verbleibenden Anschluß der Wicklung 62' verbunden. Auf diese Weise ist keine
unmittelbare elektrische Verbindung zwischen dem Resonanzkreis und den Wicklungen
34, 36, 38 vorhanden, welche effektiv gegenüber dem Resonanzkreis elektrisch isoliert
sind. Die Resonanzkreiswicklung ist jedoch magnetisch mit der Hauptwicklung gekoppelt,
und es konnte festgestellt werden, daß mit q einer solchen Anordnung gegenüber älteren
Vorrichtungen eine ähnliche Vergrößerung der Ausgangsleistung möglich ist, wie durch
Verwendung einer Generatoranordnung gemäß Fig. 1. Für eine ordnungsgemäße Arbeitsweise
ist es nur wichtig, daß die ReSO- 4 nanzkreiswicklung mit der Hauptwicklung gekoppelt
ist, und zwar gleichgültig, ob diese Kopplung, wie im Fall der Fig. 2, rein magnetisch
ist oder ob die in Fig. 1 dargestellten elektrischen Verbindungen vorgesehen sind,
um eine galvanische Kopplung zwischen 5 dem Resonanzkreis und der Hauptwicklung
herzustellen.
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Es ist zu beachten, daß in beiden dargestellten Anordnungen die Kontakte
des Relais R 2 dazu dienen, durch Öffnen und Schließen des die Resonanzkreiswicklung
und die Kapazität enthaltenden Kreises die Einwirkung des Resonanzkreises zu steuern.
Durch das Öffnen der Kontakte wird ein, großer (im wesentlichen unendlicher) Widerstand
mit dem Resonanzkreis in Reihe geschaltet, so daß sich die wirksame Impedanz des
Induktivität-Kapazität-Widerstand-Resonanzkreises ändert. Wenn die Kontakte des
Relais R 2 geöffnet sind, stellt sich dem Stromfluß durch den Resonanzkreis eine
effektiv unendliche Impedanz entgegen., so daß der Resonanzkreis nicht in der Lage
ist, die Ausgangsleistung des Generators zu vergrößern. Sind dagegen die Kontakte
geschlossen, wird die wirksame Impedanz für den Stromfluß im Resonanzkreis so weit
vermindert, daß der Resonanzkreis mit den Hauptwicklungen des Generators zusammenarbeiten
kann, um eine vergrößerte Ausgangsleistung zu erzeugen.