DE19900282A1 - Einrichtung zur Leistungssteigerung von elektronisch kommutierten Drehfeldmaschinen mit Hilfe von im Ring geschalteter Wicklung und Strangzahlen m >= 4 - Google Patents

Abstract

Zur Erzielung sowohl großer Anzugsmomente als auch hoher Leerlaufdrehzahlen im Motorbetrieb sowie sowohl niedriger Ladeeinsatzdrehzahlen als auch hoher Ströme im Generatorbetrieb von Starter-Generator-Drehfeldmaschinen mit elektronischer Kommutierung am Gleichstromnetz für KFZ mit Brennkraftmaschinenantrieben wird die Drehfeldmaschine mit einer Ringwicklung und einer Strangzahl m >= 4 ausgeführt. Durch eine Änderung der Taktfolge der angeschlossenen m Umrichter-Halbrücken wird eine Anpassung der Zahl der in Reihe wirkenden Stränge so erzielt, daß bei niedrigen Motor- bzw. Generatordrehzahlen jeweils m/2 Stränge in Reihe wirken, während zu höheren Drehzahlen hin sich die Zahl der in Reihe wirkenden Stränge reduziert, im Grenzfall bis einen einzigen. Es ergeben sich stets zwei parallele Zweige.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Leistungssteigerung eines kombinierten Starter- Generator-Antriebs für Brennkraftmaschinen in Fahrzeugen.

Für das Starten von KFZ-Verbrennungsmotoren und die Bordstromerzeugung von KFZ verwendet man bisher je eine eigene Elektromaschine. Der Starter treibt als Kommu­ tatormaschine schnell laufend die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors über eine hohe Übersetzung (etwa 25 : 1) an, der Generator wird schnell laufend von der Kurbelwelle mit mäßiger Übersetzung (etwa 2,5 : 1) getrieben. Er ist in der Regel heute als Drehfeld- Synchronmaschine mit nachgeschalteten Dioden ausgeführt.

Neuerdings versucht man, beide Funktionen in einer elektronisch kommutierten Drehfeld- Elektromaschine zu vereinigen, wobei das entsprechend gestaltete Schwungrad des Verbrennungsmotors als Rotor dieser Elektromaschine dient, das der Stator je nach Platzverhältnissen als vollständiger oder unvollständiger mehr oder weniger unsymme­ trischer Ring umgibt. Dabei treffen schwer zu vereinbarende Forderungen aufeinander, nämlich ein hohes Elektromotor-Drehmoment bei besonders niedrigen Drehzahlen und begrenzten Strömen, eine hohe erreichbare Elektromotor-Leerlaufdrehzahl, eine niedrige Ladeeinsatzdrehzahl und große Ströme im Generatorbetrieb über den gesamten Ladedrehzahlbereich.

Die Forderungen sind erfüllbar durch Umschaltung der Strang-Windungszahlen im Stator der Maschine, d. h. Reihenschaltung von Teilwicklungen bei niedrigen Drehzahlen, Anzapfen oder Parallelschalten bei höheren Drehzahlen. Dies ist in der Praxis schwierig und teuer, auch bei Umschaltungen im elektronischen Umrichter.

Erfindungsgemäß lassen sich diese Forderungen jedoch funktionell und kostenmäßig verträglich erfüllen mittels einer Drehfeldmaschine mit m-strängiger Wicklung mit m ≧ 4 die im Ring geschaltet ist. Fig. 1 zeigt als Beispiel eine solche Wicklung für m = 6 mit den Wicklungssträngen A, B . . . F und Halbbrücken mit den Transistoren T1, T1' bis T6, T6' und den antiparallelen Dioden D1, D1' bis D6, D6', angeschlossen an die Gleichspannung.

Die Dioden können dabei je nach Transistorvariante in diese integriert sein. Die Schaltung unterscheidet sich äußerlich nicht von der üblichen für 6 Phasen.

Die Erfindung beruht nun auf der Ansteuerung der Transistoren für den Motorbetrieb: Zur Erzeugung eines hohen Drehmoments bei tiefen Drehzahlen werden je nach Phasenlage der induzierten Spannung die Transistoren T_v und T'_v+m/2 für jeweils ≦ 1/m einer Periodendauer impulsförmig so durchlässig geschaltet, daß dabei ein vorgesehener zulässiger Stromhöchstwert nicht überschritten wird. Mit zunehmender Drehzahl geht der Impulsbetrieb in den Betrieb mit blockförmigem Strom von 1/m einer Periodendauer über. Dann wird mit T_v und T_v-1+m/2 analog weitergearbeitet, jedoch gleichzeitig mit T_v-1+m und T'_v+m/2, wobei der Einschaltzeitbereich wiederum optimal auf die induzierte Spannung abzustimmen ist. Bei weiter gesteigerter Spannung werden T_v, T'_v-2+m/2, T_v-2+m, T'_v+m/2 usw. impulsweise, übergehend in Block-Einschaltung über jeweils m Periodendauer, eingeschaltet usw.

Auf diese Weise wird zu höheren Drehzahlen hin die wirksame Windungszahl in Stufen reduziert, ebenso der wirksame ohmsche Widerstand, der Wirkungsgrad steigt, und es ist zumindest für die üblicherweise kurzzeitigen Motorbetriebszustände trotzdem der wirksame Strombelag nicht oder nur wenig kleiner als in der ersten Zeitphase des Anlaufs, weil mehr Halbleiter Strom führen können und die Wicklungen hinreichend große thermische Zeitkonstanten haben. Fig. 2 zeigt die Taktmuster für die Einschalt­ bereitschaft im Impuls- oder Blockbetrieb der Transistoren bei den oben genannten 3 Stufen (a, b, c) für das Beispiel mit m = 6, Fig. 3 zeigt die entsprechenden Stromflüsse. Besonders vorteilhaft wirkt sich diese Ansteuertechnik aus bei Synchron­ maschinen mit rechteckförmiger Erregerfeldverteilung bzw. rechteckförmigem Zeitverlauf der induzierten Spannung (bei der Lochzahl q = 1), da dann die mit der Reduzierung der wirksamen Windungszahl verbundene Induktivitätsminderung am stärksten ist. Der Vorteil der nicht-sinusförmigen Feldverteilung und der Lochzahl q = 1 erfordert bei niedrigen Strangzahlen deren Geradzahligkeit, damit keine störenden Ringströme auftreten können. Mittels des Impulsbetriebs zur Strombegrenzung wird natürlich auch das Drehmoment entsprechend beeinflußt.

Im Generatorbetrieb geht bei Synchronmaschinen die Reduzierung der wirksamen Windungszahl wiederum beginnend von der Reihenschaltung von m/2 Strängen in zwei parallelen Zweigen bei niedrigen Drehzahlen völlig ohne besondere Ansteuerungs­ maßnahmen automatisch mit den Dioden D1, D1' bis D6, D6' vor sich, denn hier reduziert sich mit zunehmender Drehzahl und damit zunehmender induzierter Strangspannung die Zahl der in Reihe wirkenden Stränge bei Beibehaltung der Zahl paralleler Wege; bei niedriger Drehzahl wirken z. B. die Stränge A + B + C und (-F) + (-E) + (-D) parallel über 1/6 Periodendauer parallel, bei mittleren Drehzahlen A + B und (-E) + (-D), bei hohen Drehzahlen A und (-D); die jeweils übrigen kommutieren problemlos. So ist es möglich, für gleiches Erregerfeld eine motorische Leerlaufdrehzahl zu erhalten, die sehr deutlich über der Ladeeinsatzdrehzahl liegt, ohne daß dabei hoch mit Strom belastete, teure und verlustbedingende Hochsetzstellerfunktionen in der Elektronik genutzt werden müssen. Durch die bei höheren Drehzahlen automatisch abnehmende wirksame Windungszahl und damit kleiner werdende Induktivität wird ein hoher Ladestrom ermöglicht.

Bei anderen Drehfeldmaschinen muß für den Generatorbetrieb sinngemäß wie für den Motorbetrieb beschrieben mit Hilfe der schaltbaren Halbleiter kommutiert werden.

Mit m < 4 kann man den Änderungsbereich der wirksamen VVindungszahlen weiter erhöhen, muß dabei allerdings eine schlechtere Halbleiternutzung in Kauf nehmen.

Besonders vorteilhaft wirkt die Strangumschaltung bei Permanentmagnet-erregten Maschinen, weil mit der Minderung der in Reihe wirkenden Stränge zu höheren Drehzahlen hin auch die Sperrspannungsbeanspruchung der Halbleiter abnimmt.

Claims (4)

1. Drehfeldmaschine mit vorgeschalteter Umrichter-Elektronik für Motor- und Generatorbetrieb am Gleichstromnetz mit einer Strangzahl m ≧ 4 und im Ring geschalteter Wicklung, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Änderung der Grund- Taktfolge der angeschlossenen m Umrichter-Halbbrücken die Zahl der in Reihe geschaltet arbeitenden Wicklungsstränge vermindert werden kann und dabei gleichzeitig mehr als zwei Halbleiterstrecken wirksam werden.

2. Drehfeld-Synchronmaschine mit nachgeschaltetem Gleichrichter für Generatorantrieb am Gleichspannungsnetz, dadurch gekennzeichnet, daß deren Wicklung zum Zwecke der Steigerung der Leistungsfähigkeit eine Strangzahl m ≧ 4 hat und im Ring geschaltet ist.

3. Drehfeld-Synchronmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung der Eigenschaften ein möglichst rechteckförmig verteiltes Luftspaltfeld und für die Arbeitswicklung die Lochzahl q = 1 verwendet wird.

4. Drehfeld-Synchronmaschine mit Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Halbleiter-Schaltelemente rückwärts leitende Bauelemente verwendet werden, in denen die gesteuerte Transistor-Vorwärts-Leitfunktion mit der Funktion der Inversdiode vereinigt ist.