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Kühlvorrichtung für einen Stromgenerator
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung für einen Stromgenerator,
insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem koaxial zur Generatorwelle angeordneten
und mit dieser gekoppelten Lüfter.
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Bei einer bekannten derartigen Kühlvorrichtung (Bosch "Technische
Unterrichtung-Generatoren" vom 21.05.74) ist das Übertragungsverhältnis der Kupplung
zwischen Lüfter und Generatorwelle über den gesamten Drehzahlbereich konstant. Der
vom Stromgenerator gelieferte Strom und die mit seiner Erzeugung verbundene Wärmeentwicklung
ist für niedrige Drehzahlen zunächst steil ansteigend und geht dann etwa ab mittleren
Drehzahlen in eine asymptotische Annäherung an den Höchstwert über. Dem in etwa
der Wärmeentwicklung entsprechenden Kühlluftbedarf des Stromgenerators steht bei
der drehzahlsynchronen Kopplung des Lüfters ein Kühlluftangebot gegenüber, das bei
niedrigen Drehzahlen in etwa dem Kühlluftbedarf entspricht, bei hohen Drehzahlen
hingegen weit über den tatsächlichen Bedarf hinausgeht. Ferner wirkt sich insbesondere
bei hohen Drehzahlen die Geräuschentwicklung des Lüfters besonders unangenehm aus.
Mit der hohen Drehzahl des Lüfters verbunden ist zusätzlich ein hoher Energiebedarf,
der vom Antrieb des Stromgenerators (bei Kraftfahrzeugen üblicherweise der Brennkraftmaschine)
gedeckt werden muß.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühlvorrichtung der
eingangs genannten Art zu schaffen, bei der insbesondere bei hohen Drehzahlen die
Geräuschentwicklung und der Energiebedarf für den Antrieb des Lüfters verringert
ist.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß das übertragungsverhältnis
der Kupplung des Lüfters an der Generatorwelle variabel entsprechend dem Kühlluftbedarf
des Stromgenerators angepaßt ist.
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Durch Ändern des Übertragungsverhältnisses der Kupplung läßt sich
die Drehzahl des Lüfters so einstellen, daß das Kühlluftangebot über dem gesamten
Drehzahlbereich nur wenig größer als der tatsächliche Kühlluftbedarf ist. Die für
den Antrieb des Lüfters aufzuwendende Verlustleistung kann daher so eingestellt
werden wie unbedingt erforderlich ist.
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Eine noch genauere Anpassung der Kühlluftleistung an den Kühlluftbedarf
läßt sich dadurch erzielen, daß das über tragungsverhältnis der Kupplung zusätzlich
von einer individuellen Temperatur abhängig ist. Diese Temperatur kann /* vorzugsweise
die der Kühlluft sein. Je niedriger diese Temperatur und damit je höher die erzielbare
relative Kühlleistung ist, desto niedriger kann auch die Drehzahl des Lüfters im
Verhältnis zu der des Stromgenerators sein.
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Selbstverständlich soll auch die Möglichkeit eingeschlossen sein,
daß gerade bei besonders tiefen Temperaturen der Umgebungsluft der Lüfter überhaupt
nicht mehr angetrieben wird, wenn der Staudruck bereits für eine ausreichende Kühlluftströmung
über den Stromgenerator sorgt. In diesem Zusammenhang kann eine die Verwendung eines
staudruckabhängigen Steuerungssignals, das beispielsweise wie die Kühllufttemperatur
im Rahmen einer üblichen Heiz und Klimaanlage für das Kraftfahrzeug bereits vorhanden
ist, /* beisplebweise die der Generatorwicklung oder
als Steuerungssignal
für die Lüfter-Kupplung von Vorteil sein. Auf diese Weise läßt sich einerseits vermeiden,
daß bei fehlendem Staudruck der Lüfter überhaupt nicht angetrieben wird und der
Stromgenerator nicht gekühlt werden kann, andererseits ergibt sich eine äußerst
präzise Anpassung der Kühlleistung an den tatsächlichen Kühlluftbedarf.
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Die Realisierung des variablen Übertragungsverhältnisses kann in verschiedener
Weise erfolgen. So ist es möglich, bei kleinen Drehzahlen ein konstantes übertragungsverhältnis
von beispielsweise 1 : 1 zu haben und erst über mittleren Drehzahlen eine relative
Drehzahlverminderung des Lüfters gegenüber der Generatorwelle durch Änderung des
Übertragungsverhältnisses vorzunehmen. Grundlegend hierfür ist der Verlauf des Generatorstroms,
der bei kleinen Drehzahlen zunächst proportional der Umdrehungszahl der Generatorwelle
zunimmt und sich ab mittleren Drehzahlen asymptotisch an einen Maximalwert annähert.
Dieser Maximalwert unterscheidet sich nur wenig von dem etwa bei mittleren Drehzahlen
gegebenen Wert.
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Die Veränderung des Übertragungsverhältnisses ihrerseits kann in verschiedener
Weise erfolgen. Eine einfache Möglichkeit besteht in einem ein- oder mehrfachen
Sprung der relativen Drehzahlverminderung des Lüfters in Abhängigkeit von der Drehzahl
der Generatorwelle. Eine bei mehreren derartigen Sprüngen gegebene progrediente
Änderung des übertragungsverhältnisses kann alternativ auch durch eine stetig monotone
Änderung erreicht werden. In diesem Fall ergibt sich eine besonders genaue Anpassung
der Kühlleistung an den Kühlluftbedarf.
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Damit läßt sich erreichen, daß etwa über mittleren Drehzahlen der
Generatorwelle die Drehzahl des Lüfters konstant ist. Eine derartige Drehzahlbegrenzung
kann durch Eingriff in die Steuerung des Lüfterantriebs oder auf besonders
einfache
Weise dadurch erreicht werden, daß das Antriebsmoment und das Gegendrehmoment des
Lüfters über mittleren Drehzahlen etwa gleich sind. Das - natürliche -Gegendrehmoment
des Lüfters ist durch den Luftwiderstand der Kühlluft gegeben.
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Die Verwirklichung einer derartigen natürlichen Drehzahlbegrenzung
des Lüfters kann auf besonders einfache Weise mit Hilfe einer Schlupfkupplung erreicht
werden. Neben beispielsweise mechanischen Ausführungen bieten sich elektro- oder
permanentmagnetische Schlupfkupplungen an.
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Letztere gerade aufgrund der Ähnlichkeit des zugrundeliegenden Arbeitsprinzips
mit dem Stromerzeugungsprinzip des Stromgenerators. Aufgrund dessen ermöglichen
relativ geringe konstruktive Änderungen des Stromgenerators eine Realisierung der
Erfindungen mit Hilfe einer derartigen Schlupfkupplung.
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Zwar ist eine derartige Schlupfkupplung an sich aus der DE-AS 10 97
829 für Kraftfahrzeuge bekannt, jedoch nur als Alternative zu der üblichen mechanischen
Kupplung zwischen Antriebsmotor und Schaltgetriebe.
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Mit Hilfe der vorher erwähnten konstruktiven Abwandlungen des Stromgenerators
ist es beispielsweise möglich, die Schlupfkupplung dergestalt auszuführen, daß als
ein Kupplungsteil der Generatorläufer und als das andere Kup-plungsteil der Lüfter
selbst dient.
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Sofern der Generatorläufer ein Klauenpolläufer ist, kann die elektro-
oder permanentmagnetische Schlupfkupplung durch unmittelbar axial benachbarte Anordnung
des Lüfters an den Läufer verwirklicht werden.
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Als Alternative zur zusätzlichen Verwendung eines ohnehin bereits
vorhandenen Klauenpolläufers kann als das eine Kupplungsteil auch ein separater
Einzelpolläufer dienen.
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In beiden Fällen kann die Kupplungswirkung dadurch verstärkt werden,
daß der dann nicht mehr notwendigerweise aus magnetischem Material bestehende Lüfter
selbst mit Einzelpolen versehen ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand der Zeichnung erläutert.
Dabei zeigen Fig. 1 schematisch einen Stromgenerator mit einem koaxialen Lüfter
als Kühlvorrichtung mit bedarfsangepaßter Kühlleistung und die Fig. 2 bis 4 Alternativen
zur Ausführung von Fig. 1.
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Die Ausführungsformen entsprechend den Fig. 1 bis 4 sind von ihrem
grundsätzlichen Aufbau her gleich. Ein nicht im einzelnen dargestellter Stromgenerator,
beispielsweise für ein Kraftfahrzeug besitzt eine Generatorwelle 1, einen Klauenpolläufer
mit Klauen 13, eine Erregerwicklung 14 mit zugehörigen Schleifringen 11, und einen
an diese über eine elektro- oder permanentmagnetische Kupplung 2 gekoppelten Lüfter
3 zur Kühlung des Stromgenerators. Der Lüfter 3 sitzt über ein Kugellager 4 koaxial
auf der Generatorwelle 1, die in Lagern 12 läuft.
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Im einzelnen besteht die Kupplung 2 in Fig. 1 aus zwei eng benachbarten
Kränzen von Einzelmagneten 5 bzw. 6 mit jeweils gleichgerichteter Orientierung parallel
zur Achse 1' der Generatorwelle 1. Die Einzelmagnete 5 bzw. 6 sitzen im gleichen
Abstand von der Achse 1' und werden von einem mit der Generatorwelle 1 starr gekoppelten
Antriebs-Riemenscheibe 9 bzw. dem Lüfter 3 selbst getragen.
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Bei niedrigen Drehzahlen der Generatorwelle 1 bis hin zu etwa mittleren
Drehzahlen ist das übertragungsverhältnis der Kupplung 2 gleich 1 : 1, d. h. der
Lüfter 3 und die Generatorwelle 1 besitzen stets dieselbe Drehzahl. Der
Lüfter
3 folgt jeder Drehzahländerung der Generatorwelle 1. über mittleren Drehzahlen jedoch
vermag die magnetische Kopplung zwischen den Einzelmagneten 5 und 6 jedoch in Folge
des zunehmenden, durch den Luftwiderstand gegebenen Gegendrehmoment des Lüfters
3 nicht mehr, die Drehzahl des Lüfters 3 an die der Generatorwelle 1 anzugleichen.
Abhängig von der Drehzahl der Generatorwelle 1 und mit zunehmender Drehzahl der
Generatorwelle 1 immer stärker werdend, bleibt die Drehzahl des Lüfters 3 gegenüber
der der Generatorwelle 1 zurück. Das Übertragungsverhältnis der Kupplung 2 ändert
sich somit variabel abhängig von der Drehzahl der Generatorwelle 1. Durch entsprechende
Wahl der Stärke der Einzelmagnete und ihres relativen Abstands läßt sich erreichen,
daß die über mittleren Drehzahlen als Schlupfkupplung wirkende Kupplung 2 in diesem
Drehzahlbereich eine konstante und von der Drehzahl der Generatorwelle 1 unabhängige
Drehzahl einnimmt. Der vom Lüfter 3 gelieferte Kühlluftstrom ist damit ebenfalls
konstant. Da der Generatorstrom und damit die Wärmeentwicklung des Stromgenerators
in diesem Bereich ebenfalls konstant sind, ergibt sich, daß die Kühlluftleistung
damit über den gesamten Drehzahlbereich der Generatorwelle 1 dem tatsächlichen Kühlluftbedarf
des Stromgenerators weitgehend angepaßt ist.
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Auch bei der Kupplung 2 von Fig. 2 beruht die Wirkungsweise auf dem
magnetostatischen Prinzip. Die Riemenscheibe 9 trägt wiederum einen Kranz von Einzelmagneten
6', der mit einem Ring 8 aus weichmagnetischem Material korrespondiert. Der Ring
8 wird vom Lüfter 3 getragen. Die Orientierung der Einzelmagnete 5' erfolgt hier
in radialer Richtung.
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Der Ring 8 wird durch die Einzelmagnete 5' derart magnetisiert, daß
seine Innenfläche 8' eine Magnetisierung besitzt, die der am zugewandten Ende der
Einzelmagnete 6'
entgegengesetzt ist. Infolge magnetischer Wechselwirkung
ergibt sich somit auch hier zumindest für geringe Drehzahlen der Generatorwelle
1 eine drehzahlsynchrone Mitnahme des Lüfters 3 über die Kupplung 2. Durch entsprechende
Ausbildung der Stärke der Einzelmagneten 6' und des Abstands vom Ring 8 läßt sich
für hohe Drehzahlen der Generatorwelle erreichen, daß das Gegendrehmoment des Lüfters
3 gleich dem durch die Generatorwelle 1 gegebenen Antriebsmoment ist und damit die
Drehzahl des Lüfters 3 von der der Generatorwelle 1 unabhängig ist.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 besitzt die Kupplung 2 ein zusätzlich
von der Temperatur der Kühlluft abhängiges Übertragungsverhältnis im Schlupfbereich,
d. h. über mittleren Drehzahlen. Die Riemenscheibe 9 trägt nunmehr über eine Bimetallscheibe
10 Einzelmagnete 6" entsprechend den Einzelmagneten 6 von Fig. 1. Mit diesen in
Wechselwirkung steht der Lüfter 3, der zumindest in den benachbarten Bereichen aus
weichmagnetischem Material besteht.
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Mit Hilfe der Bimetallfeder 10 läßt sich der Spalt 7 zwischen den
Einzelmagneten 6" und dem Lüfter 3 abhängig von der Temperatur der Kühlluft invers
einstellen. Das bedeutet, daß der Spalt 7 um so kleiner ist, je höher die Kühllufttemperatur
ist. Angenommen, bei hohen Drehzahlen ist das Gegendrehmoment des Lüfters 3 gleich
dem von der Generatorwelle 1 ausgehenden und über die Kupplung 2 weitergegebenen
Antriebsmoment, so ergibt sich die erreichbare maximale Drehzahl des Lüfters 3 in
Abhängigkeit von der Kühllufttemperatur. Sie ist um so größer, je höher die Kühllufttemperatur
und damit der Kühlluftbedarf des Stromgenerators ist. Die Wirkungsweise der Bimetallscheibe
10 ist dabei so, daß die Einzelmagnete 6" um so näher an den Lüfter 3 gebracht werden,
je höher die Kühllufttemperatur ist. Beispielsweise durch entsprechende Beheizung
der Bimetallscheibe 10 - über separate Schleifringe - läßt
sich
das übertragungsverhältnis auch entsprechend dem Staudruck der Kühlluft einstellen.
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Schließlich zeigt Fig. 4 eine konstruktiv besonders einfache Ausführungsform
der Erfindung. Anstelle von separaten Einzelmagneten an der Riemenscheibe 7 dienen
nunmehr die Klauen 13 des Klauenpolläufers als das eine Kupplungsteil der Kupplung
2. Die Klauen 13 besitzen, über den Umfang des Klauenpolläufers betrachtet, abwechselnde
Polarität. Durch axial benachbarte Anordnung des aus weichmagnetischem Material
ausgebildeten bzw. mit Einzelmagneten 6B" versehenen Lüfters 3 erfolgt eine entsprechende
Magnetisierung der benachbarten Bereiche des Lüfters 3.
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Im Gegensatz zu den Ausführungsformen nach den Fig. 1 bis 3 ist hier
die magnetische Kopplung zwischen dem Klauenpolläufer und dem Lüfter 3, insbesondere
bei hohen Drehzahlen der Generatorwelle 1, variabel. Die magnetische Erregung des
Klauenpolläufers und damit seine Magnetkraft nimmt nämlich mit zunehmender Drehzahl
ab. Da die Tendenz der magnetischen Kopplung mit dem Lüfter 3 in dieselbe Richtung
weist, kann ein dem tatsächlichen Kühlluftbedarf angepaßter Verlauf der Kühlleistung
des Lüfters 3 erzielt werden.
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Anstelle der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten, auf der Wechselwirkung
Magnet - Magnet beruhenden Kupplung 2 besteht prinzipiell auch die Möglichkeit,
die Kupplung auf elektrodynamischem Weg mit Hilfe von Wirbelströmen vorzunehmen
(vgl. hierzu Grimsehl, "Lehrbuch der Physik, 17.
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Auflage 1967, § 69). Dabei sind z. B. lediglich an einem der rotierenden
Teile Konstantmagnete anzuordnen, die mit einem nichtmagnetischen, metallischen
Körper - z. B. dem Lüfter 3 selbst - korrespondieren.
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