DE3309419C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Generator mit einem in einem ruhenden Gehäuse befestigten Stator, der eine Ankerwicklung zum Erzeugen eines Ausgangswechselstroms aufweist, mit einem im Gehäuse auf einer im Gehäuse gelagerten Rotorwelle angeordneten Rotor mit dem Stator gegenüberliegender Erregerwicklung und mit einem Lüfter, der auf der Rotorwelle mittels eines Lagers drehbar gelagert ist, wobei bei Drehung der Rotorwelle das auf ihr angeordnete Lager auf den Lüfter ein Antriebsmoment überträgt.

Generatoren dieser Art werden zum Beispiel in Automobilen als von deren Antriebsmotor angetriebene Lichtmaschine eingesetzt, um an die Batterie und das Bordnetz elektrische Energie abzugeben.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine herkömmliche Lichtmaschine, in der ein Stator 1 einen Statoreisenkern aufweist, der in einem Gehäuse 2 befestigt ist, das Lüftungslöcher 2 a aufweist und eine Dreiphasen-Ankerwicklung 1 b enthält, die auf den Eisenkern 1 a gewickelt ist. Eine Welle 3 ist drehbar im Gehäuse 2 mittels Lagern 4 gelagert. Auf der Welle 3 sitzt ein Rotor 5 mit einem Eisenkern 5 a und einer Feldwicklung 5 b, die um den Rotoreisenkern 5 a gewickelt ist. Der Rotor 5 weist mehrere Magnetpole auf, die dem Stator 1 mit geringem radialem Abstand gegenübergestellt sind. Eine Keilriemenscheibe 6 ist auf der Welle 3 befestigt. In einem Stück mit der Keilriemenscheibe 6 ist auf der Welle ebenfalls ein Lüfter 7 befestigt. Ein Spannungsregler hält die Ausgangsspannung der Ankerwicklung 1 b konstant. Durch einen Gleichrichter 9 wird der von der Ankerwicklung 1 b abgegebene Wechselstrom in Gleichstrom umgewandelt. Bei einer derartigen Lichtmaschine wird die Welle 3 über die Keilriemenscheibe 6 vom Motor her angetrieben, so daß der Rotor 5 umläuft und in der Ankerwicklung 1 b eine Dreiphasen-Wechselspannung induziert. Die Wechselspannung wird vom Gleichrichter 9 gleichgerichtet und durch den Spannungsregler 8 konstant gehalten, so daß der Strom der Batterie und andere Verbrauchern zugeleitet werden kann. Außerdem wird der Lüfter 7 zusammen mit der Welle 3 in Umlauf versetzt, wodurch Kühlluft in das Innere der Lichtmaschine und durch die Belüftungslöcher 2 a gezogen wird, wodurch die Lichtmaschine gekühlt wird. Da jedoch die vom Lüfter 7 geförderte Luftmenge sich mit der Drehzahl des Lüfters 7 ändert und die Drehzahl des Lüfters 7 gering ist, wenn der Motor mit langsamer Drehzahl läuft, wird bei diesem Betriebszustand kein ausreichender Kühlluftstrom erzielt. Deswegen ist es nicht möglich, den Generator kompakt zu bauen. Zur Überwindung dieses Mangels wird die Drehzahl der Lichtmaschine gegenüber der Motordrehzahl ins Schnelle übersetzt. Dabei erhält man bei geringer Motordrehzahl einen verstärkten Kühlluftstrom, doch steigt die Drehzahl des Lüfters 7 übermäßig hoch an, wenn der Motor schnell läuft, was wiederum zu einer starken Geräuschentwicklung führt.

Zur Beseitigung dieses Mangels wurde bereits eine Lichtmaschine gemäß Fig. 2 vorgeschlagen. Bei dieser Lichtmaschine wird der Lüfter drehbar unter Zwischenschaltung eines Lagers 10 auf der Welle gelagert, und auf der Außenfläche des Lüfters 7 sind Permanentmagnete, die eine Vielzahl von Polen 11 bilden, angebracht. Benachbarte Pole 11 haben unterschiedliche Polarisierung, und sie sind auf einem Kreis angeordnet. Auf der dem Lüfter 7 zugewandten Seite der Riemenscheibe 6 ist ein zu induzierendes Element aus magnetisierbaren Platten befestigt, die den Polen 11 mit geringem Abstandsspalt in radialer Richtung gegenüberstehen. Die Pole 11 stellen ein umlaufendes Magnetfeld gegenüber den zu induzierenden Elementen 12 dar, wodurch die Pole 11 mit den zu induzierenden Elementen 12 magnetisch gekoppelt werden und so eine Magnetkupplung bilden. Wird nun die Riemenscheibe 6 vom Motor her angetrieben, dann kann der Lüfter 7 der Riemenscheibe folgen, und wenn die Drehzahl zunimmt, dann nimmt der Luftwiderstand, der am Lüfter 7 angreift, allmählich zu. Das Drehmoment der Magnetkupplung kommt dann mit dem Luftwiderstand des Lüfters 7 in ein Gleichgewicht, so daß der Lüfter 7 sich mit konstanter Drehzahl dreht. Da auf diese Weise der Lüfter 7 sich nicht schneller als mit dieser konstanten Drehzahl dreht, kann das bei hoher Drehzahl des Antriebsmotors auftretende Geräusch vermindert werden, doch bei niedriger Drehzahl ist die Luftfördermenge im selben Maße gering, wie beim Lüfter 7 nach Fig. 1, was zum Kühlen der Lichtmaschine unzureichend ist. Außerdem müssen die die Pole 11 darstellenden Permanentmagnete ziemlich groß sein, damit die Magnetkupplung ausreichend stark ist. Damit nimmt die Magnetkupplung zusätzlichen Platz weg.

Ein Generator der eingangs genannten Art ist im wesentlichen aus der DE-OS 29 42 737 bekannt. Auch bei dem dort beschriebenen Generator kann sich jedoch der Lüfter nicht schneller drehen als die Rotorwelle des Generators und daher bei niedrigen Drehzahlen dieses Rotors, also vor allem beim Anlauf des Generators, keinen hinreichend starken Kühlluftstrom liefern.

Gemäß der prioritätsälteren, jedoch nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 32 40 058.6 wurde auch schon vorgeschlagen, bei einem Generator anderer Bauart den Lüfter mit im Generatorgehäuse gesondert gelagerter Lüfterwelle durch einen vom Ausgangswechselstrom gespeisten Induktionsmotor anzutreiben, der jedoch mit allen drei Phasen der Ankerwicklung des Generators verbunden sein muß, damit ein Anlaufen des Lüfters gewährleistet ist.

Aus DE-PS 2 59 034, DE-OS 15 38 974 und JP-OS 50-155915 sind weitere Generatoren mit Fremdlüfterantrieb bekannt.

Aus DE-PS 16 38 298 ist es auch bekannt, die Lüfterdrehzahl von der Maschinendrehzahl durch Veränderung der Polzahl zu entkoppeln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Generator der eingangs genannten Art einerseits bei geringer Maschinendrehzahl eine relativ hohe Drehzahl des Lüfters zu ermöglichen und andererseits ohne besondere Starthilfen für den Lüfter auszukommen. Darüber hinaus soll eine raumsparende, geräuscharme und kostengünstige Bauweise erzielbar sein.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den dem Patentanspruch nachgeordneten Patentansprüchen.

Ausführungsformen der Erfindung sind im folgenden anhand von Fig. 3 bis 7 der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. In diesen Zeichnungen zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt einer herkömmlichen Lichtmaschine;

Fig. 2 einen Teilquerschnitt einer anderen bekannten Lichtmaschine;

Fig. 3 einen Teilquerschnitt durch eine Lichtmaschine gemäß der Erfindung;

Fig. 4 das Schaltbild der Schaltungsanordnung der Lichtmaschine nach Fig. 3;

Fig. 5 einen Teilquerschnitt durch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lichtmaschine;

Fig. 6 einen Schnitt nach der Linie VI-VI in Fig. 5 und

Fig. 7 das Schaltbild der Lichtmaschine aus Fig. 5.

Bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung nach den Fig. 3 und 4 ist der Lüfter 7 drehbar auf die Welle 3 unter Zwischenschaltung eines Lagers 10 aufgesetzt.

Zahlreiche Einphasen-Wicklungen, die mit Blechpaketen 13 a versehen sind, sind außerhalb des Generatorgehäuses 2 auf einem Ringstutzen angeordnet. Diese Wicklungen sind mit einer der Phasen der Ankerwicklung 1 b verbunden und so gewickelt, daß die hierdurch gebildeten benachbarten Pole 13 unterschiedlich gepolt sind. Die Zahl dieser Magnetpole 13 ist kleiner als die der Magnetpole des Rotors 5. Induzierelemente 14 sind auf der dem Lichtmaschinengehäuse 2 zugewandten Seite des Lüfters 7 befestigt und dienen der magnetischen Kopplung, wobei sie aus Aluminiumplatten bestehen. Die Induzierelemente 14 stehen mit geringem Radialspalt den Polen 13 gegenüber. In Fig. 4 sind ferner eine Batterie 15 und ein Schalter 16 dargestellt. Die übrigen Komponenten der Lichtmaschine sind denen in der Fig. 1 gleich.

Wenn sich bei der beschriebenen Anordnung der Rotor 5 durch den Antrieb über die Riemenscheibe 6 vom Motor her dreht, wird in der Ankerwicklung 1 b ein Dreiphasen-Wechselstrom erzeugt. Da die einphasige Wicklung der Pole 13 mit einer Phase der Ankerwicklung 1 b verbunden ist, besteht zwischen der Frequenz des Wechselstroms im Ständer 1 und der Frequenz eines in den Polen 13 fließenden Wechselstroms folgende Beziehung:

Andererseits stellen die Pole 13 und die Induzierelemente 14 eine Magnetkupplung in Gestalt eines Einphasengenerators dar. Da in einem gewöhnlichen Einphasen-Induktionsmotor kein magnetisches Drehfeld erzeugt wird, wenn der Motor eingeschaltet wird, sind für den Anlauf eine Hilfsspule und ein Phasenverschiebungskondensator nötig. Da jedoch bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Welle 3 umläuft, entsteht am Lüfter 7 aufgrund der Viskosität des Fettes ein Drehmoment, so daß die Induzierelemente 14 in Drehung versetzt werden. Es ist daher gemäß der Erfindung nicht nötig, Starthilfeeinrichtungen vorzusehen. Zwischen den Polen 13 und den induzierten Elementen 14 wird mithin ein umlaufendes Magnetfeld erzeugt, so daß in den Induzierelementen 14 ein Drehmoment auftritt, durch das der Lüfter 7 in Umlauf versetzt wird. Die Zahl der Magnetpole des Rotors 5 wird z. B. um ein Mehrfaches höher gewählt als die Magnetpole 13. Gemäß der vorangehend aufgeführten Beziehung wird die Wechselstromfrequenz der Pole 13 um ein Mehrfaches größer als die des Stators 1. Bei langsamer Drehzahl des Generators wird, da das durch den Luftwiderstand des Lüfters 7, an dem die Induzierelemente 14 befestigt sind, an diesem angreifenden Drehmoment kleiner ist, obgleich ein geringer Schlupf auftritt, der Lüfter 7 mit einer Drehzahl getrieben, die durch Multiplizieren der Rotordrehzahl des Generators mit dem Mehrfachen der Frequenz der Pole 13 gemäß der vorangehenden Beziehung multipliziert ist. Es läßt sich deshalb ein Luftstrom gewinnen, der um ein Mehrfaches größer als der bei einer herkömmlichen Lichtmaschine. Bei hoher Drehzahl des Generators erhöht sich bei steigender Drehzahl des Lüfters 7 das Luftwiderstandsmoment, das am Lüfter 7 angreift. Es stellt sich dann ein Gleichgewicht mit dem Drehmoment der induzierten Elemente 14 ein, so daß der Lüfter 7 eine Drehzahl annimmt, die diesen Gleichgewichtswert nicht übersteigt.

Der Drehzahlübersetzungsfaktor kann durch das Polzahlverhältnis zwischen Lichtmaschine und Lüftermagnetkupplung bestimmt werden. Auch bei hoher Lichtmaschinendrehzahl übersteigt die Drehzahl des Lüfters einen konstanten Wert nicht, wofür das am Lüfter 7 angreifende Widerstandsdrehmoment sorgt. Es kann also der Lichtmaschine eine große Luftmenge zugeführt werden, wodurch die Lichtmaschine sehr klein gebaut und ihre Abgabeleistung erhöht werden kann und sie außerdem bei hoher Arbeitsdrehzahl mit geringer Geräuschentwicklung läuft. Obgleich die Pole 13 und die Induzierelemente 14 der Magnetkupplung einen Einphasen-Induktionsmotor darstellen, wird der Lüfter 7 einfach mit Hilfe der Viskosität des Lagerfetts gestartet. Es sind also keine unabhängigen Startvorrichtungen nötig, weshalb Aufbau und Konstruktion der Lichtmaschine einfach sind.

Bei dem erstbeschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Einphasen-Wicklung der Kupplung mit einer der Phasen der Ankerwicklung verbunden. Man kann jedoch auch eine dreiphasige Wicklung wählen und diese mit den drei Phasen der Ankerwicklung verbinden. Diese abgewandelte Ausführungsform der Erfindung wird nun anhand der Fig. 5 bis 7 erläutert.

Der konstruktive Aufbau der Lichtmaschine ist dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel gleich. Auf der Welle 3 dreht sich mittels eines Lagers 10 der Lüfter 7. Mehrere Pole 13 der Magnetkupplung sind auf der Außenseite des Gehäuses 2 kreisförmig angeordnet. Eine dreiphasige Wicklung der Pole 13 ist mit den drei Phasen der Ankerwicklung 1 b verbunden. Ein Induzierelement 14 der becherförmigen Magnetkupplung ist an der dem Gehäuse zugewandten Seite des Lüfters 7 so befestigt, daß ein geringer Radialluftspalt zu den Polen 13 besteht. Das Induzierelement 14 besteht aus einem leitfähigen Teil 14 a und einem Eisenkern 14 b. Wenn die Riemenscheibe 6 vom Motor her angetrieben wird, dreht sich der Rotor 5, so daß in der Ankerwicklung 1 b ein Dreiphasen-Wechselstrom erzeugt wird. Die Synchrondrehzahl n₁ ist gleich der Drehzahl des Rotors 5. Wenn die Polzahl des Rotors 5 P₁ ist, erhält man für die synchrone Frequenz F folgende Gleichung:

Da die Dreiphasen-Wicklung der Pole 13 mit den einzelnen Phasen der Ankerwicklung 1 b verbunden ist, ist ihre synchrone Frequenz gegeben durch

worin P₂ die Polzahl der Pole 13 und n₂ die synchrone Drehzahl sind. Es ergibt sich dann aus den Gleichungen (1) und (2) folgende Beziehung:

Wenn also beispielsweise die Polzahl des Stators 1 Zwölf und die Polzahl der Pole 13 Vier ist, dann läuft das von den Polen 13 erzeugte Drehfeld mit einer dreimal höheren Drehzahl als der Rotor 5 um, wobei das Induzierelement 14 durch das erzeugte Drehmoment in Drehung versetzt wird. Bei langsamer Drehzahl des Antriebsmotors und damit der Lichtmaschine läuft der Lüfter 7 praktisch mit der Synchrondrehzahl der Pole 13, da noch ein verhältnismäßig geringer Luftwiderstand am Lüfter 7 angreift, wenngleich dadurch bereits ein geringer Schlupf erzeugt wird. Bei steigender Drehzahl des Rotors 5 steigt auch die Drehzahl der Lüfter 7, doch steigt der am Lüfter 7 angreifende Luftwiderstand erheblich. Wenn das durch den Luftwiderstand hervorgerufene Drehmoment gleich dem am Induzierelement 14 ist, bleibt die Drehzahl des Lüfters 7 konstant, wie bereits oben beschrieben. Auch wenn dann der Rotor 5 mit sehr hoher Drehzahl läuft, steigen die durch den Lüfter verursachten Luftgeräusche nicht über diesen konstanten Pegel an. Da außerdem das Induzierelement 14 becherförmig ist, kann die Magnetkupplung kompakt und mit einem hohen Wirkungsgrad hergestellt werden. Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Induzierelement 14 am Lüfter 7 befestigt. Dieser kann jedoch einstückig mit leitfähigen Abschnitten 14 a des Induzierelementes 14 hergestellt werden, indem dazu Aluminium oder dgl. verwendet wird, und die Eisenkernteile 14 b können dann zu der einstückigen Einheit hinzugefügt werden.

Es versteht sich, daß die Erfindung nicht nur bei Lichtmaschinen für Automobile Anwendung finden kann.

Claims (7)

1. Generator

• (a) mit einem in einem ruhenden Gehäuse (2) befestigten Stator (1), der eine Ankerwicklung (1 a) zum Erzeugen eines Ausgangswechselstroms aufweist,
• (b) mit einem im Gehäuse (2) auf einer im Gehäuse gelagerten Rotorwelle (3) angeordneten Rotor (5) mit dem Stator (1) gegenüberliegender Erregerwicklung (5 b), und
• (c) mit einem Lüfter (7),
• (d) wobei der Lüfter (7) auf der Rotorwelle (3) mittels eines Lagers (10) drehbar gelagert ist und
• (e) wobei bei Drehung der Rotorwelle (3) das auf ihr angeordnete Lager (10) auf den Lüfter (7) ein Antriebsmoment überträgt,

dadurch gekennzeichnet, daß

• (f) ein Induktionsmotor (13, 14) vorgesehen ist, der auf den Lüfter (7) ein zusätzliches Antriebsmoment überträgt,
• (g) die Pole (13) bildende Wicklung des Induktionsmotors (13, 14) vom Ausgangswechselstrom des Generators gespeist wird und
• (h) der Induktionsmotor (13, 14) des Lüfters eine kleinere Anzahl von Polen (13) aufweist als der Rotor (5) des Generators.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pole (13) des Induktionsmotors an der Außenseite des Generatorgehäuses (2) angeordnet sind.

3. Generator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Pole (13) des Induktionsmotors auf einem Ringstutzen des Generatorgehäuses (2) angeordnet sind.

4. Generator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung des Induktionsmotors mit einer Phase der Ankerwicklung (1 b) des Generators verbunden ist.

5. Generator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung des Induktionsmotors mit allen drei Phasen der Ankerwicklung (1 b) des Generators verbunden ist.

6. Generator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (14) des Induktionsmotors einen becherförmigen leitfähigen Abschnitt (14 a) aus Aluminium und einen Eisenkernteil (14 b) aufweist.