DE3685825T2 - Wechselstromgeneratoranordnung. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf eine Wechselstromgeneratoranordnung und insbesondere auf eine Wechselstromgeneratoranordnung zur Verwendung in einem Fahrzeug.
• In meiner früheren UK-Anmeldung GB-A-21 20 865 offenbarte ich eine zur Erzeugung hoher Ströme fähige Wechselstromgeneratoranordnung (Hochstromgenerator). Die Anordnung ist insbesondere zur Erzeugung von Gas aus Wasser mittels Elektrolyse fähig, um den Antrieb eines Fahrzeuges zu unterstützen, wie es in meiner früheren UK-Anmeldung GB-A-21 20 865 dargelegt ist. Ich habe nun eine Wechselstromgeneratoranordnung in vereinfachter Form für den genannten Zweck, der jedoch auch andere Anwendungen haben kann, vorgesehen.
• Wie wohl bekannt ist, kann Wechselstrom durch das Schneiden von magnetischen Kraftlinien in einem Generator mittels einer Spule, die innerhalb stationärer Magnetpolplatten rotiert, und in einem Wechselstromgenerator mittels Magnetpolplatten (Rotor), die innerhalb stationärer Spule(n) (Stator) rotieren, erzeugt werden.
• Während die Magneten permanentmagneten sein können, ist es bei Wechselstromgeneratoren meistens üblich, daß diese Elektromagneten sind, die durch eine Wicklung erregt werden, welche koaxial zur Rotorwelle gewickelt ist und die über Schleif- oder Kollektorringe, welche an der Welle befestigt sind und über Kohlebürsten, die an dem Stator und an der Abschirmung angeordnet sind, mit Strom versorgt wird, wobei der Erregungsstrom für die Erzeugung eines magnetischen Feldes von der Statorwicklung abgezweigt wird. Die Erregung des Rotors aus dem Stillstand wird durch den Effekt des Restmagnetismus in dem Eisenkern hervorgerufen, was durch den Strom, der von der Batterie über den Zündschalter fließt, unterstützt wird. Zur Verringerung des Instandsetzungesbedarfes ist es auch bekannt, die Kohlebürsten und die Kollektorringe des Wechselstromgenerators durch einen speziellen Erreger zu ersetzen, der selbst ein kleiner Wechselstromgenerator ist und eine rotierende Dreiphasenwicklung und eine stationäre Erregerwicklung aufweist.
• In herkömmlichen Wechselstromgeneratoren besitzt der Rotor eine einfache Wicklung, die koaxial zu der Welle liegt und die durch zwei klauenförmige eiserne Polplatten geschlossen ist, um einen vielpoligen magnetischen Rotor mit Nordpolen, die dem einen Ende der Wicklung, und Südpolen, die dem anderen Ende entstammen, auszubilden. Um eine maximale Leistung eines vorgegebenen Gewichts zu erhalten, ist es allgemein übliche Praxis, einen Klauenpolmotor mit zwölf Polen und eine Dreiphasenstatorwicklung zu benutzen.
• In meiner früheren Anmeldung GB-A-21 20 865 offenbarte ich, daß die Rotorwicklungen auf eine Spule gewickelt sind, wobei die innerste Wicklung auf der Spule nahe bei der Achse des Rotors ist, so daß eine erhöhte Zahl von Windungen auf die Spule für einen vorgegebenen Rotordurchmesser gewickelt werden können. Zweckmäßigerweise hat die Spule eine radiale Dicke von weniger als 2 mm, vorzugsweise weniger als 1,6 mm.
• Entsprechend einer Ausgestaltung der Erfindung ist dabei eine Wechselstromgeneratoranordnung vorgesehen, die eine Rotorwicklung und zwei Statorwicklungen enthält, wobei eine der Statorwicklungen im entgegengesetzten Wicklungssinn zur anderen gewickelt ist und die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie ein im wesentlichen nicht magnetisches Formstück enthält, welches Einschnitte oder ähnliches aufweist, in denen die Statorwicklungen vorgesehen sind.
• Die zwei Statorwicklungen können in dieselben Einschnitte in den Formteil gewickelt sein.
• Es ist allgemeine Praxis, die Statorspulen in innenverkleidende Einschnitte und um einen laminierten eisernen Statorkern einzubringen. Wie auch immer, in meiner Erfindung sind einige Einschnitte außenverkleidend. So sehe ich bezüglich meiner Erfindung eine Wechselstromgeneratoranordnung vor, die eine Rotorwicklung und eine Statorwicklung und einen angeschlossenen Stromgleichrichter aufweist, wobei die Statorwicklung in Einschnitten in einem Kern festgelegt ist, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Einschnitte außenverkleidend sind.
• Außerdem sind in jedem Einschnitt zwei getrennte Wicklungslängen mit verschiedenem Drahtdurchmesser, wobei zweckmäßigerweise die radial innere Kupferdraht mit einem Durchmesser von 1,65 mm und die radial äußere Draht mit einem Durchmesser von 2,16 mm ist. Wie in meiner früheren Anmeldung GB-A- 21 20 865 ist eine der Wicklungen in einer Richtung und die andere in entgesetzter Richtung gewickelt. Während es bekannt ist, in Ankerwicklungen doppellagige Trommelwicklungen vorzusehen, sind die Spulen geknickt, so daß eine Seite einer Spule die äußere Hälfte des Einschnitts und die andere Seite die innere Hälfte des Einschnitts besetzt. Dies dient dazu, eine leichtere Anordnung von standardisiert geformten Spulen zu erlauben und ebenso die Beibehaltung zu unterstützen, wenn der Anker rotiert. Wie auch immer, ist in den bekannten Trommelwicklungen, von denen ich Kenntnis erhielt, die äußere "Länge" weder von verschiedenem Durchmesser zu der inneren "Länge" noch sind diese "Längen" Teile von verschiedenen Wicklungen. Im allgemeinen wird die einlagige Wicklung eingestzt, wo die Maschine eine große Zahl von Leitern pro Einschnitt aufweist, wohingegen die doppellagige Wicklung im allgemeinen geeigneter ist, wo die Zahl der Leiter pro Einschnitt acht nicht überschreitet. Es ist ein Merkmal meiner Erfindung, daß ich zwei Sätze von einlagigen Statorwicklungen vorsehe, wobei die äußere Wicklung von größerem Durchmesser als die innere ist.
• Es wird in zunehmendem Maße allgemeine Praxis, sogenannte Fahrzeug-Wechselstromgeneratoren zur Ladung der Fahrzeugbatterie zu benutzen. Die Fahrzeugbatterie ist immer weiter steigenden Beanspruchungen ausgesetzt, je mehr verfeinerte elektrische Ausstattung entwickelt wird. Die Leistungskennzeichen eines Wechselstromgenerators zum Beginn des Lieferns von Strom bei geringeren Motordrehzahlen, so daß den Leistungsanforderungen eines Fahrzeugs begegnet werden kann, auch wenn die Maschine leerläuft, und zum Schnelladen, so daß die geforderte Batteriekapazität beibehalten oder reduziert werden kann, sind dabei in zunehmendem Maße als vorteilhaft für die Benutzung z.B. von Gleichstromgeneratoren oder Dynamos mit ihrem elektromagnetischen Regler und Ausschaltrelais erkannt worden.
• Gemäß einem bevorzugten Merkmal meiner Erfindung sehe ich eine Wechselstromgeneratoranordnung vor, die einen Fahrzeug- Wechselstromgenerator und einen Hochstromgenerator einschließt, wobei die Wechselstromgeneratoren eine gemeinsame Welle haben. Die Welle wird also länger als eine herkömmliche Welle sein, die benutzt wird, wenn nur ein Fahrzeug- Wechselstromgenerator vorhanden ist.
• Ein Hochstrom-Wechselstromgenerator (mehr als 85 A) ist früher für spezielle Fahrzeuge mit sehr hohem Strombedarf vorgeschlagen worden. So benutzte der vorgeschlagene Rotorgestaltung vier oder sechs radial angeordnete einfache Pole, wobei jeder Pol seine eigene Erregerwicklung anstelle einer gemeinsamen Erregerwicklung für alle Pole, wie in der Klauenpol-Gestaltung, hat. Diese bekannte Ausführung hat einen eingebauten Lüfter und externe Dioden, die in einem separaten wassergekühlten Gleichrichtergehäuse angeordnet sind. Aber die Wasserkühlung ist schwer zu bewerkstelligen und wahrscheinlich ist sie unwirksam, wenn die Wasserzirkulation fehlt oder das Wasser ausläuft.
• Somit schlage ich gemäß einem schon vorherigen Merkmal meiner Erfindung ein extern angeordnetes Gleichrichtergehäuse und einen eingebauten Lüfter zur Belieferung des Gleichrichtergehäuses mit kühlender Luft vor. Bevorzugterweise hat der Lüfter eine Vielzahl von einzelnen drehbaren Blättern, wobei das äußerste Ende eines jeden Blattes einen größeren Durchmesser als der Wechselstromgenerator hat. Aber in einer alternativen Ausgestaltung können die Blätter doch einen herkömmlich kleineren Durchmesser als der Wechselstromgenerator haben, aber sie weisen Luftführung auf, um Luft auf das Gleichrichtergehäuse zu richten. Wenn der Hochstrom- Wechselstromgenerator von von dem Lüfter durch den Fahrzeug- Wechselstromgenerator getrennt ist, würde ich ebenfalls eine Luftführung wie beim Lüfter mit größerem Durchmesser vorschlagen.
• Meine Erfindung wird nun nachfolgend anhand eines Beispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen
• Fig. 1 ein axialer Schnitt durch eine erfindungsgemäße Wechselstromgeneratoranordnung ist,
• Fig. 2 einen Grundriß eines Teiles der Rotoren der getrennten Wechselstromgeneratoren der Wechselstromgeneratoranordnung von Fig. 1 darstellt,
• Fig. 3 eine abgewickelte schematische Ansicht eines Teiles einer Statorwicklung ist,
• Fig. 4 eine Ansicht eines Teiles des erfindungsgemäßen Stators ist, die die Doppellagenwicklung zeigt,
• Fig. 5 ein Diagramm zeigt, welches einen typischen Stromverlauf eines erfindungsgemäßen Wechselstromgenerators darstellt,
• Fig. 6 eine schematische Ansicht der Versorgung eines Systems zum Antrieb einer Maschine eines Motorfahrzeuges durch Gas, das aus Wasser gewonnen wurde, ist.
• In Fig. 1 ist der Fahrzeug-Wechselstromgenerator 2 in einem Gehäuse 3 Rücken an Rücken mit einem Hochstrom-Wechselstromgenerator 4 in einem Gehäuse 5 angeordnet, wobei die Wechselstroingeneratoren eine herkömmliche Antriebswelle 6 teilen. Die welle 6 wird durch eine nicht dargestellte Maschine mittels einer Riemenscheibe 8 angetrieben und ist zur Drehung in den Lagern 10, die an den Enden der Wechselstromgenerator-Gehäuse befestigt sind, gelagert. Der Fahrzeug-Wechselstromgenerator 2 kann, wenn gewünscht, der an die Riemenscheibe 8 angrenzende sein.
• Während die Wechselstromgeneratoren durch eine einfache Wand 12 getrennt gezeigt sind, können sie in anderen Ausgestaltungen durch ihre entsprechenden Endwände getrennt werden oder in einem einfachen Gehäuse mit Lagern 10 an den gegenüberliegenden Wänden angeordnet sein.
• Rund um die Antriebswelle 6 sind Gleitringe 14,16 angeordnet, um die Rotorwicklungen 18 des Fahrzeug-Wechselstromgenerators 2 mit dem Erregerstrom zu versorgen.
• Die Antriebswelle hat einen Durchmesser von 20,00 mm und trägt eine Spule 26, die eine radiale Dicke von 1,6 min hat, wobei die innere Lage der Rotorwicklung 20 des Hochstrom- Wechselstromgenerators 4 folglich nahe bei der Rotorachse angeordnet ist, um somit eine größere Rotorwindungszahl zu erlauben, um Vorsorge zu treffen, wenn eine herkömmliche Spule mit einer radialen Dicke von 25 mm oder mehr verwendet wird.
• Vorzugsweise sehe ich eine Windungszahl von 420 mit 1,42 mm Draht (17 swg) vor. Aber in alternativen Ausgestaltungen kann ich in Übereinstimmung mit den geforderten Ausgangswerten des Hochstrom-Wechselstromgenerators 4 einen anderen Wellendurchmesser, eine andere Spulendicke und eine andere Windungszahl bei einer anderen radialen Anordnung von der Achse vorsehen.
• Wie in Fig. 2 ersichtlich, sind die Rotor-Wicklungen durch klauenförmige Polplatten 28, 29 abgeschlossen, die zwischengeschaltet sind, um eine annähernd sinusförmige Wellenform 30 zu erhalten, wobei die Klauen abgeflachte Erhebungen 32 aufweisen, da ein Steigern des verfügbaren Feldes am äußeren Rand des Rotors durch diese festgestellt wurde. Die Rotorwicklungen 20 sind mit einem vertikalen Gleitring (nicht dargestellt), der Innenseite des Gehäuses 5 und dabei mit Bürsten verbunden, die von der Batterie gespeist werden. Wenn erforderlich, können sich der vertikale Gleitring und die Bürsten auch in einer trennenden Wand eines allgemein üblichen Gehäuses oder in der Endwand des Gehäuses 3 befinden, so daß die Batterieleitungen für die Erregerströme beider Wechselstromgeneratoren aneinander angrenzender angeordnet werden kann und dabei leichter zu warten ist.
• Die Rotorwicklungen 20 sind einem doppelt gewickelten Stator 36 zugeordnet, der ein Windungspaar 38, 40 (Fig. 3, Fig. 4) besitzt, das um ein Formteil 34 gewickelt ist, welches zur Aufnahme der Wicklungen axial geschlitzt ist. Dabei weisen die radial äußeren Wicklungen einen größeren Drahtdurchmesser auf. Die Wicklungen 38, 40 sind mit Gleichrichtereinheiten 24 verbunden, von denen die gleichgerichtete (Gleichstrom-) Leistung entnommen werden kann, wie von einer Elektrolyseeinheit, wie es hiernach in Fig. 6 schematisch dargestellt ist. Die doppelte Statorwicklung 38, 40 ist gegensätzlich gewickelt.
• Eine der Wicklungen 38,40 beginnt bei geringen Rotationsgeschwindigkeiten der Welle 6 Strom zu erzeugen, die andere der Wicklungen bei einer höheren Rotationsgeschwindigkeit der Welle 6, wie es in Fig. 5 aufgezeigt ist. Diese Kennlinien können durch eine entsprechende Gestaltung variiert werden. Die Statorwicklungen 38, 40 haben pro Phase mindestens drei Wicklungen und benutzen denselben Phaseneinschnitt, um somit zwei Leistungsspitzen unterschiedlicher Polarität zu erzeugen. Die Wicklungen sind so verbunden, daß sich die Leistungen einander ergänzen.
• Die Gleichrichtereinheiten für den Hochstrom-Wechselstromgenerator sind außerhalb des Gehäuses 5 befestigt, so daß sich diese im Luftstrom des Fahrzeuges befinden und somit gekühlt werden können. Wie in Fig. 1 ersichtlich ist, sehe ich einen Lüfter mit einem größeren Durchmesser vor, um den Luftfluß über die Gleichrichtereinheiten 24 zu steigern und eine Luftführung (nicht dargestellt) kann ebenfalls vorgesehen werden, um zusätzlich Luft von dem Lüfter 12 oder von der Umgebungsluft, während das Fahrzeug in Bewegung ist, oder von beidem über die Gleichrichtereinheiten zu richten. Ich habe festgestellt, daß solch eine Luftkühlung von extern befestigten Gleichrichtereinheiten realisierbarer ist als die bekannte Wasserkühlung.
• In Fig. 5 ist ein typischer Ausgang von einem Hochstrom- Wechselstromgenerator 4 gezeigt, wobei die durchgezogene Linie die Leistung von der Wicklung 38 und die Strichlinie die Leistung von der Wicklung 40 darstellt.
• Ein Strom von 400 A bei 2,5 V (obwohl mit Wechselstromgeneratoren entsprechend meiner Erfindung höhere Ströme möglich sind) wird große Mengen von Wasserstoff und Sauerstoff durch Elektrolyse von Wasser erzeugen, die wie in Fig. 6 in einen Vergaser 42 einer eingebauten Verbrennungsmaschine 45 eingespeist werden können und dabei die erforderliche Menge von Flüssigtreibstoff reduzieren. Das Gas wird in einer Elektrolyseeinheit 46 durch den Strom von dem Hochstrom-Wechselstromgenerator 44 erzeugt. Wenn es der Hochstrom-Wechselstromgenerator 44 erlaubt, ausreichend Gas zu produzieren, um dem ständigen Bedarf gerecht zu werden, ist es nicht nötig, mit dem Begleitrisiko einer Explosion irgendwelches Gas zwischenzulagern oder in dem Fahrzeug zu transportieren.
• Ein Merkmal meiner Wechselstromgeneratoranordnung ist die Verwendung von getrennten Statorwicklungen mit verschiedener Querschnittsfläche, wobei die Gesamtlänge der Wicklung kürzer ist, je größer die Querschnittsfläche ist. Obwohl eine Wicklung aus Draht mit einem Durchmesser von 1,65 mm sein kann und für jede Phase eine Länge von 8 m verwendet wird, so werden ungefähr 15 m erforderlich. Vorzugsweise ist die Statorwicklung mit der größten Querschnittsfläche die äußerste, aber das ist nicht wesentlich.
• Normalerweise ist der Stator aus Eisen und laminiert. Ich habe festgestellt, daß nichtmagnetisches Plastmaterial, wie Polyäthylen oder Nylon mit geringer Wandstärke, um den Wicklungen ein Anordnen in getrennten Einschnitten rund um den Stator zu erlauben, die geforderten Ausgangsstromkennlinien des Wechselstromgenerators gestattet.
• Ich habe festgestellt, daß mit Erfolg die Wicklungen mit dem größeren Querschnitt jeweils bei vergleichsweise höheren Rotorgeschwindigkeiten beginnen, einen wirkungsvollen Zuschuß zu dem Stromausgang zu geben, als vielleicht die Wicklungen mit dem kleineren Querschnitt, die gesättigt werden, so daß ein mit der Rotorgeschwindigkeit rasch ansteigender Stromausgang erlaubt wird. Dementsprechend wähle ich die Windungszahl und deren entsprechenden Querschnittsflächen in Abhängigkeit von der geforderten Ausgangscharakteristik aus.

Claims (20)

1. Wechselstromgeneratoranordnung enthaltend eine Rotorwicklung (20) und zwei Statorwicklungen (38, 40), wobei eine der Statorwicklungen im entgegengesetzten Wicklungssinn zu anderen gewickelt ist, gekennzeichnet durch den Einsatz eines im wesentlichen nicht-magnetisches Formteiles, welches Einschnitte oder ähnliches aufweist, in denen die Statorwicklungen vorgesehen sind.

2. Wechselstromgeneratoranordnung nach Anspruch 1, in dein die zwei Statorwicklungen (38, 40) in den selben Einschnitten in dem Formteil gewickelt sind.

3. Wechselstromgeneratoranordnung nach Anspruch 2, in dem die Einschnitte des Formteiles bezüglich des Formteiles (34) außengestaltend sind.

4. Wechselstromgeneratoranordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem die zwei Statorwicklungen ein zweites Mal vorgesehen sind, wobei eine der zweiten Statorwicklungen im entgegengesetzten Wicklungssinn zur anderen gewickelt ist und die zweiten zwei Statorwicklungen Draht mit einem zum Draht der ersten zwei Statorwindungen verschiedenen Durchmesser enthalten.

5. Wechselstromgeneratoranordnung nach Anspruch 4, in dem in der einen der ersten und der zweiten Statorwicklung, die den Draht mit dem kleineren Querschnitt enthält, mehr Windungen enthalten sind.

6. Wechselstromgeneratoranordnung nach Anspruch 4 oder 5, in der mindestens ein weiterer Satz von Statorwicklungen vorgesehen ist.

7. Wechselstromgeneratoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in der jede Statorwicklung (38, 40) angeordnet ist, einen dreiphasigen Ausgang zu gewährleisten.

8. Wechselstromgeneratoranordnung nach Anspruch 7, in der jede Statorwicklung im Dreieck (38, 40) geschaltet ist.

9. Wechselstromgeneratoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in der die Wechselstromgeneratoranordnung zwei magnetische Klauenstücke (28, 29) enthält, zwischen denen die Rotorwicklung (20) gehalten ist, wobei die magnetischen Klauenstücke (28, 29) Klauenteile beinhalten, die Enden (32) aufweisen und die Klauenteile axial über die Rotorwicklung hinausstehen und ihre Enden zwischenlegen.

10. Wechselstromgeneratoranordnung nach Anspruch 9, in der die Enden (32) der Klauenteile abgeschnitten sind.

11. Wechselstromgeneratoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in der die die Wechselstromgeneratoranordnung einen Ausgang einer jeden Statorwicklung (38, 40) aufweist und ein Gleichrichter (24) an jedem Ausgang vorgesehen ist.

12. Wechselstromgeneratoranordnung nach Anspruch 11, in der die Wechselstromgeneratoranordnung einen Grundkörper (5) enthält und die Gleichrichter (24) außerhalb des Grundkörpers der Wechselstromgeneratoranordnung zur Kühlung durch die Luftkonvektion und -zirkulation befestigt sind.

13. Wechselstromgeneratoranordnung nach Anspruch 12, in der sich die Gleichrichter in dem Luftstrom unter Benutzung eines Lüfter (12) befinden.

14. Wechselstromgeneratoranordnung nach anspruch 13, in der der Lüfter (12) so angeordnet ist, daß er von derselben Quelle wie die Rotorwindung (20) angetrieben wird.

15. Wechselstromgeneratoranordnung nach Anspruch 14, in der die Gleichrichter (24) an dem Körper (5) des Wechselstromgenerators befestigt sind und der Lüfter (12) über dieselbe Achse wie die Rotorwicklung drehbar ist und einen größeren Durchmesser als der Wechselstromgeneratorkörper (5) aufweist, um Luft über die Gleichrichter (24) zu richten.

16. Wechselstromgeneratoranordnung nach Anspruch 14, in der der Lüfter einen kleineren Durchmesser als der Wechselstromgeneratorkörper (5) aufweist und eine Luftführung vorgesehen ist, um die Luft auf die Gleichrichter (24) zu richten.

17. Kombination einer Wechselstromgeneratoranordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und einer anderen Wechselstromgeneratoranordnung, wobei die Wechselstromgeneratorbaugruppen mit ihren Rotorwicklungen benachbart angeordnet sind, um eine Drehung über eine gemeinsame Achse zu bewerkstelligen.

18. Wechselstromgeneratoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 oder eine Kombination von Wechselstromgeneratoranordnungen nach Anspruch 17, in der die oder jede Wechselstromgeneratoranordnung eine Ausgangsklemme hat und die oder jede Statorwicklung und die Ausgangsklemmen getrennt mit verschiedenen Paaren von Elektroden in einer Elektrolyseeinheit (46) verbunden sind.

19. Maschine, die eine Wechselstromgeneratoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 oder 18 oder eine Kombination von Wechselstromgeneratoranordnungen nach Anspruch 17 oder 18 enthält.

20. Fahrzeug, das eine Maschine nach Anspruch 19 enthält.