DE3785992T2

DE3785992T2 - Alternator und hierfür angewendeter Regler.

Info

Publication number: DE3785992T2
Application number: DE87309019T
Authority: DE
Inventors: Peter Bruce Clark
Original assignee: Cadac Holdings Ltd
Current assignee: Cadac Holdings Ltd
Priority date: 1986-10-16
Filing date: 1987-10-13
Publication date: 1994-01-13
Anticipated expiration: 2007-10-14
Also published as: EP0265144A2; AU608780B2; US4827393A; EP0265144A3; AU7971687A; ES2041691T3; JPS63133866A; ATE89962T1; EP0265144B1; DE3785992D1; CA1296385C

Description

Bereich der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Wechselstromgenerator und einen Regler, der insbesondere aber nicht ausschließlich mit dem Wechselstromgenerator verwendet werden kann.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Wechselstromgeneratoren mit Permanentmagneten sind seit vielen Jahren bekannt. Aus verschiedenen Gründen haben sie aber bisher für elektrische Anlagen in Kraftfahrzeugen wenig Verwendung gefunden. Derartige Wechselstromgeneratoren hätten beim Einsatz in Kraftfahrzeugen beträchtliche Vorteile. Sie besitzen eine kleine Zahl von sich bewegenden Teilen und sind deshalb zuverlässig. Sie können sehr kompakt und mit hohem elektrischem Wirkungsgrad gebaut werden. Die letztgenannte Eigenschaft ist wichtig, da bei modernen Kraftfahrzeugen immer höhere Anforderungen an die elektrische Versorgung gestellt werden; dies führt so weit, daß Kraftfahrzeuge immer häufiger beispielsweise mit Wechselstromgeneratoren für 12 Volt und 50 Ampere versehen werden, was normalerweise eine Zwillings-Riemenscheibe und einen Zwillings- Keilriemenantrieb erforderlich macht, die einen entsprechend robusten Aufbau und robuste Lager usw. besitzen müssen und zu einem vermehrten Kraftstoffverbrauch führen.
Es ist nicht klar, warum Wechselstromgeneratoren mit Permanentmagneten nicht in großem Umfang für den Einsatz bei Kraftfahrzeugen verwendet werden. Ein Grund hierfür könnte sein, daß bisher kein wirtschaftlich entwicklungsfähiger Regler hergestellt worden ist, der in der Lage ist, die Ausgangsspannung eines solchen Wechselstromgenerators über weite Bereiche zu regeln, über die sich die Drehzahl und der Leistungsbedarf ändern können. Dies scheint durch die Tatsache bestätigt zu werden, daß solche Wechselstromgeneratoren, die in Kraftfahrzeugen verwendet werden, nur sehr unausgereifte Regler besitzen, die im wesentlichen aus einfachen Induktivitäten bestehen. Dies ist für die angeschlossenen Batterien äußerst schädlich.
Die französische Patentschrift Nr. 2 533 375 (Regie Nationale des Usines Renault) zeigt ein aus einem Wechselstromgenerator und Regler bestehendes System, bei dem der Regler die an eine Batterie abgegebene Ausgangsspannung und den der Batterie zugeführten Ausgangs Strom mißt und die gemessenen Parameter verwendet, um das System zu steuern. Die französische Patentschrift schlägt jedoch nicht vor, den Ausgangsstrom einer Gleichspannungsquelle zu begrenzen und gleichzeitig eine Änderung der Ausgangsspannung der Gleichspannungsversorgung zuzulassen.

ZIEL DER ERFINDUNG

Es ist ein Ziel der Erfindung, eine verbesserte Spannungsregeleinrichtung zu schaffen. Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, einen Wechselstromgenerator zur Verwendung in Verbindung mit einer solchen Spannungsregeleinrichtung zu schaffen.

DARLEGUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der Erfindung wird ein Regler zum Regeln des Ausgangs einer unkontrolliert veränderlichen Gleichstrom-Energieversorgung (10, D1-D6) geschaffen, die von einer Quelle (60) für mechanische Energie mit variabler Drehzahl angetrieben wird, wobei der Regler dadurch gekennzeichnet ist, daß er folgende Bestandteile umfaßt:
(a) Eine Strombegrenzungseinrichtung (R6, R7, R8, IC1, C3, C9), die einen Eingang (102, 104) für eine Verbindung mit dem Ausgang der Energieversorgung und einen Ausgang umfaßt, wobei die Strombegrenzungseinrichtung in der Lage ist, den Strom von der Energieversorgung zu begrenzen, um die Energieversorgung zu schützen, während sie zuläßt, daß sich die Spannung von der Energieversorgung ändert,
(b) eine Spannungsänderungseinrichtung (IC2, IC6, R9, R31), die einen Eingang für eine Verbindung mit dem Ausgang der Strombegrenzungseinrichtung und einen Ausgang (114, 116) für eine Verbindung mit einer Last aufweist, wobei die Spannungsänderungseinrichtung in der Lage ist, die veränderliche Spannung vom Ausgang der Strombegrenzungseinrichtung in eine geregelte Gleichspannung umzuwandeln, und
(c) eine Steuereinrichtung, die eine erste Meßeinrichtung (R32) zum Messen des Stroms von der Energieversorgung, eine zweite Meßeinrichtung (R33) zum Messen des Ausgangsstroms zur Last und eine dritte Meßeinrichtung (RV) zum Messen der Ausgangs Spannung der Spannungsänderungseinrichtung umfaßt, wodurch im Betrieb der Regler den Ausgang von einer unkontrolliert veränderlichen Gleichstrom-Energieversorgung, die von einer Quelle für mechanische Energie mit veränderlicher Drehzahl angetrieben wird, in einen geregelten Ausgang mit im wesentlichen konstanter Spannung umwandelt.
Weiterhin ist gemäß der Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung einer geregelten Gleichstrom-Energieversorgung vorgesehen, die gekennzeichnet ist durch eine Generatoreinrichtung (10, D1-D6) zum Erzeugen einer unkontrolliert veränderlichen Gleichstrom-Energieversorgung aus einer Quelle (60) für mechanische Energie mit veränderlicher Geschwindigkeit und einen Regler, wie er oben beschrieben wurde, wobei dieser Regler elektrisch mit der Generatoreinrichtung verbunden ist.
Bei einer Ausführungsform gemäß der Erfindung umfaßt die Energieversorgung einen Permanentmagnet-Wechselstromgenerator mit einem Gleichrichter.
Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung wird der Strom durch den Ausgang der Gleichstrom-Energieversorgung durch eine Impulsbreiten-Modulationseinrichtung begrenzt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen weiter erläutert, die lediglich als Beispiel eine Ausführungsform gemäß der Erfindung darstellen. Es zeigen:
Fig. 1 eine etwas schematische Querschnittsansicht eines Wechselstromgenerators,
Fig. 2 eine Endansicht eines den Stator bildenden Teils des Wechselstromgenerators,
Fig. 3 eine Schnittansicht längs der Linie A-A aus Fig. 2, wobei auch ein zentrales Tragelement und Sicherungsschrauben wiedergegeben sind,
Fig. 4 eine Endansicht eines den Rotor bildenden Teils des Wechselstromgenerators,
Fig. 5 eine Schnittansicht längs der Linie B-B aus Fig. 4,
Fig. 6 eine Endansicht eines ein Gehäuse bildenden Teils des Wechselstromgenerators,
Fig. 7 eine Schnittansicht längs der Linie C-C in Fig. 6,
Fig. 8 ein Blockdiagramm des Wechselstromgenerators und der ihm zugeordneten elektronischen Steuerungen,
Fig. 9 ein Schaltungsdiagramm, das schematisch den Wechselstromgenerator und die elektronischen Steuerungen wiedergibt,
Fig. 10 einen Teil der Schaltung aus Fig. 9 mehr im Detail, und
Fig. 11 einen weiteren Teil der Schaltung aus Fig. 9 auch mehr im Detail.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Wie in den Zeichnungen dargestellt, umfaßt der Wechselstromgenerator 10 ein Gehäuse 12, einen Stator 14 und einen Rotor 16.
Das Gehäuse 12 umfaßt im wesentlichen eine Wand 18 in Form eines geraden Kreiszylinders, die zwischen ihren Enden mit einer Querwand 20 versehen ist, die den Innenraum des Gehäuses in zwei Teile 22 und 24 unterteilt. Das Gehäuse ist weiterhin mit nach außen vorstehenden Ansätzen versehen, von denen die beiden Ansätze 26 an dem einen Ende des Gehäuses und ein Ansatz 28 in der Nähe des gegenüberliegenden Endes des Gehäuses und in Ausrichtung mit einem der beiden Ansätze 26 angeordnet sind. Die Ansätze werden in bekannter Weise verwendet, um den Wechselstromgenerator am Motor eines Kraftfahrzeuges zu montieren.
Die Querwand 20 ist mit einem auf der Längsachse 32 des Gehäuses liegenden zentralen Loch 30 und vier Löchern 34 versehen, die gleichförmig um das Zentralloch 30 herum im Abstand angeordnet sind.
Das Gehäuse ist vorteilhafterweise ein Aluminium-Druckgußkörper
Der Stator 14 umfaßt ein zentrales Tragelement 36 mit kreisförmigem Querschnitt, das einen runden Flansch 38 aufweist, der in der Nähe seines einen Endes so angeordnet ist, daß über die Fläche des Flansches ein Zapfenteil 40 vorspringt. Am gegenüberliegenden Ende ist in das Tragelement eine Schulter 42 für die Positionierung von zwei Kugel lagern 44 eingearbeitet, wie man am besten der Fig. 1 entnimmt. Zwischen der Schulter 42 und dem Flansch 38 ist eine Reihe von Lamellenelementen 46 montiert.
Die Form eines jeden Elementes 46 entnimmt man am besten der Fig. 2. Das Element besteht im wesentlichen aus einer Scheibe, deren Umfangsrand mit einer Vielzahl von radial nach außen vorstehenden, fingerartigen Teilen 48 mit dazwischen befindlichen Zwischenräumen 50 versehen ist. Die Elemente 46 werden auf dem Element 36 mit Hilfe von Schrauben 52 gehalten, die durch die Löcher 54 in den Elementen 46 und dem Flansch 38 hindurchtreten und in die Löcher 34 in der Querwand 20 des Gehäuses eingreifen. Auf diese Weise dienen die Schrauben sowohl dazu, die Teile des Stators zusammenzuhalten als auch den Stator in einer festen koaxialen Lage im Gehäuse zu halten.
Der Zapfen 40 im Stator paßt eng in das Loch 30 in der Querwand des Gehäuses und zentriert so den Stator im Gehäuse.
Die Vorsprünge 48 und die Zwischenräume 50 der Elemente 46 sind im zusammengebauten Zustand des Stators in Ausrichtung und nehmen (nicht dargestellte) Wicklungen in herkömmlicher Weise auf, wobei die Enden der Wicklungen zu (nicht dargestellen) Anschlüssen im Teil 24 des Gehäuses 12 geführt sind.
Der Rotor 16 ist ein becherförmiger Stahl-Schmiedekörper, der eine Wand 56 in Form eines geraden Kreiszylinders besitzt und mit einer Querwand 58 an einem Ende mit einer einstückig angeformten koaxialen Riemenscheibe 60 für einen Keilriemen versehen ist. Die Querwand 58 ist ausgebohrt, um zwei durch eine Schulter 64 voneinander getrennte Sitze 62 für die Lager 44 zu schaffen. Der Außendurchmesser der Wand 56 ist geringfügig kleiner als der des Gehäuses, so daß der Rotor eng in das Gehäuse paßt.
Vierundzwanzig identische keramische Stab-Permanentmagnete 57 sind an der Innenseite der Wand 56 so montiert, daß sie in sechs Viererblöcken um die Wand herum in gleichmäßigen Abständen angeordnet und abwechselnd mit ihren Nord- und Süd-Polen zur inneren Fläche des Rotors ausgerichtet sind. Die Größe dieser Magneten ist so gewählt, daß der Rotor in den ringförmigen Zwischenraum im Gehäuse zwischen dem Stator und der Wand 18 eingesetzt werden kann, wobei die Magneten einen ausreichenden Abstand von der Außenseite des Stators besitzen. Der Rotor wird am Element 36 des Stators mit Hilfe einer Schraube in seiner Lage gehalten, die in das Gewindeloch 66 im Ende des Elementes 36 montiert ist und eine Halteplatte gegen den inneren Lauf ring des äußeren Lagers 44 hält.
Bei dem Permanentmagnet-Wechselrichter 10 in seiner gegenwärtigen Form werden Magneten mit 38 mm Länge, 9 mm Breite und 6 mm Dicke verwendet. Bei einer Produktionsversion kann ein Ringmagnet mit einem Außendurchmesser von 96 mm, einem Innendurchmesser von 84 mm und einer Länge von 38 mm verwendet werden.
Eine Drehung des Rotors vermittels eines vom Motor angetriebenen Keilriemens induziert somit eine Wechsel Spannung in den Wicklungen des Stators. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich um eine Dreiphasen-Wicklung mit einer Leerlaufspannung von sieben Volt Wechselspannung (Effektivwert) pro 1000 Umdrehungen pro Minute des Rotors für jede Phase. Der Wechselstromgenerator ist somit in der Lage, bei einer Wechselstromgenerator-Drehzahl von 800 Umdrehungen pro Minute, die einer niedrigen Leerlaufdrehzahl des Motors von beispielsweise 550 Umdrehungen pro Minute entspricht, nach Gleichrichtung eine Gleichspannung von zwölf Volt zu erzeugen.
Das Schema des Reglers ist in Fig. 8 dargestellt. Wesentliche Bestandteile hiervon sind eine Gleichrichterschaltung 70, eine elektronische Steuerschaltung 72 hauptsächlich zur Begrenzung des Ausgangsstroms durch den Eingang des Gleichstrom-Gleichstrom-Konverters 74, wobei die Eingangsspannung am Eingang ansteigen kann, und zur Begrenzung der Ausgangsspannung des Gleichstrom-Gleichstrom-Konverters auf beispielsweise 13,8 V im Falle einer herkömmlichen 12-Volt- Automobilbaugruppe. Natürlich ist es in der Praxis auch erforderlich, Filterschaltungen, Überhitzungssicherungen und dergleichen vorzusehen und ein komplettes System ist mehr im Detail in den Schaltungsdiagrammen in den Fig. 9 bis 11 dargestellt. Die Arbeitsweise dieses Systems ist für den Fachmann klar und es werden hier nur einige seiner Gesichtspunkte im einzelnen beschrieben.
Durch die Verwendung eines elektronischen Gleichstrom-Gleichstrom-Konverters zum Regeln der Ausgangsspannung ermöglicht die Erfindung die Verwendung eines einfachen Permanentmagnet-Wechselstromgenerators bei einem Betrieb über einen weiten Drehzahlbereich. Der Gleichstrom-Gleichstrom-Konverter steuert auch den Ausgangsstrom des Wechselstromgenerators um einen 5,5fachen Vergrößerungseffekt des Ausgangsstromes bei der nominalen Maximalumdrehungszahl (6300 Umdrehungen pro Minute) zu bewirken.
Gemäß den Schaltungsdiagrammen in den Fig. 9 bis 11 und dem Blockdiagramm der Fig. 8 erzeugt ein Drehen des Rotors des Permanentmagnet-Wechselstromgenerators 10 eine Wechselspannung in den Statorwicklungen, die dann durch die Dioden D1- D6 vollweg-gleichgerichtet wird, um zwischen den Leitungen 102, 104 eine zur Rotor-Drehzahl proportionale Gleichspannung zu erzeugen. Die Dioden D7-D9 bilden eine gesonderte isolierte Gleichstromversorgung zwischen den Leitungen 102, 106 für die an ein negatives Bezugspotential gelegte elektronische Schaltung 72.
Die isolierte Gleichstromversorgung wird auch verwendet, um das Einsetzen des Ladevorganges durch die Potential-Teiler- Widerstände R2 und R3 anzuzeigen. Wenn die Spannung am Widerstand R3 größer ist als 0,6 V, schaltet der Transistor T2 ein, wodurch der Transistor T3 abgeschaltet wird, was seinerseits das Zündungslicht 108 abschaltet. Die Widerstände R1, R5, der Transistor T1 und die Zener-Diode ZD1 bilden einen Spannungsregler um eine Stromversorgung für die an negatives Bezugspotential gelegte Elektronik zu bilden.
Durch eine Veränderung der Impulsbreite des Gleichstrom- Gleichstrom-Konverters können die folgenden Steuerfunktionen erzielt werden:
(i) Der maximale Ausgangsstrom des Permanentmagnet-Wechselstromgenerators wird auf 9,5 Ampere begrenzt.
(ii) Die Ausgangsspannungsregelung des Gleichstrom-Gleichstrom-Konverters auf einen Maximalwert von 13,8 V Gleichspannung wird durch die Fehlerspannung bewirkt, die am Abgriffspunkt des Widerstandes RV erzeugt wird.
(iii) Die Ausgangsstrombegrenzung des Gleichstrom-Gleichstrom-Konverters auf einen Maximalwert von 60 Ampere Gleichstrom wird durch die Fehlerspannung bewirkt, die über dem Widerstand R33 erzeugt wird.
(iv) Die Ausgangsstrombegrenzung auf einen Wert unterhalb des Maximums von 60 Ampere Gleichstrom beim Auftreten einer Überhitzung wird dadurch erzielt, daß die Spannung der Diode D16 überwacht wird, die thermisch mit dem Wechselstromgeneratorgehäuse verbunden ist.
Die elektronische Steuerschaltung verwendet einen einen "Industriestandard" darstellenden, als integrierte Schaltung ausgebildeten Impulsbreitenmodulator TL494 von Texas Instruments. Die Impulsfolgefrequenz des Gleichstrom-Gleichstrom-Konverters ist auf 25 kHz eingestellt und die Impulsbreite wird zwischen 0% und 90% gesteuert.
Die Widerstände R6, R7 und R8, IC1 und die Kondensatoren C3 und C9 bilden ein Spannungsteiler-Netzwerk, um die maximale Impulsbreite zu begrenzen, die IC3 erzeugen kann, wenn sich die Wechselstromgeneratorsspannung mit der Umdrehungszahl des Motors ändert. Dies ist erforderlich, damit ein einwandfreier Betrieb des Reihendrosselelementes L über den äußerst breiten Ausgangsspannungsbereich des Wechselstromgenerators, d. h. von 12 bis 200 V Gleichspannung möglich ist. Der Optokoppler IC1 liefert eine Ausgangsstrombegrenzung im Falle eines Kurzschlusses an den Ausgangsanschlüssen des Gleichstrom-Gleichstrom- Konverters, d. h. an den 13,8 Volt und 0 Volt-Anschlüssen. Dies wird dadurch erzielt, daß die maximale Ausgangsimpulsbreite von IC3 auf 10% und der maximale Ausgangsstrom an den Ausgangsanschlüssen bei Kurzschluß auf 30 Ampere begrenzt werden.
Die maximale Impulsbreite wird auf 0% vermindert, wenn die Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators 200 V Gleichspannung erreicht. Dies entspricht einer Wechselspannungsgenerator-Drehzahl von 13.000 Umdrehungen pro Minute. Durch eine Verminderung der maximalen Impulsbreite beim Anwachsen der Wechselstromgenerator-Ausgangsspannung wird eine bessere Stabilität und Ausgangssteuerung erzielt.
Die elektrische Trennung zwischen der elektronischen Steuerung und dem Gleichstrom-Gleichstrom-Konverter wird durch die Verwendung von Optokopplern IC1 und IC2 erreicht. Dies ermöglicht es, daß die elektronische Regelsteuerung eine Bezugsspannung von 0 Volt hat und daß die Schalttransistoren T4-T7 des Gleichstrom-Gleichstrom-Konverters auf der gleichgerichteten Ausgangsspannung des Permanentmagnet- Wechselstromgenerators "schwimmen".
Der Optokoppler IC2 und die Widerstände R9 und R31 steuern auch die maximale Ausgangsimpulsbreite von IC3, um den Ausgangsstrom an den Ausgangsanschlüssen 114, 116 unter normalen Arbeitsbedingungen auf 60 Ampere zu regeln. Der Ausgangstransistor des Optokopplers IC2 (Anschlußstifte 4 und 5) wird indirekt durch zwei Operationsverstärker in IC6 gesteuert, was später beschrieben wird.
Die Widerstände R11 und R12 liefern eine Referenzspannung für die beiden Komparator-Verstärker von IC3. Der Widerstand R32 liefert eine Fehlerspannung proportional zum Ausgangsstrom des Wechselstromgenerators. Die Einstellung wird so vorgenommen, daß sich eine Strombegrenzung auf einen mittleren Strom von 9,5 Ampere ergibt, was dadurch erreicht wird, daß die Ausgangsimpulsbreite von IC3 vermindert oder begrenzt wird. Der Widerstand R13 und der Kondensator C8 liefern eine geeignete Zeitkonstante um eine Mittelwertbildung der Fehlerspannung durchzuführen, die über den Widerstand R32 erscheint.
Der Widerstand R14 und der Kondensator C11 stellen die Ausgangsimpulsfrequenz von IC3 ein, die im vorliegenden Fall zwischen 20 kHz und 25 kHz liegt.
Die integrierte Schaltung IC4 wird lediglich als Ausgangstreiber verwendet, der einen ausreichend großen Ausgangsstrom liefert, um die Schalttransistoren T4 bis T7 schnell ein- und auszuschalten, um für minimale Schaltverluste zu sorgen. Die Widerstände R26 bis R29 vermindern Überschwingeffekte aufgrund von parasitären Kapazitäten innerhalb der Transistoren. Die Zener-Diode ZD3 ist eine Schutzvorrichtung um die an den Eingängen der Schalttransistoren vorhandene Spannung zu begrenzen.
Die Schalttransistoren T4 bis T7 des Gleichstrom-Gleichstrom- Konverters sind Leistungs-MOSFET-Bauelemente, von denen jedes auf 200 V Gleichspannung und 12,5 Ampere ausgelegt ist. Die Leistungs-MOSFET-Bauelemente benötigen sehr wenig Treiberstrom und verursachen äußerst geringe Schaltverluste aufgrund ihrer sehr kurzen Schaltzeiten. Die Serien-Durchgangsinduktivität L ist so ausgelegt, daß sie über einen großen Bereich von Eingangs Spannungen und -strömen arbeitet, um so eine genaue Steuerung der Ausgangsspannung mit variierendem Ausgangsstrom zu ermöglichen.
Die Kondensatoren C18 bis C26 und C27 bilden die Hochspannungs-Energiespeicherelemente für den Gleichstrom-Gleichstrom-Konverter und müssen in der Lage sein, den Hauptteil der Stromimpulse zu liefern, die in das Drosselelement L in der Leitung 110 geschaltet werden.
Die Dioden D12 bis D15 in der Leitung 112 sind Schnellerholungsdioden, die den "Freilaufstrom" leiten, der nach dem Abschalten der Transistoren T4 bis T7 fließt.
Für die Ausgangssteuerschaltung 74, die ihren Massebezugspunkt am 0-Volt-Ausgangsanschluß 114 hat, wird die Energieversorgung für die Elektronik vom +13,8 V-Ausgangsanschluß 116 abgeleitet. Der Widerstand R4, die Zener-Diode ZD2 und die Kondensatoren C4 und C5 liefern eine geregelte 6-Volt- Versorgung für die Schaltung 74.
Die Widerstände R15 und R16 liefern eine Referenzspannung für IC6/1 und IC6/4. Die Diode D16 wird verwendet, um die Gehäusetemperatur des Wechselstromgenerators zu messen und die-an ihr abfallende Spannung nimmt mit zunehmender Temperatur ab. Wenn die Temperatur des Wechselstromgenerator Gehäuses 80ºC übersteigt, dann geht der Ausgang von IC6/1 (Anschlußpin 1) auf niederes Potential, wodurch die Bezugsspannung, die von R21 und R22 in Reihe mit R23 erzeugt wird, von 25 mV auf 6 mV vermindert wird, was den maximal zulässigen Ausgangs Strom an den Ausgangsanschlüssen von 60 auf 15 Ampere reduziert. Dies vermindert dann die in den Wechselstromgeneratorwicklungen, den Schalttransistoren, den Leistungsdioden und Induktivitäten erzeugte Verlustwärme, was es dem Wechselstromgenerator und dem Gleichstrom-Gleichstrom-Konverter erlaubt, auf unter 80ºC abzukühlen, worauf der maximale Ausgangs Strom von 60 Ampere wieder zugelassen wird. Eine Fehlerspannung wird vom Ausgangsstrom erzeugt, der durch den Widerstand R33 fließt. Diese wird dann durch die Kombination aus dem Widerstand R24 und dem Kondensator C17 gemittelt. Bei einem Ausgangsstrom von 60 Ampere geht das Ausgangssignal von IC6/3 (Anschlußstift 8) auf hohes Potential, was zu einem Stromfluß durch die Diode des Optokopplers IC2 führt. Dies hat zur Folge, daß der Fototransistor in IC2 leitend wird, was die Spannung vom Anschlußstift 1 von IC3 über die Referenzspannung am Anschlußstift 2 anhebt. Dies vermindert dann die Ausgangsimpulsbreite von IC3 und folglich auch der Transistoren T4 bis T7. Dies vermindert dann den Strom an den Ausgangsanschlüssen und die Strombegrenzung geht der Spannungsregelung vor, so daß die Ausgangsspannung abfällt, wenn eine zusätzliche Belastung auftritt.
Der Widerstand R25 und der veränderliche Widerstand RV bilden ein Spannungsteiler-Netzwerk, um eine Fehlerspannung für den Eingang von IC6/4 (Anschlußstift 12) zu liefern. Wenn die Fehlerspannung höher ist als die Bezugsspannung (Anschlußstift 13), dann geht der Ausgang von IC6/4 (Anschlußstift 14) auf hohes Potential, was zu einem Stromfluß durch die Diode des Optokopplers IC2 führt. Dies führt dann zu einer mit der eben beschriebenen Strombegrenzung identischen Situation und hat den Gesamteffekt, daß die Ausgangsspannung innerhalb enger Grenzen unter der Voraussetzung geregelt wird, daß der Wechselstromgenerator genügend Ausgangsleistung produzieren kann, um dann die End-Ausgangsspannung des Gleichstrom-Gleichstrom- Konverters mit der Last und dem Strom, den sie folglich zieht, aufrechtzuerhalten.
Der Widerstand RV ist einstellbar, damit die Ausgangsspannung genau auf 13,8 V Gleichspannung (oder eine gewünschte ähnliche Spannung) eingestellt werden kann.
Die Kondensatoren C28 und C6 bilden einen Ausgangsenergie- Speicherfilter, um dem Gleichstrom-Gleichstrom-Konverter Zeit zu geben, auf plötzliche Änderungen in der Last zu reagieren, und damit keine zu große Änderung in der Ausgangsspannung auftritt, bevor die volle Regelungskontrolle wiedergewonnen ist.
Das System liefert somit einen selbsterregenden Wechselstromgenerator, der keinen Anfangsfelderregerstrom aus einer zugehörigen Batterie benötigt.
Bei niederen Drehzahlen wird genügend Ausgangsstrom erzeugt, um das Kraftfahrzeug-Zündsystem mit Energie zu versorgen, wenn ein Auto mit einer völlig entleerten Batterie angeschoben wird. Dies kann mit herkömmlichen Kraftfahrzeug-Wechselstromgeneratoren nicht erreicht werden.
Der Ausgangsstrom ist mit beispielsweise 50 Ampere doppelt so hoch wie der von herkömmlichen Kraftfahrzeug-Wechselstromgeneratoren bei der gleichen Nennumdrehungszahl. Der elektrische Gesamtwirkungsgrad dieses Wechselstromgenerators bei maximalem Ausgangsstrom ist ungefähr 80%, d. h. ungefähr doppelt so groß wie der von herkömmlichen Wechselstromgeneratoren, so daß es möglich ist, einen Ausgangsstrom von 50 Ampere mit einem einfachen Keilriemen und einer Riemenscheibe zu erzeugen.
Durch die Verwendung des Spannungs- und Strom-Transformatoreffektes des Gleichstrom-Gleichstrom-Konverters ist es möglich, einen wesentlich höheren Ausgangsstrom bei einer festgelegten Spannung von dem Permanentmagnet-Wechselstromgenerator zu erhalten. Dies ergibt sich aus der sorgfältigen Abstimmung der Ausgangscharakteristika auf den Gleichstrom- Gleichstrom-Konverter, um einen höheren Ausgangsstrom aus der Gesamtanordnung zu erzielen.
Beispielsweise erzeugt der Permanentmagnet-Wechselstromgenerator bei der maximalen Nennabgabe und 6300 Umdrehungen pro Minute 712 Watt, d. h. 75 Volt Gleichspannung bei 9,5 Ampere, was durch den Gleichstrom-Gleichstrom-Konverter in 50 Ampere bei 12,5 Volt Gleichspannung oder 625 Watt mit einem Umwandlungs-Wirkungsgrad von 88% umgeformt wird.
Durch die Verwendung eines Gleichstrom-Gleichstrom-Konverters kann eine konstante Ausgangsspannung von einem Permanentmagnet-Wechselstromgenerator mit veränderlichen Lasten und Drehzahlen des Wechselstromgenerators unter der Voraussetzung erhalten werden, daß der Wechselstromgenerator genügend elektrische Leistung erzeugt.
Der Rotor des Wechselstromgenerators ist ein einziges Teil, das die Treibriemenscheibe und die Lagergehäuse umfaßt. Der Rotor läuft außerhalb des Stators, um eine ausreichende Unterstützung für die Keramikmagneten gegen die enormen Zentrifugalkräfte zu liefern (die bei 15.000 Umdrehungen pro Minute ungefähr das Zehntausendfache der Schwerkraft betragen).
Es ist vorgesehen, daß Regler des beschriebenen Typs mit herkömmlichen Kraftfahrzeug-Wechselstromgeneratoren, d. h. mit Feldwicklungsrotoren und auch als Zubehör zu oder ursprüngliche Ausrüstung von Motorrädern mit Permanentmagnet-Wechselstromgeneratoren verwendet werden. Sie können in der Tat mit jeder geeigneten Gleichstrom- oder gleichgerichteten Wechselstromenergieversorgung verwendet werden.
Es folgt eine Liste von beispielsweise verwendbaren Bauelementen für die in Fig. 9 gezeigte Schaltung: 1. Halterleiter Diode Zener Diode Transistor Optokoppler Impulsbreiten-Modulator Treiber Regler Operationsverstärker 2. Widerstände passend zur Diode Kupfer Windungen 3. Kondensatoren Mikrofarad Mikrofarad
L ETD49, 4= Gsamtluftspalt
15 Windungen aus Kupfer 12· 1 mm Durchmesser (einlagiger Aufbau zur Verminderung der Wicklungskapazität)

Claims

1. Regler zum Regeln des Ausgangs einer ungesteuerten variablen Gleichstrom-Energieversorgung (10, D1-D6), die von einer Quelle (60) für mechanische Energie mit variabler Geschwindigkeit angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Bestandteile vorgesehen sind:

(a) Strombegrenzungseinrichtung (R6, R7, R8, IC1, C3, C9), die einen Eingang (102, 104) für eine Verbindung mit dem Ausgang der Energieversorgung und einen Ausgang umfaßt, wobei die Strombegrenzungseinrichtung in der Lage ist, den Strom von der Energieversorgung zu begrenzen, um die Energieversorgung zu schützen, während sie es der Spannung von der Energieversorgung ermöglicht, zu variieren,

(b) eine Spannungsänderungseinrichtung (IC2, IC6, R9, R31), die einen Eingang für eine Verbindung mit dem Ausgang der Strombegrenzungseinrichtung und einen Ausgang (114, 116) für eine Verbindung mit einer Last besitzt, wobei die Spannungsänderungseinrichtung in der Lage ist, die veränderliche Spannung vom Ausgang der Strombegrenzungseinrichtung in eine geregelte Gleichspannung umzuwandeln, und

(c) eine Steuereinrichtung, die eine erste Meßeinrichtung (R32) zum Messen des Stroms von der Energieversorgung, eine zweite Meßeinrichtung (R33) zum Messen des Ausgangsstroms zur Last, und eine dritte Meßeinrichtung (RV) zum Messen der Ausgangsspannung der Spannungsänderungseinrichtung umfaßt, wobei im Betrieb der Regler den Ausgang einer ungesteuerten veränderlichen Gleichstrom-Energieversorgung, die von einer Quelle für mechanische Energie mit veränderlicher Geschwindigkeit angetrieben wird, in einen gesteuerten Ausgang mit im wesentlichen konstanter Spannung umwandelt.

2. Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombegrenzungseinrichtung eine Impulsbreiten-Modulationseinrichtung umfaßt.

3. Regler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Impulsbreite der Impulsbreitenmodulationseinrichtung vermindert wird, wenn die Spannung der Energieversorgung auf einen vorbestimmten Wert anwächst.

4. Regler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Impulsbreite auf 0% vermindert wird, wenn die Spannung der Energieversorgung ungefähr 200 V erreicht.

5. Anordnung zum Erzeugen einer geregelten Gleichstrom-Energieversorgung, gekennzeichnet durch eine Generatoreinrichtung (10, D1-D6) zum Erzeugen einer ungeregelten veränderlichen Gleichstrom-Energieversorgung aus einer Quelle (60) für mechanische Energie mit variabler Geschwindigkeit und durch einen Regler, wie er in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht ist, wobei der Regler elektrisch mit der Generatoreinrichtung verbunden ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Generatoreinrichtung ein Permanentmagnet-Wechselstromgenerator (10) mit einem Gleichrichter (D1-D6) ist.

7. Quelle für mechanische Energie mit veränderlicher Geschwindigkeit, die an eine Anordnung nach Anspruch 5 oder 6 angeschlossen ist.

8. Wechselstromgenerator (10), der ein Gehäuse (12), einen Stator (14) und einen Rotor (16) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Regler nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in dem Gehäuse angeordnet ist.

9. Wechselstromgenerator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor eine im wesentlichen zylindrische Wand (56) besitzt, in deren Innerem eine Vielzahl von Permanentmagneten (57) befestigt ist.