GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen
Wechselstromgenerator zur Anbringung in Automobilen und dergleichen.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
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Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung eines herkömmlichen
Wechselstromgenerators, bei der das Bezugszeichen (1) eine
dreiphasige Ausgangswicklung bezeichnet, (2) bezeichnet eine
auf dem Rotor des Generators angebrachte Feldwicklung und
(3) ist eine Gleichrichterschaltung zum Umsetzen des
Wechselstromausgangs der dreiphasigen Ausgangswicklung (1) in
einen Gleichspannungsausgang, der zum Laden einer Batterie
verwendet und gleichzeitig einem elektrischen Verbraucher
zugeführt wird. Das Bezugszeichen (31) bezeichnet eine
Hilfs-Gleichrichterschaltung zum Ausgeben des
Wechselstromausgangs als Erregerstrom und mit (4) ist eine
Spannungsregelschaltung zum Regeln des Erregerstroms der Feldwicklung
(2) bezeichnet, die dazu dient, die Ausgangsspannung
konstant zu regeln und die aus einem Leistungstransistor (41)
zum Liefern und Unterbrechen des Erregerstroms, einem
Treibertransistor (42), einer Zener-Diode (43) und einer
Spannungsermittlungsschaltung (44) besteht.
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Bei dem derart aufgebauten Wechselstromgenerator ist, wenn
die Feldwicklung (2) durch das drehende Antreiben des
Generators mit Strom versorgt wird, der maximale Erregerstrom
durch den Widerstandswert der Feldwicklung (2) bestimmt,
welche den maximalen Ausgangswert der Gleichrichterschaltung
bewirkt. Wenn der maximale Ausgangswert nicht erforderlich
ist, steigt die Spannung der Hilfs-Gleichrichterschaltung
(31) an, wodurch das Ansteigen des Potentials der
Ermittlungsschaltung (44) bewirkt wird, welche die Zener-Diode
(43) in den leitenden Zustand versetzt, um den
Leistungstransistor (41) abzuschalten.
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Wenn der Erregerstrom der Feldwicklung (2) sinkt, fällt das
Potential der Ermittlungsschaltung (44), wodurch die Zener-
Diode (43) nicht-leitend wird und dadurch der
Leistungstransistor (41) in den leitenden Zustand versetzt wird. Die
Wiederholung des genannten Vorgangs hält die
Ausgangsspannung konstant.
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Die Ausgangsspannung eines Generators dieses Typs hängt von
dem maximalen Erregerstrom ab, der, wie zuvor erwähnt, durch
den Widerstand der Feldwicklung (2) bestimmt ist, und der
maximale Erregerstrom schwankt mit der Schwankung des
Widerstandes, was zu Veränderungen des maximalen Ausgangswertes
führt. Diese Veränderungen hängen mit der Temperatur der
Feldwicklung (2) zusammen, welche die Erzeugung eines kalten
Ausgangswertes und eines warmen Ausgangswertes bewirkt. Das
heißt, wenn der Ladegenerator seinen Betrieb aus seinem
kalten, abgeschalteten Betriebszustand heraus beginnt und
die Temperatur der Feldwicklung (2) gleich derjenigen der
Umgebungsluft ist, fließt ein dem zu diesem Zeitpunkt
gegebenen Widerstand der Feldwicklung entsprechender
Erregerstrom, durch den der von diesem Strom abhängige maximale
Ausgangswert erzeugt wird. Dies wird als kalter Ausgangswert
bezeichnet. Wenn der Generator über einen Zeitraum betrieben
wird, steigt der Widerstand der Feldwicklung (2) aufgrund
der in der Feldwicklung (2) erzeugten Wärme an, die durch
das Durchlaufen des Erregerstroms durch diesen Widerstand
erzeugt wird. Der Anstieg des Widerstands bewirkt dann ein
Abfallen des Erregerstroms, bis ein Gleichgewicht zwischen
der erzeugten Wärme und der abgeleiteten Wärme erreicht ist,
so daß ein konstanter Ausgang erzeugt wird. Dies wird als
warmer Ausgangswert bezeichnet. Im allgemeinen vergehen
mehrere Minuten bis mehrere zehn Minuten, bis der
Ausgangswert von kalt nach warm wechselt. Da das zum Treiben des
Generators erforderliche Drehmoment zu diesem Ausgangswert
proportional ist, sollte die Auslegung entsprechend dem
kalten Ausgangswert festgelegt werden, wenn das Drehmoment über
eine Riemenscheibe oder dergleichen aufgebracht wird, die
gegenüber dem auf gebrachten Drehmoment einen
Schlupfaufweisen können, und die verwendete Riemenscheibe muß
großformatig sein. Fig. 2 zeigt Ausgangscharakteristiken eines
Generators dieses Typs, wobei (401) eine
Kalt-Ausgangscharakteristik bei einer Umgebungstemperatur von 20ºC
bezeichnet, (411) eine dieser Kalt-Ausgangscharakteristik
entsprechende Antriebsdrehmomentcharakteristik ist, (402) eine
Warm-Ausgangscharakteristik bei einer Umgebungstemperatur
von 20ºC ist, (412) eine Antriebsdrehmomentcharakteristik im
warmen Zustand bezeichnete (403) eine
Kalt-Ausgangscharakteristik bei einer Umgebungstemperatur von 120ºC bezeichnet
und (404) eine Warm-Ausgangscharakteristik bei einer
Umgebungstemperatur von 120ºC bezeichnet. Die
Ausgangscharakteristik (401) ist von kurzzeitiger Natur, wie sich
unmittelbar nach dem Anlassen eines Fahrzeugs zeigt, und ist
üblicherweise dafür nicht erforderlich. Zur Übertragung eines
Drehmoments mit der dieser Kalt-Ausgangscharakteristik
entsprechenden Antriebsdrehmomentcharakteristik (411) ist es
jedoch erforderlich, eine Riemenscheibe mit einem
Außendurchmesser von beispielsweise 60 mm zu verwenden. Das
heißt, daß eine Riemenscheibe vorgesehen sein muß, die für
den kalten Zustand ausreichend groß ist, was zu einem großen
und schweren Generatorsystem führt. Wenn hingegen die
Umgebungstemperatur über ein bestimmtes Niveau steigt, führt die
Auslegung auf den kalten Zustand zu einem unzureichenden
Ausgangswert für die erforderliche Ausgangscharakteristik
(405).
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Eine weitere Veränderung ergibt sich durch die Veränderung
der Umgebungstemperatur um den Generator herum. Wenn die
Atmosphärentemperatur 20ºC beträgt, so verändert sich die
Umgebungstemperatur des Motors eines Fahrzeugs in einem
Bereich von 20ºC bis 120ºC. Die Veränderung der
Umgebungstemperatur führt zu einer Schwankung des Widerstandswertes
der Feldwicklung (2), wodurch eine Veränderung des
Ausgangswerts
bewirkt wird. Dies wird als die Abhängigkeit der
Charakteristik von der Umgebung des Ausgangs bezeichnet und je
höher die Umgebungstemperatur ist, desto stärker sinkt der
Ausgangswert. Da für jedes Fahrzeug bei jeder Temperatur
eine festgelegte Menge elektrischer Ladung erforderlich ist,
ist es im allgemeinen notwendig, einen Ausgangswert unter
Berücksichtigung des Anstiegs der Umgebungstemperatur zu
liefern.
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Die vorliegende Erfindung hat daher zum Ziel, die genannten
Probleme zu eliminieren und einen verbesserten
Wechselstromgenerator für Fahrzeuge zu schaffen, bei dem der maximale
Ausgangswert konstant gehalten wird, ohne daß der kalte
Ausgangswert kurzzeitig erzeugt wird, und bei dem der
Ausgangswert durch das Variieren der Umgebungstemperatur nicht
verändert wird.
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Die Britische Patentanmeldung GB 2084766A offenbart einen
Spannungsregler zum Steuern des Ladens einer Batterie durch
einen Generator mit einem Läufer und einer Feldwicklung. Der
Spannungsregler weist eine Zener-Diodenreihe, die leitet,
wenn die Ladespannung eine Höchstgrenze übersteigt, einen
Widerstand zur Überwachung der Spannung, wenn Zener-Strom
durch diesen fließt, und einen strombegrenzten
Differenzverstärker auf, der die Feldwicklung des Wechselstromgenerators
entsprechend dem Spannungsabfall über den Widerstand
ansteuert. Durch das Kurzschließen einer Gruppe von Zener-Dioden
wird der Ausgangswert des Wechselstromgenerators verringert,
wodurch das Laden von Batterien mit 12 oder 24V möglich ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
verbesserten Wechselstromgenerator für Fahrzeuge zu schaffen,
der eine Feldstrombegrenzerschaltung aufweist, die den
Höchstwert des der Feldwicklung zugeführten Erregerstroms
unterdrückt, so daß die Erzeugung des maximalen
Ausgangswerts im Kalt-Zustand eliminiert wird.
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Die vorliegende Erfindung schafft einen
Wechselstromgenerator für Fahrzeuge mit einer Erregerwicklung, einer
Dreiphasen-Ausgangswicklung zum Erzeugen eines Ausgangswerts in
Reaktion auf den Erregerstrom in der Erregerwicklung, einer
Gleichrichterschaltung zum Umwandeln des Dreiphasen-Ausgangs
der Dreiphasen-Ausgangsschaltung in Gleichstrom, einer durch
den Ausgang der Gleichrichterschaltung zu ladenden Batterie,
einer Spannungsreglerschaltung zum Regeln der
Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung auf einen vorbestimmten Wert
durch intermittierendes Regeln des Erregerstroms in der
Erregerwicklung, und einer von der Batterie mit
Betriebsleistung versorgten Erregerstrom-Begrenzungsschaltung,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Erregerstrom-Begrenzungsschaltung derart ausgebildet ist, daß sie den Erregerstrom auf
einen vorbestimmten Wert begrenzt, der dem
Nenn-Maximalausgangswert des Generators in dessen heißem Zustand
entspricht, derart, daß das Antriebsdrehmoment verringerbar ist
und ein externer Schalter zum selektiven Sperren des
Betriebs der Erregerstrom-Begrenzungsschaltung mit der
Erregerstrom-Begrenzungsschaltung verbunden ist.
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Kein Ausgangswert eines erfindungsgemäßen Generators ist im
kalten Zustand größer als der Ausgangswert im warmen
Zustand, so daß eine Vorrichtung, wie eine speziell für den
kalten Zustand ausgelegte Antriebsriemenscheibe, nicht
vorgesehen werden muß. Dies verringert das Gewicht eines
Fahrzeugs, in dem der Generator installiert werden soll, und es
wird ein stabiler Generatorausgangswert erzielt, der von der
Umgebungstemperatur unbeeinflußt ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 ist ein Schaltungsdiagramm eines herkömmlichen
Wechselstromgenerators für Fahrzeuge;
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Fig. 2 ist ein Kennliniendiagramm der
Ausgangscharakteristiken des in Fig. 1 dargestellten Generators;
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Fig. 3 ist ein Schaltungskonfigurationsdiagramm eines
Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen
Wechselstromgenerators für Fahrzeuge;
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Fig. 4 ist ein Kennliniendiagramm einer
Ausgangscharakteristik des in Fig. 3 dargestellten Generators; und
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Fig. 5 ist ein Schaltungskonfigurationsdiagramm eines
anderen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen
Wechselstromgenerators für Fahrzeuge.
MEIST BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSBEISPIEL ZUR DURCHFÜHRUNG DER
ERFINDUNG
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Im folgenden wird die vorliegende Erfindung zum besseren
Verständnis anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert.
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Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Wechselstromgenerators für Fahrzeuge, wobei Elemente, die
denjenigen der Fig. 1 entsprechen, mit denselben
Bezugszeichen versehen sind und ihre Beschreibung nicht wiederholt
wird. Das Bezugszeichen (5) bezeichnet eine
Feldstrombegrenzungsschaltung, die das Hauptelement der vorliegenden
Erfindung bildet und aus den folgenden Teilen besteht:
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Das Bezugszeichen (51) bezeichnet einen
Stromerkennungswiderstand, der zwischen dem Emitter eines
Leistungstransistors (41) und Masse geschaltet und zum Erkennen des in
einer Feldwicklung (2) fließenden Erregerstroms vorgesehen
ist; (52) bezeichnet einen Komparator, der derart
ausgebildet
ist, daß er einen Treibertransistor (42) in den
leitenden Zustand versetzt, um das Abschalten des
Leistungstransistors (41) zu bewirken, wenn der darin fließende Strom einen
vorbestimmten Pegel übersteigt; (53) und (54) bezeichnen
jeweils einen Widerstand und eine Zener-Diode zum
Konstanthalten der Eingangsspannung in den Komparator (52); (55) und
(56) bezeichnen Widerstände zum Bestimmen der
Referenzspannung für den Komparator (52); (57) und (58) sind jeweils ein
Kondensator bzw. ein Widerstand, die zwischen dem
Plus-Eingangsanschluß (+) und dem Ausgangsanschluß des Komparators
(52) vorgesehen sind, um ein Schwingen desselben zu
unterdrücken; (59) bezeichnet einen zwischen dem Schaltungspunkt
des Widerstands (53) und des Widerstands (55) und dem
Komparator (52) geschalteten Widerstand; und (50) bezeichnet
eine Diode, die zwischen dem Ausgangsanschluß des
Komparators (52) und dem Schaltungspunkt der Basis des
Treibertransistors (42) und der Zener-Diode (43) geschaltet ist.
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Der Maximalausgangswert im warmen Zustand (ein vorbestimmter
Wert zwischen 20ºC und 120ºC) ist als der Nennausgangswert
des Wechselstromgenerators gewährleistet. Die
erfindungsgemäße Schaltung erzeugt eine über den Widerstand (51)
abfallende Spannung, wenn der Maximalausgangswert erzeugt
wird, und führt diese Spannung über die Widerstände (55) und
(56) als die Nennleistung dem Komparator (52) zu.
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Wenn bei der derart ausgelegten Schaltung die elektrische
Last einer Dreiphasen-Ausgangswicklung (1) derart gering
ist, daß der Feldstromwert geringer ist als der
Maximalausgangswert in diesem Zustand, weist der Ausgangswert des
Komparators (52) einen "niedrigen Pegel" auf, wodurch auf
die Feldstromsteuerung durch eine Spannungsregelschaltung
(4) kein Einfluß ausgeübt wird.
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Wenn hingegen im kalten Zustand der Feldstromwert denjenigen
des Maximalausgangswerts im warmen Zustand mit erhöhter Last
übersteigt, nimmt der Ausgangswert des Komparators einen
"hohen Pegel" an, wodurch der Transistor (42) der
Spannungsregelschaltung leitend und dadurch der Leistungstransistor
(41) abgeschaltet wird, so daß der Feldstrom unterbrochen
wird.
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Durch das Regeln des Feldstromes, der bei der genannten
Operation das Verhältnis zwischen der Ausgangsleistung und
dem Wert beim Maximalausgangswert im warmen Zustand angibt,
können die Ausgangscharakteristik und das Antriebsdrehmoment
einander gleich gemacht werden, wie durch die Kurve (406) in
Fig. 4 dargestellt, so daß das Antriebsdrehmoment
unterdrückt werden kann, wie dies im warmen Zustand der Fall ist,
wie auch im Vergleich mit dem Fall, in dem die
Feldstrombegrenzungsschaltung (5) nicht vorgesehen ist (Kurve 406). Auf
diese Weise kann die Last eines Fahrzeugmotors verringert
werden.
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Da der Maximalausgangswert des Generators im kalten Zustand
konstant gehalten werden kann, ist es bei dem derart
aufgebauten Ausführungsbeispiel möglich, den Außendurchmesser
einer den Generator treibenden Riemenscheibe ausreichend
klein zu gestalten, um einen Schlupf der Scheibe zu
verhindern. Allgemein ausgedrückt ist der erforderliche
Außendurchmesser der Riemenscheibe proportional zu der
Quadratwurzel aus dem Generatorausgangswert. Angenommen, der zuvor
erwähnte konstante Ausgangswert ist 60% des kalten
Ausgangswerts, was dem Übergangsausgangswert des herkömmlichen
Generator entspricht, beträgt die tatsächliche Größe des
Außendurchmessers der Riemenscheibe 46,5 mm, und die Größe der
Riemenscheibe beträgt im Vergleich zum herkömmlichen
Generator ungefähr 80%. Sämtliche mit dieser Riemenscheibe zu
koppelnden anderen Riemenscheiben werden in ihrer Größe
ebenfalls auf 80% verringert, wodurch eine Verringerung des
Fahrzeuggewichts erreicht wird. Der auf diese Weise von der
Umgebungstemperatur unbeeinflußte Generatorausgangswert
stabilisiert das elektrische System eines Fahrzeugs und läßt
einen hochzuverlässigen Betrieb ohne unzureichenden
Ausgangswert erwarten.
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Bei der Endkontrolle in Herstellungsbetrieben, die solche
Wechselstromgeneratoren für Fahrzeuge in Massenproduktion
herstellen, ist es aufgrund zeitlicher Beschränkungen des
Herstellungsvorgangs nicht möglich, die
Warm-Ausgangscharakteristik, die dem Nenn-Leistungsausgangswert entspricht, bei
der Auswertung der Ausgangscharakteristik des Generators im
einzelnen zu messen. Es ist daher üblich, den Generator
anhand der Kalt-Ausgangscharakteristik auszuwerten, die
binnen eines kurzen Zeitraums meßbar ist. Bei dem in Fig. 3
dargestellten Wechselstromgenerator jedoch würde die
Auswertung nicht genau durchgeführt, da die
Feldstrombegrenzungsschaltung (5) bewirkt, daß der Ausgangswert beim Messen der
Kalt-Ausgangscharakteristik zu demjenigen des warmen
Zustands wird.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 zielt darauf ab, diesen
Nachteil zu eliminieren, indem die Funktion der
Feldstrombegrenzungsschaltung (5) selektiv gesperrt wird.
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In Fig. 5 bezeichnet das Bezugszeichen (6) eine Batterie und
(7) bezeichnet einen Schlüsselschalter, der die Batterie (6)
(über einen Initial-Erregungswiderstand (8)) mit einer
Spannungsregelschaltung (4) und dem Ausgangsanschluß einer
Hilfs-Gleichrichterschaltung (31) verbindet, um diesen
Betriebsleistung zuzuführen. Das Bezugszeichen (9) bezeichnet
einen über die Batterie (6) und eine Gleichrichterschaltung
(3) gespeisten elektrischen Verbraucher und (10) bezeichnet
eine Anzeigelampe, die der Feldwicklung (2) über den
Schlüsselschalter (7) und eine Sperrstromstopdiode (11)
Erregerstrom zuführt und durch ihr Leuchten anzeigt, daß sich der
Generator in einem nicht-erzeugenden Zustand befindet. Das
Bezugszeichen (12) bezeichnet einen externen Schalter, der
das Hauptelement dieses Ausführungsbeispiels bildet und auf
der einen Seite mit dem Schaltungspunkt der Anzeigelampe
(10) und dem Leistungszufuhranschluß der
Feldstrombegrenzungsschaltung (5) und auf der anderen Seite mit Masse
verbunden ist.
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Wenn bei der derart konfigurierten Schaltung die
Endkontrolle des Generators erfolgt, kann die
Feldstrombegrenzungsschaltung (5) deaktiviert werden, indem der
Leistungszufuhranschluß der Feldstrombegrenzungsschaltung (5) durch ein
vorübergehendes Schließen des externen Schalters (12) an
Masse angeschlossen wird. Auf diese Weise kann die Kalt-
Ausgangscharakteristik des Generators (wie durch die Kurve
(401) der Fig. 4 dargestellt) so erhalten werden, wie in dem
Fall, in dem keine Feldstrombegrenzungsschaltung (5)
vorgesehen ist. So kann eine genaue und effektive Auswertung
des Generators im kalten Zustand erfolgen. Das Leuchten der
Anzeigelampe (10), das beim Schließen des Schalters (12)
auftritt, zeigt einer betreffenden Person an, daß die
Feldstrombegrenzungsschaltung deaktiviert ist.
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Obwohl das genannte Ausführungsbeispiel derart konfiguriert
ist, daß der Leistungszufuhranschluß der
Feldstrombegrenzungsschaltung (5) über den externen Schalter (12) mit Masse
verbunden wird, kann der Schalter (12) ebenfalls in Reihe
zwischen dem Leistungszufuhranschluß und der Anzeigelampe
(10) geschaltet sein, um dieselbe Kontrollfunktion zu
bewirken.
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In diesem Fall leuchtet die Lampe (10) jedoch nicht, so daß
die Freigabe der Feldstrombegrenzungsschaltung (5) nicht
angezeigt wird. Die Lampe (10) ist zwischen dem
Schlüsselschalter (7) und dem Ausgangsanschluß der
Hilfs-Gleichrichterschaltung (31) geschaltet, jedoch kann diese Lampe (10)
zur Erzielung desselben Effekts auch unabhängig von der
Hilfs-Gleichrichterschaltung (31) vorgesehen sein.
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Obwohl das genannte Ausführungsbeispiel in Bezug auf die
Auswirkung auf die von Generatorherstellern durchgeführten
Endkontrollen beschrieben wurde, ist es auch bei einem im
Fahrzeug installierten Generator verwendbar. Das heißt: wenn
der Ausgangswert eines eingebauten Wechselstromgenerators
entsprechend der Betriebs- und der elektrischen Lastzustände
eines Fahrzeugs durch das Deaktivieren der
Feldstrombegrenzungsschaltung (5) vorübergehend gesteigert werden soll, ist
dies durch einen im Fahrzeug vorgesehenen Steuerschalter,
der in seiner Funktionsweise dem externen Schalter (12)
entspricht und entsprechend den Betriebs- und den
elektrischen Lastzuständen des Fahrzeugs ein- oder ausgeschaltet
wird, erreichbar.
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Das letztgenannte Ausführungsbeispiel ermöglicht daher eine
genaue Auswertung der Ausgangscharakteristik des Generators
bei der Endkontrolle sowie ferner das Freigeben der Funktion
der Feldstrombegrenzungsschaltung (5) des eingebauten
Generators.
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Wie zuvor beschrieben, schafft die vorliegende Erfindung
einen verbesserten Wechselstromgenerator für Fahrzeuge, der
einen großen praktischen Wert hat und in der Lage ist, den
einer Feldwicklung zugeführten maximalen Erregerstrom durch
eine Feldstrombegrenzungsschaltung zu regeln, um die
vorbestimmte Maximalausgangscharakteristik im warmen Zustand
konstant zu halten, so daß sich daraus ein verringertes
Fahrzeuggewicht und ein hochzuverlässiges elektrisches
System für ein Fahrzeug ergibt. Der erfindungsgemäße
Wechselstromgenerator ist ebenfalls in der Lage, ein effektives und
genaues Messen seiner Ausgangscharakteristik zu ermöglichen.