DE3930050A1 - Stromgenerator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Stromgenerator mit einem Ständer und einem Außenläufer, der konzentrisch zum Ständer auf einer Antriebswelle sitzt und eine Anzahl von Magneten trägt, wobei der Ständer Gegenpole, die den Magneten des Außenläufers zugewandt angeordnet sind, und Induktionsspulen aufweist, deren Wicklungsenden mit Stromabführungseinrichtungen verbunden sind.

Ein derartiger Stromgenerator wird insbesondere bei Kraftfahrzeugen, beispielsweise als Lichtmaschine eingesetzt. Stromgeneratoren der oben beschriebenen Art sind als Außenpol- oder Außenläufermaschine ausgebildete Wechselstrom­ generatoren, bei denen bei umlaufendem Außenläufer dessen Magnetpole mit ihren Feldern an den Spulen der Elektromagnete des Ständers vorbeilaufen und dort durch Induktion einen Wech­ selstrom erzeugen.

Bei Lichtmaschinen für Kraftfahrzeuge wird der erzeugte Wechselstrom über einen nachgeschalteten Gleichrichter gleichgerichtet, wobei dieser Gleichrichter auch als Rückstromschalter dient, der bei einem Stillstand der Antriebsmaschine und somit der Lichtmaschine einen Rückstrom von der Batterie zur Lichtmaschine verhindert.

Stromgeneratoren der oben beschriebenen Art werden über eine Antriebsquelle angetrieben, die eine Antriebskraft an die Antriebswelle des Außenläufers legt. Bei Antriebsquellen mit nicht konstanter Drehzahl, die direkt beispielsweise über einen Antriebsriemen mit der Antriebswelle des Generators verbunden sind, wie es bei einer Lichtmaschine eines Kraftfahrzeugs der Fall ist, die mit der Ausgangswelle der Brennkraftmaschine über einen Keilriemen gekoppelt ist, hängt die Drehzahl, mit der der Außenläufer um den Ständer des Stromgenerators läuft, von der Drehzahl der Antriebsquelle ab. Wenn sich diese Drehzahl der Antriebsquelle über einen weiten Bereich ändert, variiert auch die Drehzahl des Außenläufers des Stromgenerators über diesen Bereich, was zur Folge hat, daß die in den Wicklungen der Ständerspulen induzierte Spannung, d. h. die vom Stromgenerator gelieferte Spannung und somit der von dem Stromgenerator gelieferte Strom gleichfalls in Abhängigkeit von der Drehzahl variieren. Das ist ersichtlich nicht erwünscht, wenn der Stromgenerator als Versorgungsquelle von bestimmten elektrischen Lasten, wie beispielsweise der Beleuchtungsanlage eines Kraftfahrzeuges oder zur Aufladung der Batterie dienen soll. In diesen Fällen werden konstante Strom- und Spannungswerte benötigt.

Das hat zur Folge, daß bisher bei Stromgeneratoren, die von einer Antriebsquelle mit nicht konstanter Drehzahl angetrieben werden, ein Regler benötigt wird, der den vom Stromgenerator erzeugten Strom und die vom Stromgenerator erzeugte Spannung auf konstante Werte jeweils regelt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht demgegenüber darin, den Stromgenerator der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sein Ausgangsstrom und seine Ausgangsspannung unabhängig von der Drehzahl des Außenläufer auf konstante Werte selbstgeregelt werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Magnete des Außenläufers in radialer Richtung verschiebbar angeordnet und in Richtung auf die Achse der Antriebswelle vorgespannt sind.

Bei dem erfindungsgemäßen Stromgenerator liegt somit die radiale Position der Magnete des Außenläufers bezüglich der Elektromagnete, d. h. der Induktionsspulen des Ständers nicht fest, sondern ist diese radiale Position drehzahlabhängig, da die beim Umlaufen des Außenläufers erzeugte Fliehkraft, die proportional zur Drehzahl des Außenläufers ist, dafür sorgt, daß die Magnete in einem dementsprechenden Maß radial gegen die anliegende Vorspannung verschoben werden. D. h., daß mit steigender Drehzahl die Magnete des Außenläufers radial nach außen wandern, wodurch sich ihr an der Stelle der Induk­ tionsspulen am Ständer wirkendes Magnetfeld entsprechend abschwächt, was wiederum eine niedrigere Induktion zur Folge hat, die der den Strom und die Spannung erhöhenden Wirkung der steigenden Drehzahl entgegenwirkt. Durch eine entspre­ chende Bemessung der Vorspannung, die für das Maß an radialer Versetzung der Magnete des Außenläufers in Abhängigkeit von der Fliehkraft, d. h. in Abhängigkeit von der Drehzahl des Außenläufers verantwortlich ist, und zwar unter Anwendung der bekannten Induktionsregeln sowie der bekannten Feldver­ teilungsgleichungen, beispielsweise dem quadratischen Abstandsgesetz, kann ohne weiteres erreicht werden, daß sich diese beiden entgegengesetzt wirkenden Effekte gegenseitig kompensieren, so daß der vom Stromgenerator gelieferte Strom bzw. die vom Stromgenerator gelieferte Spannung automatisch auf einen gewünschten konstanten Wert unabhängig von der Drehzahl des Außenläufers geregelt werden.

Die erfindungsgemäße Ausbildung hat daher den Vorteil, daß sich die zusätzliche Anordnung eines Strom- oder Span­ nungsreglers erübrigt, was ersichtlich unter anderem mit einer Kosteneinsparung und einer höheren Zuverlässigkeit aufgrund des Fehlens eines störungsanfälligen Bauteils verbunden ist. Besonders bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Stromgenerators sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 5.

Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungs­ gemäßen Stromgenerators näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine Vertikalschnittansicht des Ausführungs­ beispiels des erfindungsgemäßen Stromgenerators und

Fig. 2 eine Horizontalschnittansicht des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels.

Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsbei­ spiel des erfindungsgemäßen Stromgenerators besteht aus einem Ständer 1 mit Induktions- oder Stromspulen 2, die aus übereinanderliegenden Wicklungen 7 bestehen. An der Außen­ seite in radialer Richtung des Ständer 1 sind Magnetpole 13 angeordnet, die die Gegenpole zu den später beschriebenen Magneten des Außenläufers bilden. An der Innenseite in radialer Richtung der Induktionsspulen 2 des Ständers 1 befinden sich Lager 3 beispielsweise Kugellager 4, in denen die Antriebsachse 6 eines Außenläufers 10 gelagert ist. Die Antriebsachse 6 trägt an der Außenseite des Stromgenerators ein Antriebsrad 5, beispielsweise eine Riemenscheibe 6, die bei einer Lichtmaschine für ein Kraftfahrzeug von der Brennkraftmaschine über einen Keilriemen angetrieben wird.

Der Außenläufer 10 umfaßt Magnete 8, die in regelmäßigen Winkelabständen in Umfangsrichtung den Gegenpolen 13 des Ständers 1 zugewandt angeordnet sind. Die Magnete 8 befinden sich an der Innenseite eines Gehäuses 12 des Außenläufers 10 und sind derart angeordnet, daß ihre Polflächen in einem geringen Abstand von den gegenüberliegenden Polflächen der Gegenpole 13 des Ständers 1 verlaufen.

Wie es insbesondere in Fig. 2 dargestellt ist, sind die Magnete 8 des Außenläufers 10 radial verschiebbar auf Bolzen 9 angeordnet, die am Gehäuse 12 des Außenläufers verankert beispielsweise verschraubt sind und in radialer Richtung nach innen auf die Achse der Antriebswelle 6 zu verlaufen. Auf diesen Bolzen 9 sind die Magnete 8 in radialer Richtung verschiebbar angeordnet. Die Magnete 8 sind in Richtung auf die Achse der Antriebswelle 6 durch Federn beispielsweise Blattfedern 11 vorgespannt, die in der in Fig. 2 darge­ stellten Weise gewölbt sind.

Die Federn 11 liegen mit ihrem Scheitel der Wölbung an der Innenfläche des Gehäuses 12 des Außenläufers 10 an und stützen sich mit ihren Enden auf den gegenüberliegenden Stirnflächen benachbarter Magnete 8 ab, indem sie mit diesen Stirnflächen fest verbunden sind. Die Federn 11 spannen die Magnete 8 in eine Richtung auf die Achse der Antriebswelle 6 vor, wobei im völlig unbelasteten Zustand der Federn 11 die Magnete 8 mit ihren dem Ständer zugewandten Polflächen einen bestimmten geringen Abstand von den gegenüberliegenden Polflächen der Gegenpole 13 des Ständer 1 haben.

Statt der in Fig. 2 dargestellten Blattfedern können auch Druckfedern z.B. Schraubenfedern oder Spiralfedern vorgesehen sein, die auf den Führungsbolzen 9 zwischen der Innenfläche des Gehäuses 12 des Außenläufers 10 und der gegenüberliegenden Stirnfläche der Magnete 8 sitzen und mit diesen fest verbunden sind, wobei die Druckfedern so bemessen sind, daß im entspannten Zustand die Polflächen der Magnete 8 und die zugewandten Polflächen der Gegenpole 13 den gewünsch­ ten geringen Abstand haben.

Die Federkonstante der Blattfedern 11 oder der Druck­ federn ist so gewählt, daß sich aufgrund der Fliehkraft bei einer Drehung des Außenläufers 10 die Magnete 8 in radialer Richtung auf den Führungsbolzen in einem Maß nach außen verschieben, das in Abhängigkeit von der Drehzahl des Außenläufers eine derartige Schwächung des Magnetfeldes an den Induktionsspulen 2 des Ständers 1 und damit eine Abnahme der Induktion bewirkt, daß der Strom- oder Spannungsanstieg des Stromgenerators aufgrund der steigenden Drehzahl gerade kompensiert wird.

Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel des erfin­ dungsgemäßen Stromgenerators arbeitet in der folgenden Weise. Wenn der Außenläufer über das an der Antriebswelle 6 angeordnete Antriebsrad 5 gedreht wird, dann wird in den Induktionsspulen 2 des Ständers 1 durch das umlaufende Magnetfeld der Magnete 8 des Außenläufers eine Spannung induziert und somit ein Strom erzeugt, der am Wicklungsende der Induktionsspulen 2 abgeführt wird.

Die induzierte Spannung und somit der erzeugte Strom hängen von der Drehzahl des Außenläufers 10 ab. Mit steigen­ der Drehzahl wird am Außenläufer eine Fliehkraft entwickelt, die an den Magneten 8 des Außenläufers 10 liegt und bewirkt, daß die Magnete 8 auf den Führungsbolzen 9 gegen die Kraft der Vorspannung der Federn 11 bzw. der stattdessen vor­ gesehenen Druckfedern radial nach außen verschoben werden. Aufgrund des quadratischen Abstandsgesetzes schwächt sich damit das Magnetfeld der Magnete 8 an der Stelle der Induktionsspulen 2 des Ständers 1 ab wobei die Federkraft der Federn 11 bzw. der stattdessen vorgesehenen Druckfedern so bemessen ist, daß die radiale Verschiebung der Magnete 8 in Abhängigkeit von der Drehzahl d. h. in Abhängigkeit von der entstehenden Zentrifugalkraft gerade so groß ist, daß das Magnetfeld so geschwächt wird, daß die den Strom und die Spannung erhöhende Wirkung der steigenden Drehzahl des Außenläufers kompensiert wird.

Auf diese Weise ergibt sich ein Stromgenerator bei dem Strom und Spannung sich selbst regeln, so daß der vom Stromgenerator gelieferte Strom bzw. die vom Stromgenerator gelieferte Spannung unabhängig von der Drehzahl konstant bleibt.

Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungs­ beispiel des erfindungsgemäßen Stromgenerators waren jeweils acht Magnete 8 am Außenläufer 10 sowie dementsprechend acht Gegenpole 13 am Ständer vorgesehen. Die Anzahl der Magnete und Pole kann jedoch je nach den Erfordernissen variieren. Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Stromgenerators, der eine besonders hohe Leistung hat, sind nur vier Magnete 8 und vier Gegenpole 13 vorgesehen, wobei die vier Magnete 8 in Umfangsrichtung des Außenläufers 10 abwechselnd Nord - Süd und Süd - Nord gepolt sind.

Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel der Erfindung können die Führungsbolzen 9 eine Länge von ca. 30 mm haben, wobei der Abstand der Magnete 8 auf den Führungsbolzen 9 von den Gegenpolen 13 des Ständers 1 im Ruhezustand, d. h. ohne anliegende Fliehkraft und somit im entspannten Zustand der Federn 11 1 mm und der maximale Abstand im Betrieb, d. h. bei anliegender Fliehkraft bis zu 12 mm betragen können.

Claims (5)

1. Stromgenerator mit einem Ständer und einem Außenläufer, der konzentrisch zum Ständer auf einer Antriebswelle sitzt und eine Anzahl von Magneten trägt, wobei der Ständer Gegenpole, die den Magneten des Außenläufers zugewandt angeordnet sind, und Induk­ tionsspulen aufweist, deren Wicklungsenden mit Strom­ abführeinrichtungen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete (8) des Außenläufers (10) in radialer Richtung verschiebbar angeordnet und in Richtung auf die Achse der Antriebswelle (6) vorgespannt sind.

2. Stromgenerator nach Anspruch 1 dadurch gekennzeich­ net, daß die Magnete (8) des Außenläufers (10) auf Führungs­ bolzen (9) gleitend verschiebbar sitzen, die am Gehäuse (12) des Außenläufers (10) so angebracht sind, daß sie radial nach innen in Richtung auf die Achse der Antriebswelle (6) vorstehen.

3. Stromgenerator nach Anspruch 2 dadurch gekennzeich­ net, daß auf den Führungsbolzen (9) eine Druckfeder jeweils sitzt, die sich einerseits an der Innenfläche des Gehäuses (12) des Außenläufers (10) und andererseits an den gegenüber­ liegenden Stirnflächen der Magnete (8) des Außenläufers (10) abstützen.

4. Stromgenerator nach Anspruch 3 dadurch gekennzeich­ net, daß die Druckfedern Schraubenfedern oder Spiralfedern sind.

5. Stromgenerator nach Anspruch 2 dadurch gekennzeich­ net, daß gewölbte Blattfedern (11) zwischen benachbarten Magneten (8) des Außenläufers (10) vorgesehen sind, die sich mit den Scheiteln ihrer Wölbungen an der Innenfläche des Gehäuses (12) und mit ihren Enden an den gegenüberliegenden Stirnflächen der Magnete (8) des Außenläufers (10) abstützen.