DE4237343A1 - Permanent excitation electric generator with adjustable output voltage - has two-part stator with coils in series and one stator half rotatable over width of magnet pole - Google Patents

Permanent excitation electric generator with adjustable output voltage - has two-part stator with coils in series and one stator half rotatable over width of magnet pole

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Abstract

The multi-phase generator consists of a rotor with permanent magnets, and a coil carrying stator. The latter consists of two identical halves (6,7) with coils (8,9) in series. One stator half (6) is rotatable w.r.t. the other one (7), pref. over the width of a magnet pole. Thus the generated sinusoidal output voltage is adjustable over zero and max. voltage, dependent on speed. Pref. the mutual stator half rotation is contactless and carried out by a magnetic servo-drive (10). One stator half (7) may be fixed in a housing. Pref. forty poles are uniformly distributed over the rotor periphery. USE/ADVANTAGE - For vehicle voltage or current generators, with rapid matching to the consumer appliance current or voltage requirements.

Description

Die Erfindung betrifft einen permanenterregten ein- oder mehrphasigen elektrischen Generator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a permanently excited or multiphase electric generator after the Preamble of claim 1.

Aus der DE-OS 40 25 557 ist ein Stromgenerator be­ kannt, der mittels regelbarer Induktivitäten als Stromerzeuger ausgebildet ist.From DE-OS 40 25 557 a current generator be knows that by means of adjustable inductors as Electricity generator is designed.

Die Problematik bei modernen Kraftfahrzeugen besteht zum einen darin, daß immer mehr elektrische Verbrau­ cher im Bordnetz angeordnet sind, die eine Leistungs­ erbringung des Generators schon bei niedrigen Drehzah­ len wünschenswert erscheinen lassen, andererseits der erzeugte Strom bzw. die Spannung mit der Motordrehzahl steigt, und somit im oberen Drehzahlbereich der er­ zeugte Strom durch zum Teil aufwendige elektronische Mittel geregelt werden muß. Mit dem in der DE-OS 40 25 557 aufgezeigten Stromgenerator gelingt es zwar nun, diese sich widersprechenden Bedingungen einfach zu lösen, indem der Stromgenerator so ausgelegt werden kann, daß er schon bei niedrigen Drehzahlen Strom lie­ fert. Die Induktivität wirkt dabei als Blindwider­ stand, der mit steigender Drehzahl steigt, so daß, da auch die Spannung mit zunehmender Drehzahl steigt, der Ladestrom konstant bleibt. Nachteilig bei dieser Aus­ führung ist jedoch, daß sich der Strom bzw. die Span­ nung nicht bis Null herunter regeln lassen, sondern immer ein gewisser Grundlastbereich vorhanden ist. The problem with modern motor vehicles exists on the one hand in the fact that more and more electrical consumption cher are arranged in the electrical system, which is a power generation of the generator even at low speed len appear desirable, on the other hand the generated current or voltage with the engine speed increases, and thus in the upper speed range of the generated electricity through partly complex electronic Means must be regulated. With that in DE-OS 40 25 557 shown generator is now successful these contradicting terms simply too solve by designing the power generator can that he was current even at low speeds finished. The inductance acts as a reactance stood, which increases with increasing speed, so that there the voltage increases with increasing speed, too Charging current remains constant. A disadvantage of this Aus leadership is, however, that the current or the Span not let regulation down to zero, but there is always a certain base load range.  

Die inzwischen im Automobil vorhandenen elektronischen Aggregate (ABS-Regler, Airbag, Autoradio und Verkehrs­ leitsysteme) müssen aus Sicherheitsgründen vor Span­ nungsspitzen im Bordnetz geschützt sein. Damit ergibt sich für den Generator die Forderung, daß der Strom sehr schnell geregelt werden muß, damit z. B. bei Bruch des Massekabels, Spannungsspitzen sofort vermie­ den werden.The electronic devices that are now in the automobile Units (ABS controller, airbag, car radio and traffic control systems) must be protected from chips for safety reasons voltage peaks in the vehicle electrical system. So that results there is a requirement for the generator that the electricity must be regulated very quickly so that, for. B. at Break of the ground cable, immediately avoid voltage peaks that will.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen permanen­ terregten ein- oder mehrphasigen elektrischen Genera­ tor der eingangs genannten Art zu schaffen, der ohne aufwendige elektronische Mittel an den Strom- oder Spannungsbedarf der Verbraucher schnell anpaßbar ist, und bei dem der Strom oder die Spannung kontinuierlich zwischen Null und einem Maximalwert einstellbar ist.It is therefore the object of the invention to create a permanent one excited single or multi-phase electrical genera to create gate of the type mentioned, the without elaborate electronic means to the electricity or The voltage requirement of the consumer is quickly adaptable, and where the current or voltage is continuous is adjustable between zero and a maximum value.

Die Lösung der Aufgabe gelingt mit den im kennzeich­ nenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Ausführungen zeigen die Ansprüche 2 bis 4.The task is solved with the in the characteristic nenden part of claim 1 specified features. Claims 2 to 4 show advantageous embodiments.

Durch die Ausbildung des Stators aus zwei gleichen Hälften, wobei die eine gegenüber der anderen um die Breite eines Magnetpoles verdrehbar ist, gelingt es, sehr schnelle Regelvorgänge zu beherrschen, da nur kleine Verdrehwinkel zu verstellen sind. So beträgt z. B. bei einem mit 40 Polen ausgelegten Generator der Verdrehwinkel lediglich 9°, was sich z. B. durch einen berührungslosen magnetischen Stelltrieb leicht bewerk­ stelligen läßt. Damit läßt sich also durch Verdrehen der beiden Statorhälften um eine Polbreite der Strom bzw. die Spannung kontinuierlich von einem Maximalwert bis auf Null regeln. Die Erfindung soll an einem Aus­ führungsbeispiel eines einphasigen Generators näher erläutert werden. By forming the stator from two of the same Halves, one versus the other Width of a magnetic pole is rotatable, it succeeds to master very fast control processes since only small twist angles are to be adjusted. So is z. B. with a generator designed with 40 poles Angle of rotation only 9 °, which z. B. by a Non-contact magnetic actuator easily machined digits. So it can be twisted of the two stator halves the current by one pole width or the voltage continuously from a maximum value regulate to zero. The invention is intended at an end example of a single-phase generator closer are explained.  

Fig. 1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Ge­ nerator im Schnitt, Fig. 1 shows schematically a Ge generator according to the invention in section,

Fig. 2 zeigt schematisch eine Abwicklung des Rotors und der Leiterwicklungen bei Verdrehwinkel Null, Fig. 2 shows schematically a development of the rotor windings and the conductor twist angle at zero,

Fig. 3 zeigt den entsprechenden Spannungsverlauf über der Zeit, Fig. 3 shows the corresponding voltage profile over time,

Fig. 4 zeigt schematisch wieder die Abwicklung des Rotors und der Leiterwicklungen bei Verdreh­ winkel α 1, Fig. 4 shows schematically the development of the rotor and the conductor windings at twist angle α 1,

Fig. 5 zeigt den entsprechenden Spannungsverlauf, Fig. 5 shows the corresponding voltage curve,

Fig. 6 zeigt schematisch eine Abwicklung des Rotors und der Leiterwicklungen bei Verdrehwinkel α 2, Fig. 6 shows schematically a development of the rotor and the conductor windings at twist angle α 2,

Fig. 7 zeigt schematisch den entsprechenden Span­ nungsverlauf, Fig. 7 shows schematically the corresponding voltage-running,

Fig. 8 zeigt den Verlauf der Ausgangsspannung bei entsprechenden Verdrehwinkeln. Fig. 8 shows the course of the output voltage with corresponding angles of rotation.

In Fig. 1 ist das Generatorgehäuse mit 1 bezeichnet. In ihm ist die Antriebswelle 2 drehbar gelagert, wel­ che den Rotor 3 dreht und damit auch die an ihm befe­ stigten Permanentmagnete 4 und 5. Die Permanentmagnete 4 und 5 stehen den Statorhälften 6 und 7 gegenüber, welche mit den Wicklungen 8 und 9 versehen sind.In Fig. 1, the generator housing is designated 1 . In it, the drive shaft 2 is rotatably supported, which che rotates the rotor 3 and thus also the permanent magnets 4 and 5 attached to it. The permanent magnets 4 and 5 face the stator halves 6 and 7 , which are provided with the windings 8 and 9 .

Die Statorhälfte 7 ist dabei fest mit dem Generatorge­ häuse 1 verbunden, während die Statorhälfte 6 über einen Stelltrieb 10 um den Winkel α verdrehbar im Ge­ häuse 1 angeordnet ist. Durch die sich drehenden Per­ manentmagnete 4 und 5 wird in den Wicklungen 8 und 9 eine Spannung induziert. The stator half 7 is firmly connected to the generator housing 1 , while the stator half 6 via an actuator 10 is rotatable by the angle α in the housing 1 is arranged. By the rotating Per manentmagnete 4 and 5 , a voltage is induced in the windings 8 and 9 .

Wie in Fig. 2 gezeigt, sind die Permanentmagnete 4 und 5 fest auf dem Rotor 3 angeordnet. Die ihnen ge­ genüberliegenden Wicklungen 8 und 9 sind auf den Sta­ torhälften 6 und 7 aufgebracht, die hier der Über­ sichtlichkeit wegen nicht dargestellt sind. Die bei sich bewegenden Permanentmagneten in den Wicklungen 8 und 9 induzierten Spannungen sind mit U2 und U1 be­ zeichnet. Der Zeitverlauf dieser Spannungen bei kon­ stanter Drehzahl des Rotors 3 ist erfindungsgemäß si­ nuidisch, was z. B. durch die Formgebung der Perma­ nentmagnete 4 und 5 oder durch die Geometrie der Wick­ lungen 8 und 9 erreicht werden kann. Die Amplituden der in den Wicklungen 8 und 9 induzierten Spannungen U2 und U1 sind wegen der gleichartigen Permanentma­ gnete 4 und 5 untereinander gleich und seien bei einer bestimmten Drehzahl des Rotors Umax/2. Da sich über den Stelltrieb 10 die Lage der Wicklung 8 gegenüber der Wicklung 9 um den Verdrehwinkel α verdrehen läßt, kann eine Phasenverschiebung Φ zwischen den beiden induzierten Spannungen U1 und U2 erzeugt werden. Somit können die Zeitverläufe der beiden Spannungen U2 und U1 allgemein mit den Gleichungen beschrieben werden:
U1 = (Umax/2) * sin (wt)
U2 (Umax/2) * sin (wt - Φ).As shown in Fig. 2, the permanent magnets 4 and 5 are fixed on the rotor 3 . The ge opposite windings 8 and 9 are applied to the halves of the gate 6 and 7 , which are not shown here for clarity. The voltages induced by moving permanent magnets in the windings 8 and 9 are marked with U 2 and U 1 . The time course of these voltages at constant speed of the rotor 3 is si nuidisch invention, which z. B. by the shape of the Perma nentmagnete 4 and 5 or by the geometry of the Wick lungs 8 and 9 can be achieved. The amplitudes of the voltages U 2 and U 1 induced in the windings 8 and 9 are the same because of the identical permanent magnets 4 and 5 and are the same at a certain speed of the rotor U max / 2. Since the position of the winding 8 can be rotated relative to the winding 9 by the angle of rotation α via the actuator 10 , a phase shift Φ can be generated between the two induced voltages U 1 and U 2 . The time profiles of the two voltages U 2 and U 1 can thus be described in general using the equations:
U 1 = (U max / 2) * sin (wt)
U 2 (U max / 2) * sin (wt - Φ).

Die beiden Wicklungen 8 und 9 sind über eine Verbin­ dung 11 in Reihe geschaltet, so daß sich eine Gesamt­ spannung Uges ergibt, wobei die Formel gilt:
Uges = U1 -- U2.The two windings 8 and 9 are connected in series via a connec tion 11 , so that a total voltage U tot results, the formula being:
U tot = U 1 - U 2 .

Setzt man hier die oben angegebenen Gleichungen für U1 und U2 ein, so erhält man unter Anwendung der Additi­ onstheoreme für trigonometrische Funktionen den Zeit­ verlauf für Uges mit
Uges = Umax * sin (Δ/2) * cos (wt - Φ/2). If, here, the equations given above for U 1 and U 2, is obtained using the trigonometric function Additi onstheoreme the time course for U ges with
U tot = U max * sin (Δ / 2) * cos (wt - Φ / 2).

Die Phasenverschiebung Φ zwischen den Spannungen U1 und U2 wird durch eine Verdrehung des Stators 6 mit der Wicklung 8 gegenüber dem Stator 7 mit der Wicklung 9 um den Verdrehwinkel α erzeugt. Der Zusammenhang zwischen der elektrischen Phasenverschiebung Φ und dem mechanischen Verdrehwinkel α ist gegeben durch die Formel:The phase shift Φ between the voltages U 1 and U 2 is generated by rotating the stator 6 with the winding 8 relative to the stator 7 with the winding 9 by the angle of rotation α. The relationship between the electrical phase shift Φ and the mechanical angle of rotation α is given by the formula:

Φ = α/αp * π.Φ = α / α p * π.

Der Winkel αp entspricht einer Verdrehung um die Breite eines Magnetpoles der Permanentmagnete, so daß sich für die Gesamtspannung Uges in Abhängigkeit vom mechanischen Drehwinkel α ergibt:The angle α p corresponds to a rotation by the width of a magnetic pole of the permanent magnets, so that the total voltage U tot depends on the mechanical angle of rotation α:

Uges = Umax * sin (α/αp * π/2) * cos U tot = U max * sin (α / α p * π / 2) * cos

(wt - a/p F p/2).(wt - a / p F p / 2).

Der Ausdruck cos (wt - α/αp * π/2) verdeutlicht, daß die Reihenschaltung der beiden sinuidischen Spannungen U1 und U2 eine Gesamtspannung Uges ergibt, die eben­ falls sinuidisch ist. Der Ausdruck sin (α/αp * π/2) ist ein Amplitudenfaktor, der einen Wert zwischen 0 und 1 annimmt, wenn sich der mechanische Verdrehwinkel α zwischen α = 0 und α = (αp ändert. Somit läßt sich durch Verdrehen des Stators 6 gegenüber dem Stator 7 um den Winkel α die Gesamtspannung Uges in ihrer Am­ plitude zwischen 0 und Umax einstellen, wenn die Am­ plituden der Spannungen U1 und U2 bei einer gegebenen Drehzahl des Rotors Umax/2 sind.The term cos (wt - α / α p * π / 2) shows that the series circuit of the two sinuidischen voltages U 1 and U 2, a total voltage U ges results, if the flat is sinuidisch. The expression sin (α / α p * π / 2) is an amplitude factor that takes a value between 0 and 1 when the mechanical angle of rotation α changes between α = 0 and α = (α p . Thus, by turning the Stator 6 with respect to the stator 7 by the angle α set the total voltage U total in its amplitude between 0 and U max if the amplitudes of the voltages U 1 and U 2 are U max / 2 at a given speed of the rotor.

In der in Fig. 2 gezeigten Stellung hat der Verdreh­ winkel α den Wert α0 = 0 und es ergibt sich eine Ge­ samtspannung von Uges = 0, d. h. in einem angeschlos­ senen Verbraucher fließt kein Strom.In the in Fig. 2, the position shown twist angle α has the value α 0 = 0 and there is a Ge samtspannung of U tot = 0, that is in a Schlos Senen consumer no current flows.

Der Spannungsverlauf über der Zeit in dieser Stellung ist in Fig. 3 dargestellt. The voltage curve over time in this position is shown in Fig. 3.

In den Fig. 4 und 5 ist die Stellung der Wicklungen 8 und 9 bzw. der Spannungsverlauf bei Verdrehungen um den Winkel α = (αp/2 und in Fig. 6 und 7 bei Verdre­ hung um den Winkel α2 = αp dargestellt.In Figs. 4 and 5, the position of the windings 8 and 9 and the voltage waveform at twists through the angle α = (α p / 2 and in Fig. 6 and 7 hung at Verdre by the angle α 2 = α p shown .

Es soll noch darauf hingewiesen werden, daß in der Formel Uges = U1 - U2 entsprechend der Vorzeichenregel - U2 = + (-U2) eine Addition der Spannungswerte er­ folgt, wenn U2 negative Werte annimmt, wie dies Fig. 7 deutlich zeigt.It should also be pointed out that in the formula U tot = U 1 - U 2 according to the sign rule - U 2 = + (-U 2 ), an addition of the voltage values follows if U 2 assumes negative values, as shown in FIG. 7 clearly shows.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung läßt sich somit ein Generator betreiben, dessen Spannung bzw. Strom­ lieferung kontinuierlich vom Wert Null bis zu einem auslegungsbedingten und drehzahlabhängigen Maximalwert eingestellt werden kann.The arrangement according to the invention can thus operate a generator whose voltage or current Delivery continuously from zero to one design-related and speed-dependent maximum value can be adjusted.

Fig. 8 zeigt diese Einstellbarkeit, wobei die Span­ nung über dem Verdrehwinkel aufgetragen ist. Fig. 8 shows this adjustability, the voltage is plotted against the angle of rotation.

Ein mehrphasiger Generator kann dadurch geschaffen werden, daß auf den beiden Statorhälften jeweils meh­ rere Wicklungen untergebracht werden, die innerhalb einer Statorhälfte gegeneinander verschoben angebracht sind und somit gegeneinander phasenverschobene Span­ nungen liefern. Die gleichermaßen verschobenen Wick­ lungen beider Statorhälften werden untereinander durch Verbindungsleitungen in Reihe geschaltet, so daß ein mehrphasiges Gesamtspannungs-System entsteht. Die Pha­ senzahl dieses Gesamtspannungs-Systems ist gleich der Phasenzahl der einzelnen Statorhälften. Bei Verdrehung des Stators 6 gegenüber dem Stator 7 werden dann alle Gesamtspannungen gleichzeitig und in gleichem Maße in ihren Amplituden verändert.A multi-phase generator can be created by accommodating several windings on each of the two stator halves, which are attached to one another within a stator half and thus supply mutually phase-shifted voltages. The equally shifted windings of the two halves of the stator are connected to one another by connecting lines in series, so that a multi-phase total voltage system is formed. The number of phases in this total voltage system is equal to the number of phases in the individual stator halves. When the stator 6 is rotated with respect to the stator 7 , all of the total voltages are then changed in their amplitudes simultaneously and to the same extent.

Der jeweilige maximal sinnvolle Verdrehwinkel αp ist konstruktionsbedingt abhängig von der Polzahl und be­ trägt bei z. B. 40 Polen αp = 360°/40 = 9°. The respective maximum sensible angle of rotation α p is dependent on the design depending on the number of poles and be contributes to z. B. 40 poles α p = 360 ° / 40 = 9 °.

Auf diese Weise lassen sich bei einem vielpoligen Ge­ nerator sehr kurze Regelzeiten verwirklichen, da der Stelltrieb 10 nur kleine Verstellwinkel bewirken muß. Außer einem berührungslosen magnetischen Stelltrieb kann ebenso ein elektromechanischer oder ein sonstiger Stelltrieb verwendet werden.In this way, very short control times can be realized with a multi-pole Ge generator, since the actuator 10 only has to effect small adjustment angles. In addition to a contactless magnetic actuator, an electromechanical or other actuator can also be used.

Claims (4)

1. Permanenterregter ein- oder mehrphasiger elektri­ scher Generator mit einstellbarer sinusförmiger Ausgangsspannung bestehend aus einem mit Permanentmagneten bestückten Rotor und einem die Wicklung tragenden Stator, insbesondere für Spannungs- oder Stromgeneratoren von Kraftfahr­ zeugen, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator aus zwei gleichen Hälften (6, 7) besteht, deren Wicklungen (8, 9) in Reihe geschaltet sind und daß die eine Statorhälfte (6) gegenüber der anderen (7) vorzugsweise um die Breite eines Magnetpoles verdrehbar ist, so daß die erzeugte sinusförmige Ausgangsspannung (Uges) kontinuierlich zwischen Spannung Null und einer drehzahlabhängigen Maxi­ malspannung einstellbar ist.1. Permanently excited single-phase or multi-phase electrical generator with adjustable sinusoidal output voltage consisting of a rotor equipped with permanent magnets and a stator carrying the winding, particularly for voltage or current generators of motor vehicles, characterized in that the stator consists of two identical halves ( 6 , 7 ), whose windings ( 8 , 9 ) are connected in series and that one stator half ( 6 ) can be rotated relative to the other (7) preferably by the width of a magnetic pole, so that the sinusoidal output voltage (U tot ) generated is continuous between zero voltage and a speed-dependent maximum voltage is adjustable. 2. Permanenterregter Generator nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Verdrehung der Sta­ torhälften (6, 7) gegeneinander vorzugsweise berührungslos durch einen magnetischen Stelltrieb (10) erfolgt.2. Permanently excited generator according to claim 1, characterized in that the rotation of the halves of the gate ( 6 , 7 ) against each other is preferably carried out contactlessly by a magnetic actuator ( 10 ). 3. Permanenterregter Generator nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die eine Statorhälfte (7) fest im Gehäuse angeordnet und die andere (6) drehbar gelagert ist.3. Permanently excited generator according to claim 1, characterized in that the one stator half ( 7 ) is fixedly arranged in the housing and the other ( 6 ) is rotatably mounted. 4. Permanenterregter Generator nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß vorzugsweise vierzig Pole gleichmäßig am Umfang verteilt angeordnet sind.4. Permanently excited generator according to claim 1, because characterized in that preferably forty Poles evenly distributed around the circumference are.
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