DE4302770A1

DE4302770A1 - Permanently energised single or multiple phase electric generator

Info

Publication number: DE4302770A1
Application number: DE19934302770
Authority: DE
Inventors: Walter Drescher; Wilhelm Heubner; Norbert Oberlack
Original assignee: FAG Kugelfischer Georg Schaefer KGaA; Kugelfischer Georg Schaefer and Co
Current assignee: IHO Holding GmbH and Co KG
Priority date: 1993-02-01
Filing date: 1993-02-01
Publication date: 1994-08-04

Abstract

The generator has adjustable sinusoidal output voltage. It has a rotor (3) mounted with a permanent magnets (4, 5), and a stator (6, 7) with the coils (8, 9). The stator has two equal halves (6, 7) and the coils (8, 9) are connected in series. One stator half rotates about the width of a magnet pole relative to the other half.Yokes (13) are arranged on the rotatable stator half (7). The yokes (13) carry bar magnets (14) with opposing armature parts (11). The armatures (11) have coils (15) which are energised depending on the load or rate of rotation.

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 multi-phase electric generator according to 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. Außerdem soll der Generator ohne aufwen dige elektronische Mittel auskommen und der Strom oder die Spannung kontinuierlich zwischen Null und einem Maximalwert einstellbar sein.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. In addition, the generator should be without electronic means and the electricity or the voltage continuously between zero and one Maximum value can be set.

Nach einer Entwicklung der Anmelderin (P 42 37 343.3) gelingt es, durch die Ausbildung des Stators aus zwei gleichen Hälften, wobei die eine gegenüber der anderen um die Breite eines Magnetpoles verdrehbar ist, sehr schnelle Regelvorgänge zu beherrschen, da nur kleine Verdrehwinkel zu verstellen sind. So beträgt z. B. bei einem mit 40 Polen ausgelegten Generator der Ver drehwinkel lediglich 9°. Dazu ist jedoch ein Stell trieb erforderlich, der sehr feinfühlig, schnell und leistungsstark arbeitet und bei einfachem Aufbau ohne aufwendige Elektronik sicher und zuverlässig den Strom-Spannungs- und Leistungsbedarf des Generators regelt.According to a development by the applicant (P 42 37 343.3) succeeds in training the stator from two equal halves, one versus the other is rotatable around the width of a magnetic pole, very much to master fast control processes, since only small ones The angle of rotation must be adjusted. So is z. B. at a generator of Ver rotation angle only 9 °. However, there is a position for this required, the very sensitive, fast and works powerfully and with simple construction without complex electronics safely and reliably Current-voltage and power requirements of the generator regulates.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen permanenterregten ein- oder mehrphasigen elektrischen Generator der eingangs genannten Art zu schaffen, der diese Forderung erfüllt.It is therefore an object of the invention, one permanently excited single or multi-phase electrical To create generator of the type mentioned, the fulfills this requirement.

Die Lösung der Aufgabe gelingt mit den im kennzeich nenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Ausführung zeigt der Anspruch 2.The task is solved with the in the characteristic nenden part of claim 1 specified features. Claim 2 shows an advantageous embodiment.

Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel eines einphasigen Generators näher erläutert werden. The invention is based on an embodiment of a single-phase generator are explained in more detail.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Generator im Schnitt Fig. 1 shows a generator according to the invention in section

Fig. 2 zeigt den Generator in der Seitenansicht. Fig. 2 shows the generator in side view.

In Fig. 1 ist das Generatorgehäuse mit 1 bezeichnet. In ihm ist die Antriebswelle 2 drehbar gelagert, wel che die Rotorhälften 3 dreht und damit auch die an ihnen befestigten Permanentmagnete 4 und 5. Die Perma nentmagnete 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, wel che rotates the rotor halves 3 and thus also the permanent magnets 4 and 5 attached to them. The Perma nentmagnete 4 and 5 face the stator halves 6 and 7 , which are provided with the windings 8 and 9 .

Die Statorhälfte 6 ist dabei fest mit dem Generatorge häuse 1 verbunden, während die Statorhälfte 7 über einen Stelltrieb um den Winkel α verdrehbar im Gehäuse 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 6 is fixedly connected to the generator housing 1 , while the stator half 7 is arranged in the housing 1 rotatably by the angle α. By the rotating Per manentmagnete 4 and 5 , a voltage is induced in the windings 8 and 9 .

Der Stelltrieb besteht im wesentlichen aus den Anker teilen 11, die über eine Hülse 12 mit der feststehen den Statorhälfte 6 verbunden sind. Den Ankerteilen ge genüber sind auf einem Joch 13 je zwei Stabmagnete 14 angeordnet, wobei das Joch 13 mit der drehbaren Sta torhälfte 7 verbunden ist. Die Ankerteile sind außer dem mit Steuer- und/oder Kompensationswicklungen 15 versehen, die z. B. über den Regler 16, der Lastände rungen ausregelt, oder direkt von der Wicklung 8, de ren induziente Spannung bzw. Strom drehzahlabhängig ist, bestrombar sind.The actuator consists essentially of the armature parts 11 , which are connected via a sleeve 12 to the fixed stator half 6 . The armature parts ge opposite are arranged on a yoke 13 two bar magnets 14 , the yoke 13 is connected to the rotatable Sta tor half 7 . The armature parts are provided with control and / or compensation windings 15 which, for. B. via the controller 16 , the load adjustments, or directly from the winding 8 , de ren induced voltage or current is speed-dependent, can be energized.

Die Funktionsweise des Generators ist folgende:
Wie in Fig. 1 gezeigt, sind die Permanentmagnete 4 und 5 fest auf den Rotorhälften 3 angeordnet. Die ihnen gegenüberliegenden Wicklungen 8 und 9 sind auf den Statorhälften 6 und 7 aufgebracht. Die bei sich bewegenden Permanentmagneten in den Wicklungen 8 und 9 induzierten Spannungen sind bei konstanter Drehzahl des Rotors 3 sinuidisch, was z. B. durch die Formge bung der Permanentmagnete 4 und 5 oder durch die Geo metrie der Wicklungen 8 und 9 erreicht werden kann. Die Amplituden der in den Wicklungen 8 und 9 induzier ten Spannungen U₂ und U₁ sind wegen der gleichartigen Permanentmagnete 4 und 5 untereinander gleich und seien bei einer bestimmten Drehzahl des Rotors U_max/2. Da sich über den Stelltrieb die Lage der Wicklung 9 gegenüber der Wicklung 8 um den Verdrehwinkel α ver drehen läßt, kann eine Phasenverschiebung Φ zwischen den beiden induzierten Spannungen U₁ und U₂ erzeugt werden. Somit können die Zeitverläufe der beiden Span nungen U₂ und U₁ allgemein mit den Gleichungen be schrieben werden:The generator works as follows:
As shown in Fig. 1, the permanent magnets 4 and 5 are fixed on the rotor halves 3 . The windings 8 and 9 opposite them are applied to the stator halves 6 and 7 . The voltages induced with moving permanent magnets in the windings 8 and 9 are sinuid at a constant speed of the rotor 3 , which, for. B. by the shape of the permanent magnets 4 and 5 or by the geometry of the windings 8 and 9 can be achieved. The amplitudes of the voltages U ₂ and U ₁ induced in the windings 8 and 9 are equal to one another because of the identical permanent magnets 4 and 5 and are U _max / 2 at a specific speed of the rotor. Since the position of the winding 9 relative to the winding 8 can be rotated by the angle of rotation α ver via the actuating drive, a phase shift Φ can be generated between the two induced voltages U ₁ and U ₂ . Thus, the time profiles of the two voltages U ₂ and U _{1 can be} generally described using the equations:

U₁ = (U_max/2) _* sin (wt)
U₂ = (U_max/2) _* sin (wt-Φ)U ₁ = (U _max / 2) _* sin (wt)
U ₂ = (U _max / 2) _* sin (wt-Φ)

Die beiden Wicklungen 8 und 9 sind in Reihe geschal tet, so daß sich eine Gesamtspannung U_ges ergibt, wo bei die Formel gilt:The two windings 8 and 9 are tet geschal in series so that a total voltage U gives _ges where applicable in the formula:

U_ges = U₁-U₂ 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 U_ges mitIf, 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_ges = U_max _* sin (Φ/2) _* cos (wt-Φ/2)U _tot = U _max _* sin (Φ / 2) _* cos (wt-Φ / 2)

Die Phasenverschiebung Φ zwischen den Spannungen U₁ und U₂ wird durch eine Verdrehung des Stators 7 mit der Wicklung 9 gegenüber dem Stator 6 mit der Wicklung 8 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 7 with the winding 9 relative to the stator 6 with the winding 8 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/α_p _3f π ER NB=1<Φ = α / α _p _3f π ER NB = 1 <

Der Winkel α_p entspricht einer Verdrehung um die Breite eines Magnetpoles der Permanentmagnete, so daß sich für die Gesamtspannung U_ges 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:

U_ges = U_max _* sin (α/α_p _* π/2) _* cos (wt-α/α_p _* π/2)U _tot = U _max _* sin (α / α _p _* π / 2) _* cos (wt-α / α _p _* π / 2)

Der Ausdruck cos(wt-α/α_p _* π/2) verdeutlicht, daß die Reihenschaltung der beiden sinuidischen Spannungen U₁ und U₂ eine Gesamtspannung U_ges ergibt, die eben falls sinuidisch ist. Der Ausdruck sin(α/α_p _* π/2) ist ein Amplitudenfaktor, der einen Wert zwischen 0 und 1 annimmt, wenn sich der mechanische Verdrehwinkel α zwischen α = 0 und α = α_p ändert. Somit läßt sich durch Verdrehen des Stators 6 gegenüber dem Stator 7 um den Winkel α die Gesamtspannung U_ges in ihrer Am plitude zwischen 0 und U_max einstellen, wenn die Am plituden der Spannungen U₁ und U₂ bei einer gegebenen Drehzahl des Rotors U_max/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 rotating the stator 6 with respect to the stator 7 by the angle α, the total voltage U _{total can be set} in its amplitude between 0 and U _max if the voltage of the voltages U ₁ and U ₂ at a given speed of the rotor U _max / 2 are.

Nähere Einzelheiten dazu sind in der P 42 37 343.3 be schrieben.Further details can be found in P 42 37 343.3 wrote.

Wenn nun z. B. im Kraftfahrzeug ein Verbraucher zuge schaltet wird, so erkennt dies der Regler 16 und be stromt eine oder mehrere Steuerwicklungen 15, wodurch im Stelltrieb ein Drehmoment erzeugt wird, welches die Statorhälfte 7 gegenüber der Statorhälfte 6 positiv verdreht. Dadurch erhöht sich die Generatorleistung. Vorteilhaft ist weiterhin, daß durch Bestromen der Kompensationswicklung 15 direkt von der Statorwicklung 9 die drehzahlabhängige Regelung ohne elektronische Regelung ermöglicht wird. Steigt die Drehzahl, so steigt die Spannung in der Statorwicklung 9 und analog dazu auch in der Kompensatorwicklung 15′, wodurch der Stelltrieb die Statorhälfte 7 gegen die Statorhälfte 6 negativ verdreht und so den Strom/die Spannung kon stant hält. Damit lassen sich auch schnell erfolgende Drehzahländerungen, wie sie z. B. beim Gangwechseln auftreten, gut ausregeln.If z. B. in the motor vehicle a consumer is switched on, the controller 16 recognizes this and loads one or more control windings 15 , whereby a torque is generated in the actuator which positively rotates the stator half 7 relative to the stator half 6 . This increases the generator output. It is also advantageous that the current-dependent control without electronic control is made possible by energizing the compensation winding 15 directly from the stator winding 9 . If the speed increases, the voltage in the stator winding 9 and, analogously, also in the compensator winding 15 ', whereby the actuator rotates the stator half 7 against the stator half 6 negatively and thus keeps the current / voltage constant. This allows fast speed changes, such as z. B. occur when changing gears, regulate well.

Claims

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, especially for voltage or current generators of motor vehicles, the stator consisting of two equal halves Windings are connected in series and one half of the stator relative to the other is preferably rotatable by the width of a magnetic pole, characterized in that on the rotatable stator half ( 7 ) yoke parts ( 13 ) are arranged which carry bar magnets ( 14 ), which Armature parts ( 11 ) face each other, and that the armature parts ( 11 ) are provided with windings ( 15 ) which can be energized depending on the load and / or speed.

2. Electrical generator according to claim 1, characterized in that two opposing yoke parts ( 13 ) are provided, which carry two bar magnets ( 14 ), each facing three armature parts ( 11 ), two of which are in the force field and that the yoke parts ( 13 ) opposite armature parts ( 11 ) are alternately provided with a control winding ( 15 ) and a compensation winding ( 15 '), the control winding via a regulator ( 16 ) depending on the load and the compensation winding directly from the stator winding ( 9 ) and thus can be supplied with current depending on the speed.