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Hintergrund
der Erfindung
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1. Gebiet
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kraftfahrzeuggenerator
zur Montage an einem Fahrzeug, und der durch einen Verbrennungsmotor angetrieben
wird, um Verbrauchern elektrische Energie bereitzustellen und zum
Laden einer Batterie.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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5 ist
eine Schnittansicht, die die Konfiguration eines herkömmlichen
Kraftfahrzeuggenerators zeigt, und 6 ist ein
charakteristisches Leistungsdiagramm des Kraftfahrzeuggenerators.
Bezug nehmend auf 5 bezeichnet 1 einen
Statorkern, der in einer zylindrischen Form ausgeformt ist und der
eine Polyphasenstatorwicklung 2 aufweist, 3 und 4 bezeichnen
vordere und hintere Halterungen, die den Statorkern 1 halten, 5 bezeichnet
einen Rotorkern des Klauenpoltyps, der unter Ausformung eines Luftspalts
innerhalb des inneren Durchmessers des Statorkerns 1 angeordnet
ist, der eine Feldwicklung 6 aufweist und der an einer
Drehwelle 7 befestigt ist; 8a und 8b bezeichnen
Lagerungen, die jeweils an den vorderen und hinteren Halterungen 3 und 4 angeordnet
sind, um die Drehwelle 7 drehbar zu halten, 9 bezeichnet
eine Riemenscheibe, die an einem Ende der Drehwelle 7 an
der Seite der vorderen Halterung 3 angeordnet ist und die
durch einen Verbrennungsmotor (nicht gezeigt) angetrieben ist, 10 bezeichnet
einen Schleifring, der an der Drehwelle 7 befestigt ist, um
in der Feldwicklung 6 einen Feldstrom bereitzustellen,
und 11 bezeichnet einen Bürstenhalter, der an der hinteren
Halterung 4 angebracht ist und der Bürsten 12 aufweist,
die in gleitendem Kontakt mit dem Schleifring 10 stehen.
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Bei
dem derart konfigurierten herkömmlichen
Kraftfahrzeuggenerator wird der Feldwicklung 6 die Feldspannung über die
Bürsten 12 und
den Schleifring 10 zugeführt und die Riemenscheibe 9 wird
durch den Verbrennungsmotor angetrieben, der nicht gezeigt ist.
Dann wird eine Wechselstromenergie in der Polyphasenstatorwicklung 2 erzeugt.
Die Wechselstromenergie wird durch einen Vollwellengleichrichter
gleichgerichtet, der in dem Generator aufgenommen ist und der nicht
gezeigt ist, und wird dann zum Laden einer Batterie verwendet, die
an einem Fahrzeug montiert ist, und den Verbrauchern zugeführt. Eine
Spannungssteuerungsvorrichtung, die nicht gezeigt ist, ist in dem
Generator aufgenommen. Die Spannungssteuerungsvorrichtung schaltet
den Feldstrom an und aus, um die Ausgangsspannung auf einem vorbestimmten
Wert zu halten. Der Generator hat Charakteristika bei denen in dem
Fall, in dem die Anschlussspannung auf dem vorbestimmten Wert gehalten
wird, zum Beispiel auf 14 Volt, wie in 3 gezeigt,
die Ausgangsspannung ansteigt wenn die erzeugte Spannung einen vorbestimmten
Wert überschreitet,
und vergrößert wird,
wenn die Drehzahl erhöht
wird, so dass sie im Hochgeschwindigkeitsbereich gesättigt ist.
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Andererseits
wird bei einem solchen Kraftfahrzeuggenerator gefordert, dass er
Leistungscharakteristika aufweist, bei denen selbst im Niedriggeschwindigkeitsbereich
des Verbrennungsmotors, also dem Leerlaufbereich, die Leistung hinreichend hoch
ist, um Verbrauchern elektrische Energie zuzuführen und eine Batterie zu laden.
Um den Ausgangsstrom in einem solchen niedrigen Geschwindigkeitsbereich
zu steigern, kann es als erstes erwogen werden, die Größe, insbesondere
den äußeren Durchmesser
des Generators oder das Riemenscheibeverhältnis bezüglich des Motors zu vergrößern, um
die Umdrehungsgeschwindigkeit zu erhöhen. Ein Kraftfahrzeuggenerator,
der in einem Motorraum eines Fahrzeugs montiert werden soll, muss
jedoch miniaturisiert und leicht sein. Daher ist es sehr schwierig,
die Größe zu vergrößern. In
dem Fall, in dem der Generator beispielsweise mittels eines Poly-V-Riemens
oder ähnlichem
angetrieben wird, ruft ein Steigern des Riemenscheibeverhältnisses
ein Durchrutschen hervor. Um ein Strichgurtrutschen zu unterdrücken, muss
der Durchmesser einer Riemenscheibe auf der Seite der Kurbelwelle
des Motors vergrößert werden.
In Übereinstimmung
mit dieser Vergrößerung müssen auch
die Durchmesser der Riemenscheibe für unterschiedliche Gurt getriebene Hilfsvorrichtungen
vergrößert werden,
wodurch eine Vergrößerung des
Verbrennungsmotors hervorgerufen wird.
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US-Patent
4,412,460 beschreibt eine Antriebskupplung mit zwei Geschwindigkeiten
zum Verbinden eines Motors mit einem Generator, und
EP 0 301 704 beschreibt eine Generatorvorrichtung
mit zwei Geschwindigkeiten.
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US-Patent
5,342,944, die den nächstliegenden
Stand der Technik repräsentiert,
beschreibt eine Hilfsmaschinenantriebsvorrichtung umfassend eine elektromagnetische
Bremse und eine Einwegekupplung.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
Erfindung wurde durchgeführt,
um dieses Problem zu lösen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen Kraftfahrzeuggenerator anzugeben,
bei dem der Ausgangsstrom insbesondere im niedrigen Drehzahlbereich,
umfassend den Leerlaufbereich, eines Verbrennungsmotors erhöht werden
kann ohne den äußeren Durchmesser
des Generators zu vergrößern und
die mechanische Zuverlässigkeit
durch die Erhöhung
zu verschlechtern. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Reduktion
der Anzahl der Teile in der Konfiguration. Um die obigen Aufgaben
zu lösen
umfasst der Kraftfahrzeuggenerator der Erfindung: einen Statorkern,
der eine Statorwicklung aufweist; vordere und hintere Halterungen,
die den Statorkern von beiden Seiten aus halten; einen Rotorkern,
der an einer Drehwelle angebracht ist, die drehbar in den Halterungen
gehalten ist und der eine Feldwicklung aufweist; eine Einwegekupplung,
die ein Antriebselement und ein angetriebenes Element aufweist,
wobei das angetriebene Element an der Drehwelle befestigt ist; einen
Schnellgangplanetengetriebemechanismus (engl. overdrive planetary gear
mechanism), der ein Sonnenrad, ein Planetenrad und ein äußeres Ringrad
aufweist, wobei das Sonnenrad an der Drehwelle befestigt ist, ein
Ende einer Haltewelle des Planetenrades an dem Antriebselement der
Einwegekupplung befestigt ist, wobei das äußere Ringrad drehbar gehalten
ist; eine Eingangswelle, an dem ein anderes Ende der Haltewelle des
Planetengetriebes des Schnellgangplanetengetriebemechanismus befestigt
ist und die eine Antriebskraft von einem Verbrennungsmotor erhält; und eine
elektromagnetische Bremse, die in Antwort auf eine Energiezufuhr
betätigt
wird, um die Drehung des äußeren Ringrades
des Schnellgangplanetengetriebemechanismus zu blockieren.
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Der
Generator hat ein Gehäuse,
das an der vorderen Halterung angebracht ist und das einen axialen
Endabschnitt der Drehwelle bedeckt, wobei ein Ende der Eingangswelle
durch ein Lager gehalten wird, das an dem Gehäuse angeordnet ist, und ein anderes
Ende der Eingangswelle wird durch die Drehwelle über die Haltewelle des Planetengetriebes und
der Einwegekupplung gehalten. Weiterhin ist ein Lager an dem äußeren Durchmesser
des Antriebselementes der Einwegekupplung angeordnet, wobei ein
Ende eines zylindrischen Elementes, das das äußere Ringrad des Schnellgangplanetengetriebemechanismus
aufweist, durch das Lager unterstützt wird und ein anderes Ende
des zylindrischen Elementes durch das Lager, das an dem Gehäuse angeordnet ist,
unterstützt
wird.
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Weiterhin
kann die elektromagnetische Bremse aufweisen: eine Anregungsspule,
die einen magnetischen Pfad magnetisiert; und ein bewegbares Element,
das durch eine Magnetisierung des magnetischen Pfades angezogen
wird, um die Drehung des äußeren Ringrades
des Schnellgangplanetengetriebemechanismus zu blockieren, wobei
die elektromagnetische Bremse in dem Gehäuse aufgenommen ist und Führungsrillen,
die gegenseitig ineinander eingreifen, auf einer inneren Stirnseite
des Gehäuses
und einer äußeren Stirnseite
des sich bewegenden Elementes eingeformt sind.
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Weiterhin
kann das Element, das das äußere Ringrad
aufweist, in einer U-förmigen
Querschnittsform geformt sein, die eine Bodenstirnfläche und zwei
Seitenstirnflächen
aufweist, wobei die Bodenstirnfläche
eine Stirnfläche
ist, die gegen das sich bewegende Element der elektromagnetischen
Bremse anliegt, wobei die beiden Seitenflächen innere und äußere Umfänge der
elektromagnetischen Bremse umgeben und ein Spalt zwischen den inneren
Flächen
der beiden Seitenstirnflächen
und einer äußeren Stirnfläche des
Magnetpfades größer ist
wenn er sich in Richtung einer Öffnung
der U-förmigen
Querschnittsform bewegt.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine Querschnittsansicht eines zum Verständnis der Erfindung üblichen
Kraftfahrzeuggenerators.
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2 ist
ein charakteristisches Leistungsdiagramm des Kraftfahrzeuggenerators
der 1.
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3 ist
eine Schnittansicht eines Kraftfahrzeuggenerators gemäß der Erfindung.
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4 ist
eine Schnittansicht eines Kraftfahrzeuggenerators der nützlich zum
Verständnis
der Erfindung ist.
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5 ist
eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Kraftfahrzeuggenerators.
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6 ist
ein charakteristisches Leistungsdiagramm des herkömmlichen
Kraftfahrzeuggenerators.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Nun
wird eine detailliertere Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung
und von Beispielen, die für
das Verständnis
der Erfindung nützlich
sind, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gegeben werden.
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Beispiel 1, das zum Verständnis der
Erfindung nützlich
ist
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1 ist
eine Schnittansicht eines Kraftfahrzeuggenerators des Beispiels 1,
der nützlich
zum Verständnis
der Erfindung ist, und 2 zeigt Leistungscharakteristika
des Kraftfahrzeuggenerators. Bezug nehmend auf 1 bezeichnet 1 einen
Statorkern, der in einer Zylinderform geformt ist und der eine Polyphasenstatorwicklung 2 aufweist, 3 und 4 bezeichnen
vordere und hintere Halterungen, die den Statorkern 1 von
beiden Seiten aus halten, 5 bezeichnet einen Rotorkern
des Klauenpoltypus, der unter Ausformung eines Luftspaltes innerhalb
des inneren Durchmessers des Statorkerns 1 angeordnet ist,
der eine Feldwicklung 6 aufweist und der an einer Drehwelle 7 befestigt
ist; 8a und 8b bezeichnen Lager, die jeweils an
den vorderen und hinteren Halterungen 3 und 4 angeordnet
sind, um die Drehwelle 7 drehbar zu halten, 10 bezeichnet
einen Schleifring, der an der Drehwelle 7 befestigt ist,
um einen Feldstrom der Feldwicklung 6 zuzuführen, und 11 bezeichnet
einen Bürstenhalter,
der an der hinteren Halterung 4 angebracht ist und der
Bürsten 12 aufweist,
die in gleitendem Kontakt mit dem Schleifring 10 stehen.
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Das
Referenzzeichen 13 bezeichnet eine Einwegekupplung, die
ein an der Drehwelle 7 angebrachtes angetriebenes Element 14,
ein Drehmomentübermittlungselement 15 und
ein Antriebselement 16 aufweist, 19 bezeichnet
eine Eingangswelle, die drehbar in einem Gehäuse 18 gehalten ist
und die an einem Ende eine Riemenscheibe 9 aufweist, die durch
einen Verbrennungsmotor (nicht gezeigt) angetrieben ist, und 17 bezeichnet
ein Schnellgangplanetengetriebe an einer Bremsoberfläche 31 des
zylindrischen Elements 23, durch welche die Drehung des
Elementes blockiert ist. Das Referenzzeichen 32 bezeichnet
ein Lager, das an dem Gehäuse 18 zur drehbaren
Unterstützung
eines Endabschnitts der Eingangswelle 19 angeordnet ist, 33 und 34 bezeichnen
Lager, die das Antriebselement 16 der Einwegekupplung 13 bezüglich des
angetriebenen Elementes 14 und der vorderen Halterung 3 drehbar
unterstützen,
und 35 und 36 bezeichnen Lager, die das zylindrische
Element 23 des Schnellgangplanetengetriebemechanismus 17 bezüglich des
Gehäuses 18 und der
vorderen Halterung 3 drehbar unterstützen.
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In
dem derart konfigurierten Kraftfahrzeuggenerator dieses Beispiels
wird, wenn die Riemenscheibe 9 durch den Verbrennungsmotor
(nicht gezeigt) angetrieben wird, das Drehdrehmoment von der Riemenscheibe 9 über die
Eingangswelle 19 und die Haltewelle 20 auf das
Planetengetriebe 21 übertragen.
In dem Zustand, in dem die elektromagnetische Bremse 26 nicht
betrieben wird und das zylindrische Element 23 drehbar
ist, wird der Schnellgangplanetengetriebemechanismus 17 nicht
betätigt,
so dass das Drehmoment von der Eingangswelle 19 zum Antriebselement 16 der
Einwegekupplung 13 über
die Unterstützungswelle 20 und
das Halteelement 25, und dann über das Drehmomentübertragungselement 15 und
das angetriebene Element 14 zu der Drehwelle 7 übertragen
wird, wodurch die Drehwelle 7 und der Rotorkern 5,
die daran befestigt sind, dazu gebracht werden, sich in der gleichen Drehgeschwindigkeit
wie die Riemenscheibe 9 zu drehen.
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Wenn
die Anregungsspule 28 der elektromagnetischen Bremse 26 mit
Energie versorgt wird, werden in dem Magnetpfad 27 und
dem beweglichen Element 29 Magnetflüsse erzeugt, und das bewegliche
Element 29 wird gegen die Druckkraft der Feder 30 angezogen,
so dass es an das zylindrische Element 23 angesaugt wird,
wodurch eine Drehung des Elementes blockiert wird und das äußere Ringrad 24, das
auf der inneren Stirnfläche
des zylindrischen Elementes 23 angeordnet ist, festgelegt
wird. Entsprechend wird eine Übertragung
der Drehung zwischen dem Planetenrad 21 und dem Sonnenrad 22 durchgeführt, die
an einem Ende der Drehwelle 7 angeordnet sind, so dass
die Drehwelle 7 in Übereinstimmung
mit dem Getriebeverhältnis
des äußeren Ringrades 24 und
des Sonnenrades 22 übersetzt
ist. Zu diesem Zeitpunkt ist das Drehmomentübertragungselement 15 in
einem freien Zustand und daher wird eine Übertragung der Drehung zwischen
dem Antriebselement 16 der Einwegekupplung 13,
die mit der Eingangswelle 19 und der Haltewelle 20 gekoppelt
ist, und dem angetriebenen Element 14 nicht durchgeführt. Als
ein Resultat werden die Drehwelle 7 und der daran befestigte Rotorkern 5 gedreht,
wobei sie in einem Grad korrespondierend zu dem Geschwindigkeitszunahmeverhältnis des
Schnellgangplanetengetriebemechanismus 17 bezüglich der
Riemenscheibe 9 übersetzt
werden.
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Wie
in 2 gezeigt ist, wird, wenn die Drehgeschwindigkeit
der Riemenscheibe 9 gleich N1 ist, die elektromagnetische
Bremse 26 eingeschaltet, und wenn die Drehgeschwindigkeit
gleich N2 ist, wird die elektromagnetische Bremse ausgeschaltet.
In dem Fall, in dem die Drehgeschwindigkeit der Riemenscheibe zwischen
N1 und N2 liegt, wird die Umdrehungsgeschwindigkeit der Drehwelle 7 erhöht, so dass
der Ausgangsstrom vergrößert werden
kann, wie in der Figur gezeigt. Wenn die elektromagnetische Bremse 26 in
dem Hochdrehzahlbereich ausgeschaltet wird, kann die Leistung im
Niedrigdrehzahlbereich, in dem es üblicherweise erforderlich ist
die Leistung zu erhöhen,
dies durch ein Erhöhen
der Umdrehungszahl des Generators erreicht werden.
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Da
das eine Ende der Eingangswelle 19 durch das Lager 32 gehalten
wird und das andere Ende mit dem Antriebselement 16 der
Einwegekupplung 13 über
die Haltewelle 20 und das Haltelement 25 gekoppelt
ist, wird das andere Ende durch das Lager 34 gehalten und
die Steifheit der Eingangswelle 19 kann vergrößert werden,
so dass es möglich
ist zu verhindern, dass eine Verschiebungs-Belastung (engl. offset
load) auf unterschiedliche Abschnitte des Schnellgangplanetengetriebemechanismus 17 aufgebracht
wird. Daher kann ein Schnellgangmechanismus mit einer hohen Zuverlässigkeit
erhalten werden.
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Wenn
ein Winkelkontaktlager als eines der Lager 35 und 36,
die das zylindrische Element 23 des Schnellgangplanetengetriebemechanismus 17 unterstützten, verwendet
wird, ist es möglich
eine Belastung in der Schubrichtung aufzunehmen, die während des
Betriebs der elektromagnetischen Bremse 26 auf das zylindrische
Element 23 aufgebracht wird. Wenn der Spalt zwischen dem
magnetischen Pfad 27 und dem zylindrischen Element 23,
das sich so in einer U-förmige
Form erstreckt, dass es den magnetischen Pfad 27 umgibt,
durch ein Bewegen in Richtung auf die Öffnung der U-ähnlichen Form des zylindrischen
Elementes 23 hin größer gemacht
wird, kann verhindert werden, dass ein gegenseitiges Interferieren
aufgrund eines Neigens des zylindrischen Elementes 23 auftritt.
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Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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3 ist
eine Schnittansicht eines Kraftfahrzeuggenerators eines Ausführungsbeispiels
der Erfindung. Der Kraftfahrzeuggenerator des Ausführungsbeispiels
ist durch eine Modifikation des Kraftfahrzeuggenerators des Beispiels 2 auf
die folgende Weise konfiguriert. Ein Lager 37 ist zwischen
dem äußeren Durchmesser
des Antriebselements 16 der Einwegekupplung 13 und
dem zylindrischen Element 23, das das äußere Ringrad 24 des
Schnellgangplanetengetriebemechanismus 17 aufweist, angeordnet,
wodurch es einem Endabschnitt des äußeren Ringrades 24 des
Schnellgangplanetengetriebemechanismus 17 ermöglicht wird,
durch die Drehwelle 7 über
die Einwegekupplung 13 unterstützt zu werden. Gemäß dieser
Konfiguration kann das Lager, das die Einwegkupplung 13 unterstützt, ebenso
als das Lager verwendet werden, das das äußere Ringrad 24 unterstützt, und
daher kann die Anzahl der Teile reduziert werden.
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Beispiel 2, nützlich zum
Verständnis
der Erfindung
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4 ist
eine Schnittansicht eines Kraftfahrzeuggenerators des Beispiels 2,
die nützlich
zum Verständnis
der Erfindung ist. Der Kraftfahrzeuggenerator des Ausführungsbeispiels
ist durch eine Modifikation des Kraftfahrzeuggenerators des Ausführungsbeispiels 1 und
des Beispiels 2 auf die folgende Weise konfiguriert. Konkave
und konvexe Führungen 18a sind
axial auf der inneren Stirnfläche
des Gehäuses 18 angeordnet,
die die elektromagnetische Bremse 26 aufnimmt. Führungsrillen 29a,
die mit den Führungen 18a auf
der inneren Stirnseite des Gehäuses 18 in
Eingriff gebracht werden sollen, sind auf der äußeren Stirnseite des bewegbaren
Elements 29 der elektromagnetischen Bremse 26 angeordnet.
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Gemäß dieser
Konfiguration kann sich während
des Betriebes der elektromagnetischen Bremse 26 das bewegende
Element 29 problemlos bewegen und die Führungen und die Führungsrillen
können zum
Positionieren beim Zusammensetzen verwendet werden.
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Wie
oben beschrieben sind gemäß der Konfiguration
des Kraftfahrzeuggenerators des ersten Aspekts der Erfindung der
Schnellgangplanetengetriebemechanismus, die elektromagnetische Bremse,
welche die Schnellgang-Funktion des Schnellgangplanetengetriebemechanismus
ein und aus schaltet, und die Einwegekupplung, die einen Schlupf
zwischen der Eingangswelle und der Drehwelle hervorruft, während der
Schnellgang-Funktion angeordnet, und die Geschwindigkeit des Rotors kann
in dem Niedrigdrehzahlbereich einschließlich des Leerlaufbereichs
eines Verbrennungsmotors erhöht
werden. Daher kann die Leistung im Niedrigdrehzahlbereich vergrößert werden,
ohne den äußeren Durchmesser
des Generators zu vergrößern. Auch
gemäß der Konfiguration
des ersten Aspekts der Erfindung werden beide Enden der Eingangswelle
zum Antreiben des Schnellgangplanetengetriebemechanismus durch Verwenden
der Unterstützungswelle
des Planetengetriebes und des Halteelements unterstützt. Daher
ist es möglich
zu verhindern, dass eine schräge
Belastung auf den Schnellgangplanetengetriebemechanismus und die
Einwegekupplung aufgebracht wird. Weiterhin wird das Lager für die Einwegekupplung
ebenso als Lager für
den Schnellgangplanetengetriebemechanismus verwendet und daher kann
die Anzahl der Teile reduziert werden.
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Gemäß der Konfiguration
des zweiten Aspekts der Erfindung sind Führungsrillen, die gegenseitig
miteinander eingreifen, auf einer der inneren Stirnfläche des
Gehäuses
der elektromagnetischen Bremse und der äußeren Stirnfläche des
sich bewegenden Elements eingeformt. Daher kann während des
Betriebs der elektromagnetischen Bremse das sich bewegende Element
problemlos bewegen und die Führungsrillen
können
beim Zusammensetzen zum Positionieren verwendet werden. Gemäß der Konfiguration
des dritten Aspekts der Erfindung ist der Spalt zwischen dem Magnetpfad
der elektromagnetischen Bremse und dem Element, das das äußere Ringrad
aufweist und das so in einer U-ähnlichen Querschnittsform
geformt ist, dass es den magnetischen Pfad umgibt, so festgelegt,
dass er größer wird,
wenn er in Richtung der Öffnung
der U-ähnlichen
Querschnittsform bewegt wird. Selbst wenn das Element, welches das äußere Ringrad
aufweist, während
des Betriebes der elektromagnetischen Bremse geneigt wird, kann
daher verhindert werden, dass eine gegenseitige Interferenz auftritt.
Auf diese Weise ist es möglich,
einen exzellenten Kraftfahrzeuggenerator zu erhalten.