DE69435035T2 - Hybrider Wechselstromgenerator mit Spannungsregler - Google Patents

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Erfindung bezieht sich auf Wechselstromgeneratoren zur Steuerung eines bidirektionalen Stromflusses durch eine Wicklung eines Wechselstromgenerators, um seine Ausgangsspannung zu regeln Solche Wechselstromgeneratoren werden in Fahrzeugen benutzt, um elektrischen Strom zum Versorgen der Zubehörteile und zum Laden der Batterien zu erzeugen.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die Automobilindustrie versucht, den Wirkungsgrad von motorisierten Fahrzeugen sowohl im Leerlauf als auch bei Fahrdrehzahlen zu erhöhen. Es ist besonders wichtig, die Wirkungsgrade im Leerlauf zu erhöhen, weil festgestellt wurde, dass ungefähr die Hälfte des ganzen Kraftstoffverbrauchs im Leerlauf erfolgt. Die Wechselstromgenerator-Konstruktion, die gewöhnlich in Fahrzeugen angetroffen wird, wird seit ungefähr fünfundzwanzig bis dreißig Jahren verwendet und kann billig hergestellt werden, aber sie weist sehr niedrige Wirkungsgrade von nur 40–50% auf. Das Problem ist besonders akut bei niedrigen Drehzahlen, wo hohe Erregungsniveaus in der Rotorwicklung erforderlich sind, um die gewünschte Spannung zu erzeugen, was zu einem sehr niedrigen Wirkungsgrad führt.
  • Mit dem Wunsch nach einem höheren Wirkungsgrad ist das Bedürfnis verbunden, Wechselstromgeneratoren zu verwirklichen, die größere elektrische Nennleistungen haben, weil moderne Fahrzeuge viel mehr Motoren haben und viel mehr elektrische Energie benötigen. Außerdem steht der Kraftstoff-Wirkungsgrad der Fahrzeuge in engem Zusammenhang mit dem Gewicht des Fahrzeugs, und es ist wünschenswert, das Gewicht des Wechselstromgenerators zu verringern, um das Gesamtgewicht des Fahrzeugs zu minimieren. Diese Ziele werden erreicht, wenn der Wirkungsgrad des Wechselstromgenerators erhöht wird.
  • Der erhöhte Stromverbrauch bei Fahrzeugen hat auch zu einem Interesse an der Verwendung von Komponenten geführt, die mit höheren Spannungen als den üblichen 12 Volt betrieben werden, die gegenwärtig bei Autos verwendet werden. Gleichzeitig ist vorgesehen, dass bei solchen Fahrzeugen zusätzlich zu der höheren Spannung eine 12 Volt-Stromversorgung erforderlich ist.
  • Wie bekannt ist, können Doppelspannungs-Wechselstromgeneratoren dadurch verwirklicht werden, dass zwei Wicklungen auf dem Statur vorgesehen werden. Wenn eine einzelne Wicklung auf dem Rotor verwendet wird, ist es jedoch schwierig, die zwei verschiedenen Ausgangsspannungen richtig zu regeln, da verschiedene Niveaus des Rotorerregungsstroms für die verschiedenen Kreise erforderlich sein können. Einzelspannungs- und Doppelspannungs-Wechselstromgeneratoren von der durch die vorliegende Erfindung repräsentierten Art können auch bei verschiedenen, nicht durch einen Verbrennungsmotor angetriebenen Anwendungen, wie bei durch Wind oder Wasser angetriebenen Anwendungen, für die wirksame Erzeugung von elektrischem Strom verwendet werden.
  • Bei hybriden Wechselstromgeneratoren ist der Wirkungsgrad dadurch wesentlich erhöht, dass Permanentmagnete verwendet werden, um bei niedriger Drehzahl des Wechselstromgenerators sofort ein hohes Niveau des Magnetflusses zu erzeugen. Wenn die hier beschriebene hybride Wechselstromgenerator-Konstruktion verwendet wird, erzeugt der in ein Auto oder ein anderes Fahrzeug eingebaute Wechselstromgenerator bei der Motorleerlaufdrehzahl den vollen Nennstrom und die volle Nennspannung des Wechselstromgenerators. Dies steht im Gegensatz zu den Wechselstromgeneratoren des Standes der Technik, die ihre volle Nennausgangsspannung erst dann erzeugen können, wenn sie sich mit Drehzahlen drehen, die weit über ihrer Leerlaufdrehzahl liegen.
  • Die volle Nennausgangsspannung des hybriden Wechselstromgenerators wird bei niedriger Drehzahl dadurch erreicht, dass der von den Permanentmagneten erzeugte Magnetfluß durch einen zusätzlichen Magnetfloß erhöht wird. Der zusätzliche Magnetfluß wird von einer Rotorwicklung erzeugt, in der durch eine an die Wicklung angelegte Vorwärtspolaritätsspannung ein Rotorwicklungs-Vorwärtsstrom hervorgerufen wird. Dies wird als der Verstärkungsmodus oder der Vorwärtspolaritätsmodus bezeichnet, bei dem das durch die Wicklung hervorgerufene Magnetfeld die gleiche Richtung wie das durch die Permanentmagneten hervorgerufene Magnetfeld hat und dieses Magnetfeld verstärkt.
  • Wenn die Drehzahl des Wechselstromgenerators zunimmt, erzeugt jedoch der Magnetfluß von den Permanentmagneten eine höhere Ausgangsspannung, und der Bedarf an zusätzlichem Magnetfluß von der Rotorwicklung nimmt ab. Bei einer genügend hohen Drehzahl kann schließlich die gesamte Nennausgangsspannung des Wechselstromgenerators allein von dem durch die Permanentmagneten hervorgerufenen Magnetfeld erzeugt werden, und in der Rotorwicklung ist kein zusätzlicher Strom erforderlich. Im allgemeinen erfolgt dieser Übergang bei einer Drehzahl, die weit unter der maximalen vorgesehenen Betriebsdrehzahl des Wechselstromgenerators liegt.
  • Wenn die Rotordrehzahl diesen Übergangspunkt übersteigt, und der Motor mit einer hohen Drehzahl läuft, ist der Magnetfluß von den Permanentmagneten zu groß, und muß daher verringert werden, um die Erzeugung von schädlichen Überspannungen und Überströmen zu vermeiden. Dies wird dadurch erreicht, dass der hybride Wechselstromgenemtor in dem Kompensationsmodus oder dem Rückwärtspolaritätsmodus betrieben wird, in dem eine Rückwärtspolaritätsspannung an die Rotorwicklung angelegt wird. Die Rückwärtspolaritätsspannung erzeugt einen Rückwärtsstrom in der Rotorwicklung. Der Rückwärtsstrom erzeugt einen Magnetfluß, der dem Magnetfluß von den Permanentmagneten entgegenwirkt, wodurch die Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators verringert wird, um die gewünschte Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten.
  • Da sowohl ein Vorwärts-, als auch ein Rückwärts-Rotorwicklungserregungsstrom notwendig ist, ergeben sich bei dem Spannungsregler für den hybriden Wechselstromgenerator gewisse Begrenzungen und Anforderungen, die in dem Fall herkömmlicher Wechselstromgeneratoren nicht erforderlich sind. Obwohl hybride Wechselstromgeneratoren von dem Klauenpol- oder Lundell-Konstruktionstyp mit niedrigem Wirkungsgrad bekannt sind, wurde auf diesem Fachgebiet, selbst bei der Herstellung von Spannungsreglern für hybride Wechselstromgeneratoren bisher nicht erkannt, dass es diese Begrenzungen und Anforderungen gibt.
  • Ein erstes Problem steht in Zusammenhang mit den induktiven Wirkungen beim Schalten der eine hohe Induktivität aufweisenden Rotorwicklung, insbesondere mit dem Übergang zwischen dem Vorwärtspolaritäts- und dem Rückwärtspolaritäts-Erregungsmodus. Das Problem ist besonders akut, wenn der Wechselstromgenerator leicht belastet ist.
  • Der in der Feldwicklung hervorgerufene Strom speichert eine bedeutende Menge Energie in dem Magnetfeld der Rotorwicklung. Diese Energie kann Spannungsspitzen hervorrufen, wenn plötzliche Laständerungen erfolgen, oder wenn die Spannung geschaltet wird, um die Rotorwicklung zu steuern. Um die Ausgangsspannung eines hybriden Wechselstromgenerators zu verringern, wurde gemäß dem Stand der Technik einfach angegeben, dass der Rückwärtspolaritätsmodus angewandt werden sollte, um den Strom der Feldwicklung umzukehren. Bevor der Strom umgekehrt werden kann, muß jedoch das zuvor hervorgerufene Magnetfeld zusammenbrechen. Während dieses Zusammenbruchs fließt der ursprünglich in dem Vorwärtspolaritätsmodus hervorgerufene Vorwärtsstrom in die Hauptleitung zurück, die zu der Batterie und allen Auto-Zubehörteilen führt.
  • Wenn wie in dem normalen Fall eine Batterie an den Wechselstromgenerator angeschlossen ist, kann man sich darauf verlassen, dass die Batterie einen eventuellen negativen Nettostrom absorbiert, der sich nach den anderen Lasten der Batterie ergibt In alternativer Weise kann ein großer Kondensator verwendet werden, um diese Energie zu absorbieren. Auf die erste Methode kann man sich jedoch nicht verlassen, da vielleicht nicht immer eine Batterie vorhanden ist, die den Rückwärtsstrom absorbieren kann. Die Verwendung eines Kondensators ist sehr teuer, besonders wenn Kondensatoren verwendet werden, die für die Absorption der gesamten, in der Rotorwicklung gespeicherten Energie geeignet sind, und die hinsichtlich der Temperatur für die Verwendung unter der Motorhaube eines Autos ausgelegt sind.
  • Wenn die Batterie entfernt würde, könnte ohne Kondensator der Netto-Rückwärtsstrom in der Hauptleitung nicht abfließen, außer wenn ein großer Filterkondensator im Stromkreis dort angeschlossen wird, wo normalerweise die Batterie ist Wenn Pulsbreitenmodulationstechniken bei mäßiger Frequenz verwendet werden, kann dieser Kondensator einen vernünftigen Wert haben. Um niedrigste Kosten und kleine Abmessungen zu erhalten, wäre jedoch ein Aluminium-Elektrolytkondensator wünschenswert. Aluminium-Elektrolytkondensatoren sind jedoch normalerweise nicht ausgelegt, um Temperaturen von 105°C auszuhalten, und daher konnten sie in der Hochtemperatur-Umgebung des Wechselstromgenerators in der Nähe des Fahrzeugmotors nicht leicht untergebracht werden.
  • Selbst wenn sie von dem eigentlichen Wechselstromgenerator ein wenig abgesondert würden, so dass Temperaturen über 105°C vermieden würden, wird die Lebensdauer der Kondensatoren mit zunehmender Temperatur rasch abnehmen. Folglich läßt die Umgebung unter der Motorhaube die Verwendung von Aluminium-Elektronik normalerweise nicht zu. Tantalkondensatoren für höhere Temperaturen könnten verwendet werden, aber diese Kondensatoren haben größere Abmessungen und sind viel teurer, und folglich weniger interessant für eine kostenempfindliche Automobilanwendung mit großen Stückzahlen.
  • Selbst wenn Kondensatoren verwendet werden, um die Schalt-Spannungsspitzen zu absorbieren, gibt es noch ein potentielles Problem infolge der großen Energiespeicherung und der großen Zeitkonstante der Feldspule. Wenn sich zum Beispiel die Drehzahl oder die Last des Wechselstromgenerators plötzlich ändert, so dass der Regler des Wechselstromgenerators die Polarität der Feldwicklungsspannung von nahezu voller Spannung (z. B. Verstärkung in dem Vorwärtspolaritätsmodus) in einer Richtung in eine bedeutende Spannung in der anderen Richtung (z. B. Kompensation in dem Rückwärtspolaritätsmodus) ändert, würde sich leicht eine große Spannungsspitze ergeben, wenn keine Batterie vorhanden wäre und das System (abgesehen von der Feldspule) unbelastet wäre.
  • In dieser Situation würde die anfängliche Energie in der Feldspule dazu neigen, in den Kondensator zu gehen, und die Spannung wäre übermäßig hoch, außer wenn der Kondensator extrem groß wäre, oder die Hauptleitungsspannung durch Clamps begrenzt würde.
  • Obwohl nur Kondensatoren von mäßiger Größe erforderlich wären, um den welligen Strom von der Pulsbreitenmodulation zu verarbeiten, würde der Kondensator sehr große Abmessungen haben, um die hohe Energie einer Feldwicklung zu absorbieren, ohne eine übermäßige Spannung zu erzeugen. Selbst wenn Spannungsclamps verwendet würden, um die Kondensatorspannung zu begrenzen, wären die Kosten übermäßig hoch, und es würde eine dauernde Besorgnis hinsichtlich der Zuverlässigkeit wegen der Hochtemperatur-Umgebung bestehen, und die Größe der Komponenten würde in dem engen Raum unter der Motorhaube ein Problem hervorrufen.
  • Es wird eine Lösung benötigt, die die Verwendung von Pulsbreitenmodulationstechniken zuläßt, selbst wenn die Batterie nicht da ist, und die keinen großen Kondensator erfordert.
  • Ein zweites, schwierigeres Problem ist, dass Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden müssen, um zu verhindern, dass der Spannungsregler, der den Rückwärtsstrom in dem Rückwärtspolaritätsmodus liefert, inaktiviert wird, wenn das Fahrzeug ausgeschaltet wird. Bei sehr hohen Motor- und Spannungsregler-Drehzahlen wird der Magnetfluß von dem Permanentmagnet durch den entgegengesetzt gerichteten Magnetfluß in der Wicklung des hybriden Rotors beinahe vollständig aufgehoben. Wenn der aufhebende Magnetfluß sofort ausgeschaltet würde, z. B. durch Ausschalten eines Zündschalters, während der Wechselstromgenerator mit einer hohen Drehzahl läuft, würde die Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators rasch bis auf schädliche Niveaus für die elektrischen Komponenten in einem typischen Auto ansteigen.
  • Patent N° EP-A-0187946 beschreibt ein unbeständiges Wicklungsspeisungsverfahren für das Spannungsfeld, wobei multiple bidirektionale Triac-Elemente und eine Wechselstromquelle benutzt werden. Das Verfahren benutzt ebenfalls die Induktivität der Feldwicklung, um die Triac-Ausgangsspannung zu filtern, zum Erzeugen eines unbeständigen Amplitude- und Polaritätsgleichstromfeld-Stroms. Die Wechselstromquelle kann vom eigentlichen Wicklungsausgang des Wechselstromgenerators, von einer zusätzlichen Ausgangswicklung oder einer externen Wechselstromquelle kommen. Das Verfahren kann die Feldwicklung mit Gleichstrom versorgen ohne negativen Strom in die Batterie oder den Ausgang des Wechselstromgenerators einzuleiten, da die Feldstromkommutation auf der Wechselstromseite der Wicklung auftritt.
  • Die vorliegende Erfindung liefert einen Spannungsregler wie in Anspruch 1 beschrieben und ein entsprechendes Verfahren wie in Anspruch 13 beschrieben.
  • Die bevorzugte Ausführungsform umfasst eine automatische Verriegelung, welche den Spannungsregler automatisch und unabhängig vom Zündsystem des Fahrzeugs mit Strom versorgt, um zu verhindern, dass es versehentlich deaktiviert wird. Die automatische Verriegelung ist so ausgelegt, dass wenig oder kein Strom aus der Fahrzeugbatterie entnommen wird, wenn das Fahrzeug ausgeschaltet ist, damit die Fahrzeugbatterie nicht entladen wird.
  • Die bevorzugte Ausführungsform des Spannungsreglers umfaßt auch eine Spannungsspitzenunterdrückung einer neuen Art, die gewissen Schaltern (vorzugsweise FETs), die benötigt werden, um die Rotorwicklung zwischen dem Vorwärtspolaritäts- und dem Rückwärtspolaritätsmodus umzuschalten, ermöglicht, eine zweite Funktion auszuführen, bei der Spannungsspitzen unterdrückt werden, die den Spannungsregler oder andere an die Batterie-Hauptleitung angeschlossene Systeme beschädigen könnten.
  • Angesichts der Probleme des Standes der Technik ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, einen Wechselstromgenerator zu verwirklichen, der bei niedrigen Drehzahlen wirksam arbeitet.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, einen Wechselstromgenerator zu verwirklichen, bei dem eine Permanentmagneteinheit in dem Rotor, um ein sich drehendes Permanentmagnetfeld zu erzeugen, in Kombination mit einem sich drehenden, variablen Magnetfeld, das von einer Rotorwicklung erzeugt wird, verwendet wird.
  • Ebenfalls ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, einen Wechselstromgenerator zu verwirklichen, der bei gleicher Ausgangsleistung weniger als gegenwärtige Wechselstromgeneratoren wiegt, oder der bei gleichem Gewicht eine höhere Ausgangsleistung erzeugt.
  • Noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, einen wirksamen Doppelspannungs-Wechselstromgenerator zu verwirklichen, bei dem vorzugsweise beide Spannungen bei variierenden Lasten gut geregelt werden.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, einen Spannungsregler für einen hybriden Wechselstromgenerator zu verwirklichen, der automatisch gesperrt wird, um zu verhindern, dass der Regler deaktiviert wird, wenn der Wechselstromgenerator sich im Rückwärtspolaritätsmodus befindet.
  • Noch ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, einen Spannungsregler für einen hybriden Wechselstromgenerator zu verwirklichen, welcher transiente Spannungsunterdrückung hervorruft.
  • Die Erfindung kann einen Spannungsregler für einen hybriden Wechselstromgenerator verwirklichen, welcher dem Wechselstromgenerator ermöglicht ohne angeschlossene Batterie und ohne teure Kondensatoren oder Spannungsklemmen zu benötigen, zu agieren.
  • Die Erfindung kann auch einen hybriden Wechselstromgenerator verwirklichen, welcher die maximaleingestufte Ausgangsspannung und -strom liefert, wenn ein Fahrzeug, in dem der Wechselstromgenerator installiert ist, mit Blindstromgeschwindigkeit agiert.
  • Die Erfindung kann auch, einen Wechselstromgenerator verwirklichen, der durch die Anordnung von radialen Kühlschlitzen in dem Stator maximal gekühlt wird.
  • In einer ersten Ausführungsform des Spannungsreglers, wird eine Schaltbrücke benutzt, um Strom zwischen die Rotorwicklung in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung zu lenken. Die Schaltbrücke wird in einzigartiger Weise so gesteuert, dass sie in drei Betriebszuständen arbeitet, welche einschließen: 1) einen Vorwärtspolaritätsmodus, in der eine Vorwärtsspannung an die Rotorwicklung angelegt wird, 2) einen Rückwärtspolaritätsmodus, in der eine Rückwärtspolarität an die Wicklung angelegt wird, und 3) einen Abklingmodus, in der keine Spannung auf die Wicklung angelegt wird, sondern der in der Vorwärts- oder Rückwärtspolaritätsmodus hervorgerufene Strom abklingen kann. Bei dem am meisten bevorzugten Entwurf dieser Ausführungsform ist das Steuersystem ein digitales System, und die Schaltbrücke aus Feldeffekttransistoren aufgebaut.
  • Bei diesem Entwurf fließt der Abklingstrom durch die unteren zwei FETs der Brücke, und die Sensorschaltung erfaßt den Abklingstrom und verhindert, dass der Spannungsregler in einen Modus mit entgegengesetzter Polarität schaltet, außer wenn der Strom bis auf einen nahe bei null liegenden Wert abgeklungen ist.
  • Bei dem am meisten bevorzugten Entwurf des Spannungsreglers wird eine automatische Verriegelung verwendet, um den Spannungsregler automatisch mit Strom zu versorgen, und die Stromversorgung so lange aufrechtzuerhalten, wie der Wechselstromgenerator sich dreht. Die Brückenschaltung ist in einzigartiger Weise so entworfen, dass sie plötzliche Spannungsspitzen unterdrückt, wodurch sie eine doppelte Funktion erfüllt.
  • Um die anspruchsvollen Ausgangsleistungsanforderungen zu erfüllen, sind hohe Energiedichten erforderlich, insbesondere im Hinblick auf den Wunsch, eine relativ kleine Packungsgröße für den Wechselstromgenerator aufrechtzuerhalten. Dies bedeutet, dass der Wechselstromgenerator bei relativ hohen Temperaturen arbeitet, was für die voraussichtliche Lebensdauer der Elektronik und für die Verhinderung einer Entmagnetisierung der Permanentmagnete wichtig ist Demgemäß wird bei der bevorzugten Ausführungsform des hybriden Wechselstromgenerators eine neuartige Methode verwendet, um Kühlluft von außen durch Schlitze zu leiten, die in der Mitte des Statorwicklungsabschnitts des Gehäuses über den Umfang angeordnet sind.
  • Dies kann bei der hier wiedergegebenen Konstruktion eines hybriden Wechselstromgenerators getan werden infolge der Unterteilung des Rotors in den Permanentmagnetabschnitt und den Wicklungsabschnitt, wodurch der Stator in zwei Gebiete unterteilt wird, die durch ein Gebiet getrennt sind, in dem wenig oder kein Magnetfluß vorhanden ist.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform des hybriden Wechselstoumgenerators wird eine neuartige Verbindungsanordnung zwischen der Rotorwicklung und der Statorwicklung verwendet Diese Verbindungsanordnung ermöglicht, einen vereinfachten Spannungsregler zu verwenden, bei dem die Komponentenkosten wesentlich verringert sind. Der Spannungsregler verbindet ein Ende der Rotorwicklung abwechselnd mit dem positiven Ende der Batterie und der Masse. Das andere Ende der Rotorwicklung ist mit dem neutralen Punkt des Stators verbunden (an dem ungefähr die halbe Batteriespannung liegt). Der Schaltkreis des Reglers benötigt nur zwei Schalter, um den Rotor abwechselnd zu verbinden für den Übergang zwischen dem Vorwärtspolaritäts- und dem Rückwärtspolaritätsmodus.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die 1 ist eine zu der Welle parallele und durch die Welle hindurchgehende Längsschnittansicht eines hybriden Wechselstromgenerators gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Die 2 ist eine Querschnittansicht gemäß der zu der Rotorwelle senkrechten und durch den Wicklungs-Rotorbereich des Wechselstromgenerators hindurchgehenden Schnittlinie 2-2.
  • Die 3 ist eine Querschnittansicht gemäß der zu der Rotorwelle senkrechten und durch den Permanentmagnet-Rotorbereich des Wechselstromgenerators hindurchgehenden Schnittlinie 3-3.
  • Die 4 ist ein elektrisches Schaltbild des Wechselstromgenerators der vorliegenden Erfindung, mit einer Rotorerregungsschaltung für die Spannungsregelung, und einer Spannungswandlerschaltung zum Erzeugen einer zweiten Ausgangsspannung.
  • Die 5 ist ein Diagramm des Feldstroms in Abhängigkeit von der Motordrehzahl, wobei dieser Feldstrom bei einer typischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung notwendig ist, um eine konstante Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten.
  • Die 6 ist eine zu der Rotorwelle parallele Längschnittansicht einer ersten alternativen Ausführungsform der Erfindung, bei der ein massiver, scheibenförmiger Permanentmagnet verwendet wird.
  • Die 7 ist ein Seitenriß eines zehnpoligen, scheibenförmigen Permanentmagneten, der bei der in der 6 wiedergegebenen, ersten alternativen Ausführungsform der Erfindung verwendet wird.
  • Die 8 ist ein Aufriß eines segmentierten Magnetfuß-Leitelements, das bei der in der 6 wiedergegebenen, ersten alternativen Ausführungsform der Erfindung verwendet wird.
  • Die 9 ist eine Querschnittansicht des segmentierten Magnetfuß-Leitelements gemäß der in der 8 wiedergegebenen Schnittlinie 9-9.
  • Die 10 ist eine Längsschnittansicht einer zweiten alternativen Ausführungsform der Erfindung, bei der eingebettete Permanentmagnete verwendet werden.
  • Die 11 ist eine Querschnittansicht gemäß der Schnittlinie 11-11 der 10, die den Bereich des Rotors mit den eingebetteten Permanentmagneten wiedergibt
  • Die 12 ist ein Blockschaltbild eines Spannungsreglers für eine durch eine Brückenschaltung gesteuerte Rotorwicklung eines hybriden Wechselslromgenerators.
  • Die 13 ist ein detailliertes Schaltbild einer Schaltung gemäß dem Blockschaltbild der 12.
  • Die 14 ist ein Schaltbild einer neuartigen Anordnung für einen hybriden Wechselstromgenerator, bei dem die Rotorwicklung mit dem neutralen Punkt der Statorwicklung verbunden ist.
  • AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
  • In der 1, auf die nun Bezug genommen wird, umfaßt der Wechselstromgenerator der Erfindung einen Stator 10, der in der Längsrichtung ein erstes Statorgebiet 12 und ein zweites Statorgebiet 14 hat. Eine Dreiphasen-Statorwicklung 16, wie sie in der 4 wiedergegeben ist, erstreckt sich durch Schlitze 18 (in den 2 und 3 wiedergegeben), die auf der Innenseite des Stators 10 gebildet sind.
  • Ein Rotor, der mit dem Pfeil 20 allgemein bezeichnet ist, ist zwecks Rotation innerhalb des Stators auf einer Welle 22 angebracht. Der Rotor umfaßt einen Wicklungs-Rotorbereich 24, der innerhalb des ersten Statorgebiets 12 rotiert, und einen Permanentmagnet-Rotorbereich 38, der innerhalb des zweiten Statorgebiets 14 rotiert.
  • Der Wicklungs-Rotorbereich 24 hat eine Rotorwicklung 28, die erregt wird, um ein Magnetfeld zu erzeugen, wenn über die auf der Welle 22 angebrachten Schleifringe 30, 32 ein Strom zugeführt wird. Herkömmliche Bürsten (nicht wiedergegeben) werden innerhalb des Gebiets 34 des Gehäuses 36 angebracht, um Kontakt mit den Schleifringen 30, 32 zu machen und der Rotorwicklung den Erregungsstrom zuführen zu können.
  • Der Permanentmagnet-Rotorbereich 38 ist in einem gewissen Abstand in der Längsrichtung von dem Wicklungs-Rotorbereich 24 auf der Welle 22 angebracht. Er umfaßt eine Vielzahl von auf seinem Umfang angeordneten Permanentmagneten 40, die so angebracht sind, dass die Magnetisierung radial zu der Rotorwelle orientiert ist. Die Magnete erhalten ein mehrpoliges, permanentes Magnetfeld aufrecht, das sich über den zwischen den Rotor und dem Stator vorhandenen Luftspalt hinweg erstreckt.
  • Die 2 ist ein Querschnitt des ersten Gebiets 12 des Stators, innerhalb dem sich der Wicklungsrotor dreht. Der Wicklungsrotor ist in herkömmlicher Weise aus mehreren dünnen Blechen gebildet, die die in der 2 wiedergegebene Querschnittsform haben, und die längs der Rotorwelle aufeinandergestapelt sind. In alternativer Weise können die Wicklungsrotor-Pole unter Verwendung von massivem, gegossenem magnetischem Material hergestellt werden. Jedes Blech des Rotors umfaßt eine Vielzahl von Polen 42, um die herum die Rotorwicklungen 28 angeordnet sind, wobei die aufeinanderfolgenden Pole in entgegengesetzten Richtungen gewickelt sind, um abwechselnd Nord- und Süd-Magnetfelder zu erzeugen.
  • Folglich wirken das erste Gebiet 12 des Stators und der Wicklungs-Rotorbereich 24 des Rotors als ein Wechselstromgenerator mit vorspringenden Polen, um an den Ausgangsdrähten 44, 46 und 48 (in den 1 und 4 wiedergegeben) der Statorwicklungen 16 eine Ausgangsspannung zu erzeugen, wenn den Rotorwicklungen 28 ein Erregungsstrom zugeführt wird.
  • HYBRIDER WECHSELSTROMGENERATOR – RADIAL MAGNETISIERTE PERMANENTMAGNETE
  • Die 3 ist ein Querschnitt des Permanentmagnet-Rotorbereichs einer Ausführungsform des Wechselstromgenerators. Der Permanentmagnet-Rotorbereich umfaßt acht (8) Permanentmagnete 40, die als rechteckige Platten geformt sind, und in den Permanentmagnet-Rotorblechen 38 festgehalten werden. Alternative Konstruktionen können mehr oder weniger als acht Magnetpole haben, aber sie haben immer die gleiche Anzahl von Polen wie der Wicklungs-Rotorbereich. Es können andere Formen als rechteckige Platten verwendet werden, zum Beispiel kann die Dicke der Platte variiert werden, um die Kurve des Rotors anzupassen.
  • Jede Permanentmagnetplatte ist in der Dickenrichtung magnetisiert und so angebracht, dass Magnetisierung radial orientiert ist, d. h., in einer Richtung, die senkrecht zu der Welle 22 und senkrecht zu den großen Flächen der Platte 40 ist.
  • Die Platten werden in Öffnungen festgehalten, die in den Blechen 38 über den Umfang des Permanentmagnet-Rotors vorgesehen sind, und sie sind abwechselnd orientiert, wobei der Nordpol einer Platte nach außen gerichtet ist, und der Nordpol der nächsten Platte nach innen gerichtet ist. Auf diese Weise wird das von dem Wicklungsrotor erzeugte Magnetfeld zu dem permanenten Magnetfeld addiert, wenn der Rotorwicklung 28 ein Vorwärtserregungsstrom zugeführt wird, und von dem permanenten Magnetfeld subtrahiert, wenn ein Rückwärtsstrom zugeführt wird. Bei der wiedergegebenen Konstruktion sind die Permanentmagnete aus Neodym hergestellt, aber es können auch Magnete aus anderen magnetischen Materialien, wie Keramik- oder Samarium-Kobalt-Magnete verwendet werden, die bei bestimmten Anwendungen bevorzugt werden. Bei der Herstellung werden die Neodymmagnete vernickelt.
  • Außer den Öffnungen, in denen die Magnete festgehalten werden, umfassen die Bleche 38 mehrere Öffnungen 50, um das Gewicht zu verringern und Kühlluft durch den Wechselstromgenerator strömen zu lassen.
  • Wer mit elektrischen Maschinen im allgemeinen, und mit Wechselstromgeneratoren im besonderen vertraut ist, wird verstehen, dass die Permanentmagnete 40 ein permanentes Magnetfeld in dem Rotor erzeugen, das in der Statorwicklung 16 eine Spannung erzeugt, wenn die Welle 22 gedreht wird. Die Drehung der Welle erfolgt im allgemeinen durch einen Riemen/Riemenscheiben-Antrieb, aber ein Zahnradantrieb oder ein anderes Antriebsmittel kann auch verwendet werden.
  • Bei der in der 1 wiedergegebenen Konstruktion erstrecken sich die Statorwicklungen 16 von dem ersten Statorgebiet, das den Wicklungs-Rotorbereich umgibt, kontinuierlich bis zu dem zweiten Statorgebiet, das den Permanentmagnet-Rotorbereich umgibt. Wenn sich die Welle 22 dreht, wird folglich in der Statorwicklung 16 eine Spannung induziert, die teilweise auf das Magnetfeld der Permanentmagnete, und teilweise auf das Magnetfeld, das durch den Erregungsstrom in den Wicklungen 28 des Wicklungs-Rotorbereichs erzeugt wird, zurückzuführen ist. Es ist auch möglich, getrennte Wicklungen in den zwei Statorabschnitten zu verwenden, und ihre Ausgangsspannungen elektrisch miteinander zu kombinieren.
  • Bei der in den 1, 2 und 3 wiedergegebenen Konstruktion sind die Statorbereiche des Wechselstromgenerators in dem Gebiet 14 und dem Gebiet 12 gleich, und sie umfassen identische Schilitze 18 und identische Statorwicklungen 16. Die Schlitze 18 können jedoch schräg verlaufen, so dass sich eine Verdrehung ergibt, die über die Länge des Stators gleich einer oder mehr Statorschlitz-Teilungen ist. Die Verdrehung hat den Zweck, eine magnetische Verzahnung zu verhindern. Wenn eine solche Verdrehung nicht vorhanden ist, werden infolge der variablen Reluktanz, die durch die Schlitzöffnungen in dem Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor verursacht wird, eine magnetische Verzahnung und eine unerwünschte Vibration erzeugt.
  • Der Stator ist als ein Stapel dünner Bleche aus Elektrostahl gebildet. Jedes Element des Stapels ist bezüglich der benachbarten Elemente genügend versetzt, um die Verdrehung von einer Statorschlitzteilung über die Länge des Stators zu bilden.
  • Obwohl dies in der 3 nicht gezeigt ist, kann der Permanentmagnet-Rotorbereich eine vorgefertigte zylindrische Hülse aus einem leichten, aber festen Material, wie Kohlefaser, die in ein Harz eingebettet ist, umfassen. Die Hülse hat eine geringe Wanddicke und einen Durchmesser, der gleich dem Durchmesser des Permanentmagnet-Rotorbereichs ist. Sie umgibt den Permanentmagnet-Rotorbereich, und verhindert, dass die Magnete 40 durch die Zentrifugalkraft, die sich bei dem Lauf mit hoher Drehzahl ergibt, nach außen geschleudert werden und den Stator beschädigen.
  • Wenn sich die Welle 22 des Wechselstromgenerators zu drehen beginnt, induziert der Magnetbereich eine Spannung in der Statorwicklung 16, die gleichgerichtet wird, um eine gewünschte Ausgangsspannung zu erhalten. In der 4, auf die nun Bezug genommen wird, besteht eine typische Statorwicklung 16 aus drei Schenkeln, die mit einem am sechs Leistungsdioden 60 gebildeten Ganzwellen-Spannungsgleichrichter verbunden sind. Die Leistungsdioden 60 richten die Ausgangsspannung gleich und liefern die Ladespannung, um die Batterie 62 zu laden, und sie versorgen ein Fahrzeug über den Ausgang 64 mit elektrischem Strom für die Zubehörteile.
  • Bei niedrigen Drehzahlen reicht die aufgrund der Permanentmagnete erzeugte Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators nicht am, um die volle Spannung zu liefern, die an dem Ausgang 64 benötigt wird. Daher wird eine Vorwärtserregungsspannung an die Rotorwicklung 28 angelegt Dies hat zur Folge, dass der Strom in dem Rotor zunimmt, die Stärke des von der Rotorwicklung erzeugten Magnetfeldes zunimmt, und die Ausgangsspannung der Statorwicklungen 16 zunimmt, wodurch die Ausgangsspannung bis auf das gewünschte Niveau angehoben wird. Die Vorwärtsspannung und der dadurch hervorgerufene Vorwärtsstrom sind die Spannung und der Strom, die bewirken, dass in einem Verstärkungsmodus das Magnetfeld der Rotorwicklung zu dem Magnetfeld der Permanentmagnete addiert wird.
  • Eine Verstärkung der Ausgangsspannung durch Zuführen eines Vorwärtserregungsstroms zu den Rotorwicklungen 28 ist nur bei niedrigen Motordrehzahlen notwendig. Wenn die Motordrehzahl zunimmt, nimmt die Ausgangsspannung des Stators zu, und es wird ein Punkt erreicht, bei dem die gewünschte Ausgangsspannung von dem Stator allein infolge des Permanentmagnet-Rotorbereichs erzeugt wird. Bei dieser Drehzahl muß der Rotorwicklung 28 kein Erregungsstrom zugeführt werden. Über dieser Drehzahl würde der Permanentmagnet-Rotorbereich jedoch eine Überspannung in den Statorwicklungen erzeugen.
  • Um der zu hoben Spannung bei hohen Drehzahlen entgegenzuwirken, wird der Rotorwicklung 28 ein Rückwärtserregungsstrom zugeführt, der in einem Kompensationsmodus die Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators verringert Die 5 ist ein Diagramm, in dem der Wicklungsstrom in der Rotorwicklung 28, der erforderlich ist, um eine konstante Ausgangsspannung an dem Ausgang 64 der Statorwicklungen 16 aufrechtzuerhalten, als Funktion der Motordrehzahl wiedergegeben ist. Das Diagramm ist wiedergegeben, um eine mögliche Verwirklichung der Erfindung zu veranschaulichen. Änderungen des Übersetzungsverhältnisses zwischen Wechselstromgenerator und Motor, der Anzahl der Windungen und des Widerstandes der Windungen auf dem Rotor und dem Stator, und der relativen Stärke der von den Magneten und der Rotorwicklung erzeugten Felder beeinflussen die tatsächliche Kurve bei einer spezifischen Anwendung.
  • Aus der 5, auf die nun Bezug genommen wird, ist ersichtlich, dass der Verstärkungsbereich der Kurve 66, in dem ein Vorwärtserregungsstrom erforderlich ist, von dem Leerlauf bei ungefähr 600 UPM bis zu ungefähr 1200 UPM reicht. Wenn die Drehzahl von 600 UPM bis auf 1200 UPM ansteigt, nimmt die für die Aufrechterhaltung einer konstanten Ausgangsspannung erforderliche Starke des Vorwärtserregungsstroms ab, wobei sie bei dem Punkt 70 null erreicht. Bei diesem Punkt rührt die gesamte Erregung von dem Permanentmagnet-Rotorbereich her. Bei Drehzahlen über 1200 UPM ist man in dem Kompensationsbereich 68 der Kurve. In diesem Abschnitt der Kurve ist eine durch die negativen Stromwerte auf der vertikalen Achse gekennzeichnete Rückwärtserregung erforderlich, um zu verhindern, dass die Ausgangsspannung das gewünschte Niveau übersteigt.
  • Der Kreuzungspunkt 70 zwischen dem Verstärkungsmodus und dem Kompensationsmodus kann durch Variieren des relativen Anteils der Ausgangsspannung des Wicklungs-Rotorbereichs und des Permanentmagnet-Rotorbereichs eingestellt werden. In der 1, auf die nun Bezug genommen wird, kann dies durch Einstellen der Starke der Permanentmagnete 40 oder des von der Rotorwicklung erzeugten Feldes erreicht werden. In alternativer Weise kann der relative Anteil durch Variieren der relativen Größen des Permanentmagnet-Rotorbereichs 14 und des Wicklungs-Rotorbereichs 12 verändert werden. In der 1 wurden diese Bereiche als Bereiche von ungefähr gleicher Größe dargestellt, aber die Verhältnisse können nach Wunsch variiert werden, um den Kreuzungspunkt zwischen dem Verstärkungs- und dem Kompensation-Betriebsgebiet einzustellen.
  • HYBRIDER DOPPELSPANNUNGS-WECHSELSTROMGENERATOR
  • Bei der in der 1 wiedergegebenen, einfachsten Form der Erfindung wird für die Statorwicklung 16 ein in der 4 wiedergegebener, herkömmlicher Schaltungsentwurf verwendet. Es können jedoch andere Statorwicklungsanordnungen verwendet werden. Zum Beispiel ist bekannt, dass auf dem Stator zwei voneinander unabhängige Wicklungen angebracht werden können, um zwei verschiedene Ausgangsspannungen zu erzeugen. Bei der vorliegenden Erfindung wird diese Methode zur Erzeugung einer doppelten Spannung in Erwägung gezogen, wenn eine Ausgangsspannung von 12 Volt, sowie eine höhere Ausgangsspannung, gewöhnlich 48 Volt, gewünscht werden. Eine bevorzugte Methode für den Doppelspannungsbetrieb ist jedoch, eine Spannungswandlerschaltung von der in Verbindung mit der 4 beschriebenen Art zu verwenden.
  • Andere Varianten der Erfindung werden auch in Erwägung gezogen. Zum Beispiel kann bei einer Einzelspannungskonfiguration die Statorwicklung zwei voneinander unabhängige Statorwicklungen aufweisen, wobei eine nur innerhalb des ersten Gebiets 12, das den Wicklungs-Rotorbereich umgibt, angeordnet ist, und eine innerhalb des zweiten Gebiets 14, das den Permanentmagnet-Rotorbereich umgibt, angeordnet ist. Die Ausgangsspannungen dieser getrennten Statorwicklungen werden dann, wenn erforderlich, elektrisch miteinander kombiniert, um die gewünschte Ausgangsspannung zu erzeugen.
  • In der 1, auf die weiterhin Bezug genommen wird, ist zu sehen, dass ein Zwischenraum 52 zwischen den zwei Gebieten des Stators vorhanden ist. Der Zwischenraum ist nicht unbedingt erforderlich, aber wenn er vorgesehen wird, sollte er aus einem Material mit einer relativ niedrigen Permeabilität bestehen, um die magnetischen Gebiete 12 und 14 des Stators gegenseitig zu isolieren. Der Zwischenraum kann ein einfacher Luftspalt sein, oder er kann teilweise oder vollständig mit einem festen Material mit niedriger magnetischer Permeabilität, wie Kunststoff oder dergleichen, ausgefüllt sein. Wenn sich die Statorwicklung 16 von einem Gebiet 12 ganz durch den Zwischenraum bis in das zweite Gebiet 14 erstreckt, kann der Zwischenraum mit einem Material ausgefüllt werdem, das senkrecht zu dem Rotor die gleiche Querschnittsform wie der Stator hat, um eine kontinuierliche Nut 18 zu erhalten, in der die Statordrähte, die die Wicklung 16 bilden, liegen können.
  • HYBRIDER WECHSELSTROMGENERATOR – RADIALE KÜHLSCHLITZE DURCH DEN STATOR
  • Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Luftspalt 52 zwischen den Statorabschnitten 12 und 14 nicht ausgefüllt, sondern offen für die Außenluft. Kühlluft kann über den Luftspalt 52 zwischen den Statorabschnitten in das Innere des Wechselstromgenerators einströmen, wo sie dann an den Enden des Wechselstromgenerators ausströmt. Gewöhnlich wird die Luftströmung durch Ventilatoren hervorgerufen, die an einem oder beiden Enden des Ventilators angebracht sind (nicht wiedergegeben).
  • Die in der 1 wiedergegebene Zweiabschnitts-Geometrie für den Stator ermöglicht, dass die Kühlluft in das mittlere Gebiet des Wechselstromgenerators einströmt, wo eine Kühlung am meisten benötigt wird. Diese Bauweise erhöht die Dissipation der Wärmeenergie in der Einheit, während gleichzeitig die Ausgangsleistungsdichte maximiert wird. Der Luftspalt ist vorzugsweise mit einem axialen Distanzstück versehen, das eine Reihe von radial orientierten Öffnungen hat, die den Luftspalt über ungefähr 85% der Umfangsoberfläche des Distanzstücks offen lassen, damit Kühlluft in den wärmsten Teil des Wechselstromgenerators einströmen kann. Der Pfeil 53 gibt das Einströmen von Kühlluft in das Innere des Wechselstromgenerators an, wobei diese Kühlluft radial durch den Stator strömt, im Gegensatz zu den Wechselstromgeneratoren des Standes der Technik, bei denen die Luft in diesem Abschnitt nur in der Längsrichtung strömt.
  • Die Luft, die durch den Stator radial einströmt, kann durch den Zwischenraum zwischen dem Rotor und dem Stator strömen. Der Wicklungs-Rotorabschnitt kann auch mit Luftströmungsöffnungen versehen werden, die axial ausgerichtet sind und den Luftströmungsdurchgängen 50 in dem Permanentmagnet-Rotorabschnitt entsprechen. Die Luft, die durch den Statorkern bis in die Mitte des Wechselstromgenerators gesaugt wird, strömt über kritische Abschnitte der Statorspule, Abschnitte der Rotorwicklungen und Dioden, sowie durch den Permanentmagnet-Rotorabschnitt.
  • Durch die Luftströmungsöffnungen in dem Statorkern-Distanzstück und in den Rotorabschnitten wird nicht nur die Temperatur des Wechselstromgenerators verringert und die Luftströmung erhöht, sondern auch das Gesamtgewicht des Wechselstromgenerators wesentlich reduziert. Die Luftströmungsöffnungen in den bezeichneten Gebieten sind in Abschnitten des Wechselstromgenerators gelegen, in denen kein bedeutender Magnetfluß vorhanden ist. Folglich vermindern diese Öffnungen und Luftströmungslöcher die elektrische Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators nicht, und sie beeinträchtigen auch nicht den Wirkungsgrad des Wechselstromgenerators.
  • Im Gegensatz dazu ermöglichen die Lundell- oder Klauenpolgeometrie-Wechselstromgeneratoren des gegenwärtigen Standes der Technik nur eine Ventilation an beiden Enden. Es ist nicht möglich, durch den mittleren Abschnitt des Statorkerns zu ventilieren, und es besteht auch nicht die Möglichkeit, durch die Rotorfläche zu ventilieren, weil die Lundell- und Klauenpol-Konstruktion eine ziemlich massive Konstruktion ist, ohne Hohlraume oder Gebiete, die für die Luftströmung verwendet werden könnten.
  • Wenn zusätzliche parallele Luftströmungspfade vorgesehen werden, müssen die Kühlventilatoren in dem Wechselstromgenerator kein so großes Druckdifferential erzeugen, um eine bestimmte Luftströmung hervorzurufen. Dies vermindert das Gesamtgeräusch des Wechselstromgenerators und/oder ermöglicht, den Ventilatorflügeldurchmesser und die Flügelkonstruktion zu verändern, um die Gesamtgröße des Wechselstromgenerators zu vermindern.
  • Die Luftströmung ist besonders nützlich, um die Temperatur der Permanentmagnete unter allen Betriebsbedingungen so niedrig wie möglich zu halten. Dies erhöht die Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators und minimiert die Gefahr einer Entmagnetisierung bei hohen Temperaturen. Der Wechselstromgenerator kann daher unter den Hochtemperaturbedingungen, die unter der Motorhaube von modernen Autos herrschen, eine möglichst hohe Nennausgangsleistung zuerkannt werden.
  • SPANNUNGSREGELUNG – GRUNDLEGENDER ZWEIZUSTANDS-PBM-REGLER
  • Um bei dem Wechselstromgenerator eine gewünschte konstante Ausgangsspannung auf echtzuerhalten, ist es notwendig, der Rotorwicklung 28 einen Vorwärts- oder Rückwärts-Erregungsstrom zuzuführen, der auf ähnliche Weise wie in der 5 variiert Die 4 gibt eine Rotor-Erregungsschaltung wieder, die für die Erreichung dieses Ziels geeignet ist. Die gleichgerichtete Ausgangsspannung 64 des Stators wird in einer Summierschaltung 82 mit einer Bezugsspannung 80 verglichen, wobei die Bezugsspannung 80 von der Ausgangsspannung 64 subtrahiert wird, und über die Leitung 84 ein Fehlersignal auf den Funktionsgenerator 86 gegeben wird.
  • Der Funktionsgenerator steuert den Modulator 88, der über die Schleifringe 30, 32 einen Vorwärtserregungsstrom auf die Feldwicklung 28 gibt, wenn die Ausgangsspannung 64 niedriger als die Bezugsspannung 80 ist. Gewöhnlich wird die Bezugsspannung auf die gewünschte Ladespannung für die Batterie 62 eingestellt Der Funktionsgenenerator führt der Feldwicklung 28 einen Rückwärtserregungsstrom zu, wenn die Ausgangsspannung 64 über die Bezugsspannung 80 ansteigt.
  • Der Funktionsgenerator 86 und der Modulator 88 können einfach einen gleichmäßigen Vorwärts- oder Rückwärtserregungsstrom von der Stärke liefern, die erforderlich ist, um die gewünschte Ausgangsspannung zu erzeugen und das Fehlersignal 84 linear auf null zu verringern. Es ist jedoch nur erforderlich, dass sich der mittlere Strom den gewünschten Niveaus nähert, und daher besteht eine bevorzugte Methode darin, Impulse zu verwenden, um den mittleren Strom in der Rotorwicklung 28 einzustellen. Impulse mit positiver Polarität bewirken, dass ein Vorwärtsstrom zugeführt wird, und Impulse mit negativer Polarität bewirken, dass ein Rückwärtsstrom zugeführt wird. Die Breite der Impulse wird variiert, um den mittleren Strom zu variieren. Dies ergibt einen elektrisch wirksamen Schaltungsentwurf der den variierenden Strom erzeugt. Dieser Schaltungsentwurf stellt die grundlegende Zweizustands-Pulsbreitenmodulations (PBM)-Spannungsreglerschaltung dar, die zwischen dem Vorwärtspolaritätsmodus und dem Rückwärtspolaritätsmodus unmittelbar hin- und herschaltet.
  • SPANNUNGSREGELUNG – DOPPELSPANNUNGS-WECHSELSTROMGENERATOR
  • Die Rotorerregungsschaltung, die die Elemente 80–88 aufweist, ergibt bei 64 eine konstante Ausgangsspannung, um die elektrischen Schaltungen zu versorgen und die Batterie 62 zu laden. Wenn der Wechselstromgenerator ein Einzelspannungs-Wechselstromgenerator sein soll, ist dies ausreichend. Wenn der Wechselstromgenerator ein Doppelspannungs-Wechselstromgenerator sein soll, werden gewöhnlich ein oder zwei alternative Schaltungsentwürfe verwendet Bei dem einfachsten Schaltungsentwurf wird der Stator mit einer zweiten Wicklung versehen, wie oben erwähnt wurde. Das Fehlersignal 84 kann auf der Ausgangsspannung von nur einer der zwei Statorwicklungen basieren, wobei die zweite Ausgangsspannung ihr eigenes Niveau erreicht, wenn die erste geregelt wird.
  • In alternativer Weise kann ein Fehlersignal, das eine Funktion der Ausgangsspannung beider Wicklungen ist, verwendet werden, so dass keine der Ausgangsspannungen voll geregelt wird, aber beide ungefähr auf dem gewünschten Niveau gehalten werden, das durch das zusammengesetzte Fehlersignal festgelegt wird.
  • Die 4 gibt jedoch einen bevorzugten alternativen Schaltungsentwurf für einen erfindungsgemäßen Doppelspannungs-Wechselstromgenerator wieder. Bei diesem Schaltungsentwurf ist der Wechselstromgenerator hauptsächlich ein Einzelspannungs-Wechselstromgenerator, der an dem Ausgang 64 eine konstante Spannung für die Batterie 62 erzeugt, die die Batterie mit der höheren Spannung ist.
  • Anstatt die zweite Spannung mit einer zweiten Wicklung zu erzeugen, wird eine Spannungswandlerschaltung 90 vorgesehen. Auf eine ähnliche Weise, wie bei der obigen Erregungsschaltung beschrieben wurde, wird eine Bezugsspannung 94 mit einer an die zweite Batterie 92 angelegten Ausgangsspannung 96 in einer Summierschaltung 98 summiert, um auf der Leitung 100 ein Fehlersignal zu erzeugen.
  • Ein Funktionsgenerator 102 steuert einen Modulator 104. Der Modulator 104 erzeugt eine Serie von Impulsen, um den Schalter 106 einer Schalt-Stromversorgung ein- und auszuschalten. Die Schalt-Stromversorgung ist vom herkömmlichen Typ und erzeugt eine geregelte Ausgangsspannung, die durch den Kondensator 108 und die Spule 110 gefiltert wird.
  • Die Spannungsquelle für den Schaltregler muß eine höhere Spannung als die Ausgangsspannung haben, und der Schaltregler kann entweder über die Leitung 114 mit dem Ausgang 64, oder über die gestrichelte Leitung 116 direkt mit den Statorwicklungen 16 verbunden werden.
  • Im allgemeinen wird die eine oder die andere Spannungsquelle ausgewählt, und es wird eine dauernde Verbindung über die Leitung 114 oder 116 anstatt eine Verbindung über einen Schalter 118 hergestellt.
  • HYBRIDER WECHSELSTROMGENERATOR – AXIAL MAGNETISIERTER PERMANENTMAGNET
  • Die 6 gibt eine erste alternative Ausführungsform des Wechselstromgenerators wieder, die mit 200 allgemein bezeichnet ist, und bei der zwei massive, scheibenförmige, mit mehreren Polen magnetisierte Permanentmagnete 210, 212 verwendet werden. Die Scheibe kann aus einem gebundenen Permanentmagnetmaterial bestehen. Der Statur 214 entspricht im wesentlichen dem Statur 14, der in Verbindung mit der vorherigen Ausführungsform beschrieben wurde, und daher nur in Form eines Umrisses wiedergegeben ist. Er umfaßt im allgemeinen eine Dreiphasenwicklung, die in den Schlitzen eines lamellierten oder gegossenen Stators aus hochwertigem Elektrostahl angebracht ist. Bei Doppelspannungskonstruktionen können, wenn gewünscht, zwei Wicklungen verwendet werden.
  • Statur-Luftspalte, die dem oben beschriebenen Statur-Luftspalt 52 entsprechen, können auf beiden Seiten des Wicklungs-Rotorbereichs vorgesehen werden, um den Permanentmagnetbereich des Stators gegenüber dem Wicklungsbereich zu isolieren. Ähnlich wie bei der in Verbindung mit den 1–3 beschriebenen Konstruktion kann ein einzelner Permanentmagnetbereich verwendet werden, oder es können zwei in der Längsrichtung getrennte Permanentmagnetbereiche auf den entgegengesetzten Seiten des Wicklungs-Rotorbereichs verwendet werden, wie bei der Ausführungsform der 6 gezeigt ist.
  • Das Permanentmagnetelement aus einer massiven Scheibe ist in der 7 getrennt wiedergegeben. Es könnte am getrennten Permanentmagnetelementen bestehen, aber besteht vorzugsweise am einem einzelnen Teil, das in der Dickenrichtung, das heißt, im zusammengebauten Zustand in der zu der Welle parallelen Längsrichtung magnetisiert ist. Diese Magnetisierungsrichtung ist um 90☐ (neunzig Grad) verschieden von der Magnetisierungsrichtung der in den 1 und 3 wiedergegebenen permanenten Magnete, wo die Magnetisierung in der radialen Richtung anstatt in der Längsrichtung orientiert ist.
  • Um Strom zu erzeugen, müssen die Feldlinien des Rotors durch den Luftspalt 216 zwischen dem Rotor und dem Statur hindurchgehen und die Statorwicklungen schneiden. Bei dem in der Längsrichtung orientierten Magnetfeld muß der Magnetfluß umgelenkt und nach oben zu dem Luftspalt hin gerichtet werden. Dies wird mittels eines Magnetfluß-Leitelements erreicht, das mit der Kennziffer 218 allgemein bezeichnet ist, und am mehreren Polsegmenten 220 besteht, wie in den 8 und 9 gezeigt ist. Die einzelnen Polsegmente 220 leiten den Magnetfluß von der Permanentmagnetscheibe 210 nach oben zu dem Luftspalt 216 hin, damit er die durch die Statorwicklungen hindurchgeht. Bin zweites Magnetfluß-Leitelement weist eine Magnetfluß-Rückführungsplatte 222 auf. Es werden zwei bei den Stirnflächen des Rotors gelegene Magnetfluß-Rückführungsplatten verwendet, eine für jede magnetische Scheibe.
  • Wenn der Permanentmagnet in einer massiven Scheibe gebildet wird und die Magnetisierungsrichtung geändert wird, wird eine verbesserte mechanische Festigkeit erreicht, und es ergeben sich größere Magnete und größere Magnetoberflächen. Dabei wird eine von Natur am feste Konstruktion erhalten, wobei der aus den großen Stirnflächen der Scheibe austretende Magnetfluß konzentriert wird, wenn er durch die Polsegmente 220 nach oben zu dem Luftspalt hin geleitet wird.
  • Bei der bevorzugten Konfiguration dieser Ausführungsform sind die Polsegmentschuhe 220 mit Öffnungen 224 gebildet, die die Wicklungsenden der Rotorwicklung einhüllen. Diese Form gibt den Wicklungen zusätzliche Festigkeit und ermöglicht, sehr hohe Drehzahlen zu erreichen, ohne den Rotor zu beschädigen.
  • Die Endplatten 222, die Permanentmagnetscheiben 210, die Polsegmentschuhe 220 und der Wicklungs-Rotorabschnitt werden durch Nieten 226 zusammengehalten, die sich durch Löcher 228 und 230 in den Segmentschuhen bzw. den Magnetscheiben erstrecken.
  • Die Rotorkomponenten der 6 sind auf die gleiche Weise wie in der 1 auf der Welle 22 angebracht. Die Welle 22 ist in einem Gehäuse gelagert und weist Schleifringe auf auf denen Bürsten aufliegen, um dem Wicklungs-Rotorabschnitt Strom zuzuführen. Die Ausgangsspannung und die Spannungsregelung sind so, wie oben beschrieben wurde.
  • HYBRIDER WECHSELSTROMGENERATOR – IN DER UMFANGSRICHTUNG MAGNETISIERTER PERMANENTMAGNET
  • In den 10 und 11 ist noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung wiedergegeben, die mit der Kennziffer 300 allgemein bezeichnet ist. Bei dieser Ausführungsform sind die Permanentmagnete 302 in ein am einem nicht-magnetischen Material, wie Aluminium, hergestelltes Zurückhalteelement 304 eingebettet, das eine Nabe um die Rotorwelle 22 herum bildet. Das Zurückhalteelement isoliert die Magnete magnetisch gegenüber der Nabe und hält sie sicher fest.
  • Wie bei jeder der vorhergehenden zwei Konstruktionen sind die Permanentmagnete 302 in ihrer Dickenrichtung magnetisiert. Sie sind jedoch so angebracht, dass ihre Magnetisierung in einer dritten Richtung orientiert ist, in diesem Fall in der Umfangsrichtung der Welle. Die eingebetteten Magnete in der 11 sind mit abwechselnden Orientierungen zwischen den Magnetfluß-Leitelementen 306 eingesetzt, die über den Umfang neben und zwischen den Magneten 302 angeordnet sind. Die Magnetfluß-Leitelemente 306 bestehen aus einem Material, das eine hohe magnetische Permeabilität hat. Sie leiten den Magnetfluß, der durch die Pfeile 308 gekennzeichnet ist, von den Magneten nach dem zwischen dem Rotor und dem Statur vorhandenen Luftspalt.
  • Diese Konstruktion ermöglicht, wie die in Verbindung mit den 6–9 beschriebene Konstruktion, eine relativ große Menge Permanentmagnetmaterial in einem kleinen Raum zu verwenden, wobei der Magnetfluß bei dem Rotorumfang konzentriert ist. Bei manchen Anwendungen ermöglicht dies die Verwendung von weniger teuren Permanentmagneten, wodurch die Kosten gesenkt werden. Bei anderen Anwendungen, bei denen Magnete mit hoher Energie verwendet werden, wird vielleicht die Konstruktion in den 1–3 bevorzugt.
  • Der Statur 310 ist im wesentlichen identisch mit dem Statur, der in Verbindung mit den 1–3 beschrieben wurde. Eine nicht-magnetische Endkappe 312 bietet eine Auflage für die Rotorwicklungsenden des Wicklungs-Rotorbereichs 314. Eine ähnliche Endkappe 312 für die Rotorwicklungsenden kann in das Magnet-Zurückhalteelement eingebaut werden, wie gezeigt ist, oder kann als ein getrenntes Teil gebildet werden. Dabei sollte angemerkt werden, dass dieses Endkappenteil zwar ähnlich aussieht wie das aus Teil 220 aus magnetischem Material in der 6, aber bei dieser Konstruktion aus einem nicht-magnetischen Material, und in der 6 aus einem magnetisch permeablen Material besteht.
  • SPANNUNGSREGLER – DREIZUSTANDS-SCHALTUNGSENTWURF
  • Die 12 veranschaulicht ein Blockschaltbild einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines Dreizustands-Spannungsreglers vom Brückenschaltungstyp. Der Spannungsregler steuert den bidirektionalen Stromfluß durch eine Wicklung 400 auf dem Rotor eines hybriden Wechselstromgenerators von einer oben beschriebenen Art Der Regler kann auch mit anderen Arten von Wechselstromgeneratoren oder Vorrichtungen, die eine Dreizustandssteuerung erfordern, verwendet werden. Die Rotorwicklung 400 induziert in Kombination mit dem Permanentmagnetbereich des Rotors einen Magnetfluß in der Statorwicklung 402, 404, 406 des hybriden Wechselstromgenerators.
  • Ein bidirektionaler Stromfluß wird mit Hilfe von vier Schaltern 408, 410, 412 und 414 erreicht, die in einer Brückenkonfiguration angeordnet sind, um einen Schaltkreis zu bilden. Ein erster oberer Schalter 408 ist mit einem ersten Ende der Wicklung 400 verbunden und bildet mit einem ersten unteren Schalter 414 ein erstes Schalterpaar. Wenn diese Schalter geschlossen sind, ist das erste Ende der Rotorwicklung 400 über die positive Hauptleitung 418 mit dem positiven Ende der Batterie 416 verbunden, und das zweite Ende der Rotorwicklung 400 über die Masse 420 mit dem negativen Ende der Batterie 416 verbunden. Wenn das erste Schalterpaar 408, 414 geschlossen ist, ist der Spannungsregler in dem sogenannten Vorwärtspolaritätsmodus oder Verstärkungsmodus, und es fließt Vorwärtsstrom von dem mit dem Schalter 408 verbundenen, ersten Ende der Rotorwicklung 400 nach dem mit dem Schalter 414 verbundenen, zweiten Ende der Rotorwicklung 400.
  • Ein zweiter oberer Schalter 410 bildet mit einem zweiten unteren Schalter 412 ein zweites Schalterpaar. Wenn das zweite Schalterpaar geschlossen ist, ist das zweite Ende der Rotorwicklung 400 mit der positiven Hauptleitung 418 verbunden, und das erste Ende mit der Masse 420 verbunden. Bei dieser Konfiguration ist der Spannungsregler in dem sogenannten Rückwärtspolaritätsmodus oder Kompensationsmodus. Die Steuerlogik ist so ausgelegt, dass sich diese Modi gegenseitig ausschließen. Die Wicklung 400 ist auf dem Rotor so angebracht, dass in dem Vorwärtspolaritätsmodus der von dem Vorwärtsstrom erzeugte Magnetfluß zu dem von dem Permanentmagnetabschnitt des Rotors hervorgerufenen Magnetfluß addiert wird.
  • Umgekehrt erzeugt in dem Rückwärtspolaritätsmodus ein Rückwärtsstrom in der Rotorwicklung 400 einen Magnetfluß von entgegengesetzter Polarität, der in subtraktiver Weise mit dem Magnetfluß von den Permanentmagneten kombiniert wird.
  • Um die Ausgangsspannung des hybriden Wechselstromgenerators zu regeln, wurde gemäß dem Stand der Technik die Rotorwicklung 400 einfach zwischen dem Vorwärtspolaritätsmodus und dem Rückwärtspolaritätsmodus umgeschaltet, wie dies bei dem obigen grundlegenden PBM-Regler beschrieben wurde. Ein Spannungsregler, der nur in diesen zwei Modi arbeitet, kann als ein Zweizustands-PBM-Spannungsregler bezeichnet werden. Der Spannungsregler wird in den Vorwärtspolaritätsmodus umgeschaltet, wenn gewünscht wird, die Ausgangsspannung zu vergrößern, und in den Rückwärtspolaritätsmodus umgeschaltet, wenn gewünscht wird, die Ausgangsspannung zu verkleinern.
  • Wie oben diskutiert wurde, ist jedoch, wenn über die Schalter 408 und 414 ein Vorwärtsstrom in der Rotorwicklung 400 hervorgerufen wurde, in dem von der Spule 400 erzeugten Magnetfeld eine beträchtliche Energie gespeichert. Wenn das erste Schalterpaar 408 und 414 sofort geöffnet wird, und das zweite Schalterpaar 410, 412 sofort geschlossen wird, wird der in dem Vorwärtspolaritätsmodus hervorgerufene Strom weiterhin fließen, da das Magnetfeld der Rotorwicklung 400 langsam zusammenbricht Unter gewissen Bedingungen fließt dieser Vorwärtsstrom als Rückwärtsstrom über den zweiten oberen Schalter 410 und den unteren Schalter 412. Er erscheint auch als Rückwärtsstrom auf der positiven Hauptleitung 418. Wenn die Nettolasten auf der Hauptleitung niedrig sind, und sofern die Batterie 416 angeschlossen ist, fließt dieser Rückwärtsstrom normalerweise in die Batterie, die er ein wenig lädt. Wenn jedoch keine Batterie angeschlossen ist, oder andere Bedingungen nicht erfüllt sind, was leicht vorkommen kann, wird eine große Spannungsspitze erzeugt, die die Fahrzeugkomponenten beschädigen kann.
  • Diese Spitzen und andere Spitzen, die infolge sich ändernder Lasten bei dem elektrischen System des Fahrzeugs erzeugt werden, können begrenzt werden, wenn ein Kondensator zwischen der positiven Hauptleitung 418 und der Masse 420 an die Klemmen der Batterie 16 angeschlossen wird. Ein Kondensator von genügender Größe und mit einer für den Betrieb unter der Motorhaube eines Fahrzeugs geeigneten Nenntemperatur würde jedoch teuer sein.
  • Daher wird bei der bevorzugten Ausführungsform des Spannungsreglers eine Konfiguration verwendet, die als ein Dreizustands-Spannungsregler-Schaltungsentwurf bezeichnet werden kann. Bei diesem Schaltungsentwurf wird ein normaler Vorwärtspolaritätsmodus verwendet, um einen Vorwärtsstrom in der Wicklung 400 fließen zu lassen, oder einen vorhandenen Vorwärtsstrom zu verstärken. Der Rückwärtspolaritätsmodus wird verwendet, um einen Rückwärtsstrom fließen zu lassen, oder den Rückwärtsstrom zu verstärken. Auf den dritten Modus, der hier als Abklingmodus bezeichnet wird, wird umgeschaltet, wenn der Spannungsregler den Vorwärtspolaritätsmodus oder den Rückwärtspolaritätsmodus verläßt.
  • In dem Abklingmodus (der auch als ein Nullspannungs- oder Nullpolaritätsmodus angesehen werden kann) kann der in einem der zwei anderen Modi hervorgerufene Strom durch die Rotorwicklung fließen und zu null hin abklingen, ohne irgendwelche schädlichen Spannungen in der übrigen Schaltung hervorzurufen. Auf den Abklingmodus wird nach einem der zwei anderen Modi umgeschaltet, falls ein Abklingstrom vorhanden ist, um einen direkten Übergang von dem Vorwärtspolaritätsmodus auf den Rückwärtspolaritätsmodus, oder den umgekehrten Übergang, zu vermeiden, was zur Folge hätte, dass ein umgekehrter Strom auf der Hauptleitung fließen würde.
  • Wer mit Vierelement-Brückenschaltungen, zum Beispiel Ganzwellen-Brückengleichrichtern und dergleichen, vertraut ist, wird wissen, dass bei der herkömmlichen Verwendung von Brückenschaltungen gegenüberliegende Elementpaare gleichzeitig leiten. Folglich leitet das erste Schalterpaar in einem Zustand, und das zweite Schalterpaar in dem anderen Zustand. Bei diesem Dreizustands-Schaltungsentwurf werden zwei Elemente, die einander direkt (anstatt diagonal) gegenüberliegen, gleichzeitig geöffnet, und Strom kann durch die verbleibenden zwei Elemente in Form eines zirkulierenden Abklingstroms fließen.
  • Zum Beispiel sind in dem Vorwärtspolaritätsmodus die Schalter 408 und 414 geschlossen. In dem Abklingmodus ist der Schalter 408 geöffnet, während der Schalter 414 geschlossen bleibt. Bei manchen Verwirklichungen der Erfindung ist der Schalter 412 zu diesem Zeitpunkt geschlossen, um einen leitenden Pfad in der Vorwärtsrichtung nach unten über den ersten unteren Schalter 414, und zurück in der Rückwärtsrichtung über den zweiten unteren Schalter 412 zu haben. Wie unten ausführlicher diskutiert werden wird, sind die Schalter 412 und 414 jedoch Halbleiterschalter, vorzugsweise Feldeffekttransistoren, die die Eigenschaft haben, dass sie über eine innere Diode in dem Rückwärtsmodus leiten können, ohne dass ein Steuersignal angelegt wird, um den Schalter zu schließen. Diese innere Diode erzeugt einen Spannungsabfall, wenn ein Rückwärtsstrom auftritt, was benutzt wird, um festzustellen, ob ein Abklingstrom vorhanden ist.
  • Der Abklingmodus kann auch verwirklicht werden, wenn ermöglicht wird, dass der Abklingstrom über die oberen Schalter 408 und 410 fließt.
  • In der 12, auf die weiterhin Bezug genommen wird, wird die durch die kombinierte Wirkung des Magnetflusses der Rotorwicklung 400 und des Magnetflusses der Rotor-Permanentmagnete in den Statorwicklungen 402, 404 und 406 induzierte Spannung in einem herkömmlichen, aus sechs Dioden 422, 424, 426, 428, 430 und 432 bestehenden Dreiphasen-Ganzwellen-Brückengleichrichter gleichgerichtet. Diese sechs Dioden entsprechen den Dioden 60 in der 4. Die gleichgerichtete Ausgangsspannung wird über die positive Hauptleitung 418 auf die Batterie 416 gegeben, und sie versorgt ebenfalls die elektrische Last des Fahrzeugs über eine Verbindung (nicht wiedergegeben) mit der Hauptleitung 418.
  • Die Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators wird über die Leitung 434 durch eine Spannungsüberwachungsschaltung 436 überwacht. Die Spannungsüberwachungsschaltung vergleicht die Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators mit einer Bezugsspannung von der Bezugsspannungsschaltung 438, und erzeugt ein Fehlersignal auf der Leitung 440.
  • Das Fehlersignal 440 wird auf den Eingang der Steuerschaltung 442 gegeben. Die Steuerschaltung 442 umfaßt eine primäre Schaltung 444, eine Abklingstrom-Erfassungsschaltung 446 und eine Logikschaltung 448. Die primäre Schaltung spricht unmittelbar auf das über die Leitung 440 erhaltene Fehlersignal der Überwachungsschaltung an und erzeugt ein oder mehr primäre Steuersignale, die die Logikschaltung 448 veranlassen, die Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators zu vergrößern oder zu verkleinern.
  • Bei dem grundlegenden Zweizustands-PBM-Regler wurde das primäre Steuersignal verwendet, um das erste Schalterpaar einzuschalten, wenn eine größere Ausgangsspannung gewünscht wurde, und um das zweite Schalterpaar einzuschalten, wenn eine kleinere Ausgangsspannung gewünscht wurde.
  • In der vorliegenden Erfindung werden jedoch die primären Steuersignale in der Logikschaltung 448 aufgrund der von der Abklingstrom-Erfassungsschaltung 446 erhaltenen Information modifiziert, bevor sekundäre Steuersignale erzeugt werden. Die sekundären Steuersignale steuern die Zustände der Schalter 408, 410, 412 und 414 einzeln über Steuerleitungen 450, 452, 454 und 456.
  • Die Abklingstrom-Erfassungsschaltung 446 ist an die Rotorwicklung 400 angeschlossen, um den Abklingstrom in der Rotorwicklung 400 zu überwachen. Bei dem bevorzugten Schaltungsentwurf erfolgt diese Überwachung in geeigneter Weise über die Verbindungen 458 und 460 zwischen der Abklingstrom-Erfassungsschaltung 446 und dem ersten und zweiten Ende der Wicklung 400. Die Abklingstrom-Erfassungsschaltung 446 erzeugt ein oder mehr Sperrsignale, die über die Leitungen 462 und 464 auf Eingänge der Logikschaltung 448 gegeben werden. Fachleute auf diesem Gebiet werden erkennen, dass es andere Methoden gibt, um den Abklingstrom in der Wicklung 400 zu überwachen.
  • STROMVERSORGUNG FÜR DIE AUTOMATISCHE VERRIEGELUNG UND DEN INTERNEN SPANNUNGSREGLER
  • Drei zusätzliche Dioden 466, 468 und 470 liefern eine getrennte Spannung für eine interne Stromversorgung 472, die die Spannung VCC erzeugt. Die interne Stromversorgung 472 liefert die Spannung für den Betrieb der Spannungsreglerschaltung. Diese Spannung ist geregelt, um die Steuerspannungs-Stromversorgung für den Regler zu erhalten. Da der hybride Wechselstromgenerator sowohl einen Permanentmagneten, als auch eine Feldwicklung enthält, beginnt der Wechselstromgenerator, eine Spannung zu erzeugen, sobald er sich zu drehen beginnt. Wenn die Spannung größer wird, reicht sie aus, um die Elektronik zu versorgen, so dass ein zusätzliches Verstärkungs-Magnetfeld erzeugt werden kann. All dies geschieht noch bevor das Fahrzeug die Leerlaufdrehzahl erreicht, so dass der Spannungsregler im Leerlauf einwandfrei funktioniert.
  • Wenn das System auf diese Weise betrieben wird, wird eine automatische Verriegelung erhalten, bei der die Spannungsreglerschleife abgetrennt wird und beinahe null Feld- und Steuerstrom entnimmt, wenn sich der Wechselstromgenerator nicht dreht, aber die Spannungsregler-Elektronik automatisch verbunden wird, wenn der Wechselstromgenerator anläuft.
  • Eine automatische Verriegelung ist bei einem hybriden Wechselstromgenerator sehr wichtig, weil der Feldstrom nie ausgeschaltet werden sollte, wenn das System bei hohen Drehzahlen arbeitet, da schlimme Überspannungen und Überströme auftreten winden. Dies steht in klarem Gegensatz zu den gegenwärtigen Wechselstromgeneratoren, bei denen der Zündschalter das Spannungsregler-Feld ausschaltet. Es ist wichtig, dass der Wechselstromgenerator-Feldstrom null ist, wenn das Fahrzeug nicht in Betrieb ist und der Motor ausgeschaltet ist, um eine Stromentnahme am der Batterie zu vermeiden, aber dies sollte nicht mit dem Zündschlüssel allein gemacht werden, weil die Zündung versehentlich ausgeschaltet werden könnte, wenn der Wechselstromgenerator mit hoher Drehzahl läuft.
  • Die 13 ist ein detailliertes Schaltbild, das dem Blockschaltbild der 12 entspricht Die Batterie 416 ist mit den sechs (6) Brückengleichrichterdioden 422–432 verbunden, die wiederum auf die in der 12 wiedergegebene Weise mit den Statorwicklungen 402, 404 und 406 verbunden sind. Die Statorwicklungen 402, 404 und 406 sind in der 13 nicht wiedergegeben, aber sie sind auf die herkömmliche Weise angeschlossen.
  • Die interne Stromversorgung 472 weist eine Zenerdiode 500 auf, die die Ausgangsspannung VCC eines NPN-Transistors 502 regelt Dreipunkt-Spannungsregelvorrichtungen und andere Spannungsregelschaltungen wären auch geeignet.
  • Die Spannungsüberwachungsschaltung 436 überwacht die Batteriespannung 416 über die Leitung 434, bei der ein Spannungsabfall über die Widerstandsbrücke 504, 506 und 508 erzeugt wird. Der Widerstand 506 ist einstellbar, um die Ausgangsspannung des Reglers einstellen zu können. Die skalierte Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators wird in dem Fehlerverstärker 510 mit der Bezugsspannung von der Bezugsspannungsschaltung 438 verglichen.
  • Die Spannungsüberwachungsschaltung führt eine Fehlerverstärkung und eine Schleifenkompensation aus. Die Bezugsspannung von der Bezugsspannungsquelle 438 wird auf einen Eingang des Fehlerverstärkers 510 gegeben, und der andere Eingang des Fehlerverstärkers 510 wird mit einem Spannungsteiler für die Batteriespannung verbunden. Eine Integralkompensation erfolgt aufgrund der kapazitiven Eigenschaft des Rückkopplungsnetzes zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des Fehlerverstärkers 510. Das Kompensationsnetz ist mit dem Hinweispfeil 512 allgemein bezeichnet Dieses Netz beseitigt den GS-Fehler bei der Reglerspannung über den gesamten Drehzahl- und Lastbereich des Wechselstromgenerators.
  • Das Ausgangssignal des Fehlerverstärkers ist ein verstärktes Fehlersignal auf der Leitung 440, das auf den primären Schaltungsabschnitt 444 der Steuerschaltung 442 gegeben wird. Das Fehlersignal wird auf den Eingang eines einfachen Hystereseblocks gegeben, der von einem Hysterese-Inverter 516 gebildet wird, der als ein Zweizustandsmodulator wirkt. Wenn die Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators zu hoch ist, ist das Fehlersignal 440 niedriger, und das Ausgangssignal des Hysterese-Inverters 516 wird hoch. Dieses hohe Signal bewirkt immer, dass das Netto-Magnetfeld in dem Wechselstromgenerator abnimmt Wenn umgekehrt der Hysterese-Inverter 516 niedrig ist, nimmt das Netto-Magnetfeld in dem Wechselstromgenerator zu.
  • Die primäre Schaltung 444 erzeugt vier primäre Steuersignale auf den Leitungen 518, 520, 522 und 524. Das primäre Steuersignal auf der Leitung 518 wird unmittelbar an dem Ausgang des Zweizustandsmodulators 516 entnommen, und das primäre Steuersignal auf der Leitung 520 ist das invertierte, entgegengesetzte Signal dieses Signals. Das primäre Steuersignal 520 wird von dem Inverter 526 erzeugt Die Steuersignale auf den Leitungen 518 und 520 könnten verwendet werden, um die diagonal gegenüberliegenden Schalterpaare der Schaltbrücke bei einem grundlegenden Zweizustands-PBM-Regler-Schaltungsentwurf zu steuern. Sie dienen als der Ausgangspunkt für die hier wiedergegebene, modifizierte Steuerung, die die sekundären Steuersignale zur Folge hat, die die gewünschte Umschaltung tatsächlich ausführen.
  • Die Hysterese bei dem Inverter 516, kombiniert mit der Verstärkung und der Dynamik des Fehlerverstärkerblocks 436, steuert den Spannungsfehler und legt die Eigenschwingungsfrequenz der Schleife fest Die Funktion des primären Inverters 516 könnte auch von einem Pulsbreitenmodulator mit einem Sägezahnoszillator und entsprechenden Komponenten ausgeführt werden, aber ein solcher Schaltungsentwurf wäre komplexer und teurer als die in der 13 wiedergegebene, einfache digitale Schaltung.
  • Die primären Steuersignale auf den Leitungen 518 und 520 sind begleitet von verzögerten Kopien der primären Steuersignale auf den Leitungen 522 und 524, die von den Invertern 528 und 530 erzeugt werden. Das Ausgangssignal des Hysterese-Inverters 516 wird in einer einfachen Widerstands-Kondensator-Verzögerung verzögert, die mit dem Hinweispfeil 532 allgemein bezeichnet ist. Folglich führt die primäre Steuerleitung 522 eine verzögerte Version des primären Steuersignals auf der Leitung 520. Leitung 524 führt eine verzögerte Version des primären Steuersignals auf der Leitung 518. Die primären Steuersignale auf den Leitungen 518 und 520 werden verwendet, um Eingangssignale auf die Logikschaltung 448 zu geben, die schließlich die sekundären Steuersignale zum Umschalten der Schalter erzeugt, über die Strom durch die Wicklung 400 fließt.
  • Die Schaltelemente 408, 410, 412 und 414 in der 12 entsprechen den Feldeffekttransistoren (FETs) 534, 536 und 538, 540 mit ihrer zugehörigen Steuerelektronik in der 13. Wenn der FET 534, der dem ersten oberen Schalter entspricht, und der FET 540, der dem ersten unteren Schalter entspricht, eingeschaltet sind, ist der Wechselstromgenerator in dem sogenannten Vorwärtspolaritätsmodus. Wenn die FETs 536 und 538 eingeschaltet sind, ist der Wechselstromgenerator in dem sogenannten Rückwärtspolaritätsmodus. Der Wechselstromgenerator ist in dem sogenannten Abklingmodus, wenn beide oberen FETs ausgeschaltet sind, oder beide unteren FETs ausgeschaltet sind, was bedeutet, dass keine Spannung von der Batterie oder dem Wechselstromgenerator-Ausgang auf die Wicklung 400 gegeben wird.
  • Bei verschiedenen Verwirklichungen können beide oberen Schalter, oder beide unteren Schalter ausgeschaltet werden, um die Wicklung 400 von der Batterie abzutrennen. Mit zusätzlichen Komponenten können weitere Konfigurationen verwendet werden, damit eine Spannung von null Volt an der Wicklung 400 liegt.
  • Die Wicklung 400 muß nicht nur von der Batterie abgetrennt werden, sondern auch so verbunden werden, dass der Strom abklingen kann, ohne dass schädliche Spannungen in der übrigen Schaltung des Spannungsreglers oder anderswo in dem Auto hervorgerufen werden. Dies wird dadurch erreicht, dass der Abklingstrom über zwei der Schalter, die mit den entgegengesetzten Enden der Wicklung 400 verbunden sind, rezirkulieren kann. Bei dem in der 13 wiedergegebenen, bevorzugten Schaltungsentwurf verläuft der Rezirkulationskreis über die unteren zwei FETs. In alternativer Weise könnte der Rezirkulationsstrom jedoch über die oberen zwei FETs oder über andere Komponenten geleitet werden.
  • Die beiden FETs 538 und 540 könnten eingeschaltet werden, um den Rezirkulationskreis zu schließen, aber die FETs haben eine interne Diode, wodurch ein umgekehrter Strom selbst dann fließen kann, wenn sie nicht eingeschaltet sind. Wenn die FETs ausgeschaltet bleiben, ruft der rezirkulierende Abklingstrom eine Spannung über der internen Diode der unteren FETs hervor, die von der Abklingstrom-Erfassungsschaltung 446 über die mit dem ersten und zweiten Ende der Wicklung 400 verbundenen Leitungen 458 und 460 gefühlt wird.
  • Die Dioden 542 und 544 isolieren die Komparatoren 546 und 548 gegenüber den FETs, wenn der Drain der FETs während des Vorwärtspolaritäts- oder des Rückwärtspolaritätsmodus hoch ist. An einer Seite der Komparatoren 546 und 548 liegt eine mittels eines Spannungsteilers und einer Bezugsspannungsquelle 438 erhaltene Bezugsspannung Vref, und an der anderen Seite liegt eine gefilterte Version einer Spannung, die um einen Dioden-Spannungsabfall über der FET-Drainspannung liegt, wenn diese nahe bei der Massespannung liegt. Die Dioden 542 und 544 heben das Spannungsniveau um einen Dioden-Spannungsabfall an, so dass an den Eingängen der Komparatoren 546 und 548 keine negativen Spannungen benötigt werden.
  • Die Logikschaltung 448 ist in der 13 mit den logischen Gates 550, 552, 554, 556, 558, 560 und 562 verwirklicht Die mittels dieser Gates verwirklichte Logikschaltung erhält die primären Steuersignale und die Sperrsignale über die Leitungen 462 und 464 von der Abklingstrom-Erfassungsschaltung 446, um die sekundären Steuersignale auf den Leitungen 450, 452, 454, 456 zu erzeugen.
  • Wenn ein sekundäres Steuersignal, wie das sekundäre Steuersignal 454 hoch wird, wird der zugehörige FET, z. B. der FET 534, eingeschaltet Die von den Gates 550, 552 und 554 ausgeführte logische Funktion ist identisch mit der von den Gates 556, 558, 560 und 562 ausgeführten logischen Funktion. Es werden verschiedene logische Elemente zur Ausführung der gleichen logischen Funktion verwendet um die Anzahl der Teile zu verringern, die auf nur zwei logischen Chips verwirklicht werden können. Die logischen Gates 550 und 552 steuern die oberen FETs 534 bzw. 536.
  • Das logische Gate 550 ist ein AND-Gate mit drei Eingängen. Sein Ausgang ist nur dann hoch, und der zugehörige FET 534 ist nur dann eingeschaltet, wenn alle drei Eingangssignale des AND-Gates hoch sind. Diese drei Eingangssignale sind das primäre, unverzögerte PBM-Steuersignal auf der Leitung 518, das primäre, verzögerte PBM-Steuersignal auf der Leitung 524, und das Sperrsignal auf der Leitung 464 von der Abklingstrom-Überwachungsschaltung, die den Rückwärtsstrom in dem FET 540 überwacht.
  • Wenn das Sperrsignal auf der Leitung 464 vorhanden ist, bedeutet dies, dass als Folge eines ursprünglich in dem Rückwärtspolaritätsmodus hervorgerufenen Abklingstroms der Rückwärtsabklingstrom in der Wicklung 400 vorhanden ist. Das Sperrsignal auf der Leitung 464 hält den zweiten unteren FET 538 in dem eingeschalteten Zustand, und verhindert, dass der unmittelbar darüber liegende FET 534 gleichzeitig eingeschaltet wird. Sobald der in dem Rückwärtspolaritätsmodus hervorgerufene Strom auf einen genügend kleinen Wert abgeklungen ist, schaltet das Sperrsignal auf der Leitung 464 den Zustand um, wodurch die Schaltung die Modi indem kann.
  • Obwohl die Spannung, die die Feldwicklung erregt, drei Modi hat, nämlich den Vorwärtspolaritätsmodus, den Rückwärtspolaritätsmodus, und den Abklingmodus, haben die FETs tatsächlich vier verschiedene Zustände. In dem Vorwärtspolaritätsmodus leiten die FETs 534 und 540. In dem Rückwärtspolaritätsmodus leiten die FETs 536 und 538. In dem Abklingmodus (zwei Zustände) sind die beiden FETs 534 und 536 ausgeschaltet.
  • Der Abklingmodus hat zwei verschiedene Zustände, einen Vorwärtsabklingmodus und einen Rückwärtsabklingmodus. In dem Vorwärtsabklingmodus kann der in dem Vorwärtspolaritätsmodus hervorgerufene Strom abklingen, und der FET 540 bleibt eingeschaltet während der FET 538 ausgeschaltet bleibt, aber über seine interne Diode leitet. In dem Vorwärtsabklingmodus fließt der Abklingstrom weiterhin in der gleichen Richtung wie in dem Vorwärtspolaritätsmodus durch die Wicklung 400. In dem Rückwärtsabklingmodus ist der FET 538 eingeschaltet, und der FET 540 ist ausgeschaltet, aber leitet über seine interne Diode, wobei der Rückwärtsstrom in der Wicklung 400 über den FET 538 nach unten, und über den FET 540 wieder nach oben fließt.
  • Bei dem vorliegenden Regler wird eine Brückenschaltungsanordnung verwendet, um eine bilaterale Spannungserregung der Wicklung 400 zu erhalten. Die Spannungsüberwachungsschaltung 436 bewirkt eine grundlegende Fehlerverstärkung, um das Fehlersignal auf der Leitung 440 zu erzeugen. Die Spannungsregelungsschleife enthält einen Kompensationsblock, um das Schleifenfrequenzsignal so zu formen, dass eine genaue Steuerung der mittleren Batteriespannung erhalten wird. Das kompensierte Verstärkerausgangs-Fehlersignal auf der Leitung 440 steuert einen Pulsbreitenmodulator oder einen anderen Zweizustandsmodulator, der indirekt eine Vollbrücken-Ausgangsstufe steuert, um den bidirektionalen Strom durch die Wicklung 400, die an die mittleren Klemmen der Brücke angeschlossen ist, fließen zu lassen.
  • Die Logikschaltung 448 modifiziert das Ausgangssignal der primaren Schaltung 444, damit ein dritter Zustand der Spannungserregung von nahezu null Volt an die Wicklung 400 angelegt werden kann, wenn die Starke des Feldstroms zunimmt. Die primären Steuersignale von der primären Schaltung 444 bewirken, dass die diagonal angeordneten Brückenschalterpaare unmittelbar eingeschaltet werden. Eine Nullspannungserregung wird jedoch verwendet, wenn die Stärke des Feldstroms verringert werden soll.
  • Wenn die momentane Stärke des Feldstroms so gesteuert wird, dass die primären Steuersignale von der Schaltung 444 vergrößert werden, wird durch Erregen des entsprechenden diagonalen Brückenelementpaars die volle Hauptleitungsspannung von richtiger Polarität an die Feldspule angelegt Wenn jedoch die Starke des Feldstroms verringert wird, wird nur der obere Schalter des zuvor leitenden diagonalen Schalterpaars ausgeschaltet. Wenn eine Verzögerung beim Ausschalten des unteren diagonalen Schalters verwendet wird, und Einschaltverzögerungen bei den gegenüberliegenden diagonalen Schaltern verwendet werden, geht der induktive Feldstrom, der in dem oberen Schalter floß, in den negativen Strom in dem Schalterelement über, das unmittelbar unter dem Schalterelement angeordnet ist, das ausgeschaltet wird.
  • Der Strom in dem unteren diagonalen Schalter fließt weiterhin infolge der oben beschriebenen Verzögerung bei der Ausschaltung. Der untere diagonale Schalter wird dann durch den Rückwärtsstrom in dem anderen unteren Schalter so gesteuert, dass er eingeschaltet bleibt. Wenn der rückwärts leitende Leistungsschalter ein FET ist, wie in der bevorzugten Ausführungsform der 13 gezeigt ist, und wenn der Schalter eine verzögerte Einschaltung hat, fließt der Rückwärtsstrom zunächst durch die intrinsische Diode des FETs, wobei er einen Spannungsabfall von ungefähr –0,6 Volt erzeugt Wenn der untere rückwärts leitende FET eingeschaltet würde, würde der rückwärts fließende Strom auch über den FET-Ein-Widerstand fließen, was zu einem niedrigeren Spannungsabfall führt.
  • Wie oben bei der bevorzugten Verwirklichung des Spannungsreglers beschrieben wurde, wird dieser FET während des Abklingstroms im ausgeschalteten Zustand gehalten, damit die Spannung über der intrinsischen Diode des FETs einen einfachen Indikator für einen abklingenden Feldstrom darstellt. Die nichtlineare Diodenkennlinie ergibt selbst bei kleinen Strömen ein vernünftiges Spannungsniveau. Dies ermöglicht die Verwendung eines einfachen Spannungskomparators in der Form der Komparatoren 546 und 548, um anzuzeigen, ob ein Feldstrom vorhanden ist. Wenn die intrinsische Diodenspannung starker negativ ist als eine durch die Bezugsspannungsquelle 438 und den Widerstands-Spannungsteiler unterhalb dieses Punktes vorgegebene Schwelle, wird angezeigt dass ein Rückwärtsstrom vorhanden ist.
  • Wenn der Komparator anzeigt, dass ein Feldstrom in dem rückwärts leitenden Schalter vorhanden ist, werden die Steuerungen für die gegenüberliegenden diagonalen Elemente durch das Komparatorsignal gesperrt, und wird die Steuerung für den unteren FET, der den abklingenden Feldstrom leitet, im eingeschalteten Zustand gehalten. Sobald der Komparator einen nahe bei null liegenden Feldstrom anzeigt, können die gegenüberliegenden diagonalen Brückenelemente, die durch die primären Steuersignale der primären Schaltung 4–44 gesteuert werden, sicher erregt werden. Wenn das neue diagonale Schalterpaar bei einem bei null liegenden Feldstrom eingeschaltet wird, wird kein negativer Strom in die Hauptleitung hervorgerufen, und daher werden keine schädlichen Spannungsspitzen erzeugt, wenn die Batterie abgetrennt wird oder das System leicht belastet wird.
  • STEUERLOGIK UND METHODE DER DREIZUSTANDSREGELUNG
  • Die primäre Steuerschleife enthält die Spannungsüberwachungsschaltung 436, die die Ausgangsspannung auf der Leitung 434 überwacht und einen Fehlerverstärker umfaßt der die Differenz zwischen der Batteriespannung und der Bezugsspannung 438 verstärkt. Das verstärkte Fehlersignal steuert einen in der primären Schaltung 444 enthaltenen Pulsbreitenmodulator oder anderen Zweizustandsmodulator, um die primären Steuersignale zu erzeugen, die das PBM-Signal an dem Ausgang des Zweizustandsmodulators, das invertierte PBM-Signal, und verzögerte Kopien dieser zwei Signale umfassen. Das primäre PBM-Steuersignal schaltet zwischen dem eingeschalteten Zustand und dem ausgeschalteten Zustand um. In dem eingeschalteten Zustand schaltet es ein diagonales Schalterpaar ein, während das andere diagonale Schalterpaar in dem ausgeschalteten Zustand ist, und umgekehrt. Infolge des grundlegenden Zweizustands-Spannungserhöhung wird eine digitale Logik für die Verwirklichung des Steuersystems bevorzugt.
  • Die tatsächlichen Schalterbefehle werden durch Verzögerungen, Sperren und andere Signale modifiziert, um eine komplexere Schaltstruktur zu erzeugen und negative Hauptleitungsströme zu vermeiden, wie unten beschrieben wird.
  • Wenn die momentane Stärke des Feldstroms in der Wicklung 400 erhöht wird, ist das entsprechende diagonale Brückenpaar voll eingeschaltet. Um jedoch negative Stromstufen nach der Hauptleitung zu vermeiden, bewirkt die Brücke, dass der Feldstrom in einer geschlossenen Schleife, die nur die unteren Schalter enthält, auf natürliche Weise abklingt anstatt eine raschere Abklingung mit Rückwärtserregung von der Hauptleitung zu erzwingen. Um diese natürliche Abklingung zu bewirken, sind beide oberen Brückenelemente ausgeschaltet und der abklingende Feldstrom fließt in den unteren Brückenelementen. Ein unteres Brückenelement leitet in der Vorwärtsrichtung, wahrend das andere in der Rückwärtsrichtung leitet. Diese natürliche Abklingung dauert an, bis der Zweizustandsmodulator, der dem Hysterese-Inverter 516 entspricht, den Zustand wieder ändert, oder der Feldstrom auf null abklingt.
  • In dem ersteren Fall wird das ursprünglich leitende Schalterpaar wieder eingeschaltet. In dem letzteren Fall wird das andere diagonale Schalterpaar eingeschaltet, wenn der Feldstrom null erreicht. Die natürliche Abklingung erfolgt, wenn die Einschaltung des neuen diagonalen Schalterpaars verhindert wird, bis der Abklingstrom ungefähr null erreicht hat. Der gesamte Vorgang bei dem bevorzugten Schaltungsentwurf ist folglich ein multipler Zustand mit vier Betriebszuständen der Ausgangsschalter, oder drei Zuständen der an der Feldwicklung liegenden momentanen Spannung, wenn die Schaltervorrichtungs-Spannungsabfälle vernachlässigt werden. Die drei Zustände der momentanen Feldwicklungsspannung sind die positive Batteriespannung, die Nullspannung und die negative Batteriespannung.
  • Bei der bevorzugten Methode zum Betrieb des Spannungsreglers werden die folgenden Schritte verwendet:
    • (1) Die eingeschaltete obere Vorrichtung schaltet als Reaktion auf einen unverzögerten PBM-Ausschaltbefehl sofort aus.
    • (2) Die Ausschaltung der unteren Elemente wird verzögert, und alle Brückenelement-Einschaltungen werden um die gleiche oder eine längere Zeit verzögert, wodurch das Fließen des Stroms in den unteren Brückenelementen automatisch erfolgen kann, wenn die obere Vorrichtung ausschaltet.
    • (3) Schwellenkomparatoren bei jedem unteren Schalter zeigen an, ob ein Rückwärtsstrom (abklingender Feldstrom) in dieser Vorrichtung vorhanden ist, und dieses logische Signal wird verwendet, um die folgenden Schritte auszuführen: a) Die FET-Steuerung für den rückwärts leitenden Schalter wird gesperrt, um eine Störung der Schwellenspannungsmessung zu vermeiden. b) Die Ausschaltsteuerung für den neuen oberen diagonalen Schalter wird gesperrt, weil der darunter angeordnete Schalter für den fließenden Abklingstrom eingeschaltet ist. c) Die Steuerung für den anderen unteren FET wird gezwungen, eingeschaltet zu bleiben, damit der abklingende Strom fließen kann. d) Wenn die primären Steuersignale in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren, bevor der Feldstrom auf null abgeklungen ist, wird das ursprüngliche diagonale Ausgabevorrichtungspaar wieder eingeschaltet, und die Stärke des Feldstroms beginnt wieder zuzunehmen. Dies ist der normale Betriebsmodus bei konstanter Drehzahl und festen Lasten. Das System schaltet um zwischen Steuerung der Feldwicklung mit der Hauptleitungsspannung in dem einen Zustand, und Feldstromabklingung mit fließenden Strömen in den unteren FETs in dem anderen Zustand. Diese volle Steuerspannung, auf die die Steuerspannung null folgt, wirkt unabhängig von der Richtung des mittleren Feldstroms auf die gleiche Weise. Bei dem normalen Betrieb mit relativ niedrigen Wechselstromgenerator-Drehzahlen und einer festen Last wird der Wechselstromgenerator folglich zwischen dem Vorwärtspolaritätsmodus und dem Abklingmodus (genauer gesagt, zwischen dem Vorwärtspolaritätsmodus und dem Vorwärtsabklingmodus) hin- und herschalten. Wenn der Wechselstromgenerator bei relativ hohen Drehzahlen lauft, wird er zwischen dem Rückwärtspolaritätsmodus und dem Abklingmodus (genauer gesagt, zwischen dem Rückwärtspolaritätsmodus und dem Rückwärtsabklingmodus) hin- und heschalten. Während dieser normalen Zyklen zwischen dem Vorwärtspolaritäts- oder Rückwärtspolaritätsmodus und dem Abklingmodus wird das primäre Steuersignal auf der Leitung 518 abwechselnd in den Ein- und den Aus-Zustand übergehen. e) Nur wenn der Feldstromtrom null wird, bevor das primäre Signal auf der Leitung 518 in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehrt, wird das andere Brückenpaar eingeschaltet, und ändert der Strom in der Rotorwicklung 400 seine Richtung. Diese Art von Vorgang findet statt, wenn der mittlere Feldstrom nahezu null ist, oder wenn sich die Drehzahl oder die Last des Wechselstromgenerators plötzlich ändert.
  • UNTERDRÜCKUNG VON SPANNUNGSSPITZEN
  • Der in der 13 wiedergegebene Spannungsregler benutzt eine einzigartige Methode zum Unterdrücken von Spannungsspitzen, wie denjenigen, die in einer typischen "Lastabwurf"-Situation, die in der Autoindustrie gut bekannt ist, erzeugt werden. Ein Lastabwurf ist eine Situation, in der eine große Batterielast plötzlich ausgeschaltet wird, oder die Batterie, aus der gerade ein großer Strom entnommen wird, abgetrennt wird. In dieser Situation ist eine Entstörvorichtung erforderlich, um die in den Wechselstromgenerator-Wicklungen gespeicherte induktive Energie zu absorbieren. Bei dem vorliegenden Spannungsregler wird eine Signalniveau-Zenerdiode 580 mit Richtdioden 582, 584, 586 und 588 verwendet, die die Brücken-FET-Dioden einschalten, so dass die Brücken-FETs die Spannungsspitze absorbieren können. FET-Bauelemente können Impulse mit großer Leistung wirksam absorbieren, und folglich ermöglicht die Brückenanordnung, wenn sie in einer Spannungsspitzensituation richtig gesteuert wird, dass diese Bauelemente eine doppelte Funktion erfülllen.
  • Die übrigen Transistoren, und die Inverter 590 und 592 gehören zu der Steuerschaltung, die die verschiedenen FETs in der Brückenschaltung steuert. Die oberen Leistungs-FETs 534 und 536 werden mittels einer herkömmlichen NPN/PNP Niveauumsetzungsschaltung unmittelbar gesteuert. Die PNP-Transistoren 594 und 596 bei den FET-Gates bewirken eine aktive-Gate-Absenkung. Die FETs werden mit der wiedergegebenen Schaltung relativ langsam ein- und ausgeschaltet, um die Störungen zu minimieren. Bei der Feldstrommodulation können Stromstufen in dem Wechselstromgenerator-Ausgangssignal erzeugt werden, die zwischen dem vollen Wechselstrom und null liegen. Da der Wechselstromgenerator eine endliche Ausgangsinduktanz hat, kann er seinen Strom nicht sofort ändern. Langsamere Anstiegs- und Abfallzeiten bei den Leistungs-FETs vermindern dieses Problem teilweise, und die durch die Zenerdiode 580 und Ihre zugehörigen Dioden 582–588 vorgesehene Spannungsclampanordnung schützt die FETs davor, dass ihre Durchbruchspannung erreicht wird, falls kurze Spannungsspitzen die Clampspannung übersteigen. Es wird eine Clampspannung von ungefähr 27 Volt verwendet.
  • Die Inverter 590 und 592 sind als zwei Ladungspumpenoszillatoren angeordnet. Die Oszillatoren, mit der gleichrichtenden und zugehörigen Schaltung, die mit den Pfeilen 591 und 593 allgemein bezeichnet ist, liefern eine Spannung, die höher als die Batteriespannung auf der Leitung 595 ist, um die oberen Leistungs-FETs zu steuern, die die Batteriespannung umschalten.
  • WECHSELSTROMGENERATOR MIT VERBUNDENER ROTORWICKLUNG
  • Die 14 veranschaulicht eine neuartige Schaltungsanordnung für einen hybriden Wechselstromgenerator, bei der die Rotorwicklung 600 mit dem neutralen Punkt der Statorwicklungen 602, 604 und 606 verbunden ist.
  • Wie oben diskutiert wurde, muß die Rotorwicklung 600 eines hybriden Wechselstromgenerators mit einer Vorwärtspolaritätsspannung versorgt werden, um die Wechselstromgenerator-Ausgangsspannung zu vergrößern, und mit einer Rückwärtspolaritätsspannung versorgt werden, um die Wechselstromgenerator-Ausgangsspannung zu verkleinern. Diese Polaritätsumkehrung erfolgt in dem in der 12 wiedergegebenen Dreizustands-Spannungsregler mittels einer Brückenschaltung, die gegenüberliegende diagonale Schalterpaare einer Vierelement-Brückenschaltung abwechselnd einschaltet. Ein diagonales Schalterpaar verbindet die Rotorwicklung mit der vollen Batteriespannung und der Masse, um den Vorwärtsstrom fließen zu lassen, und das andere diagonale Schalterpaar verbindet die Rotorwicklung bei entgegengesetzter Polarität mit der vollen Spannung und der Masse, um einen Rückwärtsstrom durch die Wicklung fließen zu lassen.
  • Die Brückenschaltung erfordert mindestens vier Schaltelemente, um diese Polaritätsumkehrung auszuführen. Bei der in der 14 wiedergegebenen Schaltung werden jedoch nur zwei Schalter benötigt Ein erstes Ende der Rotorwicklung 600 ist mit dem neutralen Punkt 608 der Statorwicklung verbunden, und das zweite Ende ist mit einem Schaltkreis 624 eines Spannungsreglers 642 verbunden. Der neutrale Punkt 608 des Wechselstromgenerators der 14 liegt in der Mitte der drei einzelnen Statorwicklungen 602, 604 und 606. Multiphasenwicklungen, die aus verschiedenen Anzahlen von einzelnen Statorwicklungen bestehen, die an einem Ende miteinander verbunden sind, um einen Stern zu bilden, können auch verwendet werden. Die Multiphasen-Statorwicklungs-Spannung wird in einem aus den Dioden 612–622 bestehenden Multiphasen-Brückengleichrichter auf herkömmliche Weise gleichgerichtet.
  • Da der neutrale Punkt einer sternförmigen Statorwicklung auf ungefähr der halben Ausgangsspannung der Batterie 610 liegt, kann ein Vorwärtsstrom in der Rotorwicklung 600 einfach dadurch hervorgerufen werden, dass das entgegengesetzte Ende der Rotorwicklung mit dem positiven Ende der Batterie 610 verbunden wird. Um einen negativen Strom in der Rotorwicklung hervorzurufen, kann das entgegengesetzte Ende der Rotorwicklung mit der Masse verbunden werden.
  • Obwohl die bei dieser Konfiguration an die Rotorwicklung angelegte Spannung kleiner als die bei einer Brückenkonfiguration angelegte Spannung ist, kann ein vergleichbarer Strom erhalten werden, wenn die Anzahl der Windungen und die Impedanz der Rotorwicklung so gewählt werden, dass der gewünschte Magnetfluß hervorgerufen wird.
  • Die Umschaltung des zweiten Endes der Rotorwiklung zwischen der Batterie und der Masse erfolgt durch einen Schaltkreis 624, der nur zwei Schalter 626 und 628 benötigt Die Betätigung der Schalter 626 und 628 wird durch eine Steuerschaltung 630 über die primären Steuerleitungen 632 und 634 gesteuert. Die Steuerschaltung 630 schließt den Schalter 626 und öffnet den Schalter 628, um eine Vorwärtspolaritätsspannung an die Rotorwicklung 600 anzulegen. Der Schalter 626 wird geöffnet, und der Schalter 628 wird geschlossen, um eine Rückwärtspolaritätsspannung an die Rotorwicklung 600 anzulegen. Wenn die Schalter in komplementärer Weise gesteuert werden, und wenn eine verschiedene Einschaltdauer zwischen 0 und 100 Prozent benutzt wird, kann die an der Feldspule liegende mittlere Spannung so gesteuert werden, dass sie zwischen der vollen Verstärkung und der vollen Kompensation liegt, um die Wirkung verschiedener Drehzahlen und Lasten auszugleichen.
  • Während des Vorwärtspolaritätsmodus fließt Strom von der Batterie über den Schalter 626 und die Rotorwicklung 600 nach dem neutralen Punkt 608, und von dort durch die einzelnen Statorwicklungen 602–606 und die Brückendioden 612–622. Die spezifische Stärken des durch die spezifischen Statorwicklungen und Brückendioden fließenden Stroms hängt von der Phase des Wechselstromgenerators ab und variiert bei der Rotation des Wechselstromgenerators.
  • Eine Überwachungsschaltung 636 überwacht die Ausgangsspannung über die Leitung 638, wozu die Ausgangsspannung mit einer Bezugsspannung 640 verglichen wird. Der Spannungsregler 642 ist im wesentlichen ein Zweizustands-PBM-Spannungsregler von dem oben beschriebenen grundlegenden Typ. Dennoch werden, anstatt die primären Steuersignale zu verwenden, um die diagonalen Schalterpaare in einer Brückenschaltung ein- und auszuschalten, die primären Steuersignale verwendet, um nur zwei einzelne Schalter 626 und 628 ein- und auszuschalten.
  • Bei Anwendungen, bei denen das grundlegende Zweizustands-(2)-PBM-Steuerschema für den Spannungsregler geeignet ist, ergibt sich eine bedeutende Verringerung der Spannungsreglerkosten infolge Verwendung von nur zwei Schaltern, wenn er mit einem neutralen Punkt verbundenen hybriden Wechselstromgenerator benutzt wird.
  • Der mit dem neutralen Punkt verbundene Wechselstromgenerator hat den weiteren Vorteil, dass der Wechselstromgenerator-Feldstrom bei der Drehzahl null automatisch null wird. Folglich muß die Wechselstromgeneratorsteuerung nicht gesperrt werden, um den Wechselstromgenerator-Strom auszuschalten, wenn die Zündung ausgeschaltet wird. Die Steuerelektronik kann so entworfen werden, dass sie sehr wenig Strom verbraucht, und kann folglich dauernd eingeschaltet bleiben, ohne dass Gefahr besteht, dass die Batterie entladen wird. Auf diese Weise verwirklicht der mit dem neutralen Punkt verbundene hybride Wechselstromgenerator die oben beschriebene, automatische Verriegelungsfunktion, bei der der Regler automatisch mit Strom versorgt wird, wenn sich der Wechselstromgenerator zu drehen beginnt, und automatisch nicht mehr mit Strom versorgt wird, wenn sich der Wechselstromgenerator nicht mehr dreht.
  • Die Steuerschaltung 630 kann ein einfacher Zweizustands-Hystereseverstärker, ein einfacher Inverter mit Hysterese, ein Komparator oder Operationsverstärker mit Rückkopplung, um Hysterese hervorzurufen, ein Standard-Pulsbreitenmodulator, usw., sein. Die mit dem neutralen Punkt verbundene Rotorwicklung kann auch mittels einer linearen Steuerung gesteuert werden, bei der unter Verwendung alternativer Steuersysteme der Strom zwischen einem maximalen Vorwärtsstrom und einem maximalen Rückwärtsstrom auf gleichmäßige Weise variiert wird.
  • Da sich die Rotorwicklung dreht, und die Statorwicklungen fest sind, erfolgt die Verbindung von der Feldwicklung nach dem neutralen Punkt und dem Schaltkreis auf herkömmliche Weise über Schleifringe.

Claims (15)

  1. Spannungsregler zur Steuerung eines bidirektionalen Stromflusses durch eine Wicklung (400) eines Wechselstromgenerators, um eine Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators zu regeln, wobei der Spannungsregler aufweist: eine Spannungsüberwachungsschaltung (436), die dafür angeschlossen ist, die Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators zu überwachen, wobei die Spannungsüberwachungsschaltung ein Fehlersignal (440) erzeugt, das angibt, dass die Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators erhöht oder verringert werden sollte; ein Schaltnetz, das mit der Wicklung verbunden und angeordnet ist, um die Wicklung in mehreren Betriebsarten zu schalten, mit: einer Vorwärtspolaritätsbetriebsart, in der eine Vorwärtspolaritätsspannung an die Wicklung angelegt wird, einer Rückwärtspolaritätsbetriebsart, in der eine Rückwärtspolaritätsspannung an die Wicklung angelegt wird, und gekennzeichnet durch eine Abklingbetriebsart, in der die Wicklungsspannung wirksam auf eine niedrige Spannung begrenzt wird, so dass der Strom, der in der Wicklung induziert wird, wenn sie in der Vorwärts- oder Rückwärtspolaritätsbetriebsart geschaltet ist, abklingen kann, ohne schädliche Spannungen im Spannungsregler zu induzieren; und eine Steuerungsschaltung (442), die mit dem Schaltnetz verbunden ist und auf das Fehlersignal der Überwachungsschaltung anspricht, wobei die Steuerungsschaltung das Schaltnetz steuert, um: (1) in die Vorwärtspolaritätsbetriebsart einzutreten, um die Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators zu erhöhen, (II) in die Rückwärtspolaritätsbetriebsart einzutreten, um die Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators zu verringern, und (III) immer dann in die Abklingbetriebsart einzutreten, wenn aus einer Vorwärts- oder Rückwärtspolaritätsbetriebsart umgeschaltet wird.
  2. Spannungsregler zur Steuerung eines bidirektionalen Stromflusses durch eine Wicklung eines Wechselstromgenerators nach Anspruch 1, wobei das Schaltnetz eine Brückenschaltung aufweist, mit: einem ersten oberen Schalter (408), der mit einem ersten Ende der Wicklung verbunden ist; einem ersten unteren Schalter (414), der mit einem zweiten Ende der Wicklung verbunden ist, wobei der erste untere Schalter mit dem ersten oberen Schalter ein erstes Paar Schalter bildet, wobei die Steuerungsschaltung das Schaltnetz steuert, um in die Vorwärtspolaritätsbetriebsart einzutreten, indem das erste Paar Schalter geschlossen wird; einem zweiten oberen Schalter (410), der mit dem zweiten Ende der Wicklung verbunden ist; und einem zweiten unteren Schalter (412), der mit dem ersten Ende der Wicklung verbunden ist, wobei der zweite untere Schalter mit dem zweiten oberen Schalter ein zweites Paar Schalter bildet, wobei die Steuerungsschaltung (442) das Schaltnetz steuert, um in die Rückwärtspolaritätsbetriebsart einzutreten, indem das zweite Paar Schalter geschlossen wird; und wobei die Steuerungsschaltung (442) das Schaltnetz steuert, um in die Abklingbetriebsart einzutreten, indem der erste und der zweite obere Schalter geschlossen werden oder indem der erste und der zweite untere Schalter geschlossen werden.
  3. Spannungsregler zur Steuerung eines bidirektionalen Stromflusses durch eine Wicklung eines Wechselstromgenerators nach Anspruch 2, wobei die wobei die Steuerungsschaltung (442) das Schaltnetz steuert, um in die Abklingbetriebsart einzutreten, indem der erste und der zweite obere Schalter geschlossen werden.
  4. Spannungsregler zur Steuerung eines bidirektionalen Stromflusses durch eine Wicklung eines Wechselstromgenerators nach Anspruch 1, wobei die Abldingbetriebsart aufweist: eine Vorwärtsabklingbetriebsart, in welcher der Strom, der in der Wicklung während der Vorwärtspolaritätsbetriebsart induziert wird, abklingt; und eine Rückwärtsabklingbetriebsart, in welcher der Strom, der in der Wicklung während der Rückwärtspolaritätsbetriebsart induziert wird, abklingt; und wobei die Steuerungsschaltung (442) das Schaltnetz steuert, um in die Vorwärtsabklingbetriebsart einzutreten, wenn aus der Vorwärtspolaritätsbetriebsart umgeschaltet wird, und um in die Rückwärtsabklingbetriebsart einzutreten, wenn aus der Rückwärtspolaritätsbetriebsart umgeschaltet wird.
  5. Spannungsregler zur Steuerung eines bidirektionalen Stromflusses durch eine Wicklung eines Wechselstromgenerators nach Anspruch 4, wobei das Schaltnetz eine Brückenschaltung aufweist, mit: einem ersten oberen Schalter (408), der mit einem ersten Ende der Wicklung verbunden ist; einem ersten unteren Schalter (414), der mit einem zweiten Ende der Wicklung verbunden ist, wobei der erste untere Schalter mit dem ersten oberen Schalter ein erstes Paar Schalter bildet, wobei die Steuerungsschaltung (442) das Schaltnetz steuert, um in die Vorwärtspolaritätsbetriebsart einzutreten, indem das erste Paar Schalter geschlossen wird; einem zweiten oberen Schalter (410), der mit dem zweiten Ende der Wicklung verbunden ist; und einem zweiten unteren Schalter (412), der mit dem ersten Ende der Wicklung verbunden ist, wobei der zweite untere Schalter mit dem zweiten oberen Schalter (410) ein zweites Paar Schalter bildet, wobei die Steuerungsschaltung (442) das Schaltnetz steuert, um in die Rückwärtspolaritätsbetriebsart einzutreten, indem das zweite Paar Schalter geschlossen wird; wobei die Steuerungsschaltung (442) das Schaltnetz steuert, um die Vorwärtspolaritätsbetriebsart zu verlassen und in die Vorwärtsabklingbetriebsart einzutreten, indem der erste obere Schalter (408) geöffnet wird und der erste untere Schalter (414) geschlossen bleibt; und 23 wobei die Steuerungsschaltung (442) das Schaltnetz steuert, um die Rückwartspolaritätsbelriebsart zu verlassen und in die Rückwärtsabklingbetriebsart einzutreten, indem der zweite obere Schalter geöffnet wird und der zweite untere Schalter geschlossen bleibt.
  6. Spannungsregler zur Steuerung eines bidirektionalen Stromflusses durch eine Wicklung eines Wechselstromgenerators nach Anspruch 5, wobei der erste untere Schalter (414) und der zweite untere Schalter (412) der Brückenschaltung die Eigenschaft haben, dass sie Strom in der Vorwärtsrichtung leiten können, wenn sie geschlossen sind, aber Strom in der entgegengesetzten Richtung leiten können, wenn sie geöffnet sind, wobei der zweite untere Schalter geschlossen ist und Vorwärtsstrom leitet und der erste untere Schalter Rückwärtsstrom leitet, wenn das Schaltnetz in der Vorwärtsabklingbetriebsart ist, und wobei der erste untere Schalter geschlossen ist und Vorwärtsstrom leitet und der zweite untere Schalter Rückwärtsstrom leitet, wenn das Schaltnetz in der Rückwärtsabklingbetriebsart ist, wobei beide oberen Schalter ausgeschaltet sind, wenn es entweder in einer Vorwärts- oder Rückwärtsabklingbetriebsart ist.
  7. Spannungsregler zur Steuerung eines bidirektionalen Stromflusses durch eine Wicklung eines Wechselstromgenerators nach Anspruch 6, wobei der erste und der zweite untere Schalter der Brückenschaltung Feldeffekttransistoren sind.
  8. Spannungsregler zur Steuerung eines bidirektionalen Stromflusses durch eine Wicklung eines Wechselstromgenerators nach Anspruch 1, wobei die Steuerungsschaltung (442) ferner eine Abklingstrom-Ermittlungsschaltung (446) aufweist, die angeschlossen ist, um das Vorhandensein eines durch Vorwärts- oder Rückwärtspolarität induzierten Stroms in der Wicklung zu ermitteln, wenn das Schaltnetz in der Abklingbetriebsart ist, wobei die Abklingstrom-Ermittlungsschaltung ein Sperrsignal erzeugt, das verhindert, dass das Schaltnetz in die Vorwärtspolaritätsbetriebsart eintritt, wenn ein erheblicher durch Rückwärtspolarität induzierter Strom in der Wicklung ist, und verhindert, dass das Schaltnetz in die Rückwärtspolaritätsbetriebsart eintritt, wenn ein erheblicher durch Vorwärtspolarität induzierter Strom in der Wicklung ist.
  9. Spannungsregler zur Steuerung eines bidirektionalen Stromflusses durch eine Wicklung eines Wechselstromgenerators nach Anspruch 8, wobei das Schaltnetz eine Vielzahl von Halbleiterschaltern (408, 410, 412, 414) aufweist, die mit der Wicklung verbunden sind, wobei die Abklingstrom-Ermittlungsschaltung (446) das Vorhandensein eines durch Vorwärts- oder Rückwärtspolarität induzierten Stroms in der Wicklung ermittelt, indem sie einen Spannungsabfall über mindestens einem der Halbleiterschalter ermittelt.
  10. Spannungsregler nach Anspruch 1, ferner mit: einer internen Stromversorgungsschaltung (472), um immer dann automatisch eine Stromversorgungs-Ausgangsspannung zu erzeugen, wenn der Wechselstromgenerator rotiert; wobei die Steuerungsschaltung (442) mit der internen Stromversorgungsschaltung verbunden ist und durch sie automatisch mit Strom versorgt wird, wenn der Wechselstromgenerator zu rotieren beginnt, um den Stromfluss durch die Wicklung des Wechselstromgenerators zu steuern, und automatisch von der Strom getrennt wird, wenn der Wechselstromgenerator die Rotation beendet, um den Stromfluss durch die Wicklung des Wechselstromgenerators zu unterbrechen.
  11. Spannungsregler nach Anspruch 1, wobei der Spannungsregler dafür eingerichtet ist, in einem Fahrzeug mit einem Zündschalter mit einer Aus-Stellung installiert zu werden, wobei die Steuerungsschaltung einen Rückstromfluss durch die Wicklung des Wechselstromgenerators bereitstellt, um eine sichere Wechselstromgenerator-Ausgangsspannung beizubehalten, wenn der Zündschalter in die Aus-Stellung geschaltet wird, während der Wechselstromgenerator mit einer hohen Geschwindigkeit rotiert.
  12. Spannungsregler nach Anspruch 11, wobei die Steuerungsschaltung (442) nicht über den Zündschalter des Fahrzeugs mit Strom versorgt wird.
  13. Verfahren zur Steuerung eines bidirektionalen Stromflusses durch eine Wicklung (400) eines Wechselstromgenerators, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Zuschalten einer Spannung positiver Polarität zu der Wicklung in einer Vorwärtspolaritätsbetriebsart, um einen Stromfluss in einer Vorwärtsrichtung durch die Wicklung auszulösen oder zu erhöhen; Zuschalten einer Spannung umgekehrter Polarität zu der Wicklung in einer Rückwärtspolaritätsbetriebsart, um einen Stromfluss in einer Rückwartsrichtung durch die Wicklung auszulösen oder zu erhöhen; Trennen der Wicklung von der Spannung positiver Polarität und der Spannung umgekehrter Polarität in einer Abkling-Betriebsart, um die Starke des Stromflusses durch die Wicklung unabhängig von der Richtung des Stromflusses in der Wicklung zu verringern; und Verbinden der Wicklung, um Umschwingstromfluss durch die Wicklung während der Abkling-Betriebsart zu gewähren, sowie die Stärke des Stromflusses durch die Wicklung verringert wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, ferner mit den folgenden Schritten: Überwachen des Umschwingstromflusses durch die Wicklung während der Abkling-Betriebsart, um ein Sperrsignal zu erzeugen, wenn Umlaufstrom fließt; und Steuern des Schaltens der Wicklung als Antwort auf das Sperrsignal.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei: der Schritt des Überwachens des Umschwingstromflusses durch die Wicklung während der Abkling-Betriebsart den folgenden Schritt aufweist: Überwachen der Richtung des Umschwingstromflusses durch die Wicklung; und der Schritt des Steuerns des Schaltens der Wicklung der folgendes aufweist: Steuern des Schaltens der Wicklung, um das Eintreten in die Rückwärtspolaritätsbetriebsart zu verhindern, wenn Umschwingstrom in Vorwärtsrichtung fließt, und Steuern des Schaltens der Wicklung, um das Eintreten in die Vorwärtspolaritätsbetriebsart zu verhindern, wenn Umschwingstrom in umgekehrter Richtung fließt.
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