EP1436890A1 - Three-phase generator with increased output - Google Patents

Three-phase generator with increased output

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EP1436890A1
EP1436890A1 EP02776792A EP02776792A EP1436890A1 EP 1436890 A1 EP1436890 A1 EP 1436890A1 EP 02776792 A EP02776792 A EP 02776792A EP 02776792 A EP02776792 A EP 02776792A EP 1436890 A1 EP1436890 A1 EP 1436890A1
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EP
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additional circuit
generator
connection
phase generator
stator windings
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Withdrawn
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EP02776792A
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Reinhard Rieger
Klaus Beulich
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

The invention relates to a three-phase generator having several stator windings, a rectifier array connected to the stator windings, an exciting winding, a generator regulator and an additional circuit provoking an increase of tension. Said additional circuit is a passively operated booster circuit integrated into the generator and having no controlled components.

Description

Drehstromgenerator mit erhöhter AusgangsleistungThree-phase generator with increased output power
Stand der TechnikState of the art
Bei bekannten Klauenpolgeneratoren wird die Energie für die Erregung aus dem Bordnetz des jeweiligen Kraftfahrzeugs entnommen. Dies geschieht unter Verwendung eines Generatorreg- lers, der einen geschalteten Halbleiter als Schaltelement aufweist. Der Generatorregler stellt die Erregerspannung zwischen 0V und der Bordnetsspannung ein. Dies ist in der Figur 1 gezeigt, die ein Diagramm zur Veranschaulichung der Positionierung des Generatorreglers R zwischen dem Bordnetz BN und der Erregerwicklung WE des Generators zeigt.In known claw-pole generators, the energy for the excitation is taken from the electrical system of the respective motor vehicle. This is done using a generator controller that has a switched semiconductor as the switching element. The generator regulator sets the excitation voltage between 0V and the on-board voltage. This is shown in FIG. 1, which shows a diagram to illustrate the positioning of the generator regulator R between the electrical system BN and the field winding WE of the generator.
Die Figur 2 zeigt eine bekannte Generatorschaltung,, die einen Generatorregler R, eine Erregerwicklung WE, eine Gleichrichteranordnung G und drei Ständerwicklungen WS aufweist. Die Ständerwicklungen bilden eine Sternschaltung und sind bezüglich des nichtgezeichneten Läufers zueinander um jeweils 120° versetzt. Ihre Wicklungsanfänge, die mit der Gleichrichteranordnung verbunden sind, sind mit den Buchstaben U, V, W bezeichnet. Wird der Läufer gedreht, so wird in jeder dieser Ständerwicklungen eine Wechselspannung erzeugt. Die drei erzeugten Wechselspannungen sind zueinander um 120° versetzt.FIG. 2 shows a known generator circuit, which has a generator regulator R, an excitation winding WE, a rectifier arrangement G and three stator windings WS. The stator windings form a star connection and are offset from one another by 120 ° with respect to the rotor (not shown). Their beginnings of the winding, which are connected to the rectifier arrangement, are designated by the letters U, V, W. If the rotor is turned, an alternating voltage is generated in each of these stator windings. The three alternating voltages generated are offset from one another by 120 °.
Aus der DE 196 34 096 A ist ein Spannungsversorgungssystem .mit erhöhter Ausgangsleistung bekannt, die dann erzeugt wird, wenn mittels eines externen Steuersignals ein erhöhter Strombedarf signalisiert wird. Das bekannte System weist einen Drehstromgenerator auf, dessen Wicklungen über Gleichrichter die Versorgungsspannung für ein Fahrzeugbordnetz liefern. Weiterhin enthält der Generator eine Erregerwicklung, durch die der von einem Spannungsregler beein lussbare Erregerstrom fließt. Die Erregerwicklung ist während vorgebbarer Zeiten mit einer gegenüber der Versorgungsspannung erhöhten Spannung betreibbar. Diese erhöhte Spannung wird durch Zuschaltung von zusätzlichen Wicklungen mit Gleichrichtern im Generator oder durch einen dem Generator zugeordneten Gleichspannungswandler erzeugt. Dabei erfolgt die Regelung des Generators durch den Spannungsregler, welcher gesteuerte Transistoren aufweist, derart, dass die Ausgangsspannung des Generators auf Bordnetzniveau bleibt.From DE 196 34 096 A a voltage supply system with an increased output power is known which is generated when an increased current requirement is signaled by means of an external control signal. The known system has a three-phase generator, the windings of which supply the supply voltage for a vehicle electrical system via rectifiers. The generator also contains an excitation winding, through which the excitation current that can be influenced by a voltage regulator. The excitation winding can be operated with a higher voltage than the supply voltage during predeterminable times. This increased voltage is generated by connecting additional windings with rectifiers in the generator or by means of a DC voltage converter assigned to the generator. The generator is regulated by the voltage regulator, which has controlled transistors, in such a way that the output voltage of the generator remains at the electrical system level.
1010
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Demgegenüber wird durch die Erfindung, wie sie im Anspruch 1 angegeben ist, eine erhöhte Ausgangsleistung des GeneratorsIn contrast, the invention, as specified in claim 1, increases the output power of the generator
15 erreicht, in dem im Sinne einer verbesserten magnetischen Ausnutzung des Generators die Welligkeit an den Wicklungsenden der Erregerwicklung für eine kapazitive Spannungserhöhung genutzt wird. Dies geschieht kostengünstig durch eine passive Zusatzschaltung, die keine Transistoren aufweist. Dies führt 0 im Vergleich zu Schaltungstopologien, die beispielsweise15 reached, in the sense of an improved magnetic utilization of the generator, the ripple at the winding ends of the excitation winding is used for a capacitive voltage increase. This is done inexpensively by a passive additional circuit that has no transistors. This results in 0 compared to circuit topologies, for example
Gleichspannungswandler zur Spannungsvervielfachung verwenden, zu Vorteilen im Hinblick auf die elektromagnetische Verträglichkeit.Use DC-DC converters for voltage multiplication, for advantages with regard to electromagnetic compatibility.
25 Weiterhin ermöglicht die beanspruchte Vorgehensweise eine einfache und kostengünstige Integration der zusätzlichen notwendigen Bauteile in den Generator.25 Furthermore, the claimed procedure enables simple and cost-effective integration of the additional components required in the generator.
Gegenüber allen aktiv gesteuerten Zusatzschaltungen ergeben 30 sich Vorteile dadurch, dass keine aktiv gesteuerten Bauelemente notwendig sind. Es sind herkömmliche Dioden und Konden- ■ satoren einsetzbar. Weiterhin treten keine Sättigungseffekte auf. Die Zusatzschaltung gemäß der Erfindung arbeitet urz- schluss- und leerlauffest .Compared to all actively controlled additional circuits, there are advantages in that no actively controlled components are necessary. There are conventional diodes and condensate ■ capacitors used. There are also no saturation effects. The additional circuit according to the invention works in a short-circuit and no-load mode.
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Eine weitere Spannungserhöhung kann in vorteilhafter Weise durch -Verwendung einer Kaskadenschaltung erreicht werden. ZeichnungA further voltage increase can advantageously be achieved by using a cascade connection. drawing
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren 3 - 8 beispielhaft näher erläutert. Die Figur 3 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung der Anordnung der Zusatzschaltung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Die Figur 4 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung der Anordnung der Zusatzschaltung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Die Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Zusatzschaltung gemäß der Erfindung. Die Figur 6 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Generatorschaltung gemäß der Erfindung. Die Figur 7 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Generatorschaltung gemäß der Erfindung. Die Figur 8 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Spannungs- verlaufe an den Wicklungsabgriffen der Ständerwicklungen.The invention is explained in more detail below with reference to FIGS. 3-8. FIG. 3 shows a sketch to illustrate the arrangement of the additional circuit according to a first exemplary embodiment of the invention. FIG. 4 shows a sketch to illustrate the arrangement of the additional circuit according to a second exemplary embodiment of the invention. FIG. 5 shows an exemplary embodiment for an additional circuit according to the invention. FIG. 6 shows a first exemplary embodiment for a generator circuit according to the invention. FIG. 7 shows a second exemplary embodiment for a generator circuit according to the invention. FIG. 8 shows a diagram to illustrate the voltage profiles at the winding taps of the stator windings.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird in einen Drehstromgene- rator, bei dem es sich vorzugsweise um einen Klauenpolgenera- tor handelt, eine lediglich passive Bauelemente aufweisende Zusatzschaltung eingesetzt, durch deren Verwendung eine Erhöhung der an der Erregerwicklung des Generators abfallenden Erregerspannung erzielt wird. Dadurch erhöht sich auch der durch die Erregerwicklung fließende Erregerstrom und somit die vom Generator zur Verfügung gestellte Ausgangsleistung.According to the present invention, an additional circuit which has only passive components is used in a three-phase generator, which is preferably a claw-pole generator, the use of which results in an increase in the excitation voltage dropping at the excitation winding of the generator. This also increases the excitation current flowing through the excitation winding and thus the output power made available by the generator.
Mit einer Zusatzschaltung gemäß der Erfindung kann beispielsweise eine Verdoppelung oder Verdreifachung der Ausgangsspan- nung des Generators erreicht werden. Eine weitere Erhöhung der Ausgangsspannung des Generators ist durch zusätzliche Verwendung einer Kaskadenschaltung möglich.With an additional circuit according to the invention, for example, the output voltage of the generator can be doubled or tripled. A further increase in the output voltage of the generator is possible by additionally using a cascade connection.
Die Figur 3 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung der Anord- nung einer Zusatzschaltung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Bei diesem ersten Ausführungsbeispiel ist ein Anschluss der Zusatzschaltung ZS1 mit dem 14V-Bordnetz verbunden und ein zweiter Anschluss über den Generatorregler R an den massefernen Anschluss der Erregerwicklung WE ange- schlössen. Der andere Anschluss der Erregerwicklung WE-ist direkt mit Masse GND verbunden. Weiterhin weist die Zusatzschaltung ZS1 Anschlüsse U, V, W auf, die mit den Ständerwicklungen verbunden sind.FIG. 3 shows a sketch to illustrate the arrangement of an additional circuit according to a first exemplary embodiment for the invention. In this first exemplary embodiment, one connection of the additional circuit ZS1 is connected to the 14 V vehicle electrical system and a second connection via the generator controller R is connected to the remote connection of the field winding WE. concluded. The other connection of the excitation winding WE-is connected directly to ground GND. Furthermore, the additional circuit ZS1 has connections U, V, W which are connected to the stator windings.
Die Figur 4 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung der Anordnung einer Zusatzschaltung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel ist ein Anschluss der Zusatzschaltung ZS2 mit dem 14V- Bordnetz verbunden und ein zweiter Anschluss über den Generatorregler R an den massefernen Anschluss der Erregerwicklung WE angeschlossen. Weiterhin erstreckt sich die Zusatzschaltung ZS2 auch auf die Verbindung zwischen dem massenahen Anschluss der Erregerwicklung WE und Masse GND. Ferner weist die Zusatz- Schaltung ZS2 Anschlüsse U, V, W auf, die mit den Ständerwicklungen verbunden sind.FIG. 4 shows a sketch to illustrate the arrangement of an additional circuit according to a second exemplary embodiment of the invention. In this second exemplary embodiment, one connection of the additional circuit ZS2 is connected to the 14 V vehicle electrical system and a second connection is connected via the generator controller R to the connection of the field winding WE remote from the ground. Furthermore, the additional circuit ZS2 also extends to the connection between the ground connection of the field winding WE and ground GND. Furthermore, the additional circuit ZS2 has connections U, V, W, which are connected to the stator windings.
Die Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Zusatzschaltung ZS1, wie sie im Zusammenhang mit der Figur 3 verwen- det werden kann. Bei dieser Zusatzschaltung handelt es sich um eine passiv betriebene Boosterschaltung, die zwischen dem 14V- Anschluss und dem Generatorregler R gemäß Figur 3 angeordnet ist. Diese Boosterschaltung weist eine Parallelschaltung dreier Signalzweige auf, wobei jeder Signalzweig zwei in Reihe geschaltete Dioden enthält. Der Verbindungspunkt zwischen den beiden Dioden des ersten Signalzweiges ist über einen Kondensator mit dem Anschluss U verbindbar. Der Verbindungspunkt zwischen den beiden Dioden des zweiten Signalzweiges ist über einen Kondensator mit dem Anschluss V verbindbar. Der Verbin- dungspunkt zwischen den beiden Dioden des dritten Spannungszweiges ist über einen Kondensator mit dem Anschluss W verb- bindbar .FIG. 5 shows an exemplary embodiment for an additional circuit ZS1, as can be used in connection with FIG. 3. This additional circuit is a passively operated booster circuit which is arranged between the 14 V connection and the generator regulator R according to FIG. 3. This booster circuit has a parallel connection of three signal branches, each signal branch containing two diodes connected in series. The connection point between the two diodes of the first signal branch can be connected to the connection U via a capacitor. The connection point between the two diodes of the second signal branch can be connected to the connection V via a capacitor. The connection point between the two diodes of the third voltage branch can be connected to the connection W via a capacitor.
Bei alternativen Ausführungsformen, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind, weist die Zusatzschaltung lediglich eine Parallelschaltung zweier Signalzweige oder gar nur einen Signalzweig auf, wobei jeder dieser Signalzweige ebenso aufgebaut ist wie einer der in der Figur 5 gezeigten Signalzweige . Setzt man eine Boosterschaltung gemäß Figur 5 in einen Klauen- polgenerator ein, so entsteht die in Figur 6 dargestellte Vorrichtung, die ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Generatorschaltung gemäß der Erfindung zeigt.In alternative embodiments, which are not shown in the drawing, the additional circuit has only a parallel connection of two signal branches or even only one signal branch, each of these signal branches being constructed in the same way as one of the signal branches shown in FIG. 5. If a booster circuit according to FIG. 5 is inserted into a claw-pole generator, the device shown in FIG. 6 is produced, which shows a first exemplary embodiment of a generator circuit according to the invention.
Setzt man darüber hinaus eine derartige Boosterschaltung zusätzlich in den Verbindungszweig zwischen dem massenahen Anschluss der Erregerwicklung WE und Masse ein, so entsteht die in Figur 7 dargestellte Vorrichtung, die ein zweites Ausfüh- rungsbeispiel für eine Generatorschaltung gemäß der Erfindung zeigt. Dieses Ausführungsbeispiel beruht auf der grundsätzlichen Anordnung gemäß der Figur 4.If, in addition, such a booster circuit is additionally inserted into the connecting branch between the ground connection of the field winding WE and ground, the device shown in FIG. 7 is produced, which shows a second exemplary embodiment of a generator circuit according to the invention. This exemplary embodiment is based on the basic arrangement according to FIG. 4.
Der Verlauf der Wicklungsspannungen an den Abgriffen U, V, W ist für einen dieser Wicklungsstränge in der Figur 8 gezeigt. In dieser Figur ist längs der Abszisse die Zeit und längs der Ordinate die Spannung aufgetragen. Es ist ersichtlich, dass die Wicklungsspannungen näherungsweise rechteckförmig verlaufen.The course of the winding voltages at the taps U, V, W is shown in FIG. 8 for one of these winding strands. In this figure, time is plotted along the abscissa and voltage along the ordinate. It can be seen that the winding voltages are approximately rectangular.
Im folgenden wird anhand eines Stranges des Drehstromgenerators die Funktionsweise der Spannungserhöhungsschaltung am Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6 näher erläutert. Zunächst liegt am Abgriff U eine Spannung von -0,7V vor. Dies ist dar- auf zurückzuführen, dass dieser Abgriff U über eine Diode mit Masse GND verbunden ist, wobei diese Diode eine Flussspannung von 0,7V aufweist.The mode of operation of the voltage boost circuit in the exemplary embodiment according to FIG. 6 is explained in more detail below on the basis of a strand of the three-phase generator. First, there is a voltage of -0.7V at tap U. This is due to the fact that this tap U is connected to ground GND via a diode, this diode having a forward voltage of 0.7V.
An dem im U-Strang angeordneten Kondensator, der über eine Di- ode der Zusatzschaltung mit dem Bordnetz verbunden ist, liegt eine Spannung von 14V an. Es erfolgt ein Stromfluss aus dem Bordnetz über die Diode auf den Kondensator. Dadurch steigt das Potential am Abgriff U auf einen Wert an, der der Summe aus der Bordnetzspannung und der Flussspannung der Diode ent- spricht, d. h. auf einen Wert (UBM + 0,7V). Dies entspricht einer Anhebung der Ladung des Kondensators.A voltage of 14V is present at the capacitor arranged in the U-line, which is connected to the vehicle electrical system via a diode of the additional circuit. Current flows from the vehicle electrical system via the diode to the capacitor. As a result, the potential at tap U rises to a value that corresponds to the sum of the vehicle electrical system voltage and the forward voltage of the diode, ie to a value (U BM + 0.7V). This corresponds to an increase in the charge on the capacitor.
Anschließend fließt Ladung vom Kondensator über die zweite Diode der Zusatzschaltung in den Erregerkreis. Dadurch sinkt das Potential am Abgriff U wieder auf -0,7V. Dieser Vorgang,, der sich ständig wiederholt, erfolgt um 120° zeitversetzt in jedem der Stränge U, V, W.Then charge flows from the capacitor through the second diode of the additional circuit into the excitation circuit. This will decrease it Potential at tap U again at -0.7V. This process, which is repeated continuously, takes place 120 ° apart in each of the strands U, V, W.
Beispielsweise gilt für den Erregerstrom Ierr = 8A und für die Erregerspannung Uerr = 24V. Die Energieabgabe des Kondensators berechnet sich zuFor example, the excitation current I err = 8A and the excitation voltage U er r = 24V. The energy output of the capacitor is calculated
E = - C 7 (ι -uχ u„ -ujE = - C 7 (ι -uχ u „-uj
Für die Leistung der Boosterschaltung gilt:The following applies to the performance of the booster circuit:
Damit erhält man : So you get:
C « 1500 μF, wenn f = 180 HzC «1500 μF if f = 180 Hz
Bei einer Veränderung der Randbedingungen ergeben sich andere Werte . If the boundary conditions change, different values result.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Drehstromgenerator, welcher aufweist:1. three-phase generator, which has:
- mehrere Ständerwicklungen (WS) , - eine mit den Ständerwicklungen verbundene Gleichrichteranordnung (G) ,- several stator windings (WS), - a rectifier arrangement (G) connected to the stator windings,
- eine Erregerwicklung (WE) ,- an excitation winding (WE),
- einen Generatorregler (R) , und- A generator regulator (R), and
- eine eine Spannungserhöhung bewirkende Zusatzschaltung, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzschaltung (ZSl; ZS2) eine in den Generator integrierte, passiv betriebene Boosterschaltung ist, welche keine gesteuerten Bauelemente aufweist.- An additional circuit causing a voltage increase, characterized in that the additional circuit (ZS1; ZS2) is a passively operated booster circuit which is integrated in the generator and has no controlled components.
2. Drehstromgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzschaltung (ZSl, ZS2) ausschließlich aus Dioden und Kondensatoren besteht.2. Three-phase generator according to claim 1, characterized in that the additional circuit (ZSl, ZS2) consists exclusively of diodes and capacitors.
3. Drehstromgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzschaltung einen, zwei oder drei Signalzweige aufweist, wobei jeder Signalzweig zwei in Reihe geschaltete Dioden enthält und der Verbindungspunkt zwischen den beiden Dio- den jeweils über einen Kondensator mit einer der Ständerwicklungen (WS) verbunden ist.3. Three-phase generator according to claim 1 or 2, characterized in that the additional circuit has one, two or three signal branches, each signal branch containing two diodes connected in series and the connection point between the two diodes each via a capacitor with one of the stator windings ( WS) is connected.
4. Drehstromgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzschaltung (ZSl) zwischen das Bordnetz und den massefernen Anschluss der Erregerwicklung (WE) geschaltet ist (Figur 6) . 4. Three-phase generator according to one of the preceding claims, characterized in that the additional circuit (ZSl) is connected between the vehicle electrical system and the remote connection of the excitation winding (WE) (Figure 6).
5. Drehstromgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzschaltung (ZS2) zwei Parallelschaltungen dreier Signalzweige aufweist, wobei jeder Signalzweig zwei in Reihe ge- schaltete Dioden enthält und der Verbindungspunkt zwischen den beiden Dioden jeweils über einen Kondensator mit einer der Ständerwicklungen verbunden ist, und wobei eine der Parallelschaltungen dreier Signalzweige zwischen das Bordnetz und den massefernen Anschluss der Erregerwicklung (WE) und die andere Parallelschaltung dreier Signalzweige zwischen den massenahen Anschluss der Erregerwicklung (WE) und Masse geschaltet ist (Figur 7) . 5. Three-phase generator according to one of the preceding claims, characterized in that the additional circuit (ZS2) has two parallel circuits of three signal branches, each signal branch containing two diodes connected in series and the connection point between the two diodes in each case via a capacitor with one of the stator windings is connected, and one of the parallel circuits of three signal branches between the vehicle electrical system and the ground connection of the excitation winding (WE) and the other parallel connection of three signal branches between the ground connection of the excitation winding (WE) and ground is connected (Figure 7).
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