DE102009046952A1

DE102009046952A1 - Voltage regulating method for use in on-board network of motor vehicle, involves adjusting voltage in on-board network of motor vehicle using body contact of phase coil of electrical synchronous generator

Info

Publication number: DE102009046952A1
Application number: DE200910046952
Authority: DE
Inventors: Paul Mehringer; Hubert Greif; Norbert Pfitzke; Herbert Labitzke; Kurt Reutlinger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2009-11-23
Filing date: 2009-11-23
Publication date: 2011-05-26

Abstract

The method involves detecting an induction current for generating magnetic fields in a rotor. Voltage (U-Batt) is adjusted in an on-board network (150) of a motor vehicle using a body contact of a phase coil (113) of an electrical synchronous generator (110). Load control is performed in the network, and a power input of a consumer load is increased. The consumer load is connected to the network. The voltage in the on-board network is regulated when an output voltage exceeds a predetermined threshold value and/or induction current undercuts the predetermined threshold value. Independent claims are also included for the following: (1) an energy supply system for an on-board network of a motor vehicle, comprising an electrical synchronous generator (2) a device for executing a method for regulating voltage in an on-board network of a motor vehicle.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Spannung in einem durch ein Energieversorgungssystem mit einem elektrischen Synchrongenerator mit hybriderregtem, d. h. permanentmagnetisch und elektromagnetisch erregtem, Rotor und einem Gleichrichter gespeisten Bordnetz eines Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The present invention relates to a method for controlling the voltage in a by a power supply system with a synchronous electric generator with hybrid-excited, d. H. permanent magnetically and electromagnetically excited, rotor and a rectifier-powered vehicle electrical system of a motor vehicle according to the preamble of patent claim 1.

Stand der TechnikState of the art

Bei Kraftfahrzeugen werden üblicherweise Synchrongeneratoren, sogenannte Lichtmaschinen, zur Versorgung des Bordspannungsnetzes eingesetzt. Über die Regelung des Erregerstroms im Rotor des Synchrongenerators kann die Ausgangsleistung eingestellt bzw. geregelt werden, um den Betrieb des Bordnetzes sicherzustellen. Aufgabe der Spannungsregelung ist es, bei stark wechselnden Generatordrehzahlen und unterschiedlichen Belastungen die Bordnetzspannung auf einem konstanten Niveau zu halten. Die Regelung der Generatorleistung erfolgt im Normalbetrieb über den Erregerstrom. Dabei ist die Regelgeschwindigkeit begrenzt durch die Zeitkonstante der Erregerwicklung, die in der Größenordnung von mehreren 100 ms liegt. Bei einem schlagartigen Lastabfall (Load Dump) im Bordnetz, z. B. durch das Abschalten eines größeren Verbrauchers, kommt es zunächst zu einem erheblichen Anstieg der Generatorspannung, da die Regelung der Spannung über den Erregerstrom nur mit einer entsprechenden Zeitverzögerung erfolgen kann. Bei höheren Drehzahlen und Abwurf einer größeren Last können dabei unzulässig hohe Spannungswerte auftreten. Diese Spannungsspitzen könnten elektronische Bauteile beschädigen und zum Ausfall von Steuergeräten führen. Aus diesem Grund werden die Gleichrichterdioden häufig mit einem Zenereffekt bzw. Avalanche-Effekt ausgeführt, so dass die Dioden bei Überschreiten einer bestimmten Spannung in Rückwärtsrichtung leiten und die maximale Spannung im Bordnetz beschränken (klammern). Ein solcher Gleichrichter ist bspw. in der US 5,604,653 offenbart. Ein wesentliches Problem ist die dabei in den Dioden umgesetzte Energie. Wird zum Beispiel die Spannung auf 25 V geklammert und liegt ein Lastabwurf von 100 A vor, so kann eine Leistung von kurzzeitig 2.500 W in den Dioden auftreten. Die maximal auftretende Energie setzt sich zusammen aus der Leistung und der Zeit, bis die Leistung abgeregelt ist. Diese in den Dioden umgesetzte Energie ist mitbestimmend für die Dimensionierung der Dioden.In motor vehicles usually synchronous generators, so-called alternators, are used to supply the on-board voltage network. About the regulation of the excitation current in the rotor of the synchronous generator, the output power can be adjusted or regulated to ensure the operation of the electrical system. The task of the voltage control is to keep the vehicle electrical system voltage at a constant level in the case of strongly changing generator speeds and different loads. The regulation of the generator power takes place in normal operation via the excitation current. The control speed is limited by the time constant of the excitation winding, which is on the order of several 100 ms. At a sudden load drop (load dump) in the electrical system, z. B. by switching off a larger consumer, it comes first to a significant increase in the generator voltage, since the regulation of the voltage across the exciter current can only be done with a corresponding time delay. At higher speeds and the release of a larger load, inadmissibly high voltage values can occur. These voltage spikes could damage electronic components and lead to failure of ECUs. For this reason, the rectifier diodes are often carried out with a Zener effect or avalanche effect, so that the diodes conduct when reversing a certain voltage in the reverse direction and limit the maximum voltage in the electrical system (brackets). Such a rectifier is, for example, in the US 5,604,653 disclosed. A major problem is the energy converted in the diodes. If, for example, the voltage is clamped to 25 V and there is a load shedding of 100 A, a power of a short time of 2,500 W can occur in the diodes. The maximum occurring energy is composed of the power and the time until the power is regulated. This energy converted in the diodes is decisive for the dimensioning of the diodes.

Um diesen Energieeintrag in die Dioden im Load-Dump-Fall zu reduzieren gibt es Ansätze, im Generator den Erregerstrom schnell abzubauen (Schnellentregung z. B. mit Gegenspannung, d. h. negativem Erregerstrom). Bei einem hybriderregten Generator, wie er in der DE 10 2007 025 971 A1 offenbart ist, kann ein negativer Erregerstrom auch erforderlich sein, um den Ausgangsstrom des Generators auf kleine Werte einzustellen. Die Bereitstellung eines negativen Erregerstroms erfordert jedoch eine aufwendige Regelung in H-Schaltung.In order to reduce this energy input into the diodes in the load-dump case, there are approaches to quickly reduce the exciter current in the generator (fast de-energizing eg with reverse voltage, ie negative exciter current). In a hybrid-excited generator, as in the DE 10 2007 025 971 A1 A negative exciting current may also be required to set the output current of the generator to small values. The provision of a negative excitation current, however, requires a complex control in H circuit.

Es ist somit wünschenswert, eine einfachere Regelung für einen hybriderregten Synchrongenerator zur Versorgung eines Kfz-Bordnetzes bereitzustellen.It is thus desirable to provide a simpler control for a hybrid-excited synchronous generator for supplying a motor vehicle electrical system.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zur Regelung der Spannung in einem durch ein Energieversorgungssystem gespeisten Bordnetz eines Kraftfahrzeugs sowie ein entsprechendes Energieversorgungssystem mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.According to the invention, a method is proposed for regulating the voltage in a vehicle power system of a motor vehicle fed by an energy supply system, as well as a corresponding energy supply system having the features of the independent patent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims and the following description.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die Erfindung basiert im Wesentlichen auf dem Gedanken, wenigstens eine Phasenwicklung des mehrphasigen Generators, bspw. eines dreiphasigen Generators, zur Spannungsregelung zeitlich definiert mit Masse zu verbinden. In der Folge sinkt die Spannung ab. Wird der Masseschluss dann wieder unterbrochen, steigt die Spannung wieder an. Dieser Ablauf kann zur Regelung der Ausgangsspannung und/oder zum Abbau einer Überspannung des Generators verwendet werden. Es ist nicht mehr notwendig, einen negativen Erregerstrom zur Leistungsreduzierung anzulegen. Die zugehörige komplizierte Schaltung, bspw. durch einen H-Regler, kann eingespart werden. Die Schaltmittel zum Herstellen des Masseschlusses können bspw. als Halbleiterschalter, insbesondere MOS-FET, Transistoren, Thyristoren und/oder Relais ausgeführt sein.The invention is essentially based on the idea of at least one phase winding of the polyphase generator, for example a three-phase generator, to be connected to ground in a time-defined manner for voltage regulation. As a result, the voltage drops. If the ground fault is then interrupted again, the voltage rises again. This process can be used to control the output voltage and / or to reduce an overvoltage of the generator. It is no longer necessary to apply a negative excitation current for power reduction. The associated complicated circuit, for example by an H controller, can be saved. The switching means for producing the short to ground can be embodied, for example, as a semiconductor switch, in particular MOS-FET, transistors, thyristors and / or relays.

Bei rein elektrisch erregten Generatoren ist es bekannt, die Leistungsabgabe der Maschine über einen Kurzschluss aller Generatorausgänge zu regeln. Die DE 199 03 426 A1 zeigt einen dem Generator nachgeschalteten Hochsetzsteller. Im Falle einer Überspannung durch Lastabwurf wird der Generator über den Steller abgetaktet. Gleichzeitig erfolgt eine Reduzierung des Erregerstromes. Der Erregerstrom wird entsprechend seiner großen Zeitkonstanten langsam reduziert. Der Maschinenstrom wird hierdurch kleiner und die Klemmenspannung durch den Steller angehoben, um die Leistung konstant zu halten. Auch die DE 198 38 296 A1 zeigt eine vergleichbare Schaltung. Die US 6,353,307 B1 , US 2007/0278966 A1 und auch die DE 1 763 303 A zeigen das Kurzschließen aller Phasen in einem rein elektrisch bzw. rein magnetisch erregten Generator. Nachteilig bei all diesen Lösungen ist, dass die Ströme auf der Ausgangsseite des Generators im Bereich bis über 200 A liegen und die Schaltung somit entsprechend aufwendig und kompliziert ist. Das gestellte Problem, negative Spannungen bei hybriderregten Maschinen zu vermeiden, wird in den genannten Druckschriften nicht behandelt.In purely electrically excited generators, it is known to regulate the power output of the machine via a short circuit of all generator outputs. The DE 199 03 426 A1 shows a generator connected downstream boost converter. In the case of an overvoltage due to load shedding, the generator is switched off via the controller. At the same time there is a reduction of the excitation current. The excitation current is slowly reduced according to its large time constant. The machine current is thereby reduced and the terminal voltage is raised by the actuator in order to keep the power constant. Also the DE 198 38 296 A1 shows a comparable circuit. The US 6,353,307 B1 . US 2007/0278966 A1 and also the DE 1 763 303 A show the short-circuiting of all phases in a purely electrically or purely magnetically excited generator. A disadvantage of all these solutions is that the currents are on the output side of the generator in the range up to about 200 A and the circuit is therefore correspondingly complicated and complicated. The problem posed, to avoid negative voltages in hybrid-excited machines, is not dealt with in the cited documents.

Durch das Kurzschließen wenigstens einer Phasenwicklung des Generators kann zum einen die Regelung bei kleinen Abgabeleistungen und zum anderen eine Schnellentregung der Maschine im Load-Dump-Fall realisiert werden, ohne dazu negative Erregerströme bereitstellen zu müssen. Die Leistung kann über den Kurzschlussschalter sehr schnell abgebaut werden. Somit wird eine Schnellentregung über eine H-Schaltung des Erregerkreises entbehrlich. Besonders vorteilhaft ist der einphasige Massenschluss. Hierdurch kann die Abgabeleistung des Generators fast vollständig abgebaut werden. Zudem ist diese Schaltung bezüglich des Aufwands besonders vorteilhaft. Es ist nur ein Schaltelement erforderlich, das, im Beispiel eines Diodengleichrichters, parallel zu einer Diode geschaltet ist. Wird der Schalter im Load-Dump-Fall bei Überschreiten einer Schwellenspannung geschlossen, so kann die Leistung des Generators fast schlagartig reduziert werden. Der Energieeintrag in die Dioden durch einen Rückstrom kann auf ein Minimum reduziert werden. Die Reduzierung der Generatorleistung ist nicht mehr an die Zeitkonstante der Erregerwicklung gebunden. Durch den Phasenkurzschluss wird ein wesentlicher Teil der Rückströme, die in den Dioden Verlustleistungsspitzen erzeugen, schlagartig über den Phasenkurzschluss abgeleitet.By short-circuiting at least one phase winding of the generator, on the one hand, the control can be realized with small power outputs and, on the other hand, rapid de-excitation of the machine in the load-dump case, without having to provide negative exciter currents. The power can be dissipated very quickly via the short-circuit switch. Thus, a fast de-excitation via an H-circuit of the excitation circuit is unnecessary. Particularly advantageous is the single-phase ground fault. As a result, the output power of the generator can be almost completely reduced. In addition, this circuit is particularly advantageous in terms of effort. Only one switching element is required, which, in the example of a diode rectifier, is connected in parallel with a diode. If the switch is closed in the load-dump case when a threshold voltage is exceeded, the power of the generator can be reduced almost abruptly. The energy input into the diodes by a return current can be reduced to a minimum. The reduction of the generator power is no longer tied to the time constant of the exciter winding. Due to the phase short circuit, a substantial part of the return currents, which generate power loss peaks in the diodes, are abruptly dissipated via the phase short circuit.

Im Niederlastbetrieb, d. h. bei einem Betrieb, bei dem herkömmlicherweise der Rotor negativ bestromt werden müsste, kann durch entsprechend getaktetes Kurzschließen wenigstens einer Phasenwicklung nur die benötigte Leistung bereitgestellt werden. Ebenso kann im Schadensfall der Erregerwicklung verfahren werden, um Überspannungen im Bordnetz zu vermeiden. Diese Zustände können vorteilhaft durch Erfassung des Erregerstroms überwacht werden. Ist der Erregerstrom Null, liegt ein Niederlastbetrieb oder ein Schaden der Erregerwicklung (z. B. Bürsten- oder Kabelbruch) vor.In low load operation, d. H. In an operation in which conventionally the rotor would have to be negatively energized, only the required power can be provided by correspondingly clocked shorting of at least one phase winding. Likewise, in case of damage, the excitation winding can be moved to avoid overvoltages in the electrical system. These states can be monitored advantageously by detecting the excitation current. If the excitation current is zero, there is a low-load operation or a damage of the exciter winding (eg brush or cable break).

Bei einer bevorzugten Ausführungsform, für die gesondert um Schutz nachgesucht wird, wird zur Regelung der Spannung, insbesondere bei fehlendem Erregerstrom (bspw. bei Niederlast oder Schaden), die Leistungsaufnahme wenigstens eines an das Bordnetz angeschlossenen Verbrauchers erhöht. Damit ist selbstverständlich umfasst, dass die Leistungsaufnahme wenigstens eines Verbrauchers erhöht und/oder wenigstens ein weiterer Verbraucher zugeschaltet wird. Eine vorteilhafte Möglichkeit für einen Notbetrieb des Bordnetzes bei Ausfall der Generatorregelung ohne zusätzliche Bauelemente (Baugruppen) auszukommen, besteht in einem intelligenten Bordnetzmanagement. Im Fehlerfall kann eine Grobregelung der Netzspannung durch das Zu- und Abschalten von Verbrauchern erfolgen. So kann beispielhaft bei Überschreiten einer maximalen Spannung im Bordnetz von z. B. 15 V durch ein Überangebot an Generatorleistung durch das Zuschalten eines Verbrauchers die Leistung abgebaut werden. Wird ein Grenzwert für die Bordnetzspannung von z. B. 10 V unterschritten, lassen sich diese Verbraucher wieder abschalten und die Bordnetzspannung wird durch die verbleibende Leistungsabgabe des Generators gestützt. Im zentralen Steuergerät für das Bordnetzmanagement kann dies beispielhaft durch einen einfachen Hysterese- oder Zweipunktregler umgesetzt werden. Als Worstcase-Szenario ist hier eine Autobahnfahrt mit defektem Erregersystem zu betrachten. In diesem Fall müssen ca. 73 A dauerhaft durch entsprechende Verbraucher abgenommen werden. Eine Auswahl der geeigneten (unschädlichen) Verbraucher muss fahrzeugspezifisch definiert werden. Besonders interessant sind Verbraucher, deren Leistung geregelt oder gesteuert werden kann. Insbesondere ist hier der Motorlüfter zu nennen. Zum einen besitzen Motorlüfter eine hohe maximale Leistung von bis 1.200 W und sind zudem in ihrer Leistung regelbar (Drehzahlregelung) oder können in mehreren Stufen geschaltet werden. Damit kann eine feine Einstellung der verbrauchten Leistung erzielt werden und die Bordnetzspannung in engen Grenzen gehalten werden. Weitere geeignete Verbraucher sind Heckscheibenheizung (ca. 200 W), Abblendlicht (ca. 110 W) usw.In a preferred embodiment, for which protection is sought separately, the power consumption of at least one consumer connected to the vehicle electrical system is increased to regulate the voltage, in particular in the absence of exciter current (for example, at low load or damage). This naturally includes that the power consumption of at least one consumer is increased and / or at least one further consumer is switched on. An advantageous possibility for an emergency operation of the electrical system in case of failure of the generator control without additional components (modules) to get along, consists in an intelligent on-board network management. In the event of a fault, a coarse regulation of the mains voltage can take place by switching consumers on and off. For example, when exceeding a maximum voltage in the electrical system of z. B. 15 V be reduced by an oversupply of generator power by connecting a consumer's performance. If a limit for the vehicle electrical system voltage of z. B. 10 V below, these consumers can be switched off again and the vehicle electrical system voltage is supported by the remaining power output of the generator. In the central control unit for the electrical system management, this can be implemented by way of example by a simple hysteresis or two-point controller. The worst-case scenario here is a motorway journey with a defective exciter system. In this case, about 73 A must be permanently removed by appropriate consumers. A selection of suitable (harmless) consumers must be defined on a vehicle-specific basis. Particularly interesting are consumers whose performance can be regulated or controlled. In particular, the motor fan should be mentioned here. On the one hand, motor fans have a high maximum power of up to 1,200 W and are also adjustable in their power (speed control) or can be switched in several stages. Thus, a fine adjustment of the consumed power can be achieved and the vehicle electrical system voltage can be kept within narrow limits. Other suitable consumers are heated rear window (about 200 W), low beam (about 110 W), etc.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination indicated, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.The invention is illustrated schematically with reference to an embodiment in the drawing and will be described in detail below with reference to the drawing.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Wechselstromgenerator für Kraftfahrzeuge gemäß dem Stand der Technik. 1 shows a longitudinal section through an alternator for motor vehicles according to the prior art.

2 ein Schaltbild eines Generators für einen fünfphasigen Wechselstrom mit einem Brückengleichrichter gemäß dem Stand der Technik. 2 a circuit diagram of a generator for a five-phase AC with a bridge rectifier according to the prior art.

3 ein vereinfachtes Schaltbild eines erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems in einem Kraftfahrzeug. 3 a simplified circuit diagram of a power supply system according to the invention in a motor vehicle.

4 Temperatur-, Verlustleistungs- und Stromverlauf in einer Diode bei einer Ansteuerung gemäß dem Stand der Technik. 4 Temperature, loss performance and current waveform in a diode in a drive according to the prior art.

5 Temperatur-, Verlustleistungs- und Stromverlauf in einer Diode bei einer Ansteuerung gemäß der Erfindung. 5 Temperature, loss performance and current waveform in a diode in a drive according to the invention.

Ausführungsform(en) der ErfindungEmbodiment (s) of the invention

In 1 ist ein Schnitt durch einen Wechselstromgenerator 10 für Kraftfahrzeuge dargestellt. Dieser weist unter anderem ein zweiteiliges Gehäuse 13 auf, das aus einem ersten Lagerschild 13.1 und einem zweiten Lagerschild 13.2 besteht. Das Lagerschild 13.1 und das Lagerschild 13.2 nehmen in sich einen Stator 16 auf, mit einem kreisringförmigen Statorblechpaket 17, in dessen nach innen offene und sich axial erstreckende Nuten eine Statorwicklung 18 eingelegt ist. Der ringförmige Stator 16 umgibt mit seiner radial nach innen gerichteten Oberfläche einen elektromagnetisch erregten Rotor 20, der als hybriderregter Rotor ausgebildet ist. Der Stator 16 wirkt hierbei über einen Arbeitsluftspalt mit dem im Stator 16 drehbar gelagerten Rotor 20 zusammen.In 1 is a section through an alternator 10 presented for motor vehicles. This has, inter alia, a two-part housing 13 on, that from a first bearing shield 13.1 and a second end shield 13.2 consists. The bearing plate 13.1 and the bearing plate 13.2 take in a stator 16 on, with a circular stator laminated core 17 in which inwardly open and axially extending grooves a stator winding 18 is inserted. The annular stator 16 surrounds with its radially inwardly directed surface an electromagnetically excited rotor 20 which is designed as a hybrid-excited rotor. The stator 16 acts here via a working air gap with that in the stator 16 rotatably mounted rotor 20 together.

Der Rotor 20 weist über seinen Umfang in einer vorgegebenen Folge mehrere Nordpole und Südpole auf, die durch polbildende Permanentmagnete 24, 25 sowie durch eine Erregerwicklung 29 ausgebildet werden. Dabei lässt sich die Polzahl des Rotors 20 in Abhängigkeit von der Stärke und Richtung eines Erregerstromes in der Erregerwicklung 29 umsteuern. Der Rotor umfasst einen magnetisch leitfähigen Körper, der als Blechpaket 21 ausgebildet ist. Das Rotorblechpaket 21 ist vorzugsweise in Achsrichtung laminiert mit einer Blechstärke zwischen 0,1 mm und 2,0 mm. Unterhalb 0,1 mm ist die Widerstandsfähigkeit des Blechpakets 21 gegen Fliehkräfte zu gering. Oberhalb von 2,0 mm ist die Verringerung der Wirbelstromverluste auf der Außenfläche des Rotors 20 nicht mehr ausreichend, sodass die im Rotor eingebauten Permanentmagnete 24, 25 geschädigt, bzw. entmagnetisiert werden können.The rotor 20 has over its circumference in a predetermined sequence several north poles and south poles, which by polbildende permanent magnets 24 . 25 as well as by a field winding 29 be formed. In this case, the number of poles of the rotor can be 20 depending on the strength and direction of a field current in the field winding 29 change course. The rotor comprises a magnetically conductive body, which serves as a laminated core 21 is trained. The rotor core 21 is preferably laminated in the axial direction with a sheet thickness between 0.1 mm and 2.0 mm. Below 0.1 mm is the resistance of the laminated core 21 against centrifugal forces too low. Above 2.0 mm is the reduction in eddy current losses on the outer surface of the rotor 20 no longer sufficient so that the permanent magnets installed in the rotor 24 . 25 damaged, or can be demagnetized.

Die axiale Länge des Rotorblechpaketes entspricht vorzugsweise der axialen Länge des kreisringförmigen Statorblechpaketes 17 bzw. ist für einen Toleranzausgleich bis zu 2 mm länger oder kürzer als das kreisringförmige Statorblechpaket 17. Das Blechpaket 21 wird vorzugsweise durch Schweißnähte zusammengehalten. Es können statt Schweißungen auch Niete oder Knöpfungen eingesetzt werden.The axial length of the rotor laminated core preferably corresponds to the axial length of the annular laminated stator core 17 or is for a tolerance compensation up to 2 mm longer or shorter than the annular stator lamination 17 , The laminated core 21 is preferably held together by welds. It can be used instead of welding rivets or knobs.

Die Erregerwicklung 29 ist hierbei als Durchmesserspule ausgebildet und liegt in ausgesparten Nuten, die aus dem Blechpaket 21 ausgestanzt sind. Die Erregerwicklung 29 kann z. B. als Flyerwicklung (Doppelflyer) direkt in das Rotorblechpaket 21 eingewickelt werden. Des Weiteren sind in dem Rotorblechpaket Bereiche ausgespart, in denen die Permanentmagnete 24, 25 eingesetzt werden. Die Magnete 24, 25 werden in ausgestanzte Taschen im Rotorblechpaket eingesetzt. Hierdurch ist es möglich, die Fliehkräfte durch die geometrische Form der Taschen aufzunehmen und dadurch einen sicheren Halt der Magnete auf dem Rotor zu gewährleisten. Als Magnetmaterial erweist sich ein Material mit einer Remanenzinduktion von größer 1 T als besonders vorteilhaft. Diese magnetischen Eigenschaften weisen insbesondere Permanentmagnete aus Seltenen Erden auf. Die Magnete werden hierbei in den Rotor derart eingebaut, dass sie ein im Wesentlichen radiales Feld erzeugen. Dieses Feld tritt dann vom Rotor über den Luftspalt in das Ständerblechpaket und bildet somit bei Drehung des Rotors eine Spannungsinduktion in den Wicklungen des Rotors.The excitation winding 29 is here designed as a diameter coil and is located in recessed grooves, which from the laminated core 21 punched out. The excitation winding 29 can z. B. as a flyer winding (double flyer) directly into the rotor core 21 be wrapped. Furthermore, areas are left in the rotor laminated core in which the permanent magnets 24 . 25 be used. The magnets 24 . 25 are used in punched out pockets in the rotor core. This makes it possible to take the centrifugal forces through the geometric shape of the pockets and thereby ensure a secure hold of the magnets on the rotor. As a magnetic material, a material with a remanence of greater than 1 T proves to be particularly advantageous. These magnetic properties in particular have permanent magnets made of rare earths. The magnets are in this case installed in the rotor so that they generate a substantially radial field. This field then passes from the rotor via the air gap in the stator core and thus forms a voltage induction in the windings of the rotor upon rotation of the rotor.

Der Rotor 20 ist mittels einer Welle 27 und je einem auf je einer Rotorseite befindlichen Wälzlager 28 in den jeweiligen Lagerschilden 13.1 beziehungsweise 13.2 drehbar gelagert. Er weist zwei axiale Stirnflächen auf, an denen jeweils ein Lüfter 30 befestigt ist. Diese Lüfter 30 bestehen im Wesentlichen aus einem plattenförmigen bzw. scheibenförmigen Abschnitt, von dem Lüfterschaufeln in bekannter Weise ausgehen. Diese Lüfter 30 dienen dazu, über Öffnungen 48 in den Lagerschilden 13.1 und 13.2 einen Luftaustausch zwischen der Außenseite und dem Innenraum der elektrischen Maschine 10 zu ermöglichen. Dazu sind die Öffnungen 48 an den axialen Enden der Lagerschilde 13.1 und 13.2 vorgesehen, über die mittels der Lüfter 30 Kühlluft in den Innenraum der elektrischen Maschine 10 eingesaugt wird. Diese Kühlluft wird durch die Rotation der Lüfter 30 radial nach außen beschleunigt, so dass sie durch die kühlluftdurchlässigen Wickelköpfe 50 auf der Antriebsseite und 51 auf der Elektronikseite hindurchtreten kann. Durch diesen Effekt werden die Wickelköpfe 50, 51 gekühlt.The rotor 20 is by means of a wave 27 and one each located on one rotor side bearings 28 in the respective bearing shields 13.1 respectively 13.2 rotatably mounted. It has two axial end faces, on each of which a fan 30 is attached. These fans 30 consist essentially of a plate-shaped or disc-shaped portion, emanating from the fan blades in a known manner. These fans 30 serve to over openings 48 in the bearing shields 13.1 and 13.2 an exchange of air between the outside and the interior of the electric machine 10 to enable. These are the openings 48 at the axial ends of the end shields 13.1 and 13.2 provided by means of the fan 30 Cooling air in the interior of the electric machine 10 is sucked in. This cooling air is generated by the rotation of the fan 30 accelerated radially outwards so that they pass through the cool air-permeable winding heads 50 on the drive side and 51 can pass on the electronics side. This effect turns the windings 50 . 51 cooled.

In 1 auf der rechten Seite befindet sich eine Schutzkappe 47, die verschiedene Bauteile vor Umgebungseinflüssen schützt. So deckt diese Schutzkappe 47 beispielsweise eine Schleifringbaugruppe 49 ab, die die Erregerwicklung 29 mit Erregerstrom versorgt. Um diese Schleifringbaugruppe 49 herum ist ein Kühlkörper 53 angeordnet, der hier als Pluskühlkörper wirkt, an dem Plusdioden montiert sind. Als so genannter Minuskühlkörper wirkt das Lagerschild 13.2. Zwischen dem Lagerschild 13.2 und dem Kühlkörper 53 ist eine Anschlussplatte angeordnet, welche im Lagerschild 13.2 befestigte Minusdioden 58 und in dieser Darstellung nicht gezeigte Plusdioden im Kühlkörper 53 in Form einer Brückenschaltung miteinander verbindet.In 1 on the right side is a protective cap 47 , which protects various components against environmental influences. So cover this cap 47 For example, a slip ring assembly 49 starting, which is the exciter winding 29 supplied with excitation current. To this slip ring assembly 49 around is a heat sink 53 arranged, which acts here as a plus heat sink mounted on the plus diodes. As a so-called minus heat sink, the end shield acts 13.2 , Between the end shield 13.2 and the heat sink 53 a connection plate is arranged, which in the bearing plate 13.2 fixed minus diodes 58 and not shown in this illustration Plus diodes in the heat sink 53 connects together in the form of a bridge circuit.

In 2 ist der Wechselstromgenerator 10 der 1 mit fünf phasenbildenden Wicklungssträngen 70, 71, 72, 73, 74 anhand eines Schaltbildes dargestellt. Es versteht sich, dass auch andere Phasenzahlen und Verschaltungen möglich sind, insbesondere 3-phasige Anordnungen in Stern- oder Dreieckschaltung. Die Gesamtheit aller Wicklungsstränge 70, 71, 72, 73, 74 bildet die Ständerwicklung 18 gemäß 1. Die fünf phasenbildenden Wicklungsstränge 70, 71, 72, 73, 74 sind zu einer Grundschaltung als fünfzackiger Stern (Drudenfuß) verschaltet, wobei die jeweils in den Zacken des Sterns verschalteten Stränge einen Winkel von ca. 36° el. einschließen. An den Verschaltungspunkten der Zacken 80, 81, 82, 83, 84 des fünfzackigen Sterns ist eine Gleichrichterbrückenschaltung 69 angeschlossen. Die Wicklungsstränge sind wie folgt verschaltet:
Der Wicklungsteilstrang 70 ist am Verschaltungspunkt 80 mit dem Wicklungsteilstrang 71 verbunden. Der Wicklungsstrang 71 ist an seinem gegenüberliegenden Ende am Verschaltungspunkt 81 mit dem Wicklungsstrang 72 verbunden. Der Wicklungsstrang 72 ist an seinem gegenüberliegenden Ende am Verschaltungspunkt 82 mit dem Wicklungsstrang 73 verbunden. Der Wicklungsteilstrang 73 ist an seinem gegenüberliegenden Ende am Verschaltungspunkt 83 mit dem Wicklungsstrang 74 verbunden. Der Wicklungsstrang 74 ist an seinem gegenüberliegenden Ende am Verschaltungspunkt 84 mit dem Wicklungsstrang 70 verbunden.In 2 is the alternator 10 of the 1 with five phase-forming winding strands 70 . 71 . 72 . 73 . 74 illustrated by a circuit diagram. It is understood that other phase numbers and interconnections are possible, in particular three-phase arrangements in star or delta connection. The totality of all winding strands 70 . 71 . 72 . 73 . 74 forms the stator winding 18 according to 1 , The five phase-forming winding strands 70 . 71 . 72 . 73 . 74 are connected to a basic circuit as a five-pointed star (Drudenfuß), wherein the interconnected in each case of the spikes of the star strands enclose an angle of about 36 ° el. At the points of intersection of the teeth 80 . 81 . 82 . 83 . 84 of the five-pointed star is a rectifier bridge circuit 69 connected. The winding strands are interconnected as follows:
The winding sub-string 70 is at the interconnection point 80 with the winding sub-string 71 connected. The winding strand 71 is at its opposite end at the junction point 81 with the winding strand 72 connected. The winding strand 72 is at its opposite end at the junction point 82 with the winding strand 73 connected. The winding sub-string 73 is at its opposite end at the junction point 83 with the winding strand 74 connected. The winding strand 74 is at its opposite end at the junction point 84 with the winding strand 70 connected.

Die Verschaltungspunkte befinden sich vorzugsweise axial auf oder neben dem elektronikseitigen Wickelkopf 51 um möglichst kurze Verschaltungswege zu realisieren. Hierzu treten die jeweils zu verschaltenden Anschlussdrähte der Wicklungsstränge 70, 71, 72, 73, 74 eines Verschaltungspunktes 80, 81, 82, 83, 84 vorzugsweise aus in Umfangsrichtung direkt benachbarten Nuten aus.The Verschaltungspunkte are preferably axially on or adjacent to the electronics side winding 51 to realize the shortest possible connection paths. For this purpose, the respective connection wires of the winding strands to be connected occur 70 . 71 . 72 . 73 . 74 a connection point 80 . 81 . 82 . 83 . 84 preferably from circumferentially directly adjacent grooves.

Die Verschaltungspunkte 80, 81, 82, 83, 84 der Wicklungsstränge 70, 71, 72, 73, 74 sind mit dem separaten Brückengleichrichter 69 verbunden, der aus fünf Minusdioden 58 und fünf Plusdioden 59 aufgebaut ist. Gleichspannungsseitig ist ein Spannungsregler 66 parallel geschaltet, der durch Beeinflussung des Stromes durch die Erregerwicklung 29 die Spannung des Generators regelt. Der Spannungsregler kann zusätzlich noch eine Verbindung zum Gleichrichter aufweisen, um den Spannungsabfall über einer Diode zu messen und hieraus die aktuelle Drehzahl des Generators zu ermitteln. Das Bordnetz ist schematisch durch eine Fahrzeugbatterie 61 und durch Fahrzeugverbraucher 62 dargestellt. Es ist zur besseren Regelung auch möglich die Erregerwicklung 29 mithilfe von vier Endstufen, die zu einer H-Brückenschaltung verbunden werden, anzusteuern. Hierdurch wird es möglich in die Erregerwicklung 29 auch negative Erregerströme einzuprägen. Diese H-Brückenschaltung ist relativ aufwendig und kann durch die Erfindung vermieden werden, wie es nachfolgend unter Bezugnahme auf 3 vereinfachend dargestellt wird.The interconnection points 80 . 81 . 82 . 83 . 84 the winding strands 70 . 71 . 72 . 73 . 74 are with the separate bridge rectifier 69 connected, which consists of five negative diodes 58 and five plus diodes 59 is constructed. DC voltage side is a voltage regulator 66 connected in parallel, by influencing the current through the exciter winding 29 regulates the voltage of the generator. The voltage regulator may additionally have a connection to the rectifier in order to measure the voltage drop across a diode and to determine therefrom the current rotational speed of the generator. The electrical system is schematically by a vehicle battery 61 and by vehicle consumers 62 shown. It is also possible to better control the exciter winding 29 using four power amplifiers, which are connected to a H-bridge circuit to control. This makes it possible in the field winding 29 also to impress negative excitation currents. This H-bridge circuit is relatively expensive and can be avoided by the invention, as described below with reference to 3 is shown simplistic.

In 3 ist ein Energieversorgungssystem 100 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einem vereinfachten Schaltplan dargestellt. Das Energieversorgungssystem 100 weist einen elektrischen Synchrongenerator 110 mit drei Phasenwicklungen 111, 112 und 113 auf. Das Energieversorgungssystem 100 weist weiterhin einen Gleichrichter 120 mit drei Plusdioden 121 und drei Minusdioden 122 auf. Weiterhin weist der Gleichrichter einen Schalter 125 zum Herstellen eines Masseschlusses der Phasenwicklung 113 auf. Das Bordnetz wird schematisch durch einen Verbraucher 150 dargestellt, die im Bordnetz anliegende Spannung ist mit U_Bat bezeichnet.In 3 is an energy supply system 100 represented according to a preferred embodiment of the invention in a simplified circuit diagram. The energy supply system 100 has an electrical synchronous generator 110 with three phase windings 111 . 112 and 113 on. The energy supply system 100 also has a rectifier 120 with three plus diodes 121 and three minus diodes 122 on. Furthermore, the rectifier has a switch 125 for making a ground fault of the phase winding 113 on. The electrical system is schematically represented by a consumer 150 shown, the voltage applied in the electrical system voltage is designated U _Bat .

Die Spannung U_Bat in dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs wird in Ausgestaltung der Erfindung durch Betätigung des Schalters 125 geregelt. Liegt beispielsweise die Spannung U_Bat über einem ersten vorgegebenen Schwellenwert, wird der Schalter 125 geschlossen, um die Spannung in dem Bordnetz zu reduzieren. Liegt anschließend die Spannung U_Bat unter einem zweiten vorgegebenen Schwellenwert, wird der Schalter 125 wieder geöffnet, um die Spannung in dem Bordnetz zu erhöhen. Die Zeitspannen, in denen der Schalter geöffnet oder geschlossen ist, werden beispielsweise von einem Steuergerät, insbesondere von dem Steuergerät zur Erregerstromregelung, vorgegeben. Die Zeitspannen umfassen z. B. zur Regelung in einem Niederlastbereich mehr als eine Schwingungsdauer der vom Generator erzeugten Wechselspannung.The voltage U _Bat in the electrical system of the motor vehicle is in an embodiment of the invention by actuation of the switch 125 regulated. For example, if the voltage U _Bat above a first predetermined threshold, the switch 125 closed to reduce the voltage in the electrical system. If then the voltage U _Bat below a second predetermined threshold, the switch 125 reopened to increase the voltage in the electrical system. The periods during which the switch is open or closed are specified, for example, by a control unit, in particular by the control unit for exciting current control. The periods include z. B. for control in a low load range more than a period of oscillation of the alternating voltage generated by the generator.

In 4 ist das zeitliche Verhalten der Temperatur 410, der Verlustleistung 420 sowie des Stroms 430 bei einem Lastabfall in einem herkömmlichen Energieversorgungssystem, wie beispielsweise in 2, dargestellt. Die Verläufe zeigen die Simulation für das Abfallen des Generatorstroms von 200 A auf 40 A innerhalb von etwa 10 ms. Im Abschaltzeitpunkt stellt sich in den Gleichrichterdioden ein negativer Rückstrom ein, da das Bordnetz die gelieferten 200 A des Generators nicht aufnehmen kann. Die Ausregelgeschwindigkeit des Generators bewegt sich aufgrund der hohen Spuleninduktivität der Läuferspulen in einer Größenordnung von ca. 200 ms. Aufgrund der hohen Zenerspannung gegenüber der relativ niedrigen Durchflussspannung in Vorwärtsrichtung der Dioden fallen in diesem Betriebsfall sehr hohe Verlustleistungen an. Im Beispiel liegen die Leistungsspitzen bei 2 kW, die über einen Zeitraum von ca. 100 ms abgebaut werden. Zur Verdeutlichung des Verlustleistungseintrags wurden die simulierten Verlustleistungen in ein RC-Netzwerk eingespeist, das den thermischen Schichtaufbau einer DBC-Keramik abbildet.In 4 is the temporal behavior of the temperature 410 , the power loss 420 as well as the electricity 430 at a load drop in a conventional power supply system, such as in 2 represented. The curves show the simulation for the fall of the generator current from 200 A to 40 A within about 10 ms. At the switch-off time, a negative reverse current occurs in the rectifier diodes since the vehicle electrical system can not take up the delivered 200 A of the generator. The Ausregelgeschwindigkeit of the generator moves due to the high coil inductance of the rotor coils in the order of about 200 ms. Due to the high zener voltage compared to the relatively low forward voltage of the diodes fall in this case of operation very high power losses. In the example, the power peaks are 2 kW, which are reduced over a period of approx. 100 ms. To clarify the power loss entry, the simulated power losses fed into an RC network, which maps the thermal layer structure of a DBC ceramic.

In 5 sind die entsprechenden Verläufe von Temperaturen 510, Verlustleistung 520 sowie Strom 530 bei Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Zum Zeitpunkt des Lastabfalls wird eine Phasenwicklung kurzgeschlossen. Man erkennt, dass der Rückstrom in der Diode, die Verlustleistung und die Temperatur signifikant geringer sind.In 5 are the corresponding courses of temperatures 510 , Power dissipation 520 as well as electricity 530 represented when performing a method according to the invention. At the time of the load drop, a phase winding is shorted. It can be seen that the reverse current in the diode, the power dissipation and the temperature are significantly lower.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 5604653 [0002]
DE 102007025971 A1 [0003]
DE 19903426 A1 [0007]
DE 19838296 A1 [0007]
US 6353307 B1 [0007]
US 2007/0278966 A1 [0007]
DE 1763303 A [0007]

Claims

Method for regulating the voltage in a system by an energy supply system ( 100 ) with an electrical synchronous generator ( 110 ) with a hybrid-excited rotor and a rectifier ( 120 ) powered electrical system ( 150 ) of a motor vehicle, wherein the output voltage generated by the generator is detected, characterized in that the excitation current for generating a magnetic field in the rotor is detected and the voltage (U _Bat ) in the electrical system ( 150 ) by means of a ground fault of at least one phase winding ( 113 ) of the generator ( 110 ) is set.

Method according to Claim 1, in which the voltage (U _Bat ) in the vehicle electrical system ( 150 ) by means of a ground fault of exactly one phase winding ( 113 ) of the generator ( 110 ) is set.

Method according to Claim 1 or 2, which is used during load shedding in the vehicle electrical system ( 150 ) is carried out.

Method according to one of the preceding claims, which in the low-load operation of the vehicle electrical system ( 150 ) is carried out.

Method according to the preamble of patent claim 1 or according to one of the preceding claims, characterized in that the power consumption of at least one of the electrical system ( 150 ) connected consumer is increased.

Method according to one of the preceding claims, which is carried out in case of disturbance of the excitation winding in the rotor or the other exciter circuit.

Method according to one of the preceding claims, which is carried out when the output voltage (U _Bat ) exceeds a first predefinable threshold value and / or the excitation current falls below a third predefinable threshold value.

Method according to claim 7, wherein the ground fault of the at least one phase winding ( 113 ) of the generator ( 110 ) is removed when the output voltage (U _Ba _t ) falls below a second predetermined threshold and / or the excitation current exceeds a fourth predetermined threshold.

Energy supply system for an electrical system of a motor vehicle with a synchronous electric generator with hybrid-excited rotor and a rectifier and means for detecting the output voltage generated by the generator, characterized by means for detecting the exciting current to generate a magnetic field in the rotor and switching means for establishing a ground fault of at least one phase winding ( 113 ).

Power supply system according to claim 9, comprising a drive device for driving the switching means on the basis of the detected output voltage and / or the detected excitation current.

Apparatus according to claim 9 or 10, arranged for carrying out a method according to one of claims 1 to 7.